水生植物恢复技术

clearth · 发表于 2012-2-14 02:54:11

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植物是构成河流生态系统的最基本元素之一，从河流中心向两岸依次分布着水生-湿生-中生植物，一般都具有需水量高、要求肥力强、耐水淹的生态学特性，同高地植物有明显的区别（徐化成，1996）。Swanson 等（1991）认为河岸带植被多数情况下呈斑块状分布，由河边向两侧，大致形成一个演替序列，植物种总数呈抛物线状分布。国内对于河流植物群落特征的研究也开展相对较多，主要集中在对自然河流植物群落的调查研究方面。江明喜，蔡庆华（2000）对长江三峡地区干流河岸植物群落进行了物种组成、物种多样性及群落等级划分的研究。刘晓燕等（2004）对北京白河植物群落的组成、结构、生物量、生活型及区系特征等群落特征进行了调查分析。艾训儒，熊彪（2006）对洪家河流域天然植物群落主林层优势种重要值、生活型谱以及乔木层和灌木层物种多样性指数、群落均匀度进行了初步分析。吴彩芸，夏宜平（2005）对杭州水景绿化使用的水生植物及其配置进行了调查研究，结合景观生态学原理，初步探讨了不同种类的应用特点和不同水体环境中的生态配置模式。王准（2002）对上海河道的新型护岸绿化种植进行了研究，针对不同的河道和护岸形式提出适宜的种植方法以及可选用的绿化植物。孙兆义、孙守琢研究了多种适宜河岸种植耐水淹的灌木柳品种，它们不仅具有很好的固堤护岸的功能，还具有较高的经济价值。蔡建国等（2006）对浙江省河道植物进行了调查，植物种类丰富，其中中生植物693种，湿生植物210种，水生植物130种。并根据河道植物的适应性、群落亲和度、功能性和景观性原则，筛选出95种作为浙江省河道生态整治的推荐植物。王伟等（2004）对上海地区湿生维管束植物进行过详细的调查分析，车生泉等（1997）调查了上海地区的水生观赏植物资源，并研究和评定了其中有栽培利用价值且尚未应用的种类，这都为河道绿化植物的选择提供了有价值的参考依据。 Selfeft于1938年提出近自然河道治理的概念，到20世纪50年代，德国已经正式创立了近自然河道治理理论，明确河道的整治要植物化和生命化，从而使植物首先作为一种措施应用到河道治理当中。 4.2.1.1水生植物类型大型水生植物是一个生态学范畴上的类群，是不同分类群植物通过长期适应水环境而形成的趋同性适应类型，主要包括两大类：水生维管束植物和高等藻类。水生维管束植物（ aquatic vascular plant）具有发达的机械组织，植物个体比较高大。通常具有4种生活型（life-form）：挺水（emergent）、漂浮（free-drifting）、浮叶（(floating-leaved)和沉水（submergent）（表4）。 4.2.1.2水生植物恢复的重要作用（1）对河流水体净化的影响水生植物通过光合作用，吸收CO2，并且吸收水体及底泥中的N、P，将它们同化为自身生长所需的物质（葡萄糖）及结构组成物质（蛋白质和核酸），同时向水体释放满足自身呼吸消耗外多余的氧气，使得植物根际区域形成有利于微生物生长代谢的微环境，促进水体污染物转化，从而实现净化污染水体和生态修复的目的。 A．水生植物对水体溶解氧的影响水体中氧的来源主要是通过植物的光合作用、植物根系对氧的传递和释放、进水中挟带的氧及水面大气的复氧作用而获得。德国学者Kickuth根区法（the root zone method）理论指出，生长在湿地中的挺水植物通过叶吸收和茎秆的运输作用将空气中的氧转运到根部，再经过植物的根部表面组织扩散，在根须周围形成好氧区，即说明植物具有向根部输氧的能力。还有研究认为，湿地植物通气组织发达，叶片进行光合作用所释放的氧，部分可从气腔进入根部，供给根部呼吸的需要，多余的氧再传到根外。Polprasert认为凤眼莲通过绿叶光合作用产生的氧气被输送到茎、根及水体中，供微生物呼吸用。李科德等发现芦苇在光合作用产氧过程中，还同时向根区及水体供氧，使芦苇床内水体溶解氧的变化曲线出现明显的高峰值。水生植物光合作用产生的氧气一方面可以满足自身呼吸作用的需要，另一方面还可向水体供氧，且随光合作用增强，水体溶解氧量增加。王传海等发现种有苦草的水体中溶解氧浓度明显高于无植物的水体；卢晓明等发现在栽种睡莲、梭鱼草等水生植物密度较高的净化槽中黑臭河水DO值较高。在睡莲、梭鱼草处理黑臭河水的过程中，随着光照强度增加，植物叶片叶绿素a、叶绿素b含量升高，光合作用增强，光合代谢重要产物可溶性蛋白（SP）含量升高，净化槽中河水DO浓度升高（河水中剩余DO浓度是植物光合作用增氧和污染物微生物降解耗氧等的平衡结果，如夏季在梭鱼草净化槽中，梭鱼草数量为设计量的1/4、1/2、1/1时，植物槽中河水的DO浓度较相比没有植物的对照槽约增加了0.87mg/L、0.93mg/L、1.12 mg/L）。水生植物在其根区附近形成有氧环境，同时根系可作为微生物附着的良好界面，有利于微生物附着生长。光合作用越强，净光合速率越高，根区微生物越丰富，对污染水体的净化和生态修复作用更明显。卢晓明等研究发现睡莲、梭鱼草的根区泌氧与黑臭河水的净化效果及植物根区微生物种群结构动态三者之间存在关联性。在光照较强，净光合速率较高时段，植物根区泌氧量升高，根区微生物的种群丰度较高，净水效果较好。然而，李宝林等研究发现凤眼莲覆盖水体表面时反而降低了溶解氧含量。王庆安等以芦苇、凤眼莲、菖蒲、浮萍等为研究对象，发现芦苇进行光合作用时氧增不明显，向根区水体供氧能力不明显；而凤眼莲在进行光合作用时对水体溶解氧无贡献作用，部分覆盖时的氧增行为可理解为由浮游植物的光合增氧和水体大气复氧产生，菖蒲植株水面以上部分光合作用产氧时向根部水体根层区输氧进而引起氧增的作用不明显。浮萍光合作用时引起水体氧增的作用较弱。种有苦草等沉水植物的水体DO升高，主要因为沉水植物的光合作用产氧所至，其氧气的分泌途径，是叶片直接分泌还是根部分泌，或两者共同的作用，还有待进一步研究；浮叶及漂浮植物分泌氧的途径也不是很明了，有待研究；而种有挺水植物的水体DO增加，是否是因为根部泌氧所致可通过将根部暗处理，即将靠近根部部位以下密封在装有水的密闭不透光的容器中，通过测量实验前后水体溶解氧变化和设置无水生植物的完全密闭的对照组中溶解氧浓度比较得出结论。或者通过研究水生植物根部好氧菌的种类和数量推断出根部是否泌氧。 B．水生植物恢复对水体N、P去除的影响污染水体中氮主要通过以下几个方面的途径去除：一部分经微生物作用还原成分子态氮，释放入大气；一部分被植物吸收；另一部分以离子状态与底泥发生交换，残留于底泥或者以氨的形式直接挥发。污水中磷的主要去除机制是水生植物和微生物的综合作用。雒维国等通过测定芦苇光合作用及蒸腾作用特性随气象和水力条件的变化确定湿地相应的脱氮效率。采用相关系数法分析芦苇光合及蒸腾特性与脱氮效率之间的关系。结果表明，芦苇的光合作用、蒸腾作用对湿地脱氮效果影响较大，随净光合速率和蒸腾速率的增加，湿地DO浓度上升，脱氮能力得到提高。黄娟等研究了人工湿地植物光合作用特性及其与污染物净化效果的关系，发现植物净光合速率Pn与湿地TN去除率显著正相关。而与TP去除率关系不大；在植物光合特性及其对湿地DO分布和净化效果的影响中也发现芦苇净光合速率Pn与湿地TN、NH4+-N去除率成正相关，相关系数分别为0.82，0.83。卢晓明等发现白天随着光照增强，温度升高，植物光合及蒸腾作用逐渐增强，黑臭河水中的溶P、NH4+-N的去除率也相应增大，另外，P、NH4+-N的去除率与蒸腾作用和光合作用的相关性显著，且与前者的相关性大于后者。雒维国等还发现植物对氮的转化部分占湿地总氮去除的比例为17.32％，张荣社等也认为湿地中水生植物吸收的氮量约占总去除氮量8％～16％，两者结果相近。湿地N、P的去除机制有物理的吸附作用，化学的离子交换作用，和生物的细菌分解作用以及水生植物的吸收作用。水生植物脱氮除磷的本质与植物的自身的生长需求有很大的关系，而光合和蒸腾作用是植物生长的动力，大量吸收营养元素被水生植物吸收，故水生植物的光合和蒸腾作用与污染水体的净化有着密切的关系。加上植物根区或根际附近形成局部好氧微环境，根区较远处逐渐形成缺氧及厌氧环境，促进有机物降解和硝化菌的生长，因此水生植物净光合作用Pn越强，呼吸作用消耗氧气越少，N的去除率越高。P的去除率与水生植物光合特性与呼吸特性关系不显著，其原因与P的去除机制有关系，湿地中P的去除主要以物理作用去除机制为主，嗜磷菌的降解作用不是主要的去除机制，然而在污染水体中P的去除机制与水生植物光合和呼吸特性的关系目前研究较少，值得深入研究。 C．水生植物恢复对水体透明度的影响覆盖于湿地中的水生植物，使风速在近土壤或水体表面降低，有利于水体中悬浮物的沉积，降低了沉积物质再悬浮的风险，增加了水体与植物间的接触时间，同时还可以增强底质的稳定和降低水体的浊度。此外，植物的存在削弱了光线到达水体的强度，阻碍了植物覆盖下的水体中藻类的大量繁殖，尤其是在浮萍类植物的湿地系统中比较常见。植物的存在对基质具有一定的保护作用，在温带地区的冬季，当枯死的植物残体被雪覆盖后，植物则对基质起到很好的保护膜作用，可以防止基质在冬季冻结，以维持冬季湿地系统仍具有一定的净化能力。植物对基质的水力传导性能产生一定的影响，植物的根在生长时对土壤具有干扰和疏松作用，当根死亡或腐烂后，会留下一些管型的大孔隙，在一定程度上增加了基质的水力传导性。

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