生态浮床在富营养化水体修复中的应用

2009年第2期ENVIRONMENTANDSUSTAINABLEDEVELOPMENTNo12,2009生态浮床在富营养化水体修复中的应用

唐静杰 周 青

(江南大学环境与土木工程学院环境科学与工程系,江苏无锡,214122)

=摘要>近年来,随着人口增长和经济的迅速发展,对水资源的不合理开发利用,使水域环境富营养化呈现加剧恶化的趋势,鉴于传统物理、化学方法所带来的难操作、易产生二次污染等问题,人们越来越多地将目光转向利用陆生植物净化水质的生态浮床技术的研究中,通过植物发达根系吸收和富集N、P,同时降解和富集其他污染物,最终以收获植物体的形式将各种过剩成分移出水体,达到净化水质的目的,且可获得一定的经济效益和社会效益。

=关键词>生态浮床技术;植物;富营养化;应用现状

中图分类号:X17 文献标识码:A 文章编号:1673-288X(2009)02-0024-04

水环境污染和水资源短缺是当今全球淡水资源面临的两大危机112。湖泊富营养化(eutrophication)作为一个日趋严重的全球性环境问题,引起了湖沼学家、生态学家和环境学家的广泛重视。湖泊富营养化不仅对湖泊水质产生严重影响,而且影响周边水环境和人

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文景观,甚至通过给水系统危害到公众的健康12、。近年来,随着我国人口的增长和经济的迅速发展,排入

用,创造了可观的经济效益。

生态浮床技术是由3项国家发明专利组成,拥有自主知识产权的水环境治理与生态修复兼顾的实用技术1102。该技术原理是:利用植物在生长过程中对水体中N、P等元素的吸收及植物发达根系和浮床基质对水体中悬浮物的吸附,富集水体中有害物质,利用植物根系释出大量能降解有机物的分泌物,加速有机污染物分解;一些植物还能分泌化学克生物质,抑制浮游植物生长111~122。随着部分水质指标改善,尤其是溶解氧(DO)大幅增加,为好氧微生物繁殖创造了条件。通过微生物对有机污染物、营养物的进一步分解,使水质得到进一步改善,最终通过收获植物体形式,将N、P及吸附积累在植物体内和根系表面的污染物完全迁出水体,使水体中的污染物大幅减少,水质改善,为水生生物,特别是沉水植物生存、繁衍创造生态环境条件,为最终修复水生态系统提供可能182。112 生态浮床技术特点

生态浮床通常采用塑料泡沫板作为浮体的载体,使废弃塑料泡沫有用武之地,避免塑料泡沫大量堆放产生的二次污染。生态浮床技术是生态技术,是将浮床陆生植物作为先锋种植于河湖水面,利用陆生植物生长过程中对大量N、P吸收和光合作用,去除水中N、P,无须施肥,避免肥料对水体污染,且病虫害少,生物生产量高1102。生态浮床不受光照等条件限制,可避免沉水植物人工种植后,由于光照等生境条件难以保障其正常生育而死亡的现象。浮床植物生物量高且易收割,可实现污水资源化利用192。此外,浮床陆生植物多为经济种类或观赏种类(如香草根、美人蕉等),不仅可以净化水质,还可创造一定的经济效益和

江河、湖泊的废水和未经处理的生活污水不断增加,而水处理设施建设严重滞后,引起地表水体环境的严重污染,富营养化水域日益增多142。据报导,我国富营养和超富营养化湖泊占我国湖泊总量的66%和22%152。太湖是我国受到严重污染的湖泊之一,2007年5月29日发生在无锡市的太湖蓝藻危机事件,在国内外造成广泛的影响162。近年来人工浮床因具有可移动式运行、无动力、无维护、使用寿命长等特点,正日益受到普遍关注,利用人工浮床技术栽培湿生植物、陆生植物治理富营养化水体的研究屡见报道172。本文通过对生态浮床技术治理富营养化水体研究状况的综述,以期对富营养化水体修复有所帮助。

1 生态浮床技术简介

111 生态浮床技术与原理

生态浮床技术是按照自然规律,运用无土栽培技术,以高分子材料为载体和基质,采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。采用该技术可将原来只能在陆地上种植的草本陆生植物种植到自然水域水面,从而扩大了植物可种植范围,且能取得与陆地种植相仿,甚至更高收获量与景观效

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果18、。加之用于生态浮床技术研究中的植物多数可食

唐静杰等:生态浮床在富营养化水体修复中的应用#25#

物,喜温暖、光照充足环境,花小,无花被,有毛,花期6~7月,果期7~8月,较耐寒,香蒲叶绿穗奇常用于点缀园林水池、湖畔,构筑水景,宜做花境、水景背景材料,也可盆栽布置庭院,蒲棒常用于切花材料,全株是造纸的好原料,叶称蒲草可用于编织,花粉可入药称蒲黄,蒲棒蘸油或不蘸油用以照明,雌花序上的毛称蒲绒,常可作枕絮,嫩芽称蒲菜,其味鲜美可食用,为有名的水生蔬菜。牛筋草(Eleusineindi2ca),茎秆丛生,斜升或倡卧,有的近直立,株高15~90cm,发芽需在20~40e变温条件下有光照,恒温条美化污染水体的景观,实现生态、经济和社会效益的集合,符合建设生态文明、实现可持续发展理念。

2 生态浮床常用植物与价值1132

目前已成功用于生态浮床的植物有:美人蕉(Canageneralis)。多年生草本,株高100~150cm,根系发达,根茎肥大,茎叶具白粉,叶片阔椭圆形,总状花序顶生,花径达20厘米,花瓣直伸,具4枚瓣化雄蕊,花色有乳白、黄、桔红、粉红、大红至紫红,花期6~10月(北方),最适生长温度为13~17e,美人蕉茎叶茂盛,花色艳丽,花期长,适合大片湿地自然栽培,也可点缀在水池中,还可作切花材料,它是净化空气的良好材料,美人蕉除观赏外,其根茎及花可入药,有清热利湿、安神降压的功效。旱伞草(Cyperusalternifo2liusflabelliformis),多年生湿生、挺水草本植物,性喜温暖、阴湿及通风良好环境,适应性强,具6朵至多朵小花,生长适宜温度为15~25e,不耐寒冷,其茎杆挺直细长的叶状总苞片簇生于茎杆,呈辐射状,姿态潇洒飘逸,不乏绿竹风韵,很受人们欢迎,常供盆栽观赏或作插花切叶。水芹菜(Oenanthejavanica)多年生宿根草本水生植物,各地均有分布,也有栽培,嫩茎节间较长,茎粗,色绿白,是深受人们喜爱的绿色无公害产品,水芹菜以食用其嫩茎及叶柄为主,可生拌或炒食,清香鲜嫩,常在冬春蔬菜淡季采收应市,所以是一种很好的补缺渡淡的蔬菜,水芹菜全草和根可入药,具清热利水、化痰下气、祛瘀止带、解毒消肿之功,并有明显的降压、镇静和抗惊厥的作用。黑麦草(Loliummultiflorum),禾本科植物,在春、秋季生长繁茂,草质柔嫩多汁,适口性好,供草期为10月至次年5月,夏天不能生长,黑麦草须根发达,该草在昼夜温度为12~27e时再生能力强,黑麦草营养丰富,鲜草中含蛋白质216%,亩产粗蛋白175kg,是牛、羊、兔、猪、鸡、鹅、鱼等的好饲料。香草根(Veiveriazi2zanioids),生物量大,含氮、磷养分高,兼有陆生和水生特点,适应性极强的多年生禾本科植物,并有三料(原料、饲料、燃料)之美誉,具有净化富营养化水体的潜在优势142。水稻(Oryzasativa),一年生禾本科植物,属须根系,不定根发达,穗为圆锥花序,自花授粉,幼苗发芽最低温度10~12e,最适28~32e,水稻为重的粮食作物,除食用颖果外,可制淀粉、酿酒、制醋,米糠可制糖、榨油、提取糠醛,供工业及医药用,稻秆为良好饲料及造纸原料和编织材料,谷芽和稻根可供药用。荻(Miscanthussacchariflorus),荻为多年生草本植物,形状象芦苇,地下茎蔓延,叶子长形,紫色花穗,生长在水边,为重要的野生牧草,茎可以编帘、席箔及作造纸原料等,可药用清热活血。香蒲(Typhaorientalis),多年生落叶、宿根性挺水型单子叶植

件下发芽率低,无光发芽不良,全草可入药,具有清热解毒,祛风利湿,散瘀止血之功能。蕹菜(Ipomoeaaquatica),一年生或多年生草本植物,蕹菜须根系,根浅,再生力强,蕹菜性喜温暖温润,耐光,耐肥,生长势强,最大特点是耐涝抗高温,在15~40e条件下均能生长,但不耐寒,遇霜茎叶枯死,以嫩茎、叶炒食或作汤,富含各维生素、矿物盐,是夏秋季很重要的蔬菜,全草及根可入药,具有清热解毒,利尿,止血。芦苇(Phragmitesaustralis),多年生水生或湿生的高大禾草,地下有发达匍匐根状茎,为保土固堤植物,苇秆可作造纸和人造丝、人造棉原料,也供编织席、帘等用,嫩时含大量蛋白质和糖分,为优良饲料,嫩芽也可食用,花序可作扫帚,花絮可填枕头,根状茎叫做芦根,中医学上入药,性寒、味甘,功能清胃火,除肺热,有健胃、镇呕、利尿之功效,现代药理证实,芦苇的叶、花、茎、根都含有丰富的药理成分)戊聚糖、薏苡素、蛋白质、脂肪、碳水化物、D-葡萄糖、D-半乳糖和2种糖醛酸以及多量维生素B1、B2、C等10多种,均可入药,芦苇又是一种适应性广、抗逆性强、生物量高的优良牧草,饲用价值高,在自然条件下,产鲜草319~1319kg/hm2。每年可收割2~3次。再力花(Thaliadealbata),多年生挺水草本,复总状花序,花小,紫堇色,全株附有白粉,在微碱性的土壤中生长良好,好温暖水湿、阳光充足的气候环境,不耐寒,入冬后地上部分逐渐枯死,以根茎在泥中越冬,株形美观洒脱,叶色翠绿可爱,是水景绿花的上品花卉,为珍贵水生花卉,或作盆栽观赏。

3 生态浮床技术应用研究现状

20世纪80年代以来,为改善污染水体水质,同时减少传统的物理、化学方法处理(如底泥疏浚、机械捞藻、化学杀藻等)所带来的投资大、难操作、产生二次污染等问题,生态浮床技术被越来越多地应用于富营养化水体的修复研究中。宋祥甫等1142采用水域浮床无土种植方法,以人工模拟池为试验场所,在池内的富营养化水体(KN和TP含量分别为2108和0125mgPL)表面种植水稻,通过水稻吸收和吸附作用,去除水体中

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N、P元素,以实现变废为宝净化水质,并使水体产生良性循环。研究表明,在水深114m左右,水面浮床覆盖率分别为20%、40%、60%条件下,水稻分蘖至成熟84天,对全池水体中TN净去除率分别为2910%、4918%和5817%,TP净去除率分别为3211%、4210%和4911%,且水稻正常生育并收获。试验结果为利用浮床陆生植物治理富营养化水域提供了科学依据,同时也为解决我国人口多、可耕地少,粮食存在潜在危机问题提供了可行方案。邴旭文等采用浮床无土栽培技术,在池塘水面种植景观陆生植物美人蕉以控制1152

环境与可持续发展

2009年第2期

步研究也表明:通过构建水芹、河蚬、人工介质三位一体的生物浮床,可有效净化水质,而且水体透明度大大改善,为沉水植物的恢复及物种多样性提供重要条件1162。

4 小结

水体富营养化破坏了水体原有生态系统平衡,给环境带来了很多危害。在外源污染得到有效控制的前提下,采用浮床陆生植物作为先锋种植栽于水面,利用它们对N、P的大量吸收,最终通过收割植株彻底去池塘富营养化水质。结果表明,在富营养化池塘中,景观植物的覆盖率与水体中N、P等的去除率呈显著正相关,在设置的对照(0),10%,20%,30%覆盖率中,覆盖率为30%时总氮、总磷等各项指标的去除率较之前三者为佳,但是该试验池塘中的鱼类夜晚有缺氧浮头现象,说明虽然提高景观植物的覆盖率对净化水质有利,但植物夜间呼吸作用随着覆盖率的增加而加大,最终导致植物和鱼类竞争水体中的溶氧。因此,综合考虑将景观植物覆盖率确定在20%比较适宜。

司友斌142等以巢湖湖水、合肥环城河水及安徽农大池塘水作为供试水样,研究浮床香根草对富营养化水体的净化效果。试验表明,香根草在富营养化水体中生长良好,在56d生长期内,对总氮去除率分别为8513%、9112%和9617%,对氨氮去除率达到100%(在试验第35d时即降为0),对总磷也有较高去除率,分别为9810%,9617%,9710%。同时,香根草是一种集原料、饲料、燃料于一体的经济植物,浮床香根草技术是一条集经济、社会、生态三效益的植物修复富营养化水体的新途径,具有广阔应用前景。刘士哲等112以华南农业大学内鱼塘塘水作为供试水样,研究了风车草、彩叶草和茉莉对富营养化水体净化效果。试验显示,3种植物经28d生长之后,对污水中总氮的去除率分别为6810%、6210%和4510%,对硝态氮去除率分别为9810%、8010%和9210%,对总磷去除率分别为7810%、6610%和5510%,对CODCr去除率分别为9016%、9015%和8810%。风车草和彩叶草在飘浮植物修复系统栽培中具有良好去污效果,且种植风车草之后的所有4项指标均低于Ó类标准。李欲如等

182

在冬季低温条件下,采用浮床无土栽培技术,研究水芹菜、多花黑麦草及大蒜3种耐寒植物对富营养化水体净化效果。试验表明,3种植物在水温410~1011e条件下生长良好,对水体中TN、NH4-N、TP、CODMn污染物的去除率分别为5913%~2912%、6512%~

3913%、5516%~3319%、5517%~4915%,对藻类的抑制率为8814%~9213%。丰富了冬季低温条件下治理营养化水体的方法,也为冬季浮床植物的选择提供了依据。此外,太湖梅梁湾水源地水质鼓善项目的初

除水体中过量的营养物质1172,使水体透明度增加,为水生高等植物的生长、繁殖提供条件,最终使水体系统得到全面修复。但生态浮床技术也存在着一定问题,虽然无土栽培植物净化了水质且美化环境,然而多数植物不耐寒,冬季将死亡、腐烂,再次释放出N、P等营养物质,适时的收割植株需要的人力、物力消耗大,如何更好做到年内和年度间植物的衔接也是以后研究中需要考虑的问题。此外,对于不同生态条件和污染程度的水体,需采用不同品种、种植结构等,进行针对性治理,但相关数学模型研究尚欠深入,根据已有的研究表明,湖泊全面治理需要生态学模型提供必要指导,只有在充分了解系统内部行为基础上,才能更好修复水体1182。因此,今后需要在该方面作出进一步探讨,以期更好了解该项技术,高效应用于湖泊富营养化治理。另外,现在应用于浮床技术植物多是些经济种,如何以最少成本获得最高生态、经济、社会价值也是今后研究中需要进一步探讨的内容。

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环境与可持续发展

2009年第2期ENVIRONMENTANDSUSTAINABLEDEVELOPMENTNo12,2009复合生态系统演化过程的环境影响分析

李 宾 张象枢

(中国人民大学环境学院,北京,100872)

=摘要>本文论述了复合生态系统的演化过程,分析了人口再生产过程、经济再生产过程、环境再生产过程对自然环境产生的重要影响。最后指出,解决我国当前严重的环境问题必须从优化复合生态系统演化过程着眼。

=关键词>复合生态系统;演化过程;环境影响

中图分类号:X171 文献标识码:A 文章编号:1673-288X(2009)02-0027-03

复合生态系统是人类赖以生存和发展的条件。人类活动引起的复合生态系统演化过程,不但实现了人类社会的持续存在,也对自然环境产生了不可忽视的影响。

发生的变化。人类活动是复合生态系统演化过程的源动力。

社会系统的演化,包括了人类自身的繁衍和其他支持性的社会变迁。其中,最集中地体现为人口再生产的过程。人口再生产指人口内部老一代陆续死亡,新一代不断出生,世代更替,使人口总体不断地延续下去的过程。经济系统的演化,体现为包括生产、分配、交换、消费四个环节内容的经济再生产过程。经济再生产是人类在主观意识作用下的能动行为。前后连续的生产、交换、分配和消费活动,是实现经济再生产过程必不可少的四个环节。自然系统的演化,体现为自然环境的再生产过程。环境再生产指人类通过劳动向自然界索取并消费环境资源,同时,反作用于自

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1 复合生态系统及其演化过程

系统是由相互关联的若干组分所构成的、具有某

种特定功能的有机整体。复合生态系统,也就是社会)经济)自然生态系统,是由社会系统、经济系统、自然系统组成的一个复合的复杂巨系统。系统的结构、状态、特征、行为、功能随着时间的推移而发生的变化,称为系统的演化。复合生态系统的演化过程,包括社会系统、经济系统和自然系统随着时间的推移而

9 马井泉,周怀东,董哲仁.我国应用生态技术修复富营养化湖泊

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基金项目:江南大学创新研究基金/生态系统健康与农业可持续关系0(CX20070606)。

作者简介:唐静杰(1985-),女,江苏无锡人,环境科学在读研究生,研究方向环境生态学。

通讯作者:周青(1959-)男,教授.研究方向环境生态学。