生態(tài)浮床技術(shù)及應(yīng)用的研究進(jìn)展

白麗榮，鄭博穎，張 勇，蘆站根

(1. 衡水學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000；2. 棗強(qiáng)縣農(nóng)業(yè)局，河北 棗強(qiáng) 053100)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是指湖泊、水庫(kù)、海灣等封閉性或半封閉性水體以及某些河流水體，在人類活動(dòng)的影響下，氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素富集，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過高，使水質(zhì)惡化，某些特征性藻類(主要為藍(lán)藻、綠藻)異常增殖．研究表明，全球范圍內(nèi)有40 %左右的湖泊和水庫(kù)均表現(xiàn)出不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化；20 世紀(jì)90年代中后期調(diào)查顯示，我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊已占被調(diào)查湖泊數(shù)的77 %[1]．造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因歸納起來有以下幾種：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量地使用氮肥和磷肥，氮、磷等元素隨降雨或灌溉經(jīng)地表徑流或滲濾方式進(jìn)入地面水體或地下水體中；畜禽排泄物直接排入水體或先進(jìn)入土壤然后隨地表徑流間接進(jìn)入江河、湖泊而污染水體；燃料燃燒產(chǎn)生的大量氮氧化合物通過降水降落在土壤或水體表面，污染地表水源，致使含氮化合物濃度升高；生活污水、生活垃圾以及某些工業(yè)廢水的大量排放等．隨著大氣污染日益嚴(yán)重，大氣沉降也成為重要的水域富營(yíng)養(yǎng)化原因之一[2]．

水體富營(yíng)養(yǎng)化使水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重惡化，同時(shí)還影響周邊水環(huán)境和人文景觀，甚至可能通過給水系統(tǒng)危害到公眾的健康，因此，富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理成為當(dāng)今亟需解決的一項(xiàng)重大課題．國(guó)內(nèi)外對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理主要采用物理、化學(xué)及生物修復(fù)技術(shù)．物理、化學(xué)方法在修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的同時(shí)也加劇了原本已經(jīng)很脆弱的水生生態(tài)系統(tǒng)的破壞；生物調(diào)控方法是利用生物進(jìn)行生命活動(dòng)時(shí)的生理生化作用以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在食物鏈間的傳遞過程中，將湖泊中污染物與過量營(yíng)養(yǎng)鹽發(fā)生降解和轉(zhuǎn)化，達(dá)到長(zhǎng)期水體凈化的作用．生物調(diào)控技術(shù)包括種植水生維管束植物、微生物凈化技術(shù)、生物浮床技術(shù)、生物鏈調(diào)控技術(shù)等．從自20 世紀(jì)70年代末在德國(guó)設(shè)計(jì)建造并投入應(yīng)用的生態(tài)浮床(ecological floating bed)，作為一項(xiàng)重要的水環(huán)境生態(tài)治理技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢水處理、城市雨水處理和富營(yíng)養(yǎng)湖泊治理等各個(gè)方面．生態(tài)浮床技術(shù)引入我國(guó)后，廣泛應(yīng)用于湖泊、水庫(kù)、城市河道等水體的污染治理．

水生植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的主要初級(jí)生產(chǎn)者，具有吸收、吸附、富集水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及對(duì)某些藻類的化感作用．利用水生植物富集氮、磷是治理、調(diào)節(jié)和抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化，維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要手段．以水生植物為主體的生態(tài)浮床技術(shù)，運(yùn)用無土栽培的技術(shù)原理，以高分子材料為載體和基質(zhì)，把水生植物或改良馴化的陸生植物移栽到水面浮床上，通過植物的根系吸收、吸附、截留水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，再通過收割植物將其搬離水體，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的．生態(tài)浮床應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)，具有充分利用水面、無需占用土地、可操作性強(qiáng)、運(yùn)行成本低、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小、景觀效果好、植物資源可作為食品和飼料回收再利用、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)．因此，生態(tài)浮床作為一種生態(tài)處理技術(shù)越來越受到人們的重視．

1 生態(tài)浮床修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體機(jī)理

氮和磷是限制水生植物生物量最主要的營(yíng)養(yǎng)元素．因此，氮、磷在湖泊水體及沉積物中的形態(tài)及其遷移釋放行為，對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化起著決定性的作用[3]．生態(tài)浮床技術(shù)通過將水生植物植于可以漂浮于水面的床體之上，利用植物的吸收、吸附、過濾和微生物的凈化作用來去除水體中的氮磷以及大的顆粒物，是水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)相兼顧的實(shí)用技術(shù)．此外，一些植物在與藻類競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和光能的過程中，還能分泌化學(xué)克生物質(zhì)，從而抑制浮游植物及藻類的生長(zhǎng)繁殖，防止水華現(xiàn)象的發(fā)生；植物的光合作用釋放的氧氣有助于提高水體的溶解氧的含量，改善水體；并在植物根系附近形成好氧、厭氧、缺氧的環(huán)境，有利于硝化細(xì)菌的硝化、反硝化進(jìn)程．另外，水生植物在水面還能形成一面特有的綠色效應(yīng)，不僅能提高區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，還能吸引不同種群的飛鳥等來覓食，通過飛鳥的遷徙作用也能帶走部分污染物[4]．

生態(tài)浮床對(duì)水體氮、磷的吸收主要依靠植物的吸收和浮床微生物的分解作用，溫度直接影響著植物和微生物的生存和生長(zhǎng)，因此在不同季節(jié)生態(tài)浮床對(duì)水體的凈化效率存在差異[5]．浮床系統(tǒng)的最佳運(yùn)行水溫為25 ~ 29℃．溫度過高時(shí)，光合作用降低甚至被抑制，此時(shí)植物泌氧能力下降，不利于微生物的硝化過程；溫度過低時(shí)，植物會(huì)枯萎或者死亡，微生物的活性也會(huì)降低，這些都不利于氮、磷元素的去除．

2 生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

水生植物的選擇是生態(tài)浮床技術(shù)的關(guān)鍵．選取浮床植物的要素：1) 具有較好的水質(zhì)凈化功能；2) 移植成活率高，長(zhǎng)勢(shì)良好；3) 不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境帶來危害；4) 具有一定的景觀價(jià)值或經(jīng)濟(jì)價(jià)值；5) 價(jià)格適中，綜合利用價(jià)值高．因此，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)、季節(jié)和植物自身生長(zhǎng)規(guī)律等因素，選擇合適的浮床植物是浮床研究中的一個(gè)重要方面．

目前研究較多的水生植物有挺水植物、漂浮植物、浮葉植物和沉水植物等．挺水植物和浮葉植物不僅具有較高的氮磷吸收效果，同時(shí)具有較好的觀賞性，因而這些植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)的研究和應(yīng)用方面均較廣泛，挺水植物如菖蒲(Acorus calamus)和水芹菜(Oenanthe javanica)，漂浮植物如鳳眼蓮(Eichhornia crassipes)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides)等；沉水植物如黑藻(Hydrilla verticillatata)、菹草(Potamogeton crispus)等，因植株全部沉于水中，氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收效率高，沉水植物逐漸成為了研究熱點(diǎn)．朱秀紅等[6]研究證實(shí)鳶尾(lris tectorum)、旱傘草(Cyperus alternifolius)、莼菜(Brasenia schreberi)、紅掌(Anthurium andraeanum)對(duì)水體的氮、磷有明顯的凈化作用；李文芬等[7]研究發(fā)現(xiàn)蘆葦(Phragmites australis)、鳳眼蓮、水蔥(Scirpus validus)、水芹菜對(duì)水體中氮、磷有明顯的吸收能力；周遺品等[8]研究了風(fēng)車草(即旱傘草)、觀音竹(Bambusa multiplex)、紅龍草(Altemanthera Ficoidea cv."Ruliginosa”)等4 種植物對(duì)水體中總磷、溶解性磷、總氮、氨氮等指標(biāo)的吸收情況；婁敏等[9]發(fā)現(xiàn)大薸(Pistia stratiotes)、鳳眼蓮、紫萍(Spirodela polyrrhiza)對(duì)藻類的生長(zhǎng)有明顯的抑制效果；唐萍等[10]研究了水花生和浮萍(Lemna minor)對(duì)水體中柵藻生長(zhǎng)的抑制作用；茅孝仁[11]研究發(fā)現(xiàn)，大聚藻(Myriophyllum aquatic)和美人蕉有較大的生物凈增量和較強(qiáng)的水質(zhì)凈化能力，可作為優(yōu)選的生態(tài)浮床水生植物，黃菖蒲(Iris pseudacorus)和鳶尾具有較強(qiáng)的耐寒性，可與其他水生植物組配使用，以提高冬季條件下的持續(xù)凈水能力和景觀效果．

空心菜(Ipomoea aquatica)為須根系，根系發(fā)達(dá)，且在每節(jié)除腋芽外，可長(zhǎng)出不定根，再生能力強(qiáng)，且有較強(qiáng)的耐污性能，因此近年來作為生態(tài)浮床理想物種，廣泛用于治理污染河道、富營(yíng)養(yǎng)化湖泊等．水芹菜是水生宿根草本植物，喜水耐寒，具有較高的生物量，可以多次收割，是冬春季節(jié)凈化重污染河道的經(jīng)濟(jì)有效的生物材料[12]．

對(duì)于漂浮植物來說，只能利用表層水體，對(duì)于深度較大的水體，其凈化效果很難進(jìn)一步提高．研究表明，單純依靠植物的吸收作用對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物的去除率小于10 %．為了克服傳統(tǒng)生態(tài)浮床凈污主體的單一性，在其基礎(chǔ)上衍變出了水生動(dòng)植物組合式生態(tài)浮床．組合式生態(tài)浮床是在水生植物的根下水體中養(yǎng)殖水生動(dòng)物，利用水生動(dòng)植物間的捕食關(guān)系及動(dòng)物的能動(dòng)關(guān)系，發(fā)揮作為消費(fèi)者和生產(chǎn)者的水生動(dòng)物與水生植物之間的相互依賴制約關(guān)系，構(gòu)成完整生態(tài)食物鏈和食物網(wǎng)，控制水體富營(yíng)養(yǎng)化．同時(shí)，動(dòng)物在水中的活動(dòng)，有利于調(diào)整水中溶解氧的含量，也能進(jìn)一步促進(jìn)水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收、吸附作用[13]．目前該技術(shù)中使用較多的水生動(dòng)物有蚌類、螺類、食草魚類、雜食魚類等．所以，適當(dāng)引入具有良好吸鹽抑藻效應(yīng)的水生植物和土著草食性魚類，可優(yōu)化調(diào)整湖泊生物鏈和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷削減的生物鏈篩選及其優(yōu)化調(diào)控技術(shù)．

人工生物浮床技術(shù)能夠去除水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制，但該技術(shù)中植物的選型和群落的最優(yōu)化配置還有待深入研究．同時(shí)，植物載體的抗腐蝕性和抗風(fēng)浪性也需進(jìn)一步提高．從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，研發(fā)以生物技術(shù)為主體，聯(lián)合物理、化學(xué)、物化、環(huán)境因子調(diào)控等多種技術(shù)復(fù)合而成的技術(shù)體系，是今后的發(fā)展趨勢(shì)[14]．

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