水环境治理中沉水植物应用及其研究进展.pdf

第 卷 增 人民珠江 年 月 :/.:/基金项目:广东省重点领域研发()科技基础资源调查专项()收稿日期:作者简介:何瑞()男工程师主要研究方向为水生态修复 :.通信作者:罗欢()男正高级工程师主要研究方向为水资源保护、水环境治理与水生态修复 :.水环境治理中沉水植物应用及其研究进展何 瑞李 宁孙玲玲王诗华李青峰常 赜罗 欢(.珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东 广州.广东省河湖生命健康工程技术研究中心广东 广州)摘要:清洁的水源是人类生活的必须品 然而随着中国人口的不断增长和工业的快速发展许多水源受到污染 沉水植物治理作为生物修复中应用最为广泛的措施之一其不仅可以降解污染物质、抑制藻类生长、美化水体景观还用于增加生物多样性 对沉水植物概念及生态作用、净化机理、品种选择与应用、种植技术、影响因素等最新研究进展进行了阐述基于目前沉水植物在水环境治理方面的研究现状及应用瓶颈提出在应用范围、退出机制以及碳汇等方面加强研究力度以期为沉水植物在水环境治理领域中的发展提供一定参考关键词:水污染沉水植物生态修复水环境治理中图分类号:文献标志码:文章编号:()随着经济水平的不断提高人们对水污染问题关注度越来越高治理水污染问题已经成为国家环境策略的重中之重 水环境污染治理技术可分为物理、化学及生物 类方法每类方法都有各自的优劣势 而随着水污染治理进程的加快物理方法和化学方法使用越来越少 目前而言水污染的治理主要是以生物方法居多如生态治理、微生物治理、生态浮床等 沉水植物重建技术作为生态治理的一个主要措施已广泛应用在人工湿地、潜水型湖泊等富营养化水体的生态修复工程中相对于其他治理措施而言其不仅简单高效、成本较低而且具有环境相容性具有很好的景观效果沉水植物具有广泛的生态作用在水生生态系统结构、功能及提供生态服务中扮演重要角色 鉴于其在水生生态系统中的重要性国内外学者对水生植物开展了广泛研究 滇池、太湖、惠州西湖等部分水域利用以沉水植物为主重建水生态系统技术得到了广泛应用并取得良好效果但同时也有很多瓶颈需要突破 沉水植物应用在水环境治理方面的研究进展虽然已有学者发表 但随着研究的深入以及工程实践的不断总结很多技术和经验仍未全面地体现在其中 本综述总结了国内外关于沉水植物的最新研究成果重点讨论了沉水植物在种植技术、品种选择、影响修复因素等方面的相关问题并对沉水植物应用前景和未来沉水植物在水环境治理方面的研究提出了建议以期为相关研究工作提供参考 沉水植物概念及其作用沉水植物是指由根、根须或叶状体固着在水下基质上其叶片也在水面下生长的大型植物通气组织特别发达有助于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换这类植物的叶子大多为带状或丝状正是因为沉水植物完全水生的特点各部分植物体均可吸收水分和养料但同样也使得它们对环境胁迫更为敏感 沉水植物不仅能够吸收水体中大量的营养盐在缺乏空气的水中还能通过发达的通气组织进行气体交换也被人们称为水中的氧气泵沉水植物在水质下降的情况下会影响其对光照的利人民珠江 年增刊 用常作为评价水质优劣的指示性植物沉水植物其它主要生态作用见表 如今沉水植物的生态功能得到普遍研究和应用多种自然或人工培育的沉水植物因其去污能力和耐受性较强被广泛的应用于水体生态修复工程中表 沉水植物生态作用序号生态作用参考文献直接或间接为水生动物提供营养及生存环境在食物链中作为初级生产者为水生生态系统构建起到基础作用通过调节水生生态系统中的物质循环来增加生态位、营造丰富的微生境通过光合作用和呼吸作用来增加水体溶解氧、改变水体 和无机碳的形态及含量稳定水体理化指标通过分泌化感物质、与浮游植物竞争营养物质、生长空间、光照等来抑制浮游植物繁殖通过固定底泥、吸收有害物质、吸附及过滤污染物等一系列物理、化学作用降低水体悬浮物浓度大幅提高其透明度有效降低水动力减少对底泥的影响抑制底泥营养盐向水体释放 沉水植物净化机理沉水植物的富营养化水体的净化机理简而言之就是沉水植物与浮游生物之间对营养物质、生存空间、光照等一系列环境因素的竞争关系通过这种竞争关系来抑制水体内藻类生长保持水体较高的生物多样性及良好的是指环境将水体保持在草型水体模式下 沉水植物对富营养化水体的净化机理见表 表 沉水植物净化机理机理详细描述生长特性根、茎、叶都进化出完整的通气组织和发达的栅栏组织不仅可以保持水分又能增强其耐污能力生化作用由光合作用产生的氧气向根系输送促进氧化分解周围的污染物 同时由于氧气向底泥输送过程中在植株根系周围形成多个好氧、兼氧与厌氧区这为微生物提供了良好的生存环境进而促进了微生物对底泥的降解吸收富集作用沉水植物通过吸收水体、底泥中的营养物质将重金属、农药及其他人工合成有机物以一定比例在体内进行富集再通过收割转移达到去除重金属及有机物的作用 吸附沉降作用沉水植物在可以减少底泥扰动避免底泥沉积物中营养物质的释放提高水体透明度 沉水植物的根系直接深入底泥之中当水流通过植物叶片时水体中的不溶性颗粒物及胶体被沉水植物叶片拦截、吸附并沉降下来从而使一部分有机碎屑沉降至水底 沉水植物衰亡过程中还可以通过沉积作用将自身残体的某些营养物质埋入底泥中化感作用沉水植物在水体中可以通过分泌化感物质来降低“水华”暴发的几率 人民珠江 年增刊 沉水植物种植技术.播种法有研究表明不同种植方式对沉水植物的存活率影响较大不同的种植方式显著影响沉水植物生长初期的高度及生物量但对生长后期的沉水植物影响却并不显著 在实际工程应用中不同沉水植物在不同环境特征下应采取不同的种植技术当应用播种法种植沉水植物种子或者休眠芽时应注意与底泥混匀再抛撒从而避免因水流流失导致成活率低下 播种法与其他种植技术(扦插、移植等)相比其适用于较大的治理区域同时沉水植物幼苗短缺且治理成本有限的治理工程 但在实际工程应用中种子的成活率较低播种结果通常无法达到预期 因此基于播种的沉水植物修复方法在实际工程中必须解决限制性的环境因素为修复效果可控提供技术支撑目前有研究将挺水植物种子与黏土、水和土壤混合制作成种子颗粒(也称种子球、种子炸弹)成功应用于陆地、湿地修复中 但是在沉水植物并未发现此方法美国和澳大利亚都开发了用于种植整株植物和草皮的机械播种机尽管在操作程序方面有些不足但他们具有比手动方式更快、更经济高效的种植更大面积的沉水植物的潜力 因此这是利用沉水植物应用于水环境治理的潜在研究领域需要更多的研究和检验.移植法移植法种植时目前大多采用在根部包裹底泥后再用无纺布或其他材料包裹固定可显著提高植株成活率不仅实际应用价值较高还可以降低对当地水生植物的潜在影响 最近的研究表明将苦草用琼脂凝胶取代黏土或者软泥作为包裹物其成活率达到 对改善水质起到重要作用 德国也有利用底泥和其他可降解的支架包裹沉水植物将沉水植物固定在水体底部 同样也有很多其他基质材料作为替代例如泥炭、稻草秸秆等这些方法均为栽植沉水植物提供了新思路还有直接将植株根部插入底泥的扦插法此成活率虽然较高但应用范围仅局限于水深较浅的区域 此外也有采用水泥涵管覆土种植、捆绑式网床、网箱等其他改良的种植技术均对沉水植物具有良好的效果 品种选择与应用不同的研究人员指出应根据修复水体类型、修复水体中本地物种、修复水体潜在用途、所选物种对种植方式的适宜性等方面来选择沉水植物进行植被修复 此外沉水植物修复还应考虑非生物因素和沉水植物需求之间复杂的相互作用否则难以达到良好的治理效果目前 常 见 沉 水 植 物 有:苦 草()、伊 乐 藻()、金 鱼 藻()、马来眼子菜()、菹草()、黑藻()、狐 尾 藻()等 近年来国内外学者在沉水植物的应用方面做出了大量研究研究结果见表 表 沉水植物净化水体的应用学者沉水植物研究结论参考文献李威狐尾藻、菹草、金鱼藻、黑藻、伊乐藻、苦草苦草、黑藻、狐尾藻和金鱼藻均有较强的抑藻能力其中金鱼藻、黑藻、苦草的综合去污能力最好而黑藻和苦草耐污能力和生长适应性最好各种植物组合的抑藻能力均高于单一植物其中金鱼藻 苦草组合效果最好欧丹玲矮生苦草、金鱼藻、轮叶黑藻对松雅湖全湖治理中金鱼藻 轮叶黑藻系统净化水质能力最强对、平均去除率最高人民珠江 年增刊 续表 沉水植物净化水体的应用学者沉水植物研究结论参考文献胡春阳苦草、轮叶黑藻苦草在黑臭底泥、人造花泥和黄泥上的存活率均为 在沙石、椰棕和陶粒上的存活率分别为、和.苦草在黄泥和黑臭底泥上平均株高较高轮叶黑藻在人造花泥和黑臭底泥上平均株高较高苦草轮叶黑藻在人造花泥和黑臭底泥上生物量较多苦草抗冲刷能力中人造花泥最强轮叶黑藻抗冲刷能力中椰棕最强代蕾苦草、黑藻、竹叶眼子菜在污染程度较重的水体适合用黑藻进行修复修复修复效果优于苦草和竹叶眼子菜 沉水植物系统基质中微生物主要以变形菌门和酸杆菌门为主与氮有关的多为反硝化相关细菌其中硝化菌和反硝化菌居多除磷有关的主要是假单胞菌属王胜楠苦草、菹草、金鱼藻、穗花狐尾藻、黑藻、伊乐藻和粉绿狐尾藻金鱼藻和穗花狐尾藻通过竞争营养盐和分泌溶解性有机物起到对蓝藻的抑制 黑藻和穗花狐尾藻比较适合作为控藻先锋植物 黑藻、穗花狐尾藻最佳种植密度分别为、/在./黑藻和./穗花狐尾藻组合条件下对水华抑制效果最好最大生物量抑制率达到.崔庆飞黑藻、伊乐藻、苦草、轮叶狐尾藻在单一植物类轮叶黑藻对 处理能力最好轮叶狐尾藻对 处理效果最好苦草对氨氮处理能力最好组合类苦草 轮叶黑藻 轮叶狐尾藻组合最好伊乐藻 轮叶黑藻 轮叶狐尾藻组合最好苦草 轮叶黑藻 轮叶狐尾藻组合最好李琳苦草、密刺苦草、黑藻、伊乐藻、金鱼藻、竹叶眼子菜、蓖齿眼子菜、微齿眼子菜密刺苦草对水中、和氨氮去除率高达到.、.和.密刺苦草 黑藻 伊乐藻和密刺苦草 金鱼藻 黑藻 伊乐藻可作为最优植物组合应用于富营养化水体修复张之浩苦草、菹草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、伊乐藻在这几种沉水植物中苦草对蓝绿藻抑制效果最好主要是有机酸类作用同时其耐污和去污能力也很强 在植物组合处理对浮游植物抑制率都明显比单一沉水植物高其中金鱼藻 苦草效果最好史红玉苦草在做实验的 种基质中底泥 层无纺布 玉米芯 沙 水 苦草和 层无纺布 玉米芯 生物质焦 沙 水 苦草生长状态最好 层无纺布 玉米芯 生物质焦 沙 水 苦草净化速率最快效果最好 综上可知耐污能力较好的沉水植物主要有黑藻和苦草抗冲刷能力中苦草能力比较强而在北方温度较低的地区则宜种植微齿眼子菜和伊乐藻黑藻和穗花狐尾藻比较适合作为控藻先锋植物 在配置沉水植物时应根据项目及环境实际情况来搭配不同沉水植物以达到理想的效果但在选取沉水植物时要注意菹草、轮叶黑藻、苦草、茨藻、杏菜、蓖齿眼子菜和马来眼子菜等均可能过度繁殖从而排挤其他水生生物造成水体生物多样性降低腐烂后还可诱导藻华或湖泛的发生增加水体富营养化程度引发生态灾难 国内外学者在控制沉水植物方面做了大量研究工作主要包括物理法、化学法和生物法 其中生物法由于其成本低、效果持久和安全性高等优点近年来受到研究者人民珠江 年增刊 普遍关注 鱼类中草鱼可以通过摄食作用抑制多种大型沉水植物生长 无脊椎动物中象鼻虫、鳌虾等分别对穗花狐尾藻和菹草、篦齿眼子菜等具有较好的一直作用大型水禽中疣鼻天鹅对多种沉水植物具有明显的控制作用 影响修复效果的主要因素.选址选址可以说是影响修复效果的最关键因素之一 很多项目由于选址不当都失败了 不同沉水植物种植由于生长的环境不同因此种植水深、水流、风浪等条件也各不相同 历史洪水位、水深、光照、生境质量等对已种植的沉水植物初期生存和繁殖均起到至关重要的作用这也是许多实际修复项目需要多年重复种植的原因其中水位主要通过影响光照、水压、水质等因素来影响沉水植物的生长 沉水植物可以适应一定范围的水位当水位过高或者过低的时候均会对抑制沉水植物生长 掌握常见的沉水植物与水位的关系至关重要这样可以通过人为调节水位来控制沉水植物的生长方向 水体透明度对沉水植物生长同样重要由于透明度影响真光层而沉水植物的生长需要光照 水深越浅水体透明度恢复越快.左右水深的水体透明度恢复快适宜采用沉水植物进行水体生态修复超过.水深不适宜采用沉水植物进行水体生态修复.食草动物食草动物主要由鱼类、虾、福寿螺等组成 由于草食性鱼类主要以水草为食放养草食性鱼类使水生植物种类及数量大量减少 在美国切萨皮克湾支流詹姆斯河恢复野芹菜()的试验中显示食草动物对恢复成功的影响可能是沉水植物恢复的瓶颈在围栏内外的对比试验也表明在无食草动物进入的围栏内移植地块底部覆盖率显著高于非隔离区 水鸟、福寿螺、克氏原螯虾均会显著降低沉水植物生物量最终会影响水态系统的稳定性草食动物对特定沉水植物具有偏好 在有轮叶黑藻的情况下草鱼会对轮叶黑藻优先摄食且摄食率大于苦草、穗花狐尾藻和金鱼藻 克氏原螯虾优先以轮藻为食 因此充分了解带修复水体中食草动物对于沉水植物物种选择是必须的.丝状绿藻繁殖在待治理的富营养化水体中利用沉水植物恢复通常伴随着丝状绿藻的暴发 丝状藻类与沉水植物生态位高度重叠其利用自身强大的繁殖能力迅速竞争水中空间、光照、营养以及其他资源它们还通过缠绕沉水植物的茎和叶对其进行物理破坏从而对沉水植物正常生长产生不利影响 有试验证明当丝状藻和沉水植物的质量比为 时丝状藻可以把沉水植物完全缠绕随着丝状藻的不断繁殖对沉水植物影响越大 衰亡的刚毛藻会对沉水植物的生长繁殖以及水环境质量产生不利影响增加了浮游藻类水华的可能性由于丝状绿藻其底栖阶段附着在基质上因此他们将沉水植物用作合适的基质 所有这些都可以能导致恢复系统中的水生植物衰退甚至消失 等建议避免种植黑藻和金鱼藻因为这些物种在早春会促进丝状藻类的生长而马来眼子菜可能抑制丝状藻类该物种可以作为先锋物种 因此在利用沉水植物进行水生态修复时丝状绿藻的过度繁殖应密切监控及时做好维护工作.生境质量待修复水体通常其生境质量较差水和沉积物营养物质较为丰富或者含有较高含量的重金属和有机污染物 在引入沉水植物之前这些浓度应尽量降低到水生植物物种的耐受阈值以下 丹麦科学家研究表明在浅水生态系统中总氮浓度./、总磷浓度在./是沉水植物生长的阈值浓度叶春等根据 种沉水植物和 种底泥条件的试验结果表明在有机质和营养盐水平较高、稳定性差的淤积底泥下沉水植物成活率较低过与肥沃的底质条件可能会对沉水植物生长起到抑制作用 由于沉水植物对养分和不同污染物耐受性不同在选择用沉水植物治理水环境时应根据待治理水体水和沉积物状态慎重选择相应的物种人民珠江 年增刊 应用研究展望沉水植物是在治理富营养化水体具有重要作用 它不仅可以降解污染物质、抑制藻类生长、美化水体景观还用于增加生物多样性 尤其是与其他水污染治理措施结合能够应对较多情况下的水污染问题 目前关于沉水植物净化富营养化水体的研究主要集中在沉水植物对污染物的净化机理和净化效果方面并且相关文献研究成果大部分是成功的案例在失败案例上谈及的比较少不利于实际工程经验的总结 尤其是在河流及深水型湖泊、水库治理方面如何在种植技术、品种选择及与其他技术结合等方面进行技术突破从而克服项目自身的限制因素使沉水植物在水环境治理方面得到更广泛应用 同时应注重研究生态损害水体沉水植物退出机制方面的研究针对不同类型水体通过野外长期跟踪调查结合实验室内模拟试验结果识别影响不同沉水植物退出的主要环境因子有助于沉水植物在水环境治理中得到更好的应用另外沉水植物在全球碳循环中有着不可或缺的地位 但不同种沉水植物碳汇途径、能力以及影响其碳汇能力的因素均不明确沉水植物在水环境治理方面得到广泛应用后使淡水生态系统碳汇能力显著提高助力中国“双碳”目标完成 总之通过沉水植物净化富营养化水体绝非易事 虽然目前在研究及局部示范范取得了一定成功但是由于诸多限制因素现场大规模成功的案例数量仍然比较少因此应该在目前丰硕的研究成果基础上突破自身技术瓶颈更多的与其他治理技术项结合让沉水植物修复技术得到更广泛的应用参考文献:曹枫张国珍武福平等.我国主要河流污染现状及治理情况.内蒙古科技与经济():.史欢欢.微生物技术在城市污水处理中的应用.绿色环保建材():.杨小红张邦喜薛飞等.种沉水植物夏秋季对水质的净化效果.贵州农业科学():.陈静和丽萍赵祥华等.滇池草海东风坝水域生态修复技术工程应用.四川环境():.陈开宁包先明史龙新等.太湖五里湖生态重建示范工程:大型围隔试验.湖泊科学():.刘从玉刘平平刘正文等.沉水植物在生态修复和水质改善中的作用:以惠州南湖生态系统的修复与构建(中试)工程为例.安徽农业科学():.王艳丽周阳.沉水植物综合利用的研究进展.环境保护科学():.郭雅倩薛建辉吴永波等.沉水植物对富营养化水体的净化作用及修复技术研究进展.植物资源与环境学报():.陈永华吴晓芙.人工湿地植物配置与管理.北京:中国林业出版社.易仲强.基于 和 的三峡水库香溪河库湾富营养化预测研究.宜昌:三峡大学.杨岭兰.广州水体生态修复中沉水植物应用设计研究.广州:华南农业大学.汪庆罗宣.苔藓植物的主要次生代谢产物与有害生物防治.贵州科学():.王立新.西昌市邛海湿地公园水生植物现状及配置分析.现代园艺():.欧克芳林鸿陈桂桥等.挺水植物及其园林应用.安徽农业科学():.曹勋韩睿明章婷曦等.冬季水生植物分解过程及其对水质的影响研究.农业环境科学学报():.杨忠库.水生植物在园林生态建设中的应用.现代园艺():.马小琳.水生观赏植物在园林中的应用及发展前景.现代园林():.姜义帅陈灏马作敏等.利用沉水植物生长期收割进行富营养化水体生态管理的实地研究.环境工程学报():.向律成.三种水生植物对富营养化水体的净化效应及其影响因子研究.杭州:浙江大学.王怡.水生植物对城市生活污水的净化能力研究.成都:四川农业大学.张宇王圣瑞李重祥等.沉水植物对富营养化水体的修复作用及其研究展望.内蒙古草业():.王晓美高培培孙旭淏等.修复白洋淀镉污染水体的沉水植物筛选试验.广西植物():.人民珠江 年增刊 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根据本文提出的方法绘制的淹没风险图可以清晰地得到各区域的危险程度为下游可能的受灾区分区制定应急转移方案提供依据为应急决策和减灾提供技术支撑参考文献:解家毕孙东亚.全国水库溃坝统计及溃坝原因分析.水利水电技术():.张建云杨正华蒋金平.水库大坝病险和溃坝研究与警示.北京:科学出版社.班华珍.土石坝水库溃决模拟及洪水风险研究.南宁:广西大学.孙锐娇杜伟超谢谟文.基于 与 的水库溃坝风险分析.测绘地理信息():.贺娟王晓松.基于 及 的溃坝洪水分析.水利水运工程学报():.赵雪莹王昭升盛金保.梯级水库溃坝洪水模拟.人民长江():.宁聪傅志敏王志刚.模型在二维溃坝洪水研究中的应用.水利水运工程学报():.刘希林王小丹.云南省泥石流风险区划.水土保持学报():.王立辉.溃坝水流数值模拟与溃坝风险分析研究.南京:南京水利科学研究院.(责任编辑:程 茜)(上接第 页).黎磊张笑辰秦海明等.食块茎水鸟及水位对沙湖沉水植物冬芽分布的影响.生态学杂志():.杨诚康玉辉高健等.外来种福寿螺()对 种沉水植物的牧食偏好及水体理化因子的响应.湖泊科学():.杨诚.克氏原螯虾和福寿螺对沉水植物生长及水体理化因子的影响研究.武汉:湖北工业大学.孙健贺锋张义等.草鱼对不同种类沉水植物的摄食研究.水生生物学报():.马顷.水绵和刚毛藻的生态适应性及其干扰作用对四种沉水植物的影响.新乡:河南师范大学.张璐.刚毛藻对沉水植物、蓝藻生长及沉积物营养迁移影响研究.武汉:武汉理工大学./.叶春于海婵宋祥甫等.底泥对沉水植物生长和群落结构的影响.环境科学研宄():.(责任编辑:高天扬)