（环境工程专业论文）沉水植物修复受污水体效能的研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文摘要 摘要 随着我国水体的富营养化程度的不断加剧，永生植被的生态修复技术日益受到广 泛关注。近年来，苏州的园林水体由于水域面积小，水环境容量小，自净能力差的特 点，均出现不同程度的富营养化现象，导致园林环境价值和品位的下降。本研究是在 室外自然光照条件下进行，主要考察鱼草、伊乐藻、金鱼藻三种沉水植物在不同季节 和两种种植间距时( 1 ( x ) m m x l o o m m 和2 0 0 m m x 2 0 0 m m ) 对氨氮、正磷等水质指标的 去除，优选出综合净化效能较优的沉水植物物种，并且对优选的物种在不同季节三种 种植间距时( 分别为l o o m m x l o o m m 、2 0 0 m m x 2 0 0 m m 、4 0 0 m m x 4 0 0 m m ) 的净化效 能进行研究，优选出适宜的栽种密度主要研究结果表明： ( 1 ) 三种沉水植物对受污水体均有良好的净化效果。它们能有效去除水中的氮、磷 营养物，而且能提高水中的溶解氧水平，改善水体的浊度，对水中的高锰酸盐指数也 有一定的去除效果。在春季、夏季试验中，三种沉水植物对氨氮去除率能达到 7 2 3 0 o - , 9 6 5 ，对正磷酸盐的去除率为2 9 4 - - - 9 5 o ，且对氨氮的去除率往往要高于 对正磷酸盐的去除率。 ( 2 ) 对鱼草和伊乐藻春季、夏季的比去除速率的比较表明，鱼草要快于伊乐藻。对 于同种植物来说，种植密度小的其比去除速率较快，春季的比去除速率一般快于夏季 的比去除速率。三种沉水植物在不同季节净化能力存在差异，综合来看，鱼草较适用 于园林水体的修复中。 ( 3 ) 通过鱼草去除速度和浓度的曲线拟合得出，在春季，鱼草对总氮、正磷酸盐和 总磷的去除速度与浓度均呈正相关关系，即随着浓度的增加，其去除速度也随之增加； 而夏秋季节，去除速度与浓度的数据拟合效果不好 ( 4 ) 对鱼草不同种植密度的季节性试验，结果表明，在春季，种植密度较大的( 即 种植间距l o o m m x l o o m m ) 净化效果较优，而在夏季和秋季，种植密度较小的( 即种 植间距4 0 0 m m x 4 ( x ) m m ) 净化效果较好，建议选用2 0 0 m m x 2 0 0 m m - 3 0 0 m m x 3 0 0 l n l n 的种植间距，但依具体情况也会有所变化。 关键词：生物修复，受污水体，沉水植物，鱼草 a b s t r a c t w i t ht l l e w o r s e n i n go fe u t r o p h i c a t i o no f w a t e rb o d i e s , a q u a t i c m a c r o p h y t e s r e s t o r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ni n c r e a s i n g l yp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nr e c e n ty e a t s ， d i f f e r e n td e g r e e so fe u t m p h i c a t i o no c c i i nt h eg a r d e nw a t e ro fs u 吐o uw h i c h c h a r a c t e r i s e db ys m a l lw a t e ra l i a s , s m a l lw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e sa n dl o w s e l f - p u r i f i c a t i o na b i l i t i e s ，r e s u l t i n gi nt h ed e c l i n ei nl a n d s c a p eq u a l i t ya n de n v i r o n m e n t a l v a l u e t h i ss t u d y , c o n d u c t e do u t d o o r sm d 盯l l a t u l 溘1w e a t h e r 衄d i w a sm a i n l y 协 s t u d yt h ea b i l i t yo fc a b a m b ac a r o l i m a n ag r a y , e l o d e ac a n a d e n s i s ，c e r a t o p h y l l u m d e m e r s u m 工i nd i f f e 他n ts c a s o l 坞a n dt w od i f f e r e n tp l a n t i n gs p a e e s ( 1 0 0 m m x l 0 0 r a ma n d 2 0 0 m m x 2 0 0 m m ) f o rr e m o v i n ga m m o n i an i t r o g e n , p h o s p h a t ea n do t h e rw a t e rq u a l i t y i 1 1 d e x e $ , a n dt h e 班l b m 州m a e r o p h y t et h a th a sb e t t e re f f e c t i v e n e s sw a ss e l e c t e db e f o r e t h ee f f e c t i v e n e s so fw a t e rp u r i f i c a t i o nf o rt h es e l e c t e dp l a n ti nt h r e ed i f f e r e n tp l a n t i n g s p a c e s ( 1 0 0 m i n x l 0 0 m m , 2 0 0 m m x 2 0 0 r n m , 4 0 0 m m x 4 0 0 m m ) a n d d i f f e r e n ts e a s o l l $ w a s s t u d i e df o rs e l e c t i n gs u i t a b l ep l a n t i n gd e n s i t y b a s e d0 1 1t h e 他- s u l to ft h es t u d y , t h e f o l l o w i n gm a i nc o n c l u s i o nc a nb ed r a w n ： ( 1 ) t h r e es u b m e r g e dm a c r o p h y t e sh a v eg o o de f f e c t i v e n e s so f w a t e rp u r i f i c a t i o n t h e y 咖n o to n l yr c m o v cn i t r o g e na n dp h o s p h a t e , b u ta l s oi n c r e a s ed i s s o l v e do x y g e ni nt h e w a t e r , i m p r o v et h et u r b i d i t yo ft h ew a t e rb o d ya n dr e m o v ep e r m a n g a n a t ei n d e x i nt h e s p r i n ga n ds u m m e r , t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e ni s 7 2 3 - 9 6 5 a n dt h e r e m o v a lr a t eo fp h o s p h a t ei s2 9 4 9 5 o f o rt h e m t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i a n i t r o g e ni su s u a l l yh i g h e rt h a nt h er e m o v a lr a t eo f p h o s p h a t e f o rt h e m ( 2 ) i nt h es p r i n ga n ds u m m e rt e s t sf o rc a b a m b ac a r o l i m a n ag r a ya n de l o d e a c a n a d e n s i s , t h es p e c i f i cr e m o v a lr a t eo f c a b a m b ac a r o l i m a n ag r a yi sf a s t e rt h a nt h el a t t e r f o rt h es a l l l cs p e c i e s , t h es m a l l e rp l a n t i n gd e n s i t yi s , t h ef a s t e rt h es p e c i f i cr e m o v a lr a t e w i l lb e t h es p e c i f i cr e m o v a lr a t ei nt h es p r i n gi sf a s t e rt h a nt h a ti nt h et r l l n n l e l 1 1 豫 s u b m e r g e dn m e r o p h y t e sh a v ed i f f e r e n t a b i l i t i e so fp u r i f i c a t i o n i naw o r d , c a b a m b a c a r o l i n i a n ag r a yi sb e t t e ra p p l i e df o r t h er 岛；t 啪t i o no f g a r d e nw a t e r ( 3 ) b yr e m o v a ls p e e da n dc o n c e n t r a t i o nc u i v cf i t t i n gf o rc a b a m b ac a r o l i n i a n ag r a y ， r e m o v a ls p e e do f t o t a ln i t r o g e n ，p h o s p h a t ea n dt o t a lp h o s p h o m si sa l lp o s i t i v e l yc o r r e l a t e d w i t ht h e i rc o n c e n t r a t i o n si nt h es p r i n g , t h a ti s , w i t ht h ei n c 托a s eo fc o n c e n t r a t i o n , i t s r e m o v a ls p e e dw i l li n c r e a s e b u ti nt h e5 u m m g rs e a s o n , t h er e 吼i hi sn o ts a t i s f a c t o r yf o r f i t t i n gb e t w e e nt h er e m o v a lo fs p e e da n dc o n c e n t r a t i o n i i m a s t e rd i s s e r t a t i o no f s u z b o uu n i v e r s i t yo f , s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya b 5 t 撬c t ( 4 ) i nt h es p r i n g , t h eb i g g e rp l a n t i n gd e n s i t y ( 1 0 0 m m x l o o m mp l a i i a n gs p a c e ) 逸t h e b e t t e rp u r i f i c a t i o ne f f e c t i v e n e s sw i l lb e , w h i l ei nt h eb n l l l l m e l - a n da u t u n l n , t h es m a l l e r p l a r n i n gd e n s i t y ( 4 0 0 m m x 4 0 0 m mp l a n t i i l gs p a c e ) i s ，t h eb e t t e rp u r i f i c a t i o ne f f e c t i v e n e s s w i l lb ei nt h es e a s o n a lt e s t sf o rc a b a m b ac a r o l i n i a n ag r a y i ti s s u g g e s t e dt h a t 2 0 0 m m x 2 0 0 m m - 3 0 0 m m x 3 0 0 m mp l a n t i n gs p a c ei sc h o o s e dm o 文施b l y b u ti tm a y c h a n g e 删x , r d i n gt ot h es p e c i f i cs i t u a f i o m k e y w o r d s ：b i o r e m e d i a t i o n , p o n = e dw 栅s u b m e r g e dm a e r o p h y t e s ，c a b a m b a c a r o l i n i a n ag r a y 1 1 1 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：蔓硷日期：，擗月二选日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：j 丝日期：廿月。丛日 指导教师签名：i 丛蒸熏k 日期：出月当 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究目的和意义 1 1 1 我国水环境污染现状 第一章绪论 随着工业化进程的不断发展和人口的急剧增长，我国水体富营养化日益严重，水 生态系统遭到不同程度的破坏。浅水湖泊，尤其是城市湖泊，具有较低的耐污染负荷 能力，外来营养盐和其它污染物的大量输入和不合理的开发利用，导致湖泊原有生态 系统遭受破坏，水体自净能力下降【l 刃2 0 0 4 年我国七大水系4 1 3 个监测断面中国， 类和超类水质占5 8 4 ，并且监测的2 7 个重点湖库中，类和超类水质占7 4 ， 其中太湖、巢湖、滇池三湖水质均为劣v 类 目前，许多河流、湖库及景观水体都存在不同程度的污染问题，水体质量不断恶 化。根据我国水资源综合规划评价成果，全国8 4 i 代表性湖泊水库营养状况评价结果 表明：全年有4 4 个湖泊水库呈富营养状态，占评价湖泊水库总数的5 2 4 ，4 0 个湖泊 水库为中营养，占总数4 7 6 太湖、滇池、巢湖均呈富营养状态在评价的6 3 3 座代 表性水库中，贫营养水库3 座，占评价水库总数的比例不足3 ，中营养水库3 9 1 座， 占评价总数的6 1 7 ，富营养水库2 3 9 座闭。我国大部分城市湖泊的水体透明废下降， 污染严重还会出现水体发黑或出现水华；水质和底质的氮磷及其它污染物含量较高， 水生态系统急剧退化，水生植物以浮游植物为主，藻类大量繁殖，高等水生植物不断 消亡根据综合营养度指数对我国主要城市湖泊进行分级评价的结果表明，我国城市 湖泊均达到了富营养化或严重富营养化程度。全国有9 3 左右的公园水体都遭受不同 程度的污染，水体黑臭、发绿，透明度下降，藻类泛滥等现象严重。这不仅影响了城 市的景观质量，也严重影响了人们的身心健康【l 4 】 富营养化是一个典型的生态问题，生态问题只有用生态学方法解决嘲。当前，伴 随城市化的迅速发展，城市环境中的生态恢复业已提上议事日程；工业化国家由于环 境污染造成的生态破坏以及今天为生态恢复所做的大量工作，应该引起我们的高度重 视 6 1 在发展经济的同时，我们要注重生态环境的保护和治理，使经济发展同生态环 境保持相互协调，实现。双赢”的目的。 。资料来源：中国同o 蚺，拍黼c h i f 鼠札) 。 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 苏州水系及水体污染现状 苏州市位于长江三角洲、太湖流域腹部，苏州市区中心地理坐标为北纬3 1 0 l9 | ， 东经1 2 0 3 7 ，它北枕长江，东邻上海，南连浙江省嘉兴、湖州两市，西濒太湖、无 锡市，是江苏省最东南部的省辖市。苏州古称“平江”，境内河港交织，水网纵横， 湖荡众多，繁若星罗，计有各级河道2 万余条、湖泊荡漾3 2 3 个，水域面积占4 2 5 2 之多。由于地势低平，高程相差较小，因而河流比降小，水道多而致水流平缓、迂回， 在局部气象要素或沿江水闸引捧水等人为因素影响下，河湖流向亦时有顺逆不定 苏州市区周围，环绕着太湖、阳澄湖、金鸡湖、独墅湖、石湖和澹台湖等众多湖 泊。京杭大运河从市区西北向东南穿城而过。市区河道不深，正常水位情况下，航道 主干河道水深2 - 3 5 m ，非航道的其他河道水深1 - 2 m 之间市区河道宽窄悬殊，最宽 处达1 3 5 m ，最窄断面只有9 m 整个市区地势平坦，河道坡降仅为十万分之一，除大 运河外，主要河道水流十分缓慢，一般在0 1 m s 以下，有时甚至滞留。在自然情况 下，内城河大多呈滞留状态o 苏州的水环境有两个显著特点，一是河网水，二是园林水对河网水而言，苏州 市城区河网密布，与其他城市的不同之处是其外城河是与外界相连的，但古城区的内 城河与外城河不连通，河道里的水几乎不流动。苏州古城区的水质恶化以有机污染为 主，据统计，氨氮、总氮和总磷的最大超标倍数分别达1 4 5 、6 5 4 和4 5 5 倍，属于 重污染，部分河段时有黑臭现象发生。苏州园林是世界文化的瑰宝，已有9 处被列入 世界文化遗产然而长期以来，多数园林水环境现状不容乐观，多数池塘水体滞流， 水质浑浊，富营养化现象明显，严重影响周围景观的视觉效果以拙政园为例，其水 系是封闭式的，由于水生植物腐烂、沉淀物长期淤积等原因，池塘水质恶化，从而降 低了园林的环境价值和品位 1 1 3 研究的目的和意义 近年来，随着工农业生产和城市建设的发展，大量污染物质捧入周边河流，苏州市 的水体污染现象严重，大多数为劣v 类水质，与整个城市的发展要求极不相称。众所 周知，园林水为景观水体，具有水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力 差等特点，由于管理不善，常成为居民生活污水、雨水及垃圾的收纳体，从而导致水 体不同程度的富营养化，水中藻类大量繁殖，水体变黑变臭，严重影响了园林的自然 环境质量，造成其观赏性能下降。因此，本研究拟对经初步筛选的不同沉水植物对受 污水体的修复效能进行对比试验研究，进一步优选适宜的沉水植物种类、栽种方法、 。资料来源：苏州水务网( h t t p ：w w w s j j 轧l d 删g o v c n ) 2 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 密度等，为苏州园林水体的生物修复示范工程建设提供理论依据。 1 2 生物修复的内涵与种类 环境修复技术是一项新兴的环境工程技术，它强调的是面源治理，即对人类活动 的环境进行治理。与之相比，如采用传统治理净化技术，即使对于局部小系统的修复， 其运行费用也将是天文数字。根据环境修复对象的不同，可分为水体环境修复、大气 环境修复、土壤环境修复和固体废物环境修复。按环境修复的方法分，主要包括物理 修复、化学修复、生物修复技术1 3 1 对受污水体而言，物理修复技术主要有外源污染 控制、底泥疏浚、水动力循环等。化学修复技术包括杀藻技术、沉淀钝化等。然而它 们在具体实践中往往治标不能治本，只能作为辅助性措施 7 , s 1 而生物修复技术是国 外近年来发展很快的一种新技术与前两者相比，生物修复可以节省费用，现场进行， 并对周围环境干扰较小，可最大限度地去除污染物。 最初的生物修复是从微生物开始的，从1 9 8 9 年美国阿拉斯加原油溢油事故治理 开始，生物修复只有几十年历史随着研究的不断深入，其修复主体也包括了植物、 动物等对受污水体而言，它是一种利用特定生物( 特别是微生物) 对水体污染物吸 收、转化或降解，达到减少或消除水体污染，恢复水体生态功能的生物措施。由于自 然生物修复是完全依靠自然的修复过程，对多数生态遭到破坏的受污染水体来说，是 远远不够的，必须采用人工的生物修复技术唧。 人工的生物修复技术又分为原位生物修复技术和异位生物修复技术。原位修复技 术( i n s i t er e m e d i a d o n ) 是指在受污染的地区直接采用生物修复技术，不需将污染物 挖掘和运输，一般采用土著微生物，有时也加入经过驯化的微生物，常常需要用各种 措施进行强化。常用的原位修复技术有生物培养法、投菌法，植物修复法等。异位修 复( e x s i t er e m e d i a t i o n ) 是指将被污染的环境对象从被污地取出来，经运输后，再进 行治理的技术，一般借助于生物反应器处理，主要包括反应器处理、制床处理、厌氧 处理等【3 ，姗。 作为原位修复技术之一的植物修复，是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物 的理论为基础，从广义上讲，包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化水 体和空气、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共存体系净化环境中 有机污染物等【l 通过野外采样和系统分析方法，研究了芜湖市四褐山工业区附近水 域中c u 、p b 、c d 、z n 和m n 5 种重金属的含量及其在8 种水生植物体内的积累特性。 结果表明，工业区水体污染严重，重金属含量严重超标，分别为标准值的9 、1 0 1 、4 0 0 、 3 和4 3 8 倍；8 种水生植物的重金属积累量均较大，其中以水鳖根、茎叶的c u 、p b 、 c d 、z n 含量最高，分别为水体中重金属浓度的9 1 2 和2 5 9 倍、3 3 a 1 和5 倍、0 8 和 3 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 o 3 倍、2 6 9 和9 1 倍，明显高于其它7 种水生植物；8 种水生植物不同器官对c u 、p b 、 z i l 的富集系数均 l ，富集能力较强1 1 2 1 。 1 3 高等水生植物修复受污水体的研究进展 1 3 1 水生植物的内涵与分类 大型水生植物( a q u a t i cm a c r o p h y t e ) 是指生理上依附于水环境、至少部分生殖周期 发生在水中或水表面的植物类群。它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生态适应类型，主要分为维管束植物和非维管束 植物，后者有大型藻类和苔藓类植物。水生植物有挺水、浮水、湿生和沉水等生活型 【埘 ( 1 ) 挺水植物( e m e r g e n t m a c r o p h y t e ) 是一种根生底质中，茎直立，光合作用组织气 生的植物生活型。它吸收水体中的污染物主要是根，能从底泥中吸收营养元素，降低 底泥中营养物含量，并且可通过水流阻尼作用，使悬浮物沉降，还有与其共生的生物 群落共同净化水质的作用。挺水植物有很强的适应性和抗逆性，生产快，产量高，并 能带来一定经济效益。常见的挺水植物有香蒲、茭白、芦苇、水葱等。 ( 2 ) 浮叶植物( f l o a t i n g - l e a v e dm a c r o p h y t e ) 是茎叶浮水、根固着或自由漂浮的植物 生活型，分为根生浮叶和自由漂浮植物。其吸收污染物主要部分是根和茎，叶处于次 要位置。大多数为喜温植物，夏季生长迅速，耐污性强，对水质有很好的净化作用， 也有一定的经济价值，但扩展能力较强易泛滥常见的种类有凤眼莲、浮萍、睡莲等。 浮萍科植物的氮磷含量和生长速率高并可以耐受多种污水条件，是污水处理生态 工程中重要的水生植物类群以浮萍为主的污水处理系统已得到较多的研究和应用， 这类系统最大特点是浮萍的生长可以大量吸收污水中的氮磷，从而具有较高的氮磷去 除率，同时生成的生物量可多种方式利用【1 4 1 ( 3 ) 沉水植物( s u l , m e t _ s e dm a c r o p h y t e ) 在大部分生活周期中植株沉水生活，部分根 扎于水底，部分根悬浮于水中，其根茎叶对水体污染物都能发挥较好的吸收作用，是 净化水体较为理想的水生植物。其种类繁多，但一般指淡水植物，常见的有金鱼藻、 苦草、伊乐藻、眼子菜等。 王斌等在不同c o d 水平下( 最低8 6 2 6 m g l ，最高为1 5 4 3 0 2 4 m g l ) ，通过测定种 植菹革的s o d 活性、蛋白质和叶绿素含量，结果表明菹草是对环境变化耐受性较强 的沉水植物，在c o d 值较高，水质污染严重的水体中仍能生长发育，对c o d 有一定 的清除作用，能够用来清洁水质，改善水环境1 1 5 1 。 “) 湿生植物常生活在水饱和或周期性淹水土壤上，根具有抗淹性，并且对水中 一4 - 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 污染物有较好的吸收作用，如喜旱莲子草、灯芯草、多花黑麦草等 1 3 2 水生植物的净化机理 ( 1 ) 吸收作用 大型水生植物在其生长过程中，具有过量吸收n 、p 等营养元素的能力。研究表 明，水生植物的n 和p 含量都达到或超过生长所需最低的n 和p 阈值，代表性浮叶 植物和沉水植物的n 、p 含量随着湖泊营养水平提高呈现规律性变化【l q 。与藻类相比， 氮、磷在水生植物体内储存更加稳定，因为其生命周期更长当水生植物被转移出水 生生态系统时，被吸收的营养物质也随之移出了水体，从而达到净化的目的【”】。按照 生态效率原理：生物调控方法过程长，取出营养盐效率低，即对水体污染物的去除而 言，取出鱼类资源对营养盐的去除效率要大大低于直接取出藻类和水生高等植物的效 果口8 1 。 不同水生植物其吸收能力存在着差异，并且不同条件也会影响植物的氮磷吸收， 如p h 、光照、水温等大量的实践证明，尽管这些植物可以很容易地在污水中生长 存活，但是要有效利用污水中的氮、磷，只是随意的种植，往往达不到预期的目的， 需要对植物种群在污水中的增长规律，氮、磷的转化效率及合理的收获等关键因素进 行深入研究，才能达到预期的修复效裂1 9 - - 2 ” 沉水植物在生长期间具有从水中和底质中吸收与富集营养盐的能力，起着“营养 泵”和“营养库”的作用 2 2 1 。底质吸收是植物组织矿质营养的主要来源，而且沉水植 物所固定的矿质营养在整个生长期中都不会被明显释放，这对控制营养物的循环速度 有明显作用除根部以外，沉水植物的叶片对水层中的营养物有很强的吸收功能，对 藻类的生长能起到控制作用田l 。采用磷的分级方法研究苦草移植后生长过程中沉积物 不同的磷赋存形态( n h 4 c i - p ，b d - p ，n a o h p 和h c l - p ) 以及总磷的变化，结合野 外人工恢复的水草区域采样的结果，分析了野外条件下沉水植物狐尾藻对磷赋存形态 的影响，结果表明，沉水植物能够有效的降低沉积物中磷的含量，而且水生植物对磷 的不同赋存形态的影响并不相同，其中，b d - p 是受沉水植物影响最为明显的磷赋存 形态刚 ( 2 ) 微生物作用 由于水生植物群落的存在，为微生物和微型动物提供了附着的基质、栖息的场所。 研究表明，污水中的含氮有机物分解所产生的氨态氮，一部分是通过植物吸收和挥发 作用而去除，大部分则是通过硝化作用和反硝化作用的连续反应而去除的嘲同时， 植物能根区内提供一个有氧环境，从而有利于微生物的降解作用，且根区外的厌氧环 - 5 - 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 境则有利于厌氧微生物的代谢。根际周围环境依次为好氧、缺氧及厌氧状态，使硝化、 反硝化作用得以进行。水生植物能够增加水中溶解氧，水中溶解氧的稳定状态是植物 光合作用产生的氧与水中生物呼吸耗氧达至平衡的结果。此外，植物的根系还能够分 泌出一些有机物，从而促进细菌以及微生物的代谢活动。 ( 3 ) 吸附、截留、沉降作用 漂浮植物发达的根系与水体接触面积很大，能形成一道密集的过滤层，当水流通 过时，不溶性胶体会被根系吸附或截留。同时，附着于根系上的细菌在其进入内源呼 吸期后会发生凝聚，部分菌胶团把悬浮性有机物和新陈代谢产物沉降下来刚沉水植 物不但能抑制生物性悬浮物，而且也能抑制非生物性悬浮物 对萘在水葫芦根系的吸附过程进行模拟研究，结果表明，新鲜水葫芦根系对萘不仅 具有吸附作用，而且还具有吸收或根际微生物降解等作用；水葫芦根系吸附萘的初始 速率与浓度符合一级反应动力学；吸附过程可用l o n g m u i r 公式表示的单分子层吸附 模型描述叨 ( 4 ) 克藻作用 水生植物和浮游藻类同属于初级生产者，水生植物个体大，生命周期长，直接干 扰藻类的生长，因而具有较大的竞争优势。一方面水生植物通过光和营养物质的竞争， 抑制藻类的生长；另一方面通过化感作用抑制藻类生长。某些水生植物根系能分泌出 克藻物质，达到抑制藻类生长的作用。如菇类化合物、类固醇等 2 s , 2 9 1 研究了水花生、菱，金鱼藻和浮萍对同一水体中栅藻生长的抑制作用，结果表明， 受试植物均能在不同程度上减少水体中藻细胞数量，促进藻细胞内叶绿素a 的破坏与 脂质过氧化产物丙二醛0 v i d a ) 含量的升高，抑制超氧化物歧化酶( s o d ) 的活性。种 过供试植物的水也表现出相似的抑藻效应刚。 1 3 3 沉水植物对生态系统的影响 沉水植物占据水体中水和底质的主要界面，形成水体两大营养库之间有机的结合 部，因此对水体的生物生产力和生物地化循环产生关键性影响。同时，沉水植物所代 表的巨大矿质营养库也处于居中的周转速度，成为水体中从陆地到水生境、从底质到 水层和从浮游生物到鱼类之间的活的界面i l 习。沉水植物的吸收能增加水生态系统中磷 向上覆水中分配 沉水植物是磷分配的重要影响因子，底质对磷的吸附能力相对沉水植物对水体中 磷分配的影响较小1 3 1 】沉水植物通过控制藻类、减缓营养循环速度和增加水体稳定性 等功能有效地提高了水体环境质量。沉水植物在水生态系统中有着不可替代的作用 6 - 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 研究表明，沉水植被修复后，水质明显改善，透明度大大提高，生物多样性增加。【2 4 翊 ( 1 ) 对物理环境的影响 沉水植物为水中的较大的生物群，对物理环境的改变显著。不同种沉水植物消光 系数相差很大，最大可相差4 倍。沉水植物区的垂直温差可达l o m 1 ，而临近无 植被区为o 2 m 1 【。同时，沉水植被区能对底泥有一定的固定作用，从而改善水 体的透明度 ( 2 ) 对生物地球化学过程的影响 沉水植物根际氧化区的形成可以减少底质磷通过形成铁一磷结合物的方式释放到 上覆水体中。沉水植物的光合作用通过合成有机物和形成碳酸盐沉积提取水中的无机 碳。沉水植物主要通过根系吸收磷，然后分配到上部植株中，最后又通过植物活体释 放或衰亡腐烂再释放到水体中。氮在腐烂过程中主要以氨氮形式释放，但比碳释放得 慢。水生植物腐烂的生态学后果是释放出溶解物质，消耗环境溶解氧和抬高底质【1 3 1 。 大型水生植物、浮游植物死亡分解的碎屑氮及浮游动物、鱼类、鸟类等动物新陈 代谢后的捧泄物是乌梁素海有机碎屑氦的主要来源。底栖动物对湖底有机碎屑的转化 和抑制藻类的蔓延起很大作用，同时为鱼类的生长繁殖创造了有利条件湖中的有机 碎屑氮又会经过腐食者生物( 细菌、真菌等) 的分解作用而释放出氨基酸，氨基酸再经 过氨化菌的作用而形成氨。其中一部分氨以氨盐的形式被植物吸收，其余的氨则经过 亚硝化菌和硝化菌的相继作用，进一步被转化成亚硝酸盐和硝酸盐，硝酸盐又被植物 再次利用，而成为初级生产力刚。 ( 3 ) 对水生态系统演替的影响 由于沉水植物在其高生产力的演替阶段向湖盆提供了较多沉积物，对沿岸带产生 垫高和对外源营养固定。随着富营养化的加剧，虽然沉水植物消失，但一旦浮叶和挺 水植物开始克服水深限制在沿岸带形成群落，沼泽化进程便会迅速开始【1 3 1 2 0 年来西湖的富营养化仍在发展。西湖子湖之一小南湖区经一系列工程治理后， 出现了大面积的沉水植物，水体透明度大大提高，藻量明显下降，水体富营养特征逐 渐从浮游植物响应型向大型高等水生植物响应型转化。因此，建立和恢复以沉水植物 为主的生态系统，是治理西湖富营养化的有效途径【3 3 1 在浅水富营养化湖泊中，草型生态系统与藻型生态系统互相转化的先决条件是营 养盐水平，当其浓度发生变化时，对生态系统造成胁迫，导致生态系统不稳定，此时，外 部的任何一点扰动( 如风浪、高水位、鱼等) 就有可能使得原来的生态系统发生崩溃， 新的与环境相协调的生态系统得以建立【聊 “) 对水生物群落的影响 7 一 ， 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 沉水植物是附植生物的生活基质，为附生的牧食生物提供食物、避难所、接近空 气一水层界面的生存环境、氨基酸和无氨条件1 3 1 。当沉水植物消亡时，附植生物的生 存空问会变小，浮游动物会失去避难所，最终导致水体生物多样性指数的降低 围卜1 草型清水稳态向浊水稳态的转换过程【3 习 1 3 4 环境因素对沉水植物的影响 ( 1 ) 理化环境影响 沉水植物的生产力、分布和种类结构受到一系列环境因素的调控，其中光照、温 度、矿质元素是最重要的理化因子。一般，水底光照不足入射光l 以上时，沉水植 物就不能定居1 1 3 1 水位的高低直接关系到水下光照条件，对各种生态类型水生植物生 长、发育至关重要，尤其对沉水植物 3 6 1 。沉水植物分布的适宜深度一般不超过5 m 嗍 当处于植物光合作用补偿点和饱和点之间时，光强直接决定沉水植物的生产力。通过 影响水体溶氧量，光强也成为沉水植物生长的间接因子【”l 。研究表明，狐尾藻、金鱼 藻、苦草、菹草和黑藻光合作用利用不同光强的能力不同。5 种沉水植物的光合作用 都表现出明显的受强光抑制现象。从5 种沉水植物光合补偿点、光合饱和点及强光下 - 3 - 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 光合受抑制的表现特点看，苦草不耐强光，适于在水底生长；金鱼藻和狐尾藻在水体 上层有较强的竞争能力；菹草和黑藻对光的需求介于中间，其最大光合产量出现在中 层 3 7 1 水体的p h 不同，直接影响到水体中无机碳源的存在形式，不同的沉水植物对 水体p h 的耐受能力不同嘲。 水温和光照相联系共同影响沉水植物的形态变化、光合作用、叶绿素结构和繁殖。 生长耐受范围内的升温通常增加叶绿素浓度和生产力。沉水植物的温度最适点很高， 一般为2 8 - 3 2 温度可能与光照同样影响同一群丛中沉水植物的竞争共存关系。【t 3 】 底质是植物氮磷的直接来源。与磷相比，底质中的可利用氮量相对较少，有时会 成为生长的限制因素。底质中含有比水层中更加丰富的微量元素，沉水植物可从底质 中满足其微量元素的需求，但也有例外【1 3 1 。大型水生植物、浮游植物、浮游动物、鱼 类之间的氮循环及有机氮、氨态氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮间的转化外，水体与底质 问氮的交换是水体中氮的来源和去向的主要过程之一当外部的营养盐输入减少时， 从底质中释放的营养盐可成为满足生产力需要的重要营养源，底质中氮的释放主要是 氨态氮的释放由于风浪、生物等的搅动会向湖泊水体中释放营养盐，从而促进大型 水生植物的生长，最终加剧湖泊富营养化刚 此外，不同的营养水平对沉水植物也有明显的影响。有些沉水植物喜肥水生长， 有些喜偏瘦水体删 ( 2 ) 底质结构的影响 颗粒度会影响植物根系发展和对矿质营养的获取能力。沙质底质通常比较贫瘠、 有机物含量低下，可影响植物的密度和生物量。无氧环境下生成的还原性铁、锰和还 原性硫化物对植物有毒害作用，还原铁还通过干扰植物对硫的代谢和影响磷的可利用 性抑制植被生长1 1 3 1 通过人工模拟，进行曝气泥、河道底泥、掺砂泥和细砂4 种不同底质条件下的轮 叶黑藻生长影响试验，结果表明：曝气泥和掺砂泥的试验组中的轮叶黑藻的生长情况 优于底质为河道原泥和细砂的试验组，水体底质条件对水生植物的生长有较大的影 响，这对富营养化水体修复中水生植物的重建有着积极的意义【柏l 。 ( 3 ) 渔业的影响 放养的草食性鱼类对沉水植物的牧食强度很大，每增重l k g 鱼大约需消耗1 m 3 范围 的水生植物一年的生产量【闭草食性鱼类与水生植物的捕食关系直接影响种群消长。 鱼类对水生植物选择性取食，导致适口性好的植物受到损害，而使适口性差的植物不 断增加数量1 4 l l 。沉水植被被直接破坏后，对水中浮游藻类的抑制作用随之下降，从而 使藻类生存空间变大，甚至导致浮游藻类生产力提高。牧食性鱼类消耗了沉水植物后， 浮游动物因而失去了庇护所，其被捕食压力变大。7 9 一 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 “) 附植生物的影响 在富营养化情况下，水体富营养物浓度充足，刺激附着藻类，特别是绿藻和丝状 藻的大量生长。附植生物是生长于沉水植物表面的藻类、细菌、真菌、微型动物和无 机及有机碎屑的复合群落，外观为絮状或褐色粘质藻垫。它的消光系数有时可高于水 层浮游藻类的消光水体营养物供应的增加也缓解了附植藻类生长的营养限制。f 1 3 】 在1 9 9 3 年4 月到1 9 9 7 年6 月对淀山湖5 种沉水植物及人工基质上的着生藻类群 落进行的研究表明，着生藻类的生物量在冬季达全年最高峰，夏季为全年最低；着生 藻类生长与水草生长呈负相关；着生藻类生长对水草的生长和分布具有一定的抑制作 用，在调节沉水植物分布和生长方面的作用可能较浮游藻类更为重要。因而，沉水植 物衰亡是浮游植物和附植生物过量生长的共同结果【4 2 】 不同营养盐水平下附着生物对水生植物影响的实验结果表明，随营养盐浓度的升 高，附着生物的生物量随之增加，且对水生植物光合作用的抑制作用也相应增强跚 1 3 5 水生植物修复受污水体的研究进展 近年来，水生植物逐渐被开发利用，在食用、景观、医药等方面发挥了重要的作 用。同时随着湖泊富营养化程度地不断加剧，水生植物已广泛地应用于富营养化湖泊 的污染治理中，并具有广阔的发展前景( 4 3 - 4 6 1 。 表1 1 大型水生植物污水处理系统【4 刀 在利用水生植物的修复受损水域生态系统时，要遵循一定的原则，应充分考虑水 生植物与环境的协同作用。并根据环境条件和群落特性，合理配置水生植物群落形成 1 0 - 7 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 稳定可持续利用的生态系统。恢复水生植被必须达到一定的规模以保障水质和控制 蓝藻水华，同时又要防止因水生植物过度发展弓| 起沼泽化问题 3 1 1 1 。 水生植被的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，通过生态工程自q 途径重建水生植被，绝非简单的“栽种水草”， 而是在已经改变了的湖泊环境条件的基础上，根据湖泊生态功能的现实需要，依据系 统生态学和群落生态学理论，重新设计并建设全新的能够稳定生存的水生植被和以水 生植被为核心的湖泊良性生态嗍 早在2 0 世纪7 0 年代，国内许多湖泊通过大量放养草鱼来消灭水生植物，以防止 湖泊老化；但是随着湖泊的普遍富营养化和水华的频繁发生，到9 0 年代则进行富营 养水体中组建和恢复水生植被的研究大型水生植物不但是水体生态系统的初级生产 者之一，对维持淡水生态系统的结构和功能有至关重要的作用。大量研究表明，水生 植物的修复对富营养化水体来说具有极其重大的意义。它具有低投资，低能耗，有助 于重建和恢复良好水生态系统等优点，日益受到人们的关注1 4 9 - 5 2 1 人工湿地，不仅适用于生活污水，对某些工业废水、农业废水、垃圾渗滤液等也 有良好的净化效能1 5 3 , - 5 5 1 蒋跃平等通过比较杭州植物园人工湿地中7 种植物的生长和营养吸收特性，得出 植物对氮磷积累量与植物生物量之间有一个显著的正线性关系【明。利用漂浮水生植物 和陆生植物对去除超富营养化湖水的总氮总磷能力及抑藻效果的研究，在4 5 天培养周 期中，水龙、水禾、凤眼莲、竹叶菜对磷的平均去除率分别为8 5 、5 1 、9 4 、7 7 ， 对磷平均去除速率用平均生物量法计算，分别是6 4 5 、2 5 8 、4 0 1 、3 9 7 m g k g l d 1 ： 对总氮的平均去除率为8 0 、7 7 、8 7 、8 6 ，对总氮的平均去除速率用平均生物 量计算分别是3 1 9 l 、3 2 9 1 、2 1 6 5 、3 8 2 7m g k g 1 d 1 1 5 7 1 严立等的研究表明，三 级人工湿地对总磷和总氮去除率达到3 5 1 , - 6 5 3 和2 8 7 - - 6 2 9