沉水植物菹草生物学特性及对污染水体净化能力的研究

摘要

在水域生态系统中,水生植物是水体保持良性运行的关键类群。水生植物可分为挺水植物、沉水植物、浮叶植物和漂浮植物四类。其中沉水植物因为其完全水生的特点,在各类水生植物中与水环境关系最为紧密,被称为“水下森林”,具有极大的生态价值。沉水植物可为水生经济动物提供食物、栖息和繁育场所、充足的溶解氧和良好的水质,还是维持水体生物多样性的基础。更重要的是,沉水植物在进行生长繁殖等生命活动的同时,影响着水域生态系统的过程,并对水体有显著的净化功能。菹草(Potamogeton crispus L.)是眼子菜科(Potamogetonaceae)多年生草本,是一种典型的秋季发芽、越冬生长、春季繁盛、夏季消亡的冬春型沉水植物。菹草适应能力强,在受污严重的水体中生长茂密,可作为冬春季节净化水质的主要沉水植物。 天津市区河道水网密集,但所辖海河各支流河段均呈静态“湖泊”状态,各河段的污染比较严重。尤其盛夏某些河段河水腐臭原因被归结为“水草”(以菹草为主)的生长,相反城郊的杨柳青地区,包括菹草在内的水草丰富多样,夏季并未出现河水腐臭现象。菹草到底对水质有怎样的影响,这种影响有怎样的时空特征,以及如何在河道管理上科学利用菹草的生物生态学特性改善污染水体,是当前水生植物研究和城市水环境管理中急待解决的问题。 本文就天津河道中菹草的发育节律、生物生态学特性(包括菹草石芽大小和贮藏温度对萌发及幼苗生长的影响和菹草无性系季节生长速度和生物量分配特征),以及对污染水体的净化能力(包括低温条件下对重金属Cu2+、Pb2+、Zn2+离子的吸附和富集及对冬季城市河流氮磷营养盐的积累)展开研究。主要研究结果如下： (1)成熟的菹草石芽大小不一,按鲜重划分重量等级,各等级石芽数量占总数量的百分比差异很大,重量中等的石芽数量占到80％以上；重量对石芽最终萌发率没有影响,但重量小的石芽萌发时间较早,重量大的石芽虽然萌发较晚但是最终萌生的幼苗数目较多。石芽重量和萌发结束时幼苗数目之间呈显著的线性正相关(p<0.05);连续去苗过程中,重量大的石芽萌发率和萌发幼苗数保持较高水平；经过贮藏的石芽与未经贮藏的石芽相比,萌发快且萌发整齐。 经过15℃贮藏的石芽萌发最早,高温(25℃)和低温(4℃)贮藏均会使石芽最终萌发出的幼苗数目减少,三种温度下贮藏的石芽最终萌发率和幼苗长度无显著差异。 (2)随着菹草无性系的生长,叶生物量比例增高,茎生物量比例降低,根状茎和根生物量占总生物量的比例较稳定,成熟无性系各组分所占比例依次为叶>茎>根状茎和根；各发育阶段无性系小株生物量增长特征不同,越冬期和繁殖期小株叶、茎生物量均与小株株高呈幂函数异速生长。而指数生长期叶生物量与小株株高呈指数生长,各发育阶段小株总生物量向叶茎组分的分配比例不同；无性系小株上部、中部、下部叶面积与小株株高之间在幼苗生长期和越冬期呈幂函数异速生长,而在指数生长期和繁殖期呈线性同速生长,尤其上部叶面积与高度间极显著正相关的水平最高。 (3)菹草对Cu2+,Zn2+的吸附在20 min内达到平衡,对Pb2+的吸附在50 min内达到平衡,吸附动力学结果符合伪二级动力学方程,决定系数分别达1,1,0.9978。Freundlich等温线可较好地拟合菹草吸附Cu2+,pb2+,Zn2+的过程,Cu2+,Pb2+,Zn2+的吸附容量分别达到66.9006,26.5430,30.3718 mg·L-1。以去离子水作洗脱剂,解吸液中三种重金属离子浓度均低于日立180-80原子吸收仪检出限(0.01 mg·L-1)。含重金属水体投放菹草后,随着初始处理浓度的升高,水体Cu2+的去除率先降低后升高,pb2+的去除率的变化趋势与Cu2+类似。Zn2+去除率则随水体Zn2+初始浓度的升高而逐渐升高。菹草各器官对水体三种重金属离子的富集能力不同,排序为Cu2+>Zn2+>pb2+。不同器官对同一种重金属离子的富集量差异显著,叶是富集重金属离子的主要器官。水体重金属离子的初始浓度会影响菹草各器官的富集能力,一般随水体重金属初始浓度升高,菹草各器官的重金属离子富集量虽有不同程度的增加但富集系数持续减小。 (4)津河不同河段水质存在显著差异,友谊路桥河段水体的总氮、总磷、氨氮、高锰酸盐指数明显高于长江道桥和晋宁桥河段水体,生长于不同河段的菹草组织中尤其是叶、茎的氮含量差异显著,叶、茎氮含量与水体氮含量正相关,菹草组织中的磷含量与相应河段水体总磷的相关性不大,却显著受到水体CODMn的影响,CODMn过高抑制菹草对磷的积累。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

第一节沉水植物的定义

第二节沉水植物生物学特性研究概述

1.2.1沉水植物特征的定性描述

1.2.2沉水植物生物生态学特征的研究

1.2.3沉水植物繁殖生物学特征的研究

第三节沉水植物与环境关系概述

1.3.1沉水植物的环境价值

1.3.2沉水植物的渔业价值

1.3.3环境因子对沉水植物的影响

第四节本文研究目的和内容

1.4.1本论文研究目的和意义

1.4.2本论文主要内容

第二章菹草生物学特性的研究

第一节菹草石芽大小和贮藏温度对萌发及幼苗生长的影响

2.1.1研究目的与方法

2.1.2研究结果与分析

2.1.3讨论

第二节菹草无性系季节生长速度和生物量分配特征

2.2.1研究目的与方法

2.2.2研究结果与分析

2.2.3讨论

第三章菹草对污染水体净化能力的研究

第一节菹草低温条件下对重金属Cu、Pb、Zn的吸附和富集

3.1.1研究目的与方法

3.1.2研究结果与分析

3.1.3讨论

第二节菹草对冬季城市河流氮磷营养盐的积累分析

3.2.1研究目的与方法

3.2.2研究结果与分析

3.2.3讨论

第四章研究展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果