（生态学专业论文）跃进湖富营养化状态评价及生态治理技术研究.pdf

摘要 为了能尽快消除跃进湖给湖南省烈士公园环境带来的一系列负面影响，为城 市内湖治理提供有力的依据和理论基础，本研究对跃进湖2 0 0 5 2 0 0 6 年的水质 进行了监测，并在水质监测数据的基础上，对跃进湖的污染现状进行了分析，对 跃进湖的富营养化状态进行了评价，基本掌握了2 0 0 5 2 0 0 6 年跃进湖的污染变 化情况以及综合富营养化状态；提出了治理的对策和建议；并在一定程度上对有 关的治理技术进行了研究。取得的主要结论： 1 通过2 0 0 5 年1 月至2 0 0 6 年9 月期间对跃进湖水质的监测数据，证明跃进湖 水质各相关指标均达不到v 类地表水环境标准( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，水质恶劣，生 态系统遭到严重破坏，总体呈超富营养化状态。 2 根据跃进潮的具体地理位置和周边环境条件，以及跃进湖的富营养化现 状，制定了综合治理方案，该治理方案以生态修复为理念，主要包括：在减少外 源污染的基础上对底泥进行疏浚、在湖滨构筑修复带、在湖岸构筑人工湿地、在 湖面构筑生态浮岛等五部分内容。 3 2 0 0 5 年至2 0 0 6 年相继对治理技术在一定的程度上进行了研究，认为人工湿 地不但能够改善跃进湖的水质，有效降低水体中的磷，同时还能够通过生态作用 有效的抑制水体中的浮游植物，但是对水体中的氨氮处理效果不明显；生态浮岛 的实验数据证明生态浮岛能够净化湖泊水质、提高水体的透明度、有效去除水体 中的营养物质，也可以在一定的程度上抑制水体中的浮游植物的生长，对湖泊具 有积极的生态意义。 关键词：跃进湖；富营养化评价；生态治理 a b s t r a c t t oe l i m i n a t et h en e g a t i v ee n v i r o n m e n t a le f f e c t so nt h eh u n a nm a r t y r p a r kb e c a u s eo ft h ew a t e rq u a l i t yd e t e r i o r a t i o no fy u e j i nl a k ea sw e l l a st op r o v i d ec o n v i n c i n gt h e o r yb a s i s f o rh a r n e s so fi n t e r n a ll a k e ，w e s t u d yo nt h es t a t u sq u oo fe u t r o p h i c a t i o no fy u e j i nl a k e a n d s o m e c o r r e l a t i v ee c o - c o u n t e r m e a s u r e s f i r s t l yw eu s ec o n v e n t i o n a lt e c h n i q u e t om e a s u r et h ew a t e rq u a l i t yi n d e x e so fy u e j i nl a k ei n2 0 0 5 2 0 0 6 ，t h e n w ea n a l y z ea n de v a l u a t et h es t a t u sq u oo fe u t r o p h i c a t i o no fy u e j i nl a k e b a s e do nt h ed a t aw em e a s u r e d a f t e rw eo b t a i ne n o u g hd a t aa b o u tw a t e r b o d yv e g e t a t i v es t a t ea n dd y q a m i cv a r i a t i o n so fy u e j i nl a k e ，w ep u t f o r w a r ds o m es u g g e s t i o n sa sw e l la se c o c o u n t e r m e a s u r e sf o rh a r n e s sa n d a l s ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so fc o r r e l a t i v ee c o c o u n t e r m e a s u r e st oa c e r t a i nd e g r e e t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nc o n c l u s i o n s ： 1 b a s e do nt h ew a t e rq u a l i t yd a t am e a s u r e df r o m2 0 0 5 1 4 2 0 0 6 9 ，w ec a n c o n c l u d et h a ty u e j i nl a k eh a sab a dw a t e rq u a l i t yw h i c hi s i no v e r e u t r o p h i c a t i o ns t a t ea n di t se c o s y s t e mh a sb e e nh a v o c k e d 2 i na c c o r d a n c ew i t hg e o g r a p h i c a ll o c a t i o na n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s a r o u n dy u e j i nl a k ei na d d i t i o nt oi t ss t a t u sq u oo fe u t r o p h i c a t i o n ，w e p r e s e n t ae c o c o u n t e r m e a s u r es c h e m e i n c l u d i n g b e d m u dd r e d g i n g ， r e c o n s t r u c t i v eb e l tb u i l ta tb e a c h a r t i f i c i a lw e t l a n db u i i ta tl a k e s h o r e a n de c o l o g i c a lf l o a t i n g - i s l a n db u i l ta tl a k es u r f a c e 3 w ev a l i d a t e dt h ee c o c o u n t e r m e a s u r es c h e m et oac e r t a i nd e g r e ef r o m 2 0 0 5 - 2 0 0 6 t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ea r t i f i c i a lw e t l a n dc a nn o to n l y i m p r o v ew a t e rq u a l i t y ，r e d u c epa n dni nt h ew a t e rb o d ye f f e c t i v e l y ，b u t a l s or e m o v ec h l o r o p h y l lae f f e c t i v e l yb ye c o l o g i c a lp r o c e s s ：t h e e c o l o g i c a lf l o a t i n g - i s l a n dc a nd e c o n t a m i n a t ew a t e rq u a li t y ，i n c r e a s et h e t r a n s p a r e n c yo fw a t e rb o d y ，r e m o v et h en u t r i t i o u ss u b s t a n c ei nw a t e rb o d y a sw e l la sd e p r e s st h eg r o w t ho fp h y t o p l a n k t o ni nt h ew a t e rb o d y k e y w o r d s ：y a e j i n l a k e ：a s s e s s m e n to nt h ee u t r o p h i c a t i o n ：c o u n t e r m e a s u r e s l i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得湖南农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 研究生签名：7 峦 时间：2 押年6 月口日 ， 关于论文使用授权的说明 ，本人完全了解湖南农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意湖南农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师 龙蚪 时间： 0 7 年6 玛i o e i 龟酶4 1 每。 i o k 第一章绪论 湖泊是由一定形态的湖盆和水体构成的分布于大陆地表的洼地。湖泊的类型 是多种多样的，按其湖盆的成因可以分为构造湖、火山湖、冰川湖、人工湖；按 其矿化度高低可以分为淡水湖、咸水湖、盐湖；按其营养类型可以分为富营养 湖、中营养湖、贫营养湖、腐殖营养湖和酸营养湖；按其湖水深度可分为深水湖 和浅水湖。我国是一个多湖的发展中国家，根据统计，我国拥有大小各类湖泊 2 4 8 8 0 个，湖泊面积达到8 3 4 0 0 多k m 2 ，约占全国陆地总面积的0 8 ，总蓄水 量约7 0 0 0 1 0 8m 3 【1 】，这些湖泊我国重要的淡水资源之一，是人民生活不可缺少 的宝贵资源。而随着我国工农业的迅速发展和城市化进程的加速，工业废水和生 活污水排放量日益增加、湖泊水体的开发活动也愈演愈烈；加之长期以来，由于 人们环保意识薄弱，很多对湖泊的人类活动都是以牺牲湖泊水体健康换取短暂的 经济效益的行为，直接造成了全国性的湖泊富营养化、干旱地区湖泊水质成化、 湖滨淤积或萎缩、湖泊生态系统破坏以及水质恶化等环境问题，给湖区人民的生 产和生活造成了巨大的损失，富营养化不仅仅是困扰发达国家的水污染问题之 一，也是发展中国家面临的一个严重的水环境问题，富营养化不仅使水体丧失了 应有的功能，而且使水体的生态环境向着不利于人类的方向改变，最终将会影响 国家经济的建设和社会的发展，所以必须要对湖泊的富营养化进行积极的研究。 1 水体富营养化的概述 1 1 水体富营养化的定义 水体富营养化是指氮、磷等植物性营养物大量进入湖泊、海湾等相对封闭、 水流缓慢的水体，引起藻类和其它低等水生植物生产能力提高并大量繁殖，导致 水体透明度和溶解氧下降，水质恶化，其它水生生物大量死亡，整个水体生态系 统因为生物组分单一而失去平衡，同时水功能受到严重阻碍和破坏的现象1 2 】。造 成水体富营养化的原因可以分为人为和天然两类【引，人为造成的富营养化水体是 指由于人类的活动，直接把植物性营养元素带入水体，使水体中的氮、磷等元素 大大增加并超出水体相应阈值而形成的富营养化水体，人为的富营养化水体一般 是随着含有较高浓度氮、磷营养物质的生活污水、工业废水、和农田地表径流通 过各种途径汇入，在较短的时间内刺激水体中藻类大量地繁殖而形成，这也是目 前湖泊富营养化的主要原因；天然富营养化水体是指自然界氮、磷等元素的物质 循环过程中由于某一环节发生改变，致使水体库中积累大量的氮、磷元素并达到 一定的阈值而导致了水体的富营养化，天然富营养化是一种十分缓慢的自然过 程，在自然界的物质循环中，湖泊将会由贫营养湖发展为富营养湖进一步发展为 沼泽和干地，但这一历程在自然条件下需要几万年甚至几十万年的时间。 1 2 水体富营养化的危害 富营养化会改变水体的理化性质，使水质日趋恶化，不但不能满足正常饮用、 娱乐、旅游和工业用水等生活和生产的需要，而且会对人体健康带来直接或潜在 危害，造成严重的经济损失。 1 2 1 改变水体的理化性质 在富营养化水体中的藻类会造成水体嗅觉的改变。一部分本身有腥臭味的水 藻是造成水体嗅觉改变的原因之一，同时在春末、夏季等水藻繁殖高峰期，成团 的藻类死亡分解腐烂时也会使水体发出浓烈的腥臭味，向湖泊周围的空气扩散， 直接影响和烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感，大大降低了水体的水质，增 加了供水处理的难度；同时以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻通常会在湖水表 面形成一层绿色浮渣，在很大程度上阻碍了太阳光对水体的照射，从而使透明度 明显降低，富营养化严重的水质透明度通常仅为0 2m 。呈现富营养状态的城市 内湖由于水体腥臭、水色和透明度下降等感官性状的恶化，将会使其在功能和用 途方面大大降低效益，丧失它应有的美学价值；藻类的大量繁殖和水生生物种类 的巨变则使水体正常的生态平衡被破坏，丧失它应有的生态价值。 1 2 2 消耗水体中的溶解氧 处于富营养化湖泊的表层的藻类可以获得充足的阳光进行正常的光合作用， 因此表层水体有充足的溶解氧，但是在富营养化水体的深层，由于表层密集的藻 类的反射和吸收作用，使得阳光难以透射进入湖泊深层，所以深层水体的光合作 用明显地受到限制而减弱，从而使溶解氧的来源大大减少；其次，湖泊藻类死亡 后会不断向湖底沉积和不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，使水 体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态又会 触发或者加速底泥积累的营养物质的释放造成水体营养物质的高负荷，形成富营 养水体的恶性循环。 1 2 3 对人类健康的威胁 一些富营养化水体的藻类会产生藻毒素【4 】，含有一定浓度藻毒素的水体可使 鱼卵变异，水生植物死亡，鱼类行为及生长异常，所以水华爆发也常使大量水生 生物死亡；有些藻毒素还可能进入食物链，在贝类、鱼类中富集，从而对人体健 康构成严重威胁【5 6 1 1 2 4 降低水体的经济价值 作为生活饮用水和工业用水供给水源的湖泊，水体中过量的藻类会给制水厂 的过滤带来障碍，水藻会堵塞滤池，为了消除堵塞，需要频繁冲洗滤池而增加成 本；其次，富营养水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体，而 且水藻产生的某些有毒物质及异臭增加了水处理的技术难度而加大水厂的制水 成本；从渔业角度来看，水体一定程度的富营养化使浮游生物丰富，以吞食浮游 生物和碎屑为主的鱼类有充足的食料，有利于这些鱼类的生长，从而有助于提高 鱼产量，但是严重的富营养化则会产生水华现象，使大量鱼类因缺氧死亡，大大 降低了水体的经济价值。 1 3 我国湖泊富营养化的现状 根据2 0 0 0 年中国环境状况公报指出，中国七大重点流域地表水有机污染普 遍，而主要湖泊的富营养化问题突出，太湖流域1 0 1 个监测点位中，8 0 0 9 6 的点 位高锰酸盐指数达到规划要求，其中有2 2 个点位的总氮和总磷等超标突出，属 富营养化状态。环湖主要河流及环湖交界水体污染严重，滇池湖体的1 3 个监测 点位均为劣v 类水质；草海污染突出，总氮和总磷污染非常严重，处于重富营养 化状态；巢湖湖体的1 2 个监测点位中5 4 o 的点位为v 类水质，4 6 o 的点位属 劣v 类水质，总氮和总磷超标严重，属中富营养状态；其它大型淡水湖泊洱海兴 凯湖和博斯腾湖水质良好，湖体水质均达到m 类水质标准；洞庭湖、镜泊湖和 洪泽湖水质达到类水质标准；白洋淀、达赉湖和南四湖污染严重，均为劣v 类 水质。根据1 9 9 9 年对全国1 3 0 余个湖泊的调查资料显示，高营养化湖泊占调查 总数的4 3 5 ，中营养化湖泊占调查总数的4 5 ；根据2 0 0 0 年对我国1 0 0 个主 要湖泊的调查结果( 见表卜1 ) 显示，在1 0 0 个被调查湖泊中，高富营养占了7 3 1 ， 中富营养化湖泊占2 6 9 ，表明我国湖泊富营养化程度在有不断加深的趋势。根 据2 0 世纪8 0 年代后期与9 0 年代前期的调查结果，我国富营养化湖泊主要分布 在长江中下游湖区、云贵湖区、部分东北山地及平原湖区与蒙新湖区，以藻类 富营养化为主的湖泊主要分布在我国东南部经济发达地区，超营养化湖泊主要分 布在城市和城郊附近川， 3 城市湖泊由于水域面积小，因而受到城市废水的影响非常大，无论地理位置 如何，几乎所有的城市内湖都已经呈富营养化或者严重富营养化的程度，这些位 于城市内被街区包围的湖泊即是城市内湖大多数属于极易富营养化的小型湖泊。 城市内湖与大江、大湖相比具有以下几个显著的特点：汇水面积小、水量小、水 量调节能力小、与周围环境的联系紧密、污染的风险大、富营养化的可能性大、 生态环境极为脆弱。黄德丰的研究表明，我国湖泊中，城市内湖已经全部富营养 化，特别是对于那些不受河流直接补给的封闭城市内湖，更是由于人类的过度开 发利用而成为严重富营养化，甚至超富营养的湖泊水体。 表1 一l2 0 0 0 年代初中国主要湖泊水质类别评价结果 ! ! ! ! ! ! ：! 量：! ! ! ! ! ! ! 赆! ! 堡19 1 型! z 垡垡垫! ：! 婴! 垫! 些壁 类别类 类类v 类类合计 表卜22 0 0 0 年代初中国主要湖泊富营养化评价结果 ! ! 坠! ! ：；坠型! ! ! ! ! ! ! ! 垡! 竺蚴吐i 鲤竺! ! 垡也! ：! 婴坐! ! 壁i 类别贫营养中营养富营养合计 1 4 国内外关于富营养化水体的研究进展 2 0 世纪初，水体的富营养化问题开始引起生态学家和湖沼专家的注意，2 0 世纪7 0 年代，国际经济合作和发展组织( o e c d ) 通过在世界范围内大量的关于 湖泊的调查和研究，确定总磷和总氮的含量是水体富营养化程度的重要标志，是 水体富营养化的最主要原因和物质基础。同一时期美国和日本参照水体中总磷和 总氮等相关指标，制定了水体富营养化程度的评价标准，这一时期的研究大部分 是从水体中营养元素的角度出发，揭示水体富营养原因，以及对水体富营养化程 度的确定【剐。在关于控制和治理水体富营养化的研究中，国内外很多专家都比较 关注对水体污染源的控制。目前，湖泊富营养化模型的研究发展非常迅速，基本 上研究到富营养化模型有营养盐模型、浮游植物生态模型和湖泊富营养化生态一 4 动力学模型 9 1 。在改善富营养化水体的处理技术方面，主要有营养盐对策、湖底 对策、水中生物对策和一些其他方法。营养盐对策包括湖内化学凝聚沉淀、稀释 和水洗、选择排放三种方法；湖底对策则包括疏挖、湖底处理和底层曝气三种方 式；生物对策主要有去除生物和全层曝气两种方式b o - 切。 2 生物修复的概述 ， 2 1 生物修复的定义 利用环境中的细菌、藻类和一些动植物的生命活动对环境进行的修复作用称 为生物修复。根据生物在新陈代谢过程中对环境污染物的不同作用形式，生物修 复可分为生物降解和生物积累两种形式，生物对系统中的有机物进行的破坏和矿 化作用，即为生物降解；生物对系统中污染物进行吸附、吸收、吞食等生命活动 之后并将其滞留于体内，使的生物体内的污染物浓度大大高于环境系统中的污染 物浓度，即为生物积累。在具体的应用中，生物修复经常和工程方法相结合，以 达到最高的处理效率。利用植物和微生物对水体进行修复，廉价适用，而且适用 于我国的大部分江河湖库，是我国科研工作者生物修复的主要研究方向。 2 2 植物修复的内涵 植物修复技术( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是指利用绿色植物及其根际土著微生物 的共同作用来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。对于不 同类型的污染物，植物修复经历的过程有可能包括吸附、吸收、转移、降解、挥 发等，由此而形成了不同的修复类型【1 4 1 ( 见表1 f 1 5 1 6 】) 。 表i - 3 植物修复类型及原理 ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 竺坐! ! 些墼塑堡侧! ! ! ! ! ! 翌! 也曼! ! 类型去除原理 植物提取 植物降解 植物挥发 根际过滤 植物嘲定 利用超积累植物吸收重金属或有机污染物并富集于植物可收获部分 利用植物或植物与微生物的新陈代谢作用将有机物分解 利用植物将某些重金属( 如h g “) 转化为气态( h g o ) 而挥发出来 利用植物根系吸附或者吸收水中或者废水中的溶解态污染物 利用植物将污染物转化为无毒或者毒性较低的形态( 生物无效态) 2 3 植物修复水体的研究进展 物修复技术是上个世纪九十年代后期出现的- - f 7 新技术。它一经出现就以安 全、廉价等特点而成为国际环保产业的生长点。国外经过近几年的研究和小示范 性应用，使该技术获得很大的发展。由于该技术的造价低，很适用于像我国这样 一个经济不够发达的发展中国家，因此在该技术出现不久，很快就获得我国学术 界的青睐。而且经过几年的努力，我国在这方面的研究也获得很大进展。 2 3 1 目前世界各国植物修复主要应用与研究的范围 外植物修复水体的研究主要涉及了七个方面：其一是利用植物分解多氯联 苯、卤代烃和汽油等碳水化合物；其二是利用植物吸收和去除重金属以及放射性 元素；其三是利用植物分解有机和无机污染物；其四是利用植物处理挥发性物质； 五是利用植物分解环境中的荷而蒙；六是采用植物分解和处理空气中的污染物； 七是利用植物将氧化氮转化为氮气f 1 调。 其中难度较大和比较有意义的研究有：首次野外进行试验修复含氯溶剂污水 的学者n e w m a 等人( 1 9 9 7 年) 在华盛顿州某试验场选用了东方三角叶杨( p o p u l u s d e l t o i d s ) 和黑三角叶杨( p o p u l u st r i c h o c a r p a ) 杂交，得到的后代其叶面积比它们母 体的叶面积大4 倍，大大提高了其蒸腾水分的能力，利用这种白杨属杂交植物修 复含t c e ( 5 0 p p m ) 的模拟污水；近期美国又有3 个小规模示范场地修复工程采用了 该杂交白杨修复t c e 污染的地下水。迄今为止的实验已表明利用白杨属植物修复 t c e 污染地下水是有效果的【1 9 1 ；据b e t t s 等人报道，对受美国衣阿华州陆军弹药厂 爆炸物所污染的地表水进行水生植物和湿地植物修复的结果表明，用于修复的3 种水生植物( 眼子菜、葛、金鱼藻) 以及种植在湿地周边的杨树每天能够去除0 0 1 9 m g l 的n 盯；r o x a n n e 等人研究了受t t c r 污染地表水的植物修复技术，结果表 明，利用植物降解的移除量可达至u 1 0 0 1 2 0 j 。另据p e t e r s o n 等人报道，利用柳枝稷 进行n 汀的降解和修复也是一条有效途径【2 。 日本学者在东京京都葛饰区的水元公园内划定了一个长9 0 m 、宽6 0 n l 、平均 水深2 5 c m 的区域，在该区域内栽植芦苇，来自大场川的河水以每分钟3 0 l 的速 度自然下流，污水在这片芦苇湿地里得到了净化。全年平均每日每平方米的去除 速度b o d 为0 8 3g ，c o d 为0 0 7 9g ，b n 为0 0 6 8g ，t - p 为0 0 0 5 5g 。茨城县八乡 町的休耕田内大量地栽植了芦苇、香蒲等水生植物，来自6 2 户住宅的生活污水的 负荷每日每平方米为0 0 4 n 1 3 ，通过体耕田中水生植物的处理，b o d 去除率达9 2 ， 氮去除率7 1 ，磷去除率5 7 。 2 3 2 我国植物修复水体的研究进展 我国植物修复水体的研究主要有以下三个方面：改善和提高水质；去除 n 、p ，控制水体富营养化：吸收、富集水体中的重金属。 植物修复在改善和提高水质方面的研究主要有：2 0 0 1 年柯鹤新等利用陆生的 美人焦、水竹、空心菜和水稻在夏季作为生态浮床，在冬季利用黑麦革、大麦、 小麦、苜蓿作为浮床对污水进行处理，处理后的水面观感性改善，异昧得到控制， 透明度从5c m 提高到1m 左右，氨氮和总磷分别下降了4 倍和1 1 倍，c o d 和d o 明显 得到改善，整个水体生态系统得到了恢复 2 2 1 ；2 0 0 3 年童昌华等利用挺水植物风眼 莲、沉水植物金鱼藻、狐尾藻、微齿眼子菜等对富营养化水体进行了处理，结果 表明这些水生植物不仅对水体中氮磷的去除有显著效果，同时使水体透明度增加 田l ；李文朝等在1 9 9 7 年选用耐寒植物伊乐藻等沉水植物和喜温植物菱、风服莲等 组建成了常绿人工水生植被，使该植被具备了生长期和净化功能季节交替互补的 特点。试验证明，这种人工水生植物使水体常年保持了较好的水质，而且对外来 的污染也有很强的缓冲能力。其净化水质的功能表现在对浮游藻类的竞争抑制、 对湖水中污染物的吸收净化和促进沉降等方面。这种人工水生植被可以作为保护 水源，净化污水水质以及控制水体富营养化的主要治理方式1 2 4 ；1 9 9 8 年王国祥等 选用了太湖土著水生植物莲子草、菱、风眼莲等建立了人工复合生态系统，对太 湖的五里湖进行了净化和处理，结果表明在试验湖区，藻类生物量下降- j 5 8 9 6 ， 氨氮下降了6 6 ，总氮下降t 6 0 ，水质得到明显的改善【2 5 l 。 。在去除氮磷，控制水体富营养化方面的主要研究有：1 9 9 8 年郝登峰等选用7 种水生植物：凤眼莲、水花生、大漂、浮萍、风车草、宽叶香蒲分别处理造纸废 水，试验结果表明，各水生植物对废水悬浮物的去除率均在7 0 以上，对总氮和 总磷的去除能力大小顺序为：水葫芦 大漂 水花生 浮萍 风车草 宽叶香蒲 菱；2 0 0 3 年童昌华用凤眼莲、金鱼藻、狐尾藻、微齿眼子菜、马来眼子菜、苦 草六种植物对富营养化水体进行了处理，试验结果表明眼子草和狐尾藻去除n 、p 的效果最好，去除的时间也最短【硐：1 9 9 7 年高吉喜等选用了慈姑、菱白、菹草、 金鱼藻、满江红、水花生，菱角等7 种植物分别对富营养化的水体进行了处理， 试验结果证明这7 种植物对n 的去除率大小顺序为：慈姑 茭白 水花生 菹草 金鱼藻 满江红 菱角，除磷的效果在7 月份和8 月份分别有所不用，在这两个月 内均能保持较高去除率的是满江红、茭白、慈姑和菹草等4 种植物，但是从去氮、 7 去磷、易成活性和实用性综合考虑，以菱自和慈姑为最佳，在这些植物中，大部 分植物可以相互结合后提高对氮磷的去除率1 2 7 】；林秋奇等在2 0 0 1 年通过试验证明 不同植物对氮磷吸收的条件和要求不一样，他认为菹草对水中p 的吸收与p h 值、 光照和水文有关，水中的氨氮浓度低于0 3 5m g l 时则优先吸收氨态磷；水网藻 具有过量的吸收储藏磷的能力，对磷的吸收量随氮磷比的降低而增加，在同一总 氮浓度下，水网藻在氮磷比为1 5 左右时，对总氮的去除率最高；在氨态氮和硝态 氮两者同时存在的条件下，水网藻优先吸收氨态氮，之后才吸收硝态氮，而氨态 氮是水体富营养化的主要指标之一，所以水网藻的优先吸收氨态氮对于治理富营 养化水体是非常有利的【2 8 l ；王旭明用水芹菜分别在水温1 5 c 和2 0 c 处理富营养化 水体，其对总氮的去除率分别为6 6 6 7 和7 2 9 8 ，对总磷的吸收率则分别为7 3 7 和8 6 3 ，证明水芹菜在不同的温度吸收水体中的营养物质效率是不一样的【冽； 夏汗平在1 9 9 9 年用水葫芦、百喜草、水花生、香根草对垃圾污水进行净化处理， 水葫芦在高浓度和低浓度污水中均被毒害而死；百喜草在高浓度污水中不能存 活，在低浓度污水中受到了严重伤害；水花生在高浓度污水中伤害较重，在低浓 度的废水中则能形成庞大的生物体；香根草是四中植物中受到伤害最小的植物； 水花生和香根草对氨态氮的去除效率为7 7 到9 1 之间，而香根草对磷的去除率 也高达7 0 以上【删。 在吸收水体中的重金属方面研究主要有：2 0 0 1 年姜必亮等利用垃圾污水渗率 液分别对豆科树种( 台湾相思豆和海南红豆) 和非豆科树种( 桃形芒果、美人焦 和尖叶杜英等) 进行为期一年的浇灌，结果表明土壤重金属的积累量未超过国际 允许值，且豆科树种对重金属的积累量明显强于非豆科植物【3 1 1 ；1 9 9 5 年郭静利用 芦苇塘、风眼莲塘、香蒲塘三种植物净化系统对地热废水进行了处理，芦苇、风 眼莲和香蒲对氟的去除率3 7 、4 0 、4 6 ；对f 、a s 、c d 去除效果顺序为风眼 莲 芦苇 香蒲；用香蒲处理含铅锌的废水，s s 的去除率达至u 9 9 ，p b 、z n 、分 吸收机能，同时使滤材发挥吸c d 的去除率达到8 4 9 0 f 3 2 1 。 从以上的研究情况来看植物在净化水体方面确实起到了不可低估的作用，但 是把这些理论结果应用到实践的污水处理中，还有很多环节需要控制和把握，而 植物以何种形式作用于水体，并能产生最高的去除效率是植物修复中最需要研究 的一个环节。 2 4 植物净化水体的主要形式 植物净化水质的研究主要有：水耕栽培植物、生态湿地植被净化、水生植物 和滤材结合利用和生态浮岛净化四种形式。其中，目前研究和应用的最多的是生 态湿地和生态浮岛。 2 4 1 水耕栽培植物 这种净化水体的形式是指将某些植物栽培于水池中，然后使待净化的污水以 一定的流量进入培养池，污水在经过植物根系的过程中营养成分被植物吸收，颗 粒物逐渐沉淀，使污水逐步得到净化，到出水口流出时水质已得到相当程度的净 化。适于用水耕栽培的植物是某些蔬菜、水果和花卉，如可食的水芹、薄荷、荷 兰芹、空心菜等，或是花卉中的勿忘草等。而且所栽培的水耕作物收获后可以直 接获得经济收益，日常的维护管理也简单易行。 2 4 2 水生植物和滤材结合 是指把天然矿物滤材沸石等与水生植物组合起来，使植物发挥氧附、过滤机 能及附着微生物的净化机能，从而形成复合的水质净化系统。本法也适用于用蔬 菜或花卉等有用植物来净化水质。在水道内所充填的沸石量，应与植物的耐湿高 度相对应，一般情况下网箱内所充填的沸石的高度应为比水面高1 0c m 。 2 4 3 生态浮岛 这种净化方式是指在湖泊、池塘的水面上，利用竹子或可降解的泡沫塑料板 等做成的、能漂浮在水面上且可承受一定质量的浮床上种植植物，让根系伸入污 水中吸收污水中的水分、氮、磷以及其他营养元素来满足植物生长需要，通过收 获植物而把污水中的氮、磷等污染物去除f 3 3 1 。已经报道的生态浮岛形式有泡沫板 栽培和人工蛭石袋栽培两种。 据不完全统计，到目前为止对用于净化富营养化水体的高等植物进行过研究 的有近8 0 种，主要是一年生或多年生草本植物和花卉等。目前已用于或可用于人 工生物浮床净化水体的植物主要有1 3 8 l ：美人蕉科的美人蕉( c a n n ag e n e r a l i s b a i l e y ) ；禾本科的芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 、荻rm i s c a n t h u ss a c c h a r i f l o r u s ) ， 多花黑麦草rl o l i u mm u h i f l o r u m l a m ) 、稗草( e c h i n o c h l o ac r u s g a l l i ( l ) b e a u v ) 、 水稻( d s a t i v al ) 、香根草( v e t i v a r i az i z a n i o i d e s ) 、牛筋草re l e u s i n ei n d i c al g a e r t h ) ；香蒲科的香蒲( t y p h aa n g u s t a t ab o r y e tc h a u b ) ；天南星科的菖蒲 9 ( a c o r u ac a l a m u sl ) 、石菖蒲( a c o r u st a t a r i n o w i is c h o t t ) 、水浮莲( p i s t i a $ t r a t i o t e s ) 、海芋( r h i z o m a a l o c a s i a eo d o r a e ) ；雨久花科的风跟莲( e i c h h o n i a c r a s s i p e s ) ；蓼科的土大黄( r u m e x j a p o n i c u sh o u r i ) ；伞形科的水芹菜0 和f l 删 g r a v e d e n s ) ：唇形科的芝麻花( p h y s o s t e g i av i r g i n i a n a ) ：莎草科的旱伞草( c y p e r u s a l t e r n i f o l i u s ) ；灯心草科的灯心草( y u n c u se f f u s e sl ) 。 由于不同植物的生理特性不同、净化富营养化水体的效果不同、收获用途或 经济价值不一样，因此选择出适合环境特点、具有较高净化能力的浮床植物或植 物组合就是人工生物浮床要解决的关键问题之一。 2 4 4 人工湿地 人工湿地是由自然湿地发展而来的，是由特定的基质( 一定比例的填料) 和 特定的植物( 去污能力强、成活率高、生长期长、美观而且经济的水生或者湿地 植物) 组成的生态系统，介质、水生植物和微生物是人工湿地的基本组分1 3 9 1 。人 工湿地改变了湿地的传统形态，通过科学的设计和改造，用系统中的物理化学和 生物三重协同来实现对污水的高效处理。按照污水在湿地的流动方式，可将人工 湿地分为表面流湿地、潜流湿地和垂直湿地三种类型。 人工湿地技术在国外已经得到了广泛的应用，在美国已经有6 0 0 多处人工湿 地工程用于处理农业和工业污水，大部分以潜流湿地为主；在欧洲，人工湿地 也得到较快的推广和应用，在丹麦、德国和英国各国至少有2 0 0 处人工湿地系统 正在运行【4 1 】：在日本比较典型的是度良赖储水池人工湿地；我国的人工湿地起步 较晚，大部分的研究尚处于中试和小试规模的净化机理和处理效果上，工程应用 还比较少，已经应用的有1 9 9 4 年在我国滇池建立的人工湿地系统，该系统对t n 的去除率为3 5 5 6 0 左右，x c n , 的去除率为2 4 4 4 8 ；2 0 0 2 年中国科学院 南京地理与湖泊研究所和云南玉溪市环科所设计的抚仙湖人工湿地投入运行，监 测结果表明湿地对各项污染指标去除率分别达到了：c o d8 7 8 、b o d6 8 7 、 s s9 6 3 、t p 3 2 4 、t n3 6 o ，出水水质也有处理前的类提高到i 水质：2 0 0 2 年官厅人工湿地投入运行，该湿地对水库沿岸面源污染进行了处理，结果表明当 时水中的t n 为5 o 9 0m g l ，1 1 p 为0 6 5 0 。8 5m g l 时，湿地对t n 和t p 的去除率 为5 0 和4 0 左右。各项研究表明，生态湿地是具有广大发展前景的一种植物净 化污水形式。 3 本研究的主要内容和方法 1 0 3 1 研究的内容 3 1 1 跃进湖污染现状剖析 3 1 2 跃进湖富营养化状态综合评价 3 1 3 跃进湖富营养化生态治理方案制定 3 1 4 跃进湖富营养化生态治理技术的研究 3 2 研究的预期目标 3 2 1 对跃进湖的污染源情况进行调查和分析，并对其水质进行分析和总结，全 面把握跃进湖的污染动态特征，为综合治理跃进湖采取合理的措施提供依据。 3 2 2 在水质监测数据的基础上，采用评分法对跃进湖2 0 0 5 年和2 0 0 6 年的富营养 化状态进行综合评价，从整体上把握跃进湖富营养化程度以及富营养化的发展趋 势。 3 2 3 从生态结构的角度制定的相应生态综合治理方案，为调整跃进湖的生态结 构及对其进行生态修复提供可行性方案。 3 2 4 通过模拟人工湿地实验和生态浮岛实验，为植物修复技术在湖泊富营养化 治理中的应用提供理论依据。 3 3 研究的技术路线 污染源调查 水质监测选用评分法 污染现状的剖析富营养化综合评价 制定综合治理方案 治理方法1 ：人工湿地的研究治理方法2 ：生态浮岛的研究 圈卜1 本研究的技术路线示意图 f i g l 1m 叩o f t e c h n i c a lr o u t ea b o u tt h er e s e a r c h 第二章跃进湖污染现状的剖析 1 跃进湖的基本概况 湖南省烈士公园位于长沙市东北部的浏阳河畔，始建于1 9 5 1 年，面积为1 5 3 3 公顷，其中水域面积为6 7 6 公顷，迄今为湖南省最大的集纪念与游览于一体的综 合性公园，每年接待游客达5 0 0 多万人次，是湖南省有名的旅游景点，也是湖南 省园林系统的重要组成部分，同时也是长沙市生态城市景观生态系统中的重要生 态节点。烈士公园不但具有不可替代的旅游价值和文化价值，同时还具独特的生 态价值。 跃进湖位于长沙市烈士公园东北角的民俗村旁，是长沙境内浏阳河十八道弯 截流而成的人工湖，现有水域面积1 9 4 4 公顷，是长沙市仅存几个大的城市内湖 之一。跃进湖在烈士公园内承担着很多功能，首先，是烈士公园内的重要水源， 其次，是公园内重要的娱乐水体，更重要的是跃进湖是烈士公园生态旅游重要组 成部分。 2 跃进湖污染源情况 一般来说，水体的污染源都可以分为点污染源( p o i n ts o u r c c s ) 和非点污染 源( n o n - p o 砸s o u r c e s ) 两种形式。点污染源是指有一定的产生范围和固定的排放 点的污染源，其特点是：污染物排放点固定，所排放的污染物种类、特性、浓度 和排放时间固定，排放的强度大，对局部的水域有很大的影响。跃进湖最主要的 点污染源为城市污水。据考察，跃进湖一共有1 3 个城市污水进口，湖东北角一个 来自城东北方向的入口是最大的城市污水进口，根据调查统计，该污水进口每天 大概有1 0 0 吨左右的城市污水流入跃进湖，尽管每天能从附近的排污口排出4 0 吨 污水至浏阳河，但是这一个污水进口的流量使其对跃进湖产生了严重的污染；在 雨季，城市下水道的雨水和城市管道系统的生活污水混合直接排入长沙市第二污 水处理厂，产生了一部分二污厂未能及时处理的城市污水，这一部分混合污水也 直接排入到跃进湖，是该湖另一致命的点污染源；另外民俗文化村和电视塔职工 居住区所产生的生活污水，也是跃进湖主要的点污染源。 非点污染源是指除工业废水，生活污水等有固定排放口之外的其他各种类型 的污染源，有时候也称为面污染源。烈士公园内的非点污染源包括两种形式，一 种是污染源通过陆地地表进入湖体；另一种是污染物直接进入湖体。园区内烧烤 场产生的大量的油污会因为雨水冲刷由陆地地表进入湖体，而为了维护公园的整 洁，园区道路的冲刷所产生的污水也是以地表径流的形式进入湖体；直接进入湖 体的污染物又分为人为的和自然的两种，人为的直接入湖污染物主要来自投饵饲 养和水面的娱乐活动，且水面娱乐活动产生的污染是最主要的，而自然的直接入 湖污染物则来自渗入地下水之后城市污水，直接从湖泊底部和周边进入湖泊，同 时由于近几十年以来，湖南省工业的迅速发展，长沙市的空气中污染物日趋增多， 所以降水和降尘也会给湖泊带来一定的污染。具体的污染源调查见图2 1 。 图2 1 跃进湖主要污染物调查示意图 f i 9 2 - 1t h ei n v e s t i g a t i o no ft h em a j o rp o l l u t i o ni ny u e j i nl a k e 3 跃进湖的水质分析 3 1 水质分析的材料 供试水样均采自湖南省烈士公园跃进湖内。 3 2 主要仪器和设备 j p b 6 0 7 型便携式溶解氧仪，7 2 1 分光光度计，p h s 3 c 精密酸度计，m s 3 微波消解c o d 测定仪，8 8 0 数字式b o d 5 测定仪，定氮仪，f a j a 型电子天平， 普通温度计，自制黑白度量盘，过滤器，抽滤瓶，真空泵，研磨器，离心机，比 色管，玻璃仪器等。 3 3 主要实验试剂 硫酸，抗坏血酸，钼酸铵，磷酸二氢钾，酒石酸锑氧钾，氢氧化钠，六次甲 基四胺，硫酸肼，硫酸亚铁，林菲罗啉，高锰酸钾，碘化汞，酒石酸钾钠，硫酸 锌，丙酮等。 3 4 实验方法 根据跃进湖的点污染源分布情况，分别在跃进湖设置了5 个监测点( a ，b ， c ，d ，e ) ，a 点为东北角污水进口处，b 和c 为随机选择的另外两个城市污水 进污口，d 和e 为湖中心随机选择的两个监测点，监测点设置见图2 2 。 本实验均在水面以下0 5 米处用取水器采集水样，在五个监测点各处采集1 l 水样混合成综合水样，加入相应的保存剂之后立即送往湖南农业大学资源环境学 院水污染处理实验室进行相关水质指标的分析，为了确保能采集到有代表性的水 样，采集时间均在上午9 点左右，且采用以每季采样两次的频度所得的年度测定 数据系列。 匆 图2 - 2 跃进湖采样点设管示意图 f i 9 2 - 2t h em a p o fs a m p l i n gd o t si ny u e j i nl a k e 3 5 测定指标和分析方法 1 4 3 5 1 物理指标 浊度：采用分光光度法测定。 温度；现场用温度计在各个监测点测定再求平均值。 d h 值：用酸度计测定。 透明度( s d ) ：用自制黑白度量盘测定。 3 5 2 化学指标 溶解氧( d o ) ：用便携式溶解氧仪测定。 高锰酸盐指数( c o d m 小用高锰酸钾法测定。 五日生化需氧量( b o d 5 ) ：b o d 5 测定仪测定。 营养盐( t n 和t p )