不同水生植物对富营养化水体净化效果和机理的比较

摘要

过量氮素输入水体生态系统是引起水体富营养化的主要因素之一。为了准确、快速、精确地监测水体富营养化状况，首先需要在现有检测方法的基础上，进一步改进，建立快速分析各种形态氮的方法。硝酸盐是富营养化湖泊、河流、水库水体中氮的主要存在形态，论文首先建立了水体硝酸盐氮连续流动分析仪的快速分析方法，期望为快速、精确测定水样中的硝酸盐提供技术支持，同时为监测水生植物净化富营养化水体的效果提供良好的检测手段。然后，开展关于水生植物净化富营养化水体效果和机制的研究工作。选取4种不同生活型的水生植物（漂浮植物凤眼莲和水浮莲、浮叶植物菱角、沉水植物轮叶黑藻）为供试植物，构建富营养化水体微宇宙(microcosm)净化系统，在植物生长初期（6-7月）、快速期（7-8月）和缓慢期（9月），综合考察四种水生植物:1）吸收富集氮磷能力;2）去除上覆水体中氮磷的效率;3）调节水体生物代谢活动释放气体（包括微生物驱动的生物脱氮气体N2O、N2释放）过程的能力;4）调节反硝化微生物丰度和理化环境因素的能力;5）调节底泥释放与吸附氮磷的能力。在此基础上，用稳定性同位素N-15示踪技术研究漂浮植物凤眼莲对水体氮迁移、转化过程的影响。主要结果如下:
　　1)建立了富营养化水体中硝酸盐氮流动分析仪快速分析方法:测定标准曲线回归方程为y=8E-06x+0.012,相关系数R2=0.9999。检出限0.02 mg/L，10次测定相对标准偏差小于1％，加标回收率97.24％-103.60％。
　　2)漂浮植物对上覆水体氮磷的净化效率最高、效果最好。其中凤眼莲对水体氮的效率最好，水浮莲对水体磷的净化最快。凤眼莲三个阶段对水体TN的表观去除率分别为99.67±0.27％、96.26±0.88％和63.86±3.77％，对水体TP的表观去除率分别为92.67±3.77％、92.82±2.11％和98.04±0.45％，植物缓慢生长期水浮莲对TP的表观去除率最高，为98.79±0.35％;沉水植物黑藻去除上覆水体氮素的表观去除率最低，浮叶植物菱角去除上覆水体磷的表观去除率最低。各类植物净化水体氮的去除效率最快为快速生长期;除黑藻外，其他处理净化磷去除效率最快为快速生长期，其次是生长初期。四种植物体内富集氮能力的顺序为:凤眼莲＞水浮莲＞菱角＞黑藻，漂浮植物富集磷的能力大于菱角和黑藻。
　　3)种植沉水植物的水体释放N2、 O2的通量以及气体总量明显高于其它类型水生植物。种植菱角的水体释放N2O通量最高。水体中基因丰度相较，漂浮植物小于沉水植物和浮叶植物;菱角和对照水体基因丰度是生长初期阶段大于快速阶段，其余处理则相反。四种植物调节水体反硝化基因nosZ、nirS、nirK丰度和理化环境因素的能力具有差异，这会导致其调节水体氮微生物转化过程的程度具有差异。两个生长阶段相比，各处理根系基因丰度大小顺序基本上是快速阶段大于初期阶段。
　　4)凤眼莲能够从水体中同时吸取氨态氮和硝态氮，对氨态氮具有优先吸收的偏好性。凤眼莲的存在可促进水体硝化反硝化反应的进行。通过人为分隔叶室和根室的N-15示踪实验，叶室中检测到反硝化气体15N2O、15N2,但叶室与根室没有气体和营养盐的交流，证明凤眼莲植株具有发达的通气组织从而成为水体释放微生物脱氮气态产物的重要通道。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 水体富营养化介绍

1．1．1 水体富营养化的含义及危害

1．1．2 水体富营养化的危害

1．1．3 我国水体富营养化的现状

1．1．4 治理水体富营养化的方法

1．2 水生植物治理富营养化水体的机制

1．2．1 水生植物在水生生态系统中的作用

1．2．2 水生植物去除水体中N、P的机制

1．2．3 水生植物系统对氮、磷去除机制的区别

1．2．4 水生植物净化水体中氮的效果及机理

1．3 硝酸盐氮流动分析仪快速分析方法

1．3．1 硝酸根测定方法简介

1．3．2 流动分析仪测定原理

1．3．3 流动分析仪的应用

1．4 本研究的主要内容及其目的、意义

1．4．1 本研究的主要内容及其技术路线

1．4．2 本研究的目的和意义

2 硝酸盐氮连续流动分析仪快速分析方法的建立

2．1 实验部分

2．2 主要技术指标测试

2．2．1 标准曲线的绘制

2．2．2 方法精密度

2．2．3 方法准确度

2．2．4 检出限

2．3 结果与讨论

2．3．1 标准曲线绘制

2．3．2 精密度结果

2．3．3 加标回收率结果

2．3．4 检出限结果

2．4 本章小结

3 不同类型水生植物净化富营养化水体的效果研究

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验设计

3．1．3 分析方法

3．1．4 数据处理

3．2 实验结果

3．2．1 种植不同类型水生植物不同生长阶段水体各种形态氮的变化规律

3．2．2 种植不同类型水生植物不同生长阶段水体各种形态磷的变化规律

3．2．3 种植不同类型水生植物不同生长阶段底泥间隙水TN、TP、NH4-N、NO3-N、PO4-P及底泥中TN、TP的变化

3．2．4 种植不同类型水生植物不同生长阶段水体TN、TP表观去除率

3．2．5 种植不同类型水生植物不同生长阶段水生植物对氮、磷的吸收作用

3．2．6 种植不同类型水生植物不同生长阶段水体及底泥其它环境指标的变化

3．2．7 种植不同类型水生植物不同生长阶段对水体环境因子的影响

3．3 讨论

3．4 小结

4 不同类型水生植物对富营养化水体氮生物转化过程的影响研究

4．1 材料与方法

4．1．1 试验材料

4．1．2 试验设计

4．1．3 分析方法

4．1．4 水体释放气体收集及气体释放速率计算方法

4．1．5 数据处理

4．2 实验结果

4．2．1 种植不同类型水生植物的水体释放气体规律研究

4．2．2 种植不同类型水生植物的水体硝化、反硝化基因丰度

4．3 讨论

4．4 小结

5 漂浮水生植物对富营养化水体氮迁移、转化途径的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 实验植物

5．1．2 实验用富营养化水体

5．1．3 实验设计

5．1．4 实验测试方法

5．2 实验结果

5．2．1 漂浮水生植物对富营养化水体生物脱氮气态产物15N2O输移过程的影响

5．2．2 漂浮水生植物植株体对水体氮的吸收富集特征

5．2．3 富营养化水体中氮素的转化特征

5．3 讨论

5．4 小结

6 全文总结与研究展望

6．1 结论

6．1．1 硝酸盐氮连续流动分析仪快速分析方法的建立

6．1．2 不同类型水生植物净化富营养化水的效果研究

6．1．3 不同类型水生植物对富营养化水体氮生物转化过程的影响研究

6．1．4 漂浮水生植物对言营养化水体氮迁移、转化途径的影响

6．2 研究特色与创新点

6．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况