高效凈化富營養(yǎng)化水體能源植物的篩選及其生理生態(tài)基礎(chǔ).pdf

1、自20世紀50年代以來，全球生態(tài)系統(tǒng)退化、環(huán)境變化加劇，河流、湖泊、水庫等水體不同程度地面臨著營養(yǎng)鹽增加和富營養(yǎng)化的威脅。氮和磷增多是引起水體富營養(yǎng)的兩個主要因子。因此，減少水體中的氮和磷是防止和減輕水體富營養(yǎng)的有效措施。由于傳統(tǒng)的污水處理方法不能有效的去除氮和磷，以營養(yǎng)鹽去除為目的的生態(tài)工程以成本低、維護簡單等特點，在世界各地得到越來越多的應(yīng)用。人工濕地能夠有效的去除營養(yǎng)鹽和有機污染物，然而由于占用大量的土地，在土地資源有限、人口密度

2、大的中國應(yīng)用受到一定的限制。因此結(jié)合景觀美化的浮床技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。構(gòu)建和恢復(fù)水生態(tài)在富營養(yǎng)化的控制和治理措施中，通過種植水生植物來吸收和去除水中的營養(yǎng)鹽是一種成本低、有效的植物修復(fù)方法。然而，為了保持其較高的凈化效率，植物生物量必須定期進行移除;否則被植物吸收、同化的營養(yǎng)鹽會通過降解重新返回水體。另一方面，人口快速增長、有限的土地資源導(dǎo)致資源供應(yīng)不足，生態(tài)處理系統(tǒng)展示了良好的水凈化效果和資源循環(huán)利用。工程修復(fù)植物生物量如果能夠資源化

3、利用，不僅能夠有效控制水生植物的生長，又能夠不占用土地進行資源持續(xù)生產(chǎn)。目前大多數(shù)研究將重點放在夏秋季節(jié)應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)水生植物的選擇，對于能源植物的生態(tài)修復(fù)研究尚未開展。本文在野外試驗條件下篩選能夠在夏秋和冬春季節(jié)富營養(yǎng)水體中生長良好，并對富營養(yǎng)水體凈化效率高的暖季高稈能源植物和冷季能源草，研究其在一定時間內(nèi)所產(chǎn)生的生物質(zhì)及對水體的氮磷削減量，通過室內(nèi)試驗研究植物生理生態(tài)特性與水體凈化效率的關(guān)系，以期找到與水體營養(yǎng)鹽去除相伴的植物性狀，

4、并對產(chǎn)生的生物量進行資源利用品質(zhì)特性進行了研究，為其生態(tài)工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。結(jié)果表明:
　　 1.試驗所選6種暖季高稈能源植物從2009年4月至2009年11月在富營養(yǎng)長塘中均能適應(yīng)水生環(huán)境并快速生長，其中芒草(Miscanthus(sp.))和香根草（V.zizanioides）的生物量干重較大，分別是3.21kgm-2和2.34kgm-2，并且對富營養(yǎng)水體中磷提取以及固碳能力的表現(xiàn)優(yōu)于茭草（Z.caduciflo

5、ra）、再力花(T.dealbata)和菖蒲（Acoruscalamus）;綠葦(Phragmites(sp.))對富營養(yǎng)水體中硫提取接近芒草;芒草、茭草和再力花的氮提取能力較大。在16天的靜態(tài)試驗表明6種植物浮床對總氮、氨氮、氮氧化物和總磷濃度和處理時間呈負指數(shù)形式衰減，平均去除率分別為50.3％，59.4％，82.4％和86.5％，顯著高于對照（P＜0.05）。
　　 2.通過對4種冷季能源草從2009年12月至2010年4

6、月在華家池長塘和臨安尾水兩種水環(huán)境中的生長情況分析，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽濃度較高的臨安尾水環(huán)境中，能源草生物量比華家池長塘生物量高21.7％。在營養(yǎng)鹽濃度低的華家池長塘中能源草根系長度增加18-66％、分蘗數(shù)增多40-75％。不同能源草種類間，高羊茅（Festucaarundinacea）生物量最高，顯著高于高原（LoliumperennePlateau），在華家池長塘中對水體氮、磷的提取量分別為43.32gm-2和6.15gm-2，在臨安尾水中

7、對氮、磷的提取量分別為48.55gm-2和7.94gm-2，是優(yōu)良的富營養(yǎng)水體修復(fù)種質(zhì)資源。通過高羊茅和固定化微生物（反硝化聚磷菌）相互作用對富營養(yǎng)水提的凈化效應(yīng)分析，結(jié)果表明接種固定化微生物增強了生態(tài)浮床對氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷和正磷酸磷的去除，對氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷和磷酸鹽磷的去除率分別為86.32％、93.60％、90.12％、72.09％和84.29％。對氮和磷的去除速率分別為137mgm-2d-1、16.0mgm-2d-

8、1，因此冷季能源草復(fù)合生態(tài)浮床在冬春季節(jié)具有良好的應(yīng)用前景。
　　 3.通過對5種高稈草本能源植物和4種木本柳樹在1/4Hogland營養(yǎng)液90天的生物量積累的分析發(fā)現(xiàn)，柳枝稷（Panicumvirgatum）、香根草和芒草的生物量顯著高于綠葦和蘆竹（Arundodonax），與旱柳、蒿柳、杞柳、雜交柳（簸萁柳×杞柳）4種柳樹的生物量相當(dāng);經(jīng)分析這三種草本能源植物具有較高的凈光合速率、最大凈光合速率、光飽和點。經(jīng)過15天的污水處

9、理，9種植物的PS（Ⅱ）最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)、實際光化學(xué)量子效率（ΦPS（Ⅱ））和葉綠素?zé)晒獾墓饣瘜W(xué)猝滅系數(shù)(qP)均有所下降，但是沒有達到顯著水平（P＜0.05）;而且柳枝稷、香根草和芒草ΦPS（Ⅱ）下降幅度明顯低于其它植物，說明它們對污水的耐性較強。對人工配制的污水的凈化效果分析，發(fā)現(xiàn)柳枝稷、芒草對總氮和總磷的去除率均達到70％以上。經(jīng)相關(guān)分析，總氮去除率與水體中細菌、反硝化菌數(shù)量以及植物生物量、植物葉片凈光合速率、蒸騰

10、速率、水分利用率、光飽和點和最大凈光合速率顯著相關(guān)。磷的去除率與水體中細菌數(shù)量、植物葉片凈光合速率、光飽和點和最大凈光合速率顯著相關(guān)。因此，柳枝稷、香根草和芒草具有較高的光合能力，通過生物量的快速積累，以及促進水體中細菌特別是反硝化菌的生長，達到高效修復(fù)的目的。
　　 4.通過對高羊茅和9種水生植物（鳳眼蓮、水浮蓮、黃花水龍、錢幣草、水鱉、狐尾藻、梭魚草、美人蕉和再力花）化學(xué)組分分析表明，地上部粗蛋白含量在128-255gkg-

11、1之間，達到于禾本科牧草干草質(zhì)量特級標(biāo)準(zhǔn)（農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T728-2003）;除鋅元素之外，Ca、Mg、Fe、Mn均能滿足禽類和牲畜的需求;痕量重金屬元素植物的積累Cu＞Pb＞Cr＞As，低于美國國家研究委員會和我國飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證動物飼料的安全，是良好的動物飼料原料。
　　 5.通過對生長于浮床之上6種暖季高稈能源植物生物質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)香根草、芒草粗纖維、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量均超過330gkg-1、700g