國內(nèi)生態(tài)浮床研究進(jìn)展

陳進(jìn)樹

摘 要：回顧生態(tài)浮床的建造技術(shù)，分析生態(tài)浮床的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀，探討生態(tài)浮床未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床；富營(yíng)養(yǎng)化；水生植物；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）01-0021-03

Abstract：In this paper，the research status of construction technology of ecological floating beds were reviewed，application status and problems were analyzed，At the same time，combining the current research stutus，directions for future research of ecological floating bed were discussed.

Key words：Ecological floating bed；Eutrophication；Aquatic plants；Research progress

生態(tài)浮床也稱為生態(tài)浮島、漂浮濕地，是一種將現(xiàn)代農(nóng)藝和生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土種植技術(shù)；該技術(shù)通過植物根系的吸附、吸收作用及根系周圍附著的細(xì)菌和其他微生物形成的生物膜的水解代謝作用，分解吸收水體中的有機(jī)物和富余的營(yíng)養(yǎng)成分，通過收割植物體的形式，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)搬離水體，使污染物大幅度減少，從而起到凈化水質(zhì)、美化環(huán)境的作用。相對(duì)于物理化學(xué)的凈化水質(zhì)方法，它具有操作簡(jiǎn)單、占地少、造價(jià)低、凈化能力好的特點(diǎn)，因此該技術(shù)受到國內(nèi)外生物學(xué)家的重視。最早研究該技術(shù)的是美國生態(tài)學(xué)家Gurmey，我國的宋祥甫等在1991年即開展了用生態(tài)浮床治理城區(qū)污染河道實(shí)驗(yàn)；由于我國工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，城區(qū)人口激增，對(duì)水資源的消耗與污染加劇，而污染治理設(shè)施的建造與管理相對(duì)滯后，同時(shí)由于水面的縮小及生活生產(chǎn)中產(chǎn)生的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不斷輸入，致使我國大部分湖泊呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，特別是靠近城區(qū)環(huán)境的水體受到嚴(yán)重污染；據(jù)李睿等[1]的研究報(bào)導(dǎo)，我國85%湖泊出現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化及治理水污染的高成本問題，因此該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)得到更多的關(guān)注和研究。本文擬對(duì)以往的這些研究進(jìn)行總結(jié)分析，并對(duì)今后該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 生態(tài)浮床的建造研究

生態(tài)浮床的構(gòu)造對(duì)浮床植物的生長(zhǎng)、水體的凈化效果以及平時(shí)的運(yùn)營(yíng)管理具有重要的影響，因此浮床的建造研究受到眾多學(xué)者的關(guān)注。自生態(tài)浮床創(chuàng)設(shè)以來，其發(fā)展大致經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：第一代是竹子構(gòu)架的，它的特點(diǎn)是造價(jià)低，但效果差，壽命短；第二代是以聚苯乙烯（EPS）泡沫為主，雖然制造工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)也較低廉，但易產(chǎn)生白色污染，所以現(xiàn)在也基本沒用；第三代主要是聚乙烯（PE）及其衍生產(chǎn)品，它克服了前二類產(chǎn)品的缺點(diǎn)，但植物的根系沒有與定植基質(zhì)結(jié)合在一起；第四代是新材料浮床，主要特點(diǎn)是植物的根系和浮床的材料可溶為一體，且材料本身為中空管狀結(jié)構(gòu)，能夠形成很好的水體微動(dòng)力循環(huán)，產(chǎn)品主要是美國生產(chǎn)的，由于材料專利壁壘及售價(jià)高，目前國內(nèi)普及率較低。

據(jù)曹勇等[2]的研究報(bào)導(dǎo)，生態(tài)浮床作為水面植物定植結(jié)構(gòu)，其建造設(shè)計(jì)必須綜合考慮以下幾個(gè)因素：（1）穩(wěn)定性（浮床需能抵抗一定的風(fēng)浪、水流的沖擊而不至于被沖壞）。（2）耐久性（浮床能多年重復(fù)使用而不會(huì)腐爛）。（3）景觀性（栽植的植物觀賞性好）。（4）經(jīng)濟(jì)性（建造成本較低）。（5）便利性（設(shè)計(jì)過程中施工、運(yùn)行、維護(hù)比較方便）。除了這些，作為一種水體凈化裝置，還應(yīng)當(dāng)具有較強(qiáng)的水質(zhì)凈化能力；而浮床的凈化能力，主要是通過植物的吸收作用和其根系周圍的微生物的分解作用來完成的；針對(duì)浮床的這些要求，國內(nèi)的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，并取得一些成果。

1.1 物理結(jié)構(gòu)建造研究 生態(tài)浮床一般是由浮床的框體、浮床床體、浮床基質(zhì)、浮床植物四部分組成，目前對(duì)于浮床的建造研究主要是針對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改良研制；趙廣勝等[3]研制了“齒合插接型”水生植物景觀浮床，該裝置是以高密度聚苯乙烯制成，采用“齒合插接”技術(shù)，使得模塊與模塊之間鑲嵌在一起，其種植槽采用倒圓錐形并在底部留有大孔徑透水口，便于植物根系物迅速向水中伸展生長(zhǎng)，使根部充分與水接觸吸收水中的氮、磷、重金屬等物質(zhì)，起到凈化水體作用；王芳等[4]研制了一種生物質(zhì)碳源組合型生態(tài)浮床，該生態(tài)浮床系統(tǒng)由上層的PVC管材浮床支架，中層的由高分子纖維繩和玉米芯組成的生物掛膜基質(zhì)與生物碳源及下層的多孔有機(jī)玻璃填料沉箱與沉水植物三層組成；據(jù)報(bào)導(dǎo)該系統(tǒng)具較豐富的生物多樣性，具有較高脫氮能力；馬強(qiáng)等[5]研發(fā)的增加彈性立體材料的新型生態(tài)浮床，該系統(tǒng)上的彈性材料吸附細(xì)菌等微生物形成的生物膜對(duì)水體的凈化有較強(qiáng)的效果；蔡魯祥[6]發(fā)明的可拆式扇形生態(tài)浮床，組件為扇形，組件間可拆式連接，能有效避免在回收時(shí)遭到破壞；田昌鳳等[7]研制了氣提式生態(tài)浮床，采用羅茨風(fēng)機(jī)為生態(tài)浮床提供氣源，可將池塘下層水體提升到浮床表層，經(jīng)過浮床上配置的植物凈化吸收、陶粒吸附，以及填料的微生物降解后重新流回到池塘底部，該裝備能有效降低池塘水體氨氮和亞硝氮含量。顧兆俊等[8]發(fā)明了一種養(yǎng)殖污水的凈化方法及基于該方法的生態(tài)浮床，該生態(tài)浮床包括表層凈化區(qū)，中層凈化區(qū)，底層凈化區(qū)，表層凈化區(qū)和底層凈化層的四周用帶有過水孔的材料封閉；表層凈化區(qū)與中層凈化區(qū)隔開，其內(nèi)種植挺水植物，并設(shè)有生物填料，生物填料顆粒的外徑大于所述過水孔的內(nèi)徑；中層凈化區(qū)四周用漁網(wǎng)圍住，下方通過漁網(wǎng)與底層凈化區(qū)隔開，中層凈化區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖濾食性魚；底層凈化區(qū)下方封閉，設(shè)有陶粒，陶粒的外徑大于所述過水孔的內(nèi)徑，并以所述陶粒為介質(zhì)種植沉水植物。這些研發(fā)，提升了我國的生態(tài)浮床技術(shù)的應(yīng)用水平，但也存在著一定的不足；比如，植物的根系不能附著在基質(zhì)上，對(duì)風(fēng)浪的抵抗性較差，或者建造工藝較為繁瑣，或者使用壽命較短、凈化效率不高等問題。因此，今后還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加快新型浮床建造材料的生產(chǎn)研究。

1.2 生物篩選研究

1.2.1 水生植物的篩選 生態(tài)浮床對(duì)水體的凈化水質(zhì)及景觀作用，最終是靠浮床的生物系統(tǒng)來完成的，所以合適以及生長(zhǎng)良好的植物及微生物是生態(tài)浮床凈化能力的保證。生物的篩選主要是選擇適合水面生長(zhǎng)的植物及微生物；篩選合適的水生植物的研究進(jìn)行的比較早。李止正等[9]進(jìn)行了生態(tài)浮床的經(jīng)濟(jì)效果研究，在太湖上種植39種高等陸生植物，成活率達(dá)100%，這為后期開展水上種植物的研究提供了一定的依據(jù)；周曉紅等[10]進(jìn)行以美人蕉、綠蘿、馬麗安3種景觀植物為試材制成生態(tài)浮床，試驗(yàn)表明，3種植物對(duì)污染水體均有很好的凈化效果和一定的景觀價(jià)值，可作為城市河道污染水體治理的優(yōu)良物種而推廣使用；羅固源等[11]選取美人蕉、風(fēng)車草、菖蒲和香根草4種常見的浮床植物為研究對(duì)象，對(duì)其生長(zhǎng)特性及吸收氮磷的能力進(jìn)行比較研究，結(jié)果顯示美人蕉對(duì)水體中氮磷的吸收能力最強(qiáng)；吳建強(qiáng)等[12]選取美人蕉、黃菖蒲、再力花和千屈菜作為研究對(duì)象，對(duì)其生長(zhǎng)特性和氮磷吸收能力進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，美人蕉對(duì)磷的吸收能力最強(qiáng)；賀鴻志等[13]研究了野生稻、香根草和風(fēng)車草構(gòu)建的浮床系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這3種植物對(duì)水體總氮（TN）和總磷（TP）均具有較好的凈化效果，都能使水體溶解氧（DO）濃度明顯增加，并能抑制藻類等浮游植物的生長(zhǎng)，其中以風(fēng)車草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的綜合修復(fù)能力最強(qiáng)；蔣躍等[14]選取美人蕉、再力花和千屈菜3種當(dāng)?shù)爻Ｒ娭参镒鳛檠芯繉?duì)象，構(gòu)建上海市淀山湖富營(yíng)養(yǎng)化治理生態(tài)浮床工程，對(duì)3種植物的生長(zhǎng)特性、氮磷吸收能力的優(yōu)化配置進(jìn)行比較研究，結(jié)果表明美人蕉與再力花配的混作浮床系統(tǒng)能夠在保證氮吸收量較高的同時(shí)，比單種再力花的浮床系統(tǒng)吸收更多的磷；陳友媛[15]選取春羽、綠蘿和銅錢草3種常見觀賞植物作為水培試驗(yàn)研究對(duì)象，探討這3種植物的水生栽培技術(shù)并用于去除模擬污水（劣V類）的凈化效果，結(jié)果顯示春羽、綠蘿、銅錢草對(duì)污染水體均具有較好的適應(yīng)性及水體凈化能力，這為水培觀賞植物應(yīng)用于湖泊等污染水體的生態(tài)修復(fù)治理工程提供了參考；徐凌悅[16]進(jìn)行水稻與空心菜吸收不同 N/P水體中氮磷的研究，結(jié)果表明浮床水稻與空心菜能較好地吸收富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷元素。這些研究，對(duì)生態(tài)浮床植物的選擇提供了借鑒，但總體上還不夠理想，在景觀性，季節(jié)性上還有待于進(jìn)一步的提升。我國的水生植物種類較多，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)水生植物的篩選工作，選出生命力強(qiáng)，觀賞效果好的水生植物。

1.2.2 微生物 據(jù)調(diào)查，中國90%以上的水域污染是因水體中的N、P含量過高而引起的富營(yíng)養(yǎng)化造成的，所以N、P元素的去除對(duì)水體的凈化作用具有關(guān)鍵的作用。據(jù)李海英[17]研究微曝氣水芹生態(tài)浮床中發(fā)現(xiàn)微生物硝化反硝化作用是浮床系統(tǒng)除氮的主要機(jī)制，植物水芹吸收只占1/10，其余均為微生物脫氮；范潔群[18]研究，浮床系統(tǒng)中植物吸收只是系統(tǒng)去氮的一種途徑，微生物脫氮在浮床脫氮途徑中占主導(dǎo)作用；因此，水中N元素的去除，浮床植物所起的作用較小，主要的動(dòng)力是浮床植物根系及水中的微生物；朱靜平等[19]研究3種水培植物根系分泌的有機(jī)酸對(duì)氮循環(huán)菌的影響，結(jié)果表明3種植物根系分泌物中的有機(jī)酸對(duì)氨化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，對(duì)亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)具有抑制作用；吳偉等[20]采用彈性生物填料為人工基質(zhì)，研究以土著微生物及外源微生物為菌源構(gòu)建的池塘固定化微生物菌膜系統(tǒng)及對(duì)養(yǎng)殖水體的原位修復(fù)；結(jié)果顯示固定化微生物處理技術(shù)可使水體中微生物的數(shù)量提高1倍以上，對(duì)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化控制的效果良好；薛彥君等[21]以美人蕉生態(tài)浮床為研究對(duì)象，研究曝氣時(shí)間對(duì)植物生態(tài)浮床去除水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的影響，結(jié)果表明曝氣時(shí)間4h/d試驗(yàn)組的美人蕉根際細(xì)菌總數(shù)最高，水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果最佳。

2 生態(tài)浮床的運(yùn)用

生態(tài)浮床具有原位修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體及生態(tài)景觀的作用，但其對(duì)風(fēng)浪的抵抗力較小，所以目前主要是應(yīng)用于水流較緩慢的淡水湖泊及城市內(nèi)河和公園水體中。孫從軍等[22]進(jìn)行了淀山湖富營(yíng)養(yǎng)化防治與生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明浮床技術(shù)可有效削減富營(yíng)養(yǎng)化水體中的COD、TN、氨氮和TP等，為后續(xù)的生態(tài)修復(fù)工程奠定了良好基礎(chǔ)；高陽俊等[23]以美人蕉和傘草對(duì)重富營(yíng)養(yǎng)化的大清河水質(zhì)凈化研究，也取得了較好的凈化效果；李威等[24]運(yùn)用浮床技術(shù)對(duì)佛山市的汾江河水質(zhì)進(jìn)行凈化研究，結(jié)果表明浮床對(duì)水質(zhì)的凈化效果明顯；鄭楊忠等[25]在三峽庫區(qū)香溪河的支流高嵐河庫灣修建生物浮島進(jìn)行水質(zhì)凈化研究，結(jié)果表明浮島區(qū)水質(zhì)較好，藻類生物量也明顯降低；趙豐等[26]以浮床技術(shù)對(duì)城市污染水體中污染物的凈化研究，浮床技術(shù)污染水體均有很好的凈化效果和一定的景觀價(jià)值。

生態(tài)浮床對(duì)水質(zhì)的凈化作用，除了通過吸收水中的N、P等元素外，還以其具有強(qiáng)大的除藻功能息息相關(guān)；王端超等[72]研究了冬季生態(tài)浮床對(duì)浮游藻類數(shù)量及生物多樣性的影響，結(jié)果表明即使在冬季較低溫的情況下水生植物新陳代謝緩慢，但生態(tài)浮床對(duì)浮游藻類的數(shù)量及生物多樣性影響明顯。

3 展望

水體的富營(yíng)養(yǎng)化是城市水污染的主要因素，也是影響公園景觀的一個(gè)重要的原因。目前生態(tài)浮浮床技術(shù)雖然還存在凈化能力較弱、受季節(jié)變化影響較大及應(yīng)用范圍較小等不足的問題，但由于具有原位修復(fù)、成本低廉、能為野生動(dòng)植物提供生息空間及改善景觀的功能，因此成為解決水體特別是城區(qū)附近水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要方法。今后，為促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)更深入的運(yùn)用，應(yīng)加大新開生態(tài)浮床的物理建造研究，提高浮床抗風(fēng)浪能力及使用壽命，拓寬它的應(yīng)用范圍，特別是海水方面的應(yīng)用。另外，應(yīng)更深入進(jìn)行浮床植物的篩選，水生植物是生態(tài)浮床的核心構(gòu)成，對(duì)生態(tài)浮床技術(shù)的凈化水質(zhì)功能具有決定性的作用，我國水生植物資源豐富，但應(yīng)用于生態(tài)浮床的植物研究報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少，因此，今后應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究；另外，微生物特別是與N、P的吸附、分解相關(guān)的微生物的篩選及固定化技術(shù)也是生態(tài)浮床未來應(yīng)深入研究的內(nèi)容，微生物是生態(tài)浮床凈化水質(zhì)的重要組成部分，特別是對(duì)于N元素的去除，具有決定性的作用，因此篩選出具有較強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境及分解能力強(qiáng)的微生物并將其固定到浮床上也將是今后研究的一個(gè)重要方向。

隨著建造成本的降低及凈化能力的增強(qiáng)，生態(tài)浮床技術(shù)將會(huì)在城市公園生態(tài)景觀和新農(nóng)村建設(shè)中得到更多的應(yīng)用。

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（責(zé)編：張長(zhǎng)青）