水生植物与水体生态修复

水生植物与水体生态修复--------吴振斌第一章水生植物概述1.1水生植物的概念为一生态学范畴的概念。并没有一个统一的定义。水生植物生活于水环境中，形成了一系列对于水环境的典型适应性特征，主要体现在形态结构及其功能上。生活型：指植物长期生存在一定的环境下形成的一种形态上的适应类型，也是各种植物对其生态条件的综合作用在外貌上的具体反映。挺水植物：根生泥中，下部或基部在水中，茎、叶等光合作用部分暴露在空气中。该类群植物处于水陆过渡地带，因而叶表现出具有同陆生植物相似的结构，具有表皮毛、角质层、气孔等。浮叶植物：植株扎根基底，光合作用部分仅叶漂浮于水面。漂浮植物：与浮叶植物相比，整个植物体悬浮于水面，根沉水中，但不接触基底。也有浮水叶与沉水叶之分。沉水植物：大部分生活周期内营养体全部沉没水中，植株扎根基底。由于完全沉水，该类群植物适应水环境的特性更为典型，叶面上的气孔已丧失功能或没有气孔；通气组织特别发达；叶绿体大而多，主要分布于植物体表面；。。。在同一水体中，各生活型的水生植物分布呈一定规律，自沿岸带向深水区呈连续分布态，依次为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物。水生植被的功能：首先，作为初级生产者，为各类水生动物直接或间接提供食物基础，进而形成复杂的食物链，为最终形成复杂的生态系统提供了必要条件；其次，调节生态系统的物质循环，如通过其矿物质营养代谢实现物质循环；可有效增加空间生态位，形成更多样你给的小生境；能影响并稳定水体理化指标，如通过光合作用放氧提高水体中溶氧浓度和氧化还原电位；通过呼吸作用利用二氧化碳改变水体pH和无机碳的形态和含量等；再次，大型水生植物通过与浮游植物竞争营养物质和生长空间，以及形成遮光效应和分泌克藻物质，可以很好地抑制藻类的过量繁殖，减少水华的暴发，维持较高的生物多样性和健康的水环境；还具有各种物理、化学效应，如固化底泥、提高其氧化性、附着和吸收有害物质，通过吸附和过滤作用，降低生物性和非生物性悬浮物，增加透明度，净化水质；水体中植物的生存，可减少水动力，降低水体扰动所带来的底泥营养盐向水体释放；最后，具有景观美化效应等。第二章主要生态因子对水生植物的影响2.1光照强度光补偿点和光饱和点是植物需光特性的两个主要指标。真光层深度是指在水柱中支持净初级生产力的部分，其底部为临界深度，即水柱的日净初级生产力为0值的深度，也就是光合作用和呼吸作用达到平衡的深度，也称为补偿深度。按经验看，光补偿深度一般是水体透明度的1.5倍，或光照强度约为表面光强的1%处的水深。只有实际水深小于或等于光补偿深度的水域，沉水植物才能生长。2.2温度对水生植物光合作用和代谢活动的影响、对其越冬和繁殖的影响、对其生长竞争的影响。多数水体水生植被恢复或重建是通过整株移植或利用其他营养体进行，主要依据是其具有广泛而高效的无性繁殖系统。2.3pH对无机碳源的影响、对非离子氨的影响。某些沉水植物在水体低无机碳条件下会产生各种形态和生理适应机制，如长出浮水和挺水叶片吸收空气中的CO2，从沉积物中吸取CO2，CAM途径，C4途径，以及吸收HCO3-作为无机碳源等，这些都是解决无机碳源不足的有效途径。2.4底泥底泥的质地是指底泥的粗细情况，是底泥重要的物理性质之一。pH和氧化还原电位被认为是影响底泥磷吸附和释放最重要的因素。pH对于底泥磷释放的影响主要体现在改变磷的存在形态：偏酸性时，磷主要以H2PO4-形式存在，此时沉积物对磷的吸附沉淀作用较大，不利于沉积物内源磷的释放；在碱性环境下，过量的OH-与PO43-发生反应而造成Fe-p，Al-P的释放，随pH增高，磷酸根离子从沉积物中解吸速率加快，使更多的内源磷释放进入上覆水体。氧化还原电位高（底泥处于好氧状态），沉积物中的铁和锰以Fe3+和Mn2+形式存在，易与磷结合，以沉淀物的形式稳定沉积在底泥中；氧化还原电位低时，Fe3+还原成Fe2+，与磷酸根的反应产物由难溶的磷酸铁沉淀转变成溶解性的磷酸亚铁，使磷酸根脱离底泥进入间隙水，进而向上覆水扩散。SO：pH8,厌氧状态下水体中P增加，不好。。。底泥再悬浮过程中，上覆水中无机矿物颗粒等显著增加，会使上覆水中的可溶性磷被迅速吸附，重新进入底泥，进而形成难被生物利用态磷。2.5水位和水流2.6动物牧食第三章水生植物的生态功能3.1初级生产功能3.2水生植物的生物多样性维护功能3.3底质环境稳定功能3.4营养固定和缓冲功能3.5水生植物的清水功能3.6水生植物对藻类的化感作用化感作用：指植物释放的次生代谢产物对环境中其他植物有利或不利的作用。3.7其他生态作用第四章主要水体污染物对水生植物的影响4.1高氮磷营养盐的胁迫作用研究了不同胁迫条件对苦草、菹草和伊乐藻生长力、可溶性蛋白、叶绿素、SOD、POD等的影响4.2有机污染物对水生植物的影响4.3重金属污染第五章重建水生植被的主要理论依据5.1多稳态理论：5.2营养盐限制理论5.3生物操纵理论第六章水质改善与水生植被重建和管理6.1水生植被恢复、重建的主要环境障碍、应对措施和一般步骤主要障碍和应对措施：障碍一：透明度低导致水下光照不足应对措施：1.用人工湿地净化；2.用生态砾石净化；3.用植物浮床净化水质；4.用漂浮植物净化水质，如凤眼莲；5.用人工水草净化水质，如阿科曼；6.投撒高效净水剂（化学品）、噬藻微生物、生物菌剂；7.水下光补偿技术；8.用包含有贝类等多种底栖动物的生物反应器净化水质；9.有条件时，净化水位。障碍二：底质有机物过多导致厌氧环境应对措施：1.原位处理技术。a.用膜覆盖后再回填泥沙；b.基底改造，如掺入泥沙；c.原位化学处理，主要用于控制底泥中磷的释放，如通过投加硫酸铝、硝酸钙等化学剂来降低底泥中的磷向水体释放；d.原位生物处理，即向底泥中投加微生物以促进底泥中有机污染物的生物降解；e.原位固化/稳定化处理，即向底泥中投加石灰、火山灰和水泥等化学物质，降低底泥中污染物的溶解度、迁移性或毒性，主要针对受重金属污染底泥的处理；f.曝气以增加有机物氧化，改变厌氧环境，可通过水下充氧或干塘的方式进行。2.易位处理技术。主要是疏浚。障碍三：水中氨氮和有机物浓度过高，毒害植物应对措施：同障碍一中应对措施1.2.3.4.5.6.8障碍四：风浪干扰应对措施：设置防浪带，水生植物的恢复从湖汊湖湾开始，逐步推进。障碍五：水位剧烈变化应对措施：可控性不大障碍六：动物牧食应对措施：捕获草食性鱼，尽量减少其存量，待植被完全恢复，生物量足够大时，可以放养一定的草食性鱼用于控制植物的过量生长。其他障碍：如藻毒素等。应对措施：除藻技术湿生和漂浮植物最易恢复，沉水植物最难恢复。恢复/重建水生植被工程的一般步骤：1.调查和制订方案对目标水域的水质、底泥、污染源、水生生物等情况做调查，收集相关历史和现实资料，根据其现状，制订恢复/重建水生植被的技术路线和详细方案，如是否需要清淤、是否需要改良底质、选种什么植物、植物种植区域的大小和位置等。做到因地制宜，可操作性强，尊重自然规律，经济有效。2.外源污染控制水生植被的恢复必须以控制营养负荷为前提。一切生态修复工程的前提是截污，包括点源和面源。3.鱼类控制在重建水生植被时，要尽可能地去除鱼类。4.水质和底质改善受污染水体的水质和底质往往较差，不能满足水生植物定植成活的要求，如透明度低、底质厌氧、氨氮浓度高等，so在植物种植前，需对水质和底质进行改善。注：对于较大水域，在初期可不需要全水域实施恢复/重建工程，可选择水质和底质较好的区域优先实施，一旦先锋植物群落建立，就能很快扩张，从而达到预定目标。先锋植物：指在水体修复过程中，最先在水里种植的植物。5.先锋植物定植与先锋群落的形成根据水质和底质情况，选择合适的先锋植物和合适的种植时机。要选择水位较低、透明度相对高的时机（冬、春季）进行种植。6.人工调控，实现种群替代与群落结构的优化先锋植物定植和扩展后，需要丰富和优化植被结构。一般而言，刚重建的水生植被结构较简单、物种少、稳定性差，需要尽快增加物种，优化结构，增强系统的稳定性和抗逆性。机械收割是调控沉水植物的有效措施之一。7.健康系统形成和维持通过调整渔业结构，即放养适当的草食性鱼来控制水生植物的过度生长是一个有效的手段。6.2外源污染控制包括点源和面源，点源性污染主要包括各种工业废水、城市生活污水、固体垃圾填埋场垃圾渗滤液处理出及其他固定排放源。面源包括地表径流、农业面源污染及湖库养殖污染。点源污染控制技术：按作用原理，分为物理、化学和生化三类，物理方法主要包括沉淀、吸附、过滤、膜分离技术，去除污水中大颗粒和胶体；化学方法包括混凝、氧化还原、高级氧化等技术，去除污水中有机污染物；生化方法包括活性污泥法、生物膜法等技术，去除污水中COD、N、P。按处理程度。。。。按处理方式。。。。。面源污染控制技术：1.人工湿地技术（水平流、潜流、垂直流）2.土壤净化床削减外源污染3.CRI（人工快渗污水处理系统）控制外源污染4.湖滨生态带和水陆交错带对外源污染的净化技术6.3内源污染控制6.7水生植物群落的调控与管理中小型湖海中恢复沉水植物前，一般要控制草食性鱼类的数量，以使种植的沉水植物能迅速定居，并扩大种群规模。目前恢复沉水植物时，通常选用易存活、生长快、繁殖能力强的种类作为先锋植物。但沉水植物过度生长也会产生一些较为严重的后果，如。。。。因此，应进行合理调控。即在先锋物种初步恢复、形成一定规模并改善水体环境后，采取适当调控措施抑制或削减先锋种的生长和扩散，促进后来种的生长与繁殖，改善群落结构，增加物种多样性。之后根据水域功能的定位与沉水植物的恢复情况，引入草食性动物，最终使水体成为一个以生物调控为主，能基本自我维持平衡的生态系统。收割、除草剂、生物调控、水位调节、遮光第七章重建湖泊水生植被的实践7.1先锋植物的选择及种植技术根据湖泊的现状、湖泊的功能、植物的适应力、净化功能、观赏和渔业价值而定的。1.土著种2.生长速度快、耐污性强：黑藻、五刺金鱼藻、苦草、菹草3.易采购4.可利用：从饲料、绿肥、沼气或药用等方面考虑5.季节性：要进行季节间搭配，菹草和伊乐藻为冬季种，6.景观效果常用先锋植物：苦草、狐尾藻、菹草、金鱼藻、黑藻、伊乐藻植被恢复/重建初期的主要问题：1.植物群落结构简单，抗干扰能力强；易形成章优群落，稳定性差。应对方法：1.丰富物种，达成多样性与复杂性：冬季种与夏季种搭配；多年生与一年生物种搭配；空间结构优化。2.兼顾景观美化性。7.3水生植被恢复示范及工程应用实例环境科学概论---------徐慧、陈林第一章绪论第二章生态环境科学第三节全球性生态热点问题主要有：温室效应与气候变暖；臭氧层破坏；酸雨；土地沙漠化；生物多样性减少；森林锐减；矿产资源短缺；海洋污染；有毒有害越境转移。生物多样性减少的因素：生境的破坏或消失；对动物的非法捕捞；外来物种引进。第三章可持续发展与环境第四章清洁生产第五章循环经济、低碳经济与可持续发展第六章资源与环境第七章大气污染及其防治第八章水环境科学我国水资源特点：总量较丰富，人均拥有量少；时空分布不均衡；水污染问题严重；水资源利用效率低，浪费严重；地下水开采过量。水污染的来源：工业污染源；农业污染源；生活污染源污水是生活污水、工业废水、被污染的降水和流入排水管渠的其他污染水的总称。水污染的防治原则：坚持预防为主、防治结合、综合治理的原则。综合防治措施：减少废水和污染物排放量，发展区域性水污染防治系统，发展效率高、能耗低的污水处理技术水污染处理的基本方法物理处理法：沉淀，气浮，离心分离，过滤化学处理法：混凝法，中和法，化学沉淀法，氧化还原法物理化学处理法：吸附，离子交换，萃取，膜分离，生物处理法废水处理的工艺流程：一级处理：经筛滤、沉淀和浮选法。。。，除去大颗粒物质，达不到排放标准，仅作为预处理阶段二级处理：生物法和絮凝法，除去有机物，可达到排放标准三级处理：进一步处理难降解的有机物、N和P等可溶性无机物。目的是控制富营养化或使废水能重新利用。污泥是污水处理后的产物。污泥处理方法：农业利用、填埋、焚烧、投入远洋几种典型废水的处理方法1.