基于底栖食物链原理的富营养水体水质改善的研究

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富营养化是我国面临的主要水环境问题之一,营养盐输入的控制与水体营养盐的去除是富营养水体修复的关键。目前,有关富营养水体中营养盐原位去除的机理仍缺乏有效的研究。附着生物是水生态系统中重要组成部分,在水生态系统中扮演着重要的角色。附着基具有着特殊的表面结构,能够促进附着生物群落的建立,因此被广泛应用于富营养水体水质改善工程中。本论文通过比较不同材料和密度附着基附着生物的增长速率与营养盐富集速率,筛选出适宜的人工附着基材料与结构以及附着基密度。同时探讨螺类牧食附着生物与机械移除附着生物对附着生物生长与营养盐富集效率的影响,构建并优化“附着生物-牧食螺类”复合系统,从而达到持续高效改善富营养水体水质的目的。实验结果如下:  (1)不同附着基改善水体水质的效果不同,为筛选净化水质效果较好的附着基,对比了三种人工附着基(玻璃纤维网、尼龙网和聚乙烯网)对富营养水体水质的改善效果。结果表明:三种附着基显著降低了水体中氮磷浓度,其中尼龙网和聚乙烯网对氮的去除效果显著优于玻璃纤维网,聚乙烯网对磷的去除效果显著优于其他两种;同时三种附着基明显抑制了浮游植物的生长,但是三种人工附着基之间没有显著差异。分析认为附着基上附着生物的生物量、增长率、营养盐的释放程度以及附着生物的种类很可能是造成净化水质效果差异的主要原因。因此,聚乙烯网片净化水质效果明显、性质稳定、价格经济,是一种比较理想,可以大规模实际应用的人工附着基。  (2)附着基可以有效的改善富营养水体水质,为提高附着基对富营养水体水质的净化效果,是否可以适当增加附着基密度?因此,设计了不同附着基密度对富营养水体净化效果的实验。以聚乙烯网片为人工附着基,比较了三种密度(无网片对照、低密度和高密度)附着基对富营养水体水质的改善效果。结果表明聚乙烯网片的布设密度越高,对水质的改善效果越明显。实验结束时低密度和高密度网片组水体叶绿素a的浓度较之于无网片组分别降低了17.77%和50.95%,总溶解磷分别下降了9.0%和17.22%,总溶解氮分别下降了25%和31%。因此在富营养水体的生态修复工程中,可以在成本许可的范围内布设较高密度的人工附着基。  (3)附着基上的附着生物积累到一定生物量时,其对营养盐的富集速率会显著降低,螺类可以牧食附着生物,控制附着生物的过度积累。设计了双因素(螺、附着基)四处理(无螺无网、无螺有网、有螺无网、有螺有网)的室外受控实验,探究人工附着基(聚乙烯网片)对富营养水体水质的改善效果及其与螺类牧食的关系。结果表明:人工附着基和螺显著降低了水体营养盐和叶绿素a浓度,并且两者之间存在交互作用。在无螺和有螺的处理中,有网处理组较之于无网处理组的叶绿素a浓度分别下降81.04%和91.17%,总氮分别下降41.54%和51.11%,总磷分别下降7.87%和34.18%。实验结果表明螺类牧食能够显著促进附着基对水体的改善效果。  (4)附着基上的附着生物积累到一定生物量时,其对营养盐的富集速率会显著降低,因此在工程中需要对附着基上的附着生物进行定期的移除。在本实验中,我们设计了双因素四处理(无螺不刷网组、无螺刷网组、有螺不刷网组、有螺刷网组)的室外受控实验,比较螺类牧食和机械移除两种移除方式下,附着基(聚乙烯网片)对富营养水体水质的改善效果。结果表明:牧食螺类显著降低了叶绿素a浓度,刷网对此无影响,但两者之间存在交互作用,在无螺的系统中,刷网组叶绿素a比不刷网组低37%,在有螺的系统中,刷网组比不刷网组高30%。刷网和螺对水体中的氮产生了显著的影响,并且两者之间存在交互作用。在无螺的系统中,刷网组氮的浓度比不刷网组降低了13.8%,在有螺的系统中无显著差异。牧食螺类显著降低了水体中磷的浓度,刷网对此无影响,但两者之间存在交互作用,在无螺的系统中,刷网组磷的浓度比不刷网组低33.82%,在有螺的系统中,刷网组比不刷网组高35.56%。但整体而言,有螺组水体各项指标低于无螺组。因此,利用牧食螺类可以在一定程度上代替附着生物的机械移除,从而达到附着基对富营养水体长时间的改善目的。
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