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高效净化富营养化水体能源植物的筛选及其生理生态基础

赵凤亮  
【摘要】:自20世纪50年代以来,全球生态系统退化、环境变化加剧,河流、湖泊、水库等水体不同程度地面临着营养盐增加和富营养化的威胁。氮和磷增多是引起水体富营养的两个主要因子。因此,减少水体中的氮和磷是防止和减轻水体富营养的有效措施。由于传统的污水处理方法不能有效的去除氮和磷,以营养盐去除为目的的生态工程以成本低、维护简单等特点,在世界各地得到越来越多的应用。人工湿地能够有效的去除营养盐和有机污染物,然而由于占用大量的土地,在土地资源有限、人口密度大的中国应用受到一定的限制。因此结合景观美化的浮床技术应用越来越广泛。构建和恢复水生态在富营养化的控制和治理措施中,通过种植水生植物来吸收和去除水中的营养盐是一种成本低、有效的植物修复方法。然而,为了保持其较高的净化效率,植物生物量必须定期进行移除;否则被植物吸收、同化的营养盐会通过降解重新返回水体。另一方面,人口快速增长、有限的土地资源导致资源供应不足,生态处理系统展示了良好的水净化效果和资源循环利用。工程修复植物生物量如果能够资源化利用,不仅能够有效控制水生植物的生长,又能够不占用土地进行资源持续生产。目前大多数研究将重点放在夏秋季节应用于生态修复水生植物的选择,对于能源植物的生态修复研究尚未开展。本文在野外试验条件下筛选能够在夏秋和冬春季节富营养水体中生长良好,并对富营养水体净化效率高的暖季高秆能源植物和冷季能源草,研究其在一定时间内所产生的生物质及对水体的氮磷削减量,通过室内试验研究植物生理生态特性与水体净化效率的关系,以期找到与水体营养盐去除相伴的植物性状,并对产生的生物量进行资源利用品质特性进行了研究,为其生态工程应用提供科学依据和技术指导。结果表明: 1.试验所选6种暖季高秆能源植物从2009年4月至2009年11月在富营养长塘中均能适应水生环境并快速生长,其中芒草(Miscanthus (sp.))和香根草(V. zizanioides)的生物量干重较大,分别是3.2kgm-2和2.34kgm-2,并且对富营养水体中磷提取以及固碳能力的表现优于茭草(Z. caduciflora)、再力花(T.dealbata)和菖蒲(Acorus calamus);绿苇(Phragmites (sp.))对富营养水体中硫提取接近芒草;芒草、茭草和再力花的氮提取能力较大。在16天的静态试验表明6种植物浮床对总氮、氨氨、氮氧化物和总磷浓度和处理时间呈负指数形式衰减,平均去除率分别为50.3%,59.4%,82.4%和86.5%,显著高于对照(P0.05)。 2.通过对4种冷季能源草从2009年12月至2010年4月在华家池长塘和临安尾水两种水环境中的生长情况分析,发现营养盐浓度较高的临安尾水环境中,能源草生物量比华家池长塘生物量高21.7%。在营养盐浓度低的华家池长塘中能源草根系长度增加18-66%、分蘖数增多40-75%。不同能源草种类间,高羊茅(Festuca arundinacea)生物量最高,显著高于高原(Lolium perenne Plateau),在华家池长塘中对水体氮、磷的提取量分别为43.32g m-2和6.15g m-2,在临安尾水中对氮、磷的提取量分别为48.55gm-2和7.94gm-2,是优良的富营养水体修复种质资源。通过高羊茅和固定化微生物(反硝化聚磷菌)相互作用对富营养水提的净化效应分析,结果表明接种固定化微生物增强了生态浮床对氨氮、硝态氮、总氮、总磷和正磷酸磷的去除,对氨氮、硝态氮、总氮、总磷和磷酸盐磷的去除率分别为86.32%、93.60%、90.12%、72.09%和84.29%。对氮和磷的去除速率分别为137mg m-2d-1、16.0mg m-2d-1,因此冷季能源草复合生态浮床在冬春季节具有良好的应用前景。 3.通过对5种高秆草本能源植物和4种木本柳树在1/4Hogland营养液90天的生物量积累的分析发现,柳枝稷(Panicum virgatum)、香根草和芒草的生物量显著高于绿苇和芦竹(Arundo donax),与旱柳、蒿柳、杞柳、杂交柳(簸萁柳×杞柳)4种柳树的生物量相当;经分析这三种草本能源植物具有较高的净光合速率、最大净光合速率、光饱和点。经过15天的污水处理,9种植物的PSII最大光化学量子效率(Fv/Fm)、实际光化学量子效率(ΦPSII)和叶绿素荧光的光化学猝灭系数(qP)均有所下降,但是没有达到显著水平(P0.05);而且柳枝稷、香根草和芒草ΦPSII下降幅度明显低于其它植物,说明它们对污水的耐性较强。对人工配制的污水的净化效果分析,发现柳枝稷、芒草对总氮和总磷的去除率均达到70%以上。经相关分析,总氮去除率与水体中细菌、反硝化菌数量以及植物生物量、植物叶片净光合速率、蒸腾速率、水分利用率、光饱和点和最大净光合速率显著相关。磷的去除率与水体中细菌数量、植物叶片净光合速率、光饱和点和最大净光合速率显著相关。因此,柳枝稷、香根草和芒草具有较高的光合能力,通过生物量的快速积累,以及促进水体中细菌特别是反硝化菌的生长,达到高效修复的目的。 4.通过对高羊茅和9种水生植物(凤眼莲、水浮莲、黄花水龙、钱币草、水鳖、狐尾藻、梭鱼草、美人蕉和再力花)化学组分分析表明,地上部粗蛋白含量在128-255g kg-1之间,达到于禾本科牧草干草质量特级标准(农业部行业标准NY/T728-2003);除锌元素之外,Ca、Mg、Fe、Mn均能满足禽类和牲畜的需求;痕量重金属元素植物的积累CuPbCrAs,低于美国国家研究委员会和我国饲料卫生标准,能够保证动物饲料的安全,是良好的动物饲料原料。 5.通过对生长于浮床之上6种暖季高秆能源植物生物质分析,发现香根草、芒草粗纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量均超过330g kg-1、700g kg-1和380g kg-1;上部纤维素含量和半纤维素之和均在600g kg-1左右,均显著高于菖蒲和再力花;而且酸性洗涤木质素的含量与之相反,是良好的生物质原料,而且不占用耕地、不会引起粮食安全的风险。


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