（植物营养学专业论文）薏苡对富营养化水体中氮磷的吸收去除效应及其影响因子研究.pdf

致谢 光阴似箭，两年的硕士研究生生涯行将结束，在即将告别求是园之际，我心 中思绪万千。衷心感谢浙江大学求是创新的校训对我的培养和激励，感谢众多的 老师们引导我走入了迷人的知识殿堂 特别感谢我的导师杨肖娥教授。她渊博的学识、严谨的治学态度、诲人 不倦的奉献精神，充满活力的创新思想，对我的人生观、方法论产生了深刻的影 响。专业技能的发展和硕士论文的完成，更是得益于老师的精心指导。两年多时 间来，我在学习、生活中始终有这位令人羡慕的良师益友为伴，这份特殊且深厚 的师生情谊是我最宝贵的财富和回忆。 感谢李廷强、冯英老师，感谢李老师在我试验和写作中的耐心指导，感谢冯 老师在在我论文修改中付出大量的心血，他们对我的精心指导和帮助我将铭记于 心。 我的论文最终得以完成，还要感谢课题组吴湘师姐，熊集兵师兄，焦蓉婷师 姐，胡绵好师兄，郝虎林师兄，在实验过程和论文写作中的帮助和指导；感谢我 的室友在日常生活和学习中的关心；感谢课题组的向律成，何叶明在我试验中付 出的辛勤劳动。 感谢同一个实验室贾彦博、网生科、柳丹、e j a z 、陈文荣、申屠佳丽、金晓 芬、卢玲丽、孟凡花、荆延德、晁岳恩、何万领，刘勇军，孙春燕，吴春勇，舒 钦红，张敏，李继光，朱志强，王凯，李宏，韦燕燕等同学营造了良好的研究气 氛和学习环境，给我研究生生涯留下了美好的回忆。感谢实验室朱凤珍、胡国相 和张素霞，何志国为实验设施作出的多方面服务：感谢杭州绿生生态有限公司的 王小钟及杨桂娥在实验材料及实验过程中所提供的帮助。 y a n g l a b 是一个团结进取的集体，我为能有这么多良师益友而高兴。孤山辩 论赛，同登天目山，定期的学术交流会，这些难忘的生活片断将伴随着长存的友 谊永远珍藏在我的记忆中。 最后，要感谢我的父母、妹妹，是他们的辛劳、支持和鼓励，使我顺利完成 了多年的学业，能够在未来的工作中对祖国和社会做出更大的贡献。 感谢所有给予我指导、帮助和支持的领导、老师和同学以及将要参加本论文 评阅和答辩的各位专家、教授在百忙中付出的辛勤工作! 感谢所有关心和支持我的人! 高冲2 0 0 8 年5 月于华家池畔 薏苡对富营养化水体中氮磷吸收去除效应及其影响 因子研究 中文摘要 水体富营养化是当今世界面临的一个重要问题，而造成水体富营养化的主要 原因就是水中的氮磷含量过高。许多研究已经表明利用一些大型植物富集氮、磷 是治理、调节和抑制湖泊富营养化的有效途径之一。本论文研究了一种粮药兼用 植物薏苡对富营养化水体中氮磷吸收去除效果及其环境影响因子，为实际应 用薏苡处理富营养化水体提供科学依据。取得的主要结果如下： 1 薏苡对氮磷的吸收动力学特征与水稻存在显著差异。薏苡吸收铵态氮、 稍态氮和磷的最大吸收速率分别为0 0 2 9 8 、0 0 3 0 2 、0 0 0 4 3 m m o l g - l f w l l r ， 米氏常数分别为0 2 0 8 0 、0 6 5 9 9 、0 0 3 0 8 m m o l l ；而水稻吸收铵态氮、硝态氮 和磷的最大吸收速率分别为0 0 2 6 6 、o 0 2 7 0 、0 0 0 2 3m m o l g - t f w h r 1 ，米氏常 数分别为0 3 3 9 1 、0 6 0 5 1 、0 0 5 1 5m m o l l 1 ，说明薏苡比水稻更能广泛适应在 不同浓度氨氮、磷和较高浓度硝态氮的水体环境。 2 利用室内模拟和野外大田试验研究了薏苡对富营养化水的净化效果。结 果发现，在室内模拟条件下，经过3 0 天的处理，薏苡对于水体中总氮的去除率 能够达到8 4 5 9 ，氨氮可以达到8 9 4 6 ，硝态氮达到8 2 6 6 ，对总磷、可溶性 磷的去除率分别为6 6 3 6 和5 1 0 9 ，c o d m 。的去除率为3 7 5 4 ，p h 也由8 f 2 5 降到了7 5 l ；大f f j 试验结果表明，薏苡对二级污水中氮磷和c o d c ，的去除都有 很好的效果。 3 采用模拟试验研究了p h 、温度和溶解氧对薏苡去除人工模拟富营养化水 中氮磷的影响。一组试验在保持不同温度下即i o 。c 、2 0 。c 、3 0 。c 进行；一组试 验每两天调节一次水体p h ，使其分别保持在4 、5 、6 、7 、8 、9 ；第三组试验分 别采用充气和不充气，以控制水中的溶解氧。结果发现，经过2 4 天的处理，温 度为3 0 c 时对总氮的去除率达到了6 7 0 6 ，氨氮的去除率达到6 8 7 4 ，硝态氮 达到了6 5 6 6 ，总磷也达到了5 7 ，5 2 ，都远远大于在i o 。c 和2 0 。c 条件下对氮 磷的去除率。在p h4 和p h5 条件下对总氮的去除率可达到7 7 7 5 和7 8 3 0 ， 总磷的去除率达到7 0 0 2 和7 3 5 2 ，高于其他的p h 条件。溶解氧对薏苡去除 水体中氮磷的效果的影响小于温度和p h ，但是充气条件下薏苡对水体中氮磷的 去除率仍要比不充气的高。这些结果表明，较低p h 、较高温度有和增加溶解氧 浓度有利于薏苡对水体氮磷的去除，该植物可作为夏秋季富营养化水体修复的候 选植物。 关键词：薏苡；富营养化；植物修复；氮磷；去除 a b s t r a c t w a t e re u t r o p h i c a t i o ni sas e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi nt h ew o r l d t h em a j o r f a c t o r sc a u s i n gw a t e re u t r o p h i c a t i o ni n c l u d el o a do fn i t r o g e n ( n ) a n dp h o s p h o r s ( p ) m a n yr e s e a r c h e sh a v ep r o v e dt h a tu s i n gs o m el a r g ep l a n t st or e m o v en i t r o g e na n d p h o s p h o r u si sa ne f f e c t i v ew a yt ot r e a t ，a d j u s ta n dc o n t r o lt h ee u t r o p h i c a t i o n t h e r e f o r e ，c o xl a c h r y m a j o b i l ，ak i n do fp l a n tc a l lb eu s e da sb o t hf o o ds u p p l i e s a n dc h i n e s em e d i c i n e ，w a ss e l e c t e dt os t u d yt h ep o s s i b i l i t yt op u n f ye u t r o p h i c a t e d w a t e r , a sw e l la st h ee f f e c t so fe n v i r o n m e n tf a c t o r ss u c ha sp h ，t e m p e r a t u r ea n d d i s s o l v e d o x y g e n o ni t sr e m o v ea b i l i t i e so f n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sf r o m e u t r o p h i c a t e dw a t e r t h er e s u l t so ft h i ss t u d y c o u l dp r o v i d es c i e n t i f i cb a s e sf o r c o n t r o l l i n gt h el a k ee u t r o p h i c a t i o n t h em a i nr e s u l t so b t a i n e dc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 o b v i o u sd i f f e r e n c e so ft h em a x i m u mr a t e so fa m m o n i u m ，n i t r a t ea n d p h o s p h o r u su p t a k ea sw e l la st h ek m v a l u eo fa b s o r p t i o nb e t w e e nc o i xa n dr i c ew a s o b s e r v e d t h em a x i m u mr a t eo fa m m o n i u m ，n i t r a t ea n dp h o s p h o r u su p t a k eb yc o x w e r e0 0 2 9 8 、0 0 3 0 2 、o 0 0 4 3 m m o l g 以f w h r 1 ，r e s p e c t i v e l y ；t h ek mv a l u eo ft h e n u t r i e n ta b s o r p t i o no fc o xw e r e0 2 0 8 0 、0 6 5 9 9 、0 0 3 0 8 m m o l l 1 h o w e v e r ，t h e m a x i m u mr a t eo fa m m o n i u m ，n i t r a t ea n dp h o s p h o r u su p t a k eb yr i c ew e r e0 0 2 6 6 、 0 0 2 7 0 、0 0 0 2 3m m o l g - 1 f w h r 1 ，r e s p e c t i v e l y ；t h ek mv a l u eo fa b s o r p t i o no f f i c e w e r e o 3 3 91 、o 6 0 51 、0 0 515m m o l l i ti n d i c a t e dt h a tc o i xi sm o r es u i t a b l ef o r i m p r o v ee u t r o p h i c a t e dw a t e rw i t hm o r ew i d e l yr a n g eo fn h 4 + a n dp h o s p h o r u s 2 t h ee f f e c t i v e n e s so fc o i xf o rp u r i f y i n ge u t r o p h i c a t e dw a t e rw a ss t u d i e dw i t h s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n df i e l de x p e r i m e n t t h er e s u l tf r o ms i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s h o w e dt h a tt h er e m o v er a t eo ft o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i u m ，n i t r a t e ，t o t a lp h o s p h o r u s ， d i s s o l v e dp h o s p h o r u sa n dc o d m nb yc o i xc a nr e a c h8 4 。5 9 ，8 9 4 6 ，8 2 。6 6 ， 6 6 3 6 ，51 0 9 ，3 7 5 4 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ep hl e v e lo ft h ew a t e rd e c r e a s e df r o m 8 2 5t o7 51 t h er e s u l to fc o n s t r u c t e dw e t l a n de x p e r i m e n ta c h i e v e dt h ea c c o r d a n t r e s u l t ，a n dt h er e m o v er a t eo fn i t r o g e n , p h o s p h o r u sa n dc o d e ff r o ms e c o n d a r y e f f i u e n tw a sa l s oi d e a l 3 t h er e m o v a la b i l i t i e so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o me u t r o p h i c a t e dw a t e rb y c o xw e r es t u d i e du n d e rd i f f e r e n tp h ，t e m p e r a t u r e sa n dd i s s o l v e do x y g e n i no n e e x p e r i m e n tl a c h r y m a - j o b i lw e r eg r o w n 。u n d e r1 0 * c ，2 0 c ，3 0 c ，r e s p e c t i v e l y , i n a n o t h e rs e to fe x p e r i m e n tt h ep l a n t sw e r et r e a t e dw i t hd i f f e r e n tp ho f4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，a n d 9 ，i nt h el a s te x p e r i m e n tt h ep l a n t sw e r eg r o w ni na e r a t i n gw a t e ra n dn o r m a lw a t e r f r o mt h et e m p e r a t u r ee x p e r i m e n tw ec a l ls e et h a tt h er e m o v a lr a t e so ft o t a ln i t r o g e n ， a m m o n i u m ，n i t r a t ea n dp h o s p h o r u sw e r er e s p e c t i v e l y6 7 0 6 ，6 8 7 4 ，6 5 6 6 ， 5 7 5 2 ，w h i c hw e r em u c hh i g h e rt h a nt h o s et r e a t e du n d e r 2 0 。ca n d1 0 c t h e r e s u l t sf r o mp he f f e c te x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo ft o t a ln i t r o g e n r e a c h e d7 7 7 5 a n d7 8 3 0 a n dt h a to ft o t a lp h o s p h o r u sr e a c h e dt o7 0 0 2 a n d 7 3 5 2 a tp h4a n d5 a n dt h er e m o v a lr a t e so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa to t h e rp h v a l u e sw e r el o w e r d i s s o l v e do x y g e nw a sn o ts oe f f i c i e n c ya sp ha n dt e m p e r a t u r ei n a f f e c t i n gr e m o v i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h e s e r e s u l t si n d i c a t et h a tm o r ee f f i c i e n t r e m o v a lo fna n dpb yc o i xl a c r y m a - j o bo c c u r r e da t r e l a t i v el o wp h ，h i 曲 t e m p e r a t u r e ，a n dh i g hd i s s o l v e do x y g e n t h e r e f o r e ，t h i sp l a n tc o u l d b eu s e df o r p h y t o r e m e d i a t i o no fe u t r o p h i cw a t e ra ts u m m e r a n da u t u m ns e a s o n s k e yw o r d s ：c o xl a c h r y m a j o b i l ；e u t r o p h i c a t i o n ；p h y t o r e m e d u a t i o n ；n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u s ；r e m o v a l 4 第一篇文献综述 第一篇文献综述 第一章水体富营养化及其修复技术 1 1 水体富营养化概述 水体富营养化是指氮、磷等营养物质大量进人水体所引起的二次污染现象。 主要表现为水体的溶解氧下降、透明度降低、水质恶化、鱼类及其它生物大量死 亡( 娄云，2 0 0 5 ) 。它不仅制约了湖泊资源的可利用性，而且直接影响人类的健 康生存与社会经济的持续发展( 陈英龙，2 0 0 1 ) 。 富营养化湖泊的概念是由n a u n a n n 于1 9 1 9 年提出来的，这一名词的出现是 与湖泊的养分型和演变研究有关，它是湖泊水体生长、发育、老化、消亡整个生 命史中必经的天然过程，其过程漫长，常常需要以地质年代或世纪来描述其进程。 现在，通常人们所研究的富营养化是是一个属于环境污染的范畴，是人为引起的 水体中营养物质突然的迅速增加并造成植物过量生长和整个水体生态平衡的改 变，从而造成危害的一种污染现象。 现在富营养化有范围扩大和进程加快的特征。长江中下游地区是湖泊比较集 中的地区，绝大多数湖泊为浅水湖泊，上世纪8 0 年代以前这里山清水秀，到9 0 年代大部分湖泊已经达到中富营养以上水平( 舒金华等，1 9 9 6 ，金相灿等，1 9 9 0 ) 。 根据2 0 0 4 年水质监测资料，在评价的5 0 个湖泊中，水质符合和优于i 类水的湖 泊有1 8 个，部分水体受到污染的1 3 个，水污染严重的1 9 个。对4 9 个湖泊的营 养状态进行评价，1 7 个湖泊处于中营养状态，3 2 个湖泊处于富营养状态。( 中国 水资源公报2 0 0 4 ) 1 2 水体富营养化的危害 1 2 1 恶化水源水质 富营养化主要是水中营养盐的增加，导致蓝藻等藻类的大量增加，这些藻类 的存在会消耗掉水中的溶解氧，导致水体缺氧、腐臭，对鱼虾等水生动物更是有 很大的危害。而且蓝藻死亡后，还会产生毒素，在富营养化水体中容易生长的铜 绿微藻，含有一种肝毒素，可以在鱼体内富集，人食用鱼后该毒素可转移至人体 第一篇文献综述 内，危害人体健康。2 0 0 7 年5 月下旬太湖藻类的大爆发，导致太湖水流域无锡 段严重缺水，水体富营养化水质恶化的一个典型的例子。另外，水中的氨氮在特 定的条件下会转化成亚硝酸盐，这是生成亚硝胺的前体( 谢有奎等，2 0 0 4 ) 。在 高的营养盐的条件下，浅水湖泊就会由于漂浮植物和某些鱼类的大量生长从而恶 化水体的水质，使水体变臭( s c h e f f e r ，2 0 0 1 ，v a n ，2 0 0 2 ，l a r sh e i n ，2 0 0 6 ) 。 男外富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过定 标准的水，也会中毒致病( 杜勤等，2 0 0 5 ) 由于水体的富营养化使水源的水质恶 化，从而为水的处理增加了难度，如果水处理的技术跟不上会对人类的健康产生 很大的影响。 1 2 2 影响水体的生态环境 水体富营养化以后，正常的生态平衡遭到了破坏，导致生态系统的稳定性和 多样性降低。水体富营养化以后，藻类大量生长铺满水面，使光不能投到水下， 影响水下的植物的光合作用，再加上藻类分解时消耗大量的氧气，使水中的氧气 含量降低，从而有影响了水生动物的生长j 富营养化能导致水生环境中动植物种 类组成变化，食物链变短、食物网简化、各主要生物群落的物种多样性下降。如 丹麦和英国1 0 0 年前沉水植物物种丰富，数量很多，近年调查表明沉水植物种类 明显下降，现在主要是浮叶眼子菜( p o t a m o g e t o n ) ( r i i se ta l ，2 0 0 1 ) 。 1 2 3 影响渔业和水产养殖 首先水体富营养化后藻类的大量生长导致水中溶解氧的大量减少，不利于鱼 类的生长。其次有些藻类在生长过程中或者死亡以后会释放出粘液物质从而会吸 附在水生动物的表面鳃上使它们窒息死亡，有些藻类分泌的有毒物质本身就可以 是水生动物死亡，从而影响水产养殖业的产量和质量。另外藻类的大量生长对捕 捞也会产生不利的影响，同时有些藻类分泌物会对加速捕捞船的腐蚀，从而增加 捕捞成本。 1 2 4 影响景观效应 洁净宽阔的水域是人们向往的地方，但是在富营养化的水体中藻类大量的生 长，水体表面犹如铺了一条绿毯，使人们看不到水面，影响了水体的景观，再加 上水中不断散发出的臭气，更加使游人避而远之，从而会影响当地的旅游收入， 6 第一篇文献综述 也会影响当地人们的生活质量。 1 3 导致湖泊富营养化的污染源 水体富营养化的主要原因就是营养物质的增加。一般认为主要是磷，其次是 氮，可能还是碳和微量元素或维生素等。这些营养的来源主要有陆源径流输入， 大气干湿沉降和底泥三个方面。陆源径流输入主要是城市生活污水，农业污染和 工业废水三方面的输入。在我国工业污水的排放是最主要的排放源，由于我国的 工业以前所未有的速度发展，我国工业企业的污水处理措施不够健全，2 0 0 4 年 全国污水排放总量6 9 3 亿吨，其中工业污水就占了2 3 。农业污染主要是施入化 肥和养殖废水。施入农罔的化肥，只有- d , 部分被植物吸收，据估计( g a oc ， e ta 1 ，1 9 9 9 ) ，在欧洲发达国家的地表水中，农业排磷所占的污染负荷比为 2 4 7 1 。农业生态系统的养分流失是水体中硝酸盐的主要来源，同时还是磷的 第二大来源例如植物能够利用的氮肥一般不会超过5 0 ，在少数情况下，未被利 用的氮肥可达到8 0 ( 李少英等，1 9 9 3 ) 。在我国滇池的入湖总磷中，农业面源磷 占2 8 ，而在南四潮则高达6 8 ( 杨文龙，1 9 9 9 ) 。由于现代生活方式的改变，城 市生活污水也成为水体富营养化的一个稳定的来源。城市生活污水中含有大量的 氮磷营养元素，而且由于城市人口的增加再超过了现有污水处理系统的处理能 力，大量没有经过处理的污水直接排放到自然水体中，使水体中的营养物质迅速 提高。大气干湿沉降也对富营养化有很大贡献。当水体的初级生产力受到营养元 素限制时，大气的干湿沉降就可能是最重要的氮源。研究表明富营养化淡水湖泊 自洋淀每年通过降雨进入湖水的氮、磷分别达到了0 2 3 m g l 和o 0 1 7 m e l ( 崔 秀丽，1 9 9 5 ) 。s h e n ( 2 0 0 3 ) 研究发现输入长江的无机氮通量中降水无机氮通量 占了6 2 3 ，是主要的无机氮来源。大气的湿沉降也是黄海西部某些海洋生物营 养物质的重要来源( 高原，1 9 9 7 ) 。底泥属于湖泊的内源，它是营养盐蓄积库， 在点源污染得到有效控制以后，底泥就成为水体污染的主要来源之一( 陈华林等， 2 0 0 2 ) 。而且外界影响因子如温度升高，p h 值偏离中性都会导致水体中磷的增加 从而加重富营养化水平( 蔡景波等，2 0 0 7 ) 。其他的环境问题比如全球变暖，由 于环境和气候的因素，也有可能会对水体富营养化造成间接的影响( e l m g r e n ， 2 0 0 1 ) 。 7 第一篇文献综述 1 4 水体富营养化的预防措施 1 4 1 控制排入水中的营养盐的量 大量的营养盐排入水体这是形成富营养化的最根本的原因，要想预防富营养 化的发生必须控制营养盐的输a 量( s m i t h ，1 9 9 9 ) 。首先要严格控制废水中氮磷的 含量，达标后方可排入水体。生活污水和工业废水中含有大量的营养元素，如果 未经处理或者处理不达标就排放到地表水体中必将极大的提高水体中营养盐的 含量，从而增加水体富营养化的风险。其次应该控制农村面源污染。氮肥和磷肥 的广泛施用，使氮和磷通过大气迁移、水体迁移等方式进入到水体，这是富营养 化水体中氮、磷等营养物质的又一重要来源。从1 9 5 0 1 9 9 0 年，农用化肥的全球 产量不断攀升，氮量由不足0 1 亿吨升到o 8 亿吨( 钱大富等，2 0 0 2 ) ，专家预计 到2 0 3 0 年将达到1 3 5 亿吨。据石化工业协会的报告，2 0 0 3 年我国全年磷肥产量 达9 5 0 万吨，仅次于美国，居世界前列。而我国的化肥利用率相对发达国家来说 相对较低，这样一来我国的氮磷流失更加的严重，因此我们应该不断的加大提高 肥料利用率的研究力度，以期能够减少化肥用量同时保证农产品供应甚至提高产 量，这样就能够有效的防治水体富营养化。再次，提倡合理的生活方式。在生活 中个人注意自己的生活方式同样也会为防治富营养化做主贡献。在平时应该减少 含磷洗涤剂的使用，还可以重复利用污水尽量减少污水的量。 1 4 2 维持水体生态系统的完整性和稳定性 要防止水体的富营养化除了要控制外源输入的营养盐外还要提高水体本身 抗富营养化的能力。物种单一食物链简单的生态系统比较容易受到破坏，因此要 促使水体中多种物种的共同生长，在每个营养级水平都要有多个物种，这样就有 利于水体生态系统在受到冲击是具有稳定性。虽然水生生态系统的恢复有时可以 在自然条件下进行，但一般还是通过人工干预的方式来实现的，通常包括以下的 主要过程：重建干扰前的物理环境条件、调节水和土壤环境的化学条件、减轻生 态系统的环境压力( 减少营养盐或污染物的负荷) 、原位处理采取生物修复 ( h i o r e m e d i a t i o n ) 或生物调控( b i o m a n i p u l a t i o n ) 的措施，包括重新引进已经消失的 土著动物、植物区系、尽可能地保护水生生态系统中尚未退化的组成部分等( 秦 伯强等，2 0 0 5 ) 。 第一篇文献综述 1 5 富营养化的治理方法 水环境修复的主要技术大体分为物理法、化学法和生物一生态法三类。物理 法主要是底泥疏浚，引清冲污，机械除藻等。物理的方法的工程都是比较浩大的， 耗费的人力物力比较多，而其只适用与面积比较小的水体范围，对于较大的水体 难以实施。化学法有：化学除藻，絮凝沉淀，重金属固定等。化学方法主要是采 用化学物质对富营养物质进行去除但是并没有彻底根除，在合适的条件下营养元 素在微生物或者其他生物的作用下可能重新被释放到水体中，从而存在一定的风 险。生物一生态法主要有，投菌法，植被修复，塘技术，湿地修复。生物生态修 复是新型的水体修复的方法，有很大的发展前景。 1 。5 1 物理方法 1 5 1 1 底泥疏浚 许多人认为底泥是富营养化水体的内源污染源，当水体的环境发生变化是会 重新释放出营养物质对水体造成污染。我国在2 0 0 2 年对五里湖区底泥进行清淤， 清淤面积5 6 0k m 2 ，清淤总量2 4 0 1 万m 3 ，平均清淤厚度o 4 3c m 。沈亦龙( 2 0 0 5 ) 等对清淤前后湖区水质、水生生物及底泥成分进行分析，结果表明：五里湖底泥 疏浚后，湖区水质发生好转，高锰酸钾指数和总磷含量呈逐渐下降趋势，下降幅 度分别达到1 8 和4 0 ，透明度也由清淤前3 5c l t i 增加到4 5c m 左右，表层底 泥重金属和有机污染程度明显降低。但是很多的研究表明，利用底泥疏浚的方式 治理富营养化水体不是一种很好的方式。由于藻类主要在水体上层繁殖和下层分 解，上下混合交换、自我循环是富营养藻型湖泊的基本模式。疏浚底泥无法改变 这种模式并对水华形成起控制作用，减少外污染源、改善生态结构是关键途径。 疏浚底泥作为一种水利和土木工程措旌，可以改善航道，扩大储水量( 但一般解决 不了水质型缺水) ，去除( 转移) 重余属污染，并在一段时期内减少营养盐溶液释放， 但其时效有限，在以月、季以上时段后，疏浚底泥的作用已不明显。疏浚底泥不是 控制湖泊富营养化的充要条件( 濮培民等，2 0 0 0 ) 。疏浚对水质影响还可从荷兰 “绿色心脏地区g e e r p l a s 湖和n i e u w k o o p 湖的对比中看出。g e e r p l a s 湖除了 将外污染源输入p 负荷从0 3 8 9 m 之a - 1 减少到0 1 3 9 m 乏a 。外，还进行了底 泥疏浚n i e u w k o o p 湖则未疏浚，只是将外污染源p 负荷由0 9 2 9 m 之a 1 减少到 9 第一篇文献综述 0 2 2 9 m 。a - 1 结果均导致了湖泊水体内磷的削减，二者效果基本相同( v a n d e r e ta 1 ，1 9 9 2 ) 。另外利用底泥疏浚进行富营养化治理耗资巨大，如滇池在1 9 9 8 1 9 9 9 年期间完成的滇池草海疏浚工程，该工程涉及草海水域面积2 8 8 平方公里，疏 挖底泥量就达2 9 7 0 万立方米，疏浚总投资就高达1 4 l 亿元( 郭培章等，2 0 0 3 ) 。 1 5 1 2 引水冲洗 引水冲洗是快速治理富营养化水体的一种方法，这种方法主要是将其他营养 水平较低的水体中的水引入到富营养化水体中，从而稀释水体中的营养盐，一般 认为，每天冲入湖泊体积l o 一1 5 的水。因为这种方法设备较简单，效果又快， 所以许多的小型的湖泊都用这种方法治理其富营养化，如西湖引钱塘江水冲洗， 但是对于大型的湖泊来说，需水量比较大，所用能耗也多，采用这种方式不太现 实。引水冲洗虽然能够暂时解决藻类问题，但是从长期的角度来看，并不能从根 本上解决问题。 1 5 2 化学方法 化学方法和物理方法一样都是能够比较快速的收到效果的控制水体富营养 化的措施。化学方法治理富营养化水体主要是钝化营养盐和化学除藻两种措施。 为了控制营养盐，直接向湖泊入水口或者直接向水中洒化学制剂，将水中的营养 盐或是絮凝或是直接沉淀从而减少湖水中的可溶性的营养盐，以控制富营养化。 污水处理一般采用不同的絮凝剂和沉淀，如含铁，铝或者钙较高的化合物，让他 们与磷反应，然后形成磷酸盐沉淀，从而影响到植物的有效性( j o k i n e n ，1 9 9 0 ；c o x e ta 1 ，1 9 9 7 ) 和i 磷的流失( h u a n ga n ds h e n k e r ，2 0 0 4 ) 。1 9 9 1 年g r e e n 湖投放了1 8 1t 明矾和7 6 5t 铝酸钠控制湖水营养盐，湖水总铝剂量达8 6m g l ，碱度( c a c 0 3 ) 达2 8m g l ，随后湖水透明度由1 9r n 上升到6 1m ，总磷亦有明显下降( j a c o b y ， 1 9 9 4 ) 。藻类的大爆发是水体富营养化的最直观的标志，为了能够在短时间内达 到抑制藻类生长，防止大量生长后藻类的后续影响，人们往往采取化学杀藻的方 法。化学杀藻一般是利用化学制剂如硫酸铜或其他除草剂等，直接洒入已经发生 藻类爆发的水中，杀死藻类然后打捞。1 9 9 9 年昆明世博会期间，采用了生化、 微生物和化学的“综合抑藻法”，在滇池草海进行了大面积开放性生产试验，湖 水透明度明显提高，藻类数量显著降低，水质感观和景观等均好于往年( 王国祥 1 0 第一篇文献综述 等，2 0 0 2 ) 。虽然化学方法处理效果比较明显而且时间短，但是长期使用化学制 剂可能会对水生生物的生长和生存产生不利的影响从而影响湖泊的生态健康。 1 5 3 生物方法 1 5 3 1 水生动物控制 s h a p i r o 与他的同事分析了湖泊水体食物网( 链) 结构对生念系统初级生产力 的重要影响之后，认识到食物网( 链) 对湖泊富营养化管理的重要性，提出通过增 加浮游动物种群，以提高对藻类的捕食强度，控制藻类及其“水华( s h a p i r o ，1 9 7 5 ) 。 此后的许多学者也对水生动物控制水体富营养化进行了大量的研究和试验。石岩 等( 1 9 9 8 ) 报导河蚌、螺能直接吸收水体矿物元素，甚至吸收、富集一些重金属 离子，可以有效地降低水体n ，p 等营养盐，对水体起到净化作用。武汉东湖的 蓝藻“水华”肆虐多年，自1 9 8 5 年起突然消失后，至今未见复发，有人认为鲢 鳙鱼的大量放养是“水华”消失的决定因素( 刘建康，1 9 9 9 ) 。食物调控的影响 局限于浮游植物结构的改变而不能降低其生物量，对于食物调控能否用作富营养 控制的工具，还没有足够的证据得出可靠的结论。因此，生物调控技术也有待发 展和完善。 1 5 3 2 微生物修复 利用微生物对水体富营养化进行控制可以通过向水体中直接投加微生物也 可以通过给微生物提供适宜的环境，促进某种微生物的生长以起到修复富营养化 水的效果。在环境中本来就存在着大量的土著微生物，这些微生物在水体的净化 中起着重要的作用，不过在环境净化过程中速度非常慢。许多人在研究过程中发 现某些微生物对环境的净化效果较好，就通过筛选制成菌剂，用于富营养化水体 的治理。e m 是当前研究比较多的一种组合微生物制剂，它含有1 0 个属8 0 多种 微生物，李捍东等( 2 0 0 0 ) 利用e m 对广西南宁某污水塘进行了示范性的水体净 化试验，并对水体p h 值、水温等环境因素对e m 影响，以及e m 技术对池塘水 体各项主要污染指标的去除性能进行了研究。结果表明，b o d 5 的去除率达 7 0 7 ，c o d c r 去除率在6 0 以上，对氮、磷的转化去除可达7 5 以上，水质净 化达到了良好的效果。李正魁等( 2 0 0 1 ) 应用固定化氮循环细菌技术( i m m o b i l i z e d n i t r o g e nc y c l i n gb a c t e r i a ，简称1 n c b ) 在冬秋季对红枫湖进行了精华试验，湖水 l l 第一篇文献综述 经固定化氮循环细菌处理以后，总氮下降7 2 ，铵氮下降了8 5 6 ，在冬季低 温( 7 ) 条件下其对氮的去除能力仍然很高，总氮和铵氮去除率分别达到了5 5 6 ，5 8 9 。 微生物的生存都有自己适宜的条件，因此在土著微生物生长缓慢的情况下， 还可以通过加入生物激活剂促进其大量的生长繁殖从而达到净化水体的效果。生 物激活剂中般含有多种可降解污染物的酶，以及可以促进微生物生长的有机 酸、微量元素、维生素等成分。这些物质的加入，可以明显提高土著微生物的活 性和加速生物的演替，并直接依靠酶的作用和微生物的生长代谢达到污染物降解 的目的( 耿亮，2 0 0 5 ) 。有些人还通过加入吸附物质，为微生物提供生长的空间， 从而促进微生物的生长，对净化污水起到良好的效果( y u f a n g ，2 0 0 5 ) 。 1 5 3 3 植物修复 植物修复是利用重建水体中植物群落对富营养化水体进行治理的手段，它主 要是利用植物本身生长过程中吸收营养元素以及植物为微生物提供生存环境来 实现对富营养化水体的净化可以采用人工浮床栽培或者是直接种植水生植物以 达到修复的效果，利用种植植物去除水中的氮磷，是一种非常理想的手段( l i ， 2 0 0 7 ) 近年来利用植物修复富营养化水，尤其是在脱氮除磷的方面的研究取得了 很大的进展( 袁东海等，2 0 0 4 ，宋志文等，2 0 0 5 ，蒋鑫焱等，2 0 0 6 ) 。 1 2 第一篇文献综述 第二章植物修复的原理与技术 植物是生态系统中的生产者，在水中可以发挥多种生态功能，首先植物的生 长要吸收大量的营养元素，从而能够降低水中的营养盐水平，以控制水中的营养 盐水平，其次植物的根系等没入水中的部分可以有效的吸附水中的悬浮颗粒物质 从而增加水体的透明度，有利于沉水植物和其它利用光的生物获得更多的能量， 从而维持生态系统的稳定，还有的植物可以分泌克藻物质从而控制藻类的生长维 持水的活力，植物的生长还为水生动物提供产卵和栖息的场所，还可以为微生物 提供生长的载体以利于生态系统中能量和物质的f 常运行。p a l a ( 2 0 0 4 ) 等认为 利用生物去除污水中的氮磷是一种经济有效的方式。 2 1 植物修复的作用机制 植物修复技术是指利用绿色植物及其根际的土著微生物共同作用以清除环 境污染物的一种新的原位治理技术，其机理主要是利用植物及根际土著微生物的 代谢活动来吸收、积累或降解转化环境中的污染物( 唐志坚等，2 0 0 3 ) 。 2 1 1 植物对氮磷的直接吸收 植物要正常生长必须吸收氮、磷等营养元素转化为自身结构的组成物质，而 氮磷是藻类等浮游生物生长的最主要的限制因子，水体中氮、磷的含量直接决定 了藻类的繁殖速率。与藻类相比，氮、磷在植物体内的储存更加稳定，较容易通 过人工收获将其固定的氮、磷带出水体( 宋海亮等，2 0 0 4 ) 。植物吸收氮、磷的 特性与植物自身有关。不同的植物种类以及植物体不同的器官其吸收能力都不相 同，且随生长期而变化。 2 1 2 促进反硝化作用 人工湿地去除水体中氮的机制首先是将有机氮氧化为氨态氮，再经过硝化细 菌的硝化作用将氨态氮转化为硝酸盐氮，再在厌氧条件下由反硝化细菌将硝酸盐 氮反硝化为氮气最终达到除氮的目的( s a r a ，2 0 0 1 ) 。植物根部所在的底质周围 通常处于缺氧状态。湿地的挺水植物能将空气传输到根部周围，使湿地植物能在 缺氧条件下生长，为反硝化创造了适宜的氧环境，同时植物还为反硝化作用提供 第一篇文献综述 充足的碳源( 黄亚等，2 0 0 5 ) 。 2 1 3 植物与微生物的联合作用 微生物是净化水的重要成员，它们在水中具有相当大的数量而且种类也十分 的丰富，在污染水体的净化中起着巨大的作用。微生物利用有机质作为碳源，将 其转化为自身营养物质同时将大分子的物质转化为小分子的物质有利于植物的 利用。水生植物的根系形成一个巨大的网络结构，并在植物根系附近形成好氧、 缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环 境。张鸿( 1 9 9 9 ) 等研究了凤跟莲、水芹两种人工湿地对武汉东湖污水中氮、磷 净化率与介质中硝化细菌、磷细菌的数量分布关系，结果表明：有植物组水体、 底沙和根面的硝化细菌、磷细菌、反硝化细菌的数量高于无植物组：有植物组的 根面微生物数量高于介质。实验中水芹、风眼莲湿地中的硝化、反硝化细菌数量 均高于对照，说明植物的存在有利于硝化、反硝化细菌的生存。 2 1 4 根系的吸附和促进沉降 植物的根系相当发达对颗粒态氮、磷具有吸附、截留和促进沉降等作用。另 外，植物的根系与水体接触面积很大，能形成一道密集的过滤层当水流经过时， 不溶性胶体会被根系吸附或截留。与此同时，粘附于根系的细菌在进入内源呼吸 阶段后会发生凝聚，把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来。而且植物的分 泌物中存在某些物质也可以促进植物根系对悬浮态营养物质的吸附，暂时的吸附 可以在很短的时间里降低水中的营养水平。王国祥( 1 9 9 8 ) 等在五晕湖进行的试 验发现2 8 天内单位鲜重伊乐藻上吸附的固体干物质量达2 8 7 1 9 k g ，干物质中 t n 、r i p 的平均含量分别为0 6 4 7 ，o 3 1 1 。有些植物根系分泌的物质还可能与 磷酸根等结合从而沉降营养盐。 除此之外，水中还有各种酶类在净化水的过程中起着重要的作用。磷酸酶能 酶促磷酸盐的水解并释放出正磷酸盐；蛋白酶能酶解蛋白质和肽类等大分子氮化 物生成氨基酸；脲酶是一种酰胺酶，能酶促有机质分子中肽键的水解。 2 2 修复植物的选择 现在利用植物修复富营养化水体主要是利用水生植物和浮床栽培陆生植物 1 4 第一篇文献综述 两种方法。利用水生植物修复水体是研究比较早的修复方式，这些植物或者是漂 浮在水面上或者是沉在水中或者是根在底泥而植株挺立出水面，由于它们本来就 生活在水中，因此它们能够很好的在水中生长，在水体的净化方面几乎全植物体 都发挥出作用。利用水生植物处理富营养化水的研究也取得很大的进展，如芦苇、 茭白、香蒲、风眼莲、菱、水龙等都有应用的水体修复的潜力。( 李睿华等，2 0 0 6 ， 王国祥等，1 9 9 8 ，张荣社等，2 0 0 5 ，李文朝，1 9 9 7 ，王超等，2 0 0 7 ) 7 但是由于水生植物一般很难利用，只有少数的几种可以作为动物饲料和工艺 品编制外其他方面很少见有利用，而且水生植物的含水量比较大，用于规模化生 产的话需要耗费大量的能量来烘干，这也是水生植物不能大量资源化利用的原 因。 除利用水生植物外还可以根据当地的实际来选用陆生经济作物净化富营养 化水体。一般陆生植物，由于其生长速率快，经济价值高等特点，已被大量的用水水 体的修复研究，宋样甫等( 1 9 9 8 ) 进行的浮床水稻试验表明，水稻在富营养化水 体表面生长、发育良好，同时对水体中氮、磷营养物质有十分显著的去除效果。 陆生植物对水体的修复一