（水力学及河流动力学专业论文）水葫芦灾害及其生态水力学问题研究.pdf

摘要 摘要 水葫芦爆发性生长不仅使水生态环境遭受破坏，而且影响到河道的行洪安 全。本文在分析水葫芦目前带来灾害问题的基础上，通过水葫芦水生态修复功能 以及对河道行洪影响的试验研究，探讨和研究水葫芦灾害问题以及防治对策，为 对构建和谐生态水利工程提供参考，主要研究内容如下： 1 、通过水葫芦在不同水质、水流条件、溶解氧浓度、水葫芦覆盖率等条件 下的静态和动态试验，分析了放养期间水葫芦生物量及水质的阶段性变化，研究 水葫芦的生长特性与水质变化的相互关系。 2 、采用水槽全覆盖和半覆盖两种方式，利用多普勒流速仪对流经水葫芦覆 盖区的水流流速和沿程水位进行测量，研究分析流经水葫芦覆盖区的水动力特 性、流速分布、紊动强度、雷诺应力以及对行洪能力的影响，探导水葫芦发生叠 加的最低流速、压缩长度与流速的关系和阻力变化等相关的数据和规律。 3 、针对广东省惠州市潼湖水葫芦灾情，分析了水葫芦区域灾害形成机制， 提出相关的防灾减灾对策。同时建立了水葫芦灾害损失的评价模型，为水葫芦灾 害造成的经济损失提供评价与计算依据。 关键词：水葫芦；生物特性；水生态修复；行洪影响；阻力；灾害；资源化 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， 论文中不包含其他囊蓁萋羹冀雾蓁霎蓁蓥篓囊篓薹；羹霆一圄霪冀墼 羹鋈雾耄萋蠹雾蓁蓁冀茎蓁冀雾蓄霎纛薹蠹冀雨墅雾搏蓁蓄雾冀霎雾 霎雾；篓篓翼i 蓁蓁蓁薹薹雾羹； 雾羹雾雾| 蓁霎蓁；蒌雾震蓁 蓁雾嚣羹雾冀薹薹冀莛 摹攀妻蓥态学报 ，2 0 0 l ，1 2 ( 5 ) ： 7 8 0 7 8 6 【3 4 】金朝晖，庄源益，赵凡，柴英涛，戴树桂风眼莲提取物的抑藻作用及其分离鉴定【j 】天 津职业大学学报，1 9 9 9 年第1 期 【3 5 】陈芝兰，杨维东，刘沽生，谢瑾，江天久凤眼莲根系分泌物对塔玛亚历山大藻的化感 作用阴水生生物学报，2 0 0 5 年0 3 期 【3 6 】刘洁生，陈芝兰，杨维东，陈伟峰风眼莲根系丙酮提取物抑制赤潮藻类生长的机制研 究阴环境科学学报，2 0 0 6 ，2 6 ( 5 ) ：8 1 5 8 2 0 【3 7 】唐萍，吴国荣凤眼莲根系分泌物对栅列藻膜系统及光合作用的影响川连云港教育 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 水葫芦作为自然界的一种物种，在它的原产地生长状况并不是象现在其灾害 程度及防治到了不好收拾的地步，水葫芦从一种普通的植物演变成一种侵略性的 植物，它的爆发性生长除了自身具有很强的环境适应能力和生长能力以外，环境 变化也起到了加速催化作用。目前水葫芦普遍存在于大小江河、湖泊、河塘等水 环境中，在超量水葫芦的胁迫下，水体溶解氧降低，鱼类等其他水生动植物的栖 息地逐渐萎缩，水质严重恶化。水葫芦在生长区形成优势种群以后，水环境系统 失去了原有的平衡，水生态系统的结构和功能完整性遭到破坏，抗性和恢复能力 降低，稳定性和可持续性降低。其次，水葫芦作为一种漂浮性的植物，在河道中 大量存在，改变了原有水流结构，影响水流的流态，上游流速下降，一旦遇到洪 水，覆盖区前缘进口段的水葫芦，在水流的拖拽力作用下，水葫芦不断叠加，形 成所谓的“生物堤坝，容易造成过水断面较小的河道、闸门堵塞，对河道两岸， 水库大堤等建筑物的安全构成严重威胁。当然，水葫芦也有其有利的一面：它能 够快速有效的吸收n 、p 等富营养化元素，对水生态具有一定的修复功能，是目 前维管束水生植物应用于湿地、湖泊等水环境修复的优良植物。在当前孕灾环境 肥沃，受灾体和承载体抗性较为脆弱的条件下，研究水葫芦减灾措施难上加难， 解决水葫芦灾害的问题，除了研究控制水葫芦生长的各种方法以外兴其利，也 是一种减灾的对策。本文在研读国内外治理水葫芦灾害的研究成果的基础上，全 面分析了水葫芦有利和不利影响的两个方面，并通过相关试验研究，为解决水葫 芦目前带来的首要问题( 河道行洪和水生态的影响) ，同时也探讨了有关水葫芦 减灾措施以及水葫芦在河流生态建设和发展上的潜力，为构建和谐的水域生态环 境提供科学的理论依据。 1 2 水葫芦生物学特性 水葫芦，又名凤眼莲( e i c h o n l i ac r a s s i p e s ) 、凤眼兰( 蓝) 、假水仙、洋水仙、 布袋莲、水凤仙、水荷花、水( 生) 风信子、大水萍、布袋葵等，英文俗名为 w 乱e rh y a c m l ，学名：【e i c h h o n l i ac r 弱s i p 懿 ( m a n ) s 0 1 i l l s 】，属单子叶植物纲 ( m o n o c o t y l c d o n 既e ) ，百合目( l i l m o r ) ，雨久花科( p o n t e d 甜a c e ) 。作为一 第一章绪论 种漂浮性的水生植物，水葫芦根须比较发达，一般长约5 3 0 锄；茎由海绵组织 组成，中间形成一个空腔气囊，囊内含有大量空气，因此能直立漂浮在水面上： 叶为深绿色，呈倒心形或肾形，叶柄膨大成浮囊状，基部具有透明白色膜质的鞘 状苞片，叶腋间新生腋芽并由此发育新株；花呈穗状花序，一般有6 1 2 朵花， 花冠蓝紫色，呈漏斗状，花开后1 3 即凋谢，种子落入水体并在水中成熟。 水葫芦原产于南美洲委内瑞拉的奥里诺科河流域，1 9 0 1 年作为花卉从日本 引入我国台湾。水葫芦含有丰富的营养物质，每k g ( 干重) 水葫芦叶片中含维 生素b 1 、b 2 、b 6 、b 1 2 、c 分别为5 9 1 m g 、3 0 7 m g 、1 5 2 m g 、o 0 1 2 m g 和7 9 4 m g 。 每份鲜水葫芦含粗蛋白2 3 8 ，粗脂肪o 2 7 ，粗纤维o 9 1 ，无n 浸出物3 7 ，以及c a 、p 等无机盐类，是营养丰富的优质青饲料。因此作为猪饲料推广 种植，也用于喂养家禽等。2 0 世纪5 0 6 0 年代粮食极度短缺时期，水葫芦被广 泛放养于南方乡村河塘，后来出现其他的高蛋白等有机饲料，水葫芦逐渐被摒弃， 逸为野生。目前水葫芦广泛的分布在各江河、湖泊、河塘等水环境中。 水葫芦的繁殖能力极强，具有无性和有性两种繁殖方式，以无性繁殖为主。 每年的4 月份是水葫芦的繁殖初期，在适宜条件下通过匍匐茎每5 d 就能繁殖一 棵新植株，呈几何级数的增长方式。计算发现，在环境条件合适的情况下，一株 水葫芦一年内能繁殖1 4 亿棵分株，可以铺满1 4 0h m 2 的水面，鲜重高达2 8 0 0 0 t 【1 1 。 水葫芦长到一定时期，也能开花结实产生种子而进行有性繁殖，一支花序大约能 结3 0 0 粒种子，种子很小，千粒重为o 4 克左右，枣核状，黄褐色，种子沉积水 下污泥中可存活5 2 0 年【2 1 。水葫芦生长对水中的养分和p h 值要求并不高，当 水中盐分含量超过0 0 6 或0 0 l i n 0 儿时可使水葫芦致死；对n 、p 元素的耐受 性较高，水体中n 浓度达到1 5 1 4 2 6m o l l 时死亡；水体中p 浓度达到2 0 0 4m o l l 时死亡【3 1 。最适合的生长条件p h 值为7 ，p 含量2 岍，并有足够的n 元素。 当水体中含有充分的营养物质时，水葫芦生长高度可高达1 5 m 左右【4 】。 1 3 水葫芦灾害分布 目前水葫芦广泛的分布于4 0 m ( 葡萄牙) 到4 5 0 s ( 新西兰) 之间，对东南 亚、大洋州、北美以及非洲造成的危害都十分严重，全球有6 2 个国家遭其危害。 在中国，水葫芦现已广泛分布于华北、华东、华中和华南的1 7 个省市，尤以云 南、江苏、浙江、广东、福建、台湾、四川、湖南、湖北和河南南部发生较为严 2 第一章绪论 重( 见图1 1 ) ，是目前我国分布最广的外来入侵物种之一。政府每年在治理水葫 芦方面要花费大量的资金。据有关专家估计，每年因水葫芦灾害使中国蒙受8 0 1 0 0 亿元人民币的损失，其中仅治理费用一项就高达5 1 0 亿元人民币。台湾省 受水葫芦灾害的河道和排水渠达4 7 6 条，面积约6 1 1 公顷，每年的治理费用上亿 元台币。随着水葫芦的疯长泛滥，其危害的严重性日益递增，许多专家学者已经 开始关注水葫芦的生态问题和防治技术的研究。 图1 1 水葫芦在我国主要影响分布( 结合有关报道和文献记载绘制) 1 4 水葫芦防治技术 目前水葫芦防治主要是采用物理防治、化学防治、生物防治以及将这些方法 结合起来的综合治理措施。在国内，水葫芦的防治主要以人工打捞和机械防治进 行焚烧填埋的物理方式；化学防治对河流造成一定的有机污染，不能进行广泛的 使用，只能在局部地区使用；生物防治方面研究的很少，虽然国外很多的国家在 生物防治方面取得了成功，但国内对大规模使用生物来治理水葫芦还没有经过严 格的鉴定，其引入新物种的安全性还有待考证。 1 4 1 人工、机械打捞 人工打捞是目前治理水葫芦最常用的方法之一。打捞比较直接、快速，但是 打捞的成本比较高。据报道，每打捞1 t 的水葫芦需要花费将近5 0 元。在过去十 3 第一章绪论 年里，云南、浙江、福建、上海等地政府都曾组织人力打捞水葫芦。1 9 9 1 年， 云南昆明曾发动1 0 多万军民人工打捞。1 9 9 9 年为迎接世博会花费巨资治理滇池 上的水葫芦，但目前其防治效果还不理想，仍有逐年蔓延扩散趋势，政府每年还 要花费5 0 8 0 万元用于人工打捞。浙江省温州市的水葫芦发生面积达2 万h m 2 以上，水域覆盖面积超过2 3 ，1 9 9 9 年，市政府投入l 0 0 0 万元动员全市进行人 工打捞。福建莆田专门成立了水葫芦打捞办公室，每年花费5 0 0 万元。2 0 0 1 年 1 0 月，为让a p e c 会议代表看到一条清晰透亮的苏州河，上海市动用了1 2 艘清 洁船、3 0 多名工人，不间断地工作了近1 0 d ，才清除了河面上顺流而下的水葫芦， 共打捞起水葫芦4 5 5 t ，比较快速的解决了水葫芦成灾的局面。打捞除了要付出较 高的费用以外，对打捞上来的水葫芦的处理也会影响自然环境，有些地方目前是 采取晒干，焚烧等措施，大面积的焚烧带来了大量的烟尘，对局部的气候造成一 定的影响。 比起人工打捞，机械防治更具有见效快、费用低、对环境污染小的特点。人 工打捞1 i n 2 水葫芦成本约4 2 元，同样机械防除的成本就只有o 3 o 6 元。浙江 宁波，云南昆明，福建宁德分别设计制造过打捞船和割草机控制水葫芦。上海市 科技兴农重点攻关项目，专业治理水葫芦小型河道割草机于2 0 0 4 年1 月1 5 日正 式通过验收。据介绍这台割草机每小时可以收集1 2 1 8 t 水葫芦，清扫水面 1 0 6 0 0 m 2 。每班正常工作8 h ，一天捞起的水葫芦近1 0 0 t 。与人工收集每人相比， 效率整整提高2 0 倍，整个研发到制造只用了7 0 万资金。如果从国外进口一台类 似的设备，成本至少要翻一番。 表1 1目前国内水葫芦机械防治设备参考 机械型号 研制单位 作业能力( 8 h参考价格( 万 计)元) w h l 8 0 0 绍兴农机管理总站等 1 2 0 t1 3 z s 8 0 0 浙江省水利疏浚工程有限公司船厂3 8 讲 3 0 p 1 5 0 佛山农业机械研究所 o 8 1 6l 蛐2 小型河道割草上海电气集团现代农业装备成套设o 8 1 2h m 2 7 0 机备有限公司 s g j 2 0 水上割草江苏省水利机械制造总厂 4 8 6 4h m 2 机 4 第一章绪论 1 4 2 化学防治 化学防治具有见效快的特点，但会引起二次污染；死亡后的水葫芦残体沉入 河底，增加河底的淤泥量。通过试验发现对水葫芦防治效果好，对水生态环境污 染相对较轻的药剂主要有： ( 1 ) 5 0 块刃可溶性粉剂：该药剂以草甘磷为主料，双氧水作氧化剂，表 面活性剂作为添加剂。经揭阳市环境监测站试验表明：7 1 0 d 水葫芦明显出现 受害症状，1 2 d 基本上死亡，药剂以3 k 为宜。 ( 2 ) 农达( r 0 u n d u p ，通用名为g l y p h o s a t e ) ：有机磷类，4 l 的草甘磷水剂。 是高效、低毒、光谱性的内吸除草剂。药后水葫芦死亡率较高，腐烂下沉速度快， 且对水环境安全性较好。由于其对象甲的影响小，因此可选择与水葫芦象甲配合 使用，既可避免杀伤象甲，又使象甲保证充足的食料来源。目前农达是南方地区 用于防治水葫芦最常用的药品之一。 ( 3 ) 水花生净( 1 4 氯氟吡甲乳油) ：宁波农科院将水花生净与其他十几： 种除草剂作了对比试验，试验表明：水花生净1 5 0 0 倍液可有效控制水葫芦的发 生，药后3 0 d 株死亡率超过9 0 ，下沉率超过5 0 ，药后4 0 d 死亡率超过9 7 ， 下沉率超过7 7 。 ( 4 ) 葫芦净：4 0 水溶性两元复配粉剂，具有高度的内吸传导特性，能有 效的防除水葫芦、水花生，对水质几乎没有影响；但使用药量过大时，对鱼类的。 有一定的影响。 ( 5 ) 克无踪( p a r a q u a t ) ：为触杀灭生型除草剂，速效性好，处理的大多数水 葫芦在短时间内即死亡，但难以为天敌昆虫留下食料来源，而且对专食水葫芦象 甲成虫具有一定的致死作用。 ( 6 ) 3 6 草干氯磺可溶性粉剂：安徽植保总站针对水葫芦灾害进行了3 6 草干氯磺可溶性粉剂与4 l 的农达、l o 的氯磺隆聊田间对比试验，试验表 明：3 6 草氯s p 在水葫芦的分蘖期使用，防除效果较好，使用量以4 5 0 0 5 2 5 0 耐为宜，防除效果和农达相当，优于l o 的氯磺隆册，并且对鱼类等 水生动物安全，价格也比较低廉。 ( 7 ) 4 1 b i o f o l 伪水剂：该水剂是美国孟山都公司开发生产的草甘磷类除草 剂，经过浙江省植保总站试验表明：以1 0 0 倍液效果较好，未见对其他水生生物 5 第一章绪论 有不良影响，是目前较为理想的药剂；但也存在着水葫芦枯黄腐烂还需一定的时 间等问题。 表1 2 据文献记载对水葫芦做过试验筛选的药剂 药剂最佳倍液与用量评价 克无踪 1 0 0 效果显著 4 l 农达 5 0 效果显著 3 6 草干氯磺4 5 0 0 5 2 5 0 咖1 2 效果显著 4 1 b i o f 0 僦水剂 1 0 0 效果显著 水花生净 1 5 0 0 效果显著 飞锄3 0 0 5 0 0 9 庙效果显著 5 0 块刃可溶性粉剂 3 k 酣l i n 2 效果显著 葫芦净 3 8 5 9 兑水l o k g 效果显著 2 ，4 一d 5 0 0 0 效果显著 农时得( 苄嘧磺隆)有一定作用，对鱼类安全 精稳杀得 1 5 0无明显效果 都尔1 0 0 1 5 0 毫升庙无明显效果 乙草胺 1 0 0 无明显效果 恶草灵 3 0 0 4 0 0 亩 有一定作用。刍类毒性中等 施田补 7 5 无明显效果 使它隆1 5 0效果不明显 旱乐宝 1 0 0 无明显效果 稻无草 】0 0 0效果不明显 杀草丹 2 0 0 无明显效果 2 甲4 氯 1 5 0 效果显著 碧禾灵 2 0 0 效果显著 扑草净 1 5 0 效果显著 盖草能 2 0 0 无明显效果 神锄 1 0 0 0 无明显效果 草克星 1 5 0 0 效果显著 1 4 3 生物防治 由于人工、机械打捞不能从根本上治理水葫芦，化学防治又会引起环境的污 染。因此，目前美国等发达国家主要采用生物防治来控制水葫芦的疯长，生物防 治是目前国际上治理水葫芦的主流方法。其基本原理是依据有害生物天敌的 生态平衡理论，在有害生物的传入地通过引入原产地的天敌因子重新建立有害生 物天敌之间的相互调节、相互制约机制，恢复和保持这种生态平衡，或是利 用病原菌和植物化感作用来控制有害生物蔓延。生物防治主要有昆虫防治、病菌 防治、植物化感作用和其他水生动物等。 6 第一章绪论 ( 1 ) 目前已发现有7 0 多种取食水葫芦的节肢动物和3 种螨类。在昆虫防治 方面，其中最主要是2 种象甲n c h e t i i 埝b m c h i 和n e 0 c h 舐n ae i c h h o m i 。早在 1 9 7 6 年国外学者d e l o a c h 等人研究报道了水葫芦象甲的生物学特性，并将其对多 种农作物的寄生专一性做过专门的研究试验，对水葫芦象甲安全性给予肯定。随 后澳大利亚、印度、津巴布韦等国先后利用2 0 0 多种植物测定水葫芦象甲的寄生 范围，同样发现并证实了水葫芦象甲仅在水葫芦上完成发育，属专食性昆虫。由 于水葫芦象甲食性专一，因此也得到了广泛的应用，现已有3 0 多个国家或地区 引进释放，其中2 6 个国家建立了种群，在1 3 个国家成功控制了水葫芦危害。中 国对水葫芦生物防治研究起步较晚。1 9 9 9 年，中国农科院生物防治研究所分别 从美国、阿根廷引进专食性天敌昆虫水葫芦象甲n e o c h 池ac i c l l l l o m i a 和 n e 0 c h 晚m b m c l l i o ，并且在已释放的地区得到了有效的控制。虽然国内已有学者 研究表明水葫芦象甲食性专一，不会对其他植物造成危害，但是目前用生物防治 水葫芦还只是在试验阶段，不管从试验本身的全面性和意识上还没有得到广泛的 认可，水葫芦象甲暂时表现食性专一，但也有可能因环境的变化发生遗传变异， 带来不可预料的灾害性后果，因此其全面性还有待进一步验证。 ( 2 ) 除了昆虫对水葫芦有食性外，有些水生动物表现出对水葫芦有较强的 食性。大到脊椎动物，如海牛、草鱼，小到微生物之类。其中河蟹对水葫芦的生 长也会产生很大的影响。每年4 、5 月份水葫芦开始繁殖，利用河蟹对水葫芦新 根新茎的喜食性，对水葫芦初始阶段的生长产生抑制的作用。每公顷水葫芦投放 1 0 0 2 0 0k g 的扣蟹，约1 2 万只，3 0 天内有8 5 的植株的叶面变小，叶面边缘 干枯，植株变矮，分叶率下降了5 0 ；5 0 天后无分叶，有1 0 的植株枯死。而 每公顷投放7 5 k g 的大眼幼体，5 0 的植株有影响：6 0 d 才有8 5 植株叶面变小， 植株变矮，分叶率为5 ；9 0 d 内能有效地控制分叶，有1 0 1 5 植株枯死。 同时河蟹能增产1 5 纠别。 ( 3 ) 国外有些研究人员利用植物病原体对水葫芦进行生物控制，因水葫芦 的繁殖能力强、生长快，为抑制它的迅速蔓延滋长，研究发现选用一系列合适的 生物控制剂增加对水葫芦的生物胁迫，以降低它的繁殖力。从水生动物、昆虫防 治逐渐沿着微生物防治的方向发展，并且建立一系列病菌的种属的标本。1 9 6 8 年，英联邦生防所的d rf 川d b 锄e t t 在圭亚那、苏里南和巴西进行了真菌调查， 7 第一章绪论 在厄瓜多尔和秘鲁的亚马逊河上游流域收集水葫芦病菌，在此之前，墨西哥也进 行了致病菌调查研究。到目前为止，在澳大利亚、苏丹、埃及、泰国、南非、南 美和中美及东南亚等国家已经收集到6 0 多种水葫芦致病真菌。在巴西、墨西哥、 美国佛罗里达和委内瑞拉发现细菌也可侵染水葫芦叶片。从调查研究的结果来 看，除水葫芦原产地有病原菌存在外，其他国家或地区也有水葫芦致病菌。我国 发现半知菌纲的细极链格孢砧删at e 姗i s s i i i l a 、尖孢枝孢c l a d o s p 0 血m 0 x y s p o n 埘、l o t i o p s i s a d u s t a 和担子菌亚门真菌1 1 1 锄a t 印h o m s c u c 哪甜s ( 又称瓜亡 革菌) 。国际上，已经对病原菌的生长习性做了很多的研究，发现这些病原菌可 在水葫芦老叶上过冬，来年再次侵染水葫芦。因此，许多真菌病原体己被引入可 作为治理水葫芦的有潜力的生物控制剂，这些具有控制潜力的病菌包括： c e 哟s p i d mp i 硼砸( r b a 玎咖& e v 觚s ， 19 8 8 ) 、a c r 锄。疵吼z o n a t i 吼、砧t 锄撕a c i c h h o m i 、m y r o m i 啪r o r i d u m 、r k z o 曲d l l i as o l 锄i 和u i 司oe i c l l l l o n l i 等。 1 9 7 7 年c o l l w a y 和f 崩锄姐，1 9 8 4 年f r e e m 觚和c h a n l d a t t a n ，1 9 9 8 年m a r t i n 铭 和c h a n l d a t t 锄，2 0 0 1 年m a n i n 钇和g u t i e n 馄，1 9 9 7 年和2 0 0 1 年s h a b 肌a 等研 究人员分别对a e i c h h o m i 和c p i a r o p i 的生物特性、生物控制潜力、寄生专一 性方式等作重点研究，并把这种真菌制成一种乳油，用来控制水葫芦，效果较明 显，但需大规模对当地水体中的菌种进行筛选、驯化与培养。在国外，c c o s p 0 豫 r o d i i l a i l i i 防除水葫芦已经获得专利保护。 - ( 4 ) 利用植物之间的化感作用来抑制水葫芦的疯长。所谓化感作用是指一 种植物通过向环境释放化学物质而对另一种植物( 包括微生物) 所产生的直接或 间接的伤害作用。从化学角度上看是一种快速的防治措施，生物上是一种比较安 全的防治方法。在水葫芦疯长区，水葫芦根系分泌物对其他水生植物产生一定的 化感作用，同样其他植物也会产生某种分泌物对水葫芦生长起到抑制作用。马缨 丹水提液对水生植物的生长产生一定的抑制作用。马缨丹水提液含有7 种酚类化 合物，即水杨酸、龙胆酸、需琐酸、香豆素、阿魏酸、对羟基苯，其水提液对水 葫芦叶片生长产生明显的抑制作用，不同浓度马缨丹水提液对水葫芦的抑制作用 随浓度的增加抑制效果明显增强，较高浓度可使水葫芦整株干枯死亡，随着时间 的延长抑制效果也会明显提高【6 】。 第一章绪论 表1 3 研究和利用较多的水葫芦天敌 天 目科种名侵害状 敌 昆鞘翅目象甲科布奇水葫芦象甲成虫取食叶片和叶柄、幼虫 虫 c o l p t e m c u r c u l i o n i d a en e o d l e t i i l ab m c h i 蛀食叶柄、葡匐枝和株冠 水葫芦象甲成虫取食叶片和叶柄、幼虫 n e o c h e t i i l ae i c l l l l o m i a e 蛀食叶柄、葡匐枝和株冠 鳞翅目灯蛾科 p a l 勰昀s i l v e 妇g i l i d o i l e p i d o p t e 随夜蛾科 b e l l 瑚曩d i m 强 幼虫蛀食叶柄和株冠 n o c t i l i d a 屺p a m c l e st e n u i 8 螟蛾科 x l l b i d ai n f 吣e l l u s 幼虫蛀食叶片组织和叶柄 p y r a l i d a en i l ，h o g 咧p h a 删g i l 饨a l i s a 理羽触鲫b 咖a t a h 锄p s s 锄e o d 镐a l b i g u t s a l i s 幼虫蛀食叶柄和蕾 直翅目蝗科 c m n o p 8 剐l u 撕c l l m 取食水葫芦叶片和叶柄组 织，雌虫产卵于叶柄组织内 半翅目 盲蝽科蝽象 若虫和成虫均在叶的下边 h e t 口o l 砷e 扭 m i r i d a e e o c r i t c i t 锄黜 取食，导致水葫芦出现黄萎 c a t u i n e n s i s 病 双翅目长足虻科 n l d ，面锄 幼虫取食水葫芦叶柄形成 d i p t md o l i c h o p o d i d 小虫道，造成组织坏死，而 且为害相当严重 同翅目象蜡蝉科1 幻观i n 懿a c t a 毗盯 h o m o p t 啪 d i c 聊啦l 撕d a e 飞虱科m e g 锄e l u s 札l e 删s d e l p h a c i d b 哪 螨大翼甲螨科o 曲。謦d l 煳幼虫取食叶表面出现红色 类g a l 咖i d a et a 陀l 珊n 吐s斑点，若虫蛀食叶片组织， 扩展到顶端 真丝孢纲c 口c o 卿r o d i 瑚i i叶柄和叶片组织褪绿、组织 菌 h y l ，h 讲n 1 炉c t 铬c 删旧y 坏死 c 铆c o s p o mp i a r o p i 1 1 1 a 印 1 4 4 综合防治 由于水葫芦的各种防治技术都存在不足之处，比如人工、机械打捞的费用较 高，治标不治本，打捞上来还要进行后续的处理，占用更多的土地资源，处理不 当还会引起二次污染；有些国家地区的水葫芦生长区经常有鳄鱼的出现，也给打 捞工人造成生命的危险；有些地方船只难以到达，打捞也变成空谈。化学药剂的 大量使用使其他的水生植物、动物也受到了严重危害，同时化学药剂对环境的污 9 第一章绪论 染通过食物链累积后最终又会危害人类的健康。生物防治前景巨大，但还没有得 到广泛的认可，随着技术的不断发展，其安全性以及相关的保障技术也会发展起 来。总之这些方法之间的缺点可以通过科学合理的搭配使用，使治理效果更加明 显有效，同时也可以减少单一方法所带来的副作用，这就是综合防治技术。综合 防治技术是在结合水葫芦物理、化学、生物治理技术上的各自优势，取长补短， 研究水葫芦治理技术与其环境和非环境因子的互作关系，采取两种或两种以上的 防治技术联用的综合治理技术体系，从而使防治措施得到更好的优化，效果更加 的显著。综合防治技术融合了物理、化学、生物多学科的应用，并不是各种技术 的简单相加，而是它们有机的融合，彼此相互协调，弥补一方的缺点。目前，浙 江宁波、温州等地区初步进行了将生物防治和化学防治技术结合的试验性应用， 治理效果比较理想【| 7 1 。 1 5 水葫芦资源化利用潜力 水葫芦不仅能用于生产纸浆、有机肥、奶牛的饲料、制作家具、编织艺术品； 还可以做成饮料、药品、化妆用品、发电、制取沼气、有机肥等。但是由于开发 的成本比较高，要形成产业化还需要进一步深入的研究。 1 5 1 作为其他饲料的辅助材料 水葫芦含粗蛋白质2 3 8 ，粗脂肪o 2 7 ，粗纤维o 9 l ，无氮浸出物3 7 ， 不仅是猪的优质饲料，切碎、发酵或打浆后还可作为鸡、鸭、鹅的饲料和鱼的饵 料，7 0 年代常常作为养猪的青绿水生饲料。但水葫芦含水分多，不宜单一长期、 大量喂用，磨粉末后可以与其他饲料掺合使用，或作为辅助材料和其他优质饲料 配合使用，不但可以增加饲料的产量，还可以提高动物粪便的堆肥效率。 1 5 2 作为肥料及肥料调理剂 水葫芦茎叶( 干重) 具有很强的吸收、富集水中无机物的能力，无机离子中 水葫芦茎叶对钾的富集能力最高【8 】。因此，它的秸秆或粉料可直接作为肥料使用， 提高土壤的肥力，增加农作物的产量。动物的粪便是一种很好的有机肥料，但其 含有的c n 达不到粪便发酵的最佳值，为了更好的发挥高温堆肥的有点，采用 不同的有机物料和粪便混合，不仅能提高粪便的营养价值，而且可以杀死大量的 病菌等。水葫芦作为堆肥的一种调理剂，不仅可以使堆肥p h 值大幅度的上升， l o 第一章绪论 其水溶态和交换态的重金属活性受到了一定的抑制，处理发酵速度也最快【9 1 。 1 5 3 造纸材料 水葫芦还能作为造纸原料，在印度海得拉巴市和菲律宾安戈诺等地建立了以 水葫芦为原料的造纸厂，造出耐揉、耐湿的包装纸、写字纸、广告纸和卫生纸等。 虽然有些报道称水葫芦造纸成本太高，产量较低，随着技术的发展，可以将水葫 芦作为其他造纸材料的添加剂，提高纸张的质量。在制备抗油脂纸的竹浆原料中 掺入凤眼莲浆，可以增加所得纸张的物理强度【1 0 1 。 1 5 4 家居材料 水葫芦作为一种天然植物，具有材质轻，透气佳等特点。制出来的家具和家 饰品手感清爽，经过高科技加工和防腐处理后，具有防虫防蛀，牢固坚韧，富有 弹性，使用寿命长等特点。水葫芦家具不仅摒弃了油漆涂料等化学制品对居室环 境的污染，还为居室增添了一份闲情野趣，是e 时代编织家具最具质感的代表 之一。 1 5 5 药用价值 水葫芦含有能治疗多种疾病的药物成分，据l ：中药人辞典记载：水葫芦， 清热解毒、祛风出湿、治热疮、关节炎、风湿病，可内服也可外敷，配藻莎可治 风热感冒，配升麻可诱发斑疹，也可行水消肿，配蝉蜕可治皮肤痛痒。水葫芦总 黄酮含量丰富，具有明显抗菌、消炎功效，完全可将其用作提取抗菌、消炎物质 的资源植物。另外，水葫芦提取物对面部肌肤有收缩毛孔，控油功效，对痘症有 消炎止痛，促进脓点干化，加快脂肪粒释放的作用。 1 5 6 制造沼气原材料 水葫芦是一种良好的发酵原料，批量发酵每克干物质可生产沼气o 3 4 4 l 。常 温下，水葫芦预发酵后与废水按1 ：3 比例混合连续发酵，混合液每克c o d 可生 产沼气o 5 5 6 l 【1 1 1 。 1 6 流经水生植物的水流特性研究现状 河道中水生植物的种类较多，分为沉水植物、挺水植物、浮叶植物、漂浮植 物。水葫芦作为一种漂浮性水生植物，它的疯长对河道行洪造成一定的影响，关 于水葫芦等漂浮性水生植物的水流特性研究甚少。因此，研究水葫芦河道的水力 第一章绪论 特性，不仅在汛期水葫芦对河道行洪造成的影响提供相关的理论依据，而且对发 展生态型河道都具有重要的意义。关于有植被河道的水流水力特性研究，国内外 已经相继展开。流经植被的水流，其水流特性很大程度上取决于植被的类型、密 度和淹没状态、水流的速度和水深等。h s i e h ，“& s h e l l l l 2 】在矩形渠道中研究圆 柱后的波来检验大树对水流阻碍的影响。试验表明，对于整个床面有植被的水流 问题，流速的减小与种树密度和排列模式有关。n 等【1 3 】在矩形渠道中对淹没 的刚性和柔性的圆棒进行试验研究，发现水流阻力随植被密度的增加而增加。 c a m e w 订s o n 等【1 4 】通过有无枝叶植被过流现象的对比，进行的不同形式淹没植 被对明渠水流影响的研究。邱秀云等【1 5 】关于植物“柔性坝 的布置方式、种植 密度对河渠水流的影响研究，试验表明：坝长的阻水作用较坝的密度要大得多， 探讨了不同坝长和种植密度对水流的影响。拾兵等探讨了明渠的的树木对水流阻 力的影响，尝试推导了树丛水流基本方程及脉动形式。c h 【l6 】研究了有草皮宽 浅渠道的水流阻力效应，通过河床表面坡度的两种关系式推出了阻力系数的表达 式。m a 曲a d 锄和k b u w e n 【1 。7 】用松树幼苗模拟岸滩植被，通过达西公式、曼宁公 式，从边界平均切应力和动量平衡的角度推导出了等效糙率公式。j o r d 锄o v a 和 j 锄豁【墙】对河床出现植被影响输运进行了试验研究，给出了物形阻力系数的相关 公式。t e m p l e 【1 9 】研究淹没草的水流阻水效应，给出了植被的折合糙率。【幽和 i 沁抛a w a 【2 0 】用l d v 量测明渠水流流经柔性植被的垂向流速分布，他们观察到平 均流速分布在植被层顶部存在一偏转，还发现紊动强度和雷诺应力在此位置也达 到最大值，并向渠底和水面递减。黄本胜等【2 1 2 3 】结合珠江流域复式断面河槽的 特征和种树的实际情况，建立了九组不同滩高和不同滩槽宽度比的物理模型，对 不同水深、不同模拟材料以及树径与种树间距之比进行了种树前、后一百五十多 组次试验研究，王忖【2 4 】在其指导下对复式断面河道滩地种树的密度和排列方式 对水流的影响进行了相关试验，他们发现种树带宽度、漫滩水深、种树密度和排 列方式是影响河道水流的主要因素，在滩槽交界附近，垂线流速分布呈“s 一形 状。由于植被强烈的波动和偏转使水流变得很不稳定，植被的弯曲高度所对应的 水深是紊动强度最大的地方，通过比较紊动强度分布和流速垂线分布后发现偏转 点对应的相对水深也就是紊动强度最大的地方，这和( e d a 以及k 锄a z a w a 的结 论是一致的。石月珍【2 5 】在黄本胜等人的研究基础上，在水槽试验中进一步研究 1 2 第一章绪论 了双边滩地对称复式河道种树对行洪的影响，以及滩地种植密度、排列方式对水 流的影响等。陈秋月、袁梦掣2 6 】通过对有水葫芦河道的水力特性研究，进行了 不同的模型试验，通过不同水深，流量和水葫芦覆盖长度的试验比较，发现在水 葫芦的影响下，垂线流速发生改变，底部的流速明显增大，并且得到水位壅高和 水深流量的相互关系。分别得到了水葫芦压缩长度与雷诺数之间的关系等结果。 1 7 河流污染的水生植物修复技术 随着人类对资源开发的不断深入，社会经济的快速发展，由此产生大量的富 营养元素不断的排放到各江河、湖泊、水库等水环境中，引起水体富营养化污染。 传统的污水处理方法是将污水集中输送到污水处理厂，进行人工的强化加速微生 物分解营养物质从而使水体得到净化，虽然工艺成熟，处理效果明显，但由于建 造、运行、管理费用较高，中小型城市得不到广泛的应用。国家环保总局发布 2 0 0 6 年国家城市环境管理和综合整治年度报告显示，全国城市生活污水集中处理率 平均为4 2 5 5 ，2 0 0 个城市生活污水集中处理率为零，占总数的3 3 6 l ，全国 城市水域功能区水质达标率不升反降( 比上年下降7 2 4 ) 。与传统的污水处理 厂相比，利用水生植物进行生态修复，不仅投资、运行、管理维护费用低，还能 美化环境、使用寿命也较长，是一种高效低耗的水功能修复手段，对于有些利用 价值很低的土地，发展生态湿地可以充分发挥土地的自然属性。因此，利用水生 植物修复水体环境已成为环境领域研究的热点之一 1 7 1 水资源状况水污染现状 地球上水总储量为1 4 亿“，覆盖地球表面7 0 以上，其中9 7 5 是海水， 无法直接利用，人类直接利用的淡水只占2 5 ，而淡水中有7 0 是固态水，储 存在南北极和雪峰上，2 9 2 是地下水，真正能被人类方便使用的淡水仅占总水 量的0 2 6 左右。中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 1 2 4 亿 m 3 ，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第4 位，但人 均只有2 3 0 0 i i l 3 ，仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，加拿大的1 4 8 ，在世界 上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。 2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测网实际监测的 7 4 5 个地表水监测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i 类、类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 、2 8 。七大水系 1 3 第一章绪论 的1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i 类，类、v 类为4 6 、2 8 、2 6 。 其中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重 度污染【2 6 1 。目前全国城市污水年排放量为6 0 0 多亿吨，年增加量为3 0 亿吨。到 2 0 1 0 年，城市污水年排放量将增加到7 8 0 亿吨，城镇污水年排放量为2 7 0 亿吨， 合计为1 0 5 0 亿吨。6 0 的污水未经处理直接排放。 表1 4 全国近年废水及污染物排放量 项目废水排放量( 亿吨) c o d 排放量( 亿吨)氨n 排放量( 亿吨) 锻 合计工业生活合计 工业 生活合计 工业 生活 2 0 0 l4 3 2 9 2 0 2 62 3 0 31 4 0 4 86 0 7 57 9 7 - 31 2 5 24 1 38 3 0 2 0 0 24 3 9 52 0 7 22 3 2 31 3 6 6 95 8 4 07 8 2 91 2 8 84 2 18 6 7 2 0 0 34 6 0 o2 1 2 42 4 7 61 3 3 3 65 1 1 98 2 1 71 2 9 74 0 48 9 3 2 0 0 34 8 2 42 2 1 12 6 1 31 3 3 9 25 0 9 78 2 9 51 3 3 04 2 29 0 8 2 0 0 55 2 4 52 4 3 i2 8 1 41 4 1 4 25 5 4 88 5 9 41 4 9 85 2 59 7 3 2 0 0 65 3 7 o2 3 9 5 2 9 7 51 4 2 8 21 4 1 34 2 19 9 2 ( 国家环保总局，2 0 0 6 年中国环境状况公报) 1 7 2 高等水生植物生态修复机理 水生植物作为水生态系统中最重要的初级生产者，具有较强的吸收和储存营 养物质的能力，保持水体长期的稳定和清澈状态，是水污染治理与生态修复技术 可考虑的一个方向。目前水生态修复主要针对太湖、滇池等大型湖泊，忽视了城 市、农村等区域内的小型水域。而小型水域周围人类活动较为频繁，其边际效应 较强，因此通过高等水生植物对水体的修复，改善水体环境也显得更加重要。归 纳起来，高等水生植物的修复作用其方式主要包括物理过程、化学过程、生物过 程及协同作用。植物修复机理( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 可分为以下几种： ( 1 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) ：依靠植物的吸收、富集在植物可收获 的部位，通过植物收割将污染物从介质中移除。 ( 2 ) 植物固定( p h y t o s t a b i l i s a t i o n ) ：依靠植物对污染物的固定作用，减 少污染物对生态环境的影响。 ( 3 ) 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) ：通过植物将污染土壤或水体中的 某些可气化的污染物挥发到大气中，并通过大气而稀释，如h g 、s e 、n 等。 1 4 第一章绪论 ( 4 ) 植物过滤( p h y t o i n f i l t r a t i o n ) ：通过植物的根系吸附、吸收和固定 水体中的污染物，通过植物茎叶和气生根过滤大气中的气态或悬浮颗粒态污染 物，也可归类到植物过滤。 ( 5 ) 植物加强的降解作用( p h y t o e n h a n c e dd e g r a d a t i o n ) ：通过植物根际 效应增强微生物对有机污染物的降解作用，甚至污染物被吸收到植物体内通过体 内微生物或酶使污染物降解。 1 7 3 水葫芦的水生态修复功能 水葫芦作为一种水生植物，具有一般水生植物的自然属性，它能够有效的吸 收水体中n 、p 等元素，从而使水体得到净化。目前关于水葫芦在水生态修复功 能上的研究参差不齐。本文在阅读大量的相关文献的基础上，研究了诸多学者关 于水葫芦水生态修复的成果，总结了其中一些规律： 1 7 3 1 对水体p h 值的影响 水生植物都有其适应生长的p h 值范围，当水体中p h 值超过一定范围时， 植物表现为枯萎直至死亡。水葫芦最适合的p h 值范围在6 9 之间，当水体中 p h 值小于4 或大于1 2 时对水葫芦有致死效应。在水葫芦生长的水域内，p h 值 较低。造成p h 值下降原因，一方面是由于水葫芦的呼吸作用，c 0 2 从水葫芦的 茎叶部分输送到根部并释放到水体中；其次，水葫芦在生长过程中选择性的吸收 水体中的营养物质，同时为其他微生物提供较大的栖息空间，使微生物在分解有 机物时产生更多的有机酸所致。 1 7 3 2 物理吸附和沉降作用 水葫芦对水体的净化作用主要包括两方面：物理净化和生物净化两个方面。 物理净化主要是水葫芦对水体中某些悬浮物，大分子物质的吸附和沉降作用。一 般多年生水葫芦根须庞大，有利于增大水葫芦根部与水体中悬浮物等物质的接触 面积，提高对悬浮物的吸附能力。其次，当水流经过水葫芦覆盖区的时候，流速 明显下降，有利于水体中悬浮物的沉降，被这些悬浮物所吸附的n 、p 、有机质 以及重金属等污染物也随之从水体中沉降下来。 1 7 3 3 对营养物质n 、p 的吸收 水葫芦作为一种植物，在生长过程中需要吸收一定的n 、p 等营养元素。贺 1 5 第一章绪论 丽虹【2 7 l 等试验表明：重度污染水中，水葫芦放养4 周后对n 的吸收率达8 0 3 7 ， 对p 吸收率为7 9 4 7 ；中度污染水中，水葫芦对n 的吸收率为8 0 9 7 ，对p 吸收率为8 1 5 3 ；在轻度污染水中，水葫芦对n 的吸收率为8 2 7 8 ，对p 吸 收率为8 2 0 5 。娄敏【2 8 】试验表明：无水葫芦的水样6 d 后n 下降了1 1 0 ，有 水葫芦的水样n 下降了1 7 8 0 ；无水葫芦水样p 下降了1 6 8 ，有水葫芦的水 样p 下降了8 4 4 ；无水葫芦水样d o 下降了5 6 ，有水葫芦的水样d o 下降 了1 1 7 5 。井波【2 9 】等试验表明：在放养水葫芦的排灰水t n 、1 1 p 含量都有不同 程度的增加，可能是排灰水p h 值较高影响水葫芦对n 、p 的吸收。蒋艾青【3 0 】通 过试验塘和对照塘的比较试验，隔3 0d 后对水池进行各个参数的测定，发现种 植水葫芦的试验塘中氨氮、硝氮、总氮、c o d 的去除率分别为7 0 、8 8 1 、 7 3 1 、5 6 ，与对照塘相比，去除效果显著。余远松【3 i 】利用水葫芦处理大型养 猪场废水试验发现，水葫芦覆盖面积占总面积7 0 ，3 0 d 后废水c o d 去除率达 6 9 ，t n 去除率达7 5 。万志刚等【3 】对1 0 种不同水生植物试验比较发现：水 葫芦对水体中的t n 去除率为8 3 0 9 ，仰去除率为8 0 3 0 ，效果明显优于其 他水生植物。林东刹3 2 】等通过试验发现，水葫芦不同期间对猪场污水t n 的去除 率分别是9 4 2 4 、6 8 6 5 、5 5 8 7 ；t p 的去除率分别是6 6 5 2 、5 3 3 4 、 3 5 6 7 ；c o d 盯的去除率分别是4 7 8 7 、2 4 0 2 、4 6 7 5 。同时也发现水葫芦 在不同时期的净化效果不同，主要与试验时的温度和植物