芦苇
1.摘 要
本文采用原状土柱和人工湿地控制试验与野外典型调查相结合的方法深入系统地研究了白洋淀芦苇湿地对污水中氮磷的净化能力及芦苇地下根茎系统的时空分布 和动态变化,并对湿地净化污水的机理进行了探讨。结果表明:
1.芦苇湿地对污水中的氮、磷的净化效果十分明显,在一个月内对污水中按氮的平均去除率可达到94%. TN的平均去除率可达74%, TP的平均去除率可达97%a芦苇湿地中芦苇的密度越大及灌入湿地中污水的氮、磷的浓度越大,其净化能力越强。芦苇的不同部分对污水中氮磷的净化能力不同,芦苇地上部分单位干重对氮的净化能力大于地下部分单位干重,地上部分单位干重对氮的吸收量大约是地下部分单位干重的2.34倍;而地下部分单位干重对磷的净化能力大于地上部分单位干重,地下部分单位干重对磷的吸收量大约是地上部分单位千重的1.74倍。
2.芦苇地下茎仅分布于地表以下0-80cm,随着土壤
深度的增加,节间长度增加,节间着生的不定根数减少。地下茎的生物量主要分布在20-40cm。地下茎径级研究表明,直径<
>2cm的地下茎主要分布于20-60cm。和正常苇地的芦苇相比,退化苇地芦苇的地下茎表现为生物量降低,节间缩短,节处着生不定根数减少,直径>2二的地下茎总长度所占比例减少。、
3. iE T根系分布于0^-100cm的土层内,随着土壤深度的增加,根量和根长均减少。根系径级研究表明,芦苇根系以直径(lmm的最多,其主要分布于0-40cm;直径1-2。 的根系在 0^-80cm的剖面上均有分布,直径>>2mm的根系则主要分布在 40^"60cm,即随着土壤深度增加,粗根在土壤剖面中的比例增加。和正常苇地的芦苇相比,退化芦苇根系表现在生物量降低,其生物量和根长分别为正常芦苇的 57.95%和65.02 ,根系分布的深度变浅。直径<2mm的粗根数量增加;在一个生长季里,芦苇根系和地上部分生物量的变化均为单峰形,其中根系的峰值
在8月份左右,而地上生物量的峰值在10月份左右。
4.卢苇对土壤理化性质产生影响,使苇地土壤容重减轻,孔隙度增加,有机质、全氮、全磷含量提高。回归分析表明,土壤孔隙度、有一机质、全氮、全磷的含量均和PIT苇根重、根长之间有显著的正相关关系。 关键词:芦苇;湿地;氮;磷:净化;根系
2引 言
我国是一个水资源相对缺乏的国家,人均占有水资
33源量约为,为人均水平的1/4,居世界109位。2510m,
且我国81%水资源集中分布在长江流域及以区,长江以北地区人口占全国的45.3%,耕地占全国的64.1%,而水资源量却占的19%121,水资源是量与质的高度统一,21世纪我国面临着水量危机的同时,水质危加严重,甚至因水质问
题
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所导致的水资源危机大于水量危机131。目前,我国水质和水资源浪费现象十分严重.根据国家环境保护总局发布的 《2000年中国环境公报》141, 2000年,中国七大重点流域地表水有机污染普遍,各流域干流有
57.7断面满足三类水质要求,21.6%的断面为四类水质,6.9%a的断面为五类水质,13.8%的断面属劣五类水质,且各大流域的主要污染河段均集中在城市河段。另外,我国主要湖泊中富营养化问题也很严重,太湖、巢湖、滇池等湖泊处于富营养化状态。据统计,2000年,全国工业和城市生活废水排放总量为415亿t,其中工业废水排放194亿t,城市生活污水排放量为221亿t,生活污水排放量超过工业废水排放量,但我国的废水大部分未经任何处理直接排入江、河、湖泊,使水质受到严重污染至完全丧失利用价值,加重了我国水资源短缺的问题。因此,合理开发利用和保护水资源及污水净化再利用,具有重大的现实意义和长远意义。
湿地可通俗的理解为一个内部过程长期为水所控制的生态系统。从生态角度来看,湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带,其地表为浅水所覆盖或者其在地表附近变化,湿地不仅是人类重要的生存环境,也是众多野生动物、植重要生存环境之一,生物多样性极为丰富,并且由于其在水分和化学循环中所表来的功能及其处于水陆交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到
过滤作用,作为自然和人类废弃物的接收器的环境净化功能,而被誉为“自然之肾”因此,湿地具有多种生态功能和社会经济价值
湿地系统作为宝贵的自然资源,很早就己为人们所重视。近年来,对其在污理方面的研究不断深入,自然湿地系统和人工湿地系统的应用范围也在不断拓宽内外许多研究工作己经涉及到河流、湖泊治理、工业废水处理、城市径流污染、农业面源污染控制等众多领域,特别是在河湖治理方面,由于物理、化学方法的有限性以及工厂化生物处理的局限性,对湿地的研究就具有更加 的现实意义。我国水体富营养化现象十分严重,控制富营养化的关键在于控制水和磷的浓度,而湿地具有较高的污染自净能月,尤其是对氮、磷等营养元素的吸收转 化与持留有较高的效率,能有效的降解污染物,甚至增加系统的生产力。
目前,通常的污水二级处理工艺对污水中氮、磷的去除效率不高,对氮、磷除率汉能达到20%-40%,而湿地在去除废水水中氮磷等营养元素方面是一个简单有效且费用低廉的工具,巴西的皮拉西书巴约Eneenho湿地对
磷、硝酸盐和铵的去除率分别达到9396, 78%和50%。 Chescheirl2M等通过模型研究表明湿地可以净化79%的总氮、82%的硝酸盐氮、81%的总磷。Rosenber等估计,每减少lkg进入波罗地海的氮,利用沿海湿地需要0.6美元,用补救的农业措施需1.9-53.4美元,而通过污水处理厂减少城市废水中75%的氮需要15.6-31.2美元。另外,从生态学观点来看,输入到湿地生态系统中的氮磷营养物质可被植物吸收利用‘且能促进湿地植物如芦苇、蒲草、灯心草等水生维管植物的生长和发育,为保护诬地植物的多样性,改善湿地生态景观起到积极作用。因此,从经济学和生态学的角度,湿地生态系统已是世界上很多国家认可的控制水污染的有效工具。
我国的湿地总面积为6.594X IOskm2,居世界第四位,占国士面积的6.5%1281,因此,在我国有充分利用湿地资源去除污水中氮磷的巨大潜力。在促进自然界良性循环的前提下,建立充分发挥资源生产潜力,防止环境污染,达到经济效益与生态效益同步发展的生态工程。天津市环保所在1987年建成了我国第一个占地6hm'、处理规模为1400 m3/d的芦苇湿地工程;北京市环保所在北
京昌平县建成了处理规模为500m3/d的芦苇湿地处理系统示范工程;国家环保局华南环保所1990年在深圳建立了白泥坑人工湿地示范工程,占地面积为12.6 hm2,处理规模为3100m3/d1291。实践表明,这些湿地的处理效果良好。
湿地土壤及生存于其中的多样的植物群落、微生物群落具有吸附、吸收和分解污染物,净化环境的功能,它们在去除悬浮物,促进营养物质循环,产生氧气等方面亦有重要作用。
湿地土壤是湿地化学物质转化的介质,也是湿地植物营养物质的储存库。湿地土壤的有机质含量很高,有较高的离子交换能力,因此,土壤可通过离子交换转化一些污染物,并且可以通过提供能源和适宜的厌氧条件加强氮的转化。对于磷而言,土壤颗粒对磷酸盐的吸收是一个重要的转化过程,吸收能力依赖于粘土矿物中铁、铝、钙的表现或对土壤有机质的束缚。除了吸收过程外,磷酸盐也可以同铁、铝和土壤组分一起沉降,这些过程包括磷酸盐在粘土矿物中的固定以及磷酸盐同金属的复合。
湿地植物对湿地逆境有特殊的结构适应和生理适应,如维管植物的皮层组织中孔域的发育,允许氧从植物露在空气中的部分向根部扩散,供应根呼吸所需的氧。 湿地植物光合作用产生的氧气,一部分通过输运组织和根毛输送释放到湿地环境中,致使根区的还原态介质中形成了氧化态的微环境,因而在湿地中根周围依次形成好氧、缺氧和厌氧的小区,为多种微生物的活动创造 了条件,且使其生物活性增加湿地植物根系在湿地中呈现的这种连续的好氧、缺氧和厌氧的状态,可以使微生物的硝化作用和反硝化作用在湿地系统中同时进行,有利于湿地对污水中氮的去除,是湿地去除污水中氮的主要途径1。另外,由少植物的根对土壤的穿透作用减 小了土壤的封闭性,增强了土壤的疏松度,从而使上壤的水力传输得到加强和维持。
湿地植物群落多种多样,包括浮游植物、浮水植均、沉水植物、挺水植物、灌木丛乃至森林。挺水植物和沉水植物在生长季节对水中和沉积物中氮、磷等营养物质的吸收率较高.而在m落季节把相当一部分养分物质转移到根部和茎部,但同时也有相当一部分养分随阅落物和
淋滤作用散失到水体中。所以氮、碑在秋季和早春经常发生净翰出,Lee发现他们所研究的湿地在夏、秋季是养分的汇,而在春季则是养分的源。Simpson等发现在维管植物生长季节,几乎淡水潮汐沼泽湿地中的所有生境都是无机氮和无机磷的汇,而且一些生境还可持续地发挥汇的功能。湿地的生产力极高,据美国生态学家EMaltny报道,每lm,湿地平均每年生产勉蛋白质,是陆地生态系统的3S倍,有的湿地植物生产量比小麦地的平均产里还高8倍。群落的生物盆越大,对污染物质和营养物质的吸收里越多1391。而湿地植物的生物量极大,因此, 每年在合适的季节通过放侧湿地植物的地上部分用于饲料、造纸等,可带走湿地中大量氮、磷,让湿地截留的营养元素重新回到陆地进行循环。
自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动。湿地中有机物的降解和转化主要是由植物根区微生物活动来完成。污水中的有机盆化物和按氮在湿地植物根表面及其附近的好氧区域被硝化细菌所硝化,然后在厌氧状态下由反硝化细菌的反硝化作用使氮以从和NZO形式从湿地系统中根本去除。至于有机磷及溶解性较
差的无机磷酸盐都必须经过磷细菌的代谢活动,将有机磷化合物转变成磷酸盐,将溶解性差的磷化合物溶解,才能去除污水中的磷。另外,微生物还可以同化氮、磷,将氮、磷纳入其分子组成,而且微生物对磷还有过量积累作用。
在湿地系统中土壤吸收、吸附氮、磷的能力和土壤微生物的硝化和反硝化作用虽然大,但毕竟有一定的容量,而植物生长是无限的,湿地植物能源源不断地从湿地系统中吸收氮、磷等营养元素,因此,不能低估湿地植物对环境中氮、磷污染物的净化作用。
芦苇是一种采本科的多年生高大挺水草本植物,具有很广的适应性和很强的抗逆性,生长季节长,生长快,产量高,并且Seide等发现芦苇是一种良好的净水植物 具有一定的分解净化能力,能去除污水中大量的有机无机物。
芦苇具有发达的根状茎根系,在湿地土壤中纵横交错,形成了庞大的网络样结构为微生物提供大面积的生物膜附着物,并且芦苇体内具有中空的通气组织,根部生长着大量很细的根毛。叶片吸收的氧气可以通过茎和
根状茎的通气组织到达根毛,并从很毛分泌出来,形成一个厚度小于IMm充满氧气的围绕着根毛的液体薄膜,在芦苇根区形成特殊的生态条件,这种根际可以供养大量的需氧微生物种群,且使其生物活性增加,能加速污水中有机质的分解,据测定,芦苇根系释放的氧气高达 28.8g l(m--d)1as1。对芦苇湿地系统在处理废水前后的氧化还原势表明,在湿地处理废水以前,随光照强度的增加及光照时间的延长芦苇根区的氧化还原势(ORP)逐渐升高,在夜间则逐渐降低,这说明芦苇光合作用产生的氧气通过根和茎输送到地下根区导致很区OPR的变化,白天溶解氧呈现出累积效应,到天黑达到最大值,晚上由于根系的呼吸及微生物的代谢作用 使水中的溶解氧下降。而在湿地床处理废水的过中一溶解氧一天的变化不大,这是由于微生物利用床体中的氧来氧化降解污染物而沈床沐甲的溶解氧不能积累所致。
芦苇的地上生物量很大,在白洋淀苦苇湿边,芦苇地上郊分千物质量为6000-7500kg/h-Z,其地上部分干物质中含磷量为0.75mg/L, 含氮最为1.59%,通过收割芦苇地上部分并将其用于造纸原料、建筑
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
和编织材料,
可带走湿地中
22kg/hmkg/hm的抓和4.5-5.63的磷,这一机制提95-119
供了营养物质在陆地和湿地之间形成良性循环的途径,能减轻水体富营养化的速度。
白洋淀是我国华北地区唯一的天然大湖,对调节气候、改善华北生态环境、缓解冀中的缺水状况、发展生产、繁荣经济、改善人民的生活环境等都有重要的作用。将来南水北调工程白洋淀是必经之路。因此,治理白洋淀污染,保护和建设好白洋淀具有长远的重大意义。
本研究从白洋淀芦苇湿地入手,研究芦苇湿地对污水中氮、磷的净化能力,同时探索了芦苇及其根系在湿地环境净化功能中的作用,对芦苇地下茎和根系的空间分布、径级组成和季节动态进行了实地调查。芦苇湿地对污水中氮、磷净化能力的研究必将为有效保护水资源,防治水体富营养化开辟一条重要途径,对芦苇地下茎和根系的空间分布、径级组成和季节动态的研究也为今后湿地植物根系的研究提供详实的基础理论资料。 3讨 论
关于芦苇湿地对污水中氮、磷的净化能力近年来已
有不少报道,目前较为一致的看法是:芦苇湿地能有效的去除污水中氮、磷[6W,I%l。芦苇独特的生理特性斌予了它净化污水的能力,首先芦苇具有发达的多年生地下茎,地下茎在湿地土坡中纵横交错地下茎的每个茎节处都着生有3-6条不定根,因此,芦苇的地下部分在湿地土缝中形成了一个具有高活性的根区网络系统。另外,芦苇体内具有发达的通气组织,能将地上部分进行光合作用产生的氧气的一部分向地下输送,使芦苇根区具有较高的氧化还原势,为根区微生物的活动创造了有利条件。 4.1芦苇湿地对污水中氮的去除能力及去污机理
芦苇湿地对污水中氮的去除途径是多样的,包括土坡直接的吸附作用、微生物的同化作用、硝化作用、反硝化作用以及植物的吸收作用。
土壤对氮的吸附主要是对还原态馁氮而言,还原态按氮十分稳定,能被湿地土壤颗粒和胶体矿物粘粒所吸附,但按氮的吸附是有限且可逆的,不能被认为是钱氮去除中的长期汇。土壤对污水中的按氮有强烈的吸附作用,但在好气条件下,按氮在3--7天内可转化为硝态氮,而硝态氮被土壤吸附的能力很低,易被淋洗出土体,造
成水污染,因此,土壤对铰氮的吸附是暂时的,不能将氮从湿地中彻底去除。在土柱实验中,各上柱对污水中的按氮具有良好的去除效果,对铰氮的净化率在85%以上 且达到了地表水V类水
标准
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,但各土柱均有硝酸盐氮的淋溶现象,出水出现了硝酸盐氮负增长的现象.
湿地植物可吸收同化污水中的按态氮和硝态氮,但植物对氮的吸收有一定的极限,因此,靠提高植物吸收的氮总量以提高湿地系统的除氮能力其上开空间不大,通过植物吸收对氮的去除率不到总去除率的20%。尽管从某一段时间看,植物对氮的净化能力小于土壤吸附氮的能力和土壤微生物的硝化和反硝化作用,但植物生长是 无限的,能源源不断地从湿地系统中吸收同化氮素,因此,不能低估湿地植物对环境中氮污染物的净化效果。芦苇的生物量很大,其在生长过程中需要大量的氮、磷等营养物质,随着芦苇被运移出湿地系统,大量的营养物质也随之从湿地系统中输出。在白洋淀芦苇湿地,芦苇的地上生物量可达5000-7500kg/hm2,通过收割芦苇地上部分并将其用于造纸原料、建筑材料和编织材料,可
2kg/hm的氮 带走湿地中95--119
芦苇湿地对污水中氮的去除主要是通过微生物的硝化与反硝化作用,芦苇所具有的庞大地下根茎系统,一方面为附着生长的微生物提供了巨大的附着面,另一方面 由于芦苇体内具有发达的通气组织,能将地上部分光合作用产生的氧气输送到根部,
并从根毛分泌出来。据测定,芦苇根系释放的氧气高达
2g/(md),.使根系周围的环境中依次呈现汗氧.厌氧28.8
及缺氮状态,创造了有利于多种微生物生存的微环境, 使硝化和反硝化作出在湿地中同进发生,有利于污水中氮和有机物质的降解、转化和去除。因而,在根际的好氧环境中钱被硝化细菌硝化,而在离根际较远的缺氧及厌氧的环境中,反硝化细菌则将氮素物质以氮气的形式释放到大气中,使氮彻底从湿地系统中去除。
污水中氮、磷的浓度越大,湿地的净化能力越大。由于土坡对氮、磷具有吸附与解吸的特点,当污水中氮磷的浓度大时,土坡所能吸附净化的氮、磷的量也多。另一方面,当土坡溶液中氮、磷浓度在一定范围内时,随着土壤溶液的浓度的升高,植物根系吸收离子的数量也增多,杨丹钾等研究表明,当总氮浓度在
3.23-13.67mg/L范围内,水翁对水体中总氮的去除率与水体中总氮的浓度呈正相关.
湿地植物的生物量越大,对污染物质和营养物质的吸收越多[75,7x1湿地的净化能力越大。在本实验中在灌入生活污水原水((G)时,芦苇的密度为RD,的实验池中芦苇吸收了污水中27.62%的氮、22.43%的磷,而芦苇的密度为RD2的实验池中芦苇吸收了污水中55.73%的氮、42.81%的磷。
水力停留时间越长微生物的硝化与反硝化作用进行的越完全,湿地去除氮的效果就越好。张荣社网等研究发现潜流构造湿地氮去除效率和水力停留时间呈正相关。本实验中水力停留时间为7d时,芦苇湿地去除了污水中72%的氮,以后随着停留时间的延长,污水中总氮的浓度下降不大。
4.2芦苇湿地对污水中磷的去除能力及其机理
芦苇湿地对污水中磷的去除是通过微生物的正常同化作用、植物的吸收和同化作用、聚磷菌的过量摄磷作用和湿地土壤的物理化学作用等几方面的共同作用完成的。
污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下,被合成为ATP. DNA和RNA等有机成分,通过植物的收割而将磷从湿地系统中去除。但在湿地系统对磷的去除过程中, 湿地植物对磷的吸收并不占重要地位,以往的植物收割试验也
证明
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了磷在植物干重中只占很小的比例[78.791,不同的植物种类及植物体不同部位对磷的吸收能力都不相同,缪绅裕等研究发现秋茄植物体内各器管含磷量各不相同,它们依次为叶》根>茎>胚轴,且都随污水浓度的升高而升高,不同生长期其磷含量也不相同。而在本 实验中,芦苇地上部分对磷的净化能力小于地下部分。芦苇地上部分含磷量平均为1.03g/kg,而地下部分含磷量平均为1.79g/kg,地下部分对磷的吸收量大约是地上部分的 1.74倍,显示磷主要积累于芦苇的根系中,且芦苇含磷量随污水浓度的升高而升高。
芦苇湿地对磷的去除主要是通过湿地土壤对磷的吸附、物理化学作用,且吸附量取决于其环境容量。污水中的磷多以H2P04酸性环境下)和HP042-(碱性环境下)形式存在,磷酸根离子很容易与土壤中大量存在的
233,,,CaAlFe、、,等离子发生化学反应,生成各种难溶性磷
盐[851。尹澄清等1691在白洋淀水陆交错带土壤对磷氮截留容量的初步研究中发现,白洋淀芦苇湿地土壤磷的饱和环境容量为774m/kg,如果要求出水达到磷O.lmg/L的湖泊质量标准,20Ohm2湿地处理系统50cm厚的上层 其吸附磷标准环境容量为18.9t.缪绅裕等在研究人工污水中的磷在模拟秋茄湿地系统中的分配与循环中发现,加入系统中的礴主要存留在土坡中,留存于植物体和凋落叶中的很少侧.在土柱实验中,污水中83%以上的磷可能通过湿地土类的吸附和物理化学作用而去除。 4.3芦苇地下根茎在污水净化中的作用 ?
湿地植物本身主要是通过根系从污水中吸收营养物质加以利用和富集重金属及一些有毒害的物质,其净化效果与很系的组成、长势和生长深度密切相关,同时湿地植物对土壤的输氧能力和穿透土壤的作用也与根系的发达程度相关["。芦苇庞大的地下根茎系统能向湿地传递一定量的氧为多种微生物提供适宜的生长环境并疏导污水的流通。在土柱实验中,由于芦苇根系对污水中氮磷的吸收作用及其输氧能力,使原
状土柱对污水中氮磷的净化能力大于其相应的填充土
柱。
湿地之所以能够净化污水,除了湿地中的植物、土壤和微生物等成分的分别作用外,更多的时候还是这些成分的相互作用,导致了湿地具有强大的净化功能。所以必须用土壤与植物相结合为一个统一的湿地系统,对污水中的氮、磷的净化作用才最大,最长久,才能持续利用。另外,芦苇又是重要的造纸原料、建筑材料和纺织材料,因此,芦苇湿地净化污水是一条集经济、社会、生态三效益的植物净化污水的途径,具有广阔的应用前景。
4结 论
1.芦苇湿地对污水中的氮、磷的净化效果十分明显,在一个月内对污水中按氮的平均去除率可达到94%, TN的平均去除率可达74%. TP平均的去除率可达97%. . 芦苇湿地中芦苇的密度越大及灌入湿地中污水的氮、磷的浓度越大,其净化能力越强。芦苇的不同部分对污水中氮磷的净化能力不同,芦苇地上部分单位干重对氮的净化能力大于地下部分单位干重,地上部分单位干重对氮的吸收量大约是地下部分单位干重的2.34倍;而地下
部分单位干重对磷的挣化能力大于地上部分单位干重,地下部分单位千重对磷的吸收量大约是地上部分单位干重的1.74倍。
2.芦苇地下茎仅分布于地表以下0-80cm,随着土壤深度的增加,节间长度增加,节间着生的不定根数减少。地下茎的生物量主要分布在20-40cm。地下茎径级研究 表明,直径<>2c。的地下茎主要分布于 20-60cm。和正常苇地的芦苇相比,退化苇地芦苇的地下茎表现为生物量降低,节间缩短,节处着生不定根数减少,直径<>2cm的地下茎总长度所占比例减少。
3.芦苇根系分布于 0-100cm的土层内,随着土壤深度的增加,根量和根长均减少。根系径级研究表明,芦苇根系以直径<1。的最多,其主要分布于。-40cm;直径 1-2mm的根系在 0^-80cm的剖面上均有分布,直径>>2mm的根系则主要分布在40-60cm,即随着土集深度增加,粗根在土壤剖面中的比例增加。和正常苇地的芦苇相比, 退化芦苇根系表现在生物量降低,其生物量和根长分别
为正常芦苇的 57.95%和65.02% ,根系分布的深度变浅。直径<<1,的细根所占比例减少,直径 1--2mm和直径>2mm的粗根数量增加;在一个生长季里,芦苇根系和地上部分生物量的变化均为单峰形,其中根系的峰值在8月份左右,而地上生物量的峰值在10月份左右。
4.芦苇对土壤理化性质产生影响,使苇地土壤容重减轻,孔隙度增加,有机质、全氮、全磷含量提高。回归分析表明,土壤孔隙度、有机质、全氮、全磷的含量均和芦苇根重、根长之间有显著的正相关关系。