（水文学及水资源专业论文）大型挺水植物对乌梁素海营养元素去除能力研究.pdf

摘要 在富营养化湖泊的恢复与治理研究中，氮、磷污染已成为研究的焦点。本文以 寒冷干旱地区典型浅水草型湖泊乌梁素海为研究对象，基于2 0 0 6 - 2 0 0 8 年实 地监测数据，结合乌梁素海渔场提供的资料，选用鸟梁素海水生植物优势种大 型挺水植物芦苇，对乌梁素海营养盐的影响进行研究，分析了乌梁素海t n 、t p 浓 度2 0 0 6 - - 2 0 0 8 年的分布规律；在污染物运移降解实验场进行静水实验，分析了芦苇 对污染物浓度的净化能力；根据对乌梁素海芦苇的检测调查及当地提供的资料，对 乌梁素海的芦苇生物量、年产量、分布情况进行分析；对乌梁素海中芦苇体内的营 养盐含量进行分析，得出其变化规律，并根据成熟期芦苇营养盐含量，计算出芦苇 收割对营养盐的去除；建立理想状态下水质模型，模拟在理想状态下，即没有芦苇 的情况下乌梁素海出湖的营养盐浓度，再与实测值进行对比。说明芦苇存在对乌梁 素海的营养盐去除的意义。 关键词：干旱寒冷地区；乌梁素海；富营养化：挺水植物；营养盐去除；水质模型 t h e p u r i f i c a t i o na b i l i t i e so fe m e r g e n tp l a n t s ( p h r a g m i t e s ) f o r e u t r o p h i ce l e m e n t si nl a k ew u l i a n g s u h a i a b s t r a c t m o r ea n dm o r ei n t e r e s t sh a v eb e e nc o n c e n t r a t e do nt h eb e h a v i o r sa n dp r o c e s s e so f n i t r o g e na n dp h o s p h o ra st h e ya r er e g a r d e da st h em a j o ri n d e xf a c t o r sf o re u t r o p h i c a t i o n o fw a t e rb o d i e s b a s e do nt h eo b s e r v a t i o nd a t ab e t w e e n2 0 0 6 2 0 0 8i nl a k ew u l a n g s u h a i ， t h ep u r i f i c a t i o na b i l i t i e so fp h r a g m i t e sf o re u t r o p h i ce l e m e n t si nt h el a k ew e r ea n a l y z e d ， w h i c hi so n eo ft h em a i na q u a t i cp l a n t s t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i s t r i b u t i o n ， p r o d u c t i v i t y ，a n dt o t a lb i o m a s so fp h r a g m i t e sa n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o n c e n t r a t i o n s o ft na n dt pw a sa n a l y z e d m e a n w h i l eas e to fc o n s t r u c t e dp u r i f i c a t i o ne x p e r i m e n tw a s c a r r i e do u ti nt h ef i e l d t h eo b je c t i v ei st r y i n gt oq u a n t i f yt h ep u r i f i c a t i o nd e g r e eo f p h 厂a g m i t p sf o rt na n dt p t ot h i so b j e c t i v e ，am o d e lw a sb u i l tu pt o s i m u l a t et h et n a n dt pn a t u r a ld e g r a d a t i o nr e g u l a t i o nw i t h i nt h el a k ew i t h o u tt h ee f f e c t so fp h r a g m i t e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp h r a g m i t e st a k e sav e r yi m p o r t a n tr o l eb ym e a n so fp u r i f i c a t i o n o fe u t r o p h i c a t i o ni nt h el a k e k e yw o r d s ：a r i d a n dc o l d z o n e ；e u t r o p h i c a t i o n ；e m e r g e n t p l a n t ；p u r i f i c a t i o n ；耽，p ， q u a l i t ym o d e l l i n g d ir e c t e db y ：p r o f l ic h a n g y o u a p p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：y a n gz h iy a n ( h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e se n g i n e e r i n g ) ( c 0 1 1 e g eo f w a t e rr e s o u r c e sa n dc i v i le n g i n e e r i n g ，i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ，h u h h o t ，0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 插图清单 1 图1本文技术路线图6 2 图2 乌梁素海地理位置图8 3 图3 乌梁素海及周边放大图8 4 图4巴彦淖尔市河套灌区灌排系统图9 5 图52 0 0 6 年4 月10 月温度变化1 0 6 图62 0 0 6 年4 月1 0 月降雨与蒸发变化1 0 7 图72 0 0 6 年4 月l o 月湿度变化1 0 8 图82 0 0 6 年4 月1 0 月大气压变化1 0 9 图92 0 0 6 年4 月1 0 月风速变化一1 l 1 0 图1 0 乌梁素海浮游植物全年各藻门密度组成比例1 5 1 1 图l l乌梁素海浮游植物全年各藻门生物量组成e 巴例1 5 1 2 图1 2 乌梁素海大型浮游动物丰度及组成比例1 6 1 3 图1 3乌梁素海浮游动物生物量及组成比例1 6 1 4 图1 4 乌梁素海水质监测点布设图1 7 1 5 图1 5 实验桶布设示意图1 9 1 6 图1 62 0 0 6 2 0 0 8 年乌梁素海t n 浓度空间分布图2 1 1 7 图1 72 0 0 6 - - 2 0 0 8 年乌梁素海t p 空间分布图2 2 1 8 图1 82 0 0 8 年乌梁素海t n 浓度时间分布图。2 4 1 9 图1 92 0 0 8 年乌梁素海t p 浓度时间分布图2 4 2 0 图2 0 乌梁素海芦苇分布图2 6 2 1 图2 1乌梁素海水域及芦苇面积变化情况2 6 2 2 图2 2 芦苇生物量随时间变化2 7 2 3 图2 3 芦苇初水分随时间变化2 7 2 4 图2 4 芦苇对水体中污染物去除随时间变化2 9 2 5 图2 5 芦苇中营养盐含量随时间变化3 1 2 6 图2 6 芦苇照片3 3 2 7 图2 7 污染物在湖中扩散示意图3 8 2 8 图2 8 乌梁素海常年取水点分布图3 9 2 9 图2 92 0 0 6 2 0 0 8 年水深变化图4 0 3 0 图3 0 乌梁素海流场图4 l 3 1 图3 1 3 2 图3 2 3 3 图3 3 3 4 图3 4 3 5 图3 5 2 0 0 6 - 2 0 0 8 年理想状态下t n 自净浓度场4 3 2 0 0 6 - - - - 2 0 0 8 年理想状态下t p 自净浓度场。4 4 乌梁素海2 0 0 6 2 0 0 8 年总氮( t n ) 实测与模拟对比图4 5 乌梁素海2 0 0 6 - - 2 0 0 8 年总磷( t p ) 实测与模拟对比图：4 6 乌梁素海功能带划分图。4 7 附表清单 1 表1 乌梁素海多年平均形态特征参数1 2 2 表2 乌梁素海历年水域面积1 2 3 表3 乌粱素海浮游植物种类组成1 5 4 表4 部分室内实验方法18 5 表52 0 0 6 - 2 0 0 8 年乌梁素海t n 、t p 浓度2 5 6 表6 各个实验桶中芦苇对污水中污染物的去除率。3 0 7 表7 乌梁素海营养盐2 0 0 8 年入湖量3 3 8 表8 乌粱素海营养盐含量、去除量、停留量3 4 9 表92 0 0 6 - - - , 2 0 0 8 年乌梁素海芦苇产量、价格、价值表3 4 l o 表1 0 参数已确定值3 9 l1 表l1 总排干沟2 0 0 6 - - 2 0 0 8 年排水量4 0 1 2 表1 2 实测取样点距排污口距离，计算结果4 l 1 3 表1 32 0 0 6 2 0 0 8 年取样点实测数据与模型计算最大最小值分析4 6 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他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 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：掏志名 日期：妒，f 多 导师指导研究生学位论文的承诺 卜一莎l 本人承诺：我的研究生j 錾琵秘 所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担 指导教师签名 日 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他 论文作者签名：物焘生指导教师签名 日 期：竺1 2 ：堡 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 绪论 1 1 选题背景 水是人类生命的命脉，是人类及生物赖以生存不可缺少的基本物质。虽然地球 表面2 3 被水覆盖，然而9 7 无法饮用，不到3 是淡水中又有2 是以冰川的形式 封存。仅有不到的1 淡水资源可供人类直接利用。随着地球上人口的迅速增长、 社会的不断进步，生产速度发展，水已经变得越来越珍贵。 随着我国经济的发展，生产生活水平的提高，我国水体污染也日益严重，据统 计，在流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中，已有9 3 被不同程度污染；湖泊和 水库的水质也较差，7 5 以上的湖泊、水库富营养化程度加剧。 水库、湖泊水体富营养化已经成为全球性的环境问题之一。富营养化影响着世 界范围内的水生生态系统，其中由于生产、生活废水及农田退水排入导致湖泊中氮、 磷等营养元素含量不断增加，已经引起世界各国的广泛关注n 1 。 我国幅员辽阔、水系发达，拥有很多的湖泊。湖泊被称为地球之肾，在我国国 民经济发展及我国的气候变化中起着重要的作用。人们按照我国湖泊区域特性，将 我国的湖泊分布划分为五大湖区心1 ，即东部平原区、蒙新高原区、云贵高原区、青 藏高原区及东北平原地区与山区。 其中，深居内陆干旱区的蒙新高原区降水比较少，水面蒸发量大，干旱半干旱 的气候条件导致区内湖泊主要为中小型的咸水湖或盐湖，大型湖泊及淡水湖泊较少。 例如，在广阔的内蒙古高原，面积大于l k m 2 的湖泊总共有6 1 0 多个，其中盐湖3 7 0 多个，面积约1 5 3 4 k m 2 ，占湖泊总面积的2 8 6 ；咸水、微咸水湖泊约2 0 0 多个， 面积约1 0 2 9 k m 2 ，占湖泊总面积的1 9 2 ；淡水湖泊4 0 多个，面积约2 8 0 0 k m 2 ，占 湖泊总数的6 5 ，占湖泊总面积的5 2 2 。尽管内蒙古高原淡水湖泊的数量较少， 但面积较大，同时淡水湖泊资源对于维持干旱区经济、环境、生态协调可持续发展 具有毋庸置疑的关键作用。 目前，水体富营养化问题正严重影响着人类的生存环境，因此迫切需要采取有 效措施对其进行治理，并总结出治理方法，其中包括：物理净化法，化学净化 法，微生物净化法，自然净化法。自然净化是通过恢复水体自净功能去除降解 污染物质的一种方法。 国内外已广泛开展利用高等水生植物修复技术净化富营养化水体的研究，并取 得了一定的成果口3 。我国利用水生植物净化水质的研究始于上世纪7 0 年代中期，包 括静态条件下单一物种及多种植物配植对污染物浓度较高的污水的净化作用，以及 动态方法研究水生植物对污水的处理效果。利用植物对n 、p 等营养元素的吸收， 从而降低水体富营养化程度。同时水生植物的生长可以抑制藻类的大量繁殖，是治 理、调节和抑制水体富营养化的有效途径之一。水生高等植物能有效地净化富营养 化湖水，提高水体的自净能力。 2 大型挺水植物对乌梁素海营养元素去除能力研究 鉴于上述情况，研究治理寒冷干旱地区湖泊富营养化水体己刻不容缓。近几十 年来，随着研究深入，人们逐渐认识到水生植物在河流、湖泊系统中的重要作用。 水生植物是水生态系统的初级生产者，能够有效地吸收水体中氮磷等营养元素，从 而净化水质，恢复受损的生态环境。 因此，研究水生植物对湖泊富营养化水体的净化能力，对于治理湖泊富营养化 水体具有重要现实意义。 1 2 水体的富营养化危害及其治理 水是人类及一切生命体赖以生存的重要物质，又是社会、经济发展的基础物质 之一，但地球上可供人利用的淡水资源很少，主要是河流、湖泊及水库h 。然而， 随着城市和工农业不断的发展，大量未经处理的城市生活污水和工农业废水直接流 入江河、湖泊中，致使湖泊、江河中的n 、p 等营养元素不断增加，水体的初级生 产力逐渐提高，促使大量藻类的生物量以及其它水生生物过度繁殖，造成水中的溶 解氧和透明度的下降、水质恶化、产生异味、水体功能遭到破坏，进而导致水体的 富营养化进程加速发展，显然t n 、t p 等营养盐的排入是发生富营养化的必要条件。 国际上将水体中t p 浓度高于o 0 2 m g l 或者t n 浓度高于0 2 m g l 时即视为富营养 化水体副。 富营养化现象一旦出现，水就不能被人畜直接利用，就会影响人们的日常生活 和生产活动。富营养化将水体原有的生态平衡打破，藻类在富营养化水体表面大量 繁殖，可以获得足够的阳光和二氧化碳进行光合作用，放出氧气使表层水具有充足 的溶解氧，有时甚至达到过饱和状态；但是，藻类生长的同时导致水体透明度降低， 阳光很难进入水下，处在深层水体的植物光合作用减弱，使深层的溶解氧量减少； 大量生物以及有机物残体沉积在水体底层，在其腐烂分解的过程中也会消耗水中的 溶解氧，从而导致水体处于厌氧状态，加速了底泥中营养盐的溶出，形成了富营养 化水体的恶性循环。在缺氧的情况下，有机物被微生物分解时会产生c i - 1 4 、h 2 s 等 有毒害气体；富营养化水体中还存在能使人畜中毒受害的n 0 2 。n 和n 0 3 一n 等物质 1 。同时，有些藻类还会分泌出具有肝脏毒性、神经毒性和遗传毒性的毒素n 1 ，严 重威胁人类的健康。目前己知的蓝藻毒素有6 0 余种，4 0 - 7 5 的蓝藻“水华”经 小白鼠生物检证证明是有毒的哺3 。在2 6 0 多种赤潮生物中已知有毒的有7 8 种，且随 水体中n 浓度的增加藻毒素的产量也会随之增加，n 浓度的增加可促进蓝藻细胞的 生长和产毒。已经有因使用含有藻毒素的水体引起人和牲畜中毒或死亡事的报道。 如：内蒙古呼伦贝尔大草原的密湖富含有毒的蓝绿藻，牲畜饮湖水后死亡。巴西等 世界许多国家都有过类似报道。 水体富营养化的治理已经成为当今世界性环境难题。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及治理措施，根据田伟君等阳1 研究 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 可将目前国内外的水体净化技术分为以下几种： 物理净化法：即采用物理的、机械的方法对污染水体进行人工净化。它包括： 引水稀释和底泥疏浚技术n 们。其优点是工艺设备简单、易于操作，处理效果十分明 显，但往往治标不治本。 化学净化法：通过向污染水体投加化学药剂，使药剂与污染物质发生化学反 应，生成化学沉淀的，从而达到去除水体中污染物的目的。抑制藻类大量繁殖可投 加化学杀藻剂硫酸铜；除磷可投加药剂有c a o ( 形成c a 3 ( p 0 4 ) 2 磷酸钙) 、a 1 2 s 0 4 、 f e c l 3 等。其优点是具有针对性，但费用较高，而且还易造成二次污染。 微生物净化法：利用微生物的氧化分解有机物的能力，通过人工措施来创造 更有利于微生物生长和繁殖的环境，从而提高对污染水体有机物的氧化降解效率。 它包括投菌技术、生物膜技术和曝气充氧技术1 。 自然净化法：通过恢复水体自净功能去除降解污染物质的一种方法。自然净 化法应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能相关的原则，充分 发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，达到净化水体的目的。 以上方法各有利弊，其中自然净化法主要是根据生物自身的特性，调节生态系 统的平衡。人们正逐渐试图以此方法来达到净化的目的。 自然净化法的实质就是恢复生态系统平衡，即通过调控水生生态系统结构，恢 复自然的、健康的和稳定的水生生态系统功能，增强对外界干扰的缓冲能力，使水 生生态系统处于良性和可持续循环当中n 副。因此，提高水体自身的生物净化作用才 是解决水体富营养化的根本。作为水生生态系统的生产者，水生植物便成为了自然 净化法的关键因素。因为在水生生态系统中，植物处于核心地位，它的光合作用使 系统可以直接利用太阳能，而植物的生长带来的适宜的栖息环境，使多样化的生命 形式在系统中的生存也成为可能，并且正是植物和这些生物的联合作用使污染物得 以降解伽耵。 1 3 国内外研究进展 水生植物是一个生态学范畴上的类群，是不同分类群植物通过长期适应水环境 而形成的趋同性适应类型，主要包括两大类：水生维管束植物和高等藻类，水生维 管束植物主要的特征是具有发达的机械组织，植株个体比较高大，水生维管束植物 主要包括4 个类型：挺水植物，漂浮植物，浮叶植物和沉水植物。这些类型的水生 植物在长期净化水体的过程中，主要形成了三大生态系统：挺水植物生态系统，漂 浮植物生态系统和沉水植物生态系统n 纠刀 通过大量的试验研究，国内外学者发现了许多对富营养化水体具有很好的净化 作用的水生植物物种n ，包括水葫芦、芦苇、香蒲、喜旱莲子草、菹草、伊乐藻、 水芹菜等等。其中包括，王旭明池1 等利用水芹菜净化污水，发现3 天内水芹菜对t n 、 4 大型挺水植物对乌梁素海营养元素去除能力研究 t p 的吸收率分别达到6 6 7 和7 3 7 ，而且去除率会随着温度的升高增加。刘淑媛 等利用人工基质无土栽培的多花黑麦净化污水，发现多花黑麦对t n 、n h 4 + - n 、 n 0 3 - n 、t p 、p 0 4 3 - p 等的去除率均达到8 0 以上。 在以上研究的基础上，人们进一步在水生植物中筛选出净化效果最佳的物种， 很多专家学者在这方面也进行了研究陋3 侧。其中包括，李芳柏心3 1 采用漂浮栽培美人 蕉、水蕹菜、水稻等4 种植物对废水的净化试验，结果表明，4 种植物对污染物均 有一定的净化效果，综合评价结果为美人蕉 水蕹菜 水稻 野生稻。童昌华乜钔等利 用水生植物净化和底泥遮蔽的方法对养鱼池的富营养化水体进行了控制研究。结果 表明，金鱼藻等6 种水生植物对水中t n 、t p 和n 0 3 - - n 都有较好的去除效果，其 中以狐尾藻和微齿眼子菜两种效果最佳。程伟瞳朝通过研究发现由于挺水植物比沉水 植物有更大的生物量和更为发达的根系，所以挺水植物对污水的净化效果、对污染 负荷变化的适应性以及耐污能力均优于沉水植物。所以在用于污水处理时，应将挺 水植物置于沉水植物之前。 随着人工湿地的推广应用，目前已有越来越多的其他水生植物应用于人工湿地， 而且均取得了良好的效果。例如，成水平等乜7 1 利用香蒲、灯心草人工湿地对城镇污 水和人工污水污染物进行净化，同时调查了香蒲、灯心草不同季节的生长差异及高 浓度污水冲击负荷对两种水生植物生长的影响。试验结果表明，香蒲、灯心草人工 湿地净化城镇污水，出水水质总体上可达到国家i i 、i i i 类水面水标准。灯心草湿地 对污水中凯氏氮、t p 、c o d 的去除率基本在9 4 以上，n h a + - n 的去除率在8 2 7 9 9 7 之间；在一般条件下，香蒲湿地在夏季对凯氏氮、n h 4 + - n 的去除率在9 6 以 上，而在冬季较低。冬季，香蒲死亡，而灯心草生长一直旺盛。因此，在北纬3 0 。 附近灯心草生长时间长，是人工湿地较为适宜的水生植物，特别是其在冬季生长良 好，是该地区更为理想的净水植物。吴振斌等妇盯则利用多种不同的水生植物湿地系 统处理生活污水，结果表明，水生植物在系统净化中起到明显作用，其中以茭白 石菖蒲系统的效果最好。刘爱芬瞳钔等分别研究了在相同、不同水力负荷条件下人 工湿地组合工艺系统对浮游动物群落结构的影响。结果表明，春、夏、秋季的作用 强于冬季，而秋季对浮游动物群落结构的影响最大；对大型浮游动物的影响大( 去 除率7 0 ) ，对小型浮游动物的影响相对较小。 1 4 大型挺水植物芦苇 芦苇是一种禾本科的多年生高大挺水草本植物，具有很广的适应性和很强的抗 逆性，生长季节长，生长快，生物量大，产量高，并且s e i d e l 口等很多学者发现芦 苇是一种良好的净水植物，具有一定的分解净化能力，能去除污水中大量的有机物 和无机物。 芦苇具有发达的根状茎根系，在湿地土壤中纵横交错，形成了庞大的网络结构， 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 为微生物提供大面积的生物膜附着物，并且芦苇体内具有中空的通气组织，根部生 长着大量很细的根毛。氧气通过叶片、茎以及根状茎的通气组织被输送到达根毛， 并从根毛分泌出来，形成一个厚度小于l m m 充满氧气的围绕着根毛的液体薄膜， 在芦苇根区形成特殊的生态条件，这种根际可以供养大量的需氧微生物种群，且使 其生物活性增加，z 日匕l - - , 加速污水中有机质的分解d 小3 副。据段晓男等测定，乌梁素海芦 苇根系年释放的甲烷高达1 1 5 6 7 t 3 1 。对芦苇湿地系统在处理废水前后的氧化还原势 表明，在湿地处理废水以前，随光照强度的增加及光照时间的延长芦苇根区的氧化 还原势逐渐升高，在夜间则逐渐降低口引。这也说明芦苇光合作用产生的氧气通过根 和茎输送到地下根区，并导致了根区氧化还原势的变化，白天溶解氧呈现出累积效 应，到天黑达到最大值，晚上由于根系的呼吸及微生物的代谢作用，使水中的溶解 氧下降。而在湿地床处理废水的过程中溶解氧一天的变化不大，这是由于微生物利 用床体中的氧来氧化降解污染物而使床体中的溶解氧不能积累所致。 芦苇还具有良好的经济价值。芦苇的生物量很大，通过收割芦苇水面以上部分 并将其用于造纸原料、建筑材料和编织材料，不仅可带走湖泊中的污染物，湿地中 的n 和p ，这一机制提供了营养物质在陆地和湿地之间形成良性循环的途径，能减 轻水体富营养化的速度，还能够为当地的居民创造财富。 本文以乌梁素海为研究对象，乌梁素海是典型的草型浅水湖泊，生长着大量的 水生植物，其中以芦苇为优势种，由于其具有经济价值，当地每年对芦苇进行收割， 并带出大量的营养盐。因此，研究乌梁素海芦苇对营养盐去除具有现实意义。 1 5 研究的技术路线 本文以内蒙古乌梁素海为研究区，将乌梁素海在空间上以2 k mx2 k m 的正方形 网格剖分，利用网格的交点，以梅花形布置水样采样点，并选取j 1 1 、l 1 5 、w 2 三 点的芦苇进行分析。2 0 0 8 年8 月 - - - 9 月在总排干进行芦苇对水体中营养盐去除能力 的静水实验，其技术路线如图l 。 1 6 研究的内容与目的 本文以内蒙古乌梁素海为研究对象，主要进行水生植物对水体中营养盐的去除 能力及芦苇收割对乌梁素海营养盐去除的贡献。 乌梁素海是黄河流域内蒙段最大的湖泊，位于我国北方的内蒙古自治区境内， 地处蒙新高原寒冷干旱区。该种特殊气候的长期影响及水资源严重缺乏的条件下， 这些地区的湖泊也逐渐变为一种特殊类型，即干旱区草型浅水湖泊。因此，对于乌 梁素海的研究在于早区湖泊水环境研究中具有代表意义。由于干旱半干旱地区生态 环境脆弱，并且近5 0 年来，伴随着土地资源的大规模开发，人类活动的巨大影响， 加剧了乌梁素海水环境的恶化。水生植物对污水中污染物的去除能力研究在上世纪 6 大型挺水植物对乌梁素海营养元素去除能力研究 7 0 年代已有研究，现阶段主要将水生植物用于人工湿地的建设。乌梁素海具有强大 的野生芦苇群落，研究芦苇对乌梁素海营养盐的去除能力不仅是对乌梁素海有意义， 也是对干旱半干旱地区湖泊水环境治理的知识和经验的积攒。 国内外相关研究资料的阅览与分析 1 l 确定论文的研究思路与研究内容 上 监测数据资料的分析与模拟计算 上 1r1r1 r、r 湖 区 建 苗 氮 立苇 静 磷湖指水 分泊标 苫 布自数苇 数 对比分析。 净据去 据 水分除 分质析试 析模研验 研型究 究 1r 1 r1 r1 r 1 r 分析整理、得出规律、论文结论 图1 本文技术路线图 f i g it e c h n i q u er o u t eo ft h i sp a p e r 本文选用乌梁素海水生植物优势种芦苇进行对鸟梁素海营养盐的影响研 究，研究内容如下： l 、根据实测数据，分析乌梁素海2 0 0 6 - - - ，2 0 0 8 年t n 、t p 浓度分布规律。 2 、根据静水实验，分析了芦苇对水体中c o d 、t n 、t p 、n i - h + - n 、n 0 3 - n 、 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 n 0 2 - n 、p 0 4 3 p 等污染物浓度的净化能力。 3 、通过每月对湖上芦苇物理指标的检测调查，对乌梁素海的芦苇生物量、面积、 分布情况、年产量等进行分析，得出芦苇每年为当地居民生活、经济的贡献。 4 、对乌梁素海中芦苇中的营养盐含量进行分析，得出其变化规律，并根据成熟 期芦苇中营养盐含量，计算出每年芦苇收割对乌梁素海中营养盐的去除量。 5 、建立理想状态下水质模型，模拟在理想状态下，即没有芦苇的情况下乌梁素 海出湖的营养盐浓度，再与实测值进行对比。说明芦苇存在对乌梁素海的营养盐去 除的意义。 8 大型挺水植物对乌梁素海营养元素去除能力研究 2 研究区概况及试验方法 2 1 研究区概况 2 1 1 自然地理概况 乌梁素海位于我国内蒙古自治区巴彦淖尔市的乌拉特前旗境内( 图2 ) ，其地理 坐标介于北纬4 0 0 3 6 - - 4 10 0 3 ，东经1 0 8 0 4 3 1 0 8 0 5 7 之间，是黄河流域内蒙段最大 的湖泊。根据2 0 0 6 年t m 卫星遥感图像显示，乌梁素海现有的水域面积3 0 5 9 7 k m 2 ， 其中芦苇区面积为1 7 7 4 6 k m 2 ，明水区面积为1 2 8 5 1 k m 2 。湖泊呈南北长、东西窄的 狭长形态( 图3 ) ，其中南北长3 5 4 0 k m ，东西宽5 1 0 k m ，湖岸线长1 3 0 k m ，蓄 水2 5 3 3 亿m 3 。湖水深度多数区域在0 5 2 5 m 之间，最深能达到4 m ，多年平 均水深为0 7 m ，2 0 0 5 - - 一2 0 0 8 年水域的平均水深呈逐渐增加的趋势，2 0 0 5 年平均水 深为1 2 0 m ，2 0 0 6 年平均水深为1 3 1 m ，2 0 0 7 年平均水深为1 3 2 m ，2 0 0 8 年平均水 深为1 5 9 m 。湖泊所在地区四季更替明显，气温变化大，多年平均气温为7 3 ，全 年日照时数为3 1 8 5 5 h 。湖泊流域内降雨少而蒸发大，多年平均蒸发量为1 5 0 2 m m ， 平均降雨量为2 2 4 m m ，蒸发量是降雨量的6 7 倍。湖水于每年1 1 月末结冰，直到 翌年3 月末到4 月初开始融化，冰封期约为5 个月，全年无霜期为15 2 天。 图2 乌梁素海地理位置图 f i g 2m 印s h o w i n gg e o g r a p h yl o c a t i o no fs t u d ya r e a 排 鸟拉特前旗 ( 西山咀) 二点 图3 乌梁素海及周边放大图 f i g 3m a g n i f i e dm a po fw l 2 1 2 流域灌排系统概况 乌梁素海是内蒙古河套灌区排灌水系的重要组成部分，处在黄河河套平原末端， 属黄河内蒙段最大的湖泊，是当地农田退水、工业废水和生活污水的唯一承泄渠道， 是河套农业灌区目前6 9 0 0 k m 2 农田灌溉退水的唯一受纳水体和排水通道。灌区农田 退水经扬水站汇入乌梁素海，其退水经过西山咀镇( 乌拉特前旗政府所在地) 排入 一蓦 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 黄河( 图4 ) ，乌梁索海对灌区退水和控制当地的土地盐碱化起着关键作用。 河套平原是我国古老的农f f i 灌区之一，也是全国最大型的自流灌区之一其引 黄灌区总土地面积为74 1 0 5 k m 2 ，灌溉面积为3 7 6 x 1 0 5 k m 2 ；地势平坦，潍渠纵横 交错，北依阴山，南临黄河。咀西山咀镇为界，将黄河北部平原分为三部分，镇东 为三湖河平原以及前套平原，以西为后套平原( 图4 ) ，乌粱紊海位于后套平原的最 东端。乌梁素海形成于十九世纪中期，是由于黄河在大洪水后改道而形成的黄河 改道后，一个大的转弯被单独留了下来，电就是所谓的“u ”型湖。乌梁索海北靠 狼山南麓山前冲洪积平原，东接乌拉山洪积阶地，西部和南部为黄河北岸冲积平原。 由于乌梁素海位于后套冲淤积平原下游，地势最低，可直接纳入后套农业灌溉退水。 其中后套灌区主要种植小麦、玉米以及小麦一玉米的套种，小面积用于种植向日葵、 放牧、森林、果园、油料植物及甜菜。其农f f 退水及工业、生活的污废水经总排干 沟、通济干渠、八排干沟、长济干渠、九排干沟、塔布干渠、十排干沟流入乌粱素 海，经乌梁素海南端的西山咀镇汇入黄河( 图3 、图4 ) ，其中总排干沟汇集了很多 排干的排水，是乌梁素海主要的补给水源，9 0 以上的农田退水由总排排八湖泊。 夹杂者大量污染物的污废水被排入乌粱索海后，造成了乌梁素海的水体富营养化等 污染，将近一半的水面被芦苇覆盖，其余的水面也被水草覆盖，使乌梁索海成为典 型的浅水草型水体富营养化湖泊。乌梁素海位置十分重要，是后套灌区排水的总出 口，因此，要使乌粱素海可持续利用，必须进一步加强对湖泊水环境的研究与治理 工作，不断建设和完善该湖泊。 事 # 十日m a i n d r a i n a g e c a l 圈4b 彦掉尔市w 套灌区灌排系统图 f i g7 t h es y o f ir r i g a t i o na n dd r a i n a g co f h c l a o i nb a y r 1 0 大型挺水植物对乌梁素海营养元素去除能力研冤 2 1 3 水文气象条件 乌梁素海地处我国北方的寒冷干旱地区，属于内陆区的蒙新高原湖区，这种地 区太阳辐射强度大、降雨量小、蒸发量大、干湿期差异大，并且经常出现大风天气。 这种强烈的蒸发和大风天气对湖泊水环境会产生一定的影响，因此研究这种特殊气 候条件下的湖泊水环境变化情况，要掌握其特殊性以提出适合干旱区湖泊污染控制 与治理方案。 通过对2 0 0 6 年实测的水文气象资料分析，得出图5 图9 ，图5 描述了2 0 0 6 年4 月1 0 月温度的变化，图6 图9 分别是2 0 0 6 年4 月1 0 月降雨与蒸发、湿 度、大气压、风速的月变化曲线。从图中可以看出，乌梁素海区域在7 月温度达到 最高值3 2 1 。c 。降雨量在监测期内非常小，而且主要集中在8 月份。通过图6 还可 以看出蒸发强烈，乌梁素海平均每年的蒸发量大约是降雨量的6 7 倍，蒸发量在7 月、8 月达到最大值， 1 0 月的蒸发量最小。这主要是由于蒸发量与风速有很大的关 系，乌梁素海春季( 4 月、5 月) 由于风速较大而秋季( 9 月、1 0 月) 风速较小。湿 度随着时间的变化逐渐增加并在8 月份达到最大，9 月、1 0 月有所降低。大气压在 6 、7 月达到最低，9 月打到最高值。监测期内风速在4 月最大，随时间的变化逐渐 减小，而且最大值和最小值相差很大，但风向变化不大，风向在3 2 6 2 6 0 - 3 4 8 7 5 0 之间，属于北西北风( n n w ) 。 4 0 3 0 p 、，2 0 篓1 0 o 4567 891 0 月份 图52 0 0 6 年4 月1 0 月温度变化 f i g 5 t h ev a r i e t yo ft e m p e r a t u r ea p r - o c ti n2 0 0 6 1 2 0 1 0 0 豪8 0 。6 0 篝： o 4 5 6 7891 0 月份 图72 0 0 6 年4 月1 0 月湿度变化 f i g 7 t h ev a r i e t yo fh u m i d i t ya p r - o c ti n2 0 0 6 6 0 o5 0 善4 0 基3 o ! j 汾一一 一。k 、_ 0 目i 2 1 0 2 0 0 童 1 9 03 1 8 0 删 m 簇 1 6 0 456 7891 0 月份 图62 0 0 6 年4 月1 0 月降雨与蒸发变化 f i g 6 t h er a i n f a l la n de v a p o r a t i o na p r - o c ti n2 0 0 6 9 l o 主9 0 5 上 。9 0 0 崮 f8 9 5 k 8 9 0 456 7891 0 月份 图82 0 0 6 年4 月1 0 月大气压变化 f i g 8 t h ea i rp r e s s u r ea p r - o c ti n2 0 0 6 内蒙古农业大学硕士学位论文 一速度最大值一速度屉小值一速度平均值 5 0 r 十方向最大值十方向最小值 一方向甲均值 3 6 0 ，、4 0 毫 立3 0 蓑2 0 蝴 匿1 0 0 4567 月份 图92 0 0 6 年4 月1 0 月风速变化 f i g 9 t h ev a r i e t yo fw i n ds p e e da p r - o c ti n2 0 0 6 l o 3 5 0 3 4 0 ，、 皆 3 3 03 e 3 2 0 匿 3 1 0 3 0 0 2 1 4 地质、地貌特征及湖泊形态 后套平原( 包括乌梁素海) 的海拔在1 1 0 0 m 左右，东西长17 0 k m ，南北宽4 0 k m 。 由西南向东北微倾斜，至乌梁素海为最低。地下水比降也由西南向东北逐渐减小， 导致地下水流动渐趋微弱，水分上升作用渐趋增强，含盐量增大，造成土壤盐碱化。 乌梁素海是1 8 5 0 年由黄河改道而形成的河迹湖。由于狼山西部缺口，在西北 风作用下，导致阿拉善沙地流沙向东蔓延，加之色尔腾山、乌拉山等流域山洪所携 带泥沙的不断堆积，并不断向南扩展，促使河床不断抬高，到1 8 5 0 年将现在西山咀 以北早期黄河主流隔断1 5 k m 左右，造成黄河主流南移，留下故道一段，形成一半 弧形的长条洼地，即乌梁素海的前身。整个河套平原在地质上是一个内陆断陷盆地， 乌梁素海流域受狼山旋扭构造作用，形成扇面状。沉积层在本流域地层结构中分布 十分广泛，沉积层上部是冲积层，洪积层和风积层，下部是巨厚的新老第四纪湖相 淤积层。 乌梁素海流域内部地貌形态包括山麓阶地、山前冲洪积平原、黄河冲积湖积平 原及风成沙丘几个部分。黄河冲积湖积平原是河套平原的主体，土壤由细砂、粉砂、 亚砂土和亚粘土组成。沉积物分布一般以黄河故道上土质较粗，以砂质沉积物为主。 在黄河沉积分选作用下，乌梁素海流域土质有由西向东颗粒渐细的分布趋势。风积 物在本区的分布也很广泛，有些流动沙丘高度在2 - - 2 0 m 左右，半固定沙丘高1 2 m ，固定沙丘很缓，呈波状起伏，长满沙蓬等耐早植物。风蚀洼地主要分布于西北 东南一线，一般面积为o 5 - - 2 k m 2 ，深o 5 m 左右。山前冲洪积平原介于黄河冲积平 原与山麓洪积平原之间，组成物质以砂砾、碎石和砂为主，常夹有粘质砂土。在此 地带也有许多沙丘，高度一般在8 m 左右，丘间洼地一般在l k m 2 以内，多生长喜湿 性植物，因而沙地趋于稳定。乌梁素海流域最北端为山麓洪积平原，地形坡度较大， 1 2 大型挺水植物对乌梁素海营养元素去除能力研究 向南倾斜，坡度一般在3 0 7 0 。组成物质有明显的分带性，由洪积扇顶向下土质由 粗变细，分布顺序为砾石、碎石、小砾石、粗砂、细砂及粉砂、粘质砂土和砂质粘 土。在洪积扇交接处，常有南北向凹地，是洪沟和干谷。 乌梁素海湖泊形态特征可由表1 和表2 说明。 表1乌梁素海多年平均形态特征参数 t a b 1 t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fw u l i a n g s u h a il a k e 2 1 5 水环境污染主要特征 乌梁素海补给水源主要为河套灌区的农田退水，另外有少量的工业废水和生活 污水排入，每年大量的营养元素及污染物质的汇入加速了乌梁素海水环境的恶化和 湖泊的沼泽化，导致其成为世界上沼泽化发展速度较快的湖泊之一。乌梁素海水环 境污染特征表现为： ( 1 ) 河套灌区排入乌梁素海的污染物种类多、浓度高，致使湖泊水环境遭受 多种污染的破坏。 ( 2 ) 农业面源污染物氮、磷对水体的污染程度取决于从农田排出氮、磷的总 负荷量，总体上，氮污染大于磷污染。并使乌梁素海成为富营养化水体，且各项富 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 营养化指标有逐年上升的趋势。 ( 3 ) 芦苇和水草生长过于富集，在湖底形成巨厚的生物淤积，导致湖底正在 以6 - 9 m m a 的速度抬高。 ( 4 ) 湖泊的水环境状态随每年排入污水水量、水质的变化而变化。湖水矿化 度受灌区排水量、湖区水动力场及季节等因素的影响，在年内和年际间有明显差异。 ( 5 ) 枯水期湖水污染物浓度高，丰水期相对较低。 2 1 6 社会经济状况 河套灌区是典型的农业经济区，据2 0 0 6 年资料，当地总人口是1 4 5 万人，其中 农业人口是1 0 2 万人，总劳力4 4 万人。以农业