草对土壤悬浮泥沙及氮磷的净化效果

草对土壤悬浮泥沙及氮磷的净化效果

甲草是眼菜科的一种长期水生植物，秋天发芽，冬生长。这是冬和春两季的一种特殊植物。夏天大部分植物会枯萎和死亡，繁殖芽会落入地下，并进入夏季的休止期。甘草是春、冬两季富营养化水体水质净化良好的水生植物，适应性强。根据近年来国内外学者的研究,菹草在河流湖泊富营养化控制中举足轻重,特别是冬春季节正是菹草的良好生长时期,耐污能力强,对污染水体氮、磷等负荷具有较好的缓解作用,这对于枯水季节污染严重的河流、湖泊及城市内江挟沙水体污染无疑是较好的生物治理方法。泥沙对河流污染具有一定的吸附作用,据国内学者对泥沙与河流挟沙水体污染物的测定关系的研究发现,含沙量大的黄河水体,在测定相关水质指标时,泥沙对很多水质指标如BOD、COD、磷、氮等的测定均有不同程度的影响,故此认为泥沙具有吸附污染物的特性。菹草在挟沙水体的改善方面,除了自身对挟沙水体营养物的吸收以满足自身生长的需求以外,还可以通过促使泥沙悬浮颗粒物的快速沉积,更加有利于污染物从水相进入底泥,转化为非活性态,从而降低河流水体污染负荷,因而,研究菹草对挟沙水体污染物的净化作用对于河流生态系统的修复特别是对于滨江城市水环境的修复改善意义重大。1材料和方法1.1实验系统和装置实验安排在2006年4月底,为了模拟自然界由高到低的滩地系统,该生态物理模型由浑水发生池(2m×2m×2.5m)、植物实验系统(10m×5m×1.5m)、汇流池(5m×0.5m×1.5m)及回流管道组成,水流依次经过浑水发生池、植物系统和汇流池,最后经回流管道再一次回到浑水发生池。根据水位深度,菹草依次在0.2m台阶、0.4m台阶、0.6m台阶、0.8m台阶上,为了消除悬移质泥沙对实验结果的影响,设置不同种植物的对照组。实验前菹草的相关生态学指标如表1所示。1.2原始水体污染物加入循环动力:挟沙水体循环动力采用5m3/h的水泵实现,每4h换水1次,相应水力负荷为2.5m3/h;污染物加入:采用原始水体氮、磷指标;挟沙水体:长江镇江段江滩淤沉积淤泥,与自来水混合均匀后过200目(孔径77μm绢网,虹吸方式均匀加入至浑水发生池,实时监测(每0.5h不等)进、出水口悬浮泥沙浓度,严格控制进水悬浮泥沙含量基本稳定。1.3指标测定(1)试验初始条件根据菹草种植的布局,在菹草系统前后进出水及中间部位3个位点,分2～5个断面取样,最后混合以后测定断面氮、磷水质指标;测定方法依据《水和废水监测分析方法》(第四版),仪器采用荷兰SKALAR间隔流动水质分析仪。(2)浊度与泥沙含量的关系经典的河流泥沙含量的测定方法是烘干法,但费时费力,不能快速获得监测结果,本实验结合国内外其他学者对浊度与泥沙含量的关系研究结果,利用实验泥沙配制不同浊度的含沙水体,采用先进的便携式HACH2100P浊度计,测定浊度,根据下式计算水体悬浮泥沙含量:y=−0.0017x2+1.8305xR2=0.982y=-0.0017x2+1.8305xR2=0.982(3)由沉积物沉降和粒度组成在菹草系统典型位置悬挂沉降瓶捕获沉积的悬浮泥沙,通过NSY-3宽域粒度分析仪测定,测定方法按照《河流泥沙监测规范》执行。2结果与分析2.1总磷净化效果的变化在输入水体悬浮泥沙含量83.0mg/L条件下,24h后测得对照水道输入输出水体总磷分别为0.052mg/L和0.048mg/L,菹草水道平均输入输出水体总磷分别为0.054mg/L和0.044mg/L,去除率分别为7.69%和18.52%,其中菹草作用占10.83%(表2)。当停留时间加长至48h时,对照水道、菹草水道平均输出总磷含量分别为0.044mg/L和0.042mg/L,去除率分别为15.38%和22.22%,其中菹草作用占6.84%,可见随停留时间的延长,总磷净化效果增强。其中菹草在吸收净化和加速泥沙沉降过程中对总磷的净化效果分别为0.006mg/L(24h)和0.004mg/L(48h),百分率增加分别为10.83%和6.84%,说明停留时间延长,泥沙沉降的吸附携带作用占主要作用(15.38∶6.84=2.25>1),而在24h时,总磷去除过程菹草占主要作用(7.69∶10.83=0.71<1)(表2)。表3是不同时刻菹草系统进出口总磷含量的变化情况,挟沙水体的输入时间为前4h,由表3可以看出,随挟沙水体输入的不断延长,对照水道(A)、菹草水道(B)进出水口总磷含量均迅速增加,这主要是泥沙含有大量的磷造成的,随挟沙水体的输入停止,各点总磷含量开始慢慢下降,但出水口下降速度明显慢于进水口,因为进水口主要是粒径较大的悬浮泥沙颗粒,较容易沉降,因而会很快携带吸附的磷沉积于水道底部,而出水口由于经过了10m的疏运过程,大部分较大粒径泥沙已经沉降,剩余的主要是悬浮态的微小颗粒,因而不易沉降,所以携带的磷也无法快速沉积,但是B道出口总磷变化更加缓慢,因为经过菹草系统的过滤以后大部分悬浮颗粒物比A道悬浮颗粒物的粒径还要小,而悬移质是磷的主要携带者。从表2反映出的情况是,菹草对磷的吸收利用效果比泥沙沉降对磷的携带要弱,这可能是特定生育期菹草的磷吸收能力降低的原因。2.2总氮去除情况,沙区的泥沙中有草的吸收化和沙加尼的吸附挟沙水流在对照水道进出口总氮含量分别为0.650mg/L和0.585mg/L,去除率为9.90%,而经过同样长度的菹草系统前后总氮含量分别为0.746mg/L和0.622mg/L,去除率为16.57%,总氮去除率增加了6.67%(菹草作用),挟沙水流走到中间时的总氮含量和去除率分别为0.620mg/L,0.645mg/L和4.50%,13.50%,其中既有菹草的吸收同化,也有菹草在促使泥沙沉降或吸附泥沙过程中对总氮的间接去除,此实验得到的结果是泥沙对氮的吸附作用强于菹草对总氮的净化作用(9.90∶6.67=1.48>1)。2.3草系统群从内外向水体泥沙含量的变化实验期间,针对菹草系统对侵入的挟沙水体悬浮颗粒物的屏蔽与抑制效果也进行了跟踪观察。群从内取样点位于群从中间,群从外取样点位于群从外围边缘,从上游至下游选取的4个位点监测结果为,外围和内部泥沙含量分别为63.27mg/L,62.93mg/L,60.19mg/L,39.36mg/L和18.49mg/L,8.67mg/L,5.80mg/L,5.82mg/L,群从内外按水流流向水体悬浮泥沙含量逐渐降低,这说明菹草系统对水体平均泥沙含量具有较好的改善效果,且随菹草系统的长度加长改善效果增强,另外,群从内外差异也非常明显,说明菹草在抑制下层水体悬浮颗粒物上浮方面具有较好的效果,这对于表层水体的透光意义重大,也有利于植物自身光合作用。停留时间是决定菹草系统改善水体悬浮泥沙状况和透明度的先决条件之一,因为停留时间越长,泥沙沉积的就越多,菹草吸附的机会也越多。2.4悬移质泥沙沉积相的稳定性悬移质泥沙颗粒在水中的沉降过程包括絮凝和沉降两个连续过程,水生植物群落对泥沙沉积的影响途径主要包括改变水体上下水动力条件,减小水力挟沙能力,再就是植物表面分泌物促使悬浮泥沙颗粒由分散的悬移质向絮凝团转化,当浮力小于重力时下降沉积于植物根部周围。根据生态物理模型实验的结果,悬移质泥沙颗粒在菹草系统和对照组均有较好的沉积效果,但菹草系统单位面积和时间的沉降量均明显高于对照组,这是菹草两种作用的综合(图1)。由图1可知,同样的水力停留时间(48h)下,当输入悬浮泥沙含量分别为27.0mg/L和83.0mg/L时,单位面积单位时间内菹草系统对悬浮泥沙的降低百分比分别为1.80%和2.90%。菹草系统对泥沙沉积粒径分布的影响主要是因为菹草表面的分泌物对特定粒径范围泥沙颗粒的吸附作用造成的,还包括菹草系统通过改变水流动力条件促使泥沙颗粒沉积,在进水泥沙含量分别是27.0mg/L,68.0mg/L和83.0mg/L时,得到了菹草系统与对照不同位点沉积泥沙平均粒径的差异(图2),可见,菹草可以降低挟沙水体平均粒径。但是菹草并不是对所有粒径的泥沙均有效果,菹草系统进出水口沉降的泥沙粒径分析结果表明,菹草只对10～25μm粒径范围的泥沙具有较明显的影响(图3)。2.5泥沙对总磷的吸附机理一般认为,悬移质是污染物的主要携带者和主要影响因子,因此,泥沙在其缓慢的沉积过程中会携带大量的氮、磷等污染物进入底层成为非活动态的污染物。由表4知,水体泥沙含量与出口总磷的关系具有较强的相关性(相关系数r=0.96),这说明悬浮泥沙在菹草的作用下发生了大量的沉积,且沉积过程可以携带大量的磷进入底层。因此,菹草对挟沙水体总磷的净化既有菹草生长需要对磷的吸收同化,也包括菹草在促使泥沙沉积过程中对磷的间接去除作用。3草净化效果相对减弱菹草对挟沙水体的净化主要包括3个方面的作用:(1)菹草自身的生长对氮、磷的同化吸收;(2)菹草通过改变水流流场,促使泥沙沉积过程中泥沙对氮、磷的吸附携带作用;(3)菹草分泌物及附着菌群对氮、磷的分解作用;而对照没有菹草的水道总氮、总磷的降低主要是泥沙沉降对氮、磷的携带吸附作用。从表2实验分析结果看出,停留时间是影响挟沙水体污染物净化的重要因素,动水条件下污染物的净化主要是水生植物菹草的吸收利用,而当时间延长时,泥沙沉积造成菹草光合作用降低,因而对磷的吸收同化速率降低,而泥沙颗粒物却得到了快速沉降,因而对于挟沙水体停留时间延长,总磷污染物净化效果增强,但菹草的净化作用相对减弱。菹草对污染物的净化吸收与其生理活性密切相关,实验阶段已经接近菹草的后期衰亡阶段,因而对磷的吸收利用和2月份菹草的旺盛生长阶段相比较弱,这可能也是造成时间延长菹草净化效果相对减弱的重要原因之一。挟沙水体在经过菹草系统过程中,一方面菹草根系要吸收部分含氮化合物,另外根系还会释放部分含氮有机物,但是由于停留时间比较短,泥沙由于受到菹草的作用而大部分发生沉积或粘附于菹草体表,对于总氮的净化表现出了同磷相似的结果,但氮的转化形式比较复杂,特别是后期生长阶段根系以及体表都会释放含氮化合物,尽管表面结果也是泥沙携带占主要作用,其间的复杂变化尚难以说清楚。实验期间菹草密度比较大,大部分枝叶集中于上部水体,深层水体的菹草枝叶较少,挟沙水体主要通过下层流入下游。菹草对悬浮泥沙颗粒的抑制屏蔽机制,可能主要是通过改变水流条件实现的,因为茂密的菹草枝叶使得表层水体流速特别小,大部分悬浮颗粒物被下层较大流速的水体带走,而很难上浮至表面水体。这与作者2006年4月份调查的南京玄武湖菹草群从内外悬浮颗粒物的含量差异性有相同的结果,说明菹草在稳定表层水体结构上具有较好的效果。沉水植物菹草对不同粒径大小的泥沙颗粒影响效果不同,一般认为菹草对较大粒径的泥沙影响主要是通过改变水流条件造成泥沙沉积,而对于较小粒径的泥沙除了促使沉降以外,还包括菹草茂密的茎叶对悬浮小颗粒的吸附,尽管水生植物的吸附是有限的,但是吸附以后由于分泌物的作用絮凝化脱落,然后再次吸附再次絮凝脱落。沉水植物大多应用于浅水湖泊与河流的污染净化,环境因子如溶解氧、温度、水深、基质、污染物、附着物、光照等均可对菹草的生长发育产生影响,挟沙水体和一般水体的最大差别是泥沙含量较高,透明度低,因而极易通过附着和降低透明度对菹草的生长产生抑制作用,因而利用菹草对挟沙水体污染物的净化也具有一定的局限性,周期不易太长,且挟沙水体的泥沙含量不宜过高。4草系统对中泥沙净化效果的比较(1)由菹草构成的生态物理模型系统对挟沙水体氮、磷负荷具有较好的改善作用,菹草系统前后总氮负荷分别为0.746mg/L和0.622mg/L,去除率为16.57%,其中菹草净化率占6.67%;停留时间分别为24h和48h时,菹草系统对总磷的净化百分率分别为18.52%和22.22%,其中菹草对总磷的净化作用分别占10.83%和6.84%。因此,菹草系统对挟沙水体总磷的净化,包括自身营养需求对磷的吸收利用和菹草促使泥沙沉积过程中泥沙对磷的携带作用。(2)菹草系统对经过它的挟沙水体悬浮泥沙含量具有较好的改善效