适用于周年美化和净化华东地区水体的植物群落构建方法

摘要

本发明公开了一种适用于周年美化和净化华东地区水体的植物群落构建方法，包括如下步骤：选择景观价值高且能多年生长、能露地越冬、四季常绿、对水湿耐受性强的宿根植物；对选择的宿根植物进行组合设计，得到不同的植物群落；对植物群落进行周年景观效果和所需管理强度综合评价；将设计的植物群落作为供试植物群落，取华东地区富养化水体的水样进行净水实验，并计算植物的生长指标的周年增长幅度；综合各个供试植物群落的净水实验结果、生长指标的周年增长幅度、周年景观效果和所需管理强度评价，确定实际构建植物群落；将确定的实际构建植物群落构建于华东地区水体区域。本发明可以达到提升华东地区水体周年景观质量和周年净化水质的双重效果。

说明书

技术领域

本发明涉及水体美化和净化领域，具体涉及一种适用于周年美化和净化华东地区水体的植物群落构建方法。

背景技术

2000年以后，我国经济建设进入快速发展时期，园林绿化行业取得的成效举世瞩目，公共园林建设的数量和质量均实现了质的飞跃。近十年来，随着生态文明建设的不断推进和可持续发展理念的日渐普及，园林景观和生态环境的关系日益紧密，景观在美化环境的同时，对生态的保护和修复作用越来越受到重视。以城市湖泊、河道、池塘为代表的各类景观水体和生态水体的美化和净化任务成为园林、景观、生态和环境等行业共同关注的热点。

氮和磷是城市水体污染最主要的污染源，当水体中的总氮含量超过0.30mg/L，总磷含量超过0.02mg/L时，即被判定为“富营养化水体”。目前，关于水体富营养化程度的评价方法尚未形成统一标准，可供选择的评价方法有水质指标评价法、综合营养状态指数法、灰色聚类法、BP神经网络法、模糊综合评价法、贝叶斯公式法等。不同的评价方法所需的基础数据量、计算难易程度和适用范围各不相同，实际操作中需根据水体的状况合理地进行选择。在进行城市景观或生态水体富营养化相关问题的科学研究和项目实践时，综合营养状态指数法是常用的评价方法。据中华人民共和国生态环境部公布的调查结果，我国主要城市超过90％的水体受到不同程度的污染，富营养化问题严峻，80％的景观湖泊甚至已达到富营养化程度，其中超富营养化程度已达到30％，水质浑浊和水体发臭问题突出。因此，采取切实有效的技术措施，治理、修复或彻底解决城市水体的富营养化问题，对于水体景观和生态效益的维持，以及国家经济和社会的发展均迫在眉睫。

如何有效地削减水体中的氮、磷等污染物，是治理和修复富营养化水体的关键，可供选择的技术方法主要包括化学试剂法、膜处理技术和活性污泥法等，但这些技术方法普遍存在技术成本高、操作复杂、效果持续时间短和破坏景观等缺点。利用水生植物或湿生植物进行富营养化水体的治理和修复不但成本低、效率高、持续时间久，还是所有治理和修复方法中唯一能同时发挥美化作用和净化作用的方法，因此具有更高的研究和推广价值。

在关于利用植物进行富营养化水体净化的科学研究和项目实践中，从业人员对比了多种水生植物和湿生植物的效果，目前存在的主要问题是绝大多数水生植物和湿生植物经长期自然演化之后已形成相对固定的生长发育规律和对环境因子的适应性，在实际栽植应用时都不可避免地存在季节性落叶和枯萎现象，植物的茎、叶、果实等器官落入水体中腐烂分解，不仅会滋生病虫，还会导致原本吸附的污染物重新返回到水体中，造成水体的二次污染。

华东地区主要包括江苏、浙江和上海等地区，其中包含多个经济较发达的城市。华东地区整体自然条件优越，城市化进程较快，经济发展水平较高，人口密集，对环境质量要求高；因此，需要根据该地区的地理位置和气候特征，研究一套能够适用于周年美化和净化华东地区水体的植物群落构建方法。

专利号为CN 105502666 A的发明专利涉及一种具有净化水体功能的水陆两生植物群落构建方法，所述植物群落包括芦竹、黄花鸢尾、风车草、芦苇、美人蕉、千屈菜6种植物中的3种以上，主要考察点为植物群落的净水效果。对所述植物群落的管理措施不仅包括在植物生长期通过修剪、打尖、打叉或植物生长激素调控植物的生长势，还包括在植物枯萎期进行收割和采挖等工作。

专利号为CN 104276662 A的发明专利涉及植物浮床净化富营养化景观水体的方法，所述植物群落包括花叶芦竹、香蒲、鸢尾、再力花和黄菖蒲5种，对比了无植物和分别单独栽植了花叶芦竹、香蒲、鸢尾、再力花或黄菖蒲的富营养化水体水质指标的差异；水质指标包括溶解氧含量(DO)、化学耗氧量(COD)、总磷含量(TP)和氨氮含量(NH

针对华东地区富营养化水体的美化和净化需求，以上2个发明专利均主要就由不同种类或单一种类的植物组成的植物群落在水体边坡或水面上的构建方法进行了陈述；专利号为CN 104276662 A的发明还陈述了所构建的由单一种类的植物组成的植物群落在植物生长期的净水效果，而上述2个发明均缺乏对所构建的植物群落在秋冬季节的净水效果以及植物群落周年景观效果的关注。具体的，2个发明所述植物种类在华东地区秋冬季节均会枯萎，完全失去净水能力，如不及时进行收割和采挖还会导致水体的二次污染；同时植物枯萎后水体周边的景观质量也会明显下降。因此，已有技术不能解决华东地区水体秋冬季节景观质量下降和水质下降等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适用于周年美化和净化华东地区水体的植物群落构建方法，可以达到提升水体周年景观质量和周年净化水质的双重效果，具有突出的景观效益、生态效益、经济效益和社会效益，具有极大的推广价值。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种适用于周年美化和净化华东地区水体的植物群落构建方法，包括如下步骤：

(1)选择景观价值高且在华东地区能多年生长、能露地越冬、四季常绿、对水湿耐受性强的宿根植物；

(2)结合植物的株高、体量、株形和色彩对选择的多种宿根植物进行组合设计，得到多个不同的植物群落；

(3)将设计的植物群落构建于华东地区富营养化水体的边坡和水面上，根据景观效果评价指标和所需管理措施对步骤(2)设计的植物群落进行周年景观效果和所需管理强度综合评价；

(4)将步骤(2)设计的植物群落作为供试植物群落，取华东地区富养化水体的水样进行供试植物群落的净水实验，并测定供试植物群落所涉及到的植物的生长指标，且计算生长指标的周年增长幅度；

(5)综合各个供试植物群落的净水实验结果、生长指标的周年增长幅度以及步骤(3)的周年景观效果和所需管理强度评价，确定最终的实际构建植物群落；

(6)将步骤(5)确定的实际构建植物群落构建于华东地区水体边坡或水面上。

进一步的，在步骤(2)中，将选择的宿根植物按照株高分为高、中、低3组；设计的每个植物群落包括有高组中的至少1种植物、中组中的至少1种植物、低组中的至少1种植物。

进一步的，所述景观效果评价指标包括所选植物是否常绿、植物群落株形组合、植物群落周年能提供的观赏色彩、植物群落中开花植物的主要观赏季节和植物长势。

进一步的，针对华东地区，步骤(1)中选择的宿根植物包括矮蒲苇、花叶蒲苇、旱伞草、黄金菊、路易斯安那鸢尾、翠芦莉、灯芯草、毛地黄叶吊钟柳、石菖蒲、金叶石菖蒲、金叶苔草、紫娇花12种植物。

更进一步的，针对步骤(1)中选择的12种宿根植物，结合植物的株高、体量、株形和色彩设计为8个植物群落，分别为：矮蒲苇+翠芦莉+金叶石菖蒲、花叶蒲苇+路易斯安那鸢尾+石菖蒲、旱伞草+毛地黄叶钓钟柳+金叶苔草、黄金菊+灯芯草+紫娇花、矮蒲苇+翠芦莉+路易斯安那鸢尾+金叶石菖蒲、旱伞草+路易斯安那鸢尾+灯芯草+石菖蒲、花叶蒲苇+毛地黄叶钓钟柳+翠芦莉+紫娇花、黄金菊+灯芯草+毛地黄叶钓钟柳+金叶苔草。

进一步的，在步骤(4)的净水实验中，在夏季和冬季分别对季初和季末的水样的叶绿素a含量、氨氮含量、总氮含量、总磷含量、透明度、高锰酸盐指数、溶解氧含量进行测定，并利用综合营养状态指数法对水样的富营养化状况进行评价。

更进一步的，将设计的该8个植物群落作为供试植物群落进行净水实验后，综合各个供试植物群落的净水实验结果、生长指标的周年增长幅度以及步骤(3)的周年景观效果和所需管理强度评价，确定最终的实际构建植物群落为：矮蒲苇+翠芦莉+金叶石菖蒲、花叶蒲苇+路易斯安那鸢尾+石菖蒲、矮蒲苇+翠芦莉+路易斯安那鸢尾+金叶石菖蒲、旱伞草+路易斯安那鸢尾+灯芯草+石菖蒲。

更进一步的，步骤(6)中，将确定的实际构建植物群落构建于华东地区水深不超过5cm的水体边坡上，或者借助于预制浮板进行固定后再浮于水面上。

本发明的有益效果是：

本发明针对华东地区对水体景观的周年需求，以及绝大多数景观和生态水体富营养化问题突出等现实问题，提供一种适用于华东地区水体的植物群落构建方法，以达到提升水体周年景观质量和周年净化水质的双重效果。利用本发明的方法构建的植物群落，其所选植物在华东地区能多年生长，能露地越冬，四季常绿，无季节性落叶和枯萎现象，能营造稳定而有季节变化的景观，能免除秋、冬季节对所栽植植物的收割、打捞和采挖等繁重工作，不会造成水体的二次污染，同时周年对水体中的氮、磷等污染物均具有明显的吸附作用，具有显著的净化水质的效果；本发明的植物群落构建方法具有突出的景观效益、生态效益、经济效益和社会效益，且具有极大的推广价值。

与现有技术相比，比如与专利号为CN 105502666 A的发明专利相比，本发明的优点在于：一方面本发明是从植物群落的净水效果和美化效果两个角度协同进行设计和评价，使实际构建的植物群落不仅能周年高效净水，还能周年提供稳定而有季节变化的景观；另一方面，植物的选择充分考虑植物的生物学特性以及华东地区的地理位置和气候特征，所选植物不但能在华东地区多年生长，能露地越冬，四季常绿，且超低管理，无二次污染。因此，与已有技术相比，本发明从根源上解决了华东地区水体秋冬季节景观质量下降和水质下降等问题。

再比如，与专利号为CN 104276662 A的发明专利相比，本发明的优点主要在于：第一方面，本发明设计了由不同植物相互搭配而成的植物群落，有利于实现不同植物净水能力的优势互补，提高植物群落整体的净水能力，在合理设计的前提下，由不同种类的植物组成的植物群落的净水效果优于由单一种类的植物组成的植物群落的净水效果；第二方面，本发明对各个植物群落的净水效果进行了周年的评价，尤其是夏季和冬季的净水效果，并在植物群落的净水效果与涉及到的植物的生长速度之间建立了联系；第三方面，本发明在保证植物群落周年净水效果的同时，重视周年的美化效果，使实际构建的植物群落不仅能周年高效净水，还能周年提供稳定而有季节变化的景观。

因此，与现有技术相比，本发明提供的植物群落构建方法更全面，美化和净水效果更好，可以从根源上解决华东地区水体秋冬季节景观质量下降和水质下降等问题。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种适用于周年美化和净化华东地区水体的植物群落构建方法，其包括如下步骤：

(1)选择景观价值高且在华东地区能多年生长、能露地越冬、四季常绿、对水湿耐受性强，能免除秋冬季节对所栽植植物的收割、打捞和采挖等繁重工作的宿根植物；

(2)结合植物的株高、体量、株形和色彩对选择的多种宿根植物进行组合设计，得到多个不同的植物群落；

在步骤(2)中，将选择的宿根植物按照株高分为高、中、低3组；设计的每个植物群落包括有高组中的至少1种植物、中组中的至少1种植物、低组中的至少1种植物；

(3)将设计的植物群落构建于华东地区富营养化水体的边坡和水面上进行种植实验，根据景观效果评价指标和所需管理措施对步骤(2)设计的植物群落进行周年景观效果和所需管理强度综合评价；

所述景观效果评价指标包括所选植物是否常绿、植物群落株形组合、植物群落周年能提供的观赏色彩、植物群落中开花植物的主要观赏季节和植物长势；

(4)将步骤(2)设计的植物群落作为供试植物群落，取华东地区富养化水体的水样进行植物群落的净水实验，并测定供试植物群落所涉及到的植物的生长指标，且计算生长指标的周年增长幅度；

在该净水实验中，需要定期对水样的叶绿素a含量(chla)、氨氮含量(NH

综合营养状态指数计算公式为：

式中，TLI(Σ)表示综合营养状态指数；W

以chla为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

式中，r

供试植物群落所涉及到的植物的生长指标包括株高和冠幅，具体的，株高和冠幅周年增长幅度的计算公式为：

株高或冠幅周年增长幅度(％)＝(植物经过一整年生长后的株高或冠幅－植物栽植时的株高或冠幅)×100％/植物栽植时的株高或冠幅；

(5)综合各个供试植物群落的净水实验结果、生长指标的周年增长幅度以及步骤(3)的周年景观效果和所需管理强度评价，确定最终的实际构建植物群落；

(6)将步骤(5)确定的实际构建植物群落构建于华东地区水体边坡或水面上；更具体的，将确定的实际构建植物群落构建于水深不超过5cm的水体边坡上，或者借助于预制浮板进行固定后再浮于水面上。

下面利用具体实施例说明本发明的植物群落构建方法。

实施例

(1)选择景观价值高，在华东地区能多年生长，能露地越冬，四季常绿，对水湿耐受性强，能免除秋冬季节对所栽植植物的收割、打捞和采挖等繁重工作的宿根植物；具体包括矮蒲苇、花叶蒲苇、旱伞草、黄金菊、路易斯安那鸢尾、翠芦莉、灯芯草、毛地黄叶吊钟柳、石菖蒲、金叶石菖蒲、金叶苔草、紫娇花12种植物。

(2)结合植物的株高、体量、株形和色彩对选择的12种宿根植物进行组合设计，得到8个不同的植物群落；

该12种宿根植物按照高度可分为高、中、低3组，株高大于或等于80cm的为高组，包括矮蒲苇、花叶蒲苇、旱伞草、黄金菊，株高大于或等于40cm但小于80cm的为中组，包括路易斯安那鸢尾、翠芦莉、灯芯草、毛地黄叶钓钟柳，株高小于40cm的为低组，包括石菖蒲、金叶石菖蒲、金叶苔草、紫娇花；

结合植物的体量、株形和色彩，并遵循设计的每个植物群落包括有高组中的至少1种植物、中组中的至少1种植物、低组中的至少1种植物的原则，将上述12种宿根植物设计为8个植物群落；该8个植物群落分别为；矮蒲苇+翠芦莉+金叶石菖蒲、花叶蒲苇+路易斯安那鸢尾+石菖蒲、旱伞草+毛地黄叶钓钟柳+金叶苔草、黄金菊+灯芯草+紫娇花、矮蒲苇+翠芦莉+路易斯安那鸢尾+金叶石菖蒲、旱伞草+路易斯安那鸢尾+灯芯草+石菖蒲、花叶蒲苇+毛地黄叶钓钟柳+翠芦莉+紫娇花、黄金菊+灯芯草+毛地黄叶钓钟柳+金叶苔草。

(3)将设计的植物群落构建于华东地区富营养化水体的边坡和水面上，根据景观效果评价指标和所需管理措施对步骤(2)设计的8个植物群落进行周年景观效果和所需管理强度的综合评价；评价结果如表1所示；

景观效果评价指标包括所选植物是否常绿、植物群落株形组合、植物群落周年能提供的观赏色彩、植物群落中开花植物的主要观赏季节和植物长势。

表1各植物群落周年景观和所需管理措施综合评价

由表1可以看出，8个植物群落涉及到的12种植物均能在保持周年常绿的基础上，通过株高、体量、株形的搭配以及叶色、花色的季节性变化创造优美而丰富的景观效果。12种宿根植物中的矮蒲苇、花叶蒲苇、旱伞草、路易斯安那鸢尾、翠芦莉、灯芯草、石菖蒲和金叶石菖蒲8种宿根植物对水体边坡直接种植和水面漂浮种植均表现出良好的适应性，而黄金菊、毛地黄叶钓钟柳、金叶苔草和紫娇花4种宿根植物在水面漂浮种植的环境下表现良好，在水体边坡直接种植的环境下表现一般。综合8个植物群落的周年景观效果和所需管理措施，认为矮蒲苇+翠芦莉+金叶石菖蒲、花叶蒲苇+路易斯安那鸢尾+石菖蒲、矮蒲苇+翠芦莉+路易斯安那鸢尾+金叶石菖蒲、旱伞草+路易斯安那鸢尾+灯芯草+石菖蒲4个植物群落对华东地区的水体具有良好而稳定的美化作用，且所需管理强度极低；此外，在其他实施例中，也可选择由矮蒲苇、花叶蒲苇、旱伞草、路易斯安那鸢尾、翠芦莉、灯芯草、石菖蒲和金叶石菖蒲8种宿根植物组成的其他植物群落。

(4)将步骤(2)设计的8个植物群落作为供试植物群落，取华东地区富养化水体的水样进行供试植物群落的净水实验，并测定供试植物群落所涉及到的植物的生长指标，且计算生长指标的周年增长幅度；

在本实施例中，净水实验为期一年，重点对夏季和冬季两个季节的季初和季末的水样的叶绿素a(chla)含量、氨氮含量(NH

具体实验过程为：

4.1实验装置和实验方法

取长、宽、高分别为56cm、42cm和26cm的周转箱27个，分别注入取自华东某地区的中度富营养化水50L，其上利用预先订制的浮板固定植物。各供试植物群落的植物数量以株丛完全覆盖浮板为准，具体植物数量见表2，完全随机区组设计，3次重复。为充分考察植物群落对水体的净化效果和模拟自然水体状态，本实施例对8个植物群落进行了为期一整年的净水实验(2019年3月1日至2020年2月28日)，期间每隔7天放掉3L水，并重新取相同来源的中度富营养化水补满。实验期间重点对夏季和冬季不同处理的水质指标进行了测定和综合营养状态指数计算。具体做法是，在夏季季初和冬季季初(2019年6月1日和2019年12月1日)以及夏季季末和冬季季末(2019年8月29日和2020年2月28日)分别测定水样的叶绿素a含量(chla)、氨氮含量(NH

表2各个植物群落(单组)所用植物数量

4.2实验结果

基于测定的各富营养化指标数据，按照综合营养状态指数法计算TLI，结果如表3所示。

表3各个植物群落夏季和冬季对富营养化水体的净化效果

由表3可以看出，本实施例各个供试植物群落在夏季和冬季均能有效发挥水质净化作用，在夏季能使TLI平均降低11.81，使DO平均提高3.26mg/L，在冬季能使TLI平均降低5.56，使DO均提高1.35mg/L。夏季植物生长旺盛，对污染物的吸附作用强于冬季。由于所选植物均为常绿种类，冬季枝叶依然能保持正常的生长，对水中的污染物仍具有一定的吸附作用。此外，由表3还可以看出，矮蒲苇+翠芦莉+金叶石菖蒲、花叶蒲苇+路易斯安那鸢尾+石菖蒲、旱伞草+毛地黄叶钓钟柳+金叶苔草、矮蒲苇+翠芦莉+路易斯安那鸢尾+金叶石菖蒲、旱伞草+路易斯安那鸢尾+灯芯草+石菖蒲、花叶蒲苇+毛地黄叶钓钟柳+翠芦莉+紫娇花6个植物群落对水质具有明显的净化作用，而黄金菊+灯芯草+紫娇花、黄金菊+灯芯草+毛地黄叶钓钟柳+金叶苔草2个植物群落对水质的净化作用相对较小，这与其涉及到的植物种类的分枝特性和生长速度有关。总之，植物对水质的净化作用与生物量密切相关，因此基于快速削减水体中的污染物的角度，宜优先考虑生长速度快的植物种类。

各个供试植物群落涉及到的植物的株高和冠幅周年增长幅度分别如表4和表5所示。

表4各个植物群落涉及到的植物株高的周年增长幅度

表5各个植物群落涉及到的植物冠幅的周年增长幅度

由表4和表5可以看出，供试植物群落涉及到的12种植物经过一整年的生长后，株高和冠幅均表现为一定程度的增长。其中路易斯安那鸢尾、灯芯草、石菖蒲和金叶石菖蒲的株高增长较为显著，黄金菊的冠幅增加较为显著，矮蒲苇、花叶蒲苇、旱伞草和翠芦莉的株高和冠幅增长均十分显著，而毛地黄叶钓钟柳、金叶苔草和紫娇花的株高和冠幅增长幅度均相对较小。这一结果与植物本身的分枝特性和生长速度有关，无论生长指标增长的幅度大小，本实施例中所有植物均状态良好，未出现枯萎或病虫害现象。

(5)综合各个供试植物群落在夏季和冬季的净水实验结果、涉及到的植物的生长指标的周年增长幅度以及步骤(3)的周年景观效果和所需管理强度，从美化效果和净水效果两个角度进行协同考虑，确定最终的实际构建植物群落为：矮蒲苇+翠芦莉+金叶石菖蒲、花叶蒲苇+路易斯安那鸢尾+石菖蒲、矮蒲苇+翠芦莉+路易斯安那鸢尾+金叶石菖蒲、旱伞草+路易斯安那鸢尾+灯芯草+石菖蒲；在其他实施例中，也可选择由矮蒲苇、花叶蒲苇、旱伞草、路易斯安那鸢尾、翠芦莉、灯芯草、石菖蒲和金叶石菖蒲8种宿根植物组成的其他植物群落。

(6)将步骤(5)确定的实际构建植物群落进行实际广泛应用，即将确定的实际构建植物群落构建于华东地区水体边坡或水面上。

在实际构建过程中，植物群落可构建于水深不超过5cm的水体边坡上，具体做法是：株高大于或等于80cm的植物种植密度为2丛/m

本发明的植物群落构建方法所构建的植物群落构建于华东地区的水体边坡或水面后，可克服现有技术的不足，可解决其他水生或湿生植物群落组合因季节性落叶或枯萎现象导致的秋冬季节景观质量下降和水体二次污染等问题，能提供稳定而有季节变化的景观，能免除植物秋冬季节的植物收割、打捞和采挖等繁重工作，还能周年发挥持续而有效的净水作用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的修改或等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。