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喜旱莲子草的生物防治技术、机理及资源化利用研究

刘伟  
【摘要】:喜旱莲子草作为一种外来入侵植物,现己成为世界性恶草,对入侵地造成了严重的生态破坏、经济损失和社会影响。亟需寻找一种生态安全、经济有效的综合防治措施。本研究依托国家十一五“水体污染控制与治理”科技重大专项课题---南四湖退化湿地生态修复及水质改善技术与示范课题,以喜旱莲子草的综合防控为研究目的,以替代控制和资源化利用为突破口,通过对喜旱莲子草在山东省南四湖流域的入侵现状调研、芦苇替代控制喜旱莲子草技术及机理、喜旱莲子草基活性炭制备等的研究,以期实现对山东省南四湖流域喜旱莲子草的有效防控,并为我国北方地区喜旱莲子草的治理和资源化利用提供借鉴与指导。 通过对山东省南四湖流域的现场踏勘和系统调研,结果表明:山东省南四湖流域喜旱莲子草的断面出现率达71.1%,正处于由入侵阶段向定居阶段甚至稳定阶段的过渡时期;该区域喜旱莲子草的分布受流域的经济发展状况、河道水文、水质、生态条件及驳岸类型的影响较大,而纬度的影响不大;喜旱莲子草在该区域的入侵,对南四湖流域的渔业、河流及湖泊的水质、生物多样性、行洪防洪存在着较大潜在风险。 在小沙河下游进行芦苇替代控制喜旱莲子草的中试试验表明:芦苇替代控制技术有效的抑制了喜旱莲子草的生长。中试试验实施后,喜旱莲子草由毯状形态变为单株,且株长、生物量、覆盖度均有较大程度的降低。8月份的覆盖度由2009年的30.0%降至2011年的5.9%,降低了24.1个百分点。中试试验实施后,喜旱莲子的平均株长由2.0m(2009年8月)降低到0.6~1.0m(2011年8月);中试试验对于试验河道的水质有较好的改善效果。2010年5月到2011年11月,出水COD、NH3-N、TN、P043-p、TP的平均值分别为:26.00mg/L、1.43mg/L、5.40mg/L、0.21mg/L、0.47mg/L,平均去除率分别为:33.9%、35.1%、9.7%、20.1%、16.3%;中试试验实施后,试验河道的生物多样性得到有效的提高。从浮游藻类的数量上看,由实施前的94种增加到101种,细胞丰度有所降低,而生物多样性则增加明显,入湖口处的Shannon-Weaver生物多样性指数由1.17增加到3.0,表明河道水质从中污染向轻污染过渡。 芦苇仿生植物与喜旱莲子草的共生实验结果表明:喜旱莲子草的根、茎、叶对遮荫的响应表现出较强的表形可塑性,因而地面上对光的竞争对喜旱莲子草的生物量影响不明显。化感方面,则展开了芦苇水提液对喜旱莲子草发芽、幼苗生长的影响实验。结果表明,化感作用是芦苇替代控制喜旱莲子草的主要作用。 分析芦苇水提液对喜旱莲子草的叶绿素含量及比例、类胡萝卜素含量、酶活、根系活力、氮磷等营养物的含量等方面的影响表明:水生喜旱莲子草受到的化感抑制作用明显高于土生喜旱莲子草;随着处理浓度的增加,抑制效应随之增强,其在土生境中符合赫米西斯效应,即低促高抑的双重效应,而在水生条件下,主要表现为抑制效应;芦苇水提液对喜旱莲子草的发芽影响明显,水生境发芽数的RI在50%的处理浓度下为-0.87,土生境的RI为-0.40;而最早发芽天数较对照组均有推迟,最长芽长、单株高多芽数的RI值也表现为抑制;芦苇水提液对于幼苗生长的化感作用主要表现是生物量明显降低;芦苇水提液对喜旱莲子草的叶绿素含量表现为抑制作用;处理浓度为20%、50%的情况下,喜旱莲子草的类胡萝卜素含量较对照组低,化感抑制作用随着胁迫时间的增加先减弱后增强。在胁迫时间内,水生境、土生境中喜旱莲子草类胡萝卜素的含量较对照组平均降低43.J%和38.3%;在水生境下,喜旱莲子草的根系活力受到较强的抑制效应,而对于土生境下的喜旱莲子草的根系活力则影响不大;喜旱莲子草的过氧化氢酶(CAT)活性受到明显抑制,且随处理浓度的加大、胁迫时间的增加而呈现增强的趋势;芦苇水提液对喜旱莲子草丙二醛(MDA)存在显著的促进作用;芦苇水提液对喜旱莲子草的氮磷含量影响在不同的生境下有一定差异。综上,芦苇水提液的化感作用机理是:当芦苇水提液作用于喜旱莲子草植株后,引起了喜旱莲子草体内活性氧代谢系统失衡,破坏或降低活性氧清除剂,增加活性氧的产量,从而破坏了膜结构,降低了喜旱莲子草的叶绿素含量及类胡萝卜素含量,进而影响了光合作用,降低了喜旱莲子草的根系活力,并影响了喜旱莲子草根系对N、P等营养元素以及其它物质的吸收,最终表现为抑制喜旱莲子草的发芽和幼苗的生长发育。 喜旱莲子草制备活性炭的结果表明:综合得率和碘吸附值考虑,三种活化剂中磷酸最做优,在浸渍比为1:4、浸渍时间为6h、制备温度为600℃、制备时间为1h的条件下,磷酸制得的活性炭的得率为37.44%,碘吸附值为752.36mmg/L;N2-吸附脱附等温线判定,活性炭样品孔径主要集中于中孔范围,孔道是狭窄的楔形孔。通过BET方程、BJH等方法计算,活性炭样品的比表面积为1100.72m2/g,总孔容为0.61cm3/g,平均孔径为2.22nm,孔径分布主要集中在2-5nm,中孔率为72%;通过傅立叶变换红外光谱仪分析,该活性炭样品中含有羧基(-COOH)、酚、烯基(-C=C)、醇羟基(R-OH)、胺基、醚基(-C-O-C)等含氧、含氮官能团;通过XRD衍射分析表明,活性炭中部分碳原子已形成较稳定的片层石墨晶体结构,但部分仍为无定形态,从而使得片层间隙增大,增加了活性炭的比表面积;通过SEM微观分析,制备的活性炭孔径以中微孔为主,表面存在发达的孔径,且孔径大小不一,呈椭圆形、裂缝形或不规则形等多种形状,而表面形态呈现凹凸不平、蜂窝状结构;活性炭对重金属的吸附实验表明:从吸附效率上看,对Fe(Ⅲ)平均吸附效率在60%以上,对Cu(Ⅱ)的吸附效率平均在40%以上。


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