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沉水植物菹草的生態(tài)功能及其應(yīng)用現(xiàn)狀

2015-01-27 10:18尹傳寶張翠英劉自強(qiáng)
中國(guó)水土保持 2015年3期
關(guān)鍵詞:沉水植物去除率凈化

張 敏,尹傳寶,張翠英,2,王 龍,劉自強(qiáng)

(1.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 徐州 221111; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州221116)

沉水植物菹草的生態(tài)功能及其應(yīng)用現(xiàn)狀

張 敏1,尹傳寶1,張翠英1,2,王 龍1,劉自強(qiáng)1

(1.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 徐州 221111; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州221116)

菹草;沉水植物;生態(tài)功能;工程應(yīng)用;人工拓殖

菹草作為冬春季沉水植物,在秋季發(fā)芽,冬春生長(zhǎng),夏季衰退腐爛并在植株末端形成鱗枝(也稱石芽)繁殖。菹草不但具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,可作為草食性魚類的良好天然餌料,而且具有去除水體懸浮物、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬離子和抑制藻類繁殖等生態(tài)功能,可應(yīng)用于水體生態(tài)修復(fù)工程中。分析了菹草在生態(tài)修復(fù)應(yīng)用中存在的問題。

菹草(Potamogetoncrispus)又叫蝦藻、蝦草,屬眼子菜科眼子菜屬多年生沉水草本植物,分布于中國(guó)南北各省,為世界廣布種,是許多草型湖泊春季水生植物的優(yōu)勢(shì)種群,生于湖泊、池塘、水溝、水稻田、灌渠及緩流河水中,其生活的水體多呈微酸至中性。菹草為草食性魚類的良好天然餌料,中國(guó)一些地區(qū)選其為囤水田養(yǎng)魚的草種。菹草野生能力強(qiáng),資源豐富,容易采集,其主要營(yíng)養(yǎng)成分與稻谷一致,氨基酸含量與玉米相近,具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。據(jù)研究,菹草還含有一些生理活性成分和大量的微量元素,可提高動(dòng)物的免疫力及肌肉品質(zhì)[1],在一些淡水魚、畜禽飼料上已有應(yīng)用。

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,大量富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污廢水排入城市河道,污染物積聚在河道底泥中,勢(shì)必影響河道水生態(tài)環(huán)境的健康。沉水植物能降低水體的營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量比,有效抑制藻類繁殖,促進(jìn)懸浮物質(zhì)沉積,提高水體的污染自凈能力[2]。作為冬春季沉水植物的優(yōu)勢(shì)種,近年來菹草在華北地區(qū)一些富營(yíng)養(yǎng)化城市河道水體中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)再次凸顯出來,以菹草為基礎(chǔ)的相關(guān)生態(tài)修復(fù)工程和項(xiàng)目也越來越多,其存在對(duì)湖泊水質(zhì)及水生生態(tài)系統(tǒng)均產(chǎn)生了重要影響[3-5]。因此,對(duì)菹草進(jìn)行全面而系統(tǒng)的研究具有重要意義。

1 菹草的生長(zhǎng)與人工拓殖

1.1 菹草的生長(zhǎng)過程

菹草的生活周期與多數(shù)夏秋型水生植物不同,一般在秋季發(fā)芽,冬春生長(zhǎng)[6],4~5月開花結(jié)果,葉條形、無柄,植株在夏季之后逐漸衰退腐爛,在植株末端形成鱗枝,也稱石芽。石芽堅(jiān)硬,邊緣有齒,形如松果,可在低溫條件下保持活性,待溫度適宜即可萌發(fā)生長(zhǎng)。

菹草一般不以其種子繁殖,待植株腐爛后會(huì)形成許多獨(dú)立的石芽,懸浮于水體之中,其特殊結(jié)構(gòu)(鱗狀,邊緣有齒)易于粘附水體中的懸浮泥沙,從而增加重量并沉入水底,待環(huán)境適宜時(shí)生根扎于底泥中。底泥中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),能保證石芽順利萌發(fā)生長(zhǎng)。菹草的生長(zhǎng)過程如圖1所示。

生長(zhǎng)初期的菹草植株,由于冬春溫度的限制并不會(huì)大規(guī)模生長(zhǎng),這時(shí)的菹草一般葉片稀少,莖部纖細(xì)且長(zhǎng),纖細(xì)的莖不能支撐菹草直立生長(zhǎng),倒伏下的莖葉接觸到底泥時(shí)就會(huì)再次生根,形成新的植株,見圖2。菹草的這種無性生殖是導(dǎo)致后期菹草大規(guī)模繁殖,且草群密集分布的主要原因。

1.2 菹草的人工拓殖技術(shù)

前文已提到菹草雖產(chǎn)生種子,但其生殖的主要方式為菹草本身變態(tài)莖體所形成的石芽,是菹草營(yíng)養(yǎng)體長(zhǎng)到成株后在死亡腐爛之前形成的,每株菹草可產(chǎn)生幾個(gè)至十幾個(gè)石芽。所以,人工栽培菹草的主要措施是移植菹草的繁殖體,即石芽。

一般菹草型湖泊石芽數(shù)量較大,繁殖迅速,對(duì)不良環(huán)境和各種外界侵害的抵抗力較強(qiáng),便于引種移植,且易獲得成功。筆者曾對(duì)蘇北地區(qū)的菹草型湖泊做過調(diào)查,菹草植株8~9月份完全腐爛,產(chǎn)生石芽,石芽在9~10月份水溫合適時(shí)(25 ℃左右)極易生芽,實(shí)驗(yàn)室10 ℃保存石芽能使其延緩2~3周生芽。因此,北方地區(qū)石芽采集宜在每年8月上旬石芽生物量最大但未生芽之際,將其從天然水體中撈出,洗凈污泥,趁濕撒入移植水體。

2 菹草凈化水體的生態(tài)作用及工程應(yīng)用

2.1 菹草對(duì)其生長(zhǎng)水體的生態(tài)作用

2.1.1 去除水體懸浮物

沉水植物隨水流而形成的彈性扭曲現(xiàn)象會(huì)影響流水的速度,有助于去除水中的懸浮物[7]。大多數(shù)情況下,沉水植物對(duì)流速的影響力往往隨植株高度的增加而增大[8]。而菹草屬大型水生植物,其株高與水深顯著相關(guān)。何偉等[9]的研究表明,菹草適宜的水深為90~150 cm,菹草株高均能達(dá)到100 cm以上。菹草繁殖和擴(kuò)殖能力強(qiáng),一般茂盛處可達(dá)200株/m2以上,茂密的植株群會(huì)顯著減緩水流速度,有效攔截和滯留水體中的懸浮物。它的莖葉能夠吸附、固著和沉降水體中的懸浮物,根部能牢牢地固著底泥,有效地減少底泥物的再懸浮。

2.1.2 去除水體營(yíng)養(yǎng)鹽

國(guó)內(nèi)外對(duì)菹草的研究表明,菹草主要通過根系獲得大量的營(yíng)養(yǎng)鹽[10],故在對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)過程中,菹草主要是通過根系對(duì)底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行吸收,莖葉對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收以硝態(tài)氮為主,對(duì)磷酸鹽的吸收很少。但菹草在水體中分布密集,一般達(dá)200株/m2以上,且植株較大,枝葉繁茂,能積聚底泥和水體中大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),尤其適宜在冬春季節(jié)生長(zhǎng),這對(duì)湖泊水體的凈化起到非常關(guān)鍵的作用。

劉會(huì)等[11]研究了包括菹草在內(nèi)的5種沉水植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果,試驗(yàn)時(shí)間是6—8月份,此時(shí)間自然狀態(tài)下的菹草已經(jīng)衰亡了,環(huán)境溫度狀況顯然對(duì)結(jié)果有一定的影響,盡管如此其對(duì)總氮、總磷的去除率仍然分別達(dá)到了52.8%和37.2%。王華光等[12]研究了冬季不同生境下菹草的水質(zhì)凈化效果,在試驗(yàn)組河水加底泥種植菹草的條件下,對(duì)總氮的去除率高達(dá)83.26%,對(duì)總磷的去除率也達(dá)60%以上,對(duì)銨態(tài)氮的去除率最高達(dá)97.73%,對(duì)硝態(tài)氮的去除率在50%左右。劉佳等[13]研究了多種水生植物對(duì)水體中氮磷的吸收效果,其中菹草在21 d時(shí)對(duì)總氮和總磷的去除率分別達(dá)到66.69%和89.45%,對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除率為68.2%和66.04%。表1列出了部分研究者對(duì)菹草營(yíng)養(yǎng)鹽去除率的研究結(jié)果。

2.1.3 對(duì)藻類的抑制作用

菹草對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化修復(fù)作用不僅表現(xiàn)在對(duì)水體氮磷的吸收上,還表現(xiàn)在對(duì)水體藻類的抑制上。除與藻類進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、礦物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)外,由于菹草植株較高,甚至伸出水面,因此能有效對(duì)藻類進(jìn)行遮光,抑制藻類大規(guī)模生長(zhǎng)。

2.1.4 對(duì)重金屬離子和砷的富集作用

沈佳等[16]的研究表明,菹草在10 ℃較低溫度條件下,對(duì)Cu2+和Zn2+的吸附在20 min內(nèi)即可達(dá)到平衡,對(duì)Pb2+的吸附在50 min內(nèi)也可達(dá)到平衡,這與一般植物在25 ℃條件下的吸附效果相當(dāng)[17-18],且即使水體中這3種離子的初始濃度很低,菹草對(duì)它們的吸附效果依然很好。投放菹草后,在短時(shí)間內(nèi)(7 d)水體中金屬離子的去除率即可達(dá)到較高水平。張飲江等[19]的研究表明,菹草對(duì)重金屬離子的去除效果可達(dá)92.5%~96.5%。

崔晨等[20]研究了菹草對(duì)微污水中重金屬?gòu)?fù)合污染的凈化效果,分別研究了菹草根莖葉部分對(duì)重金屬離子的富集能力:在18 d的時(shí)間內(nèi),菹草根部的Mn2+增加最多,達(dá)到原先的2.7倍;Ni2+、Cr3+、Cu2+平均含量分別增加2.23、2.12、1.45倍;Cd2+在根中富集能力最弱,含量只是略有增加;與其他重金屬相比,Zn2+在根中含量呈下降趨勢(shì)。菹草莖中重金屬Cd2+含量增加了2.42倍,Cr3+含量基本保持不變,Cu2+含量增加了1.12倍;Mn2+凈吸收量增加最多,增加到原來的6.85倍;Ni2+到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)增加到原來的8倍;與其他重金屬相比,Zn2+在菹草莖中的含量不升反降,降低了60.6%,與菹草根中變化情況類似。研究表明,菹草對(duì)重金屬Cd2+、Mn2+、Ni2+具有超積累作用。

一般來說,菹草的自然含砷量在6 mg/kg左右,但在含砷酸氫二鉀、硫酸鋅、氯化汞、重鉻酸鉀各2 mg/L的混合廢水栽培下,菹草體內(nèi)的含砷量可超過原來的16倍。所以,以上特點(diǎn)使菹草能夠作為一種低溫條件下對(duì)較低濃度重金屬?gòu)U水進(jìn)行植物修復(fù)的理想材料,為解決重金屬?gòu)U水生物吸附處理的周年循環(huán)問題提供可能。

2.2 菹草在水體生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用

人工沉床主要由基質(zhì)(填料)、大型水生植物和附著在基質(zhì)與植物體表面的微生物三大部分組成。以沉水植物為核心的人工沉床技術(shù),植物體全部位于水下,可直接吸收水體中的污染物質(zhì),提高水體透明度和DO含量,而且不額外占用土地,投資和運(yùn)行費(fèi)用低,在水環(huán)境改善中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

人工沉床的凈化機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面:①植物吸收凈化。沉水植物和挺水植物整個(gè)或大部分植株位于水中,可以直接吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素,并同化為自身的結(jié)構(gòu)組成物質(zhì)[21-23]。②物理化學(xué)作用。以大型水生植物為核心的人工沉床系統(tǒng)中,也有小部分污染物通過物理化學(xué)作用被去除,主要有揮發(fā)、吸附和沉降等形式。物理化學(xué)作用主要去除SS和高分子有機(jī)物等大顆粒污染物,改善水體的感官效果。③釋氧復(fù)氧作用。水生植物光合作用過程中釋放氧氣,可明顯增加水體中DO含量[24],特別是沉水植物,由于植物體位于水下,因此對(duì)水體的增氧效果較為顯著。④植物化感作用。植物化感作用是指大型水生植物通過生長(zhǎng)代謝過程釋放某些化學(xué)物質(zhì),抑制藻類及細(xì)菌生長(zhǎng)。⑤植物-微生物的協(xié)同凈化作用。在以大型水生植物為核心的水體凈化系統(tǒng)中,微生物對(duì)污染物的降解仍起著重要作用[25],特別是對(duì)COD、氮的去除,微生物作用仍占有重要地位。

目前,以水生植物群落構(gòu)建技術(shù)為目的的研究開展得相對(duì)較少,但在利用植物凈化廢水方面開展的相關(guān)研究工作很多[26]。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的植物種類均以挺水植物為主,國(guó)外最常用的植物種類是蘆葦、香蒲和燈芯草,此外黑三棱、水蔥等植物也比較常用。在國(guó)內(nèi),植物種類的應(yīng)用主要借鑒了國(guó)外的經(jīng)驗(yàn),最常用的植物種類與國(guó)外基本一致,除上面提到的植物種類外,還有伊樂藻、香根草、茭白、菹草、苦草等[27-29]。沉水植物已被使用或試驗(yàn)的頻率等級(jí)統(tǒng)計(jì)見表2。

3 菹草在應(yīng)用中存在的問題

菹草作為一種天然水生植物,古往今來一直被水禽、魚類自由采食,后來又被人為利用作為家禽和家畜的飼料,其安全性及效果已通過這種自然選擇和人工選擇的方式得到了證明。此外,菹草因?yàn)椴煌谄渌了参锏纳持芷冢殉蔀槎簝艋w的重要水生植物,不僅對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷有著理想的吸收作用,還對(duì)藻類有著很強(qiáng)的抑制作用。近年來由于環(huán)境問題日益突顯,菹草對(duì)水環(huán)境的生態(tài)修復(fù)作用逐漸受到人們的重視,由菹草或其他沉水植物組合形成的各種生態(tài)沉床和人工浮島技術(shù)也都是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn),相關(guān)產(chǎn)品逐漸被應(yīng)用和推廣。目前,關(guān)于菹草對(duì)污染水體凈化的研究還存在以下幾個(gè)方面的問題:

(1)由于水體富營(yíng)養(yǎng)化加劇,因此在水溫較高的草型湖泊出現(xiàn)了菹草大規(guī)模爆發(fā)的現(xiàn)象,過于茂盛的菹草叢會(huì)影響水體的透光度,在魚塘?xí)p少魚群的生長(zhǎng)空間,阻礙魚類覓食,還會(huì)在光照不佳的情況下與魚類爭(zhēng)奪水中的溶解氧;在一些景觀水體和旅游地嚴(yán)重影響到水體美觀和游船的運(yùn)移。清除菹草要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,造成資源性浪費(fèi)。

(2)菹草植株大量衰亡后,如果不及時(shí)刈割,其在生長(zhǎng)過程中吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又會(huì)重新回到水體中,成為水體的內(nèi)源污染物質(zhì)。

(3)菹草植株大且分布密集,對(duì)不良環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),生于菹草群中的其他沉水植物的種子很難存活下來,會(huì)失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),最終導(dǎo)致植被單一化。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

賴觀路獲得贛州市最美“三送”干部獎(jiǎng)

2015年1月23—24日,在“大美贛南·百位好人紅都行”活動(dòng)暨贛州市最美“三送”干部座談會(huì)上,龍南縣水土保持局副局長(zhǎng)、駐武當(dāng)鎮(zhèn)石下村工作隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)賴觀路同志榮獲贛州市最美“三送”干部稱號(hào)。賴觀路同志作為贛州市最美“三送”干部參加了中共贛州市委宣傳部、贛州市文明辦等單位舉辦的“大美贛南·百位好人紅都行”、“特區(qū)——老區(qū)愛心接力”等系列活動(dòng)。

龍南縣水土保持局

國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2012-K-79);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201311998017);江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13KJD610003);徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(XM12B087)

X524

C

1000-0941(2015)03-0050-04

張敏(1993—),男,江蘇贛榆縣人,本科在讀,主要從事水生態(tài)修復(fù)方面的研究;通信作者張翠英(1978—),女,江蘇豐縣人,講師,博士,主要從事水污染治理與生態(tài)修復(fù)方面的教學(xué)與研究。

2014-05-28

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