（自然地理学专业论文）凤眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应.pdf

凤眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应摘要风眼莲是最早用于污水净化的植物之一，在藻型富营养化水体生态修复中有着重要的作用。以往对风眼莲的研究主要集中在风眼莲生长旺期对水质净化的作用，而就风眼莲整个生长过程对污染物及水环境的影响研究尚不多，所以，往往根据直观的现象，认为风眼莲衰亡腐烂会形成“二次污染”。究竟风眼莲在什么时候、什么条件下会形成“二次污染”?“二次污染”的程度有多大? 凤眼莲对污染水体的净化作用能够持续多久? 这些问题尚需要进一步深入研究。本实验从初冬季节开始，模拟不同密度的风眼莲在湖泊水体中的自然衰亡和腐解过程对水体和底泥的影响，通过与对照区对比分析，得出以下结论：( 1 )初冬季节在富营养化水体中引种风眼莲后，虽然气温较低，风眼莲基本停l e 生长但风眼莲对富营养化水体的有机污染指标c o d m 。、营养盐指标t p 、 i n 、n h 4 + - n和生物指标叶绿素均有去除能力，去除能力的强弱与凤眼莲生物量的多少成正比；在初冬季节的净化能力没有在生长旺盛期强放养】o ok g 的d 3 区对t p 、t n 、n h 4 + - n 、c o d m 。的净化率分别只有生长旺盛期的8 3 1 、2 5 7 、5 5 2 和2 l _ 3。( 23风眼莲开始衰亡至完全沉降前这一阶段，不同密度的风眼莲对水体d o 有影响，对照区d 8 ( 来放养风眼莲) 的d o 始终大于投放风眼莲的试验区：出现对水体营养盐污染的时间与投放风眼莲生物量有关，最早出现污染的是第6 1 天在d 3 区的n h 4 + - n 指标，最晚出现污染的是第9 2 天在d 7 区( 放养2 5 奴风眼莲) 的t p 指标：因水体的自净作用，对水体c o d o 。没有明显的污染作用：这一阶段风眼莲残体腐烂对水体叶绿素基本没有影响，主要是自然变化过程。( 3 )在风眼莲残体完全沉降后，各试验区d o 、c o d m 。、c h l a 及水体透明度的最恶值均出现在最热的7 、8 月份；这个阶段投放风眼莲的试验区水体继续受营养盐污染，风眼莲生物量越多，对水体t p 、t n 污染持续的时间越长，d 3 区比d 7 区分别长6 0 天和8 7 天。( 4 )风眼莲残体完全沉降后底泥营养盐浓度增加明显，营养盐上升量与风眼莲放养量成正相关，投放1 0 0 k g 的d 3 区底泥中的t p 、t n 、t o c 增加最多，分别增加了3 1 7 8、3 1 1 7 和5 2 1 7 ，投放2 5 垤的d 7 区底泥中的t p 、t n 、t o c 则分别增加了1 8 0 3 、1 7 2 5 、2 4 3 2 。这表明风眼莲残体对沉积物有一定污染作用。关键词：凤眼莲，二次污染，净化作用，富营养化e n v i r o n m e n t a li m p a c t so fd e c a y i n gw a t e rh y a c i n t hi ne u t r o p h i cw a t e ra b s t r a e tw a t e rh y a u i n t h ，e i c h h o n i ac a s s i p e 3s n m s ，h a sb e e nw i d e l yu s e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e m e d i a t i o no fp h y t o p l a n k t o n d o m i n a t e de u t r o p h i cw a t e r h o w e v e r , i t sa p p l i c a t i o nh a sb e e nl i m i t e db e c a u s ei tc a u s e sm a n ye c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s m o s tr e s e a r c ho nt h ep u r i f i c a t i o no fw a t e rh y a c i n t hw a sd o n ed u r i n gt h ev i g o r o u sg r o w t hp e r i o do fw a t e rh y a c i n t h a n di ti sv e r yf e wt h a ts t u d y i n gt h ee f f e c to nw a t e re n v i r o n m e n ta n dc o n t a m i n a n t sd u r i n gt h ew h o l eg r o w t ho fw a t e rh y a c i n t h a c c o r d i n g l y ，w h e nw a t e rh y a c i n t hb e g a nt od e c l i n ea n dd e c a y , t h e yw e r ec o n s i d e r e da s “s e c o n d a r yp o l l u t i o n ”b u tw h e na n dw h a tc o n d i t i o n sd ot h e yc o m ei n t ob e i n g “s e c o n d a r yp o l l u t i o n ”? h o wd e e po ft h ed e g r e ea r et h e y ? h o wl o n gc a nt h ep u r i f i c a t i o no fw a t e rq u a l i t yp e r s i s t ? a l lt h e s eq u e s t i o n sn e e dt ot h o r o u g hr e s e a r c h t h ee x p e r i m e n tb e g a ni ne a r l yw i n t e ra n ds i m u l a t e dt h ee 舵c to fw a t e rh y a c i n t h sn a t u r a id e c l i n ea n dd e c a yo f d i f i e r e n td e n s i t yi bae u t r o p h i cw a t e r , t h ef o i l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eg o a e n ：( 1 ) a f t e rt h ew a t e rh y a c i n t hw a sp l a n t e di ne u t r o p h i cw a t e ri ne a r l yw i n t e r , i tc a nr e d u c et h ec o n c e n t r a t i o no f c o d m n ，t p t n ，n h 4 + - na n dc h l aa l t h o u g ht h et e m p e r a t u r eo f w a t e rw a sl o wa n di t sg r o w t hr a t ew a sv e r ys l o wb u tt h ec a p a b i l i t yo fp u r i f i c a t i o ni ne a r l yw i n t e rw a sw e a k e rt h a nt h a to f i ni t sv i g o r o u sg r o w t h ，s u c ha st h ec a p a b i l i t yo f p u r i f i c a t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o no f t p , t n ，n h 4 + n ，c o d m 。o ft h ee x p e r i m e n t a le n c l o s u r ed 3i ne a r l yw i n t e r ，w h i c hp l a n t e d10 0k gw a t e rh y a c i n t h ，w a s o n l y8 3 1 ，2 5 7 ，5 5 2 a n d2 1 3 o f i n i t s v i g o r o u sg r o w t h 。( 2 ) d u r i n gt h ep e r i o df r o mt h eb e g i n n i n go fw a t e rh y a c i n t hd e a t ht od i s a p p e a r e dc o m p l e t e l yi nw a t e rs u r f a c e ，t h er e m a i n so fw a t e rh y a c i n t hc a r li n f l u e n c et h ed i s s o l v e do x y g e n ( d o ) 1 1 1 ed oi nt h ee x p e r i m e n t a le n c l o s u r ed 8w a sh i g h e rt h a nd 0i no t h e re n c l o s u r e sw i t hr e m a i n so fw a t e rh y a c i n t ha l lt h et i m e t h et i m ew h e nt h en u t r i e n t sb e g a nt oi n c r e a s ew a sr e l a t e dt ot h eo r i g i n a lb i o m a s so fw a t e rh y a c i n t hi ne a c he n c l o s u r et h en h 4 + nw a st h ee a r l i s tp o l l u t i o na n dj th a p p e n e di nt h es i x t y - f i r s td a yi nt h ee x p e r i m e n t a le n c l o s u r ed 3 t h et pw a st h el a t e s ta n di ta p p e a r e di nt h en i n e t y s e c o n dd a yt h e r ew a s n tc l e a rp o l l u t i o nt ot h ec o d m na n dc h l ab e c a u s eo fn a t u r a lp u r i f i c a t i o n ( 3 ) a f t e ra l lt h er e m a i n sd i s a p p e a r e df r o mw a t e rs u r f a c ea n dd e p o s i t e dt ot h ew a t e rb o t t o m ，t h ew a t e rq u a i l t yb e c o m ew o r s ea n dw o r s ed a yb yd a y d u r i n gt h i st i m e ，t h en u t r i e n t so fw a t e ro fe x p e r i m e n t a le n c o l s u r ed 3 ，d 5 ，d 7k e p ti n c r e a s i n g t h ep e r i o d so ft pa n dt np o l l u t i o ni ne n c l o s u r ed 3w e r e6 0d a y sa n d8 7d a y sl o n g e rt h a nt h a to fd 7r e s p e c t i v e l y t h eo r i g i n a lb i o m a s s a sw e r e1 0 0 ，5 0 ，2 5k gj ne n c l o s u r ed 3 ，d 5 ，d 7 ( 4 ) a f t e ra l lt h er e m a i n sd e p o s i t e dt ob o t t o m 。t h ec o n c e n t r a t i o no fn u t r i e n t si ns e d i m e n t si n c r e a s e do b v i o u s l y t h e r ew a sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ed e g r e eo fs e d i m e n t p o l l u t i o na n dt h eo r i g i n a lq u a n t i t yo fw a t e rh y a c i n t hi ne a c he n c o s u r e t h et p t n ，t o co ft h es e d i m e n ti nd 3i n c r e a s e d3 1 7 8 ，3 1 1 7 a n d5 2 1 7 r e s p e c t i v e l y , w h i l et h e s ei n d e x e si n c r e a s e d1 8 0 3 1 7 2 5 a n d2 4 3 2 r e s p e c t i v e l yi nd 7 k e yw o r d s ：e i c h h o n i ac a s s i p e ss o l m s ，s e c o n d a r yp o l l u t i o n ，p u r i f i c a t i o n ，e u t r o p h i c a t i o ni i学位论文独创性声明本人郑重声明：z 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。6 4 2 6 5 52 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。作者签名：扭日期：迎坚：f !学位论文使用授权声明本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。作者签名：址南京师范大学硕士学位论文1 前言1 1 研究背景利用水生高等植物净化污水、改善水体环境质量是水环境治理和水生生态修复的重要途径之一( 黄文成等，1 9 9 4 ：成小英等，2 0 0 2 ；吴振斌等，2 0 0 1 ；张圣照等，1 9 9 8 ：黄文成，1 9 9 4 ；马剑敏等，1 9 9 8 ：余国营等，2 0 0 0 ：董哲仁等，2 0 0 2 ：王国样等1 9 9 9 ；秦伯强2 0 0 2 ；王海珍等，2 0 0 1 ；v a n l i e r ele t a l ，1 9 9 2 ：n a i m a nrje l a l t1 9 9 5 ：c a r i g n a nre l a l 1 9 8 0 ：b r i x he l a l ，1 9 8 9 ) ，在污染和退化水体的治理和生态恢复中，水生高等植物的作用已经得到广泛的重视和研究：特别是在构建人工湿地处理各种污水( c o m i ne ta 1 ，2 0 0 1 ：t a n n e r ，2 0 0 i ；d e l l a r o s s ae la 1 ，2 0 0 1id i e r b e r ge ta 1 t2 0 0 2 ；戴全裕等，1 9 9 5 ；吴振斌等，2 0 0 1 a ：田淑媛等，2 0 0 0 ；刘超翔等，2 0 0 3 ) ，以及在污染河流湖泊治理与恢复中，水生高等植物有着十分重要的作用( c h a m b e r se ta l ，1 9 9 0 ：b l i n d o we l a l 1 9 9 3 ：b e k l i o g l u m o s s1 9 9 6 ：c l a r k e w h a r t o n ，2 0 0 1 ：陈洪达，1 9 8 4 ；刘淑嫒等，1 9 9 9 ；由文辉等，2 0 0 0 ；濮培民，2 0 0 1 ；章宗涉，1 9 9 8 ：邱东如等，1 9 9 7 a ：李文朝，1 9 9 7 ：吴振斌等，2 0 0 1 b ，2 0 0 3 i 马凯，2 0 0 3 ) 。水生高等植物不仅能够直接吸收包括氮磷等植物性营养物在内的污染物，而且可以通过改变微生境，促进污染物的氧化分解( 王国祥，1 9 9 9 ) 。在藻型富营养化浅水湖泊中，水生高等植物一方面可通过分泌他感物质等直接抑制藻类生长繁殖( 俞子文等，1 9 9 2 ：g o p a l g o e l ，1 9 9 3 ；s o n d e r g a a r dm o s s 1 9 9 7 ) ，另方面可通过吸收水体和沉积物中的营养盐、减少沉积物及其中的营养盐再悬浮释放、为摄食藻类的大型浮游动物提供躲避鱼类捕食的庇护( r e f u g ee f f e c t )等等控制藻类生长繁殖，从而降低浅水湖泊的浊度、改善水体透明度及水质( m o s s ，1 9 9 0 ：w e t z e l s o n d e r g a a r d ，1 9 9 7 ；j e p p e s e ne t a l ，1 9 9 7 ，1 9 9 9 ：s c h e f f e r ，e l a l 1 9 9 3 ：m e i j e r h o s p e r ，1 9 9 7 ：m a n n w e t z e l ，2 0 0 0 ；h o r p p i l a n u r m i n e n ，2 0 0 1 ：g u l a t i ，e t a l ，2 0 0 2 ；a l d f i d g e ，e l a l ，2 0 0 3 ：s c h u l z ，e t a l ，2 0 0 3 ；n o g e s ，e fa l ，2 0 0 3 ；k o m e r ，e t a l ，2 0 0 3 ) 。因此，水生高等植物被公认是水环境污染治理和维持清洁水体的重要工具。风眼莲( e i e h h o m i ae r a s s i p e s ) 是最早用于污染净化的水生高等植物之一，它又名水葫芦、风眼兰、水风信子，雨久花科，为多年生漂浮性水生草本植物( 刘嘉麒等，1 9 9 7 ) 。原产于热带美洲，2 0 世纪3 0 年代作为畜禽饲料引入中国，并曾作为观赏和净化水质植朱敏风眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应2 0 0 4 年物推广种植( 傅家瑞，1 9 5 7 ) ，后逸为野生，现在我国南北各地均有，其中长江流域以南分布最多( 刘建等，2 0 0 2 ) 。它的特点是无抗旱能力，除水分外，环境中的阳光、空气、无机盐等生态因素对它的生存限制作用小，故它的生存力强，分布范围广，在溪流、小河、稻田、池塘，甚至浅海的水面上，它都能生存( 丁树荣，1 9 8 4 ) 。风眼莲对各种污染物均有不同程度的去污能力，是最早利用的污水净化植物之一，其对污水净化效率明显优于任何一种水生生物，能有效地去除水中的氮、磷等营养元素，吸收和富集各种重金属、有毒化合物，而且还能控制藻类生长，使富营养水域变清澈( 胡肄慧。1 9 8 1 ) 。一般认为，采用凤眼莲净化系统处理污染水体具有以下方面的优点：去除污染物效果好且可改善环境景观，环境效益高：风眼莲净化工艺能耗底、投资少：工艺流程操作简便，便于管理；可变费为宝，使资源再生能够产生一定的经济效益( 李宝林t1 9 9 9 ；张志杰，1 9 8 8 ) 。在美国风眼莲处理塘( w a t e rh y a c i n t hp o n d s ：w h p s ) 常与污水稳定塘( w a s t es t a b i l i z a t i o np o n d s ：w s p s ) 联用对生活污水、工业污水处理的尾水进行深度处理( k i my ，e ta 1 ，2 0 0 4 ) 。然而，用凤眼莲净化水质并非尽善尽美，在利用过程中会产生一些问题，如风眼莲的繁殖能力极强，如果对其失去控制，它们就会在水域中泛滥成灾，形成单一种群占优势的群落，破坏水体的生物多样性；在生长区域形成优势种群覆盖了大面积水面，降低了光线对水体的穿透能力，影响水底生物的生长，导致其它水生生物的减少甚至灭绝：还会阻塞河道，影响河道航行：为蚊蝇的滋生、繁殖提供良好的环境，严重危害了农渔牧业的发展和人类的健康( 齐玉梅等，1 9 9 9 ) ：还有许多专家学者认为，风眼莲活体可以吸收水体中的营养物质，但在冬季死亡后，其腐烂分解过程中叉释放出大量的有机和无机物质，特别是氮、磷和碳等污染水体，成为水体的二次污染源。正因为如此，风眼莲几乎成了“污染”的代名词，成为世界著名的十大“窖草”之一。滇池、太湖、黄浦江及武汉东湖等著名水体均出现风眼莲泛滥成灾的情景，有关方面耗费巨资却无法根治( 张文，2 0 0 2 ) 。作为外来入侵种之一，凤眼莲在水污染治理的应用已经受到了一些学者的否定：但是，风眼莲在污染治理、水环境质量改善方面的作用也是不可否认的。尤其是在富营养化水体生态修复中，风眼莲作为一种先锋植物，风眼莲可以快速改善水体透明度、为沉水植物恢复提供条件。探索风眼莲在富营养化水体中腐烂分解对水质及底泥的影响，为在富营养化湖泊生态修复中合理利用凤眼莲提供基础资料。2 南京师范大学硕士学位论文1 2 国内外研究动态有关风眼莲的研究与其他水生植物相比并不多。在国外及相关杂志上检索近十年的文献涉及风眼莲的不满百篇。而其中大多数不是专门研究凤眼莲的 在国内“中国期刊网”上检索到的有关凤眼莲在中文摘要中出现的文章有7 9 篇，涉及到风眼莲的文献大约占水生植物研究的3 ，这从侧面反映了国内对凤眼莲的研究并不多，而且大多数都是从凤眼莲对不同污染水体净化作用方面进行研究的：有关风眼莲的报道则一般散布于对水生植物区系调查研究报告或植物志中。国内外对风眼莲的研究，主要包括以下几个方面：( 1 )风服莲的净化作用a 净化地表水：包括河流、湖泊b 净化废水：包括工业污水、农业污水、生活污水c 抑藻作用d 净化大气( 2 )风眼莲的危害研究( 3 )风眼莲的控制研究a 风眼莲的防治：包括化学防治、生物防治b 风眼莲的后处理工艺国外利用凤眼莲净化水质的历史，可阻追溯到c l o c k ( 1 9 3 8 年) 、d y m o n d ( 1 9 4 8 年)等人的工作，自7 0 年代以来，主要在美国进行了大量的相关研究，开发了风眼莲净化系统的设计参数( 李宝林，1 9 9 9 ) 。我国利用水生植物净化水质的研究始于7 0 年代中期。有关风眼莲处理环境污水的研究和利用稍晚于国外，但8 0 年代以后得到迅速发展。尤其是近1 0 年来，科技人员进行了凤眼莲对多种类型污水净化能力的研究并开展了以凤眼莲为主体净化植物的生态工程建设。在太湖入湖河道利用水生植物控制污染的生态工程中，凤眼莲的净化水质效果最好，对氨氮、t n 、t p 的净化率分别达到9 9 、8 8 3 和9 4 2 ( 戴全裕等，1 9 9 5 ) 。滇池也进行过相关的风眼莲净化实验，据计算，每年每亩产凤眼莲鲜重3 1 万4 8 万蚝，每年每亩可除氩1 9 8 蝇，除磷5 5 2k g 另外除铅1 5 3k g 、锌9 8 6k 、铜2 7 4k g 、砷5 8 8 7k g ( 王焕友，1 9 9 0 ) 。对于湖泊水体中重金属的吸附能力，凤眼莲的富集系数和净化效率要明显优于荇菜、茭自、莲、满江红等水生植物，这个结果在草海已经得到证实。在太湖、莫愁湖、红枫湖等开展生态工程建设时，由于凤眼莲在一朱敏风眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应2 0 0 4 年定时空范围内具有抗御环境灾变的重要作用，因此往往将漂浮植物凤眼莲作为优势种( 建群种) 和先锋种( 王国祥等，1 9 9 8 ；濮培民等2 0 0 1 ) 。从这些成果来看，凤眼莲的确具有良好的净化效率，但必须意识到，实验是在人工控制下进行的，范围不大，对于小型的富营养化水域面积，利用凤眼莲作为净化植物，操作并不困难，但对于大型的水域，考虑到风眼莲的繁殖特性，风险很大，因此如何将风眼莲应用于大范围的湖泊、河流水质净化，是一大难题。在凤眼莲净化水质的效应和机理渐显之后，利用风眼莲净化水质得到了普遍的重视、推广和发展，理论和实践证明，风眼莲对净化含有有机物较多的工业废水、农业废水和生活污水的水体效果更加理想。风眼莲对重金属浓度的耐受限较高，能够大量吸收积累污染水体中的砷元素，可作为含砷污水的净化植物。同时风眼莲还可以作为含砷污水的指示植物。o 0 6p p m 的含砷污水即可使之产生受害症状，肉眼即可察觉( 胡肄慧等，1 9 8 1 ) 。风眼莲可作为铅、镉污水的净化植物，不同浓度的铅、镉废水养殖凤眼莲7 - 1 0 天月易其去除率可达6 2 8 9 ：所吸收的铅、镉大约8 4 9 3 被积累在根中( 张志杰等，1 9 8 8 ) 。而据美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) w o l v e h o n 等报导，2 4h 内每克干重风眼莲能从受重金属污染的水体中去除铬o 6 7m g 、铅0 1 7 6 l g 、汞o 1 5 0m g 、镍0 5 0m 卧银0 6 5m g 、钻o 5 7m g 、锶o 5 4m g ( 丁树荣1 9 8 4 ) 。戴全裕等通过实验证实风眼莲可作为含银污水，尤其是低浓度含银污水的净化植物，当含银污水停留时间为2 4 4 8h 时，风眼莲对其净化率达9 8 6 以上，根部是银的主要富集部位。无锡电影胶片厂利用凤眼莲净化污水、富集回收白银的实验表明：凤眼莲根部对银的富集量可达1 22 5 1p p m ( 占干物重) ，其富集系数f x 为1 0 21 9 4 ，灰分含银量为4 1 2 5 ，灰分富集系数为3 4 37 5 0 。风眼莲对放射性核素具有吸收、累积、分配和释放的特性，因此可以将风眼莲作为低含量核素的生物浓缩手段( 戴全裕等。1 9 9 1 ) 。凤眼莲对6 0 钴和6 5 锌有较高的去除能力，对低浓度放射性元素1 3 7 铯有显著去除率( 周风帆等，1 9 8 9 ) 。从这些工作来看，风眼莲具有良好的重金属富集能力，有人担心凤眼莲的这种生物富集作用会引发更多的环境问题。现在许多- - f 行技术( 周风帆等，1 9 8 9 ；于光远，1 9 8 4 ) 可以保证资源化利用有毒物质的风眼莲，如含有有毒物质的风眼莲可制造沼气：可浓缩、提炼和回收重金属，不仅可获得显著的经济效益，而且可得到显著的环境效益，达到“变废为宝，化害为利”的目的。；可利用人工生态系统通过食物链将有毒物质在相对较长时期转移出食物链或限制在本食物链中：可焚烧，其灰烬做深埋处理等等。凤眼莲对含有机物质较高的工业废水有净化作用，如将凤眼莲用于对染料色水的脱4 南京师范大学硕士学位论文色作用( 夏晓松等，1 9 8 7 ) ：作为含酚污水的净化植物( 王崇效等，1 9 8 6 ：汪敏等，1 9 9 4 ；郑师章等，1 9 9 4 ) ；利用风眼莲净化石油钻井污水( 杨继武，1 9 9 3 ) 和炼油污水( 唐述虞，1 9 8 9 ) ：用于净化造纸厂的污水，研究表明，经过9 天风眼莲对马尾松硫酸盐浆污水的c o d 去除率为2 4 6 ( 刘光良，1 9 8 8 ) ：李维新等设计的以风眼莲为主的处理缫丝废水半人工水生生态系统，取得了良好的净化效果，b o d 去除率为9 6 6 ，c o d 去除率为9 2 ( 李维新，1 9 8 7 ) 。凤眼莲还可以用于净化生活污水：美国国立宇宙技术研究室的研究表明，风眼莲对家庭排水中的n 、p 有较高的去除率，并且自身能够正常生长。培养在家庭排水中的凤眼莲，1 天可产生风眼莲湿重为1 7 8t h a 。每年可产生风眼莲干重2 1 2t h a ( 杨继武，1 9 9 3 ) ；谢心义等发现，生活污水中的c o d 经过5 9 天去除率可达7 9 8 3 ，b o d 5 经过5 i i天去除率可达9 1 8 ，氨氨经过4 天去除率为7 1 3 ，对生活污水中的c u 、z n 经过1 5天分别去除5 0 、7 8 而对p b 经过1 0 天可去除1 0 7 ，对p 0 4 3 和k + 有一定的去除能力，同时还可去除污水中臭味( 谢心义，1 9 8 4 ) 。风眼莲用于净化农业污水的试验也较多，如将风眼莲水生生物系统用于处理大型养猪场废水，具有明显的经济效益、环境效益和社会效益( 余远松等，2 0 0 0 ) ：在鱼塘中放养风眼莲，不仅能净化富营养化水体还能增加水体作用的溶解氧，而且本身还可作为草鱼的饲料，有利于鱼类的生长( 李周生等，2 0 0 1 ；谢伟，2 0 0 0 ；蒋艾青，2 0 0 3 ) ；袁桂良等进行了凤眼莲对集约化甲鱼养殖污水的静态净化研究，实验表明，凤眼莲能同时去除甲鱼污水中的氮态氮、亚硝氮和硝氮、c o d 、磷等，其净化率分别为7 1 5 、8 8 1 、6 8 5 和9 0 7 ，具有对养殖污水降解、净化水质的生态功能，经过1 周的处理，甲鱼养殖污水达到国家规定的有关污水排放标准要求( 袁桂良等，2 0 0 1 ) ：李军等试验了利用凤眼莲净化北方地区屠宰废水，结果表明：在适宜的温度条件下，风眼莲可以直接净化高浓度的屠宰废水，能够大幅度降低屠宰废水中的化学需氧量、悬浮物、氨态氮和总磷的浓度，风服莲处理系统在去除水中有机污染物的同时，还可收获大量具有多种用途的风眼莲( 李军等，2 0 0 3 ) 。风眼莲还具有明显的抑藻作用：m i d d l e b m o k 等指出，种植凤眼莲的氧化塘使出水中的藻类浓度较少，主要是由于植株的遮光作用( ( m i d d l e b r o o k ej ，1 9 8 6 ) ；大术规晃曾报道风眼莲对五种藻类有抑制作用，他推测凤眼莲可能分泌某些有机物质使藻类生长受到抑制但没进一步证明( 大木规晃) ：孙文浩等的风眼莲对藻类的克制效应的研究，证明了风眼莲的根部能向水体分泌某些有机物质。这些物质都能伤害或杀死某些藻类，对治理5 朱敏凤眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应2 0 0 4 年富营养化水体起到重要作用，分泌物已被鉴定为n 一苯基2 一萘胺等物质( 孙文浩等，1 9 8 8 ；孙文浩等，1 9 9 3 ) i 凤眼莲与其根际细菌的相互关系明显受营养条件的影响在含酚的环境下，根际细菌对风眼莲表现出更为强烈的根际效应( 汪敏等，1 9 9 4 ) ；唐萍等研究了风眼莲根系分泌物对栅列藻超微结构及光台放氧速率的影响，发现6d 后即可见叶绿体中类囊体片层发生肿胀甚至解体，1 0d 后叶绿体外包膜消失，细胞几乎成空腔( 唐萍等，1 9 9 9 ) 。风眼莲还可以净化大气：谢心义等的研究表明，风眼莲对大气有一定的净化作用。在4 0 0 0m 2 的水面上生长的风眼莲，可以吸收二氧化碳1 2 ，2 8 妇，放出氧气8 9 6t a ( 谢心义，1 9 8 4 ) 。从这些研究看出，风眼莲的确是优良的纳污植物，美国的b o y d 根据多年的研究整理出了风眼莲所能去除各类元素的量：每公顷风眼莲每天可以吸收氮元素1 9 8 0k g ，磷元素3 2 2k g ，硫元素2 4 8k g ，钙元素7 5 0k g ，镁元素7 8 8 蝇钾元素3 1 8 8k g ，钠元素2 5 5k g ，铁元素1 9 k g ，锰元素2 9 8 k g ，锌元素4 蚝，铜元素lk g ( b o y dl e ，1 9 7 6 ) 。但这些研究都没有涉及到风眼莲在净化的同时所隐藏的危害，因此有专家学者从反面讨论了凤眼莲的危害性问题：大量的凤眼莲植株死亡后泥沙混合沉积水底，抬高河床，使很多河道、池塘、湖泊逐渐出现了沼泽化，增加了水体b o d 负荷，对周围气候和自然景观产生不利影响，加剧了旱灾、水灾的危害程度：风眼莲植株大量吸附重金属等有害物质，死亡后腐烂变臭沉入水底，对水体二次污染，又加剧了河流湖泊的污染程度；风眼莲的危害期大都在炎热的夏天，水体的水流速很慢，久而久之造成水质污染、发臭、变黑：同时大量风眼莲植株在水面漂浮堆积在一起，严重堵塞航道。影响水渠灌溉，并降低了水温、p h 、碱式碳酸盐和溶解氧的含量直接威胁鱼类的生存在风眼莲侵入并泛滥成灾的淡水域，那里的生物多样性遭到严重的破坏，一些当地的物种( 包括水生动物和植物) 几乎濒临灭绝( 汪风娣，2 0 0 3 ；齐玉梅等，1 9 9 9 ：李宝林，1 9 9 9 ：刘建等，2 0 0 2 ) ；风眼莲还可能为有害病菌或蚊、蝇等生物提供滋生的环境，危害人们的身体健康。据报道在维多利亚湖成灾的凤眼莲上滋养了携带有害病菌的蜗牛和蚊子导致了数以百万计的人感染了疾病( m o o n e yh a ，1 9 9 9 ) 。另据徐红等通过对白莲河水库的调查研究，认为大量漂浮的风眼莲屏蔽光线，影响绿藻、金藻、裸藻、硅藻等浮游植物的生长，继而影响到原生动物、轮虫、枝角类和桡足类等浮游动物的生长，使白莲河库区网箱养鱼遭到严重破坏( 徐红等，2 0 0 3 ) 。云南省科技情报研究所决策参考第2 1 期( 2 0 0 0 。1 1 1 5 ) 报道，云南滇池共1 0 0 0 公顷的水面6 南京师范大学硕士学位论文上全部生长着风眼莲，其盖度近1 0 0 ，使得滇池内很多水生生物处于灭绝的边缘。据资料记载2 0 世纪6 0 年代以前，滇池主要水生植物有1 6 种，水生动物6 8 种，但到了8 0年代，大部分水生植物相继消亡，水生动物仅存3 0 余种。万咸涛通过观测发现，2 0 0 1年9 月份，汉江武汉江段风眼莲从上游( 内湖内河) 借风力、水力、植株本身弹力大面积漂浮下来，呈非团块( 片) 状集聚，具有典型生物群落特征( 万成涛，2 0 0 1 ) 。另据杨风辉等报道，1 9 9 9 年入冬后风眼莲大量涌入上海的黄浦江和苏卅i 河，连接成片，长达3 0 余公里，水草群夹带着塑料袋、包装纸等飘浮垃圾顺流而下，严重影响市容观瞻( 杨风辉等2 0 0 2 ) 。据不完全统计，凤眼莲造成我国年直接经济损失近8 0 1 0 0 亿元，并造成了生态系统等不可估量的间接损失。风眼莲的应用就像一把双刃剑，在专家学者中产生了颇多的争议许多专家学者因此进行了对风眼莲的防治研究：许多专家建议对无毒的风眼莲进行人工打捞，对被收获后的凤眼莲的去路问题，可以将凤眼莲打浆压滤，用凤眼莲的压滤液和畜禽的粪便制作沼气，而沼渣制成肥料或饲料( 郑敏，2 0 0 0 ) ，上海青浦县在位于黄浦江上游的水源保护区内进行了一项利用风服莲加工成革粉饲料、饲养獭兔的生态工程，并以免粪和风眼莲的压滤液作为沼气发生源取得了客观的经济效益( 齐玉梅等，1 9 9 9 ) ；还可利用纤维索分解菌将其叶片发酵为酒精等( 范力敏等，1 9 9 0 ) 。但是通过对上海黄浦江的研究，认为作为外来入侵种的风眼莲，对上海市造成了巨大的经济损失，打捞和控制的费用不菲( 杨风辉等，2 0 0 2 ) 。据新民晚报( 2 0 0 1 11 1 6 ) 报道：1 9 7 5 年，上海市水域保洁队在苏州河、黄浦江每d 只打捞0 5t 凤眼莲，1 9 9 5 年5 0t d 2 0 0 1 年约2 5 0t d ，最高时甚至超过了4 0 0u d 。可见除去打捞船等费用，单是水上环卫的工资就已经是不小的数目。针对人工打捞风眼莲费时费钱，陆剑飞等建议利用4 1 b i o f o r c e 水剂防除河道中风眼莲的药效试验结果表明，在凤眼莲生长旺盛期施药，用该药剂1 0 0 倍液喷细雾，对风眼莲防治效果较好( 陆剑飞等，2 0 0 1 ) 。但从生态毒理学的角度看，长期使用化学药品对生态系统总是不安全的。生物防治凤眼莲从6 0 年代初期，在凤眼莲原产地南美乌拉圭进行天敌调查开始( s i l v e i r a - g u i d o ，1 9 7 1 ) ，目前己显示出明显的治理效果。生物调控在歇美国家得到深入的研究和广泛应用( a n o n ，1 9 7 3 ：b e n n e t t ，1 9 6 8 ：b e n n e t t ，1 9 7 2 ；c e n t e r ，1 9 9 4 ；b e n n e ue la 1 1 9 6 8 ：c e n t e r ，1 9 7 5 ：c e n t e re t a l ，1 9 8 2 ；w a t e r h o u s e ，1 9 9 4 ) 但是由于研究区域、研究对象以及研究范围的不同，往往难得到一致的结论和结果，因此生物调控作为管理工具的有效性仍存在很大的，朱敏风眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应2 0 0 4 年争议，而且，就技术本身也存在一些问题，同时还必须要意识到引进凤眼莲的天敌后有可能会对当地的农作物产生影响。有关风眼莲的衰亡对水质的影响，这方面的研究目前较少。胡雪峰等于1 9 9 9 年初冬和2 0 0 0 年初春监测了上海市郊某河流，得出结论为河流中的水生高等植物凤眼莲确实起到了净化水质的作用，但在白生自灭的情况下，其死亡腐解产生的二次污染，又使其成为污染源( 胡雪峰等，2 0 0 1 ) 。丁树荣等在f l o r i d a 大学野外实验站的实验中得出结论，对于氮磷去除率，风眼莲收获与否差异并不显著( 丁树荣，1 9 8 9 ) 。还有研究显示，在热带富营养化湖泊内，凤眼莲腐烂分解过程中，浮游植物的多样性和生产率有显著降低。从国内外的研究动态来看，对凤眼莲的研究包含了许多方面，主要集中在以下几个领域：风眼莲对富营养化水质中营养盐、重金属、有机污染物等的吸收作用、风眼莲对藻类的抑制作用、凤眼莲的防治等等，这些都开展了具体的工作；有关风眼莲的危害，往往是根据直观的现象来说明：而就凤眼莲整个生长过程对水环境的影响研究几乎没有。1 3 研究的目的和内容本文研究的目的就是通过模拟不同密度的风眼莲在湖泊水体中的自然衰亡和腐解过程，探讨风眼莲对水环境质量的影响，为合理利用凤眼莲改善水环境质量提供依据。本文研究内容主要包括：凤眼莲生长、衰亡及腐烂与环境因子间的关系；风眼莲生长末期对富营养化水体水质的净化作用；凤眼莲衰亡腐烂对富营养化水体的影响研究。主要包括物理指标、有机污染指标、营养盐指标和生物指标。凤眼莲生长对水体沉积物特性的影响。分析底泥中t o c 、t p 、t n 的时空变化。探讨在富营养化湖泊生态修复中合理利用风眼莲的技术途径。- 8 -南京师范大学硕士学位论文1 4 技术路线9 朱敏风眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应2 0 0 4 年2 研究方法与试验材料2 1 试验区概况本试验区位于南京师范大学仙林校区的- 4 , 池塘内，整个池塘水面面积约3 0 0 0m 2 ，四周护岸为水泥石块堆砌而成，平均水深1 2m 。该池塘有一个进水口，主要是雨水及地表径流：一个出水口在水位超过出水涵洞下沿时，池塘内水自动逸流排出；暴雨期间，池塘水位急剧上涨，出水涵洞来不及排水，池塘水可漫过堤岸。该池塘的水源主要来自于降水，水位随季节变化，冬夏水位差可达0 4m 。南京仙林地区全年平均气温1 5 4 。c ，平均最低气温2 0 ，3o c ，平均最低气温1 1 4 。c ，多年平均降水量10 0 0m m 左右，降水量的年季变化较大。由于位于仙林校区的小池塘平均水深仅1 2m ，水温分层不明显，因此，池塘水温受气温影响较大。夏季水温可达3 5o c ，冬季不封冻，沿岸浅水区偶有薄冰覆盖。该池塘曾经长满沉水植物，后因养鱼、池塘护岸改造以及接纳污染等原因，水质逐渐恶化，在试验围区构建前，整个水塘已不见沉水植物。2 0 0 2 年6 月底，在该池塘的中央区，用图2 - 1 软隔离带结构及锚定方式防水工业滤布、浮体和重压管等材料制成的软隔离带围出5 个3 0m 1 0m 的相互独立、内外完全隔离的实验区。为了固定软隔离带，用塑料绳一端拴在隔离带上，另一端拴住重物沉入水底( 如图2 - 1 ) 。实验区编号分别为围区a 、围区b 、围区c 、围区d 及围区e ；其中围区d 又分隔为1 0 m 1 0 m 的小围区一个、5 m 5 m 的小围区8 个，编号分别为d 1 、d 2 、d 3 、d 4 、d 5 、d 6 、d 7 、d 8 、d 9 ，各试验区之间相互独立、内外完全隔离( 图2 - 2 ，2 - 3 ) 。本项研究主要在围区d 内的各小围隔区内进行。1 0 南京师范大学硕士学位论文d 9d 8d 7abced 6d 5d 4d 3d 2d 1用银灰色双覆膜缝制而成软隔离带，其纵向缝制结构如图2 - 4 所示。软隔离带上端为一圆柱体的空管，直径为2 4c m ，用于填塞浮体；下端也为一圆柱体的空管，直径为7c m ，用于塞进重压物。考虑缝制过程中出现的误差，制作软隔离带所需宽幅为3 3 3c m ，所选材料符合要求。围隔布缝制成段块状，便于运输、安装、组合和维修( 成小英，2 0 0 3 ) 。软隔离带为一生态保护图2 - 2 试验区围隔分区图2 - 3 试验区概貌j e 茧一。l1一，目0琛嗣卜9l 赢ii 一rl毒网卸jl 辩i王l 霰i 9厂 7 网u 图2 - 4 围隔布的纵向缝制结构朱敏风眼莲在富营养化水体中衰亡的环境效应2 0 0 4 年膜，起着重要的作用：能有效的控制内外的水量交换( 不透水或过滤水) 和能量、动量交换( 改变水流、风浪) ；其宽度能覆盖整个水深或应控制的水层并能随水位变化而作相应的迅速适应：能在恶劣的气候条件下长期正常工作而不被破坏，并能有效的保护工程内生物种群的安全；易于建造、安装和维修，能适用于不同水深、底质，价格较低等( 王国祥，1 9 9 9 ) 。2 0 0 2 年1 1 月中旬，对实验区进行了水质本底调查( 见表2 1 ) ，经单因素方差分析的f 检验，f 值落在接受区中( f = 11 7 e - 0 7 0