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水生植物在水污染控制中的生態(tài)效應(yīng)工學(xué)論文
目前我國(guó)絕大部分的城市污水處理廠均采用傳統(tǒng)的二級(jí)活性污泥法處理工藝，而高額的工程投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用則制約了其推廣和應(yīng)用，尤其是對(duì)我國(guó)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，資金和能源短缺問(wèn)題普遍，許多中小城鎮(zhèn)仍沒(méi)有完善的污水處理系統(tǒng)。大量的研究結(jié)果表明，即使是在資金有保障的前提下，僅靠建立污水處理廠對(duì)點(diǎn)源進(jìn)行處理，也很難使水污染得到有效控制。通常植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，能忍耐土壤中高濃度的污染物，植物的這種抗毒性作用，為植物對(duì)土壤和水體中的污染物吸收和降解奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)，對(duì)于解決中小城鎮(zhèn)的污水處理和生態(tài)環(huán)境的改善具有重要的實(shí)踐意義。
1、水生植物的生態(tài)效應(yīng)
水生植物除了直接吸收、固定、分解污染物外，通常只是間接地參與污染物的分解，通過(guò)對(duì)土壤中細(xì)菌、真菌等微生物的調(diào)控來(lái)進(jìn)行環(huán)境的修復(fù)，植物在水污染控制中生態(tài)效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下方面。
1.1物理作用
覆蓋于濕地中的水生植物，使風(fēng)速在近土壤或水體表面降低，有利于水體中懸浮物的沉積，降低了沉積物質(zhì)再懸浮的風(fēng)險(xiǎn)，增加了水體與植物間的接觸時(shí)間，同時(shí)還可以增強(qiáng)底質(zhì)的穩(wěn)定和降低水體的濁度。此外，植物的存在削弱了光線到達(dá)水體的強(qiáng)度，阻礙了植物覆蓋下的水體中藻類(lèi)的大量繁殖，尤其是在浮萍類(lèi)植物的濕地系統(tǒng)中比較常見(jiàn)。植物的存在對(duì)基質(zhì)具有一定的保護(hù)作用，在溫帶地區(qū)的冬季，當(dāng)枯死的植物殘?bào)w被雪覆蓋后，植物則對(duì)基質(zhì)起到很好的保護(hù)膜作用，可以防止基質(zhì)在冬季凍結(jié)，以維持冬季濕地系統(tǒng)仍具有一定的凈化能力。植物對(duì)基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性能產(chǎn)生一定的影響，植物的根在生長(zhǎng)時(shí)對(duì)土壤具有干擾和疏松作用，當(dāng)根死亡或腐爛后，會(huì)留下一些管型的大孔隙，在一定程度上增加了基質(zhì)的水力傳導(dǎo)性。淹沒(méi)于水中的水生植物的莖和葉形成的生物膜，為大量的光合細(xì)菌、藻類(lèi)和原生微生物等在植物組織上的生長(zhǎng)提供了一定空間，埋藏于土壤中的根和根區(qū)也為微生物的活動(dòng)提供了巨大的物理活動(dòng)表面，植物根系也是重金屬和某些有機(jī)物的沉積場(chǎng)所。因此，植物地上和地下的生物膜對(duì)于濕地中發(fā)生的所有微生物過(guò)程都具有重要作用。
1.2植物對(duì)污染物的吸收作用
植物的生長(zhǎng)和繁殖離不開(kāi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，水體中的相當(dāng)部分的營(yíng)養(yǎng)物被植物轉(zhuǎn)化或保存在植物體內(nèi)。對(duì)于不同生活型的水生植物，普遍認(rèn)為漂浮植物吸收能力強(qiáng)于挺水植物，沉水植物最差。與木本植物相比草本植物對(duì)污水中的污染物則具有較高的去除率，如有蘆葦?shù)臐竦貙?duì)NH+4-N的去除率接近100%，而無(wú)蘆葦時(shí)，僅為40%～75%.定期和持續(xù)地從濕地系統(tǒng)中收獲成熟的植物，并能妥善處理收獲的植物，是保證污水中的養(yǎng)分被有效去除和防止對(duì)水體造成二次污染的唯一途徑。植物的對(duì)污水的凈化作用是植物吸收和微生物綜合作用的結(jié)果，植物的存在有利于硝化、反硝化細(xì)菌的生存。張鴻等研究表明，在種植水芹、鳳眼蓮的濕地中，硝化和反硝化細(xì)菌的數(shù)量均高于沒(méi)有植物的濕地，水芹濕地的細(xì)菌數(shù)量多于鳳眼蓮濕地的細(xì)菌數(shù)量，但前者對(duì)氨氮的去除率卻低于后者，說(shuō)明人工濕地系統(tǒng)中對(duì)N的去除植物的吸收占主導(dǎo)地位。吳振斌等在進(jìn)行的上、下行流的復(fù)合人工濕地系統(tǒng)的研究中，分別種植不同植物的濕地對(duì)COD、BOD5、TN、TP的去除效果均好于沒(méi)有種植植物的對(duì)照濕地。濕地植物直接吸收和利用可利用態(tài)P，起到去P的作用，并且植物的生長(zhǎng)狀況直接影響到植物的去除效果，植物的良好長(zhǎng)勢(shì)是對(duì)P去除的保證。
1.3植物根系釋放
濕地系統(tǒng)具有明顯的缺氧環(huán)境，濕地中氧的傳播速率約為陸地環(huán)境氧的傳播速率的萬(wàn)分之一。水生植物則具有適合在缺氧條件下生存的結(jié)構(gòu)與特征，包括莖肥大，莖和根的中心具有較大的組織，莖中空，具淺根系等。植物的這種特殊結(jié)構(gòu)，有利于氧在其體內(nèi)的傳輸并能傳遞到根區(qū)，不僅滿(mǎn)足了植物在缺氧環(huán)境的呼吸作用，而且還可以促進(jìn)根區(qū)的氧化還原反應(yīng)與好氧微生物的活動(dòng)。將光合作用產(chǎn)生的氧傳遞到根區(qū)，在根區(qū)的還原態(tài)的介質(zhì)中形成氧化的微環(huán)境，根區(qū)有氧區(qū)域與缺氧區(qū)域的共同存在為根區(qū)的好氧、兼氧和厭氧微生物提供了各自的小生境，使不同微生物都能發(fā)揮各自的作用。氧在植物根部的釋放主要取決于植物內(nèi)部氧的濃度、周?chē)|(zhì)的需氧量以及植物根壁的滲透性。植物通過(guò)吸收而在根部釋放氧是由其本身的結(jié)構(gòu)所決定的，植物的結(jié)構(gòu)阻止了其在徑向的泄露，并努力使釋放到根區(qū)的氧的損失減少到最小。氧的釋放率一般在根的亞頂端區(qū)域最高，并隨距離根尖的增大而降低。水生植物具有對(duì)流型通氣組織，其根區(qū)和根部都具有較高的內(nèi)部氧的濃度，這種對(duì)流型的氣體的流動(dòng)明顯增加了可供氧根的長(zhǎng)度，同時(shí)還可以通過(guò)氧化和脫毒減少根部一些潛在的有害物質(zhì)。除了根系可以釋放氧外，根系還可以釋放其它物質(zhì)。一些植物的根系分泌物能殺死污水中的細(xì)菌和病原微生物，濕地運(yùn)行過(guò)程中對(duì)細(xì)菌的高去除率，驗(yàn)證了上述結(jié)論。一些植物釋放的克生物質(zhì)對(duì)其它植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制或促進(jìn)作用，表現(xiàn)植物間的相生相克作用。鳳眼蓮、水花生、水浮蓮、寬葉香蒲等可以分泌出克藻物質(zhì)，對(duì)水體中藻類(lèi)的繁殖具有明顯的克制作用。同樣藻類(lèi)也可以對(duì)高等水生植物產(chǎn)生克制作用，尤其是當(dāng)藻類(lèi)大量繁殖形成水華時(shí)，高等水生植物的生長(zhǎng)率和葉綠素均呈下降趨勢(shì)。
2、水生植物對(duì)水污染控制的影響因素
大量實(shí)踐證明，水污染的控制與植物的類(lèi)型、群落構(gòu)成、覆蓋度、水體透明度等因素相關(guān)。
2.1植物類(lèi)型和群落構(gòu)成
在提高植物處理效果研究方面，一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容是如何選擇合適的植物種類(lèi)和確定不同植物的組合。漂浮植物是人工濕地中常用的一類(lèi)植物，就去除效果而言，鳳眼蓮的凈化效果最好。挺水植物蘆葦、香蒲的使用頻率最高。很顯然，不同的物種或同一物種在不同濕地環(huán)境中的凈化效果都會(huì)有較大的差異性。作者在宜興進(jìn)行的以多種植物構(gòu)成的人工濕地系統(tǒng)凈化河水的試驗(yàn)結(jié)果表明，多種植物合理的搭配較單一植物具有較好的處理效果，混合種不僅使?jié)竦氐膬艋侍岣�，且凈化效果更穩(wěn)定，夏漢平的研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，且混合種有可能解決NO-3-N的凈化問(wèn)題。吳振斌、邱東茹等利用在武漢東湖建成的大型圍隔生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)水生植物特別是以沉水植物為主的水生植物群落對(duì)水質(zhì)的改善作了定性、定量研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，沉水植物可以顯著改善水體的理化性質(zhì)，在不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)水平上具有維持水體清潔和自身優(yōu)勢(shì)穩(wěn)定狀態(tài)的機(jī)制，水生植物有過(guò)量吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的特性，可降低水體富營(yíng)養(yǎng)化水平。水生生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)，關(guān)鍵取決于其自身的自?xún)裟芰铜h(huán)境容量，而自?xún)裟芰铜h(huán)境容量又取決于穩(wěn)定的和優(yōu)化的水生植物群落的形成。沉水植物群落的是建立草海優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，草海歷史上長(zhǎng)期以來(lái)，沉水植物就是湖泊中最主要的生產(chǎn)者。隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化的加劇，沉水植物大量消亡，草海的水生植物群落的構(gòu)成發(fā)生了很大的變化，漂浮植物鳳眼蓮成為草海的單優(yōu)勢(shì)群落，致密生長(zhǎng)的鳳眼蓮使湖水復(fù)氧受阻，水體中溶解氧得不到補(bǔ)充。鳳眼蓮雖具有很強(qiáng)的吸收N、P的能力，但過(guò)度繁盛的鳳眼蓮腐爛造成的二次污染反而加重了水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平。
2.2植物的覆蓋度、污水濃度
菹草對(duì)水體和底泥中的N、P、Pb、Zn、Cu、As等有較強(qiáng)的吸收、富集作用。吸收能力的大小與其生物量和群體的覆蓋度有關(guān)，當(dāng)菹草的保持覆蓋度為50%時(shí)，生物量最大，凈化效率也達(dá)到最大。陳國(guó)強(qiáng)等研究了不同磷濃度對(duì)睡蓮和菱葉片生理活性的影響，研究結(jié)果表明，隨著磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平的提高，葉內(nèi)無(wú)機(jī)磷的含量也逐漸增加，而葉綠素則隨磷含量的增加而降低。綜合考慮磷對(duì)兩種植物各指標(biāo)的影響，認(rèn)為菱的最適宜的濃度為0.1mmol/L，睡蓮為0.5mmol/L，超過(guò)或低于該濃度，都會(huì)對(duì)其生理活性產(chǎn)生不利影響。該研究結(jié)果間接反映了不同植物對(duì)磷的吸收作用，為去磷植物的選擇提供了參考。
2.3環(huán)境因子
影響水生植物去除率的因素有光照、水溫、溶解氧、pH、營(yíng)養(yǎng)鹽和風(fēng)浪等因素有關(guān)，不同生活型的水生植物對(duì)這些因素的敏感性不同。所有水生植物都有其適合生長(zhǎng)的季節(jié)和適宜的溫度，水體的透明度則成為沉水植物的限定因子。大量的研究結(jié)果表明，在水體的一定深度存在光補(bǔ)償點(diǎn)和補(bǔ)償深度，只有在光補(bǔ)償（點(diǎn)）深度以上，沉水植物才能進(jìn)行正常的光合作用和呼吸作用，植物才能生長(zhǎng)。
植物在水污染控制中的作用已在很多水體恢復(fù)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，但水生植物在其中的作用，國(guó)內(nèi)外目前還存在一些的爭(zhēng)議。絕大多數(shù)的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都表明，水生植物的作用是高效的或有效的。水生植物能否發(fā)揮其最大的凈化及應(yīng)用潛力，關(guān)鍵在于植物種類(lèi)的選擇和植物群落的搭配，特別是通過(guò)試驗(yàn)選擇耐污性強(qiáng)、凈化效果好、適宜其生存環(huán)境的物種是一項(xiàng)優(yōu)先考慮的工作。多個(gè)物種的合理搭配無(wú)疑會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的對(duì)水體的凈化效果，而根據(jù)各地的具體情況進(jìn)行植物篩選和系統(tǒng)觀測(cè)研究，則是選擇理想物種，發(fā)揮植物最大潛能的有效途徑。利用水生植物對(duì)污水的凈化作用對(duì)污染水體的修復(fù)過(guò)程，很少有廢物和排放物產(chǎn)生，無(wú)疑為我國(guó)日益惡化的水環(huán)境修復(fù)提供了一個(gè)良好的途徑，具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。
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