（环境科学专业论文）水塘湿地系统对氮磷的截留净化效应研究.pdf

河海人学硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h e r ei sal o to ft h er e s e a r c ht h a ts t u d i e so nc o n t r o l l i n gp o l l u t i o n s o u r c ea n dt r e a t i n g p o l l u t e dl a k e a n d i ti s1 i t t l et h a ts t u d i e so nt h e p o l l u t a n to f i n t e r c e p t i n g 、t r a n s p o r t i n ga n dt r a n s f o r m i n g f o rt h eh o l l o ws t r u c t u r eo ft h ec o n j u n c t i o n o ft h ef a r m l a n d 一一l a k e s y s t e m ( s u c ha sp o n d 、d i t c h ) t h eh o l l o wb e l tn o to n l yc a n a d s o r ba n di n t e r c e p tn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t ，b u ta l s oc a n p u r i f yw a t e rq u a l i t v 。t h e m a i na i mo ft h i st h e s i si st or e s e a r c ht h et r a n s p o r t i n gr e g u l a t i o na n dt h er e t e n t i o n e f f e c to fna n dpf o rt h ed i f f e r e n td i m e n s i o n sp o n dw e t l a n ds y s t e m t h em a i nm e t h o d so ft h i st h e s i si n c l u d et h e 丘e l di n q u i s i t i o n o b s e r v a t i o no nt h es p o t c h e m i c a la n a l y s i sa n dt h et h e o r i e sa n a l y s i sa n dr e s e a r c h t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) i n v e s t i g a t et h eb i o l o g yc o m m u n i t y o ft h ep o n dw e t l a n d s y s t e mi nt h ec e r t a i ns c o p e ， a n d a n a l y s ev a r i e t yr e g u l a t i o n o ft h e p o n d w e t l a n d s y s t e m i n t h ed i f f e r e n t p e r i o d ；( 2 ) c o m p u t et h eg r o s so f na n dp e n t e r i n gt h ep o n d w i t ht h er a i n f a l lu n d e rt h e d i 虢r e n tp e r i p h e r i cp l a n t si nt h ed i f i e r e n tp e r i o d a n dt h eq u a n t i t yo fna n dpr e t e n t e d i nt h eu n i ta r e a ；( 3 ) c o m p u t et h eg r o s so fna n dpr e t e n t e db yt h ep o n dw e t l a n ds y s t e m w i t ht h er a i n f a 儿i nt h ed i f f e r e n tp e r i o d a n da n a l y s ev a r i e t yr e g u l a t i o no fna n dpi n t h ep o n dw e t l a n ds y s t e m ；( 钔a n a l y s et h er e l a t i o nb e t w e e nt n 、n h + 4 一n 、n o 一，一n a n dn o 。，一ni nt h ep o n dw e t l a n ds y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 1t h ed i f i f e r e n td i m e n s i o n sp o n dw e t l a n ds y s t e m sr e t e n t i o n e f f e c to fna n dpr e l a t e st on o to n l yi t s e l fc u b a g ea n dt h ea b i l i t yo fp u r i f i c a t i o no f i t s e l f , b u ta l s oi t sc h a r a c t e r i s t i co ft h ep l a c ea n di t sc a t c h m e n t sa r e a ；( 2 ) i nt h ep e r i o d o fl i t t l er a i n f a l l b e c a u s et h ew a t e rl e v e li np o n di sl o w e r , t h em o s to fna n dpi s i n t e r c e p t e da f t e ri n p u tt op o n dw e t l a n dw i t hr a i nr u n o i f , a n do n l yl i t t l em n o f fp o n d e n t e r i n gt h er i v e r sa n d l a k e s 。t h ea b u n d a n tr a i n f a l lp e r i o d ( a ta p r i l - j u l yg e n e r n l l y ) i s t i m et oa p p l yf e r t i l i z e r s ot h eq u a n t i t yo fna n dpi sm u c ht h a ti n p u tt op o n dw e t l a n d w i t hr a i n r u n o f f a l t h o u g ht h ew a t e rl e v e lo ft h ep o n di sh i g h e ra n dt h er e t e n t i o n a b i l i t yf o rt h er a i nr u n o f fd r o p ，t h ep u r i f y i n ga b i l i t yo ft h ep o n d - w e t l a n ds y s t e mi s v e r ys t r o n g i t sm a i np e r f o r m a n c ei sc u t t i n gd o w nt h ed e n s i t yo ft h en o u r i s h m e n t ( s u c ha sn a n dpe t c ) i nt h es h o r tt i m e ，a n di m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y ；( 3 ) i nt h ep o n d w e t l a n ds y s t e mt h ep u r i f y h a ge f f e c to ft h ena n dpi sc l o s e l yr e l a t e dt os e a s o n ， h y d r o p h y t e s ，d e p t ho f w a t e ra n dt h eo v e r l a yd e g r e eo fh y d r o p h y t e sf a c t se t c k e y w o r d s ：p o n dw e t l a n d ；n i t r o g e n ；p h o s p h o r u s ；r e t e n t i o n ；p u r i f i c a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括f l j a ) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 年月日 河海大学硕上论文 1 绪论 1 1 本文研究的背景及方向 随着人类对工业废水和城市生活污水等点源污染的治理能力不断提高，目前 各类非点源污染所造成的水环境质量恶化问题日益显得突出。世界上许多国家和 地区的研究结果已证实非点源污染是导致水环境质量恶化的主要原因，而非点源 污染物中，又以农业非点源污染占有最大的份额。美国的非点源污染占总污染量 的2 3 ，其中农业非点源污染的贡献率为7 5 左右。据调查全世界每年大约有 3 0 0 - - 4 0 0 ；b - 吨p 2 0 5 从土壤迁移到水体中【2 i ，美国每年由化肥和土壤进入水体中的 磷达0 4 5 亿公斤左右 3 j ，非点源污染已导致美i n 5 7 - 6 4 的江河湖泊富营养化”。 在荷兰，来自农田的氮、磷的负荷分别占6 0 和5 0 左右【“。我国流域非点源氮 素对地表水的污染负荷高达2 5 5 x 1 0 4 t a ，占氮素化肥施用量的1 6 8 1 5 i ，叫二五” 期间，农业非点源氮量占入湖总氮量的7 2 一7 5 t 6 1 。金湘灿等【7 在我国的2 2 个湖 泊调查表明，除1 个属贫营养化外，其余6 3 3 的湖泊是富营养化湖，所带来的危 害及经济损失更是日益严重，如位于巢湖的合肥水厂的取水口，因蓝藻堵塞己几 易其地，损失近亿元；太湖梅梁湾1 9 9 0 年夏天蓝藻大暴发，堵塞了水厂的取水口， 因供水不足迫使无锡市百余家工厂停产、半停产，直接经济损失1 3 亿元，还造 成了居民生活用水供应困难，出现了住在湖边无水喝的尴尬境地；近2 0 年来，由 于昆明地区人口剧增大量有机废弃物无节制的排入湖体，使得滇池富营养化严 重，直接影响到滇池旅游功能的发挥，一期治理工程虽耗资4 0 亿，可是仍未见明 显效果。而引起这些湖泊富营养化的主要原因便是农业生态环境中n 、p 的非点 源输出，其污染负荷d i n s o 左右 6 l 【8 i 9 1 。 具体以太湖流域为例，太湖流域降水丰富，水网发达，是我国最早的农业开 发区之一，区内人口密集，经济发达，土地利用集约，农业投入产出水平均居全 国前列l 1 。2 0 世纪7 0 年代以来，化肥用量的持续增加，不仅使化肥的边际效应 不断下降，造成资源的浪费，还对区域环境质量构成严重威胁。太湖的主要污染 问题是湖水营养等级的不断升高，而水体富营养化会引起水生态系统的水质恶 化、景观破坏、水生生物生产力提高、透明度下降、沉积速度加大、厌氧程度提 高、生物多样性下降和优势物种改变等，导致供水、水利、航运、养殖、旅游、 河海大学硕士论文 景观、自然资源和生态系统结构等方面的问题，对人类健康和国家的经济和社会 的发展带来严重的不利影响。而湖水中营养盐的富集又与农业活动密切相关因 此，区内农田养分流失对水环境质量的影响早已引起各方关注，对农业非点源污 染的调查、监测和评价工作“六五”期阃就已开始。马立珊等洲”1 曾利用小区和大 田试验估算了区内水田和旱地系统的氮、磷排放量，得出在降水量接近j 下常年份 的1 9 8 7 年，太湖流域农田氮的总排放量为3 3 7 1 0 4 t ，水田排水和旱地地表径流中 单位面积的氮素平均负荷量分别为5 4 3k g h m 2 和1 1 8 k g h m z ；磷的总排放量为 4 0 4 t ，单位面积农田排水中的磷素平均负荷量为2 3 9 9 h m 2 。张大弟等【9 1 在上海郊 区测算了几种地表径流中的污染负荷，其中水田和旱地单位面积的总氮负荷量分 别为1 0 2 - 1 4 7 k g h m 2 和9 肚1 2 4 k g h m 2 ，总磷负荷量分别为1 6 5 - 2 3 7 k g h m 2 和 1 5 4 2 2 1 k g h m 2 。此外，近年来还有一些文献肘区内农业非点源污染的负荷作了 估算，陶思明【12 】估计化肥氮的流失占流域内总氮排放量的3 2 ，范成新等f 6 】则认 为农业面源氮的入湖量占入湖总量的7 2 7 5 。由上可见，对于农业非点源污 染的负荷，不同研究者由于所用研究方法和实验条件的不同所得的结果有较大差 别，但有一点可以肯定，那就是在未来相当长的时间内区内农业非点源污染的负 荷量将保持持续上升的势头，水体的富营养化程度可能会越来越严重。 国外学者自二十世纪六十年代就开始重视湖泊富营养化的治理研究及生态 修复工作，我国的相应研究起步较晚，在二十世纪八十年代末期才开展湖泊富营 养化研究，而这些研究侧重于入湖点源污染的控制以及湖泊自身富营养化机理类 的研究。近些年来，我国的一些学者丌始对非点源污染的来源及负荷进行了较深 入地分析，并对其发生的机理和控制措施进行了研究。以上的研究主要是集中在 污染源控制和湖泊水体本身的污染治理等方面，而对农田一湖泊系统的连接区域 的洼陷结构( 水塘湿地、沟、渠等) 的截污效果以及输移转化过程等方面的研究 很少，而这一地带不仅可以吸附和转移来自面源的污染物质，改善水质，而且可 以截留固体颗粒物，减少水体中的颗粒物和沉降率。因此，对农田一湖泊系统的 连接区域的洼陷结构( 水塘湿地、沟、渠等) 的截污效果以及污染物输移转化过 程等方面的研究是很有科学价值的。 本论文以国家“9 7 3 ”重大基础研究项目“入湖小流域生态系统特征及水网 区生源要素输移过程研究”为背景，拟研究在不同尺度条件下水塘湿地系统中氮、 2 河海夫学硕士论文 磷输移规律及截留效应，从而为湖泊富营养化控制以及生态修复提供科学依据。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 水体富营养化治理的研究现状 水体富营养化治理已成为当今世界性难题。2 0 世纪6 0 年代以来各国先后对 其进行了大量研究，并提出了相应的对策、措施，归纳起来主要包括： ( 1 1 引水净化法 主要是利用工程调水，来对污染的水体进行稀释，短时f a j 内就可达到相应的 水质标准。但该法有水源不足、修筑引水渠道，工程造价高等问题，沿途污染也 难以防止。一时不易实现。此外，还有可能导致水域生态系统的改变。因此，此 法经常作为一种辅助方法。我国杭州西湖采用引水净化法得到了较好的效果。 ( 2 ) 底泥疏浚措施 疏浚技术是疏浚效果好坏的关键，主要集中在发展轻质疏浚材料，配合科学 的疏浚方式，使疏浚过程对水体的扰动达到最小。从最早的人工挖泥到现在的精 确水下吸泥，疏浚过程对环境的影响诈越来越小。s h e p s i sv l a d i m i r 等【1 3 】人采用 轻质疏浚材料，将淤泥吸到轻质软管中，能有效防止疏浚过程中对底泥的扰动而 造成的二次污染。疏浚在很多时候是一种必需的选择，如运河、海港、航道的清 淤，疏浚后淤泥的处理则是环境保护的一个难题。疏浚污泥以其量大、污染物成 分复杂、含水率高而处理困难。目前国内由于经费的限制，多采用农f = 开施用和填 埋处理，污泥的利用价值低，处理不彻底，又极易造成二次污染。因此，陈华林 等【1 4 】建议采用物化或生物处理力一法加强对疏浚污泥的处理力度，先使其达无 害化，然后用作建筑材料或路基材料，以代替粘土。一方面可节省粘土的用量， 减少对土地资源的破坏，另一方面又充分利用了污泥，减少了处置费用，节约用 地，一举多得。而且建筑材料需求量大，完全有可能大量消纳疏浚污泥，将疏浚 污泥变废为宝。例如，瑞典的t r u m m e n 湖通过疏浚使湖水的磷含量减少了9 0 ， 平均生物量从7 5 m g l 减少至1 0 m g l 1 1 5 】；我国滇池疏浚一期工程已成功完成， 疏浚污染底泥3 7 7 x 1 0 6 m 3 ，去除总氮3 9 6 0 0 t ，总磷7 9 0 0 t ，清除了大量潜在内污 河海人学颀十论文 染源 1 6 】。 ( 3 ) 化学净化措旄 化学净化法，一种是采用杀藻剂控制水中藻类的繁殖，另一种是在水体中添 加其它类化学物质来净化水体。 藻类不仅引起湖内生态系统发生变化，而且藻本身会产生藻腥、嗅重等现象， 特别是有些藻类能释放毒素。常规混凝列铁盐、铝盐对除藻毒索作用有限，强化 混凝对藻类去除逐较高。有机杀藻剂、铜赫、氯化铜、硫酸铜、商锰酸钾等都有 较好的杀藻效果，但铜离子有毒，而且硫酸铜能使藻毒素从藻细胞内释放人水中。 另外，在水源水体中施用杀藻剂后，死藻仍留在水体，必须连续或间歇加注药物， 因此耗药量大，且费时费力，应用并不是十分普遍。在抑制磷的释放方面，用 f e c a ( n 0 3 ) 2 将磷固定在底泥中等方法。这些方法在一定程度上可净化湖水随着 湖水污染的日益严重，人们加紧了开展0 3 、二氧化氯等新型消毒剂的应用研究 工作。这些消毒剂在杀死病微生物和藻类、去除色嗅及降低卤代烃方面较液氯消 毒剂有明显的优点【m 。周霖等 1 8 】在1 9 9 8 年5 月至6 月在云南省昆明市滇池外海 及草海，采用b c 一6 5 5 杀藻剂进行了现场杀藻试验。结果表明，在藻类繁殖最严 重的区域投加杀藻剂6 m g l 时杀藻率达7 8 以上；投加量1 5 m g l 时杀藻率达 9 0 以上；用絮凝剂除去部燃后，只需投加3 m g l ，杀藻率即可达到嗍以上。 为了控制水体营养盐，在湖泊入水口直接添加化学药品或向湖水中直接投撤 化学药品以钝化、沉淀湖水中的营养盐( 主要是磷) 。1 9 9 1 年g r e e n 湖投放了 1 8 1 t 明矾和7 6 5 t 铝酸钠控制湖水营养盐，湖水总铝剂量达8 6 m g l ，碱度( c a c 0 3 ) 达2 8 m t g l ，随后湖水透明度由1 9 m 上升到6 1 m ，总磷亦有明显下降。对于深 水湖泊，用铁盐、铝盐、石灰等使磷沉积到湖底或减少磷的释放，有时能削减湖 水的磷负荷，然而对于浅水湖泊，效果往往难以预测。从生态毒理学角度看长 期使用化学药品对生态系统总是不安全的f 1 9 】。 ( 4 1 生物净化措施 微生物净化法 微生物净化法有生物膜法、投菌法以及曝气法等。 生物膜法是指用天然材料( 如卵石) 、合成材料( 如纤维) 为载体，在其表面形 4 河海大学硕士论文 成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利 于加强对污染物的降解作用。其反应过程是：( i ) 基质向生物膜表面扩散；( i i ) 在生物膜内部扩散；( ) 微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；( ) 代谢生 成物排出生物膜。生物膜法具有较高的处理效率。它的有机负荷较高，接触停留 时间短，减少占地面积，节省投资。此外，运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流 问题，且耐冲击负荷。主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等 生物膜法对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。日本、韩国等都有对 江河大水体修复的工程实例。例如，位于日本江户川支流坂川古崎净化场，是采 用此法对河道大水体进行修复的典型工程，1 9 9 3 年投入运行至今，河道的微污 染水体的水质有了明显改善【2 0 1 。 投菌法是直接向污染水体中接入外源的污染降解菌，然后利用投加的微生物 唤醒或激活水体中原本存在的可以自净的但被抑制而不能发挥其功效的微生物， 并通过它们的迅速增殖，强在力地钳制有害微生物的生长和活动，从而消除水域 中的有机污染及水体的富营养化，消除水体的黑臭，而且还能对底泥起到一定的 硝化作用。李雪梅等 2 1 1 利用有效微生物群菌剂修复湖泊富营养化，在华南植物 园已重度富营养化的人工湖投加多糖有效微生物群菌剂，从投菌之日起经2 5 个 月，湖水透明度提高了4 3 3 ，总氮下降6 0 2 ，总磷下降9 5 7 ，c o d 下降5 5 2 。 曝气法有直接曝气和人工曝气。直接曝气法是充分利用天然河道和河道已有 建筑就地处理河流污水的一种方法。它是根据河流受到污染后缺氧的特点，采取 人工措施向河道中充入空气( 或氧气) ，加速水体复氧过程，以提高水体的溶氧 水平，恢复水体中好氧微生物的活力，使水体的自净能力增强，从而改善河流的 水质状况。该法综合了曝气所属氧化塘和氧化沟的原理，结合推流和完全混合的 特点，有利于克服短流和提高缓冲能力，同时也有利于氧的传递、液体混合和污 泥絮凝，能有效去除河流的黑臭现象。该技术由于设备简单、易于操作而被许多 国家优先选用净化河流。1 9 8 9 年，美国为了改善h o m e w o o d 运河的水质，在河 口安装了曝气设备。结果证明，水体溶解氧显著增加，河道生物量也变得丰富起 来。1 9 9 0 年，为确保亚运会的顺利进行，北京市在清河一个长约4 k m 的河段中 利用原有水工建筑物进行河道曝气。工程运行4 7 天，清河水质明显好转- b o d 5 去除率达7 4 7 一8 8 2 ，c o d c 。去除率达7 9 9 一8 4 4 ，s s 去除率达 河海大学硕士论文 7 6 7 扣8 1 9 ，氨氮的去除率达4 5 。人工曝气复氧是近年来污染河流修复中一 种应急方法，需要的技术含量较高，投入的资金也较大。因此，从经济、环境的 角度出发，应当充分利用天然落差、水坝的跌水、水闸泄流、活水喷池和人工水 上娱乐设施进行增氧口2 】。 水生高等植物及水生植被净化措旌 水生高等植物是水生生态系统保持良性运行的关键类群，也是整个水生生植 群落多样性的基础。水生高等植物通过促进水体含磷物质的沉降和抑制表层沉积 物的再悬浮而起到促迸磷沉积，从而降低了水体磷含量，水生植物将湖水中的氮 传输到底泥中，促其进入地球化学循环的功能，这对于降低湖水中的氮含量，防 止湖泊富营养化有积极意义。水生高等植物还和浮游植物竞争营养物质和光能， 前者个体大、生长周期长、吸取和储存营养物质的能力强，它的存在可抑制浮游 植物的生长，水生高等植物的恢复增加了系统的生物多样性，提高了系统对外界 干扰的缓冲能力，使水生生态系统结构更加稳定。所以，水生高等植物不仅是湖 泊重要初级生产者，而且对水生态系统的结构和功能具有决定性的影响，提高水 生生态系统净化能力吲。 水生高等植物可划分为沉水植物、漂浮植物、浮叶植物和挺水植物等类型伫4 】 2 5 1 。不同类型水生植物有着不同的净化功能。挺水植物通过阻止水流和减小风 浪使悬移质沉降，它主要吸取深部底泥中的营养盐，很少直接吸收水中的营养盐， 所以挺水植物有把下层底泥中的营养转移到表层的作用，不利于直接净化水质： 浮叶植物容易种植和收获，有一定的经济和观赏价值，在一定的季节可以作为重 要的支撑系统，在一般浅水水体中有良好的净化功能；大型飘浮植物在光照和营 养盐竞争上比浮游植物有优势，耐污性很强，已经发展了在大风浪条件下的种植 技术，是净化水质的良好选择【2 6 】【2 7 】。葛滢等阴在1 9 9 9 年研究了不同程度富营养 化水体中植物净化的能力，空心菜和风眼莲对于重富营养水和轻富营养水均有较 好的净化效果，而石菖蒲、灯心草等效果略差，但可以四季使用。2 0 0 1 年吴振 斌等口9 1 在武汉东湖种植了苦草、狐尾藻和菹藻，研究了水生植物对水质净化作 用，结果证明：沉水植物能有效降低总固体悬浮颗粒物( t s s ) 含量，提高 水体的透明度，显著改善了水体的理化性质；而且使得水体的c o d 和b o d 明 显降低。 河海大学硕士论文 生物操纵净化措旌 1 9 6 5 年，b r o o k s 和d o d s o n 【3 0 】发现鱼的捕食能够使浮游动物向小型个体和种 类转变，进而提出了“体型一效率假说”( s i z e e f f i c e n c yh y p o t h e s i s ) 。1 9 7 5 年，s h a p i r o 等f 3 1 】提出了新的恢复方法一生物操纵( b i o m a n i p u l a t i o n ) ，即通过去除食浮游生 物者或添加食鱼动物降低浮游生物食性鱼的数量，使浮游动物的生物量增加和体 型增大，从而提高浮游动物对浮游植物的摄食效率，降低浮游植物的数量。这种 方法也被称作食物网操纵( f o o d w e bm a n i p u l a t i o n ) 。1 9 8 5 年，c a r p e n t e r 等1 3 2 】提出 了“营养级联相互作用”( c a s c a d i n gt r o p h i ci n t e r a c t i o n s ) 的概念。其主要观点是， 食物网顶端生物种群的变化，通过体型大小的选择性捕食，在营养级中自上向下 传递，对初级生产力产生较大影响。与此同时，“上行一下行”( b o t t o m u p a o p u p ) 理论也得到了发展，该理论认为浮游植物生物量是由上行力与下行力共同决定 的，而非营养物质单独决定。 目前生物操纵主要指的是通过改变捕食者( 鱼类) 的种类组成或多度来操 纵植食陛的浮游动物的群落结构，促进滤食效率高的植食性大型浮游动物特别是 枝角类种群的发展，进而降低藻类生物量，提高水的透明度，改善水质【3 3 】。肉 食性鱼通过捕食浮游生物食性鱼，使浮游动物向大型化演替。而大型浮游动物对 藻类有较高的滤食效率和较宽的摄食范围，进而压制藻类数量。浮游生物食性鱼 倾向于捕食较大的浮游动物，使浮游动物向小型化演替。去除浮游生物食性鱼的 目的是降低浮游动物死亡率，增加浮游动物对藻类的牧食压力并使其向大型化演 替。浮游生物食性鱼不仅滤食浮游动物，有的也能滤食浮游植物，因而有人提出 可以直接利用它们来控制藻类。此外还有研究表明【3 4 】，底栖食性鱼所引起的上 行效应比下行效应更明显，其上行效应可能包括生物扰动作用、分泌物的营养添 加作用等。底栖食性鱼有助于分层湖水的混合，促进营养盐自下而上的补充。同 时，它们的活动( 如觅食) 会搅动沉积物，使底质一湖水界面活跃，底泥中的营 养物恢复悬浮状态，重新进入水层。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，至尽未见复发，有人认为鲢鳙鱼的大量放养是“水华”消失的主 要因素例。陆开宏等 3 6 1 1 9 9 8 年9 月利用该性明矾浆处理桥墩水库大面积水华，于 同年年底和次年年初放养了鲢、鳙鱼后，夏季再次发现蓝藻水华，但面积和密度 已远远不及1 9 9 8 年，2 0 0 0 年夏季蓝藻个体数量比例从1 9 9 8 年的9 9 2 下降到 7 河海大学硕士论文 3 1 5 ，此后连续两年未出现水华。 ( 4 ) 局部人工生态系统工程 局部人工生态系统工程有：人工湿地、生态综合系统塘等。 人工湿地 湿地被应用于污水净化始于2 0 世纪5 0 年代”，而用人工湿地进行污水净 化的研究始于2 0 世纪7 0 年代末【3 8 i 。人工湿地是一个自适应的系统，它是近2 0 年发展起来的一种废水处理新技术，其特点是投资省，处理效果好，运行维护方 便，它属于一种生态治理污水的方法，可作为传统的污水处理技术的一种有效替 代方案，这对于节省资金、保护水环境以及进行有效的生态恢复具有十分重要的 现实意义，也越来越受到世界各国的重视和关注【3 9 】。目莳它在农业点源污染和 面源污染 4 0 1 1 4 1 】【4 2 1 以及水体富营养化问题的治理【4 3 l 上也有很广范的应用。 人工湿地对污水的处理有十分复杂的净化机理。一般认为，人工湿地生态系 统是通过物理、化学及生化反应三重协同作用净化污水 4 4 1 【矧。其中物理作用主 要是过滤、沉积作用，污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和根系，可 以过滤、截留污水中的悬浮物，并沉积在基质中；化学反应主要指化学沉淀、吸 附、离子交换、拮抗和氧化还原反应等，这些化学反应的发生主要取决于所选择 的基质类型；生化反应主要指微生物在好氧、兼氧及厌氧状态下，通过开环、断 键分解成简单分子、小分子等作用，实现对污染物的降解和去除 4 q 。其中构成 人工湿地的4 个基本要素都具有单独的净化污水能力【”1 【勰1 ，尤其是人工湿地基 质中微生物类群在人工湿地污水净化过程中起到极其重要的作用1 4 9 】。 生态综合系统塘 生态综合系统塘的工作原理是以太阳能为初始能源，利用食物链( 网) 中各营 养级上多种多样的生物种群的分工合作来完成污水的净化。具体是在污水处理生 态系统的食物链( 网) 中的物质转化和能量传递过程中实现的。生态塘的核心是食 物链( 网) ，而食物链( 网) 中的核心是生物种属的合理构成。生态塘系统采用天然 和人工放养相结合，对生态塘系统中的生物种属进行优化组台，使污水中能量得 以高效地利用，使有机污染物得以最大限度地在食物链( 网) 中进行降解和去除 1 5 0 l 。吴振斌【5 l l 、李柬俊【5 2 1 等的研究表明，生态综合系统塘在处理污水上有很好 的效果。 河海夫学硕士论文 1 2 2 湿地对水体净化研究的现状 湿地是地球上三大生态系统( 森林、海洋、湿地) 之一。它是一类水、陆两 大界面交互延伸、内部长期为水所控制的生态系统。作为陆地与水体之间的过渡 地带，湿地是一种高功能的生态系统，具有独特的生态结构和功能。在提供人类 必需的动植物资源、维持生态平衡和水平衡、调节气候、降解污染、提供珍稀动 植物栖息地和保护生物多样性等方面起着不可替代的作用。湿地和湖泊是流域来 水的“汇”和调节库，承担着蓄泄河川、维持流域水量平衡、降解污染物和提供旅 游资源等作用，素有c c 地球之肾”的美掣5 3 】【5 4 1 5 5 i t 5 6 1 1 ”。 湿地对水体净化的研究是2 0 世纪7 0 年代以来世界上的一个热门研究领域， 其原理主要是利用湿地生态系统中物理的、化学的和生物的作用机制，降低或减 轻废污水中营养物质的浓度。在国外，特别是西欧、北美等国家利用自然湿地生 态系统的原理，发展了大量的人工湿地系统处理废、污水。1 9 7 4 年在西德首次 建造人工湿地，后来这一工艺在欧洲和北美得以迅速发展。人工湿地是由人工基 质( 碎石、砂砾等1 和生长在其上的水生植物组成，污水在湿地土壤的表层或表面 下流动，靠砂石、土壤的吸附、植物吸收、微生物转化等一系列过程降解水中的 营养物质，是一种有别于自然湿地的独特的土壤一植物一微生物系统。这种处理 系统适应面广，既可以处理来自农田排水中的营养物质，也可以用于城镇生活污 水、工业废水、矿山排水的处理。人工湿地的大小规模差别很大，小到仅处理几 百人的生活污水，大的可以处理上千甚至上万人的生活污水。国外自2 0 世纪7 0 年代以来，已做了大量有关自然湿地和人工湿地对氮、磷营养物质去除能力的研 究，分析了吸附、下渗、植物吸收、生物转化( 矿化、硝化、反硝化) 等多种因素 对氮、磷在湿地生态系统中迁移的影响。通过实验研究了各种类型的湿地对生活 污水、工业废水、农业排水、矿山排水的处理机制和处理潜力，确定了湿地在河 流、湖泊水质的恢复与管理中所发挥的作用。我国在2 0 世纪5 0 一7 0 年代曾 大规模垦殖湿地，变荒泽为良田，造成生态环境的严重破坏。2 0 世纪8 0 年代以 后，我国开始重视农业非点源污染，进入9 0 年代，由化肥、农药、水土流失引 起的污染研究更加活跃。在这一时期，有关自然湿地和人工湿地处理点源和非点 源污染的能力引起了人们的兴趣。先后在深圳、北京、天津等地建立了人工湿地 处理系统，并开始了对湿地生态系统中营养物质转化机制的研究【4 6 。除了对机 河海大学碗士论文 理进行研究外，有关的研究和工程人员还建设了许多人工湿地工程直接应用于水 体的净化，而且人们也正在投入大量的精力以改良人工湿地技术。吴振斌等 5 9 】 设计了垂直流人工湿地小试系统，并测试了其冬季污水净化效果，表明了它是一 种有效的水处理技术。刘红等【鲫j 进行了潜流人工湿地改善北京官厅水库水质试 验的研究，实验结果表明潜流人工湿地系统对微污染地表水有较好的净化效果， 同时统在冬季低温条件下仍可以正常运行。张荣社等【“1 对自由表面人工湿地去 除农业面源污水中氮的效果及途径进行了研究，研究结果表明，脱氮效率随水力 停留时f a l ( l 】h ) 延长而增加也达到了很好的效果，h r t 为0 5 、1 、2 和3 d 时， 系统总氮去除率分别为1 8 3 、3 8 9 、8 4 9 和8 5 6 。朱棣等【6 2 】将两种类型( 渗 透流型和表面流型) 的人工湿地结合起来治理南四湖的污水，在正常运转的情况 下，对污水中的悬浮物，有机物和营养盐类都有较大的净化能力。 1 3 研究的主要内容 f 1 ) 对水塘湿地系统中生物群落进行一定范围内的调查，分析生物群落在不 同时期的变化规律： 化1 计算在不同时期、不同植被情况下随降雨进入水塘湿地系统中的氮、磷 的总量，以及单位面积上氮、磷截留量； ( 3 1 不同时期，水塘湿地系统对随降雨进入其中的氮、磷的截留量，以及氮、 磷在水塘湿地系统的水体中的变化规律； f 4 ) 分析水塘湿地系统中总氮、氨氮、硝氮和亚硝氮的关系。 1 4 研究方法及技术路线 f 1 ) 研究方法 野外调查 本次研究选择位于太湖流域的宣兴市大浦镇林庄港河附近的天然水塘作为 研究对象，对该地区的自然地理、水文气象、污染来源及特征等进行野外实地考 察。根据实际研究的需要，对该地区的天然水塘进行调查，并选择适合本次研究 需要的天然水塘。调查选定的天然水塘的进出水、集水面积、周边植被以及居民 生活情况等。调查不同季节选定的天然水塘周边农作物的生长情况，农民的施肥 l o 塑塑奎兰堡圭适苎 情况等。确定水塘的取样点位置。 实地观测 测量水塘的形状、水塘在不同水深时的水量变化以及出水口高程等。不同时 期，水生植物的种类、密度以及覆盖度。降雨发生前后水位的变化以及每次取水 样时水位的变化。根据研究需要，在一定的时间取水样。 室内测定 对每次水样的总磷、总氮、氮氨、硝氮和亚硝氮的含量进行测定，此部分是 出南京土壤所设在大浦的实验室帮助测定。对特定时期，水体中浮游藻类进行观 测研究，对其尽量鉴定到属并定量。 理论分析及研究 利用野外调查、实地观测、室内的测定及研究的资料以及成果，分析研究在 不同尺度条件下水塘湿地系统中氮、磷输移规律及截留效应。 ( 2 ) 技术路线 本次的研究路线如下框图所示： 不同尺度水塘湿地系统中 氮、磷的输移规律及截留效应研究 调查国内外 研究现状及方法 收集实验地的流域污染特征、 生态特征等基本资料 野外调查，确定研究的天然水塘 弗制定髓测和取样方案 现场观测及室内测定 分析不同尺度下水塘湿地系统中 氯磷输移规律及截留效应 河海人学硕士论文 2 实验的实施 2 1 实验的主要内容 在本次实验中，将主要针对在不同尺度条件下水塘湿地系统中氮、磷输移规 律及截留效应进行一定范围的研究，内容将包括以下几点： ( 1 ) 选取不同周边植被和不同水生植物的水塘3 个，都是降雨补给型，对水 塘的集水面积进行测算； ( 2 ) 对三个水塘中生物群落进行不同时期的调查，分生长期、繁盛期、枯败 期三个时期进行调查； 0 ) n 定水塘在不同水位时的水量的变化规律： ( 4 ) 在不同时期降雨发生前后，水塘水体中氮、磷的量以及流出水塘的氮、 磷的量； ( 5 ) 在不同时期降雨停止后，水体中氮、磷的量的变化情况； ( 6 ) 施测项目：总氮、总磷、氨氮、硝氮和亚硝氮。 2 2 实验的前期准备 ( 1 ) 实验区概述 实验区位于宜兴大浦镇，宣兴古称阳羡，位于苏、浙、皖三省交界的太湖西 岸，沪、宁杭大交通的中心，是长江三角洲的一颗璀璨明珠。东濒太湖，西临涌 湖，北为太涌平原，南为丘陵山区。宜兴属亚热带季风气候，四季分明，气候温 和，年平均气温1 5 7 c ，是锦绣江南的鱼米之乡。宜兴雨量充沛，多年平均年降 水量1 2 0 7 7 m m ，夏季淫雨连绵，常遭台风暴雨侵袭。 ( 2 l 实验仪器的准备 水位尺三个，每个水塘各一个； 卷尺一个( 测定水塘宽度和出口断面形状等) ； 测深杆一支； 盛水样的聚乙烯瓶； 河海人学硕士论文 水样采样器个，可自己制作： 样品箱2 个，每次取样完成后，应将样品放入样品箱内，以便于运送： 标签5 0 张； 温度计一个。 ( 3 ) 实验实旌的| j 期准备 选取不同周边植被和不同水生植物的降雨补给型水塘3 个，并对水塘周 边环境进行调查以及水塘集水面积进行测量，其中2 、3 号塘有1 个流出口，水 塘的位置图如下： 图2 - l 水塘位置示意图 水位尺安装：在塘边较陡处安装，最好靠近流出口； 水塘形状测量：假定塘底为零高程，测量出不同高程点的水塘形状，并估 算出不同水位时的水塘中水的容积，制定出水位与水塘容量的关系； 采样点的确定，初步确定每个塘4 个取样点( 其中水塘中间取一个样，其 余三个样靠岸边o s 米处，均匀分布) 。 2 3 实验的实施过程 ( 1 ) 实验时间 一 塑生茎兰堡主堡茎 实验自2 0 0 4 年4 月前期准备开始，至2 0 0 5 年3 月结束； 第一次取样为2 0 0 4 年5 月1 6 日，最后一次取样为2 0 0 5 年3 月2 4 目。 ( 2 ) 水样的采集过程 采样前，先将取样瓶用取样水反复冲洗5 。7 次，然后再取水样。 每个水塘取四个水样( 其中水塘中间取一个样，其余三个样靠岸边0 5 米 处，均匀分布) 。 采样时将取样器置于水面的1 0 2 0 c m 以下采集水样，不搅动塘水。 取样完成后贴上标签，装入样品箱； 记录水温及帽应水位； 送国家重大科技项目大浦基地实验室测定。 ( 3 ) 生物群落调查 水生植物调查 对各个塘的优势种水生植物进行调查，鉴定水生植物的种类，单位面积的数 量以及覆盖度。 浮游藻类种类鉴定和数量测定 ( f ) 取样 定量样品每个水样采1 0 0 0 r r d ，然后立即加入鲁哥氏液r 固定剂，配制方法为： 称取碘化钾2 0 9 ，加入2 0 0 m l 含2 0 m l 冰醋酸的蒸馏水，待完全溶解后加入碘l o g ， 贮存于密闭的棕色试剂瓶中) ，直接静置沉淀2 4 h ，浓缩，转入3 0 m l 定量瓶中。 ( 1 i ) 种类鉴定 藻类的种类鉴定需要较专门的知识和训i 练，根据研究需要，主要种类或优势 种类尽量鉴定到属，种类鉴定一股用定性标本进行观察，如果用定量标本先做定 性观察，则在作镜检后将样品洗回样品瓶中，并防止样品的混杂污染。 ( 1 1 1 ) 数量测定( 汜数) 浮游植物定量记数的方法很多，为了使调查数据有很好的可比性，采用视野 法进行记数。用0 1 m l 记数框，面积为2 0 m m x 2 0 m m ，框上纵横划分1 0 行，共有 1 0 0 个小格，每小格面积是2 m m x 2 m m 。 记数时将样品充分摇匀，立即打开瓶塞，用o 1 m l 吸管在中央部吸出0 1 m l 样品，注入记数框内，小心盖上盖玻片( 2 2 r n r n x 2 2 m m ) ，使标本均匀分布，记数 河海大学顺十论文 框内应无气泡。必要时在盖玻片边缘小心涂上少许液体石蜡，防止在记数过程中 样品蒸发出现气泡。然后在显微镜下，以一定放大倍数( 6 0 0 倍) 的视野面积记数 浮游植物的细胞数( 细胞数比个体数更为精确) 。记数时先计算出视野面积，即台 微尺测量视野直径，按圆面积丽2 ，计算。记数视野的数目根据样品中浮游植物 数量多少来确定，一般每片记数4 0 个视野，所记数的视野在记数框内均匀分配。 每一样品记数两次( 两片) ，取其平均值，每次记数的结果与其平均值之差应 不大于- + 1 5 。 在记数时，如遇到一个浮游植物个体或细胞的一部分在视野内，而另一部分 在视野外，则可规定在视野上半圈的细胞不记数，而在下半圈的记数。 把记数所得的结果按下列公式换算成每升水中浮游植物的数量： n = ( a v 。，a c v ) n 式中，n 为每升水中浮游植物的数量：a 为记数框面积；a c 为记数面积( m m 2 ) ， 即视野面积视野数；v 。为l l 水样经沉淀浓缩后的样品体积( m 1 ) ；v 为记数框体 积( m l ) ；n 为记数所得的浮游植物的细胞数。 按上述方法进行采样、浓缩、记数。a 为4 0 0 r a m 2 ，v 。为3 0 m l ，v 为0 1m l ， 故v w v = 3 0 0 。 因此只要记数方法确定，就可求出一常数k ，每次只要把1 1 值