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水葫芦生态论文:水葫芦的生态还原技术实践探讨

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作者:张发阔邵晓龙孙贻超刘红磊袁敏谢华生李莉于丹刘旭单位:天津工业大学天津市环境保护科学研究院

目前,应用最广的是生态修复法。水体生态修复是利用生态系统原理,采取各种方法修复受损伤的水体生态系统的生物群体及结构,重建健康的水生态系统,修复和强化水体生态系统的主要功能,并能使生态系统实现整体协调、自我维持、自我演替的良性循环。

水生态修复技术在发达国家已得到较为成功的应用,但在我国仅有少量应用,总体上处于试验研究阶段,其主要的制约因素包括气候条件、生物种类和物种引入、土地利用及运行维护等。高等水生植物对藻类的克制作用具有一定的普遍性,不仅可以减少水面风速,从而减少沉积物质再次悬浮的可能性,增强底质稳定性,降低水体浊度,吸附有机碎屑,而且与微生物有协同作用,促进水体矿质元素生物地球化学循环,有明显去除氮、磷的效果。对水生植物与藻类间生长竞争关系的研究不仅有助于生态修复相关理论的完善,对实际工程也有指导意义。因此,笔者通过模拟富营养化水体环境,研究水葫芦放养密度对水体叶绿素的影响,从而确定浮水植物控制水体藻华的最佳生物量,以期为富饲养化水体生态修复的理论与实践研究提供借签和参考。

材料与方法

1材料由于水葫芦是公认的去除氮磷效果最好的水生植物之一,因此选择水葫芦作为水生态修复模拟试验中藻类生长的竞争者。天津地区藻类组成均为绿藻和硅藻,并以绿藻为主,因此该试验选择绿藻。

2试验设计考虑到绿藻的生命周期及试验条件,试验时间为2011年8~9月份。又因为水体底泥对水体富营养化发展可能带来影响,该研究设计了有/无底泥2组试验。

2.1无底泥试验。该试验设置6个处理,采用6个玻璃水槽(390mm×230mm×260mm),并编号A、B、C、D、E、F(表1),模拟天津地区富营养化静止水体,试验平均温度为30℃。试验用中水TN、NH3-N、NO-3-N含量分别为2.49、0.067、2.10mg/L,TP和PO3-4-P含量均小于0.01mg/L。前期试验发现,市政中水在加入氮、磷后极易发生绿藻水华,因此该研究用中水与50ml氮磷溶液(氮、磷浓度分别为2000、200mg/L)配置成20L水溶液,每槽加20滴水培花卉驯养液并搅拌,槽壁水面以下涂黑做遮光处理。选择生长健康且生长状况相似的水葫芦(平均株重约14g),用超纯水冲洗干净后进行无土栽植。试验期间,用超纯水补充每天蒸发损失的水分。每隔7d搅动试验水体,并取水样500ml,检测总氮(TN)、总磷(TP)及叶绿素浓度3项水质指标。

2.2有底泥试验。试验土壤为天津大港区河道底泥(质量均为1kg),底泥pH为8.02,其中全盐量、钠、镁、全氮、全磷含量分别为6210、2210、1320、801568mg/kg。该试验操作、采样处理以及测定指标基本同无底泥试验,设置2个处理,采用2个玻璃水槽,编号G、H(表2)。

3数据处理采用Origin7.5制图软件绘图,相关性分析采用SPSS17.0数据分析系统。

结果与分析

1无底泥试验

1.1叶绿素浓度变化。由图1可见,无水葫芦投放的对照系统中,随着试验的进行,藻类急剧生长,叶绿素水平相应骤升。第1天叶绿素水平为0mg/m3(低于实验室丙酮萃取分光光度法最低检测限10.0mg/m3),第28天则达到434.6mg/m3;以后逐渐下降,第42天降到388.7mg/m3。相对于对照系统,有水葫芦生长的系统中叶绿素水平大幅降低,而且呈现出水葫芦数量越多,降低幅度越大的趋势。生长1棵水葫芦的模拟系统B中,叶绿素浓度最高水平达285.0mg/m3;而生长4棵水葫芦的模拟系统D中,叶绿素最大浓度仅为119.0mg/m3。此后,水葫芦数目的继续增加对叶绿素浓度影响不大,叶绿素水平仅有略微上升。这是因为水葫芦栽植密度过大,同种之间的生长竞争变得明显[18-19],致使水葫芦的增加对藻类生长的抑制效果不显著。

1.2相关性分析。无底泥模拟试验中,水葫芦数量与叶绿素浓度呈显著负相关,相关系数为-0.541**;而TP、TN与叶绿素浓度的相关系数分别为-0.358*、-0.436**,说明水葫芦相比其他环境水质因子对叶绿素水平有更强的限制作用(表3)。

2有底泥试验在模拟系统中加入底泥进一步模拟富营养化水体水质环境,不仅可以验证有/无底泥试验结论是否相同,水葫芦在实际水体中存在富含大量富营养物质的底泥的更为复杂情况下是否可以显著抑制富营养化藻类的生长,而且还可以验证得出的阈值是否合理,水生植物与藻类之间的生长竞争关系在实际生态修复中的应用和推广是否可行等一系列问题。

2.1叶绿素浓度变化。由图2可知,同无底泥试验类似,叶绿素浓度在第28天后开始明显下降,其叶绿素浓度明显低于无底泥试验,但有水葫芦生长时叶绿素浓度显著低于无水葫芦时。投放4棵水葫芦的系统G中,叶绿素浓度最高为32.2mg/m3,明显低于未投放水葫芦的最高浓度76.9mg/m3。另外,无水葫芦模拟系统G中叶绿素最高浓度维持在65.0~80.0mg/m3之间,投放4棵水葫芦的模拟系统H中叶绿素最高浓度维持在25.0~35.0mg/m3之间,二者均在较长时间维持相对稳定的水平。对于有底泥试验中的叶绿素浓度明显低于无底泥试验的,且较长时间维持在相对稳定的水平,主要有2个原因:一是底质吸附培养液中的部分营养物质,在一定条件下缓慢释放;二是由于富营养化水体本身以及取样时人为搅动导致底质扩散,不易沉降的悬浮物增加了水体浊度,水体透光率明显减小,导致水生植物光合作用效率降低,从而使得叶绿素含量明显减少。

2.2相关性分析。有底泥模拟试验中,水葫芦数量与叶绿素浓度呈显著负相关,相关系数为-0.634*,而TP、TN与叶绿素浓度的相关系数分别为-0.419、-0.278,同样说明水葫芦相比其他环境水质因子对叶绿素水平有更强的限制作用(表4)。

结论

研究结果表明,浮水植物与藻类之间的生长竞争关系明显,浮水植物的存在可以显著抑制水体藻类发展。当水面水葫芦覆盖率达到51%(种植4棵水葫芦)时,能够显著抑制藻类生长,叶绿素浓度降低58%。

水葫芦生态论文:水葫芦的生态还原技术实践探讨责任编辑:陈老师    阅读:人次