蘇北農(nóng)村地區(qū)枯竭河床生態(tài)恢復(fù)方法研究

趙夢嫻，董 橋，陳澤雨，肖 揚(yáng)

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

農(nóng)村土地利用方式的改變和工業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大，導(dǎo)致農(nóng)村需水量激增，降低了水資源承載能力和水環(huán)境承載能力，嚴(yán)重?fù)p害了農(nóng)村河流生態(tài)健康，導(dǎo)致農(nóng)村河流瀕臨枯竭。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們的生產(chǎn)生活過程中，農(nóng)村已經(jīng)枯竭的河床的整治，成為了整治農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的重點部分[1]。河流生態(tài)系統(tǒng)在生物圈物質(zhì)循環(huán)過程中擔(dān)任著重要角色，承擔(dān)著調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境及維護(hù)生物多樣性等眾多功能，因此對河流生態(tài)系統(tǒng)的各種恢復(fù)措施進(jìn)行可行性研究，具有重大意義。

恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康，是指通過生物技術(shù)工程等手段對正逐漸干涸或已枯竭的河流進(jìn)行修復(fù)或重建。采用微生物技術(shù)修復(fù)污染水體，可以最大程度地克服傳統(tǒng)物化方法的缺點，且微生物具有資源豐富、實地操作性強(qiáng)等優(yōu)點，成為水污染修復(fù)的研究熱點。

隨著研究的擴(kuò)展與深入，人們發(fā)現(xiàn)植物也具有很好的修復(fù)效果，并且植物物種優(yōu)勢更為明顯：來源豐富、易培養(yǎng)、具有觀賞價值及可用于制備飼料或沼氣發(fā)電等。本文將植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于實驗室模擬河床生態(tài)恢復(fù)，并初步應(yīng)用于所選河道，驗證其實用性。

1 農(nóng)村河流現(xiàn)狀

近年來，國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人口急劇增長，國家政策支持鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)大規(guī)模發(fā)展，在環(huán)保方面未給予足夠重視，更由于技術(shù)原因，污水處理能力薄弱，污水排放難以達(dá)到地標(biāo)乃至國標(biāo)，導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)河流污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重，部分河流呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)。河流中氨氮、生化需氧量、化學(xué)需氧量、氟化物、總磷和揮發(fā)性物質(zhì)等參數(shù)超標(biāo)，且有明顯惡化趨勢。另外，各項水利工程的建設(shè)，造成了生態(tài)流量不足，河流形態(tài)表現(xiàn)出不連續(xù)性，部分河流甚至出現(xiàn)斷流的情況。農(nóng)村生活廢棄物處理不及時，垃圾傾倒，導(dǎo)致河床發(fā)生變化，加速河流枯竭。

2 生態(tài)恢復(fù)方法

結(jié)合農(nóng)村河流枯竭現(xiàn)狀，通過對半枯竭河床生態(tài)恢復(fù)問題進(jìn)行實際分析驗證，本文提出以下解決方式。

2.1 固廢處理

針對農(nóng)村生活廢棄物處理不及時，導(dǎo)致垃圾堆積，導(dǎo)致河床發(fā)生變化，加劇河流枯竭這個嚴(yán)重的問題，需要重視城市和農(nóng)村固體廢棄物的處理。河流在參與生態(tài)循環(huán)過程中，由于人們環(huán)保意識的淡薄，生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的固體廢物傾倒到水體中，影響水生生物的生長。根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》的分類，固廢分為城市生活垃圾、工業(yè)固體廢物、危險廢物。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活產(chǎn)生的農(nóng)藥固廢排入水體，超出水體自身凈化能力，造成水體富營養(yǎng)化，BOD、COD顯著增高，水生動物死亡，水體惡臭，失去生態(tài)循環(huán)功能。因此，在恢復(fù)水體生態(tài)之前，首先對固廢進(jìn)行處理，使得該河床處于生態(tài)恢復(fù)過程中，不受固廢處理影響。

2.2 土壤檢測

由于水體與土壤底泥之間存在著動態(tài)平衡，所以本項目采用土壤檢測確定該河道原有底泥是否適合進(jìn)行生態(tài)再生，如果不適合，對河道進(jìn)行底泥覆蓋。對該項目河床土壤土質(zhì)環(huán)境進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示，土壤的酸堿度、礦物質(zhì)含量等指標(biāo)均在生態(tài)再生恢復(fù)范圍內(nèi)，因此無需進(jìn)行重新覆土。

2.3 水體恢復(fù)

枯竭河床生態(tài)恢復(fù)最重要的問題是水體恢復(fù)，而植物和微生物在水質(zhì)環(huán)境修復(fù)枯竭河床生態(tài)恢復(fù)中起著重要作用。植物修復(fù)是指利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)、轉(zhuǎn)化和降解等作用機(jī)制，清除環(huán)境中污染物質(zhì)的一項新興污染環(huán)境治理技術(shù)。植物在生長過程中將有機(jī)物吸收到其體內(nèi)進(jìn)行降解，或通過根分泌物直接或間接地在根部將其降解，利用根際圈微生物，比如菌根、根際圈細(xì)菌等將其降解。作物根系廣泛地分布蔓延在土壤中，形成特殊的根際微生物生境，把土壤分為根際土壤和非根際土壤，并且發(fā)現(xiàn)根際土壤耗氧量要顯著高于非根際土壤[4]。借助植物治理富營養(yǎng)化水體具有多重優(yōu)點，治理效果明顯，是環(huán)境修復(fù)的重要手段。但該方法也存在一些缺陷，比如植物生長周期短，對氣候的依賴性較強(qiáng)，植物體死亡后需要進(jìn)行人工收割，否則腐爛后產(chǎn)生的有機(jī)物可能會造成水質(zhì)的進(jìn)一步惡化。

與植物修復(fù)類似，微生物在水體修復(fù)過程中亦存在一些不足，微生物在生長發(fā)育過程中，對溫度、pH等周圍環(huán)境因素有嚴(yán)格要求，并且在微生物發(fā)揮作用過程中存在周期性生長等現(xiàn)象，修復(fù)效率不高、需菌量大，還有部分菌有致病性或會產(chǎn)生某些有毒有害物質(zhì)。綜合分析植物與微生物在水體生態(tài)修復(fù)中的優(yōu)、缺點，本實驗采取植物-微生物共代謝的方式進(jìn)行。在植物生長過程中，通過根系為微生物提供必要的生活場所；同時，微生物旺盛生長，增強(qiáng)了對污染物的降解，使植物有更加優(yōu)越的生長空間，植物-微生物共代謝促進(jìn)污染物的快速降解、轉(zhuǎn)化。

因此本文從植物-微生物共代謝系統(tǒng)角度出發(fā)，綜述植物-微生物共代謝系統(tǒng)對水體環(huán)境的凈化效果及機(jī)理。對于植物生態(tài)修復(fù)，根據(jù)其在水體中的生長層位將植物分為挺水植物、浮游植物和沉水植物。而沉水植物作為主要初級生產(chǎn)者，在水生生態(tài)系統(tǒng)中有著不可替代的作用。當(dāng)沉水植物豐富時，水體表現(xiàn)為水質(zhì)清澈、溶解氧高、藻類密度低、生物多樣性高等特點，比如菹草、苦草、金魚藻、眼子菜、狐尾藻和黑藻等。

在凈化水質(zhì)的過程中，沉水植物通過吸附水體中生物性和非生物性懸浮物質(zhì)，提高水體透明度，改善水下光照條件，增加水體溶解氧，以及吸收固定水體和底泥中的N、P等營養(yǎng)素。為了適應(yīng)水中的生活，沉水植物的莖、葉都具有很強(qiáng)的吸收功能，能明顯地去除水體中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。在4種生態(tài)型水生植物中，沉水植物對富營養(yǎng)化湖水的凈化能力最強(qiáng)。沉水植物可以增加水體中的溶解氧，促使水體形成弱堿環(huán)境。中小型河流中恢復(fù)沉水植物前，一般要控制草食性魚類的數(shù)量，以使種植的沉水植物能迅速定居，并擴(kuò)大種群規(guī)模。目前恢復(fù)沉水植物時，通常選用易存活、生長快、繁殖能力強(qiáng)的種類作為先鋒植物。但沉水植物過度生長也會產(chǎn)生一些較為嚴(yán)重的后果，應(yīng)進(jìn)行合理調(diào)控。調(diào)控時，可采取適當(dāng)措施抑制先鋒物種的生長和擴(kuò)散，促進(jìn)后來物種的生長與繁殖，改善群落結(jié)構(gòu)，豐富物種多樣性。根據(jù)水質(zhì)情況與沉水植物的恢復(fù)情況，引入草食性動物，促使水體生成以生物調(diào)控為主、能基本自我維持平衡的生態(tài)系統(tǒng)。

最后再引入水源，該水源能夠達(dá)到實驗水質(zhì)要求，引入模擬生態(tài)河床進(jìn)行第二階段的生態(tài)恢復(fù)，分析實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，形成河床生態(tài)恢復(fù)可持續(xù)發(fā)展方案。

2.4 其他輔助措施

此外，在陸生生物和水生生物的過渡區(qū)，可以種植一些比較適合在當(dāng)?shù)厣L的灌木及各類花草。結(jié)合喬灌草分層排布方法，合理地配置喬灌草之間的比例，形成更多自然的河流生態(tài)空間，真正發(fā)揮當(dāng)?shù)鼐用裆罨顒拥膱龅氐墓δ堋?/p>

3 實驗室模擬河床

本文通過實地考察及實驗室模擬枯竭河道的初步生態(tài)恢復(fù)[2-3]，設(shè)計農(nóng)村枯竭河床生態(tài)恢復(fù)的主要方案及其包含的各種所需條件，包括所用生態(tài)的各種基數(shù)。對一個枯竭河床進(jìn)行生態(tài)改造時，外在影響因子的數(shù)量決定實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，我們在前人的基礎(chǔ)上利用外來水源、投入實驗菌種植物，并將實驗結(jié)果推廣到實際河流。

3.1 實驗材料及設(shè)備

實驗水體：于徐州市新城區(qū)新元大道附近河流采樣。

沉水植物的選擇：根據(jù)河流的現(xiàn)狀、河流的功能、植物的適應(yīng)力、凈化功能、觀賞和漁業(yè)價值而定。

土著種；

生長速度快、耐污性強(qiáng)：例如黑藻、五刺金魚藻、苦草、菹草；

易采購；

可利用：從飼料、綠肥、藥用等方面考慮；

季節(jié)性：要進(jìn)行季節(jié)間搭配，菹草和伊樂藻為冬季種；景觀效果。

根據(jù)該河的特點，將苦草、狐尾藻、菹草作為試驗植物。

光合細(xì)菌：通過市場購置，每毫升菌液含菌體數(shù)為8億～10億個。

實驗設(shè)備：水質(zhì)分析儀、便攜式溶解氧、溫度測量儀、化學(xué)耗氧量速測儀等。

3.2 實驗方法

植被恢復(fù)/重建初期的主要問題：植物群落結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)；易形成優(yōu)勢群落，穩(wěn)定性差。

應(yīng)對方法：豐富物種，達(dá)成多樣性與復(fù)雜性，即冬季種與夏季物種搭配；多年生與一年生物種搭配；空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化，兼顧景觀美化性。

3.3 測定項目與方法

水體中總氮、總磷、COD和BOD的值，其測定的具體步驟和方法詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法》第4版。

3.4 實驗結(jié)果

3.4.1 水溫

試驗期間對水溫實施同步監(jiān)測，在全過程中，水池的平均水溫為25℃，其變化范圍為19～27℃。

3.4.2 溶解氧

池塘溶解氧的平均值為2.89 mg/L，變化范圍在0.756～

5.243 mg/L之間，溶解氧的變化較大。在實驗過程，實驗初期有下降趨勢，之后溶解氧逐漸上升。

3.4.3 氨氮

測得實驗中池塘氨氮不斷降低，從初始的1.57 μg/L逐漸下降至0.83 μg/L，結(jié)果表明對水質(zhì)有較強(qiáng)的修復(fù)功能。

3.4.4 亞硝酸鹽

實驗中，亞硝酸鹽降解濃度從0.91 μg/L下降至0.57 μg/L。

3.4.5 COD

實驗結(jié)果顯示，COD從最初的23.1 mg/L逐漸下降至18.7 mg/L。

綜上所述，本實驗對水溫影響不顯著，對溶解氧量的增長有長期性的促進(jìn)作用，且能起到降低COD、氨氮和亞硝酸鹽的作用。與其他實驗方法相比，植物-微生物共代謝系統(tǒng)的修復(fù)效果更顯著，可將實驗結(jié)果推廣到實際河流。

4 結(jié)論

本文通過研究導(dǎo)致蘇北農(nóng)村地區(qū)河床枯竭的原因，提出通過土壤檢測、固廢處理等有針對性的解決方式，減輕周邊環(huán)境對河流的污染。通過分析植物、微生物各自的優(yōu)缺點，提出植物-微生物共代謝系統(tǒng)。通過實驗室模擬河床，在前人的基礎(chǔ)上利用外來水源、投入實驗菌種植物，結(jié)果表明，植物-微生物共代謝系統(tǒng)對河床有較為理想的修復(fù)效果，可將實驗結(jié)果推廣到實際河流，形成河床生態(tài)恢復(fù)可持續(xù)發(fā)展方案。

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