（环境工程专业论文）慈姑对磷、氮污染物的去除规律研究.pdf

摘要 本论文结合“8 6 3 ”专项_ 太湖水污染控制与水体修复技术及工程示范”项 目，通过室内静态试验，分析慈姑与水质改善之间的关系和机理，同时探讨了慈 姑在太湖流域农、i p 面源污染去除上的应用。得出了以下结论： ( 1 ) 慈姑在奋、夏、秋、冬分别经历萌芽期、旺盛生长期、结球期和体眠期。 慈妯在旧季的去污效果基本i ：是温度越高、生长状况越好，效梁越好。慈姑对氮、 磷的累积在夏、冬达到峰值，分别累积在叶和球茎里。应在冬末、眷初慈姑球茎 成熟时及时采收。 ( 2 ) 通过慈姑在彳i 同浓度水体巾去污效果的试验可知，慈姑在各种污染程度 水体中都有一定的净化效果。总磷的适应范围较大，从o 2 9m g l 到1 4 5 4r 1 g l ， 去除率均达到5 5 以上：总氮较差，高等浓度水体中去除率只有2 3 7 ；c o d m 。 的适应范围最火，从1 1 9 7m g l 到2 8 ，9 6m g l ，去除率均达到6 0 以上。 ( 3 ) 通过氮、磷冗素在慈姑水体土壤系统i | 1 的迁移和转化试验可知，氮、 磷从水体迁移到了土壤、慈姑体内，由叶片向球茎转移。其中主要依靠微生物的 降解作用，士壤的吸附作用和慈姑的吸收作用。 ( 4 ) 在把慈姑用于太湖流域的农业面源污染治理问题上，研究发现，可采用 在稻田周围排水沟巾种植慈姑，或将稻田污水引入慈姑湿地处理两种方案，则每 年通过收获慈姑可去除约8 6 9 9 和9 6 0 0 的氮和磷，还会获得良好的经济价值。 因此认为，慈姑植株高大、根系复杂、适应性好，并有优美的外观和很好的 经济价值，是适用于太湖流域农业面源污染治理的高效、经济的生物修复植物。 关键词慈盘【：l j生态修复农业而源总磷总氮 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ec o m b i n e sw i t hap r o j e c to f 8 6 3 ”一t h et e c h n i q u ea n dt h e e n g i n e e r i n g d e m o n s t r a t i o no fw a t e r p o l l u t i o n c o n t r o la n d a q u a t i c e c o s y s t e m r e e s t a b l i s h m e n ti nt a il a k e ，t a k e st h es t a t i ce x p e r i m e n ti n d o o r s ， a n a l y z e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i a l i n n a n d i m p r o v e m e n t o f w a t e r q u a l i t ya n d t h em e c h a n i s m ，d i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o n o f s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n o na g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni n t al a k e 1 h ec o n c l u s i o n sa r ea sf e l l o w ： ( 1 ) s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n e x p e r i e n c e st h ep e r i o do fb u d d i n g 、 p r o s p e r o u sg r o w i n g 、c o r m sg r o w i n g a n d s l e e p i n g w i t ht h es e a s o n s c h a n g e f h ec o n c l u s i o n i s ，t h e h i g h e rt e m p e r a t u r e i s ，t h e b e t t e r s a g i t t a r i a s a g i t t i f o l i al i l m g r o w e s a n dt h eb e t t e rt h e e f f e c ti s b o t hi nw i n t e ra n d s u m m e r , a c c u m u l a t i o n o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s i nt h e s a g i t t a r i a s a g i t t i f o l i al i n n a d d su p t ot h ep e a kv a l u ea n di ta c c u m u l a t e si nl e a v e si n s u m m e ra n di nc o r m si nw i n t e r t h e r e f o r e ，w es h o u l dp i c ku pi ta tt h ee n d o fw i n t e ro r b e g i n n i n go fs p r i n g ( 2 ) i n t h ee x p e r i m e n to f s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n w i p p i n g o f f p o l l u t a n t i nw a s t e w a t e ro fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n ，s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i l l n h a s g o o de f f e c to np u r i f i c a t i o ni n d i f f e r e n t s e w a g e t h ea p p l i c a b l er a n g eo f t o t a lp h o s p h o r u si sw i d e ，f r o m0 2 9 m g lt o1 4 5 4m g l ，a n dt h er e m o v a l r a t eo fi tr e a c h e sm o r et h a n5 5p e r c e n t t h er e m o v a lr a t eo ft o t a ln i t r o g e n i s o n l y 2 3 7 p e r c e n t i nt h e s e w a g e o fm i d d l ec o n c e n t r a t i o n t h e a p p l i c a b l er a n g eo f c o d m 。i s t h ew i d e s t ，f r o m11 9 7m g lt o2 8 9 6m g l ， a n dt h er e m o v a lr a t er e a c h e sm o r et h a n6 0 p e r c e n t ( 3 ) i nt h ee x p e r i m e n to ft r a n s f e ra n dt r a n s f o r m a t i o n o fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si n t h es y s t e mo fs a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n ，w a t e ra n ds o i l ， p h o s p h o r u s a n d n i t r o g e n t r a n s f e r sf r o mw a t e rt ob o i la n d s a g i t t a r i a s a g i t t i f o l i al i n n ，t h e nf r o ml e a v e st oc o r m s t h ep r o c e s sm a i n l yr e l i e so n t h e d e c o m p o s i t i o n o fm i c r o b e s ，a d h e s i o no fs o i l sa n d a b s o r p t i o n o f s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i l l n ( 4 ) i n t h ep r o b l e mo f u t i l i z i n gs a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n i n t ot r e a t m e n t o ft h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o ni nd r a i n a g eb a s i n o ft a il a k e ， w ef i n di fw e p l a n ts a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i l l l l a r o u n dt h ed r a i no rd i r e c t l y i n p u t t i n gs e w a g e si n t os a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n w e t l a n d s ，8 6 9 9p e r c e n t n i t r o g e na n d 9 6 p e r c e n tp h o s p h o r u s w i l lb er e m o v e di no n e y e a rb yd i g g i n g s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n i nt h es a m et i m e ，i ta l s oh a sg o o de c o n o m i c v a l u e a sa r e s u l t ，s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n i st a l l ，a n dh a s ac o m p l e xr o o t s y s t e ma n dg o o da d a p t a b i l i t y , a n da l s oh a sg o o da p p e a r a n c ea n de c o n o m i c v a l u e i ti sae f f i c i e n ta n de c o n o m i cp l a n tb e i n gu s e dt ot r e a ta g r i c u l t u r a l n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o ni nd r a i n a g e b a s i no ft a il a k e k e y w o r d s ： s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n ，e c o l o g i c a l r e e s t a b l i s h m e n t ， a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n ts o u r c e ，t o t a lp h o s p h o r u s ，t o t a ln i t r o g e 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： 2 0 0 5 年6 月1 0 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( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年6 月1 0 日 河海大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 水环境污染现状和面源污染 水是人类生存所必需的资源。地球表面约有7 0 以上被水覆盖，但淡水储量 仅占总水量的2 5 3 ，和人类生活、生产关系密切的淡水储量只占淡水总储量的 l1 ，总水量的0 3 t 1 i 。不仅如此，随着经济发展、人口增长及化肥农药和含磷洗 涤剂的使用，全球人均水资源拥有量日益下降，水体污染问题日趋严重。我国水 资源总量约2 8 1 2 4 亿m 3 ( 其中地下水8 0 0 0 亿m 3 ) ，居世界第六，而人均水资源只 有2 7 1 0 m 3 ，约为世界人均水资源量的1 4 2 1 。调查结果表t j j t 3 】：我国七大水系、部 分湖泊和部分近海岸均受到不同程度污染，一些主要的淡水湖泊受到富营养化的 严重威胁。2 0 0 4 年太湖和滇池外海均属中度寓营养状态，滇池草海更是处于重度 富营养状态，巢湖属于轻度富营养状态。全国有监测的1 2 0 0 多条河流已有8 5 0 条 受到污染。4 1 2 个水质监测断面中，i - - 1 1 1 类、v 类和劣v 类水质的断面比例 分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 。 水体氮、磷污染是造成水质下降的主要原因，会造成水体的富营养化现象。 富营养化水体会使某些藻类恶性繁殖，出现所谓的“水华”。这些藻类往往有一股 腥味，使水质下降，水体透明度减少，色度增加，水体变得混浊。其中的一些藻 类的蛋白质毒素，可富集在水产生物体内，并通过食物链使人r i ，毒。大量藻类同 时死亡时会耗去水中的氧，从而引起鱼类的大量死亡。含有大量藻协的富营养化 水体可使水流变缓，长期下去，大量藻类遗体可使湖、河变浅，最终成为沼泽地【4 1 。 水体氮、磷等营养物质主要包括从外部进入水体的氮、磷以及水体内部释放 进入水体的氮和磷。外源氮、磷主要通过面源污染和点源污染两种方式进入水体。 常见的面污染源主要有：农业而源污染、城市雨水径流污染、气载污染物污染、 水土流失以及水产养殖的残饵及排泄物等造成的污染。点污染源主要来自于生活 污水及工业废水的直接摊放或经处理后的尾水排放等两方面造成的污染。内源氮、 磷包括底泥中氮、磷的溶出1 5 1 。 农! 世面源污染是指人们在从事农业耕作活动时，由于使用化肥、农药，以及 农蹦水土流失而引起受纳水体( 如河流、湖泊、水库、海湾等) 的污染1 6 j 。匿源污 河海大学硕士研究生论文 染已成为世界各国水环境的一大主要污染源。面源污染中的主要污染物质正是氮、 磷营养元素。在美国，6 0 的水环境污染是由面源污染造成的。丹麦2 7 0 条河流中 9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷来自- j 一面源污染。荷兰来自于农业面源的总氮、总磷 分别占水环境污染总量的6 0 3 1 14 0 5 0 “。因此，在北美和西欧，非常重视面 源污染的研究和防治。 我国地表水污染物中，农业面源污染也占很大比重。湖泊5 0 以l ：的氮及3 0 以上的磷来自于农业面源污染。如太湖，农业而源氮量占入湖总氮量的7 7 ，磷 占3 3 4 博j 。氮、磷污染引起的湖泊富营养化现象十分严重。据对我国2 5 个湖泊 的调查，水体全氮无一例外超过了富营养化指标，9 2 的湖泊超过全磷富营养化的 临界值( 0 0 2 n l - l ) 1 9 o 我国农f 1 的氮肥使用量居世界首位，过量使片j 化肥正是产 生面源污染的主要原因。太湖流域的化肥使用量已从8 0 年代中期的4 0 0k g h m 2 增加到9 0 年代末的8 0 0k g h m 2 ，几乎翻了一番1 0 1 。而氮肥的利用率只有2 5 3 5 1 ，当季使用的氮肥有2 0 2 5 将随降雨径流和渗漏排入地表水旧”i 。长 期大量施用磷肥，导致耕层土壤处于富磷状态，在降雨冲刷和农f = = | 排水的情况下 就会加速磷向水体的迁移。据联合国粮农组织1 9 9 3 年统计，我国农田磷素进入水 体的通量为1 9 5k g h m 2 ，比美国高8 倍。 面源污染来源于非特定的、分散的地区，与土壤的侵蚀程度、化肥、农药的 使用量、农业耕作方式、地质地貌、区域降水过程等密切相关。冈此，和点源污 染相比，面源污染危害规模大，且难以监测和控制。随着对点源污染控制及治理 能力的提高，面源污染控制己成为改善水体环境质量的一个重要手段。 1 2 挺水植物在面源污染治理中的应用 1 - 2 1 面源污染的其它治理措旌 1 2 1 1 工程性措旌盼拍1 截污是控制面源污染的首要措施和根本措施。但是，对营养赫浓度较高的水体， 外源污染的影响已经不是十分明显，关键是如何去除内部的污染物质。 挖掘底泥减少了积累在表层底泥中的总氮和总磷量，而且增加深度，从而增加 了水体的环境容量。但暴露出来的深层底泥也有可能成为氮、磷的内源，进一步 河海大学硕士研究生论文 恶化水质，而且只是治标，不能治本，维持时间不久。 引水冲污能够有效、快速地稀释水体，但其稀释能力受引水方式、引水量、引 水水质等因素影响。 对于较深的湖泊或水库来说，在汛前排放底层高氮、磷含量水，将使无机磷的 排放量增加1 倍左右，从而做到防洪调度兼顾富营养化控制。 对湖水较深而出现厌氧层的水体采取定期或不定期人为湖底深层曝气充氧，使 水与底泥界而之问不出现厌氧层，有利于抑制底泥磷释放，对改善水质有利。 1 2 1 2 化学方法m 1 8 i 化学方法包括聚凝沉降和用化学药剂杀藻等。对那些溶解性营养物质如正磷酸 盐等，采用往湖中投加铁、钙、铝的盐类等化学物质使其生成沉淀而沉降。而使 用杀藻剂可杀死藻类，这适合于水华盈湖的水体。但长期使用会造成湖泊老化。 藻类被杀死后，水藻腐败分解仍旧会释放出磷。因此，死藻应及时捞出，或者再 投加适当的化学药品，将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。但化学药品的生物 富集和生物放大对整个生态系统的负面影响较大，而且长期使用还会产生抗药性。 1 2 1 3 生物修复技术 广义生物处理技术包括好氧处理、厌氧处理、厌氧好氧组合处理，以及利 用细菌、藻类、水生动植物的生物处理，利用湿地、土壤、河湖等自然净化能力 处理等。狭义的生物处理只包括好氧处理和厌氧处理。利用细菌、藻类、水生动 植物进行的生物处理称生物修复，利用湿地、土壤、河湖等自然净化的方法称为 生态修复。后二者常在一起结合使用，因此称为生物生态修复。生物学修复包括 生物降解和生物积累。凡生态系统中的生物能对天然的和合成的有机物质进行破 坏利矿化作用的过程，称之为生物降解。生物通过吸附、吸收、吞食等各种过程， 从周围环境中摄入污染物并滞尉在体内，当摄入量超过消除量时，污染物在生物 体内的浓度可比周围水中的浓度高出许多倍，这种现象称之为生物积累2 “2 ”。 藻类在生长过程中能吸收大量的氨氮、硝氮及无机磷等，从而降低富营养化 水体中的氮、磷水平，使蓝、绿藻山于失去赖以生存的高营养条件而无法在水体 巾大量繁殖，以达到以藻治藻的目的。但其体积微小、不利于收集，因此不适于 在湖泊、水库等大型水体中应用。水网藻因其体积较大而在近几年得到推广、应 用 2 2 、2 3 、2 。 河海大学硕士研究生论文 有效微生物群( e m ) 是指从自然界筛选出各种有益微生物，用特定的方法混 合培养所形成的微生物复合体系，其微生物组合以光合细菌、放线菌、酵母菌和 乳酸菌为主。微生物既可单独使用，也可作为植物修复的配套技术。它还可以与 其它技术相结合，成为综合技术或工程的一部分，在污水净化中发挥重要作用1 2 5 】。 物理生态工程1 26 j 是濮培民等经过1 0 多年的研究总结出来的，在湖泊富营养化 的控制方面起到了重要作用。该工程主要包括四项技术：a 能适应多种底质、风 浪、湖流条件的软隔离墙技术；b 水生生物群落镶嵌技术；c 捕藻技术：d 固定化 氮循环细菌技术。 土地处理技术1 27 j 作为一利，生态处理系统，它的去除对象主要是污染原水的有 机污染物及氨态氨，对悬浮物、浊度、重金属、有害有毒元素、病源微生物等也 有很好的去除效果。这种技术在我国目前主要用于微污染原水的给水预处理。国 外在这方面研究较多，目前也己取得不少成果，而且有实际工程运行。 s a t 系统 2 8 1 ，属于污水回用工程。原水经过氧化塘、石灰反应器、撇渣池， 然后经泵站打入s a t 系统，通过渗池入渗回到含水层中，使污水通过土壤含水 层系统达到净化，净化水通过回收井回收。但日处理能力不高。 砂滤系统 2 9 1 ，让污水经过砂体渗滤排除系统，达到净化f = j 的。其优点在于维 护和操作非常简便，投资省，而且处理效果比较好。缺点是水力负荷比较低，处 理能力小。 总之，随着控污技术的不断研究深入，人们已经掌握了很多治理污染水体的 手段，各有长处。因针对对象、适用范围和经济耗用不同而有不同的选择。而高 等植物，尤其挺水植物修复，因其效果显著、管理方便、适用范围广、低投入和 有观赏、经济价值等优点而越来越受到重视。 1 2 2 高等水生植物在面源污染治理中的功能 高等水生植物包括挺水植物、漂浮植物、根生浮叶植物和沉水植物。一方面， 水生植物自身能吸收一部分营养物质以满足植物体本身的生长发育需要；同时， 植物根区的存在为微型生物的生存及其对营养物质的降解提供了必要的场所和好 氧、厌氧的条件。因而高等植物并结合水体、土壤及其中微生物对去除水体中的 污染物效果显著。 河海大学硕士研究生论文 植物修复能改善水质观感性。李文朝等3 0 】选用耐寒植物伊乐藻( e l o d e a n u t t a l l i i ) 、菹草( p o l a m o g e t o nc f i s p u s l i n n ) 等沉水植物和喜温植物菱( t r a p a n a t a n s v a t b i s p i n o s a ) 、风跟莲( e i c h h o m i sc m s s i p e s ) 组建成了常绿型人工水生植被，形成 了生长期和净化功能的季节性交替互补。这种常绿型人工水生植被不仅使试验区 内常年保持较好的水质，而且对外来污染冲击有很强的缓冲能力。王国祥等3 1 1 选 取在太湖生长的喜旱莲予革( a l t e r n a n t h e r ap h i l o x e r o i d e s ) 、菱、水氅( h y d r o c h a r i s s p ) 、风眼莲、伊乐藻、金鱼藻( c e r a t o p h y l l u md e m e r s u m ) 、轮叶黑藻( h y d r i l l a v e r t i c i l l a t a ) 、紫背浮萍( s p i r o d e l a p o l y r h i z a ) 等高等水生植物在太湖五里湖中建立 人工复合生态系统。富营养化湖水经该系统净化后，藻类生物量( 以时绿素计) 下降5 8 ，氨氮下降6 6 ，总氮下降6 0 ，总磷下降7 2 ，可溶性磷酸盐下降8 0 ， 水质得到明显改善。 植物还可净化、吸收水体中的有害元素，伎废水达标或实现废水回用。郭静 等【3 2 等利用由芦苇( p l u c a g m i t e s ) 塘、风眼莲塘、香蒲( t y p h aa n g u s t i f o l i al ) 塘构 建的植物塘净化系统对地热废水( 经石灰沉淀法预处理) 进行净化，能吸收、富 集地热废水中氟、砷、铬等有害元素，处理后的废水可用于农业灌溉，塘内还出 现了多种藻类、鱼类。有些植物还能吸收污水中的重金属。姜必亮等用垃圾污 水渗滤液浇灌植物一年后，土壤中重金属的积累量未超过国际允许值，原液浇灌 的土壤酶活性受到抑制。豆科树对重金属的吸收积累非常强，适合职位垃圾填埋 场植被重建材料。 植物为水生生物多样性提供生态基硎j 。大多数沉水植物都具有丰富的营养价 值，为草食和杂食性鱼类提供了饲料基础，也间接支持了肉食食物链。沉水植物 表面还着生有大量藻类、原生动物和螺类，一旦沉水植物消失，将使水体生物群 落结构发生改变，即食物链缩短，水体中的螺类、草食性鱼类和凶猛性鱼类等减 少或消亡，滤食性鱼类增加f 3 4 。调查发现，我国洪湖、太湖、东湖、东平湖和阳 澄湖中水草的盛衰直接影响到鱼产量的丰歉口5 1 。 此外，植物还有经济价值和景观功能。 1 2 3 高等水生植物在面源污染治理中的应用 挺水植物修复是国外近年来发展很快的一利新的治污措施，是利用培育的植 河海大学硕士研究生论文 物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用， 从而使水体得到净化的技术。它是按照自然界规律去恢复其本来面貌，强化自然 爨的自净能力去治理被污染水体，具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗 能或低耗能、运行成本低廉等优点。另外，这种处理技术不向水体投放药剂，不 会形成二次污染，还可以与绿化环境及景观改善相结合，在治理区建设休闲和体 育设施，创造人与自然棚融合的优美环境。所以，这种廉价实用技术适用我困江、 河、湖、库等范围的污水治理。 ( 1 ) 人工湿地系统【3 6 j 人工湿地系统是本世纪七十年代发展起来的利用水生植物处理污水的新型废 水处理工艺。它具有处理效果好( 其对b o d 5 的去除率可达8 5 9 5 ，c o d 的 去除率可达8 0 以上，处理出水中的b o d 5 小于1 0 m g l 、悬浮物小于2 0m g l ) ， 氮、磷去除能力强( 对总氮和总磷的去除率分别可达6 0 季u9 0 ) ，运转、维护管 理方便，工程基建和运转费用低( 其暴建和运转费用分别为传统二级活性污泥法 处理工艺的1 1 0 至1 2 ) ，对负荷变化适应能力强，且为众多野生动物提供了栖息 地等主要特点，比较适合于技术管理水平不是很高、规模较小的城镇或乡村的污 水处理。 人工湿地可按污水在湿地床中流动的方式不同而分为三种类则：地表流湿地、 潜流湿地和垂直流湿地。人工湿地一般由人工基质( 一般为碎石) 和生长在其上 的水生植物等组成，是一个独特的土壤植物微生物生态系统。人工湿地污水 处理生态工程的净化原理是湿地生态环境中发生的物理、化学和生物学作用的综 合效应，包括沉淀、吸附、过滤、分解、固定、离子交换、络台反应、硝化和反 硝化作用、营养元素摄取、生命代谢活动的转化和细菌、真菌的异化作用等，从 而降低水体中氮、磷等营养元素及有机物等的含量，提高水质。 自1 9 7 4 年前西德首先建造人工湿地污水处理系统以来，这项技术在欧洲许多 幽家得到推广应用，并在美国和加拿等国得到迅速发展。目前，欧洲已有数以百 计的人工湿地系统在运行之中，其处理规模有大有小。我国在“七五”期间开始 人 ：湿地的研究工作。园家环保局华南环保所在深圳白泥坑建造了占地面积为 1 2 6 h m 2 、处理规模为3 1 0 0 m 3 d 的人工湿地示范工程。北京市环保所在北京昌平县 建成了处理规模为5 0 0 m 3 d 的芦苇湿地处理系统示范工程。天津市环保所建成了试 验室规模的人工湿地研究系统，并在1 9 8 7 年建成了我国第一个占地为6h m 2 ，处 6 河海大学硕士研究生论文 理规模为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工程。 ( 2 ) 净化塘 净化塘是以某种水生植物占绝对优势而组成的特殊水生生态系统，这个系统 通过水生植物群落的阻滤、沉降、吸附等物理作用以及植物体的吸收、积累等作 用而达到对污水的净化效果。净化塘从利用人工的净化塘发展到利用天然湖塘、 湖湾放养水生植物净化水质和底泥。由于植物会冈其生理特性对不同污染物质有 不同的吸收效应，净化塘在水生植物的利用上，山一科一植物为主发展到多种植物 搭配，充分发挥各种植物的优势，达到最佳的净化效果l j 7 1 。 ( 3 ) 水生植被的恢复技术 水生植被山生长在湖泊浅水区和湖周滩地上的沉水植物群落、浮叶植物群落、 漂浮植物群落、挺水植物群落及湿生植物群落共同组成。水生高等植物和藻类在 光能和营养物质上是竞争者。而导致富营养化湖泊水生植被衰亡的原因主要是由 于水生植被表面着生藻类生物量的增加【3 8 】。渔业强度较大时，对植被产生直接牧 食和间接的破坏效应，其结果是导致植被的退化”9 1 。适当恢复水生高等植物，从 而抑制浮游植物的生长，对改进水质是有利的，而且水生高等植物易于收获和利 用，是防止湖泊富营养化的有效措施删。 水生植被恢复包括人工强化自然修复与人工重建水生植被两条途径。前者是 指通过对湖泊环境的调控来促进湖泊水生植被的自然恢复。后者则是对已经丧失 了自动恢复水生植被能力的湖泊，通过生态工程途径重建水生植被。重建水生植 被绝非简单的“栽种水草”，也并非要恢复遭受破坏前的原始水生植被，而是在已 经改变了的湖泊环境条件基础上，根据湖泊生态功能的现实需要，根据系统生态 学和群落生态学理论，重新设计和建设全新的能够稳定生存的水生植被和以水生 植被为中心的湖泊良性生态【4 1 】。 ( 4 ) 生态河道【4 2 】 河道的治理从物理上来说主要是改造河道、流路及河床的物理特性，即是创 造出接近自然的流路，水流要有不同的流速带，河流要既有浅滩、又有深潭，河 床要多孔质化，造出水体流动多样性，以有利于生物的多样性。具体方法有： 1 ) 水培植物净化法。在净化池内栽种适于水培的植物，常见的有生物浮床 净化法。在湖泊、池塘的水面上，用栽植水陆生植物或充填生物载体的系统浮于 水而以净化水质。常种可食的水芹( o e n a n t h ej a v a n i c a ( b l u m e ) d c ) 、空心菜 河海大学硕士研究生论文 ( a p o n o g e t o n ) 、水稻( o r y z a s a t i v al ) 等，还有美观的美人蕉( c a n ai n d i c a ) 等， 既有去污效果，又可以利用其经济、观赏价值。 2 ) 建立和强化河流边坡湿地。在穿行农田的中小河流两旁，可加强岸坡湿 地的建设，在近水面处栽种芦苇、茭白( z i z a n i ac a d u u c i f l o r a ) 等挺水植物，在 坡地可栽植耐淹植物。 护坡设计又分为： a 自然原型护岸：只采用种植植被保护河岸、保持自然河岸特性的护岸。如种 植柳树( s a l i xb a b y l o n i c al i n n ) 、芦苇、菖蒲( a c o r u sc a l a m u sl ) 等具有喜水特性的植 物，由舒展的发达根系固稳堤岸，加之柳枝柔韧，顺应水流，增加其抗洪、保护 河堤的能力。人工草皮护坡是近几年水利、交通等工程建没中、泛推，。使用的护 坡法，但此护岸抵抗洪水的能力较差。 b 自然型护岸：不但种植植被，还采用石材、木材等天然材料，增强了护岸抗 洪的能力。 c 多自然型护岸：在自然型护岸的基础上再用混凝土、钢筋混凝土等材料，确 保了护岸抗洪能力。多自然型护岸按照具体施工方法又可采用以下，l 种常用方法： 蛇笼护岸、面坡箱状石笼护岸法、三维植被网、土工材料绿化网、植被型生态混 凝土、水泥生态种植基、土壤固化剂等等。此外，还有建造大型混凝土结构鱼巢、 修筑鱼类回游所需的鱼道，为丰富景观、创造不同流速带建成的离岸堤( 在水域中 形成小岛1 、配置巨石，为人们更大程度与水接近还从河流分离出支渠，为萤火虫、 蜻蜒等昆虫专门设计的护岸等。 ( 5 ) 国外生物生态修复应用工程实例 江户川i 是日本东京都和千叶县附近的主要河流，从河道中引出7 0i r l 3 s 的流量 为该地区城市、农业、工业供水，其中城市供水占6 0 。坂川是江户川的一条支 流，水质恶化，b o d 5 等指标严重超标，浮游植物繁殖迅速，居民对饮用水味道不 佳多有怨言。为治理坂川，采取：r 程设施将坂川改道，先流入古崎净化场，污染 减少6 0 7 0 ，再入人工渠道松户川i ，再流入江户川。 古崎净化场建在江户川的河滩地下，充分节省了土地，是地下廊道式的治污 设施。净化场结构十分简单，主体结构是高4 5 m 、长2 8 m 的地下矩形廊道，内部 放置直径1 5 4 0 c m 不等的卵石。用水泵将河水泵入栅形进水口，经导水结构后水 流均匀平顺流入廊道。另外有若干进气管将空气通入廊道内。净化作用主要由以 河海大学硕士研究生论文 下三方面组成：接触沉淀作用：污水经过卵石与卵石间的问隙，水中的漂浮物 触到卵石即沉淀；吸附作用：由于污染物自身的电子性质，或由于卵石表面生 物膜的微生物群产生的黏性而产生吸附作用；氧化分解作用：卵石表面形成一 种生物膜，生物膜的微生物把污染物作为食物吞噬，然后分解成水和二氧化碳。 通过净化场后，水质明显提高，效果十分显著。 松户川的设计理念颇有新意，不采用混凝土或块石衬砌的直线渠道，而以微 弯l ! | 1 的河道形态，岸坡n u 有人小卵石，种有繁茂的芦苇和其它植物，适于鲫鱼等 鱼类牛长，两岸种植树木，适于鸟类栖息。这种环境不但可以为居民提供一个与 自然相融合的休闲环境，而且对水体也能起进一步的净化作用。 1 3 问题的由来和提出 太湖流域是我国经济发展的排头兵，虽属水网密集地区，但由于人口众多和 过度开发，己使这里面临水质型缺水的状况。该地区农业发达，施肥量大，但流 失率高，因而农业面源污染问题尤为突出。 利用高等挺水植物的生态修复工程以其高效、低耗，引导人与自然协调发展的 诸多优点而备受瞩目。本文就此依托固家科技部设置“8 6 3 ”重大专项“太湖 水污染控制与水体修复技术及工程示范”项目，尝试利用慈姑这一太湖流域的优 势挺水植物，进行农业面源污染的控制技术研究，从l _ _ 日边、源头上进行合理控制， 开发出高效、经济、有美观功能的生物控制技术。 慈姑是否适合运用于太湖流域农业面源的治理，通过室内静水试验来研究。以 往对植物修复的研究多为短期内通过测定水体中污染物质的浓度来判断一种或多 种植物对水体的修复作用，而对某种植物进行长期的、多种手段的机理性的研究 还不多。而论文期问，对以下方面进行系统而深入的探讨：慈姑的生长特性和 适用范围：慈姑在一年中的不同季节，不同生长期时，是否有不同的修复水质 的能力；慈姑在低温季节的生长和去污能力如何，若4 j 及时收割是否就有二次 污染问题，何时收割；慈姑在不同浓度污水中的去污能力；营养物质氮、磷 在慈姑土壤水这个系统中是如何迁移的，以及这个以慈姑为核心的系统去除 氮、磷等营养物质的机理分析；慈姑运用于太湖流域农田周围沟渠或者湿地的 去除效果计算等等。通过整个试验的进行，研究慈姑在修复农业面源污染水体过 9 河海大学硕士研究生论文 程中的规律，为今后合理利用慈姑以及其它植物修复农业面源污染水体提供依据 和参考。 1 4 技术路线 技术路线如图l ，1 所示 收集国内外研究资料农f 日现场调查，专家咨询 li 水污染现状水污染治理进展慈姑特性研究太湖流域概况调查 0 慈姑的室内静水试验方案设计 上上 慈姑在不同季节、不同污污染物质在水体土壤 染程度水体中的去污效果慈姑系统中的迁移 l 慈姑治理太湖流域农业面源污染的方案设计 i 总结 图1 1 技术路线 0 河海大学硕士研究生论文 第二章慈姑特性研究及试验方案 2 1 慈姑特性研究 论文期n i l j ，对慈姑的特性做了大量的前期实地调查和理论研究工作，包括到 菜场、农村实地考察，向有经验的农民进行讨教，从而对慈姑的形态特征、栽种 方法、栽种范围、病虫害防治等进行了详细的调查和研究；求教于南京农业大学、 扬州大学农学院、南京师范大学的专家、教授，在他们的指导下参考了很多专业 理论书籍；更利用网络快速、全面的特点，查阅了大量前人发表的论文，从而更 加科学、系统地从理论上研究慈姑的习性。这些工作为探讨慈姑是否有去污能力， 机理如何，应用范围如何，又如何应用于农业面源污染治理打下了良好的理论和 现实基础。 2 1 1 慈姑概述1 4 4 l 图2 1 慈姑野生状态情况 如图2 1 所示，慈姑( s a g i t t a r i as a g i t t i f o l i al i n n ) ，又叫人字草、剪刀草，泽 泻科，为多年生沼泽草本。欧洲多用于观赏，中国、日本、印度和朝鲜用作菜肴。 我国多分布在长江流域及其以南各省，北方只有零星栽培，为稀特蔬菜。慈始多 见于各地湖沼、池塘、沟溪，有时作为稻田中杂草，也有栽培，常见品种有刮老 河海大学硕士研究生论文 乌( 紫圆) 、白肉慈姑、苏州黄等。 2 1 2 慈姑的形态特征1 4 4 1 慈妯成株较高大，有1 m 左右。茎有多种，由短缩茎上各叶腋向地下四面斜下 方扪生匍匐茎l 多个，每枝前端日渐膨大成为球茎，贮蓄养分，外部有明显节与 吼在节上有营保护作用的_ 丁膜质的鳞叫及叶芽，这就是我们吃的慈姑。球茎 基部有许多不定根。叶基生，叶形不，通常箭形，两侧叶耳较先端叶片略长， 先端叶片长5 2 5 c m ，阔或狭，全缘，具5 9 条平行脉：叶柄长2 0 4 0 c m ，3 棱 形。花单性，总状花序顶生，有花3 5 轮，每轮有花3 5 个；卜轮为雄花，下 轮为雌花：苞片卵形，长5 7 m m ；萼片卵形，钝尖；花瓣3 个，白色，基部常带 紫色，心皮多数，密集成球形。瘦果斜卯形，扁平，边缘具翅，背翅有1 4 个齿。 瘦果内有利，子，有繁殖的能力。 2 1 3 慈姑的营养和用途1 4 4 1 慈姑的营养丰富，球茎含水分6 6 、粗蛋白质5 6 、粗纤维0 9 、粗脂肪 o 2 、碳水化合物2 6 、灰分1 6 、钙o 8 、磷2 6 、铁0 1 4 。另含淀粉5 5 、 糊精1 8 、多缩成糖1 8 、非还原性糖5 5 、还原糖o 7 。全草含慈姑醇、维 生素b 、胰蛋白酶抑制物。灰分含量以叶子最多，老的部位较多。 慈姑可代谷、米、麦作为特异的杂粮，很容易消化，也很耐于贮藏。慈姑更 是冬春季节供应的优良水生食物，可煮、可炒、可炸、可烩。慈姑性微寒，味苦 甘，有行血通淋、润肺止咳、消结、消暑、解毒作用，可治产后血崩、淋浊尿闭、 咳嗽痰血、食毒和药毒等症。对甲状腺肿大、肺结核、尿路结石、胞衣刁i 下、狂 犬咬伤、成人虚弱消瘦、体重减轻等均有一定的疗效。此外，慈姑地上茎叶可做 猪、，f 饲料，球茎可供酿酒，花能治疗肿痔漏。 2 1 4 慈姑的培育和栽培技术1 4 5 i ( 1 ) 选种和育苗。冬季采收时选球茎肥大、皮色好、品种佳的慈姑切下芽带 慈姑片，插入事前准备好的盆钵沙土中，置阴凉处，保持潮湿和1 5 。c 以二。春 分节令( 四月上旬) 秧田整平后，立即插入田内，培育慈姑苗。株行距l o x l o c m ， 河海大学硕士研究生论文 以顶芽全长的1 3 插入实土为度，浮土插入1 2 为宜，保持3 c m 左右浅水，长至 2 5 3 0 c m 高，具有3 4 片叶时即可。 ( 2 ) 移栽和管理。待秧插完后，先将秧田杂草拔光，l h m 2 施堆肥4 5 0 0 0 7 5 0 0 0 k g ，立即翻挖整平。取慈姑苗剃去须根，保留中心嫩叶2 3 片，将根部插 入土中1 0 c m 左右，株行距为4 0 x 4 0 c m 左右，l h m 2 种植6 0 0 0 0 6 3 0 0 0 株。在此 期问，白成活到匍匍茎抽生后保持水层7 1 0 c m ，匍匐茎抽生前后，宜增加水位 至1 3 2 0 c m ，应在深夜或清晨灌入冷水。到植株生育后期( 8 月下旬至1 0 月下旬) ， 气温较凉，保持水层7 l o c m ，最后只需保持田间湿润。此期如果水位超过1 0 c m ， 会引起植株后期徒长或球茎先期萌发。 ( 3 ) 收获。秋季初霜后叶片枯黄时，到翌年初春球茎发芽前，这段期问随时 都可掘收。掘收前，先排去洼田中之水，然后用铁叉或用手掘取。单株球茎一一般 1 3 个左右。一般l h m 2 产球茎( 慈姑) 9 7 5 0 1 1 2 5 0 k g 左右，高产田可达1 5 0 0 0 1 8 7 5 0 k g 。 2 1 5 慈姑的生理特征1 4 4 慈姑生育期一般2 0 0 d 左右，其中球茎从开始膨大到成熟约需2 5 4 0 d 。慈姑 喜温喜湿，好光好肥，最适生长温度为2 0 2 5 。若水温超过3 5 ，则生长不良。 在温度较低时( 约1 5 以下) ，匐匍茎顶端则不向地面生长，而在顶端数节贮存养 分，膨大成球茎。气温5 l o ，土壤温润的情况下，球茎能安全越冬。气温降到 5 。c 以下时，植株地上部分枯死，停止生长。慈菇适宜在粘壤土、水深9 1 5 c m 环 境中生长，对水下土壤养分要求校高，土壤需软烂、肥沃、含有机质多。 2 1 6 慈姑的病虫害防治1 4 5 i 慈姑主要病虫害有：慈姑黑粉病，真菌性病害，害叶和叶柄，多在高温多湿 条件下发生；慈姑斑纹病，也是真菌性病害，害叶和叶柄，8 9 月发生：钻心虫 病，钻入叶柄蛀食，使得叶柄折断凋零，7 9 月发生；蚜虫，危害嫩叶，从6 月 开始发生。可喷药解决。 河海大学颤士研究生论文 2