生態(tài)浮床在富營養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用

1、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展2009年第2期ENVI RON M ENT AND S US TAI NAB LE DEVELOP M ENT No12,2009生態(tài)浮床在富營養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用唐靜杰周青(江南大學環(huán)境與土木工程學院環(huán)境科學與工程系,江蘇無錫,214122=摘要>近年來,隨著人口增長和經(jīng)濟的迅速發(fā)展,對水資源的不合理開發(fā)利用,使水域環(huán)境富營養(yǎng)化呈現(xiàn)加劇惡化的趨勢,鑒于傳統(tǒng)物理、化學方法所帶來的難操作、易產(chǎn)生二次污染等問題,人們越來越多地將目光轉(zhuǎn)向利用陸生植物凈化水質(zhì)的生態(tài)浮床技術(shù)的研究中,通過植物發(fā)達根系吸收和富集N、P,同時降解和富集其他污染物,最終以收獲植物體的形式將各種過剩成分

2、移出水體,達到凈化水質(zhì)的目的,且可獲得一定的經(jīng)濟效益和社會效益。=關(guān)鍵詞>生態(tài)浮床技術(shù);植物;富營養(yǎng)化;應(yīng)用現(xiàn)狀中圖分類號:X17文獻標識碼:A文章編號:1673-288X(200902-0024-04水環(huán)境污染和水資源短缺是當今全球淡水資源面臨的兩大危機112。湖泊富營養(yǎng)化(eutrophication作為一個日趨嚴重的全球性環(huán)境問題,引起了湖沼學家、生態(tài)學家和環(huán)境學家的廣泛重視。湖泊富營養(yǎng)化不僅對湖泊水質(zhì)產(chǎn)生嚴重影響,而且影響周邊水環(huán)境和人文景觀,甚至通過給水系統(tǒng)危害到公眾的健康12、32。近年來,隨著我國人口的增長和經(jīng)濟的迅速發(fā)展,排入江河、湖泊的廢水和未經(jīng)處理的生活污水不斷增加,

3、而水處理設(shè)施建設(shè)嚴重滯后,引起地表水體環(huán)境的嚴重污染,富營養(yǎng)化水域日益增多142。據(jù)報導(dǎo),我國富營養(yǎng)和超富營養(yǎng)化湖泊占我國湖泊總量的66%和22%152。太湖是我國受到嚴重污染的湖泊之一,2007年5月29日發(fā)生在無錫市的太湖藍藻危機事件,在國內(nèi)外造成廣泛的影響162。近年來人工浮床因具有可移動式運行、無動力、無維護、使用壽命長等特點,正日益受到普遍關(guān)注,利用人工浮床技術(shù)栽培濕生植物、陸生植物治理富營養(yǎng)化水體的研究屢見報道172。本文通過對生態(tài)浮床技術(shù)治理富營養(yǎng)化水體研究狀況的綜述,以期對富營養(yǎng)化水體修復(fù)有所幫助。1生態(tài)浮床技術(shù)簡介111生態(tài)浮床技術(shù)與原理生態(tài)浮床技術(shù)是按照自然規(guī)律,運用無土栽

4、培技術(shù),以高分子材料為載體和基質(zhì),采用現(xiàn)代農(nóng)藝和生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土種植植物技術(shù)。采用該技術(shù)可將原來只能在陸地上種植的草本陸生植物種植到自然水域水面,從而擴大了植物可種植范圍,且能取得與陸地種植相仿,甚至更高收獲量與景觀效果18、92。加之用于生態(tài)浮床技術(shù)研究中的植物多數(shù)可食用,創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。生態(tài)浮床技術(shù)是由3項國家發(fā)明專利組成,擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)兼顧的實用技術(shù)1102。該技術(shù)原理是:利用植物在生長過程中對水體中N、P等元素的吸收及植物發(fā)達根系和浮床基質(zhì)對水體中懸浮物的吸附,富集水體中有害物質(zhì),利用植物根系釋出大量能降解有機物的分泌物,加速有機污染物分解;

5、一些植物還能分泌化學克生物質(zhì),抑制浮游植物生長111122。隨著部分水質(zhì)指標改善,尤其是溶解氧(DO大幅增加,為好氧微生物繁殖創(chuàng)造了條件。通過微生物對有機污染物、營養(yǎng)物的進一步分解,使水質(zhì)得到進一步改善,最終通過收獲植物體形式,將N、P及吸附積累在植物體內(nèi)和根系表面的污染物完全遷出水體,使水體中的污染物大幅減少,水質(zhì)改善,為水生生物,特別是沉水植物生存、繁衍創(chuàng)造生態(tài)環(huán)境條件,為最終修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)提供可能182。112生態(tài)浮床技術(shù)特點生態(tài)浮床通常采用塑料泡沫板作為浮體的載體,使廢棄塑料泡沫有用武之地,避免塑料泡沫大量堆放產(chǎn)生的二次污染。生態(tài)浮床技術(shù)是生態(tài)技術(shù),是將浮床陸生植物作為先鋒種植于河湖水

6、面,利用陸生植物生長過程中對大量N、P吸收和光合作用,去除水中N、P,無須施肥,避免肥料對水體污染,且病蟲害少,生物生產(chǎn)量高1102。生態(tài)浮床不受光照等條件限制,可避免沉水植物人工種植后,由于光照等生境條件難以保障其正常生育而死亡的現(xiàn)象。浮床植物生物量高且易收割,可實現(xiàn)污水資源化利用192。此外,浮床陸生植物多為經(jīng)濟種類或觀賞種類(如香草根、美人蕉等,不僅可以凈化水質(zhì),還可創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益和唐靜杰等:生態(tài)浮床在富營養(yǎng)化水體修復(fù)中的應(yīng)用#25#美化污染水體的景觀,實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的集合,符合建設(shè)生態(tài)文明、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展理念。2生態(tài)浮床常用植物與價值1132目前已成功用于生態(tài)浮床的植物有

7、:美人蕉(Cana generalis。多年生草本,株高100150cm,根系發(fā)達,根莖肥大,莖葉具白粉,葉片闊橢圓形,總狀花序頂生,花徑達20厘米,花瓣直伸,具4枚瓣化雄蕊,花色有乳白、黃、桔紅、粉紅、大紅至紫紅,花期610月(北方,最適生長溫度為1317e,美人蕉莖葉茂盛,花色艷麗,花期長,適合大片濕地自然栽培,也可點綴在水池中,還可作切花材料,它是凈化空氣的良好材料,美人蕉除觀賞外,其根莖及花可入藥,有清熱利濕、安神降壓的功效。旱傘草(Cyperus alternif o2 lius flabellif ormis,多年生濕生、挺水草本植物,性喜溫暖、陰濕及通風良好環(huán)境,適應(yīng)性強,具6朵

8、至多朵小花,生長適宜溫度為1525e,不耐寒冷,其莖桿挺直細長的葉狀總苞片簇生于莖桿,呈輻射狀,姿態(tài)瀟灑飄逸,不乏綠竹風韻,很受人們歡迎,常供盆栽觀賞或作插花切葉。水芹菜(Oenanthe javanica多年生宿根草本水生植物,各地均有分布,也有栽培,嫩莖節(jié)間較長,莖粗,色綠白,是深受人們喜愛的綠色無公害產(chǎn)品,水芹菜以食用其嫩莖及葉柄為主,可生拌或炒食,清香鮮嫩,常在冬春蔬菜淡季采收應(yīng)市,所以是一種很好的補缺渡淡的蔬菜,水芹菜全草和根可入藥,具清熱利水、化痰下氣、祛瘀止帶、解毒消腫之功,并有明顯的降壓、鎮(zhèn)靜和抗驚厥的作用。黑麥草(Lolium m ultif lorum,禾本科植物,在春、秋

9、季生長繁茂,草質(zhì)柔嫩多汁,適口性好,供草期為10月至次年5月,夏天不能生長,黑麥草須根發(fā)達,該草在晝夜溫度為1227e時再生能力強,黑麥草營養(yǎng)豐富,鮮草中含蛋白質(zhì)216%,畝產(chǎn)粗蛋白175kg,是牛、羊、兔、豬、雞、鵝、魚等的好飼料。香草根(Veiveria zi2 zanioids,生物量大,含氮、磷養(yǎng)分高,兼有陸生和水生特點,適應(yīng)性極強的多年生禾本科植物,并有三料(原料、飼料、燃料之美譽,具有凈化富營養(yǎng)化水體的潛在優(yōu)勢142。水稻(Oryza sativa,一年生禾本科植物,屬須根系,不定根發(fā)達,穗為圓錐花序,自花授粉,幼苗發(fā)芽最低溫度1012e,最適2832e,水稻為重的糧食作物,除食用

10、穎果外,可制淀粉、釀酒、制醋,米糠可制糖、榨油、提取糠醛,供工業(yè)及醫(yī)藥用,稻稈為良好飼料及造紙原料和編織材料,谷芽和稻根可供藥用。荻(Miscanthus sacchariflorus,荻為多年生草本植物,形狀象蘆葦,地下莖蔓延,葉子長形,紫色花穗,生長在水邊,為重要的野生牧草,莖可以編簾、席箔及作造紙原料等,可藥用清熱活血。香蒲(Typha orientalis,多年生落葉、宿根性挺水型單子葉植物,喜溫暖、光照充足環(huán)境,花小,無花被,有毛,花期67月,果期78月,較耐寒,香蒲葉綠穗奇常用于點綴園林水池、湖畔,構(gòu)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,全株是造紙的

11、好原料,葉稱蒲草可用于編織,花粉可入藥稱蒲黃,蒲棒蘸油或不蘸油用以照明,雌花序上的毛稱蒲絨,?？勺髡硇?嫩芽稱蒲菜,其味鮮美可食用,為有名的水生蔬菜。牛筋草(Eleusine indi2 ca,莖稈叢生,斜升或倡臥,有的近直立,株高15 90c m,發(fā)芽需在2040e變溫條件下有光照,恒溫條件下發(fā)芽率低,無光發(fā)芽不良,全草可入藥,具有清熱解毒,祛風利濕,散瘀止血之功能。蕹菜(Ipomoea aqua t ica,一年生或多年生草本植物,蕹菜須根系,根淺,再生力強,蕹菜性喜溫暖溫潤,耐光,耐肥,生長勢強,最大特點是耐澇抗高溫,在1540e條件下均能生長,但不耐寒,遇霜莖葉枯死,以嫩莖、葉炒食或作

12、湯,富含各維生素、礦物鹽,是夏秋季很重要的蔬菜,全草及根可入藥,具有清熱解毒,利尿,止血。蘆葦(Phrag mite s australis,多年生水生或濕生的高大禾草,地下有發(fā)達匍匐根狀莖,為保土固堤植物,葦稈可作造紙和人造絲、人造棉原料,也供編織席、簾等用,嫩時含大量蛋白質(zhì)和糖分,為優(yōu)良飼料,嫩芽也可食用,花序可作掃帚,花絮可填枕頭,根狀莖叫做蘆根,中醫(yī)學上入藥,性寒、味甘,功能清胃火,除肺熱,有健胃、鎮(zhèn)嘔、利尿之功效,現(xiàn)代藥理證實,蘆葦?shù)娜~、花、莖、根都含有豐富的藥理成分戊聚糖、薏苡素、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化物、D-葡萄糖、D-半乳糖和2種糖醛酸以及多量維生素B1、B2、C等10多種,均可

13、入藥,蘆葦又是一種適應(yīng)性廣、抗逆性強、生物量高的優(yōu)良牧草,飼用價值高,在自然條件下,產(chǎn)鮮草3191319kg/hm2。每年可收割23次。再力花(Thalia dealbata,多年生挺水草本,復(fù)總狀花序,花小,紫堇色,全株附有白粉,在微堿性的土壤中生長良好,好溫暖水濕、陽光充足的氣候環(huán)境,不耐寒,入冬后地上部分逐漸枯死,以根莖在泥中越冬,株形美觀灑脫,葉色翠綠可愛,是水景綠花的上品花卉,為珍貴水生花卉,或作盆栽觀賞。3生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀20世紀80年代以來,為改善污染水體水質(zhì),同時減少傳統(tǒng)的物理、化學方法處理(如底泥疏浚、機械撈藻、化學殺藻等所帶來的投資大、難操作、產(chǎn)生二次污染等問題,生

14、態(tài)浮床技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體的修復(fù)研究中。宋祥甫等1142采用水域浮床無土種植方法,以人工模擬池為試驗場所,在池內(nèi)的富營養(yǎng)化水體(KN和TP含量分別為2108和0125m g P L表面種植水稻,通過水稻吸收和吸附作用,去除水體中#26#環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展2009年第2期N、P元素,以實現(xiàn)變廢為寶凈化水質(zhì),并使水體產(chǎn)生良性循環(huán)。研究表明,在水深114m左右,水面浮床覆蓋率分別為20%、40%、60%條件下,水稻分蘗至成熟84天,對全池水體中TN凈去除率分別為2910%、4918%和5817%,TP凈去除率分別為3211%、4210%和4911%,且水稻正常生育并收獲。試驗結(jié)果為利用浮

15、床陸生植物治理富營養(yǎng)化水域提供了科學依據(jù),同時也為解決我國人口多、可耕地少,糧食存在潛在危機問題提供了可行方案。邴旭文等1152采用浮床無土栽培技術(shù),在池塘水面種植景觀陸生植物美人蕉以控制池塘富營養(yǎng)化水質(zhì)。結(jié)果表明,在富營養(yǎng)化池塘中,景觀植物的覆蓋率與水體中N、P等的去除率呈顯著正相關(guān),在設(shè)置的對照(0,10%,20%,30%覆蓋率中,覆蓋率為30%時總氮、總磷等各項指標的去除率較之前三者為佳,但是該試驗池塘中的魚類夜晚有缺氧浮頭現(xiàn)象,說明雖然提高景觀植物的覆蓋率對凈化水質(zhì)有利,但植物夜間呼吸作用隨著覆蓋率的增加而加大,最終導(dǎo)致植物和魚類競爭水體中的溶氧。因此,綜合考慮將景觀植物覆蓋率確定在2

16、0%比較適宜。司友斌142等以巢湖湖水、合肥環(huán)城河水及安徽農(nóng)大池塘水作為供試水樣,研究浮床香根草對富營養(yǎng)化水體的凈化效果。試驗表明,香根草在富營養(yǎng)化水體中生長良好,在56d生長期內(nèi),對總氮去除率分別為8513%、9112%和9617%,對氨氮去除率達到100% (在試驗第35d時即降為0,對總磷也有較高去除率,分別為9810%,9617%,9710%。同時,香根草是一種集原料、飼料、燃料于一體的經(jīng)濟植物,浮床香根草技術(shù)是一條集經(jīng)濟、社會、生態(tài)三效益的植物修復(fù)富營養(yǎng)化水體的新途徑,具有廣闊應(yīng)用前景。劉士哲等112以華南農(nóng)業(yè)大學內(nèi)魚塘塘水作為供試水樣,研究了風車草、彩葉草和茉莉?qū)Ω粻I養(yǎng)化水體凈化效

17、果。試驗顯示,3種植物經(jīng)28d生長之后,對污水中總氮的去除率分別為6810%、6210%和4510%,對硝態(tài)氮去除率分別為9810%、8010%和9210%,對總磷去除率分別為7810%、6610%和5510%,對C OD C r去除率分別為9016%、9015%和8810%。風車草和彩葉草在飄浮植物修復(fù)系統(tǒng)栽培中具有良好去污效果,且種植風車草之后的所有4項指標均低于Ó類標準。李欲如等182在冬季低溫條件下,采用浮床無土栽培技術(shù),研究水芹菜、多花黑麥草及大蒜3種耐寒植物對富營養(yǎng)化水體凈化效果。試驗表明,3種植物在水溫4101011e 條件下生長良好,對水體中TN、NH4-N、TP、C

18、 ODMn 污染物的去除率分別為5913%2912%、6512% 3913%、5516%3319%、5517%4915%,對藻類的抑制率為8814%9213%。豐富了冬季低溫條件下治理營養(yǎng)化水體的方法,也為冬季浮床植物的選擇提供了依據(jù)。此外,太湖梅梁灣水源地水質(zhì)鼓善項目的初步研究也表明:通過構(gòu)建水芹、河蜆、人工介質(zhì)三位一體的生物浮床,可有效凈化水質(zhì),而且水體透明度大大改善,為沉水植物的恢復(fù)及物種多樣性提供重要條件1162。4小結(jié)水體富營養(yǎng)化破壞了水體原有生態(tài)系統(tǒng)平衡,給環(huán)境帶來了很多危害。在外源污染得到有效控制的前提下,采用浮床陸生植物作為先鋒種植栽于水面,利用它們對N、P的大量吸收,最終通過

19、收割植株徹底去除水體中過量的營養(yǎng)物質(zhì)1172,使水體透明度增加,為水生高等植物的生長、繁殖提供條件,最終使水體系統(tǒng)得到全面修復(fù)。但生態(tài)浮床技術(shù)也存在著一定問題,雖然無土栽培植物凈化了水質(zhì)且美化環(huán)境,然而多數(shù)植物不耐寒,冬季將死亡、腐爛,再次釋放出N、P等營養(yǎng)物質(zhì),適時的收割植株需要的人力、物力消耗大,如何更好做到年內(nèi)和年度間植物的銜接也是以后研究中需要考慮的問題。此外,對于不同生態(tài)條件和污染程度的水體,需采用不同品種、種植結(jié)構(gòu)等,進行針對性治理,但相關(guān)數(shù)學模型研究尚欠深入,根據(jù)已有的研究表明,湖泊全面治理需要生態(tài)學模型提供必要指導(dǎo),只有在充分了解系統(tǒng)內(nèi)部行為基礎(chǔ)上,才能更好修復(fù)水體1182。因

20、此,今后需要在該方面作出進一步探討,以期更好了解該項技術(shù),高效應(yīng)用于湖泊富營養(yǎng)化治理。另外,現(xiàn)在應(yīng)用于浮床技術(shù)植物多是些經(jīng)濟種,如何以最少成本獲得最高生態(tài)、經(jīng)濟、社會價值也是今后研究中需要進一步探討的內(nèi)容。參考文獻1劉士哲,林東教,唐淑軍等.利用漂浮植物修復(fù)系統(tǒng)栽培風車草、彩葉草和茉莉凈化富營養(yǎng)化污水的研究1J2.應(yīng)用生態(tài)學報, 2004,15(7:12611265.5Linfeng Li,Yi nghao Li,Dilip Kumar Bis was,et al.Potential of construct2 ed wetlands in treating the eutrophic wat

21、er:Evidence fro m Taihu Lake ofC hina.Bi oresource Technology,2007:18.(7:5861.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展2009年第2期ENVI RON M ENT AND S US TAI NAB LE DEVELOP M ENT No12,2009復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程的環(huán)境影響分析李賓張象樞(中國人民大學環(huán)境學院,北京,100872=摘要>本文論述了復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的演化過程,分析了人口再生產(chǎn)過程、經(jīng)濟再生產(chǎn)過程、環(huán)境再生產(chǎn)過程對自然環(huán)境產(chǎn)生的重要影響。最后指出,解決我國當前嚴重的環(huán)境問題必須從優(yōu)化復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程著眼。=關(guān)鍵詞&g

22、t;復(fù)合生態(tài)系統(tǒng);演化過程;環(huán)境影響中圖分類號:X171文獻標識碼:A文章編號:1673-288X(200902-0027-03復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存和發(fā)展的條件。人類活動引起的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程,不但實現(xiàn)了人類社會的持續(xù)存在,也對自然環(huán)境產(chǎn)生了不可忽視的影響。1復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)及其演化過程系統(tǒng)是由相互關(guān)聯(lián)的若干組分所構(gòu)成的、具有某種特定功能的有機整體。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),也就是社會經(jīng)濟自然生態(tài)系統(tǒng),是由社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、自然系統(tǒng)組成的一個復(fù)合的復(fù)雜巨系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特征、行為、功能隨著時間的推移而發(fā)生的變化,稱為系統(tǒng)的演化。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的演化過程,包括社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和自然系統(tǒng)隨著時

23、間的推移而發(fā)生的變化。人類活動是復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演化過程的源動力。社會系統(tǒng)的演化,包括了人類自身的繁衍和其他支持性的社會變遷。其中,最集中地體現(xiàn)為人口再生產(chǎn)的過程。人口再生產(chǎn)指人口內(nèi)部老一代陸續(xù)死亡,新一代不斷出生,世代更替,使人口總體不斷地延續(xù)下去的過程。經(jīng)濟系統(tǒng)的演化,體現(xiàn)為包括生產(chǎn)、分配、交換、消費四個環(huán)節(jié)內(nèi)容的經(jīng)濟再生產(chǎn)過程。經(jīng)濟再生產(chǎn)是人類在主觀意識作用下的能動行為。前后連續(xù)的生產(chǎn)、交換、分配和消費活動,是實現(xiàn)經(jīng)濟再生產(chǎn)過程必不可少的四個環(huán)節(jié)。自然系統(tǒng)的演化,體現(xiàn)為自然環(huán)境的再生產(chǎn)過程。環(huán)境再生產(chǎn)指人類通過勞動向自然界索取并消費環(huán)境資源,同時,反作用于自11Mahesh Jayaweera,Takas hi As aeda.Modeling of bi omanipulation in s hal2 low,eutrophic lakes:An application to Lake B lei swijkse Zoom,the Neth2 erlands.Ecological Modelling,1996:113127.12Takash