沉水植物腐解对水体水质的影响

在玻璃温室大棚内,模拟太湖的水、土、植物情况,研究了苦草在衰亡腐解过程中营养盐的释放规律以及对水体水质的影响,并初步探讨了其影响机理. 在初始生物量为689g/m2的条件下,苦草衰亡与腐烂分解对水体水质的影响呈2个阶段. 第1阶段为10月—翌年2月寒冷的秋、冬季节,表现为降解释放过程,但这一过程向水体及底泥中释放的碳、氮、磷较少,大部分碳、氮、磷仍保留在苦草残体中,水体pH及ρ(DO)也没有明显的变化. 第2阶段为3—4月天气回暖后,苦草残体的腐解速率急剧加快,向水体及底泥释放大量营养盐;3月水体TOC、TN、TP总量较2月分别增长了216.64%、60.96%、144.40%,底泥中TOC、TN、TP总量分别增长了31.20%、9.41%、19.99%;pH增长了6.27%,ρ(DO)降低了91.5%. 沉水植物腐解过程中各营养盐的赋存形态不断发生转化,并在水-底泥-植物三者间进行迁移.      

腐解黑藻生物量对高硝态氮水体氮素的影响

采用常见沉水植物黑藻为试验材料,引入太湖底泥并设定上覆水初始ρ(硝态氮)为15 mg/L,模拟初春沉水植物大规模腐烂时的温度,开展为期32 d的黑藻腐解试验研究. 结果显示,黑藻腐解对水体中ρ(氨氮)与ρ(硝态氮)之和的影响呈U字型,试验条件下黑藻腐解生物量为2.0 g(相当于0.111 kg/m2)时,水体中ρ(氨氮)与ρ(硝态氮)之和最低. 随着黑藻的腐解,释放进入水体的有机质和氮素增加,但同时也提高了水体中的ρ(TOC)/ρ(硝态氮)值,降低了Eh,提高了微生物的活性,因此有利于反硝化反应的发生.      

沉水植物黑藻腐解对微囊藻休眠体复苏的影响

模拟沉水植物黑藻(Hydrilla verticillata)生物量(以湿质量计)分别为0、10、25和50 g时,在17℃下腐解过程中对微囊藻(Microcystis)休眠体复苏的影响,并通过测定沉积物和上覆水的理化指标,探究腐解过程中环境因素的变化及其对微囊藻复苏的影响.为期84 d的腐解试验结果显示,沉水植物黑藻的腐解对微囊藻休眠体复苏具有抑制作用,且黑藻生物量越高抑制作用越强.另外,水体及沉积物中的TN、TP和总有机物含量,沉积物表面的光照强度及pH均随黑藻的腐解时间及黑藻生物量的不同而变化.黑藻的腐解会使沉积物中w(TN)升高;与无黑藻组相比,黑藻生物量越多释放到上覆水中的TN越多,但由于沉积物的吸附及微生物的作用,各试验组中上覆水ρ(TN)呈逐渐下降趋势;黑藻的腐解引起沉积物w(TP)显著升高,并在短时间内造成上覆水中ρ(TP)增加,64 d后复原到初始水平;沉积物及水体中的总有机物含量呈先升后降的趋势,在腐解后期水体中ρ(TOC)基本恢复到初始水平.在腐解过程中抑制微囊藻复苏生长的因素可能包括ρ(TP)的升高及光照强度和pH降低.      

苦草光合作用日变化对水质的影响

通过静态模拟试验研究晴天时苦草(Vallisneria asiatica)的光合作用日变化对水质的影响. 分别采用水下饱和脉冲荧光仪(Diving-PAM)和多参数水质监测仪(YSI)在线监测苦草叶绿素荧光参数与水质,并定时采样测定水中营养盐的浓度. 结果表明,苦草叶片光合作用的相对电子传递速率(rETR)日变化与叶片表面的光合有效辐射(PAR)和温度同步,呈单峰曲线;光系统Ⅱ(PSⅡ)实际量子产量(Y)的日变化呈“W”型;水体的pH和ρ(DO)的日变化与苦草光合作用趋势一致,也呈单峰曲线,而电导率和浊度与光合作用没有相关性;水体中ρ(TN)一直保持稳定,ρ(TP)在23:00时出现峰值.苦草的光合作用能引起水体pH,ρ(DO)和ρ(TP)的改变;且pH和ρ(DO)对底泥磷释放的影响可能是一个动态平衡的过程.      

静水与流水条件下沉水植物生长对上覆水和沉积物磷迁移的影响

沉水植物生长可有效降低河湖内源磷污染. 为探究沉水植物在静水(v=0 m/s)和流水(v=0.10 m/s)条件下对上覆水和沉积物磷迁移影响,选取苦草(Vallisneria natans)和黑藻(Hydrilla verticillata)为研究对象,测定其生长期间上覆水、沉积物中各形态磷含量和沉水植物生物量,并监测环境因子变化. 结果表明:①苦草和黑藻生长期间上覆水和沉积物中各形态磷含量总体呈下降趋势,并在一定时期维持在较低水平. 相同流速下黑藻对上覆水磷的吸收效果优于苦草,苦草能抑制沉积物表面磷释放. ②试验20 d后,苦草和黑藻组上覆水各形态磷浓度显著低于对照组,试验结束时静水苦草组、静水黑藻组、流水苦草组和流水黑藻组上覆水TP(总磷)浓度相比对照组分别下降了0.13、0.15、0.19和0.25 mg/L. 静水条件下沉水植物以降低上覆水中DTP(溶解性总磷)为主,流水条件下以减少DTP和PP(颗粒磷)为主. ③试验结束时,苦草组和黑藻组沉积物TP含量在静水条件下分别下降了91.78、93.25 mg/kg,流水条件下分别下降了83.51、81.03 mg/kg;NaOH-P(NaOH提取磷)含量在静水条件下分别下降了57.76、55.86 mg/kg,流水条件下分别下降了24.52、19.24 mg/kg,沉积物从轻度污染逐步转为未受污染. ④试验50 d,苦草生物量在静水和流水条件下分别增加了353.08和402.03 g,黑藻生物量分别增加了415.00和477.08 g,沉水植物生物增长量在流水条件下显著高于静水组. 研究显示,苦草、黑藻生长均能有效吸收磷,在流水条件下可促进沉水植物生长和磷的吸收,同时改变了上覆水溶解氧(DO)浓度和pH等环境因子,从而影响磷在上覆水和沉积物的迁移及磷形态的转变.      

不同生物量苦草在生命周期的不同阶段对水体水质的影响

在玻璃温室大棚内,模拟太湖的水、土、植物情况,研究了不同生物量苦草在1年内生命周期中不同阶段对水体水质的影响.研究结果表明,不同生物量的苦草在对水体水质的影响有较大的差异,此差异受苦草生长状况的影响显著.通过单因素方差分析得出从整个生命周期看,苦草生物量为992.00g时,对水体pH值影响最大,不利于苦草吸收NH4+-N和ρ(TOC)的降低;为496.00g时,水体ρ(DO)的周年平均值处于较高水平,约8.65mg/L;为228.00g时,有利于ρ(TP)的降低,不利于其吸收NO3--N和ρ(TN)的降低.其中,生长期,苦草对水体营养盐的去除率随生物量的增加不断增大,当生物量达到2380.00g时,去除率放缓;衰亡期,苦草生物量为168.00g时,水体TN去除率取得极大值,为784.00g时,水体TP去除率取得极小值.最终确定214.00g的苦草残余生物量为最佳滞留量,此时苦草密度为118.00g/m2.     

水体的营养水平对苦草(Vallisneria atans)生长的影响

在室外控制条件下,以太湖梅梁湾水体现状营养水平(ρ(TN)为5 mg/L和ρ(TP)为0.2 mg/L)为依据,研究营养盐含量升高对苦草生长的影响.结果表明:①在满足光补偿点及无种间竞争等的条件下,苦草在营养水平为ρ(TN)＞10 mg/L和ρ(TP)＞0.4 mg/L的水中也能成活.②随着营养盐含量的升高,苦草生物量的增长率逐渐降低,当水中ρ(TN)达到10 mg/L和ρ(TP)达到0.4 mg/L时,苦草的生物量开始减少;营养盐含量升高对苦草叶片特征的影响不明显,而苦草根状茎的生物量却随着营养盐含量的升高而逐渐减少,当水体营养水平达到ρ(TN)为10 mg/L和ρ(TP)为0.4 mg/L时,除叶片长度外,苦草的其他形态指标值均显著下降.③在梅梁湾水体现状营养水平的基础上,当水中磷含量增加1倍时对苦草生长造成的抑制作用大于氮含量增加1倍时;当二者均增加时,对植物生长造成的抑制作用显著增加.     

沉水植物生长期对沉积物和上覆水之间磷迁移的影响

分别在春季培养黑藻(Hydrilla verticillata)和苦草(Vallisneria natans),在冬季培养菹草(Potamogeton crispus),跟踪监测在沉水植物影响下环境因子的变化,及上覆水和沉积物各形态磷的浓度变化,以探讨沉水植物对磷在沉积物和上覆水中迁移转化的规律.结果表明,不同季节实验条件下沉水植物均能不同程度降低上覆水中各形态磷的浓度.在植物生长期上覆水磷浓度保持在相对较低的水平,黑藻、苦草和菹草组上覆水中总磷(TP)的浓度分别保持在0.03～0.05、0.04～0.12和0.02～0.11 mg.L-1.沉水植物组沉积物中各形态磷的浓度均呈现不同程度的降低,黑藻、苦草和菹草组沉积物TP的含量最大降低幅度分别为35.34、60.67和25.92 mg.kg-1.植物组上覆水溶解氧(DO)、氧化还原电位(Eh)和pH均显著提高(DO 10.0～14.0mg.L-1;Eh 185～240 mV;pH 8.0～11.0),沉积物中Eh(-140～-23 mV)也明显提高,并使得沉积中pH保持在中性范围内(7.2～8.0).沉水植物通过提高上覆水中的DO、Eh和pH及沉积物Eh的方式影响上覆水和沉积物之间磷的迁移转化.     

洱海湖滨带挺水植物残体腐解特征及其环境效应初探

采用试验模拟的方法,研究洱海4种主要挺水植物茭草(Zizania caduciflora)、香蒲(Typha latifolia)、水葱(Scirpus validus)和芦苇(Phragnites australis)在水体中的腐解特征. 结果表明:在21 d的腐解试验中,水葱腐解速率最快,茭草和香蒲其次,芦苇最慢; 挺水植物单位干物质TN释放量表现为水葱>茭草≈香蒲>芦苇,TP释放量表现为水葱>茭草>香蒲>芦苇; 4种植物TP释放率均高于TN,腐解出的TP进入水体的比例也明显高于TN. 水体中ρ(TN),ρ(TP)及ρ(COD_Cr)均在腐解初期(1～3 d)快速上升,pH和ρ(DO)快速下降; 随后,ρ(TN),ρ(TP)及ρ(COD_Cr)均缓慢下降,pH和ρ(DO)则缓慢回升. 结合洱海湖滨带挺水植物空间分布的调查结果,估算全湖湖滨带4种挺水植物中TN和TP的总质量分别为17.622和2.870 t,其中茭草和香蒲中的TN和TP分别占91%和95%,对茭草和香蒲进行适时、适宜的收割对改善湖滨带的水质具有重要的意义.      

苦草不同生命阶段对水体、底泥中氮迁移转化的影响

沉水植物的生长发育、衰亡过程会对水体中氮循环产生一定影响。为了研究氮在水体-底泥-沉水植物系统中的迁移转化规律,构建了人工模拟的水体-底泥-沉水植物(苦草)系统,连续270 d测定了苦草整个生命周期内水体、底泥、苦草中总氮(TN)及各形态氮浓度的变化。结果表明,在苦草生长期的前90 d中,苦草生物量增长了近30倍,水体和底泥中的TN浓度都有所降低;90 d之后苦草陆续进入衰减期及腐解期,整个体系的TN浓度持续下降,在第180天时苦草组的水体及底泥TN浓度都小于空白组。至试验结束的第270天,苦草已经完全腐解,底泥中TN浓度比第180天下降了9.11%,但水体中的TN浓度与第90天时相当,是第180天的2.42倍。苦草组底泥及苦草中的NH+4-N和NO-3-N浓度在试验周期内变化较大,NH+4-N和NO-3-N在生长期由底泥迁移到苦草中,被植物吸收和利用,随着苦草的逐渐衰亡腐解,NH+4-N和NO-3-N大量释放,一部分沉积在底泥中;而空白组NH+4-N和NO-3-N浓度在底泥及水体中波动不大。     

蓝藻腐解对水中营养盐影响的模拟研究

为研究不同密度藻类腐解过程对水体营养盐再分配的影响,在太湖藻类聚集区采集沉积物柱状样进行室内加藻模拟实验,共设置B、C、D 3组加藻密度分别为2500、7500和15000 g·m-2的处理组,监测蓝藻腐解过程中上覆水体的溶解氧(DO)、氧化还原电位(Eh)、氨氮(NH_4~+-N)、总氮(TN)及总磷(TP)等理化指标的变化情况.结果表明,蓝藻腐解会使水体DO和Eh迅速下降,最终分别维持在0.1 mg·L~(-1)左右和-300~-400 mV之间,水体处于厌氧强还原状态;同时,厌氧强还原条件又加速了蓝藻死亡腐解过程,促进了藻体营养盐向上覆水的扩散,B、C、D组营养盐含量分别于实验第6、第10和第14 d达到峰值,TN平均增长速率分别为26.67、43.41和67.82 mg·L~(-1)·d~(-1),TP平均增长速率分别为3.30、5.53和8.35 mg·L~(-1)·d~(-1),NH_4~+-N浓度最大值分别为对照组的7、51、125倍,水体形成明显的氮磷污染负荷,且蓝藻衰亡导致的上覆水TN浓度升高持续时间较TP浓度升高持续时间要长.研究表明,蓝藻水华腐解过程中向上覆水体释放了大量的有机物和可溶性营养盐,降低了水体透明度,加剧了水体富营养化状况,诱发湖泛发生,也为蓝藻水华再次爆发提供了物质基础.     

过氧化钙(CaO2)联合生物炭对河道底泥的修复

底泥内源污染是导致河道黑臭反复的主要因素.为防止河道黑臭现象反复,以无锡市滨湖区某一河道为实验地点,采用CaO_2联合生物炭原位覆盖技术修复黑臭河道底泥,研究了该技术对泥水水质、底泥酸挥发性硫化物(AVS)和磷形态以及微生物的影响,探究该技术对黑臭底泥修复效果.结果表明, CaO_2联合生物炭覆盖可显著提高泥水体系溶解氧(DO)浓度和氧化还原电位(ORP),其中上覆水DO浓度和ORP分别保持在2 mg·L~(-1)和50 mV以上.间隙水氨氮(NH~+_4-N)、化学需氧量(COD)和总磷(TP)去除率分别达到了43.40%、 41.18%和50.97%.底泥AVS去除率达到了37.03%,高通量测序表明,底泥厌氧微生物相对丰度明显降低,出现热单胞菌属(Thermomonas)、Dechloromonas、变形菌属(Proteus hauser)、脱硫微菌属(Desulfomicrobium)和硫杆菌属(Thiobacillus)等脱氮除硫菌群.底泥中磷转化为稳定的铁铝结合态磷和钙结合态磷.因此,CaO_2联合生物炭原位覆盖对黑臭底泥具有良好的修复作用.     

刚毛藻分解对上覆水磷含量及赋存形态的影响

在荣成天鹅湖刚毛藻暴发区域采集新鲜沉积物和刚毛藻进行室内模拟试验,定期监测上覆水中溶解氧(DO)、pH和电导率等理化参数,分析水体总磷(TP)、可溶性总磷(DTP)、可溶性磷(SRP)、溶解性有机磷(DOP)和颗粒态磷(PP)的含量变化,并探讨了刚毛藻分解对沉积物磷释放的影响.结果表明,刚毛藻分解过程中上覆水DO含量明显降低,其中30 g藻+水+沉积物处理基本维持在厌氧状态(0～0.17 mg·L-1);各处理水体pH值略有降低,加藻处理约降低了1个单位.刚毛藻分解使上覆水总磷及各形态磷含量大幅上升,且随藻量的增加,上升幅度变大,其中TP含量变化在0.04～1.34 mg·L-1之间.藻+水处理上覆水中磷的形态以DOP和PP为主,而藻+水+沉积物处理SRP含量明显升高.结果说明,刚毛藻分解过程中自身可释放大量的磷,且释放形态以PP和DOP为主;另一方面,藻类分解可明显促进沉积物中磷的释放,从而使得上覆水SRP含量大幅增加.     

三峡库区典型消落带草本植物氮磷养分浸泡释放实验

三峡库区消落带植被淹水后腐烂分解,可能成为影响库区水环境安全的重要营养源.以三峡库区6种消落带优势草本植物茎叶为材料,利用室内浸泡模拟实验,测定上覆水中氮磷浓度的变化,结合初始基质碳、氮、磷含量分析,力图查明消落带草本植物淹水后氮磷养分释放特征.结果表明:①消落带植物初始基质碳、氮含量差异显著,而磷含量彼此相近.②消落带植物淹水分解造成上覆水pH升高,氧化还原电位(Eh)降低,氮磷养分快速释放和上覆水氮磷浓度增加,总氮(TN)和总磷(TP)释放量分别为(3.85±2.53)、(1.33±0.73)mg.g-1.消落带植物淹水TN和氨氮(NH4+-N)的释放过程呈抛物线状,TP呈对数曲线状.TN、TP的释放峰值时间平均15 d,NH4+-N平均33 d.养分释放量和释放速率均呈TN>TP>NH4+-N的特点,消落带植被经过3个月的浸泡,TN、NH4+-N和TP的释放负荷分别为:22.4、8.9、4.5 kg.hm-2.③植物初始基质的C含量越低,N、P含量越高,植物淹水后氮磷养分的释放量和释放速率就越大.     

CaO2不同投加方式对黑臭河道底泥内源磷释放抑制作用

以S市某黑臭河道底泥和上覆水为研究材料,研究了CaO_2在3种不同投加方式下对内源磷释放的抑制效果.结果表明CaO_2在3种投加方式下,均导致上覆水中pH和DO有所增加.注射条件下,上覆水DO浓度明显低于覆盖,说明注射确实延缓了CaO_2的氧化速度,有利于创造底泥微氧化环境.CaO_2覆盖和注射条件下,上覆水中TP和DIP浓度以及变化趋势基本一致,均明显低于混匀条件.但是,覆盖条件下,间隙水中DIP浓度最高,达到注射条件下的120.33~142.18倍.相反,注射条件下,间隙水中DIP浓度最低,并且上覆水中DIP浓度也较低,说明注射条件下CaO_2对内源磷的释放确有抑制作用,这与其创造的微氧化环境密切相关.底泥中不同形态磷数量分布也证实了这一点.投加CaO_2加快了有机磷的矿化速度,铁铝结合态磷和钙结合态磷也明显增加,使得内源磷持留能力增强.     

黑藻与金鱼藻自然衰亡过程中营养盐释放规律研究

为研究在自然衰亡状态下黑藻（Hydrilla verticillata）与金鱼藻（Ceratophyllum demersum）营养盐释放规律,采用人工模拟的方式,于黑藻和金鱼藻进入衰亡期时,采用塑料薄膜捆扎植物根部的方式,阻隔水和底泥界面之间的物质交换,避免底泥释放对水营养盐的影响;同时,监测水中环境因子和营养盐的动态变化,分析营养盐的释放与环境因子之间的关系.结果表明:①黑藻和金鱼藻两种沉水植物在模拟自然状态下分解速率和生物量无显著性差异（P>0.05）,Olson指数的分解速率分别为0.011、0.010 d-1.②水中氮、磷质量浓度峰值在试验的第40~50天.水中磷形态以DTP（溶解性总磷）和SRP（溶解性活性磷）为主,氮形态以DTN（溶解性总氮）和NO₃--N为主.由于SRP、NO₃--N分别是DTP、DTN的组分之一,因此黑藻和金鱼藻在衰亡期向水中释放的氮、磷形态主要为NO₃--N和SRP.③环境因子pH、DO、ORP（氧化还原电位）均呈不同程度的先降后升趋势.主成分分析结果表明,金鱼藻和黑藻环境因子主成分F_j和F_h、生物量剩余百分比分别与两植物组营养盐第一主成分之间二次曲线拟合效果较好,因此通过对数据进行降维处理,可建立二者之间的函数方程.研究显示,黑藻和金鱼藻两种沉水植物自然分解速率基本一致,衰亡期间向水中主要释放NO₃--N和SRP,水中氮、磷质量浓度呈单峰变化,通过主成分分析可以建立环境因子和营养盐之间的函数关系.      

低剂量硝酸钙联合低氧曝气对黑臭底泥的修复探究

底泥内源污染是导致黑臭水体"反弹"的主要因素.为防止水体黑臭现象反复,以低剂量硝酸钙为修复剂,联合低氧曝气技术修复底泥,降低因ρ（NO₃--N）剧增而造成的生态风险,并对修复过程中菌群转化规律进行探究.结果表明:①当硝酸钙投加量为底泥质量的1.2%、低氧曝气量为0.05~0.10 m3/h时修复效果最佳,其上覆水中ρ（DO）和ORP分别升至4.08 mg/L和119.9 mV,NH₃-N、TOC（总有机氮）去除率平均值分别达42.5%和84.9%.②底泥中NH₃-N和AVS（酸挥发性硫化物）去除率平均值分别达76.8%和97.4%,投加低剂量硝酸钙不会造成NO₃--N在底泥中长期累积.③高通量测序分析表明,底泥优势菌群在纲水平上由梭菌纲（Clostridia）转变为γ-变形菌纲（Gamma-proteobacteria）,其相对丰度达60.0%,且厌氧菌群被有效抑制;在属水平上出现产黄杆菌属（Rhodanobacter）、硫杆菌属（Thiobacillus）和热单胞菌属（Thermomonas）等脱氮菌群.研究显示,低剂量硝酸钙+低氧曝气技术可有效改善底泥-上覆水体系DO条件,加快系统的脱氮速率,抑制AVS的生成,促进底泥优势菌群转化并降低生态风险.      

三峡库区消落带草本植物碳氮磷释放及影响因素

以三峡库区消落带优势草本植物狗牙根(Cynodon dactylon)、牛鞭草(Hemarthriaaltissima)、稗草(Echinochloacrusgalli)、狗尾草(Setariaviridis)和马唐(Digitariasanguinalis)为试验植物,在室内进行了为期60 d的淹水模拟试验,并对消落带优势草本植物淹水后TOC、TN和TP的释放特征及影响因素进行了研究. 结果表明:5种优势草本植物淹水后均可导致水中pH降低,TOC、TN和TP的U_max(最大单位累积释放量)分别为21.03~43.65、0.50~3.23和0.54~2.69 mg/g,U_max出现在淹水第15~20天,并且TOC、TN和TP的R(释放速率)差异显著;水体中微生物、水体温度和上覆水中ρ(TOC)、ρ(TN)、ρ(TP)对植物淹水后TOC、TN和TP的释放均有一定影响. 在对消落带植被调查研究的基础上,根据淹水试验植物的U_max,对蓄水后三峡库区消落带植被TOC、TN、TP的释放量进行了估算,在蓄水后20 d内,消落带植被可向水体释放大量的TOC、TN和TP,蓄水初期可能会引起库区局部水域水质恶化,影响水库的水环境安全.      

香溪河沉积物、间隙水的磷分布特征及释放通量估算

采集香溪河沿程5个样点不同季节、不同深度的沉积物,用Hedley分级方法分析磷形态及垂向变化特征,同时研究上覆水和间隙水理化性质对沉积物中磷释放的影响.香溪河上覆水及间隙水pH值范围为4.72~8.55,夏季呈弱酸性,秋季、冬季及次年春季pH值呈弱碱性;沉积物处于较强还原性环境;上覆水及间隙水总磷质量浓度(TP)年变化范围为0.02~0.48mg·L~(-1),沉积物TP含量为0.48~1.45 g·kg~(-1);沉积物中磷形态的含量为HCl-P(HCl提取态)Res-P(残余磷)NaOH-P(NaOH提取态磷)NaHCO_3-P(NaHCO_3提取态磷)H_2O-P(水提取态磷).沉积物-上覆水体交界面还原性环境有利于沉积物中磷向上覆水中释放;春季水体的弱碱性、夏季的弱酸性有利于沉积物向上覆水释磷,从而增加了上覆水体富营养化的风险;间隙水TP与沉积物TP含量密切相关;5个样点中有4个样点的PO_4~(3-)-P由间隙水向上覆水扩散,释放通量为0.01~0.04mg·(m~2·d)~(-1).沉积物是底层水体营养盐的重要来源.