芦苇生态功能与景观应用研究进展

2024-04-20 05:49:34李静朱莹
安徽农业科学 2024年5期
关键词:生态功能芦苇

李静 朱莹

摘要  介绍了禾本科芦苇属芦苇[Phragmites australis(Cav.)Trin.ex Steud.]的概况。对芦苇的生态功能进行了全面的归纳总结,包括稳固土壤、削弱风浪、减少噪声、净化水体、抑制水华、提供栖息地等方面。进而从芦苇的配置与建植方面探讨了芦苇的园林应用及将生态功能与景观应用的结合要点。旨在为充分利用芦苇群落在生态建设、园林景观应用方面提供依据和参考。

关键词  芦苇;生态功能;景观应用

中图分类号  S688  文献标识码  A  文章编号  0517-6611(2024)05-0014-05

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2024.05.004

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

Research Progress on the Ecological Functions and Landscape Applications of Phragmites australis

LI Jing1,2,3, ZHU Ying1,2,3

(1.Beijing Botanical Garden, Beijing 100093;2.Beijing Floriculture Engineering Technology Research Centre, Beijing 100084;3.Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Plant Ex situ Conservation, Beijing 100093)

Abstract  This paper introduces the overview of Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.. It comprehensively summarizes the ecological functions of reeds, including stabilizing soil, weakening wind and waves, reducing noise, purifying water bodies, inhibiting water blooms, and providing habitats. Furthermore, it discusses the garden applications of reeds and how to combine ecological functions with landscape applications from the perspective of reed configuration and planting. The aim is to provide a basis and reference for fully utilizing reed communities in ecological construction and garden landscape applications.

Key words  Phragmites australis;Ecological functions;Landscape application

作者簡介  李静(1981—),女,河北邯郸人,高级工程师,从事园林绿化栽培与设计工作。

*通信作者,教授级高级工程师,硕士,从事园林植物栽培与繁育工作。

收稿日期  2023-10-17

芦苇属(Phragmites Adans.)为禾本科多年生挺水草本植物[1],营养繁殖能力极强,具有丰富的遗传多样性和很强的表型可塑性。由于该属的植物具有高度的表型变异且物种之间存在重叠,很难依据某个典型性状划分[2]。经WCPS统计,芦苇属共有127个种及亚种、变种被命名,目前被承认的种仅包括芦苇(P.australis(Cav.)Trin.ex Steud.)、卡开芦[P.karka(Retz.)Trin.ex Steud.]、毛里求斯芦苇(P.mauritianus Kunth)和日本芦苇(P.japonica Steud.)。其中卡开芦和毛里求斯芦苇分布在热带,日本芦苇仅分布在东北亚地区,而芦苇是全球性广布的[3]。该研究仅以芦苇属芦苇种作为讨论对象。

芦苇大部分为多倍体,一般学者认为二倍体芦苇在进化的过程中已经消失。四倍体和八倍体最为常见,欧洲、美洲和非洲以四倍体为主,亚洲和大洋洲以八倍体为主[4]。在我国芦苇分布极广,有14个主产区,总面积约1.3×106 hm2[5],其中八倍体芦苇占绝对优势[4-6]。由于芦苇具有非常高的种内遗传多样性和表型可塑性[7-8],导致种内的分类难以清晰划分。目前一般以地理生态型、生境生态型以及表型可塑性3种类型进行划分[9],以地理空间划分的有博斯腾苇、黑龙江苇、内蒙古苇、盘锦苇、射阳苇、白洋淀苇、洞岳阳苇、鄱阳苇等[10];以生境特点划分的有淡水沼泽芦苇、咸水沼泽芦苇、低盐草甸芦苇、高盐草甸芦苇等[ 11-12 ];表型可塑性指改变表型以适应环境条件的变化[9],如同一芦苇克隆在不同的立地条件下,氮含量不同、株体形态不同,而将不同克隆移栽到相同立地条件中,各克隆间氮含量基本相同,株体形态未受影响[13]。由此可见,芦苇环境适应能力强,不但能在江河湖沼沿岸、河口、滩涂、荒滩地等地形成大面积的单优群落,也能在一些较为极端的环境,如盐碱地、荒漠等呈斑块状集群分布[14]。

芦苇不仅是人工湿地内重要的植物群落组成部分,具有重要的生态价值,也是风景园林植物配置中优良的植物景观材料。该研究综述了近年来学者对其生态功能与景观应用的一系列研究成果,并讨论了如何将生态功能与景观应用良好的结合,为其园林应用提供理论依据。

1  芦苇生态功能研究

20世纪70年代开始,水生植物的耐污和净化污染物的能力被发现和研究[15]。水生植物通过根系吸附作用、产氧作用、分泌有机物、为微生物提供栖息地和改善水力条件等途径净化水体[16]。芦苇作为一种适应性和抗逆性很强的水生植物,被学者进行了大量的研究,具有广泛的生态功能,主要表现在稳固土壤、削弱风浪、减少噪声、净化水体、抑制水华、为动物提供营养源和栖息地等方面。

1.1  芦苇在固土护坡、消浪缓冲方面的功能

孔杨勇[17]指出,芦苇根系发达,在一定程度上减弱了流水对两边驳坎的冲刷,有利于水土保持。水的流动性能够促进养分的溶解和运输,因此水的流动性越强,芦苇的长势就越好[18]。长期积水地区的芦苇地下茎细、节间短、节数居中、表层须根最多、芦苇密度最大,组成了典型的须系,消浪效果最明显[19]。李冬林等[20]在相同区域的研究显示,芦苇通过发达的茎秆和叶片,对自然风和航运造成的噪声具有明显的削减缓冲作用,低风弱噪区可以延续约2~10 m。通过计算,300 m宽芦苇荡能有效地衰减台风所产生的风浪,消浪效果显著[21]。芦苇依靠这种典型须系,地表土层形成盘根错节的网状根系,芦苇地下茎的抗阻拉力随着其平均直径的增大而增强,呈现出紧密的幂函数关系,可有效抗洪水和波浪冲击,具有很强的固土的能力[22-23]。但是芦苇种子萌发和幼苗生长需要在光照、好氧和低水位环境中进行[24-26]。因此,在生态护坡工程中种植芦苇时,应适当抬高堆土高度。

1.2  芦苇在净化水体方面的功能

1.2.1  芦苇对于有机物的去除。

芦苇根系强大,具有较强的泌氧能力,根系周围存在大量的需氧与厌氧微生物群,有机物降解功能菌属的丰富度较高[27]。正是芦苇的强大根系以及芦苇根系所形成的有氧无氧微生物环境中的微生物联合作用,可有效地降解水中有机物[28]。

芦苇对不同种类污水有机物的去除率不同。芦苇对乳制品废水中的COD的去除率达97%~98%,BOD5的去除率达98%~99%[29]。对城市污水BOD的去除率在5—10月均在90%以上,芦苇生长量最大的8月份,BOD的去除率最高,达到96%[30]。而对化工区污水厂尾水去除 COD的去除率不高,且波动较大,其中COD 的平均去除率12.62%,最高可达51.11%[31]。大型挺水植物都具有一定的净污能力,但经过试验发现芦苇的净水能力更好,对比芦苇与香蒲净污能力时发现,芦苇比香蒲对污泥中有机物和营养元素的截留效果更好[32-33]。韩苏娟等[34]对比黄菖蒲、臭蒲、香蒲、芦苇、水莎草、大红草综合除污效果,发现黄菖蒲、芦苇湿地效果较佳。但芦苇本身的净化效果较低,只有14.3%[35]。而其净化污水的能力主要是利用根系所形成的有氧无氧微生物环境中的微生物联合作用,除此之外还和芦苇种植基质及芦苇栽培条件等相关。王冰[36]发现,芦苇的种植基质对COD的去除也有一定的作用,其中炉灰渣和炉灰渣 + 土壤对生活污水中的COD 去除效果最佳,可能原因为炉灰渣比表面积大,吸附能力强。文佳俊等[37]发现,溶解性有机物中官能团含量与芦苇培养时间、淹水条件和根际环境有关。芦苇淹水时间的增长,芦苇根际沉积物中溶解性有机物官能团含量减小。根际环境下发酵铁还原菌的丰度越大,沉积物中溶解性有机物的羧基官能团积累量越小。

芦苇是一种吸附有机物较好的挺水植物,然而影响芦苇吸附有机物的条件较多,为达到更好的净污效果,应针对性地选择污水种类,种植基质,并满足适宜的栽培条件。

1.2.2  芦苇对于氮、磷元素的去除。

氮是水生态系统重要的限制性元素之一[38]。污水中N、P 元素的去除同样得益于植物根际的吸收和微生物的新陈代谢。芦苇对污水中N的去除主要是通过微生物的硝化作用和反硝化作用[28]。超过50%的氮通过微生物硝化和反硝化作用去除[39]。对P 的去除是通过苗床基质中的吸附、络合、沉淀反应和芦苇根际的吸收[40]。

芦苇对TN的累积作用以植株地上部分为主,植物对TP的吸收作用虽以根系为主,但受生物量的影响,TP含量仍以地上部分居多,超过50%[41]。湿地植物的净增生物量是决定湿地植物土壤氮、磷净化能力的一个重要因素[42]。温度、盐度、水位波动等因素对芦苇氮磷去除率同样存在影响。温度对挺水植物营养元素的吸收有显著影响,夏季温度较高时,芦苇生长旺盛,根系周围的微生物新陈代谢速度快,湿地内 N、P 元素含量较低[32,43]。芦苇去除水体中总氮及氨氮效率一定程度上受水位波动的影响[44-45]。 低频水位上升(每3 d上升2 cm)有利于总氮的去除,而高频水位上升(每3 d上升4 cm)则对氨氮和总氮的去除起到抑制作用。低频盐度上升(每3 d上升100 mg/L)有利于芦苇对水体中氨氮、总氮和总磷的去除,而高频盐度上升(每3 d上升200 mg/L)不利于其去除[46]。浅水位芦苇湿地较深水位芦苇湿地对氮磷的去除率更高,但后者对氮磷的去除速度更快[47]。

由于芦苇对于TN、TP的积累主要集中于植株地上部分,芦苇干枯后地上部分需要及时清除,否则就会在水体中累积、腐烂,并将其吸附、吸收和固定的污染物重新释放出来,导致水质的恶化[48]。反硝化微生物生長的根际微环境受植物地上部收割的影响,从而对湿地脱氮过程产生影响[49]。枯萎末期收割芦苇对湿地脱氮效果和根系呼吸代谢的影响较小,有利于保护植物根系,从而持续为根际环境供给氧气,能增加芦苇湿地的有机物去除效果[50-52]。长期芦苇收割能够影响芦苇地上和地下生物量的分配,并降低芦苇湿地土壤全氮含量[53]。由此可见,深入了解芦苇吸收氮磷的机理及影响因素,科学合理的利用,才能更好地发挥其净化效果。

1.2.3  芦苇对于重金属的去除。

芦苇对重金属具有很好的吸附作用。在表流湿地中,离进水较近的约30 m区域内,芦苇对重金属的吸收最明显[54]。芦苇在夏季和春季对重金属元素吸收率较高,之后含量降低,冬季时重金属元素在根系和茎叶中再次出现富集[55-56]。芦苇不同组织(根、茎、叶)对有毒重金属元素的生物富集能力存在较大差异,根部为主要的富集器官[57-59]。

芦苇对Zn、Mn的富集能力较强[60]。芦苇各器官对Mn2+富集强于对Pb2+的富集能力。茎叶是富集Mn2+的主要器官,根是富集Pb2+的主要器官[61]。王历瑶等[62]发现,芦苇根部锌含量在拔节期含量最大。茎部和叶片均在展叶期富集重金属锌能力最强。崔妍[63]发现,芦苇根系和茎叶对Zn、Cd、Cu、Pb的富集系数依次为Zn>Cd>Cu>Pb。从土壤到根系,Cd的迁移能力最强;从根系到茎叶,Zn的迁移能力最强。

芦苇相较于水芹菜、香蒲对Cr2+的富集效果较好[64-65]。低浓度Cr6+能有效促进芦苇生长,使之能够维持正常的净化功能[66]。赵光辉[67]发现,浸出液六价铬浓度为6.85 mg/L的污染土壤,种植芦苇一个季度后,六价铬的还原率超过79%。丁成等[68]发现,芦苇根部Cr质量分数远大于茎和叶,说明根系吸收为主要吸收部位,而后迁移至其他易积累部位。

芦苇能有效富集污水中的Pb和Ni[69]。芦苇根系对沉积物Pb富集效应明显,DO与芦苇根系Pb含量呈显著正相关,而土温与沉积物Pb含量呈显著负相关[70]。芦苇体内地上部分和地下部分的Pb2+含量与水溶液中污染物浓度表现出显著的正相关关系。在Pb2+较低处理浓度下,地下部分Pb2+积累浓度高于地上部分。在较高浓度处理条件下,芦苇地上部分的富集浓度较地下部分高[71]。芦苇灌溉20%浓度的造纸废水,对Pb的去除率最高,芦苇在拔节期阶段,去除效果最好[72]。

芦苇对砷污染土壤的耐受力强,但对砷的积累富集能力较低,以根部积累为主,其次为叶、地上茎、地下茎。芦苇对As的富集量与其生长基质中As累积量正相关[73-75]。郑冬梅等[76]发现,芦苇等植物向地上部转移As、Hg的能力较强。

滑丽萍等[77]在针对芦苇对白洋淀底泥作用的试验中得出底泥中的重金属Cu、Cd、Zn、Pb浓度降低比例关系为Cd>Cu>Zn>Pb。林海等[78]在对比菖蒲和芦苇对复合重金属(V、Cr和Cd)的富集能力时发现,菖蒲和芦苇均表现出对Cd>Cr>V的富集能力。对于芦苇根是否易于富集Cd、Hg的研究结果不尽相同。葛光环等[54]发现,芦苇根易于富集Cd和Cu,对Cr的富集能力较弱。但涂声蕾等[79]研究发现,芦苇的根、茎、叶对Cu富集能力最大,其次是Cr,对Cd、Hg富集能力相对较小。赵善道等[57]发现,根系对Hg和Cr的富集能力较大,其茎叶则表现为对Hg的富集能力较大。这可能与芦苇生长环境、各区域重金属浓度等有关,需进一步证实。

研究证实,芦苇修复重金属污染土壤具有很强的可行性。芦苇富集重金属是一个复杂的过程,试验多集中在对单个重金属元素的富集性研究,而对富集过程中不同重金属间的相互关系研究较少,在实际应用中还需要进一步研究和探索。

1.3  芦苇在抑制水华方面的功能

“水华”(water blooms)是一种在淡水中的自然生态现象,由藻类爆发性生长引起[80]。研究发现,芦苇化感物质可以用来控制淡水中有害藻类[81]。

淡水水华的优势种在春季和秋季主要为绿藻(如小球藻),夏季主要为蓝藻(主要是微囊藻属)[82-83]。研究发现,芦苇化感物质EMA对铜绿微囊藻具有较强的生长抑制作用,高浓度EMA抑制铜绿微囊藻的抗氧化酶体系并促进藻类叶绿素的降解可能是其抑藻机理之一[84-85]。于淑池等[86]通过试验推测芦苇秆对于水体蓝藻污染的恢复具有良好应用前景。芦苇生物活性组分中不同层析组分对蛋白核小球藻具有促进或抑制的作用,这种差异性可能是由于不同层析组分含有的对藻类具有促进或抑制作用的物质及其组成比例有所不同造成的[87-88]。门玉洁等[89-90]发现,芦苇化感组分对羊角月牙藻的增长具有明显的抑制作用,对雷氏衣藻密度的增长没有明显的抑制作用,但使其运动性能降低。对斜生栅藻具有先抑制后促进的作用,对水华鱼腥藻没有抑制作用,反而具有一定的促进作用。不同质量浓度芦苇水浸提液对水华微囊藻的化感抑制作用显示浓度越高对水华微囊藻的抑制越强[91-92]。

经研究,芦苇不仅自身产生化感物质,同时芦苇根系可作为高效溶藻菌筛选的新菌种来源。沈红池等[93]在芦苇根系中发现可同时对铜绿囊藻和蓝藻进行溶解的芽孢杆菌的菌株。陈泽慧等[94]从蓝藻爆发时期江苏太湖百渎港芦苇荡的底泥中筛选出一株具有较强MC-LR降解能力的菌株CQ5。

芦苇化感作用应用于水华的控制,需研究水华的具体组成,研究化感物质对不同藻类生长特性的影响,把控好对部分藻类生长促进或抑制的动态关系,研究实际水体应用中的具体效果,保证其生态安全性。

1.4  芦苇在保护生物多样性方面的功能

芦苇植株高大茂密,成为水鸟筑巢的良好庇护所,是众多野生濒危动植物,特别是珍稀水禽的栖息、繁殖、迁徙、越冬集聚之地[95]。芦苇根系发达,为众多浮游生物提供栖息地,与此同时为鱼类和蟹类提供大量食物,提供掩蔽所,是鱼类产卵、孵化、栖息、河蟹幼体成长的优良场所[96]。芦苇为保护生物多样性提供了有利條件。

2  芦苇园林应用研究

2.1  芦苇群落配置要点

芦苇在园林中应用广泛。因其具有两栖性,既可在浅水中生活,组成水生植物群落;也可种植在陆地上,作为基础栽植。它最常见的应用形式是作为挺水植物与浮叶植物、沉水植物形成水生植物群落。水生植物群落主要以水平分化成不同的片层,同一高度层由一个或几个层片组成[15]。配置时应根据不同类型水生植物的生态特性科学的构建水生植物群落,最终形成分层明确,种类丰富、群落稳定的特点。

芦苇株形高大,秆高1~3 m,直径2~10 mm,具粗壮匍匐茎。叶带状披针形,长15~50 cm,宽1~3 cm[1]。芦苇既可群植于水面较宽阔的地区展现舒展大气的气势,也可在较小水域内作为限定空间的背景植物。

同一水深范围的相同生活型植物只能选择一种或两种植物成片布置,如果混植易产生种间竞争,影响景观[15]。如芦苇和香蒲,属于同一生态型,两者通过长期竞争使得一方完全被另一方替代而形成稳定的植物群落[97]。虽然郑于聪等[33]发现,芦苇和香蒲种间竞争对混合种植人工湿地污染河水净化效果并无较大影响。但考虑景观效果,应避免二者出现在同一区的配置中。相反,芦苇与慈姑、水莎草群落因分层明显,有效减少空间竞争,群落稳定性更好[97]。暴丽媛等[98]发现,芦苇和菖蒲混种对污染物去除效果更好。但宽叶香蒲、水葱和苔草等植物体腐烂产生的化感物质对芦苇生长繁殖以及净化作用均有抑制作用[99]。因此,在芦苇植物群落配置时应充分考虑相关植物的生态影响,既要考虑植物配置上的景观效果,又要选择生态功能和谐统一,相互促进的品种。综上可知,芦苇作为挺水植物层时,不宜再搭配其他高度相近的挺水植物,应选择与其高度有明显分层的水生植物,最好是浮水植物,沉水植物。

2.2  芦苇建植的影响要素

芦苇质感粗糙,给人一种粗犷、大气的视觉效果,种植上以自然式种植为主。芦苇营养繁殖能力极强,属典型的无性系植物,种群数量增加迅速[9]。极易蔓延生长侵入相邻植物生长空间,栽植时应考虑隔离与控制,特别是沿岸水平隔离。隔离可用木板、水泥板等。此外,后期管理的时候也可以通过定期分株间苗来减少影响[15]。

水深决定了各类水生植物的分布格局和面积,从而也决定了整个水生植物景观面貌[100]。水深对芦苇的繁殖、株高、叶面积、生物量动态配置等有影响[101-102]。崔保山等[103]研究发现,芦苇的平均株高、平均株茎与平均水深呈正相关。张希画等[104]对黄河三角洲芦苇的研究表明,水深在-29~49 cm芦苇种群生长最好。王丹等[105]研究发现,芦苇的根冠比及密度与水深成反比,而芦苇的株高却与水深成明显正比关系,芦苇的株高随着水深的增加而升高。而杨晓杰等[106]研究发现,芦苇在20~40 cm的水深范围较适宜芦苇的生长。芦苇的密度变化呈现无规则型,与水深无相关性,而是随生长状况芦苇种群进行自然的疏密调整。乔斌等[107]进一步研究发现,芦苇种群对水深梯度变化的生态适应能力并非线性,水深过高(50~150 cm)或过低(0~5 cm)对芦苇生长都有一定的抑制作用,适宜水深5~50 cm株高与生物量的耦合程度高,芦苇长势良好。这与王宁等[108]的研究结果部分一致,其研究发现,芦苇的株密度、生物量、盖度和株高等生物指标随水深增加而增加,达到某值后随着水深增而下降,芦苇生长适宜水深为40~80 cm。

研究方法以及研究区域的不同导致研究结果不一致,但是大致限定了一个水深范围。因此,在园林应用时应结合驳岸形式,若自然式缓坡驳岸,可将芦苇直接栽植在底泥中,控制好栽植水深。若为硬质驳岸,水深较深,可在驳岸一侧设置种植床,避免水文条件的影响。

2.3  芦苇景观应用形式

芦苇具有十分优良的生态性能,景观上应用非常广泛,不仅可以作为公园湿地水生花园的植物材料,還可适用于生态护坡、河道固堤等,既可形成优美的河道绿化景观,还可达到固土护坡、消浪缓冲的效果。

芦苇自古被文人雅士所喜爱,常植于园林之中。它既可作为主景植物大面积栽植于水边,形成“秋芦飞雪”的恢弘之景,例如杭州西溪国家湿地公园的芦苇,夏季碧绿苍翠,秋季芦花盛开,在清代属于“西溪十八景”之一;也可结合山石点缀形成富有野趣的园林小景。芦苇具有连绵萧索、朴素低微、隐逸漂泊的内涵。结合芦苇所具有的特质可营造出淡泊自然、悠远的园林氛围。

3  小结

大量文献已经充分证实芦苇无论是在景观上还是生态上都具有十分重要的应用价值。景观应用时应充分考虑其生态特性:首先,芦苇固土护坡、净化水体的性能较好,景观设计时可将其优先配置在水流急促或水质较差的区域,改善基础环境;其次,与芦苇配置其他水生植物时应避免与之形成种间竞争的植物品种,应选用能产生更大生态效益的品种组合;再次,根据芦苇适宜的水深合理种植,达到其最佳生长状态并产生最好的生态价值;最后,对于芦苇景观后期的维护上要对根部利用木板或泥板进行水平隔离,并在其冬季枯萎时采取科学的收割方式,避免对水体二次污染。只有在充分掌握芦苇的各方面习性与生态功能的基础上,才可以科学地进行景观设计应用,二者相辅相成。

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