（生态学专业论文）三种乡土挺水植物水质净化能力及其在生物浮岛上的应用.pdf

r e s e a r c ha r e a ： 堕! 坠垒旦星堡q ! q g y s u p e r v i s o r ：p r o f d a r o il i a n 西u n ： 一生里鱼! ! 9 1 堕! ! c a n d i d a t e ： 丛i 旦g 堕曼塾 m a y ，2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文三种乡土挺水植物水质净化能力及其在生 物浮岛上的应用，是在华东师范大学攻读硒左博士( 请勾选) 学位期间，在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 华东师范大学学位论文著作权使用声明 三种乡土挺水植物水质净化能力及其在生物浮岛上的应用系本人在华东 师范大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕左博士( 请勾选) 学位论文，本论 文的研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和 使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送 交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库 被查阅、借阅：同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据 库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式 合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文堆， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 翩签名幽 本人签名盔j 主茎 _ o 年6 月f 日 奉“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过 的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有 效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公 开学位论文，均适用上述授权) 。 李静文硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 闺秀1 互缸踵眵f 冷卞医药太彳 主席 ；汐文瘳敲撮 唧午侉犬吁 酸l 韵乇酬极才重 彳西、1 乍认亏 摘要 近年来，随着工农业的发展，水环境的破坏日益严重，如何将污废水处理回 用已成为摆在人们面前的头等大事。传统的理化方法在实际应用中出现了不少问 题，如投资大、操作难、产生二次污染等，于是，人们将目光转向了利用高等植 物来净化污水。 生物浮岛技术作为其中一种生物处理技术，已被越来越多地应用于治理富营 养化水体。生物浮岛技术是按照自然界的自身规律，人工把高等水生植物或改良 的陆生植物，以浮床作为载体，种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸 收、吸附作用和物种竞争相克机理，削减富营养化水体中的氮、磷及有机物质， 从而达到净化水质的效果，同时又可营造水上景观，还可带来一定的经济效益。 本研究通过调查、实验等方法，针对上海市景观水体现状，通过分析对比， 筛选出水质净化效果好，景观效果佳，适合应用于浮岛技术的乡土水生植物种。 选取千屈菜、花叶芦竹和野茭白作为实验植物，通过设置室内外实验，计算出的 这三种植物的植株平均鲜重、对水体的氮磷去除率及植物体内氮磷含量，从而得 出它们对富营养化水体水质的净化效果，并研究了浮岛植物支撑基质椰丝对水体 中营养元素的吸附效应和释放效应。结果表明： 1 三种植物在氮磷浓度较低时生长状况良好，生物量随着浓度的增加而增加； 在高浓度时生长受到抑制，生物量降低。 2 三种植物的生物量变化曲线与体内氮磷含量变化曲线和水体中氮磷去除率 曲线大体相似，即随着时间的推移而呈先上升后下降的趋势，且茎叶中氮磷含量 高于根中。所以，为达到最好的水质净化效果，每年应在植物体生物量最大时及 时收割茎叶，以此移走水体中的氮磷，避免植物枯萎凋落造成对水体的二次污染。 3 室内实验中，三种植物对水体中氮磷的去除率不同，且对总氮的去除率较 总氮高。花叶芦竹的氮磷去除效果最好，高达8 6 1 2 和7 2 6 0 ；千屈菜次之，对 氮磷的去除率为7 8 6 1 和5 9 0 0 ；野茭白对总氮、总磷的吸收能力最差，分别为 6 7 6 0 和5 1 3 0 。 4 椰丝可为微生物提供附着场所，从而降低水中悬浮物提高透明度。同时， 也会向水体中释放少量氮磷元素，导致氮磷浓度增高。这种释放作用主要发生在 刚放入水中的实验初期阶段。本实验中，该阶段大约需要两周多的时间。总体说 来，椰丝对氮磷元素的吸附能力大于释放能力。将椰丝应用于生物浮岛上作为植 物种植支撑基质时，椰丝与植物根系构成的组合可吸附更多的微生物，从而使整 i a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y a n da g r i c u l t u r e ，w a t e r e n v i r o n m e n tp r o b l e mi sg e t t i n gw o r s e ，h o wt ot r e a ta n dr e u s ew a s t e w a t e rh a sb e c o m ea t o pp r i o r i t y t h e r ea r eal o to fp r o b l e m so ft r a d i t i o n a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lm e t h o d s i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，s u c ha sl a r g ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gd i f f i c u l t i e s ，s e c o n d a r y p o l l u t i o n ，s ot h a tp e o p l et u r n i n gt ot h eu s eo fh i g h e rp l a n t st op u r i f ys e w a g e b i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n da so n eo ft h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e n i n c r e a s i n g l yu s e di n t r e a t m e n to fe u t r o p h i cw a t e r b i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n di si n a c c o r d a n c ew i t ht h el a wo fn a t u r e ，w i t haf l o a t i n gb e da sac a r r i e r , m a k i n ga q u a t i c p l a n t so ri m p r o v e dt e r r e s t r i a lp l a n t sg r o w i n go nt h es u r f a c eo fe u t r o p h i cw a t e r t h r o u g ht h ep l a n tr o o ta b s o r p t i o n ，s o r p t i o na n ds p e c i e sc o m p e t i t i o nt or e d u c ew a t e r n u t r i e n t ss u c ha sn i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n do r g a n i cm a t t e r , s oa st oa c h i e v et h ee f f e c to f w a t e r p u r i f i c a t i o n b e s i d e s ，b i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n dc a na l s oc r e a t ea w a t e rl a n d s c a p e a sw e l la sb r i n gc e r t a i ne c o n o m i cb e n e f i t s i nt h i ss t u d y , t h r o u g hs u r v e y s ，e x p e r i m e n t sa n do t h e rm e t h o d s ，t h es t a t u sq u oo f l a n d s c a p ew a t e ri ns h a n g h a iw a ss t u d i e d a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，w es e l e c t e d s o m en a t i v ea q u a t i cs p e c i e ss u i t a b l ef o rt h ef l o a t i n gi s l a n da n dw i t hg o o dw a t e r p u r i f i c a t i o ne f f e c ta n dg o o dl a n d s c a p ee f f e c t l y t h r u ms a l i c a r i a ，a r u n d od o n a xa n d z i z a n i al a t i f o l i aw e r es e l e c t e da st h ee x p e r i m e n t a lp l a n t s b ys e t t i n gt h ei n d o o ra n d o u t d o o re x p e r i m e n t s ，w ea n a l y z e dt h ea v e r a g ef r e s hw e i g h to ft h et h r e ep l a n t s ，r e m o v a l o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o mw a t e ra n dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n to fp l a n t s ， t od r a wt h e i rp u r i f y i n ge f f e c t t h ea b s o r p t i o na n dr e l e a s eo fn u t r i e n te l e m e n t sf r o m w a t e ro fc o i ra st h ef l o a t i n gi s l a n dp l a n ts u p p o r tm a t r i xw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ： 1a l lt h r e ep l a n t sg r o w i n gw e l li nl o wn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，b i o m a s s i n c r e a s e dw i t ht h en u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n ；w h i l ea th i g hc o n c e n t r a t i o n st h eb i o m a s s d e c r e a s e d 2t h ec u r v eo fb i o m a s sa c c u m u l a t i o n ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h eb o d ya n d r e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nw a t e ro ft h r e ep l a n t sw e r eg e n e r a l l ys i m i l a r , t h e ya l li n c r e a s e da n dt h e nd e c l i n ew i t ht h ep a s s a g eo ft i m e ，a n dt h ec o n t e n to f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n t h es t e m sa n dl e a v e sw a sh i g h e rt h a nt h a to fr o o t s n 1 t h e r e f o r e ，i no r d e rt oa c h i e v et h eb e s te f f e c to fw a t e rp u r i f y i n g ，p l a n ts t e m sa n d l e a v e s s h o u l db eh a r v e s t e dw h e nr e a c hl a r g e s tb i o m a s s ，t or e m o v en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s f r o mw a t e r , t oa v o i ds e c o n d a r yp o l l u t i o nc a u s e db yt h el i t t e ro fp l a n t s 3r e s u l t so fi n d o o re x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ，t h er e m o v a lo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sf r o mw a t e rw e r ed i f f e r e n tb e t w e e nt h r e ep l a n t s ，a n dt h er e m o v a le f f e c to f t pw a sb e t t e rt h a nt n a r u n d od o n a xp e r f o r m e db e s ti nr e m o v i n gn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sf r o mw a t e r , a sh i g ha s8 6 1 2 a n d7 2 6 0 ，r e s p e c t i v e l y ；l y t h r u ms a l i c a r i a p e r f o r m e dt h es e c o n dg o o d ，t h er a t eo ft n a n dt pr e m o v a lw e r e7 8 6 1 a n d5 9 0 0 ， r e s p e c t i v e l y ；n u t r i e n ta b s o r p t i o na b i l i t yo fz i z a n i al a t i y o l i aw a sw o r s t ，t h er a t eo ft n a n dt pw e r e6 7 6 0 a n d 51 3 0 ，r e s p e c t i v e l y 4c o i rc o u l dp r o v i d ea t t a c h m e n ts i t e sf o rm i c r o o r g a n i s m s ，t h u st or e d u c et h e s u s p e n d e ds u b s t a n c ea n di m p r o v et r a n s p a r e n c yi nw a t e r c o i rw o u l da l s or e l e a s ea s m a l la m o u n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n t ot h ew a t e r l e a d i n gt oi n c r e a s e dc o n t e n t o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h i sh a p p e n e di nj u s tt h ee a r l ys t a g e so fe x p e r i m e n t s i n t h i ss t u d y , t h es t a g et a k e sa b o u tt w ow e e k s t i m e o v e r a l l ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo f c o i ro nr e m o v i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o mw a t e rw a ss t r o n g e rt h a nt h a to fr e l e a s e n u t r i e n ti n t ow a t e r t h ec o i ru s e da sf l o a t i n gi s l a n ds u p p o r t i n gs u b s t r a t e ，w i t ht h ep l a n t r o o ts y s t e m sc o u l dp r o v i d em o r el i v i n gs i t e sf o rm i c r o o r g a n i s m s ，t h e r e b yb r i n g i n gt h e s y s t e mt ob e t t e rw a t e rp u r i f y i n ge f f e c t 5i np r a c t i c e ，s e l e c t i o no fp l a n t sa p p l y i n go nt h ef l o a t i n gi s l a n ds h o u l db eb a s e d o nt h ed e g r e eo fe u t r o p h i c a t i o n ，n a t i v ep l a n t sw i t hg r e a tv i t a l i t y , r a p i dr e p r o d u c t i o n ， n u t r i e n ta b s o r p t i o na b i l i t ya n dg o o dv i s u a le f f e c t sw e r er e c o m m e n d e d k e y w o r d s ：e m e r g e n tp l a n t s ；e u t r o p h i c a t i o n ；b b i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n d ；w a t e r p u r i f i c a t i o n ；s u p p o r tm a t r i x i v 3 1 1 植物各器官生物量变化1 2 3 1 1 1 萃叶的生物量变化1 2 3 1 2 植物各器官总氮总磷含量1 3 3 1 3 植物各器官总氮总磷总量1 5 3 1 4 植物对实验水体的净化效果。1 6 3 1 4 1 植物对实验水体的总氮去除率。1 6 3 1 4 2 植物对实验水体的总磷去除率1 8 3 2 小结与讨论19 3 2 1 水体富营养化程度对植物生长的影响1 9 3 2 2 不同植物对水体中氨磷的去除效果2 0 第四章挺水植物在生物浮岛上的应用2 1 4 1 上海市景观水体高等水生植物应用现状调查。2 1 4 2 植物对水体中营养元素的吸收能力。2 5 4 2 1 结果与分析2 5 4 2 1 1 各器官生物量变化2 5 4 3 浮岛植物支撑基质椰丝对水体中营养元素的吸附效应2 8 n 1 1 研究i i 的与意义 第一章前言 由于我国工农业的迅速发展和城市化进程的加快，生活污水及工农业废水排 放量日益增加，湖泊流域开发活动加剧；加之长期以来，人们环境意识淡薄，环 境治理力度不够，湖泊、河流往往成为工业废水、生活污水及农业灌溉退水的纳 污场所；并且，近来出现若干不合理的人为开发活动，如围湖造田、森林砍伐、 过度网围养殖及湖滨带破坏等，均给诸多水生态环境造成了严重的不良影响，水 生生态系统退化现象极为严重，成为地区社会经济可持续发展的限制因素并危及 居民身体健康，是我国水环境当前面临的重大问题之一h 3 。 当f j ，人们逐渐从传统以治水为主的河流整治模式，去追求与自然环境相协 调的，并且能够发挥河流自身变化特点的建设模式。1 9 3 8 年，德国的s e i f e r t 首次 提出近自然河溪整治的概念，能够以接近自然、廉价并保持景观的治理方法，来 完成传统河川治理的任务，至2 0 世纪5 0 年代德国正式创立了“近自然河道治理 工程”，提出河道的整治要符合植物化和生命化的原理，从而使植物首先作为一种 工程材料被应用到工程生物治理之中瞳1 。自2 0 世纪8 0 年代开始的“近自然河流 治理”工程，至今虽然仅2 0 多年，但成效颇丰。 传统的河流治理手段，具有立竿见影的治理效果，但往往投入资金较多、维 持费用较高、能耗大。对污染严重的水体，前期需要以环境工程实施强化治理， 强化治理完成后，通过近自然恢复手段重建生态系统结构，不失为廉价而有效的 治理方法，在改善水质的同时，又使得水体成为具有景观效应的生命体，具有人 与自然和谐的意义。另外，流域内的生物多样性有了明显增长，生物生产力提高， 生物种群的品种、密度都成倍增加口刊。 “近自然型”建设理念与模式是以生态系统理论为指导思想，以接近自然、 模拟自然为建设理念，在生态建设中，充分考虑动植物的生存环境，将人工建造 物与大自然协调，以求人与自然共生理念的实现哺1 。水体“近自然型”建设，是 提倡在确保水安全性的前提下，在尽可能不改变，或少改变生物赖以生息和生长 的良好环境同时，保育和恢复水体良好生态环境的作法；在良好的水环境被人为 极度改变的地方，也要尽可能地去恢复其原有的良好环境。水生生态系统的重建 是水体近自然建设的关键口3 。水生植物可通过呼吸作用增加水中的溶解氧，还可 吸收吸附水中的污染物质和营养元素，抑制藻类繁殖等睛。2 0 1 ，因为大型植物和浮游 植物都是浅水湖泊生态系统的初级生产者，它们之间除了竞争作用之外还存在相 生相克作用( a l l e l o p a t h y ) ，从而抑制浮游植物的生长。 现今已有很多研究利用高等大型水生植物来治理富营养化水体，如利用浮床、 挺水植物的人工湿地和沉水植物眼子菜、金鱼藻、苦草、菹草等陵卜3 7 l 。 “近自然型建设理念的核心是通过构建高等植物群落来恢复和重建水生生 态系统，因此如何选取植物修复材料是至关重要的。近年来广受关注的生物浮岛 技术是近自然恢复方法之一，将适应当地气候、观赏价值高的的乡土植物种植其 上，以达到水质净化的效果。 本研究以千屈菜、花叶芦竹和野茭白为实验对象，通过通过调查、实验等方 法，计算分析这三种植物的植株平均鲜重、对水体的氮磷去除率及植物体内氮磷 含量，从而得出它们对富营养化水体水质的净化效果，通过分析对比，筛选出水 质净化效果好，景观效果佳，适合应用于生物浮岛技术的乡土水生植物种，并研 究了浮岛植物支撑基质椰丝对水体中营养元素的吸附效应和释放效应。 1 2 国内外研究现状 水是人类赖以生存的基础，当前河湖的水环境受到了不同的程度的污染，生 态环境不断恶化，水体功能不断下降，对人类的生存发展造成很大影响。富营养 化水体中常出现某些藻类的恶性繁殖，在淡水中出现“水华”现象，在海洋中则 导致“赤潮”。这些藻类往往具有腥味且使水质下降，水体色度增加、透明度降低。 其中，一些藻类可产生毒素，通过食物链富集在水生动物体内，若人类取食这些 动物则可导致中毒。藻类死亡后被微生物分解，消耗水中大量的溶解氧，引起鱼 类等水生动物的死亡。此外，藻类的大量存在可使水流减缓，长此以往，大量藻 类遗体的堆积导致河湖变浅，最终成为沼泽瑚1 。 我国是世界1 3 个贫水国之一，水体污染严重威胁水资源质量，是使水资源匮 乏进一步：d nj 罟, l 的重要原因。其中水体富营养化对水资源的威胁具有一定隐蔽性， 然而一旦水体富营养化带来藻类爆发，将严重危及公共供水安全。 2 0 0 7 年4 月以来，太湖暴发蓝藻引发当地公共饮用水危机，水体富营养化的 危害引起了突出的关注。由于水体富营养化形成原因及机制十分复杂，污染源包 括内源、外源、点源、面源，其控制与治理具有相当难度。水体富营养化已经成 为全球性环境问题，是必须关注的水环境危机之一。我国水体污染状况主要表现 2 为氮磷污染和有机物污染引。 水体中的氮磷营养元素主要包括水体自身底泥等沉积物释放入水的氮磷和外 部进入水中的氮磷，而外源氮磷主要通过点源污染和面源污染进入水体。并且， 多数情况下，磷元素主要通过点源污染进入水体，氮元素主要通过面源污染进入 水体9 1 。水体氮磷污染源主要包括：工业废水、城市生活污水、农田肥料、牲畜 排泄物、气载污染物( 工业废气、烟尘) 、水土流失等原因造成的污染。 随着氮磷污染的加剧以及环境不断恶化的凸显，人们的环保意识不断加强， 在反思中提出了如何恢复河湖生态系统的问题，并开始寻找恢复健康水生态系统 的途径。国内外许多学者提出了恢复高等水生植物是水生态系统恢复的关键。高 等水生植物种群的减少是健康水生态系统退化的重要标志。高等水生植物是水生 态系统的重要组成部分，不仅具有较高的生产能力和经济价值，还有很强的环境 生态功能。水生植物可利用富营养化水体中的氮磷等元素完成其生理功能，还与 藻类竞争营养、光照和生存空间的外，另外，高等植物与藻类之间还存在着相生 相克作用，即一种植物通过向环境释放某些化学物质，在其周围形成一个微环境 区域，从而影响该区域内藻类生长的现象h 训。 水生维管束植物按生态类型，可分为湿生植物、挺水植物、浮叶植物、飘浮 植物和沉水植物。近几十年来，人们在利用不同生活型水生植物净化水质方面做 了大量工作，许多研究揭示了高等挺水植物不仅能大量吸收富集水体中的污染物 和营养盐、抑制藻类生长，而且可以去除底泥中的负荷。由文辉h 研究水生经济 植物水雍菜( 1 p o m e aa q u a t i c a ) 和水芹菜( o e n a n t h ej a v a n i c a ) 净化污染水体，发现轮 种上述两种经济植物，每m 2 水面每年可自水中移除t n2 0 4 8 0 9 、t p2 4 6 2 9 ，并 可收获蔬菜5 0 k g m ，具有显著的经济效益和环境效益。 同一水生生物对不同污染物的净化率不同，而不同植物相互配合，可提高植 物对水体氮磷的综合净化率，多种植物组合比单种植物能更好地实现对水体的净 化h 引；芦苇去除c o d 的效果很好，但对氮、磷的去除较弱，需要其它水生植物的 联合作用h 引，茭白对氮、磷有很强的去除能力h 钔若芦苇和茭白混种就是一种较好 的植物栽培方式。 生物浮岛技术是一项安全高效可操作性强的利用水生植物净化水质的技术， 它是按照自然界的自身规律，人工把高等水生植物或改良的陆生植物，以浮床作 为载体，种植到富营养化水体的水面，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞 争相克机理，削减富营养化水体中的氮、磷及有机物质，从而达到净化水质的效 3 果，同时又可营造水上景观h 引。从这概念出发，如“生物生物浮岛 m 3 、“人 工生物浮岛”“ 、“浮床无土栽培”n 8 1 等概念都属于这一范畴。 本研究室认为“生物浮岛”以p v c 管、竹子等作为外部支架，在框架内用双 层尼龙网、椰子纤维等做成植物生长支撑装置，使植物得以良好生长；而“生物 浮床则相对简易，无需支架，选择常用的包装聚苯板等当作载体，浮床整体用 u 型铁钉、竹片和软绳，把设有植物栽种孔穴的浮床模板一块块连接而成。 华东师范大学资源与环境科学学院环境科学系达良俊教授已申请相关专利 4 9 , g o , g l , 5 2 ，其框架和水下固定装置由无毒无害材料制作而成，植物浮岛由天然材料 加工而成，是对植物资源的回收利用，不但节约成本，不会引起二次污染，而且 更加适合植物根系生长，有利于根系微生物膜的形成，和其它材料相比，也增强 了水面的透气性。通过植物、根系上的微生物等的作用，直接从水体中吸收营养 物质及其它污染物，消减富集水体中氮、磷及其它污染物质，从而达到净化水质 的效果。 从构造方面来分，生物浮岛可分为干式和湿式两种。浮岛中植物和水不接触 的为干式，植物和水相接触的为湿式浮岛畸3 1 ( 表1 - 1 ) 。 4 表1 - 1 生物浮岛分类 t a b 1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fb i o l o g i c a lf l o a t i n gi s l a n d 生物浮岛技术治理水环境与生态修复机理的研究尚不够深入，一般认为哺加如 下：( 1 ) 植物在生长过程中对水体中n 、p 等植物必需元素的吸收利用；( 2 ) 浮床 基质和植物根系等对水体中的有害物质的富集作用和对悬浮物的吸附作用；( 3 ) 植物根系释出大量能降解有机物的分泌物，加速有机污染物的分解；( 4 ) 微生物的 分解作用，使水质进一步改善；( 5 ) 最终通过收获植物体的方法将氮磷等营养物质 以及吸附积累在植物体内和根系表面的污染物从水体中移除，使水质得以改善， 从而为高等水生生物的生存、繁衍创造生态环境条件，使最终修复水生生态系成 为可能。 生物浮岛支架的选料原则：无污染，持久耐用，经济。生物浮岛载体材料的 可选择范围非常广泛，但是考虑到施工工艺和造价，目前所用的浮力材料大部分 为竹子、泡沫、木头、废旧轮胎、p v c 管等。其中竹子具有浮力效果好、结实、 耐水浸、无污染、成本低等优点，被广泛地使用。发泡塑料容易老化，并会产生 二次污染，所以此种材料没有被日本、欧洲各国采用钔。目前一些研究以方形p v c 管作框架，在框架内双层尼龙网作为载体栽种植物。下层尼龙网起栽植基层的作 用，上层起固定作用。此法适宜于多种挺水植物的实施，优点是抗风浪能力好， 5 对环境的污染很少，适宜于富营养化程度较高的水体及大面积推广种植。 6 2 1 研究地概况 第二章研究地概况与研究方法 鉴于实际操作及管理的难易，室外实验选择华东师范大学丽娃河与赤水河作 为实验样地。 丽娃河和赤水河位于华东师范大学普陀校区内，曾是苏州河的支流，丽娃河 长7 0 6 m 、平均河宽3 4 m 、水深1 6 9 m ；赤水河长3 7 3 m 、平均河宽1 5 m 、水深0 7 9 m 。 两条河均为水泥护岸，河底为自然底泥，河中均种植了多种水生植物( 图2 - 1 ) ， 除在汛期开闸排涝外，基本成为与外界隔绝的水体【5 6 1 。 表2 - 1 实验水体初始水质指标( m g l ) t a b 2 1i n i t i a le x p e r i m e n t a lw a t e rq u a l i t yd a t a ( m g l ) 兢荜 , t l c a 畦 瞬莲夔人慧 袅俄藻 i 芦竹等 图2 1 丽娃河水生植物种植区域图 f i g 2 - 1g r o w i n gr e g i o no fl i w ar i v e ra q u a t i cp l a n t s 7 z 2 2 研究方法 2 2 1 实验材料与仪器 实验材料：千屈菜( l y t h r u ms a l i c a r i a ) 、花叶芦竹( a r u n d od o n a x ) 和野茭 白( z i z a n i al a t i f o l i a ) ；椰丝；方形塑料整理箱( 容积3 5 l ) ；塑料小桶( 容积 5 l ) ；泡沫塑料板；氯化铵、硝酸钠、磷酸二氢钾等。 千屈菜：千屈菜科千屈菜属，别名对叶莲( 贵州民间药物) 、对牙 草、铁( 铁食品) 菱角( 湖南药物志) 、马鞭草、败毒草。多年生草本， 高3 0 - 1 0 0 厘米，全体具柔毛，有时无毛。茎直立，多分枝，有四棱。叶对生或3 片轮生，狭披针形，长4 6 厘米，宽8 - 1 5 毫米，先端稍钝或短尖，基部圆或心形， 有时稍抱茎。总状花序顶生；花两性，数朵簇生于叶状苞片腋内；花萼筒状，长 6 8 毫米，外具1 2 条纵棱，裂片6 ，三角形，附属体线形，长于花萼裂片，约1 5 2 毫米；花瓣6 ，紫红色，长椭圆形，基部楔形；雄蕊1 2 ，6 长6 短；子房无柄，2 室，花柱圆柱状，柱头头状。蒴果椭圆形，全包于萼内，成热时2 瓣裂；种子多 数，细小。花期7 - 8 月。千屈菜原产欧洲和亚洲暖温带，因此喜温暖及光照充足， 通风好的环境，喜水湿，我国南北各地均有生，多生长在沼泽地、水旁湿地和河 边、沟边。现各地广泛栽培。比较耐寒，在我国南北各地均可露地越冬。在浅水 中栽培长势最好，也可旱地栽培。对土壤要求不严，在土质肥沃的塘泥基质中花 艳，长势强壮。千屈菜生命力极强，管理也十分粗放，但要选择光照充足，通风 良好的环境。 花叶芦竹：禾本科芦竹属，别名斑叶芦竹，彩叶芦竹。多年生宿根草本植物。 根部粗而多结。秆高1 - 3 米，茎部粗壮近木质化。叶宽卜3 5 厘米。圆锥花序长 1 0 4 0 厘米，小穗通常含4 - 7 个小花。花序形似毛帚。叶互生，排成两列，弯垂， 具白色条纹。地上茎挺直，有间节，似竹。原产地中海一带，国内已广泛种植。 通常生于河旁、池沼、湖边，常大片生长形成芦苇荡。喜温喜光，耐湿较耐寒。 在北方需保护越冬。主要用于水景园背景材料，也可点缀于桥、亭、榭四周，可 盆栽用于庭院观赏。花序可用作切花。可露地种植或盆栽观赏，生长期注意拔除 杂草和保持湿度。无需特殊养护。 野茭白：禾本科菰属，别名出隧、绿节、菰菜、茭首、菰首、菰笋、菰蒋子、 菰手、茭笋、茭粑、茭瓜、茭耳菜。多年生草本，常有根茎。秆直立，高9 0 1 8 0 c m 。 叶鞘肥厚，长于节间，基部者常有横脉纹；叶舌膜质，略成三角形，长达1 5 m m 8 叶片扁平而宽广，表面粗糙，背面较光滑，长3 0 一l o o c m ，宽1 0 2 0 m m 。圆锥 花序大型，长3 0 - 6 0 c m ，分枝多簇生，开花时上举，结果时开展；雄小穗长 o - 1 5 m m 两侧多少压扁，常带紫色，常着生于花序下部开展或上繁荣昌盛的分 枝上，脱节于小穗柄上，惟其柄较细弱；颖退化不见；外稃先端渐尖或有短 尖头，并有5 脉，厚纸质；花药6 9 m m ；雌小穗长1 5 - 2 5 m m ，外稃有芒长1 5 3 0 m m ， 内稃与外稃同质，常均有3 脉，为外稃所紧抱：雄花中有6 枚发育雄蕊。颖 果圆柱形，长约l o m m 。花、果期秋季。茭白原产我国及东南亚，但作为蔬菜 栽培的，只有我国和越南，其中又以中国栽培最早。古人称茭白为“菰”。茭 白作为一种水生植物，具有很强的适应能力，生物量大，易于无土栽培，田间管 理简单，是作为生物浮岛修复湖泊富营养化的理想植物。用浮岛栽培茭白既可以 治理水体富营养化，又可以获得农业收益，同时能避免水体的沼泽化，具有很好 的前景。 仪器：植物粉碎机( h r 2 8 3 9 ，3 5 w ) ；6 0 目筛( o 2 7 m m 孔径) ；紫外可见分光 光度计( u v 9 6 0 0 ) ；电子天平( a c s 一1 5 d ) ；电热恒温鼓风干燥箱( g z x 一9 0 7 0 m b e ) ； 溶氧仪( j p b j 一6 0 8 ) ；高压蒸汽灭菌锅( y x q l s - si i ) ；流动注射分析仪( s k a l a r ) 。 2 2 2 实验方法 2 2 2 1 室内实验 实验地点为华师大环科系，实验时间为2 0 0 9 年5 月到2 0 0 9 年1 1 月。 实验采用浮板栽培方式，以泡沫板为浮板，方形塑料整理箱为容器，在泡沫 板上打孔，根据植物的生长特点确定各植物栽种孔穴的大小、间距。将植株种植 于孔中，使根部完全浸没于水体中，最后用海绵填充小孔以固定植物，每板种植 9 株，整板可漂浮于水面上( 图2 2 ) 。根据地表水环境质量标准( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) ， 将实验水体设置五种浓度梯度( 表2 2 ) ，植物所需其余元素浓度采用h o a g l a n d 营养液配方( 表2 3 ) ( 萧浪涛，2 0 0 5 ) 。每种处理3 次重复，并设置空白对照( 即桶 内水面上只放泡沫板，不种植物) 。 另外，称取等质量的椰丝( 1 0 9 ) 分别放入大小相等的塑料小桶中，实验水体 设置前述五个浓度梯度，并设置蒸馏水作为对照。 每两周测定实验用水的理化指标( 总氮、氨氮、硝氮、总磷、正磷) ，在实验 始末分别测定植物体及椰丝的总氮总磷含量及植物生物量的变化。 9 考虑到水的蒸发及植物的蒸腾作用，故应及时补充蒸馏水以保持水量不变。 各种理化指标的测定方法： 氨氮：纳氏试剂比色法 硝氮：紫外分光光度法 总氮：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 正磷：氯化亚锡分光光度法 总磷：过硫酸钾消解分光光度法 每月采集植物样品，分离根、茎叶，分别称量鲜重，于1 0 5 杀青处理后7 5 。c 烘干至恒重，称量干重，磨碎、过筛、硝解，用流动分析仪测定氮磷含量。植物 各器官的总氮、总磷含量代表其对氮磷元素的吸收能力，也能间接反应植物从水 体中吸收氮磷的能力。在实验开始前，测定植物体内初始氮磷含量。 3 5 l 塑料箱 ooo j 泡沫极 ooo ooo 小孔 图2 2 室内实验装置俯视图 f i g 2 - 2t o p v i e wo fl a b o r a t o r ye q u i p m e n t 表2 - 2 实验水体氮磷浓度梯度设置( m g l ) t a b 2 2t h e e x p e r i m e n t a lc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n to fn & p ( r a g l ) 1 0 表2 - 3 营养元素浓度表( 除n 、p 外) t a b 2 3c o n c e n t r a t i o no fe l e m e n t s ( b e s i d e sn p 1 试剂浓度( m g l ) 2 2 2 2 室外实验 将种植千屈菜、花叶芦竹和野茭白三种植物的生物浮岛连接、固定，于2 0 0 9 年5 月置于丽娃河中。从2 0 0 9 年5 月起至2 0 0 9 年1 1 月，每两周采集水样检测水 质的理化指标( 总氮、氨氮、硝氮、总磷、正磷) ，各指标的测定方法同室内实验。 每月2 4 日采集植物样品，带回，分离根、茎叶，分别称量鲜重，于1 0 5 杀青处 理后7 5 c 烘干至恒重，称量干重，用植物粉碎机进行粉碎，过6 0 目筛，未过筛 的样品再经手工研磨后过筛，直到样品全部过筛为止。将过筛后的样品混匀，从 中取出0 1 5 克，用浓硫酸一高氯酸法进行硝解。硝解后的样品用流动分析仪测定 氮磷含量。植物各器官的总氮、总磷含量代表其对氮磷元素的吸收积累能力，也 能间接反应植物从水体中吸收氮磷的能力。在实验开始前，测定植物体内初始氮 磷含量。 册盯盯埘灿埘埘姗跏伽蝴一一觚峨一嗽一一 第三章不同氮磷浓度水体中植物对营养元素 的吸收能力及净化效果 3 1 结果与分析 3 1 1 植物各器官生物量变化 3 1 1 1 茎叶的生物量变化 实验期间，在a 、b 、c 、d 、e 五种浓度梯度水体中种植的千屈菜、花叶芦 竹和野茭白植株茎叶的生物量变化曲线呈现相似性( 图3 - 1 ) 。 o l 。一 5 月6 月7 月8 月9 月l o 月l i b o l 一s 月6 月7 月8 月9 月l o 月1 1 月 野茭白 。l 图3 - 1 不同氮磷浓度水体中植物茎叶的生物量比较 f i g 3 1c o m p a r eo fb i o m a s s ( d w ) o fs t e m sa n dl e a v e si nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n to fn