沉水植物设计，需考虑哪些边界条件？| 流速篇

 

“水体流速v＜0.1m/s时，沉水植物生物量将达到较高水平，物种多样性丰富。”

沉水植物群落的恢复和重建，是水生态修复工作的核心内容。

相比于其他水生植物，沉水植物因其整个植株淹没于水下，对环境胁迫的反应更为敏感，在水生态设计时，需格外注意其生长边界条件。

影响沉水植物生存、生长及繁殖的边界条件很多，一般可分为环境因素和生物因素。

环境因素如水深、光照、温度、流速、风浪、营养盐浓度等；生物因素则如鱼类牧食、藻类竞争、自然演替等。各种因素综合作用于沉水植物，影响着沉水植物的生长情况。

本文中，我们将围绕<流速>这一因素进行展开，重点探讨以下几个问题：

1、流速会对沉水植物产生哪些影响？

2、沉水植物对流速会有什么反作用？

3、多大的流速适宜沉水植物生长？

4、苦草、黑藻等常见沉水植物，对流速的环境阈值是多少？

 

一、流速对沉水植物的影响

流速对沉水植物的影响，首先直观地表现在植株的生长形态上。

沉水植物在遭遇水流带来的拉伸、搅动、拖拽作用力时，为了降低其对自身造成的破坏，会主动改变根、茎、叶等器官的形态，以适应环境的变化。

张松贺等人的研究结果表明，苦草在30~40 cm/s的流动水体中，植株会变得矮小、叶片较窄，显著低于静水状态时的生长水平。

△苦草（静水区vs流动河道）

其次，水流还会影响沉水植物的代谢、吸收过程，并在一定程度促进或阻碍植物的光合作用。

Westllake等试验表明，在0~0.01m/s的缓速水流中，沉水植物的光合作用速率与流速呈显著正相关，即随着流速的增加，植物的光合作用也在增强。

但是当流速从0.01m/s增加到0.086m/s时，Madsen发现其研究的8种沉水植物的光合作用与流速呈显著负相关，随着流速增大光合作用呈下降趋势。

这说明，流速对沉水植物的影响具有两面性，在较低的流速下有助于沉水植物的光合作用；而较高的流速增加了底泥再次悬浮，降低了水体透明度，进而抑制植物的光合作用。

此外，流速的大小密切影响着沉水植物生物量和生物多样性，较高的流速增加了沉水植物在底泥中扎根的难度，从生理特性上限制某一区域沉水植物拓殖、生长的能力。

Nilsson的研究表明，在水体表层的流速为0.3m/s时，沉水植物的种类会达到最大值。在同一条河流中，不同流速的水域分布的沉水植物种类也具有显著差异。

Chambers等在研究中发现，当水体流速增加到1m/s时，河流沉水植物的生物量呈直线下降趋势；当一直维持较高的流速条件时，沉水植物则将逐步消失。

二、沉水植物对流速的影响

流速影响着沉水植物的生长，而沉水植物的生长也在一定程度上改变着水流动力。

沉水植物对水流的影响主要变现在3个方面：一是沉水植物可以降低流速，二是可以改变水流方向，三是具有消波作用。

Carollo等研究发现，在植被密度和水深—植被高度比不变的情况下，水流阻力随底坡的减小而增大；在其他条件一定时，流动阻力一定程度上随植被密度的增加而减小。

胡国毅选用苦草进行试验，对比了种植沉水植物前后的水流特性变化，结果发现无植物条件下，垂线流速分部呈“J”型，试验流量越大（来水流速）越大，水体底部流速梯度越大。

△无沉水植物条件下“J”型流速分布图

种植植物条件下，水体垂线流速分部呈“S”型，相较于无植物情况，植物顶部以下减速效应明显，植物顶部以上流速明显增大。

△种植沉水植物后“S”型流速分布图

上图中，区域I（底部—拐点A），由于沉水植物的存在增大了底部的阻力，流速较小，流速在垂向上随着水深增加而增大，至A点开始减小；

区域II（拐点A-拐点B），该区域内流速在垂线上随着水深的增加而减小，因为沉水植物茎叶在平面上的投影面积由根部向上逐渐增大，阻水作用逐渐增大，因此根部的过流能力比中下部的过流能力强；

区域III（拐点B~植物顶部），该区域内流速在垂线上随水深增加而增加，速度梯度为正值，且随着水深的增加速度梯度呈递减趋势。

三、适宜沉水植物生长的流速

关于这个问题，可以用Madsen与Biggs的研究结果来回答。

其将流速对沉水植物的影响进行了量化分析，是目前同类研究中引用频次最高的科研成果，具体如下：

△不同流速范围下沉水植物的生物量及多样性

该结果认为，当水体处于低流速（v＜0.1m/s）时，沉水植物生物量较高，物种多样性丰富；中流速（0.1m/s＜v＜0.9m/s）时沉水植物生物量较低，物种多样性减少；高流速（v＞0.9m/s）时，沉水植物将大幅衰减或灭亡。

四、几种植物存活的流速阈值

目前，关于水流对沉水植物生长阈值的研究较少。本文遴选了部分涉及沉水植物与水流响应关系的文献，为流速阈值的确定提供参考。

张松贺等在野外条件下对南京某河道开展实验，结果表明，0.3~0.4m/s的流速（表面流速，水深约30~40 cm）对苦草生长有一定影响，与静水区相比，动水区苦草植株矮小、叶片狭窄，但该流速不影响苦草在河道生态修复中的应用。

谭谈通过水槽模拟实验（水深约60cm），发现在水体浊度＞60NTU，生长时间＞30d，流速在0.2 m/s时，苦草成株的生长基本不受影响，但苦草幼苗叶片出现发黄、折断现象。

在水体浊度＜90NTU，流速在0.25m/s时，菹草幼苗的存活及生长发育保持正常。而当水体浊度＞120NTU，流速在0.3m/s时，菹草幼苗虽然能成活，但生长发育受到抑制。

王立志等研究发现，在模拟流速为0.08、0.16、0.3m/s的条件下（水深1m），黑藻的叶长、株高都显著大于静水条件，且随着流速增加，黑藻的光合作用得到增强。这也从侧面说明，在0.3m/s的流速下，黑藻的生长正常。

同时，研究从微观层面分析了黑藻细胞的变化，发现从0~0.3m/s的4种流速下，黑藻的细胞长宽比分别为3.39、5.68、7.88和8.20，表明水流产生的拉力使植物细胞变得更为扁长。

△ 0m/s（a）、0.08m/s（b）、0.16m/s（c）和0.30m/s（d）水流流速下黑藻叶片细胞形态

Chambers等研究发现，在野外3种流速条件下（0.17、0.45、0.73m/s），篦齿眼子菜的嫩芽、根茎生物量以及生长密度均显著减少，其中0.45m/s流速下的生物量约为0.17m/s流速下的80%。

综合上述研究结果及工程经验，在水生态设计时，建议不妨设置以下的生态阈值（模拟条件为1m水深、表面流速），作为判断沉水植物在不同流速下能否存活的参考边界：

苦草，流速阈值v＜0.3m/s；菹草，流速阈值v＜0.4m/s；黑藻，流速阈值v＜0.4m/s；篦齿眼子菜，流速阈值v＜0.5m/s。

（注：该结果仅作参考，沉水植物的流速阈值受水深、底质等多种变量影响，实际工程中建议先期开展小试试验论证）

参考文献：

鄢文皓, 等. 2020. 影响沉水植物恢复的环境阈值研究进展. 生态科学

谭谈. 2015. 不同流速下沉水植物对于底泥再悬浮的影响研究. 武汉理工大学

胡国毅. 2014. 沉水植物对水流及底泥再悬浮特性影响研究. 长江科学院

张松鹤, 等. 2018. 自然河道中沉水植物苦草对水流的生理响应. 水资源保护

Westlake DF. 1967. Some effects of low-velocity currents on the metabolism of aquatic macrophytes. Journal of Experimental Botany

Biggs BJ. 1996. Hydraulic habitat of plants in streams. Regulated Rivers

Chambers PA, et al. 1991. Current velocity and its effect on aquatic macrophytes in flowing waters. Ecological Applications