（环境工程专业论文）沉水植物对污染水体的水质改善效应研究.pdf

摘要 沉水植物是水体生物多样性赖以维持的基础，它的恢复是水生态修复的关 键，其所产生的环境效应是生态系统稳定和水环境质量改善的重要依据。所以系 统研究沉水植物对污染水体所产生的水质改善效应是必要的。本文在前人研究的 基础上，结合国家“十五”重大科技专项“8 6 3 ”一苏州市水环境质量改善与综 合示范项目，开展了以下工作： ( 1 ) 选取耐寒沉水植物伊乐藻作为研究对象，通过室内静态试验比较其在 不同季节对污染水体的水质改善效应； ( 2 ) 研究生物量对不同沉水植物水质改善效应的影响，从试验得出生物量 的影响结果，为工程应用提供参考； ( 3 ) 通过试验对比研究不同种类沉水植物对水质的改善效应； ( 4 ) 由于不同沉水植物对生境条件的要求不同，通过配制不同氮磷比例的 人工污水，在不同水质条件下对比研究沉水植物的水质改善效应。 通过上述研究，得出了以下结论： ( 1 ) 伊乐藻在一年四季中能存活，并且最大生物量出现在秋季；在秋季和 夏季具有较好的水质改善效应。秋季伊乐藻对t n 、t p 的去除率最高：夏季能快 速去除n h 3 - n 和有机物，抑制藻类的生长繁殖； ( 2 ) 在一定生物量范围内，伊乐藻、菹草和黑藻对水质改善效应随生物量 增加而增大； ( 3 ) 对黑藻、苦草、伊乐藻和金鱼藻水质改善效应的比较，综合分析得出： 利用黑藻改善污染水体的水质是这四种植物中最佳的选择； ( 4 ) 在不同水质条件下沉水植物的水质改善效应不同，黑藻和金鱼藻的适 应能力高于苦草和伊乐藻。 关键词：沉水植物、水生态修复、水质改善效应、季节、生物量 a b s t r a c t s u b m e r g e dm a c r o p h y t e s i st h ef o t m d a t i o no f m a i n t a i n i n gc r e a t u r em u l t i p l i c i t yi n w a t e rb o d y t h ei n s t a u r a t i o no fs u b m e r g e dm a c r o p h y t e si s t h ek e yo fe c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n ，t h e e n v i r o n m e n t a le f f e c tc r e a t e d b ys u b m e r g e dm a c r o p h y t e s i st h e i m p o r t a n tb a s i so fe c o s y s t e ms t a b i l i z a t i o na n d w a t e re n v i r o n m e n t a iq u a i i t yb o o s t e r s oi ti s n e c e s s a r y t o s t u d ys y n t h e t i c a l l y t h ew a t e re f f e c tm a d eb ys u b m e r g e d m a c r o p h y t e so np o l l u t e dw a t e rb o d y b a s e do nt h ep r e v i o u s s t u d i e sa n dc o m b i n e d w i t ht h ef i f t e e n t hn a t i o n a li m p o r t a n ts c i e n t i f i cs p e c i a li t e m “8 6 3 ”一t h ei t e mo fw a t e r e n v i r o n m e n t a l q u a l i t yi m p r o v e m e n t a n d s y n t h e s i s d e m o n s t r a t i o na b o u ts u z h o u c i t y ，t h e r e s e a r c hi nt h i s p a p e rw a sc a r r i e d o u t t h em a i nw o r ki nt h et h e s i si s s u m r n a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef r o s tr e s i s t i n gs u b m e r g e dm a c r o # y t e s e l o d e an u t t a l l i iw a sc h o s e na s i n v e s t i g a t e d b a s e do ni n d o o rs t a t i ce x p e r i m e n t s ，t h e i rw a t e ri m p r o v e m e n te f f e c ti n d i f f e r e n ts e a s o n si sr e v e a l e d ( 2 ) s t u d yt h eb i o m a s si m p a c to nw a t e ri m p r o v e m e n te f f e c tb yd i f f e r e n tk i n d so f s u b m e r g e dm a c r o p h y t e s t h er e s u l t si n t e r p r e t e df r o mt h ee x p e r i m e n t sp r o v i d et h e r e f e r e n c et op r o j e c t ( 3 ) t h e w a t e r i m p r o v e m e n t e f f e c t sf r o md i f f e r e n tk i n d s o f s u b m e r g e d m a c r o p h y t e sw e r es t u d i e da c c o r d i n g t oc o n t r a s t i v ee x p e r i m e n t s ( 4 ) d u e t ot h ed i f f e r e n t r e q u i r e m e n t s o i lh a b i t a tc o n d i t i o nf r o md i f f e r e n t s u b m e r g e dm a c r o p h y t e s ，t h ew a t e ri m p r o v e m e n te f f e c t sw e r es m d 记db ym a k i n g a r t i f i c i a lw a s t ew a t e rc h a r a c t e r e dw i t hd i f f e r e n tr a t i oo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n d i f f e r e n tw a t e r q u a l i t y t h r o u g h t h ea b o v es t u d i e s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r e g a i n e d ： ( 1 ) e l o d e an u t t a l l i ic a l ls u r v i v et h r o u g hay e a ra n dt h em a x i m a lb i o m a s s a p p e a r s i na u t u m n t h es e a s o n s r e p r e s e n t i n gb e t t e rw a t e ri m p r o v e m e n te f f e c tw e r ea n t u m n a n ds u m m e r ； ( 2 ) i n a g i v e nr a n g e o fb i o m a s sw i t ht h e i n c r e a s eo fb i o m a s s ，t h e w a t e r i m p r o v e m e n t e f f e c t s b y e l o d e a n u t t a l l i i ，p o t a m o g e t o rc r l s p l d sa n d h y d r i l l d i v e r t i c i l l a t ab e c o m em o r eo b v i o u s l y ( 3 ) c o m p a r et h ew a t e ri m p r o v e m e n t e f f e c t sf r o mh y d r i l l av e r t i c i l i a t a ，v a l l i s n e r i a s p i r a l i s ，e l o d e a n u t t a l l i ia n dc e r a t o p h y l l u md e m e r s u m t h ec o n c l u s i o ns h o w e dt h a t h y d r i l t av e r t i c i l l a t ag i v e st h e b e s tc h o i c ef o ri m p r o v i n gw a t e rq u a l i t yo fp o l l u t e d w a t e r ( 4 ) w a t e ri m p r o v e m e n t e f f e c to f s u b m e r g e dm a c r o p h y t e s v a r i e sw i t ht h e d i f f e r e n tw a t e r q u n i t y t h ea d a p t i v ef a c u l t y o f h y d r i l l a v e r t i c i l l a t aa n d c e r a t o p h y l l u m d e m e r s u mi s h i g h e rt h a nt h a t o fv a l l i s n e r i as p i r a l i sa n de t o d e a m i t f 出n i k e yw o r d s ：s u b m e r g e dm a c r o p h y t e s ，e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n ，w a t e r h n p r o v e m e n te f f e c t ，s e a s o n ，b i o m a s s 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)趣逸簋 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 埘年弓月1 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) ：佻嚆锦 。+ 。一 ( 注：手写亲笔签名) 弧，年弓月2 f 日 缩略词 单位英文名称 中文名称 p e r m a n g a n a t ei n d e x c h l o r o p h y l la c o n c e n t r a t i o n d i s s o l v e d o x y g e n a m m o n i a n i 仃o g e n r e m o v a lr a t i o t e m p e r a t u r e t o t a ln i t r o g e n t o t a lp h o s p h o r u s 高锰酸盐指数 叶绿素a 浓度 溶解氧 氨态氮 去除率 水温 总氮 总磷 吼一州 吼 吼 吼 吼 吼 褐 砜 汕 c 哪 r t 什 r l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水环境污染严重，生态系统遭受破坏 水是人类生存和社会经济发展最基本的物质基础。近十几年来，我国水环境污 染严重。根据国家环保总局发布的( 2 0 0 3 年中国环境质量状况公报：2 0 0 3 年中， 七大水系的4 0 9 个监测断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别 为：3 7 7 、3 2 o 和3 0 3 5 ：“三湖”水质均为劣v 类，污染较重，主要污染指标为 总氮和总磷；按富营养化评价分析，太湖为轻度富营养，巢湖为中度富营养，滇池 为重度富营养。据调查全国江河有近4 7 的河段、9 0 以上的城市水域、5 0 的城市 地下水不同程度地遭到污染，其中有1 0 河段污染严重，已基本丧失使用价值，淡 水湖泊处于中度污染水平，7 5 以上湖泊出现富营养化，5 3 的近岸海域受到显著污 染“1 。 水污染的加重，致使水体水质恶化，高等水生植物消亡，鱼类绝迹，特别是一 些对人类有益或有潜在价值的物种消失，生物多样性下降，这一连串的反应导致了 水生态系统的破坏。 1 1 2 水生态修复已成为重要课题 我国是水资源紧缺的国家，水环境污染将成为影响和制约我国社会经济持续稳 定健康发展的重要因素。因此，水生态系统修复提上了日程，并且已成为国内外学 者研究的热点，在这方面开展了大量的工作。 日本早在1 9 6 5 年就开始了对琵琶湖的综合治理，在恢复其自然生态系统过程 中，提出了保护湖心水域的生物生存环境，恢复湖边水域生态系统的生物生息空间， 建设以湖边为中心放射状的平原、丘陵地区生态系统的生物生息空间，建设山地森 林生态系统的生物生息空间，最终恢复全流域的生态系统【2 ，3 1 。 近年来，美国等发达国家水生植物的研究已由实验室的研究发展到大规模田间 试验；由科研机构、大学内的研究发展到联邦政府以及大公司企业的研究实验，由 局部性污水处理发展到对整个城市，以致河流湖泊污染的治理，在这种迅速发展的 趋势下，受到研究的水生植物种类也愈来愈多。1 9 8 7 年美国o k e e c h o b e e 湖的大型 河海大学硕士学位论文 沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 水生植物净化工程，总面积达2 0 0 公顷，成为利用水生植物治理湖泊的典型，并由 此将水生维管束植物从个体转向系统研究。他们对生物学和生态学的基础性研究同 益扩大和深入，通过水生植物净化处理逐渐体现出来，并为正在形成的生态工程和 环境生物工程学充实了实践内容和理论依据【4 j 。 我国在这方面的研究工作虽然起步较晚，但近年来有关利用某些水生植物去除 水体中n 、p 等污染物质方面的研究也取得一些成绩。1 9 8 4 年西湖曾做过利用水生 植物恢复西湖水质的实验研究工作，1 9 8 9 年武汉中科院水生所开展了“恢复东湖水 生植被的模拟实验”。南京地理与湖泊研究所在太湖也进行了湖泊大型水生植物的 恢复工作【”。 目前，我国重点流域水污染防治“十五”计划，总投资1 9 2 6 亿元，共安排2 4 t 8 个工程项目。科技部在“十五”期间，针对我国城市水环境存在的问题，设置“水 专项”，在苏州、镇江等1 1 个城市开展城市水环境质量改善技术研究与示范。针对 太湖流域水污染严重等问题，国家科技部设置“8 6 3 ”重大专项一“太湖水污染控 制与水体修复技术及工程示范”项目，以保护和改善饮用水水源地水质。 可见，水生态修复的重要性已经为人们所认识，生态修复是体现水污染治理效 果的必须环节，水生态修复已成为重要的研究课题。 1 , 1 3 高等水生植物的恢复是水生态系统修复的关键 水是人类赖以生存的物质基础，生态系统的破坏对人类的生命资源一水造成了 巨大威胁，x l l 便开始寻找恢复健康水生态系统的途径。国内外许多学者提出了恢 复高等水生植物是水生态修复的关键，特别是对沉水植物的恢复。因为沉水植物的 衰败与消亡，将导致水体中与水草相克的浮游藻类大量繁殖，使浮游动物、底栖动 物乃至鱼类等水生动物群落结构趋于简单化、小型化，使提系统的生物多样性指数 降低。 高等水生植物种群的减少是健康水生态系统退化的重要标志。由贫营养型向富 营养型发展是湖泊自然演变的过程，沉水植物的出现是湖泊富营养化发展过程中自 然选择的结果。沉水植物吸收底泥和水中的营养盐生长，分泌的化学信息素可遏制 浮游植物生长，并共生有利于有机物矿化分解的微生物群落，其生长周期以月和季 节为主，不同沉水植物优势种群的生长季节往往交叉演替，在年度内形成适宜于高 等水生生物生存的环境，对水质起持续的净化作用。当水体营养程度进一步提高后， 第一章绪论 在某种水生高等植物生长的不利季节，特别在其机体的萎缩部位，着生藻类容易孳 生。着生藻类、生物残体和颗粒悬移质的增加使水体透明度减少，沉水植物生长率 减弱，遏制浮游植物的化学信息素减少，浮游植物种群和生物量进一步发展，水下 光照进一步减弱，沉水植物种群逐渐减少，最后甚至全部消失，其它水生生物种类 也相应减少，成为以浮游植物为主的生物多样性少的富营养化湖泊“1 。 同时，由于环境水体的底泥营养物质释放及面源污染的影响，对水环境进行整 治主要采用截污、调水、清淤等措施，不能从根本上解决水体的污染问题。随着环 境水生植物技术的发展，运用水生植物技术进行污染治理已经越来越受到广泛重 视。水生植物修复技术因其独特的优点和治理效果现在正受到越来越多的关注。水 生高等植物不仅是水体中的初级生产者，对维持淡水生态系统的结构和功能也有至 关重要的作用。 高等水生植物是水生态系统的重要组成部分，它不仅具有较高的生产能力和经 济价值，而且具备很强的环境生态功能。水生植物对氮、磷等植物必须的1 6 种元 素除吸收、同化及完成其它生理功能外，还可将多余部分的量贮存在组织体内。因 而，可消除富营养化而带来的污染。它能保持清澈的水质和复杂多样的环境条件， 为鱼类、鸟类等水生动物的栖息和繁殖提供丰富多彩的生活环境。总之，水生高等 植物的存在，有利于维持良性的生态系统，并能在较长时间内保持水质的稳定。 因此，可以说高等水生植物的恢复是水生态系统修复的关键。 1 1 4 沉水植物恢复后产生的环境效应 但是，到目前为止，对恢复高等水生植物后所产生的水环境效应，人们还不能 下断论。 沉水植物是水体生物多样性赖以维持的基础。有研究表明”1 ，沉水植物占优势 时，水体水质清澈，生物多样性高；水生植物有过量吸收营养物质特性，可降低水 体营养水平：能减少因为风和摄食底栖生物的鱼类等所引起沉积物重悬浮，从而降 低浊度。水生植物还能抑制浮游植物的生长，从而降低藻类的现存量，显著提高富 营养化水体的水质，对污染水体有明显的净化作用”1 。 杨清心9 1 认为：水生植物虽然在浅水湖泊中具有净化水质、保护生态环境、生 产植物产品等生态功能，但同时也有加速湖泊淤浅、引起水质污染等环境负效应。 如东太湖水生植物覆盖率9 7 ，年生产量1 1 2 0 3 2 5 t ，但每年仍有5 2 1 0 3 0 t 的水生植 河海大学硕士学位论文沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 物残留在湖中，引起局部湖区的水质污染和淤积，水生植被改造工作还有待进一步 完善。 高等水生植物种群的稳定性是相对的，当遇到突然发生的灾害如洪涝引起湖泊 水位升高，沉水植物因得不到充足的光照，会大面积烂死在湖底，造成二次污染。 同时引起与沉水植物共栖一起的鱼虾蟹类大量死亡，造成大规模的环境灾害。这就 需要加强生态系统的防御能力，尤其是在水生高等植物恢复的初期，新建立的生态 系统相当脆弱，往往难以抵御环境的变化，许多研究试验遇到这样的问题，导致试 验失败。尽管人工恢复的事例很多，但是系统难以稳定存活，对水环境的效应也 不明确。如何恢复水生高等植物、如何使新建的种群适应环境变化以及环境灾变， 并逐步趋于稳定，明确沉水植物与水环境之间的关系，是水生高等植物恢复的关键。 由于沉水植物的茎叶完全沉没于水中，与水充分接触，水质对其影响巨大。水 质污染不仅会降低水体的透明度，减弱水下光照；而且污染物附着在植物茎叶表面， 直接影响光合作用，并滋生细菌和附着藻类而致其死亡。氮、磷等元素大量进入水 体，引起水体富营养化，促使部分藻类以及其它水生生物大量繁殖，造成水体透明 度下降和有机污染加重，沉水植物因此而死亡，也有研究指出藻类亦可抑制水生高 等植物的生长。同时，氮磷等营养盐对沉水植物的生长也具有重要的影响。在一定 的营养盐浓度范围内，随着营养盐浓度的增加，对水生植物的生长有促进作用，但 当营养盐浓度过高时，富营养化造成的植物过量吸收水体营养，有可能对植物生存 产生不良后果，目前国内外对这方面的研究较少。 沉水植物所能产生的环境效应是水生态系统稳定性和水环境质量改善的基本 依据。由于沉水植物的生长环境决定了其在水生态系统中占据着极为重要的地位， 对沉水植物的水质改善效应的研究是最基础的理论研究，可以为利用沉水植物修复 水生态系统提供一定的理论参考。但是沉水植物和水质改善效应之间的相互影响关 系不甚明确，有待进一步研究。 1 2 研究意义 我国众多的湖泊、水库富营养化问题严重，水质恶化，导致藻类大量增生，水 生植被特别是沉水植被衰退乃至消亡，生物多样性降低，致使水生态系统遭到破坏。 水生植物对水环境有多方面效应，能调节水生态系统的物质循环速度，增加水体生 第一章绪论 物多样性，控制藻类，增强水体稳定性，从而有效提高水质。由于沉水植物是湖泊、 水库生态环境中关键的生态类群，是系统物种和功能多样性的基础，因此，重建与 恢复沉水植被对治理湖泊、水库富营养化，恢复其稳定的结构和功能以及合理利用 水域自然资源至关重要。 对水生态进行修复必须以沉水植物所产生的水质效应为依据。沉水植物所发挥 的水质效应，必然对生态系统的修复产生影响。沉水植物虽然光合率很低，但在挺 水、浮叶、漂浮、沉水4 种植物中，只有沉水植物在光合作用时放氧于水体中，其 余三种均放氧于空气中，而溶解氧含量对富营养化水体自净作用至关重要。不同沉 水植物优势种群的生长季节交叉演替，在年度内形成适宜于高等水生生物生存的环 境，可以对水质起持续的改善作用。研究结果h 8 1 表明，恢复以沉水植物为主的水生 植被，可以有效降低n 、p 营养循环速度，控制浮游植物过度增长。所以说，沉水 植物产生的水质改善效应是水生态修复的基本理论依据。 在水生态修复过程中，若能明确沉水植物的水质改善效应，可以指导水生态修 复少走弯路，达到事半功倍的效果。因此，选择沉水植物作为研究对象，针对不同 季节、不同生物量、不同植物种类和不同水质条件，研究沉水植物对污染水体的水 质改善效应，为明确沉水植物的水质效应提供一定理论基础，为水生态修复提供依 据和参考。 1 3 研究现状 大型水生植物可通过光合作用将光能转化为有机能，并向周围的环境释放氧 气，在水生态系统中处于初级生产者的地位，能够发挥多种生态功能。如：短期储 存n 、p 、k 等水体中的营养物质，净化水中的污染物，抑制低等藻类的生长和促进 水中其他水生生物的代谢。与藻类相比，大型水生植物的特点是更易于人工操纵， 即可通过人工收获将其固定的氮、磷带出水体“。我国利用水生植物净化水质的研 究始于7 0 年代中期，包括静态条件下单一物种及多种植物配置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“。国内在沉水植 物的水质改善效应以及植被恢复方面做了许多研究。 大型沉水植物不仅可以通过茎叶部分吸收氮磷等物质，还可以通过根系减轻底 泥中的污染负荷。杨清心”3 通过对植被结构的调整和利用方式的改进可以优化其生 态功能。东太湖水生植被覆盖率9 7 ，年收获利用水生植物5 9 9 2 9 5 t ，带走氮1 8 9 1 t ， 河海大学硕士学位论文沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 磷2 9 6 t ，相当于东太湖年外源氮、磷输入量的2 8 和5 7 ，伊乐藻在东太湖的大面 积推广每年可增加水生植物收获利用量约5 万吨。高光“”在东太湖用伊乐藻和轮时 黑藻净化养鱼污水的结果表明，伊乐藻和轮叶黑藻对t n 、t p 、c o d m 。的净化率分 别为6 0 7 、5 3 6 、6 3 2 、6 1 8 、5 4 2 、3 3 ，5 。李文朝“在五里湖开展了常 绿型人工水生植被组建试验，在半封闭围隔实验区中选用耐寒植物伊乐藻和喜温植 物菱及凤眼莲，组建成了常绿型人工水生植被。试验结果表明：耐寒植物伊乐藻在 冬季具有较强的净化能力。倪乐意“”在东湖小型围隔中开展了重建伊乐藻、黄丝草 和菹草等沉水植被的试验研究，发现除黄丝草不能存活外，沉水植物出现后，水体 叶绿素a 和主要氮磷指标都有下降；并专门就伊乐藻对n 、p 的吸收速度作了研究， 认为伊乐藻对n h 。一n 的吸收先于对n o 。一一n 的吸收。 对菹革的水质改善效应的研究较多。吴玉树和余国莹。“、金送笛等“7 3 对菹草 ( 而 册曙p 凹c r i s p u s ) 净化作用的研究表明，菹草对水中n 、c u 的富集量 凤眼 莲 茭草 芦苇，对底泥中n 、p 、c u 、p b 的吸收系数 凤眼莲；在水中n h 3 一n 含量 2 0 0 9 1 0 0 9 。最终去除率 分别为4 6 7 2 、2 7 4 6 、8 0 6 。可见随着黑藻生物量的增加对水体中的t n 的改 善效果更好。 ( 2 ) 不同生物量的黑藻对t p 的去除效果 t p 浓度在试验过程中的变化见图4 1 5 。从浓度曲线看，试验组相比对照具有 较好的净化能力，试验组2 和3 的t p 浓度下降速度要快于试验组1 ，试验结束时 试验组1 和2t p 浓度均为0 1 6 m g l ，试验组3 的为0 1 2 m g l 。生物量最大的试验 组t p 浓度最低。 从去除率曲线上很明显可以看出，试验前6 天试验组2 和3 的去除率要高于试 验组1 的。试验结束时，试验组3 的去除率最大，为6 9 2 3 。这个去除率略高于高 光“”所做的黑藻的去除率。可见随着黑藻生物量增加对t p 的去除效果增大。具体 去除率变化见图4 1 6 。 天数d 图4 1 5 不同生物量黑藻时t p 浓度变化 第四章不同生物量沉水植物的水质改善效应 美 斛 篮 粕 天数d 图4 1 6 不同生物量黑藻对t p 去除率变化 ( 3 ) 不同生物量黑藻的克藻效应 试验过程中，对照组及各试验组c h l a 浓度变化见图4 1 7 。从浓度变化曲线图可 以看出，黑藻对藻类有一定的抑制作用。试验初期，试验组和对照组c h l a 浓度都是 先升高后降低，在第4 天试验组和对照组c h l a 浓度降到了较低水平，而在试验结束 时( 第8 天) 浓度有所上升。从试验结果可以得出生物量大的克藻效应强。对于藻 类受到抑制的主要原因，叶居新等“4 1 证明克藻效应主要是由于植物向水体分泌次生 代谢产物所致。 天数d 图4 1 7 不同生物量黑藻时c h l a 浓度变化 ( 4 ) 植物量的变化情况 试验开始时各试验组的黑藻量分别为：l o o g 、2 0 0 9 、3 0 0 9 ，试验结束时则分别 为：l l s g 、2 2 0 9 、2 9 5 9 。各试验组植物增长量为：1 5 9 、2 0 9 、一5 9 ，试验组1 和试验 4 l 河海大学硕士学位论文沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 组2 都有一定的增长，换算成单位增长量则分别为：0 1 5 、0 1 0 、，o 0 2 ，可见生物 量少的单位增长量大。这主要与水中营养盐含量及光照有较大关系。 4 5 结果与讨论 本章通过对秋季不同生物量( 2 5 叽、5 9 ，l 、7 5 9 瓦) 的伊乐藻、不同生物量( 5 l 、 1 0 9 l 、1 5 t a 菹革、不同生物量( s e c t , 、t o g l 、1 s g l ) 黑藻对水质改善效应的 研究，可以分别得到这三种植物不同生物量与水质改善效应的关系。 ( 1 ) 在一定生物量范围内，伊乐藻随生物量增加水质改善效应增大 从伊乐藻对n h 3 - n 、t n 和t p 的去除率结果可以看出，随生物量的增加，去除 率增大。可见，在一定生物量范围内，伊乐藻对水质改善效应随生物量的增加而增 大。去除率均表现为初期增大快，后期减小。这主要是因为在试验初期，水体中的 营养盐含量高，植物从贫营养水体换到一个富营养水体，使得伊乐藻在试验初期表 现出强大的去除污染物质的能力，随着试验时间的延长，去除率慢慢减小直到趋近 予零。生物量大的试验组可在短期内降低污染物浓度。 生物量太的伊乐藻更容易在其植物体周围形成一种好氧环境，这一环境能刺激 有机物质的分解和硝化细菌的生长。水体中大部分营养物质在这一区域被好氧微生 物利用氧而分解为c o ：和水；有机氮化物等则被这一区域的硝化细菌所硝化。因此 生物量大水质改善效应强。而且，在高等植物的根际周围，同时存在着相互分异的 氧化一还原微环境，硝化一反硝化作用可以在根际同时发生1 。至于有机磷及溶解 性较差的无机磷酸盐都必须经过磷细菌的代谢活动将有机磷酸盐转变为磷酸盐，将 溶解性差的磷化合物溶解，才能除去水体中的磷“”。通过以上各种作用，达到了去 除水体中氮磷等营养盐的目的。 ( 2 ) 在一定生物量范围内，菹草随生物量增加水质改善效应增大 菹草随生物量增加对水质改善效应增大，主要表现在四个方面：随生物量增加 对t n 、t p 的去除作用增大；随生物量增加克藻效应增强；菹草生物量越多单位增 长量越大。 菹草对t n 的去除率随试验时间的延长而增大，随生物量增加去除率增大，且 生物量大的试验组去除率增大的速度高于生物量小的试验组。 菹草对t p 的去除率在试验期间先增大后减小，生物量高则去除率大，且生物 第四章不同生物量沉水植物的水质改善效应 量大的试验组去除率增大的速度高于低生物量的试验组。 菹草试验中，c h l a 浓度变化规律不显著，所以不能只从c h l a 浓度变化的角度 来说明菹草是否具有克藻效应，这样不具有说服力，应在后期试验对水体中的藻类 数量变化和种类进行分析，再结合c h l a 浓度，来分析菹草对藻类是否有抑制效应。 c h l a 浓度变化规律不显著，可能是由于菹草生境条件的改变影响了其生长( 试验时 观测到靠近根部的地方有叶片腐烂) ，而且菹草的生态学特性决定了它很难在根部 没有泥的情况下正常生长，对其克藻效应也有一定影响。其中原因有待研究。 菹草生物量越大，单位增长量越大。说明菹草在试验周期内生长状态良好，植 株生长速度要大于腐烂速度，使得生物量有所增加。生物量的增加，加速了菹草对 水体中氮、磷的吸收，使得去除率一直增大。 ( 3 ) 在一定生物量范围内，黑藻随生物量增加水质改善作用增强，单位增长量随 生物量增加却减小。 黑藻对水质改善效应随生物量增加而增大，主要表现在：生物量大的试验组对 t n 、t p 的去除率高；生物量大克藻效应强。 生物量不同，黑藻对t n 的去除率不同。生物量大的试验组去除率明显高于低 生物量的试验组。三个试验组中去除率的变化规律相似。 黑藻对t p 的去除率随试验时间的延长而增大，生物量最大的试验组在试验结 束时去除率高于其他试验组。 生物量对单位增长量的影响不同于对水质改善效应的影响。黑藻生物量少的单 位增长量最大，生物量最大的反而小。因为，在定量水体中，营养盐含量是定的， 生物量小的试验组单位增长量大，说明生物量多的试验组中黑藻处于饥饿状态，因 此只能消耗植株体内储存的物质，导致了黑藻生长速度减慢，生物量大的试验组出 现负增长。 由此可见，黑藻能快速吸收水体中的污染物质，随生物量增加对水质改善效应 增大；生物量小的单位增长量大，而且对t n 、t p 的去除率整体呈上升趋势，说明 黑藻耐污能力强。 通过对伊乐藻、菹草和黑藻在不同生物量条件下对水体水质改善效应的研究， 可以得出伊乐藻、菹草和黑藻随生物量增加水质改善效应增强，菹草单位增长量随 生物量增加而增大，但黑藻随生物量增加单位增长量减小。可见，在实际工程上应 用时，黑藻的生物量可以按照最少生物量来考虑。 河海大学硕士学位论文沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 4 6 小结 本章通过对伊乐藻、菹草和黑藻在不同生物量时的水质效应的研究，可以得出 以下结论： ( 1 ) 在一定生物量范围内伊乐藻随生物量增加水质改善效应增大； ( 2 ) 在一定生物量范围内菹草随生物量增加水质改善效应增大； ( 3 ) 在一定生物量范围内，黑藻随生物量增加水质改善作用增强，单位增长量随 生物量增加却减小。 第五章不同种类沉水植物水质改善效应的对比研究 第五章不同种类沉水植物水质改善效应的对比研究 5 1 试验目的 前文第三和第四章是针对每种植物本身做了一些基础研究，下面在本章中将对 不同沉水植物在同一水体中的水质改善效应进行比较，通过几个试验的综合比较， 筛选出能够适应苏州苗家河示范区的水质，并具有良好改善效果的沉水植物种类。 下面将从两个方面考虑进行筛选：对水体d o 改善效果、对水质改善效果。 5 2 水体d o 改善效果的比较 为了能更清楚黑藻、苦草、伊乐藻和金鱼藻在相同生物量情况下对水体d o 的 改善效果，于2 0 0 4 年6 月2 7 日对这四种沉水植物的增氧与耗氧关系进行了2 4 小 时连续观测。 将预培养好的黑藻、苦草、伊乐藻和金鱼藻，用自来水洗干净后滤水，分别称 取1 0 0 9 这四种植物，放在四个塑料桶中，然后将从苏州示范区采回来的水用2 5 号 浮游生物网进行过滤，每个桶放入2 0 l 水，试验桶放置在室外自然光照条件下进行。 从6 月2 7 日上午8 ：0 0 到2 8 曰上午8 ：0 0 每两小时分别对四种沉水植物进行溶解 氧昼夜变化的测定，期间太阳光照强，天气晴朗，试验期间水温变化为：2 5 2 3 0 2 。 d o 浓度用溶氧仪直接测定，d o 浓度数值变化见表5 1 。 表5 1 不同沉水植物增氧效果单位：m g l 时间 黑藻苦草伊乐藻金鱼藻 8 ：0 0 1 0 ：o o 1 2 ：0 0 1 4 ：0 0 1 6 ：0 0 1 8 ：0 0 2 1 ) ：0 0 2 2 ：0 0 o ：0 1 ) 2 ：o o 4 ：o o 6 ：0 0 8 ：o o 9 5 1 2 3 1 4 1 1 5 0 1 5 0 1 5 3 1 3 7 1 1 8 1 0 8 9 2 7 9 7 ，3 6 9 5 7 1 2 2 4 8 0 2 0 9 0 6l加h坫坫m”他加&良l 2 5 4 2 4 o 7 7 o 2 3 9 6邑t吼加加儿吼&l民t曩 l 3 9 9 4 7 o 2 6 1 o 4 9 m 地坞m h 墙n m 吼& t & 河海大学硕士学位论文、沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 2 4 小时内这四种沉水植物所在水体中d o 浓度的变化情况见图5 1 。 时间 图5 1 不同沉水植物增氧与耗氧效果 从图5 1 中可明显看出，苦草在2 4 小时过程中的d o 浓度始终是最低的，d o 最大值出现在1 8 ：0 0 ，d o 变化曲线呈类似抛物线形式。在8 ：0 0 1 2 ：0 0 ，伊乐藻的 d o 浓度高于其他三种；1 2 ：0 0 8 ：0 0 金鱼藻的d o 浓度是最大的。 5 3 水质改善效应的比较 对不同沉水植物的水质改善效应进行了对比研究，选取两个生物量5 9 l 和 1 0 9 l ( 编号分别为试验a 、试验b ) ，分别在不同时间对黑藻、苦草、伊乐藻和金 鱼藻的水质改善效应做了对比研究。 5 3 1 试验a 的水质改善效应比较 为了研究在相同生物量下，黑藻、苦草、伊乐藻和金鱼藻对水质改善的效果， 于6 月2 8 日至7 月8 日对这四种沉水植物去除氮、磷的效果进行了试验。取经培 养驯化后长势良好的沉水植物各1 0 0 9 分别放在试验容器内，内装从苏州苗家河示 范区现场取回的河水各2 0 l ，水样经2 5 号浮游生物网过滤，共设五个试验组，每个 试验组设两个平行。试验桶放置于室外，自然光照条件下进行，避免雨淋。每隔1 天采样，测定n h 3 - n 、t n 和t p 的浓度，期间用蒸馏水补充因蒸发而损失的水分， 试验为期1 0 天，试验结束时测定植物生物量。试验水样起始浓度分别为：n h 3 一n 5 4 0 m g l 、t n1 0 9 7 m g l 、t p0 6 8 m g l 。 第五章不同种类沉水植物水质改善效应的对比研究 得到了四种沉水植物对污染水体的水质改善效果，主要结果如下： ( 1 ) 不同植物对n h 3 - n 去除效果的比较 四个试验组n h 3 - n 浓度及对n h 3 - n 的去除率变化分别见图5 2 和图5 3 。从图 上可见，四种沉水植物对n h 3 n 具有很强的改善效应，在试验第4 天已经将氨氮浓 度降到很低，累积去除率达到8 0 左右，随后浓度和去除率变化趋于缓慢。对n h 3 - n 累积去除率最高的是黑藻和苦草，从曲线上看，金鱼藻对n h 3 n 的去除效果较差。 天数d 图5 2 不同沉水植物n h 。一n 的浓度变化 天数d m 5 3 不同沉水植物n 地一n 累积去除率变化 ( 2 ) 不同植物对t n 去除效果的比较 四种沉水植物对水中t n 均有显著净化能力，随着试验时间的延长，水体中的 总氮累积去除率迅速增大。除了苦草其余试验组t n 累积去除率都是呈增大的趋势。 在这四种植物中苦草的水质改善效果最差。累积去除率变化见图5 4 。这个规律与 4 7 河海火学硕士学位论文沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 刘鸿亮等在草海大型水生植物系统恢复技术的研究。1 中有一定差别。 天数d 图5 4 不同沉水植物t n 累积去除率变化 ( 3 ) 不同植物对t p 去除效果的比较 t p 在整个试验过程中累积去除率变化见图5 5 。 鬟 将 艇 稍 醛 嘛 天数d 图5 5 不同沉水植物试验t p 累积去除率变化 四种沉水植物对t p 均有很强的净化效果。从t p 的累积去除率变化曲线可以看 出，去除率先迅速上升，后上升速度减小。黑藻对t p 的去除效果最好，试验结束 时的累积去除率可达8 5 以上。四种植物对t p 去除能力分别是黑藻 金鱼藻 苦 草 伊乐藻。 第五章不同种类沉水植物水质改善效应的对比研究 ( 4 ) 不同沉水植物与其植物量变化的关系 试验开始时各试验组的植量均为：1 0 0 9 ，试验结束时黑藻、苦草、伊乐藻和金 鱼藻的量分别为：1 6 5 、1 2 5 、t 7 0 、1 4 5 9 。四种植物的增长量分别为：6 5 、2 5 、7 0 、 4 5 9 ，伊乐藻的增长量最大( 图5 6 ) ，黑藻增长量次之。可见伊乐藻和黑藻能在这 个季节中迅速生长。 o u 删 出 磐 肆 趔 搦震 图5 6 不同沉水植物的植物量增长变化 5 3 2 试验b 的水质改善效应比较 为了研究在相同生物量下，黑藻、苦草、伊乐藻和金鱼藻对水质改善的效果， 于7 月3 1 至8 月8 日对这四种沉水植物进行了静态试验。取经培养驯化后长势良 好的沉水植物各2 0 0 9 分别放在试验容器内，内装从苏州苗家河示范区现场取回的 河水各2 0 l ，水样经2 5 号浮游生物网过滤，共设五个试验组，每个试验组设两个平 行。试验桶放置于室外，自然光照条件下进行，避免雨淋。每隔l 天采样，测定 n h 3 - n 、t n 和t p 的浓度，试验结束时测定植物生物量的同时，将每只桶内的水用 2 5 号浮游生物进行全过滤，以鉴定浮游植物的种类。期间用蒸馏水补充各试验组因 蒸发而损失的水分，试验为期8 天。试验期间水温变化范围：2 8 3 3 2 4 。c 。试验 水样起始浓度分别为：n h a - n5 1 l m g l 、t n6 7 0 r a g l 、t p0 5 2m g l 、c o d m n11 5 8 m g l 、c h l a2 5 8 9 m g m 3 。 ( 1 ) 对n h 3 - n 改善效应的比较 四种沉水植物在试验过程中n h 3 n 的去除率变化见图5 7 。从图上可见，黑藻、 苦草、伊乐藻和金鱼藻试验组对n i - i a - n 具有很强的去除能力。黑藻、苦草和伊乐藻 两海大学硕士学位论文沉水植物对污染水体的水质改善效应研究 对氨氮的去除率一直呈增加的趋势，金鱼藻从试验第4 天去除率开始下降。试验结 束时浓度分别为0 4 8 m g l 、o 5 6m g l 、o 7 2 m g l 、2 5 6m g l ；去除率分别为7 8 2 8 、 7 6 7 1 、7 3 5 8 、3 7 5 7 。去除能力由大到小依次为：黑藻 苦草 伊乐藻 金鱼 藻。 天数d 图5 7 不同沉水植物对n l ，一n 去除率的变化 ( 2 ) 对t n