（环境工程专业论文）渐沉式沉床恢复沉水植物的生长条件研究.pdf

摘要 对受损和退化的水生态系统的生态修复和重建正在成为我国水环境领域的研究 热点。研究表明沉水植被的恢复是水生态修复的关键。沉水植物因其完全水生的特点 使其对光抑制的胁迫反映最为明显。如何解决沉水植被恢复过程中面临的水体光补偿 深度低、水下光照条件弱的问题，目前还没有十分有效的技术措施。 本文创造性的提出了沉水植物的渐沉式移栽技术，从调节沉水植物生存区间的角 度出发来克服沉水植物恢复中的遇到的光抑制问题。 针对渐沉式沉床移栽技术中的沉床植物、基质材料和悬挂深度三个关键参数，本 文主要进行了以下几个方面的研究内容： 1 、提出了沉床植物的筛选原则。依据这个原则，以苏州市水环境质量改善与综 合示范项目为研究背景，初步筛选出适合沉床移栽技术的物种。 2 、从物质释放、植物生长势、生物区系和水质改善效应四个方面考虑对不同基 质材料进行了比较实验研究。研究结果表明：棕毛植物纤维是适合伊乐藻和黑藻的理 想沉床基质材料。 3 、深入分析了水体光补偿深度、沉床悬挂深度与沉水植物恢复之间的关系，提 出了生态补偿区的概念；认为沉水植被的恢复只能在生态补偿区内进行；并且通过实 验方法确定了苏、i , i 苗家河水体中的沉床悬挂深度。 4 、结合室内实验率定的沉床参数开展现场试验，研究渐沉式沉床移栽技术的现 实可行性和实践应用效果。 研究结果表明：渐沉式沉床技术可以很好的克服沉水植物恢复中的光抑制问题。 并能改善水体环境，促进沉水植被恢复，具有一定的现实可行性。 关键词：沉水植物，渐沉式沉床，生态修复，基质材料，光补偿深度，悬挂深 度，生态补偿区 a b s t r a c t a q u a t i ce c o s y s t e mr e h a b i l i t a t i o na n dr e s t a b l i s h m e n th a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nn a t i o n a l l yi nw a t e re n v i r o n m e n tf i e l do fc h i n a p r e v e n i e n tr e s e a r c hs h o w st h e r e v e g e t 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 eb a s ef o rw a t e re c o s y s t e mr e h a b i l i t a t i o n p h o t o i n h i b i t i o ni st h em a j o rs t r e s st os u b m e r g e dm a c r o p h y t e sb e c a u s eo fi t sc o m p l e t e s u b m a r i n ef e a t u r e a tp r e s e n t ，n oe f f e c t i v et e c h n i c a lm e a s u r et os e t t l et h i s p r o b l e mi s f o u n d i nt h i sc o n d i t i o n ，a san e w p l a n tt e c h n i q u ef o ro v e r c o m i n gi m p a c t so ns u b m e r g e d a q u a t i cp l a n t s o fi l l t t r n i n a t i o nd i s t r i b u t i o nu n d e r w a t e r , t h e g r a d u a l s u b m e r g i n g b e d t e c l m i q u e ( g s b ) i sf i r s tp r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e ，w h i c hc o n s i d e r sa d j u s ta sp l a n t s l i v i n g z o n et os e t t l et h i sp r o b l e m t h em a i nw o r ki nt h et h e s i si ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 、t h es e l e c t i v ep r i n c i p l e so fs u b m e r g e da q u a t i cs p e c i e sf o rg s bt e c h n i q u ew e r e p r e s e n t e d i nt h i s a r t i c l e a c c o r d i n g t ot h e s e p r i n c i p l e s ，t h e a u t h o rs e l e c t e d h y d r i l i a v e r t i c i l l a t aa n de l o d e an u t t l la ss u i t a b l ep i o n e e rs u b m e r g e dm a c r o p h y t e sf o rs u z h o u8 6 3 p r o j e c t 2 、i nt h i sa r t i c l e ，i n t e r c o m p a r s i o no f s e v e r a ld i f f e r e n t v e g e t a t em a t e r i a l sw a s d i s c u s s e d f r o mc o n t a m i n a t i o n s r e l e a s e ，g r o v v 出p o t e n t i a l ，b i o t i cp r o v i n c ea n di m p r o v e m e n t e f f e c t so f w a t e re n v i r o n m e n t t h er e s u l ts h o w st h a tc o c o n u tf i b e ri sas u i t a b l ev e g e t a t em a t e r i a lo f h y d r i l i av e r “c i u a t aa n d e l o d e an u t t l lf o rg s b t e c h n i q u e ， 3 、i n t e r r e l a t i o no f l i g h tc o m p e n s a t i o nd e p t h ，h a n g i n gd e p t ho fg s ba n ds u b m e r g e d m a c r o p h y t e sr e v e g e t a t i o nw e r ed i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e s u b m e r g e dm a c r o p h y t e sc a r lo n l y r e v e g e t a t ei nl i g h tc o m p e n s a t i o nz o n ea sa c o n c l u s i o nw a sp r e s e n t e d 4 、g s bt e c h n i q u ew a st e s t e di nt h em i a o j i a h er i v e ri no r d e rt o s t u d yi t sf e a s i b i l i t y a n d p r a c t i c ee f f e c t sb a s e do ne x p e r i m e n ta n da n a l y s i sr e s u l t s t h er e s u l ts h o w st h a tg s b t e c h n i q u eh a sp r i m a r yf e a s i b i l i t yt oo v e r c o m el o wl i g h t c o m p e n s a t i o nd e p t h ，i m p r o v ew a t e rb o d y ss u r r o u n d i n ge n v i m n m e u t s ，a n dp r o m o t eo f s u b m e r g e dm a c r o p h y t e sr e v e g e t a t i o n k e yw o r d s ：s u b m e r g e d m a c r o p h y t e ，g r a d u a l - s u b m e r g i n gb e d ( g s b ) ，e c o s y s t e m r e h a b i l i t a t i o n ，v e g e t a t em a t e r i a l ，l i g h tc o m p e n s a t i o nd e p t h ，h a n g i n gd e p t h ，l i g h t c o m p e n s a t i o nz o n e 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) ： ( 注：手写亲笔签名 p 西年孚月2 广日 学位论文使用授权说明 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) ： ( 注；手写亲笔签名 五o o r 年： 月j ，日 河海大学硕士毕业论文 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 我国水环境生态系统的现状 1 1 1 i 水生态系统的概念 水是人类的生命之源。 江河湖泊、水库、沼泽、池塘等水域中的生物群落与非生物环境相互作用，通过 物质和能量流共同构成的生物环境统一体，就是人类赖以生存的水生态系统( a q u a t i c e c o s y s t e m ) 。水生态系统的最显著特征是水是生物的栖息环境，天然水中溶解有许 多的有机和无机物质，可以被生物直接或间接利用。 水生态系统中的生物成分与其理化条件相适应。水生态系统中的生产者主要是生 长在水体中的大型水生植物( a q u a t i cm a c r o p h y t e ) 和个体很小的各种浮游植物 ( p l a n k t o n ) 。它们在水体中的分布受水体理化环境和水下光照条件决定。水生态系统 中的初级消费者主要是个体很小的各种浮游动物( z o o p l a n k t o n ) ，其种群和数量随浮 游植物而变动。次级消费者主要是大型的浮游动物、底栖动物( z o o b e n t h o s ) 和鱼类 等。水生态系统中微型消费者分布很广，但通常以沉积物表面分布最多。它们能迅速 地将死亡在水体中的生物体分解并释放出简单的无机营养物质。 作为生物群落和水体理化环境的统一体，水生态系统具有一定的自我维持和调节 功能，这就是所谓的“生态平衡”( e c o l o g i c a lb a l a n c e ) 。但是，当外来干扰超过水生 态系统的弹性限度的时候，水生态系统的平衡状态就会遭到破坏，造成水生态系统的 退化甚至崩溃。= 。 受损生态系统的自然恢复非常困难。对退化的水生态系统进行修复犹如“逆水行 舟”，不进则退。某种稳定的生态系统是在一定污染负荷下调整适应的结果。要获取 稳定的健康的自然水环境，只有修复己退化的水生态系统。1 。 1 i 1 2 我国的水环境现状 随着我国工农业的迅速发展和城市化进程的加快，工业废水和生活污水排放量日 河海大学顾十毕业论文 益增加，流域开发的加剧，加之环境意识的淡薄，给许多地区的水环境造成了不良的 影响，水质恶化、水体富营养化、生物群落的退化等环境问题不断出现和发生，致使 水生态系统遭到严重破坏。水环境问题已经成为我国当前面临的主要环境问题之一 3 j 我国水环境主要面临以下问题： 1 、污染严重，水体富营养化 根据2 0 0 3 年中国环境状况公报资料：2 0 0 3 年全国2 8 个重点监测湖库中，类、 v 类、劣v 类水质湖库分别占2 5 o ，1 4 3 ，3 5 7 。七大水系4 0 7 个重点监测断 面中，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 97 的断面属劣v 类水质；多数城市水源地 己受到不同程度的污染，浙江嘉兴、江苏常熟等城市己难以找到适合的饮用水水源地， 普遍呈现水质性缺水危机。 水污染加重导致的直接后果就是水体富营养化。n 、p 等营养物质不断增加导致 水体富营养化进程加快。我国湖泊约有7 5 以上水域的水质受到不同程度的污染， 按国际标准大多数已达富营养化水平4 。太湖t p 的年平均浓度由8 0 年代o ，0 0 5 m g l 上升到0 1 0r a g l ；t n 的年平均浓度则由1 9 4m g t 上升到2 7 2m g a _ 。苏州城市河 网t n 、n h 3 - n 、t p 、c h l a 含量分别达4 5 6 m g l ，3 6 6 m g l ，0 3 5 m g l ，1 5 1 9 m g l ， 如此高的n 、p 含量导致夏季高温季节藻类大量繁殖，暴发水华。 2 、水生态系统失稳 外界环境输入水体的物质过多导致水体水质恶化，透明度下降，造成水生态系统 失稳，功能退化。 浮游植物增殖，种类组成多样性降低，优势种发生变化 一般浮游植物的生物量在年内的不同季节有波动，但是在富营养化水体中浮游植 物数量很高，在l o ”一i 0 7 个l 之间，并且种类季节变化减少“。群落的组成多样性降 低造成了群落的季节变化趋向简单化。总趋势是湖泊中营养水平越高，群落结构越简 单，生物多样性下降。有些水体群落结构全年都是某一类藻占绝对优势的单一型，生 态系统非常脆弱。 水生植被面积减少，群落和物种多样性降低 外源物质的输入使水体的营养状态变化，改变了生物原有生存环境，导致水生植 物的分布和群落的生物多样性受到影响。水生植被面积不断减少，动植物种群和数量 河海大学硕士毕业论文 大幅减少，群落生境结构趋于简单，生物多样性下降。水质的恶化导致群落中的少数 耐污种类大量繁殖，生物量、分布面积、频度占据优势，生态系统受到严重破坏“。 3 、水生态系统功能退化 钢筋混凝土构建的直立河岸、硬质基底等工程措施大大降低了水体作为生态系统 自身的调控和平衡功能，自然水系被人为分割。伴随着自然水体地理景观的变化和污 染的加剧，许多区域的水生态系统结构遭到破坏或摧毁。水体的污染还严重影响了水 的功能用途，使水生植被大量的消失，鱼类减少，水华的暴发和黑臭现象时有发生； 水的景观、娱乐功能不复存在，入水相亲只能成为幻想。 1 1 1 3 水生态修复已成为重要课题 健康的水生态系统是哺育人类文明的摇篮，是现代社会持续发展的重要保障，也 是人们向往和追求的美好目标。水生态系统的退化已严重威胁社会经济的持续发展和 人类健康。水污染导致水体功能的退化和降低，使水体变得不适宜各种生物的生存， 污染物通过“食物链”影响生态系统中的动物和植物群落。对破坏的生态系统进行修 复和重建是我国目前迫切需要解决的环境问题1 。8 。如何降低污染负荷，控制水体富 营养化，恢复水生植物群落，提高生态系统的生物多样性，促进退化生态系统的水生 植被恢复，还原水体的各种利用功能，是我国环境领域目前亟待解决的问题，具有重 大的理论和现实意义，也是当代生态学研究的前沿课题之一i “。”。 1 1 ，2 国内外研究现状 纵观水生生态系统发育自然演替史，水生植物在水生生态系统中的起着不容忽视 的重要作用。但是，环境污染以及不合理的开发利用等，使得水生植物在许多水体中 消失，水体富营养化不断加剧。 我国的浅水湖泊特别是长江中下游湖泊多数已处于 富营养化状态，这些湖泊过去因为水生高等植物茂盛，水体自净能力较强，湖水清澈， 水质优良；但是在水生高等植物消失后，湖泊水体的自净能力以及对干扰的缓冲力下 降，被水生高等植物所固定的n 、p 重新释放回水体，草型湖泊变为藻型湖泊，富营 养化加剧，水质迅速恶化。”。 水环境的恶化导致水生态系统的退化，对人类的生存发展造成了很大的影响。人 们在反思中考虑如何修复受损水生态系统以及对生态系统进行补偿的问题m - m 。水生 植被的重要环境生态功能已经为人们所认识，保护和恢复水生植被已被作为保护和治 河海大学硕士毕业论文 理湖泊环境的重要生态措施“。 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环境，恢复湖边水域生息空间，多方位开展生态修复，恢复全流 域的生态系统理论“”1 。 美国等发达国家的水生植物的研究也已由实验室研究发展到大规模田闯试验，纷 纷逐渐发展到河流湖泊污染的生态治理。1 9 8 7 年美国o k e e c h o b e e 湖的大型水生植物 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为正在形成的生 态工程学充实了实践内容和理论依据。”。 我国在利用生态治理技术对河、湖进行综合治理方面起步起步较晚。水体污染情 况与国外有所不同，各地的水体污染种类和程度也不同“”。目前的研究主要集中在水 生植物对n 、p 等的吸收净化能力”。”、水生植物系统的群落构建2 ：。“! ”以及藻 类。1 “。等方面。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 9 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。“十五”期间，科技部针对我 国的当前面i 瞄的城市水环境问题设立“水专项”，在镇江、苏州、武汉等1 1 个城市开 展城市水环境质量改善技术研究与示范。 1 1 2 1 沉水植被的恢复是水生态修复的关键 沉水植物是水生态系统的重要组成部分和主要的初级生产者之一，介于水一泥、 水一气及水陆界面，它是水体生态系统中水和底质两大营养库之间的有机结合部。作 为水体主要的生物组分和健康水生态系统的重要组成，沉水植物对生态系统物质和能 量的循环和传递起调控作用，对生态系统的结构和功能也起着关键作用。 沉水植物通过有效增加空间生态位、提供避难场所、抑制生物和非生物性悬浮物、 改善水下光照和d o 条件，为维持生物多样性提供了基础。沉水植物对矿质元素和水 体中的营养物质具有很强的吸收作用；此外，沉水植物对降低水生态系统中物质循环 速度，控制藻类繁殖，增加水体循环性，提高水体的环境质量等方面都发挥着重要作 用5 “9 。 沉水植物因其完全水生的特点使得其在水生植物各生活型中对环境的胁迫反映 最为敏感，它的存在对水域生态系统中的结构和功能的稳定性起着支撑作用一“。 刊海大学碗士毕业论文 国内外许多学者的研究结果表明：沉水植被的恢复是构建健康水生态系统的关键 2 ，l i j e p p e s e n 等指出”。，生物调控后湖泊能否保持清水状态，很大程度上依赖于恢 复的沉水植物的发展。h o s p e r 。“认为水生高等植物特别是沉水植物是湖泊浊水态与清 水态之间的转换开关及维持清水态的缓冲器。s h a p i r o 也认为生物调控之后，必须恢 复沉水植物，才能维持清水态湖泊生态系统。h o s p e r 和m e i j e r 指出沉水植物对稳定 清水态有重要作用? “。”1 。许多研究表明水生高等植物特别是沉水植物可维持水体长 期稳定于清澈状态；”73 。j “。 在深入研究分析草型湖泊生态系统结构与功能的基础上，章宗涉等j “提出了富营 养化控制的生态模型，强调沉水植物在水质保护中的重要性。因此，对水生高等植 物尤其是沉水植物在水生态系统中的功能、作用的研究十分活跃，恢复水生高等植物 已成为水生态环境富营养化治理和生态恢复的关键。 实践结果也表明：沉水植物占优势时水体清澈、生物多样性高。沉水植物可以有 效吸收水体中的n 、p 等营养物质，降低水体的污染负荷。同时沉水植物对藻类也存 在化感作用，能抑制浮游植物的生长，从而降低藻类的现存量，控制藻类暴发。因此， 重建以沉水植物为主的水生植被是富营养化治理和生态系统恢复的重要措施。：1 。 刘鸿亮1 。“在2 0 世纪8 0 年代对滇池草海进行综合整治，通过恢复大型水生植物， 改善了草海的水环境生态系统，为鱼类和浮游动物提供了重要的栖息的和产卵地，同 时也吸收了水体中大量的氮和磷，为草海水体的净化起到重要作用。并指出沉水植物 的恢复是草海生态修复的关键。 1 1 2 2 沉水植被恢复的压力 在水环境治理中，由于透明度低，沉水植物的生长受到光抑制，不能进行必须的 光合作用；加上d o 低，底质缺氧等恶劣生境条件，水生植被的恢复非常困难。特别 是对于沉水植物，由于整个植物体完全浸没在水中，受到透明度、底质、风浪等水环 境因子的胁迫最为明显。因此，尽管永生植被恢复的事例很多，但是恢复植被的群落 系统往往难以稳定存活。“。”3 。目前我国还尚无一个湖泊实现了生态系统的完全恢复。 如何恢复沉水植物、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， 这是沉水植被恢复的关键。 我国许多学者直接在透明度低的富营养化湖泊中恢复水生高等植物，取得了不少 河海大学硕士毕业论文 研究成果。李文朝。“在太湖的试验围区内组建了由喜温型沉水植物与耐寒型伊乐藻组 成的常绿水生植被；邱东茹等”3 在武汉东湖受控生态系统中恢复和优化了若干种水生 植物；张圣照等j 研究了太湖富营养化对水生高等植物及植被恢复的影响，用盆栽试 验、壮芽直播试验研究了水体透明度对水生高等植物生长繁殖的影响，并恢复和重建 了漂浮植物、浮叶植物及沉水植物群落。王国祥等。”1 采用群落镶嵌技术在重富营养化 湖泊内成功恢复了多种生态类型的水生高等植物，并深入研究了在透明度低的富营养 化水体中水生高等植物的恢复过程、镶嵌群落对富营养化湖泊氮素循环、水质改善以 及生态系统结构的影响。这些有益的探讨为控制湖泊富营养化、改善水质、逐步恢 复健康的水生态系统奠定了基础。 研究结果表明：生境条件的修复是水生态系统修复的前提：。水生植物对水生态 系统有重要的调节作用，但是其自身也受到低透明度、低溶氧、重污染等多方面的生 存压力的胁迫。尤其是在水生植物恢复的初期，新建立的生态系统相当脆弱，往往难 以抵御环境变化带来的对生态系统的干扰。由于污染水体透明度低，水下光照不足， 沉水植物无法获得足够的光能生长。”“。当遇到突然发生的灾害，如洪涝引起湖泊 水位升高，沉水植物往往因得不到充足的光照，不能进行正常的光合和呼吸作用而逐 渐死亡，并最终导致沉水植被群落衰竭。 光照是调节沉水植物的重要因素：植物生长的最大深度、富营养化和藻类的密集 生长对沉水植物的抑制、植物群落的退化和耐受能力、植物的生长都与光强有关。水 体的光补偿点和光补偿深度是水下光照条件的反映参数。当光照强度小于植物的光 补偿点时沉水植物群落无法形成1 ”。对于大水深的严重富营养化河湖水体直接在河潮 底部移栽沉水植物，也往往会因为得不到足够的光照而难以成活：6 1 。 因此，总结国内外水生态修复的经验和研究成果可以得出以下结论： 水生态系统修复成功的前提是生境条件的改善。恢复沉水植物并不是简单的 “栽种水草”，而应该是在改善沉水植物生存环境的环境条件下进行。我国目前进行 水生植被恢复的许多地区富营养化程度极高，水体环境恶劣。在这种背景下进行水生 态系统的修复，首要任务是创建适合水生植物生长的基本环境条件。 沉水植被的恢复首先需要克服水下弱光条件的限制。污染水体中含有的大量悬 浮物质和有机物质增加了光在水体中的吸收和散射，严重削弱了水下光强，导致了水 底光照十分微弱，光强大大低于沉水植物的光补偿点，补偿深度无法达到水底，从而 河海大学硕士毕业论文 导致沉水植被恢复的无法完成。 在沉水植物恢复的研究方面，许多专家学者侧重于对沉水植物对水体中n 、p 等污染物质的吸收能力，水生植物群落的恢复构建，沉水植物与藻类的相互竞争，沉 水植物的生物学特性等方面的研究。对光照、底质等环境阈值对沉水恢复技术的影响 等方面的研究较少，特别对于如何克服生态修复过程中重污染水体透明度低，补偿深 度小对沉水植被的光抑制方面的研究还很缺乏。 1 2 渐沉式沉床移栽技术 1 2 1 背景 水体中的光照分布是影响沉水植物生长的限制因子。重污染水体透明度低，补偿 深度小，水底光照十分微弱，底层水体长期处于缺氧状态，限制植物进行正常的光合 作用和呼吸作用，导致沉水植物生存恢复困难。 关于水下光照强度的变化规律可以用比尔定律i t = i o e “来表达，即随着水深的增 加，光照强度呈负指数衰减。合田健先生曾介绍光补偿深度的概念，即光合作用与 呼吸作用平衡的水层深度，并从经验得知，光补偿深度是水体透明度的1 5 倍，或光 照强度约表面光强1 处的水深“。我国的学者在研究滇池的过程中也提出了沉水植 物群落( 或种群) 昼夜光补偿点“7 1 的概念，并计算了滇池内的沉水植物的光补偿深度。 如何解决沉水植物恢复中面临的光抑制问题，目前通常采用的方法主要有以下两 种： 一是通过降低水位办法改善水下光照条件。通过水位的调控，降低水深到补偿深 度范围内克服水下弱光对沉水植物的抑制作用。中科院南京地理与湖泊研究所在平均 1 2 - - 2 0 米左右的太湖3 0 0 亩湖滨带生态重建区即采用此种方法。将水体最低降至 o 3 m 。工程耗资巨大，历时长。但是在恢复水位以后，由于水体透明度的下降导致 植物大量死亡，成活率很低，效果不是很理想。 二是通过提高透明度来提高水体的光补偿深度。通过物理化学措施、微生物制荆 以及工程措施的综合应用，降低污染负荷来改善水体环境，提高水体透明度。近年来 我国在东湖、太湖进行了一系列试验。1 9 9 2 1 9 9 3 年，南京地理与湖泊研究所在藻型 富营养化的五里湖进行水生植被恢复试验。在面积2 0 0 0 m 2 的围隔中先种植浮叶植物 河海大学硕士毕业论文 抑制藻类生长以增加透明度，然后逐步种植伊乐藻、菹革、黑藻、金鱼藻等沉水植物。 但是水体环境的改善，透明度的提高需要长期的过程。人为的工程措施无法快速的应 对水体环境的长期的复杂的变化过程。 近年来也有学者从沉水植物的角度着手，研究通过改变沉水植物在水体中的生存 区间克服光抑制导致的沉水植物恢复困难的问题。 谢田等人4 0 。4 1 1 在网箱养草的水质净化试验中发现，借助网箱养鱼所设置的沉子、 浮子，在光补偿深度垂直空间调节沉水植物在水中的位置，可以克服光补偿深度、透 明度等因素对沉水植物生长的限制。 对于低透明度条件下沉水植物的移栽，张圣照【3 9 】等人曾提出采用水中吊盆的方 法进行沉水植物移栽。通过吊盆在水中的逐步沉降来克服富营养化水体透明度低、沉 水植物恢复困难的问题，并进行了实验研究。 1 2 2 渐沉式沉床移栽技术 本文从沉水植物的角度出发，创造性的提出渐沉式沉床的沉水植物新型快速移栽 技术，通过控制先锋植物在水体的生存区间解决沉水植被恢复中面临的光抑制问题。 渐沉式沉床技术可以很好的克服低透明度、大水深、重污染条件等不利的环境条件， 促进先锋植物的移栽和快速建群。本技术为国内外首创。 渐沉式沉床移栽技术是种促进水生植被群落恢复的先锋植物快速移栽技术。结 构示意图如图1 - 1 所示。将先锋沉水植物种植在有基质材料的沉床载体上，通过固定 桩将沉床在水体中固定，利用调节环调节沉床在水体中的相对位置，控制沉床上沉水 植物的生长深度小于水体的补偿深度，使沉水植物生存区间内的光照能够满足植物生 长的需要。通过结合其他环境创建技术的综合运用，随着水体环境的改善和植物的生 长，使沉床渐沉式下沉，最终移栽到水底沉积层，形成先锋植物群落斑块，促进水生 植物群落的恢复和重建。 翌塑型型型些l 一 1 3 本文的研究意义 图1 1 渐沉式沉床结构示意图 我国的水环境污染情况严重，水生态系统的破坏已经成为制约社会发展的重要问 题，对受损水生态系统的修复也已成为研究领域的重要课题。作为近年来兴起的新兴 学科，水生态修复研究领域还没商形成完整的理论体系和技术研究。 沉水植被的恢复是水生态修复的关键。水生态系统的修复成功与否取决于对水环 境生态系统的生境调控、光照、营养物质浓度、水温等理化环境，底质结构、藻类等 因素对沉水植物的生存都具有一定的影响。沉水植物完全水生的特性使得其对水下弱 光条件下的光抑制的胁迫最为明显。因此，如何采取什么样的辅助措施改善水下的光 照分布，提高水体光补偿深度，创造能够满足先锋植物生长的最基本生境条件，具有 河海火学硕士毕业论文 很强的理论和现实意义。 国内外学者对于沉水植被恢复的研究多集中在水生植物群落的恢复构建，沉水植 物与藻类的相互竞争以及沉水植物对水体中n 、p 等污染物质的吸收能力等方面。对 于如何克服水下光照条件对沉水植物恢复的技术研究几乎是空白。本文创造性的提出 了运用渐沉式沉床快速移栽技术克服补偿深度的限制，可以提高沉水植物移栽的成活 率，促进水生植物群落快速恢复。渐沉式沉床技术的提出弥补了我国污染水体治理快 速植被恢复技术的不足，为国内外首创。对渐沉式沉床开展的技术研究将为沉水植被 恢复技术开辟了新的领域。 1 4 本文的主要工作内容 渐沉式沉床技术是一项系统的技术，包含很多方面的内容。其中，沉水植物的选 择、基质材料的研究以及沉床悬挂深度的确定是技术研究中需要首先解决的问题。 本文针对沉床技术中的上述三个基本参数，部分工作以“国家十五重大科技专项 苏州市水环境质量改善与综合示范项目”为背景，开展现场和室内研究。本文的主要 内容如下： l 、针对水生植被恢复中遇到的水体透明度低、水下光照不足、沉水植物恢复困 难的实际问题，提出了渐沉式沉床移栽技术。 2 、沉床恢复物种的筛选。根据本文总结出的沉床物种筛选原则，结合苏州市水 环境质量改善与综合示范项目进行室内和现场试验研究。 3 、为沉床基质材料研究。根据沉床技术的特点和植物的生长需要开展实验研究。 4 、沉床悬挂深度的确定。分析了先锋植物恢复与水体补偿深度的关系。分别采 用现场黑白瓶法和室内的补偿点法两种方法对不同植物在现场水体的补偿深度进行 了测定，确定了沉床的悬挂深度。 5 、为现场试验研究。将本文的研究结果整体集成，在现场开展试验研究。 河海大学预士毕业论文 1 5 研究技术路线 图i - 2 本文技术路线图 河海大学预士毕业论文 2 1 选择原则 第二章沉床恢复物种的筛选 在水环境生态修复中，物种和群落是水生植被恢复考虑的主体。物种的选择和群 落的配置是植被恢复成败的关键因素之一。合理的物种和优化的群落配置是提高生态 恢复效率，形成稳定的可持续利用的良性水环境生态系统的重要手段。近年来，国内 外有关大型水生植物在湖泊、河流生态治理中的许多研究为物种的选择提供了可能。 渐沉式沉床技术是定位于促进水生植被恢复的一种快速移栽技术。旨在通过沉床 上先锋沉水植物的生长繁殖促进水生植物群落的恢复，并对水体透明度和水体光补偿 深度起到一定的改善作用。因此，应用于沉床移栽技术的先锋恢复物种必须具有很强 的耐污能力和良好的生态适应性，这样才能在水生檀被恢复中发挥先锋植物的作用， 快速生成植物群落。本文通过对国内外研究系统分析和总结，提出了针对渐沉式沉床 技术中的水生植被恢复的先锋物种筛选的三条原则： l 、耐污能力强 水生态系统的退化往往是由于水体污染负荷过高等因素造成环境压力增大所导 致。水生态修复的过程实际是水生植被逆向演替的过程。水生态修复过程中所面临的 往往是污染负荷高，浮游植物大量繁殖，群落空间结构单一等恶劣生境。沉床技术在 植被恢复中只是发挥斑块效应，通过渐沉式沉床技术完成对先锋植物的移栽，促进沉 水植被的恢复和快速建群。因此沉床植物首先必须要求具有很强的耐污能力，能够在 恶劣的污染水体环境中存活生长并能形成固定群落。只有这样，沉水植被的恢复才具 有可能。 2 、较好的水质改善能力 水生植被的生存分布与水深和透明度具有密切的关系。低透明度、大水深条件下 的植物分布将受到限制。渐沉式沉床移栽技术是通过改变植物生存的空间位置克服生 态修复过程中水体透明度低、污染严重等不利条件来恢复植被的。这就要求沉床上的 沉水植物具有较好的水质净化能力，能够改善水下光照条件，提高水体的透明度和光 河海大学硕士毕业论文 补偿深度。依靠沉床的渐沉式移栽最终在水体底层进行植被的恢复。 3 、良好的生态适应性 物种的选择还需要具有良好的生态适应性。由于物种选择不当造成的生态灾害在 我国已有不少先例。考虑物种的生态安全性，原则上一般尽量考虑以当地现有或者历 史上曾有过物种为主( 包括早已引入并安全生长的外来种) 作为恢复的先锋种和建群 物种。在此基础上首先要选择那些繁殖能力强，能抗风浪、对透明度要求不高，适应 深水处生存的植物。同时，也要适当考虑伴生种类的植物筛选。因为仅有先锋植物， 没有伴生植物，不易形成群体，对植被恢复也是很不利的。 2 2 沉床物种的初选 本文工作以“国家十五重大科技专项苏州市水环境质量改善与综合示范项 目”为项目背景开展研究。项目针对苏州城市水环境面临的问题开展水生生态系统的 构建技术研究，改善苏州城市水环境质量。 通过对苏州市太湖地区的沉水植物的现状调查和历史资料分析，针对苏州市水环 境质量改善与综合示范项目的研究背景，根据本文提出的渐沉式沉床技术进行植被恢 复的先锋物种选择原则，初选出轮叶黑藻、苦草、微齿眼子菜、狐尾藻、金鱼藻、马 来眼子菜、菹草七种土著物种和实践应用良好的外来物种伊乐藻作为沉床物种。 初选物种的生物学特性总结如下： 2 2 1 土著物种 轮叶黑藻( h y d r i l i av e r t i c i l l a t a ) ：水鳖科黑藻属一年生沉水植物。雌雄异株。生 长期3 - 1 1 月。茎长达2 m ，有分枝。叶4 8 枚轮生，具有有性和无性两种繁殖方式， 能结出果实和种子。轮叶黑藻能在枝尖形成特化的营养繁殖器官鳞状芽苞。花果 期为夏秋季。每年秋末芽苞脱离母体后沉入水体淤泥层越冬，冬季休眠，水温i o 。c 以上时，沿落水底和芽苞基部叶腋中萌生出不定根，形成新植株。也可通过断枝进行 营养繁殖。营养生长期内通过枝尖插植3 天后就能生根。 其特点是：生命力强，分布广泛，种苗来源多，生长期内通过断枝进行营养繁殖， 繁殖能力强。其缺点是，植株较脆，容易折断，抗风能力较小。在适宜的环境条件下， 河海大学硕士毕业论文 在水深8 m 处仍能生长，且形成纯群落。 苦草( v a l l s n e r i as p i r a t i s ) ：水鳖科苦草属多年生沉水植物。雌雄异株。生长期3 月。叶基生，线形或狭带状，长短随水深浅而定，长者达2 m 。具有有性和无性两种 繁殖方式，能结出果实和种子，但种子非常细小，不易采集。苦草有发达的地下茎， 有匍匐茎，末端有膨大的球块。匍匐茎每一节上均能发芽，继而长成新的植株，新植 株又生出匍匐茎，所以速度很快。通常一株苦草一年可形成1 3 平方米的群丛。6 7 月份是分蘖生长的旺盛期，9 月底至l o 月初最大生物量，1 0 月中旬以后，分蘖逐渐 停止，生长进入衰老期。 其特点是：较耐污，适宣于疏松的沙质壤土，易形成纯群落，在东太湖分布较广。 无性的营养繁殖能力极强。对吸附悬浮物和提高透明度有很强的作用，但对底质的适 应性不强。 微齿眼子菜( p o t a m o g e t o nm a a c k i n u s ) ：眼子菜科眼子菜属多年生沉水植物。开花 期一般是3 - 6 月，结果期为8 - 9 月，在9 - 1 0 月间，生物量达到最大值。1 2 月开始停 滞生长。有有性和无性两种繁殖方式。根系发达，植株丛生，到冬季整个植株枯黄， 枯茎逐渐倒伏。春季水温上升后，帖底的枝条节间萌生根系，抽发新的植株。贴服在 水体的新植株也可以抽生出新的小植株。因此微齿眼子菜的天然种群结构中又多年的 老植株也有当年新生的植株。 其特点是：喜温暖。耐污性较强。分枝繁茂，容易形成丛生群落，对水域生态环 境有较强的改善能力。 狐尾藻( m y r i o p h y l l u ms p i c a t u m ) ：d , - 仙草科狐尾藻属一年生沉水植物。生长期 3 1 1 月a 雌雄同株，无冬芽，茎细长，多分枝较坚韧。沉水叶4 5 枚轮生，羽状 分裂。常在其它群落中作为伴生植物出现。 其特点是：耐污性很强，对透明度要求不高。适宜沙质的底质条件生长。可分布 在2 - 3 m 的水深。是很好的伴生沉水植物。 金鱼藻( c e r a t o p h y t l u md e m e r s u m ) ：金焦藻科金焦藻属多年生沉水植物。雌雄同 株，为喜温植物，不能越冬生长。具有有性和无性两种繁殖方式，以营养繁殖为主。 9 一l o 月成熟的果实脱离母体后沉入水底越冬，到第二年春天萌发新的植株。金鱼藻 为地上植物，其断枝萌生不定根后可形成新的植株，在没有根系的情况下金鱼藻也能 正常生长。具有较强的分枝能力，在任何生长高度上均能产生分枝。 河海大学硕士毕业论文 其特点是：喜温暖，耐污性较强。对水域生态环境有较强的改善能力。多适宜在 缓流水体生长。 马来眼子菜( p o m 川。胛幻 m a l a i a n u s ) ：眼子菜科多年生沉水植物。生长期3 - 1 0 月。是太湖常见沉水植物之一。生物学特性是：茎细长而较坚韧，尚耐污，其植株( 茎、 叶) 可达3 - 5 m 。 其特点是：有定的抗风浪能力，对底质要求不高( 沙质壤土) ，适应性强。 菹草( p o t a m o g e t o nc r i s p u s ) ：眼子菜科多年生沉水植物。其生长期为1 1 月至翌年 的5 月。根状茎细长。茎多分枝，略扁平，以种籽或顶端芽苞形式繁殖。3 - 4 月在分枝 顶端常结芽苞，等果实成熟后落入水底休眠，9 1 0 月份芽苞开始生根发芽，生长成新 植株。菹草茎杆在深水层不产生分枝，当茎杆生长到近水面时，每个叶腋内都能形成 新的分枝，在较好的生态条件下分棱可达3 5 级。 其特点是：对水质有较强的净化能力，容易形成种群，耐寒性较强，是较理想的 春、夏交替的沉水先锋植物。 2 2 2 外来物种 分布于太湖地区的伊乐藻是上世纪8 0 年代由日本引进的。伊乐藻的繁殖和适应 能力极强，水质净化能力非常突出。自引进我国2 0 多年以来，表现出良好的安全性 和生态适应性，在太湖地区的水域生态系统中发挥了巨大的作用。 伊乐藻( e l o d e an u t t l l ) ：水鳖科伊乐藻属一年生沉水植物，雌雄异株。以年为周期 的生长规律，最适宜温度2 5 。c 左右，3 0 。c 以上生长停滞，进入休眠状态，秋季再度生 长，形成新的种群。株高5 0 c m 一1 5 0 c m ，植株鲜绿柔嫩，茎节上的叶腋内可分生新枝， 有时还伴有细线状不定根，叶无柄，三枚轮生。伊乐藻植丛呈倒圆锥形生物量分布， 这一特性使其在时间和空间竞争上有明显的优势。据实测，在水深7 0 c m 水泥池种植的 伊乐藻，基部一根植株的上面有7 1 1 个分枝；在水深1 0 3 c m 的东太湖，每根植株上面 有2 0 2 8 分枝，越往上分枝越多。 伊乐藻的的适应性很强，繁殖能力强，且伊乐藻能忍受o * c 甚至冰点以下的寒冷。 伊乐藻在5 6 月生长高峰期，生物量可达5 8 k g m 2 。对底质的要求不高，人工栽培 很容易成活。可以通过断枝迅速的进行营养繁殖。可以高效的吸附水体中的污染物质， t o r 海大学硕士毕业论文 改善水质。是理想的先锋物种。 2 3 沉水植物的耐污能力试验 试验结合“国家十五重大科技专项苏州市水环境质量改善与综合示范项目” 在苏州市古城区苗家河示范段进行。示范段河流平缓，水质条件恶劣，为劣v 类水 质，氨氮、总氮和总磷的最大超标倍数分别达1 45 倍、6 5 4 倍和4 5 5 倍，属重污染 水体，高温季节水华和黑臭现象时有发生。 2 3 1 试验方法 分别对初选出的轮叶黑藻、苦草、微齿眼子菜、狐尾藻、金鱼藻、马来眼子菜、 菹草、伊乐藻进行试验。七月份现场水体的t n 、n h 3 - n 、t p 、c o d 分别达到7 ，8 6 m g l 、 5 5 1 m g l 、o 4 7m g l 、8 ，2 lm g l 。 首先将采集来的沉水植物在现场水体中驯养数天。实验时将植物扎成若干束放置 在塑料筐内，悬吊在苗家河现场河道中水下0 6 m 处。1 0 天后将植物取出，观察塑料 筐中沉水植物生物量、生长势的变化。 试验前确定塑料筐植物的初始生物量和植株高度。装有植物的塑料筐悬吊深度是 根据现场水体的平均透明度确定。 2 3 2 试验结果分析 根据试验开始和结束时植物生物量和植株高度的变化，抽发新枝情况，植株颜色 等生长势的差异作为指标判断不同沉水植物的耐污能力。耐污物种植株高度和生物量 增加，有新芽长出，植株颜色鲜嫩柔绿。敏感物种生物量降低，植株颜色发黑，腐烂， 中间还有多种过渡状态。 试验结