河湖岸带是拦截净化氮磷等陆源污染物进入河湖水体的最后屏障,河湖岸带草本植物的稳定性影响着其对污染物的拦截净化能力,研究河湖岸带草本植物生态化学计量学及内稳性,可为河湖岸带草本植物群落恢复和构建提供基础数据.通过对中国河湖岸带草本植物地上部氮(N)、磷(P)含量及土壤或沉积物、水体进行数据收集,分析了植物氮磷化学计量学和内稳性特征及其与环境因子的关系.结果表明:青藏高原湖区草本植物具有较高的 N 含量(湿生植物:20.51 g·kg-1,水生植物:29.81 g·kg-1)和较低的P含量(湿生植物:1.39 g·kg-1,水生植物:0.99 g·kg-1),N:P>14,表现为P限制,而其他湖区草本植物具有较高的P含量(2.73 g·kg-1),N:P<14,表现为N限制.各湖区植物N、P含量及其比值在空间上具有一定差异,青藏高原湖区水生植物 N 含量最高,东北平原与山地湖区最低(P<0.05);东北平原与山地湖区湿生和水生植物 P 含量最高(P<0.05);青藏高原湖区湿生和水生植物 N:P 最高,东北平原与山地湖区最低(P<0.05).植物N、P含量及N:P受环境中P含量影响最大,其次是环境中N:P和N含量.内稳性模型表明河湖岸带草本植物属于稳态型,其中湿生植物内稳性指数HN、HP及HN:P大于水生植物,表明水生植物受环境胁迫时响应较大,水生和湿生植物对环境中N、P含量变化响应的差异表明水生和湿生植物对环境中N、P不同的保守利用策略.

探讨不同湿地植物对COD、总氮、总磷和铵态氮的去除能力,为生活污水净化的相关植物筛选提供依据.选择美人蕉(Canna indica)、香蒲(Typha latifolia)、再力花(Thalia dealbata)、菖蒲(Acorus calamus)、水葱(Scirpus validus)、千屈菜(Lythrum salicaria)和芦苇(Phragmites australis)共7 种常见湿地植物作为研究对象,通过建立人工湿地污水处理系统,考察不同植物在7 个月内对COD、总氮、总磷和铵态氮的去除率,同时考察7 种湿地植物的氮磷累积能力.结果显示,香蒲、芦苇和水葱具有较高的COD 去除率,水葱、千屈菜和芦苇具有较高的总氮去除率,香蒲、水葱和千屈菜对总磷的去除率较高,水葱、香蒲和千屈菜对铵态氮的去除率较高.7 种植物对COD 的去除率在4～8 月份呈逐渐上升趋势,此后开始下降;而对总氮的去除率则从4～8 月份整体呈上升趋势,8～10 月去除率稳定保持在较高水平;随着时间的延长,不同植物对总磷的去除率基本呈升高的趋势;不同植物对铵态氮的去除率在4～7 月期间显著上升,此后去除率均维持在较高水平.7 种湿地植物对氮的累积能力均显著高于磷.香蒲、水葱、芦苇和千屈菜对4 种污染物具有较好的去除能力.不同植物对4 种污染物的去除过程至少需要3 个月,并且均在7 和8 月份具有较高的去除能力.美人蕉和芦苇与其他湿地植物相比,具有更高的氮磷累积能力.

研究以裂片石莼(Ulva fasciata)、肠浒苔(Ulva intestinalis)、龙须菜(Gracilaria lemaneaformis)、坛紫菜(Pyropia haitanensis)为实验材料,分析了不同温度(15、20、25、30℃)下4种大型海藻对海水中N、P元素的吸收效率和光合特性的特点.结果显示:(1)4种大型海藻对水体N、P均有明显的吸收效果,吸收能力高低依次为肠浒苔>裂片石莼>坛紫菜>龙须菜;(2)温度过高或过低都会限制藻类对N、P的吸收和正常生长,同时降低4种藻的相对电子传递速率及光化学效率;(3)裂片石莼与肠浒苔的N、P吸收能力强,且光合系统对温度耐受性高,是实施养殖污水生物净化的良好材料;(4)4种海藻对水体中N、P营养盐的吸收在48h内基本完成,实地应用中可考虑24—48h周期换水或采用流通循环式的培养模式,以达到既促进藻类的生长又提高营养盐吸收效率的目的,以避免藻体因营养缺乏引起负生长而造成二次污染.

磷是评价水体富营养化的因子之一,也是植物生长必需营养元素,研究速生木本植物对富营养水体中磷的吸收具有重要意义.本研究以旱柳新无性系A42为对象,于2017年7-9月在温室大棚中进行浮床水培试验,研究了旱柳对不同磷营养水平水体(低磷0.1、0.2mg·L-1;中磷1.0、2.0 mg·L-1;高磷10.0 mg·L-1)的吸收和净化机制.结果表明:旱柳能有效净化水体中的磷营养(21 d达到79％以上),去除量与水体磷浓度呈正相关,但去除率随水体磷浓度增加呈先升高后降低趋势.旱柳可于7d内将磷浓度为0.1～1mg.L-1的富营养水体中磷浓度降低至富营养阈值(0.016～0.032 mg·L-1).旱柳富集同化的磷含量占水体磷总输入量的29.0％ ～ 66.9％,富集同化量与富集同化率分别与水体磷浓度呈正相关和负相关.旱柳在不同磷浓度水体中均能正常生长,根冠比随水体磷浓度下降而显著增加.氮、磷在旱柳体内积累均表现为茎＞叶＞根,旱柳的氮、磷转运系数均大于3,在高磷浓度水体中,氮磷营养在旱柳的茎部大量积累,氮、磷转运系数分别显著增加至4.53±0.24和4.92±0.62.表明旱柳在不同磷浓度富营养水体中均能正常生长且有良好的净化能力,能够通过富集转运磷营养至地上部来减少二次污染.实际应用中,对于低磷浓度水体,适合做短期净化;对于高磷浓度水体,适合做长期净化.

当前规模化畜禽养殖业排放含有大量氮磷、重金属和有机污染物的粪污废水,导致生态环境遭受严重的污染,治理畜禽废水的任务迫在眉睫.由于传统畜禽废水处理方式及应用存在较多不足,基于微藻生物技术处理废水的研究得到越来越多的关注.微藻是一种广泛存在于水体中的单细胞生物,具有高效的脱氮除磷及纳污能力,其主要利用同化作用吸附污水中的氮,通过磷酸化作用吸附、沉降磷,依靠细胞膜上的官能团对重金属进行富集.基于以上生理基础,大多数微藻的氮磷吸附率和重金属富集率可以高达80％.目前微藻对畜禽废水污染组分的处理的研究主要集中在氮磷、重金属,实际应用方式多为高效藻类塘、活性藻、固定化技术、光生物反应器等.但是微藻处理畜禽废水仍存在分子机理研究较少,生产实际经验不足等问题.基于微藻处理畜禽废水的机理,通过综述若干微藻去除氮磷、重金属等污染物的效率,总结国内外微藻废水处理技术的研究及存在问题,展望了微藻废水工程发展前景.

根据地表水环境质量标准研究少根紫萍(Landoltia punctata)对微污染地表水的净化效果,同时,对其淀粉积累能力进行评价.结果显示,少根紫萍对微污染地表水体可以实现深度处理,经处理的V类、劣V类水体中氨氮(NH4+-N)和总磷(TP)均在1d内提升一个水质级别,在3d内达到地表Ⅱ类水标准(NH4+-N＜0.15 mg/L,TP＜ 0.09mg/L),且氮、磷去除率均达到98.5％和82.9％以上.此外,少根紫萍在快速修复水体的同时能大量积累淀粉.处理3d,V类和劣V类水处理中浮萍干重的淀粉含量分别为28.38％、21.57％,15 d后达到52.15％、49.58％.另外研究发现,额外添加二氧化碳(CO2)对淀粉积累有进一步促进作用.处理3d淀粉含量相比未添加CO2提升了55.7％,平均淀粉积累速率提高了2.72倍.因此,少根紫萍不仅能够快速净化微污染水体,同时也能积累大量的淀粉干物质,结果可为实际污水处理及后期少根紫萍资源化应用提供参考.

为探究水生植物对海水养殖水体的净化作用以及不同水生植物之间的协同净化效果,本研究开展了石莼单一处理、海马齿单一处理以及海马齿与石莼协同处理海水养殖水体实验.结果表明: 不同种植密度的石莼均可显著改善水质,其中2.0 g·L-1的种植密度最为合适,处理12 d 后,对COD、无机磷、铵氮和总氮的去除率分别达到41.7％、76.9％、 81.8％和67.2％; 不同种植密度的海马齿同样显著改善水质,其中4.8 g·L-1 的种植密度最为合适,在处理12 d 后,对COD、无机磷、铵氮和总氮的去除率分别达到49.0％、20.8％、 98.5％和55.9％; 海马齿与石莼协同处理对COD、无机磷、铵氮和总氮的去除率分别达到了 36.7％、100.0％、100.0％和88.8％,表明不同类型水生植物混合种植能够有效提高其对养殖水体的净化能力.本研究表明,石莼及海马齿均能改善养殖水体水质,且适当的密度与合理的搭配能够有效促进植物修复效果

丹江口库区是南水北调中线工程重要水源地,通过探究库区景观格局变化与氮磷净化能力,对未来景观规划和生态系统功能提升提供科学依据.在县域尺度上以丹江口市为研究区,运用景观格局指数和InVEST模型研究2003-2018年库区景观格局和氮磷净化能力,并利用Pearson相关分析和RDA分析法探讨二者之间的关系,分析引起氮磷净化能力变化的因素.结果 表明:在斑块类型上,水域面积和林地面积不断增加,耕地和园地面积逐渐减少,建设用地面积整体上呈增长趋势;在景观水平上,景观形状指数不断减少,蔓延度指数和聚集度指数整体呈增长趋势,形状复杂程度降低,景观聚集程度提升,散布与并列指数增加了5.58,香农多样性指数变幅较小,各斑块类型趋于规则,呈均衡趋势分布.2003年、2008年、2013年和2018年氮磷净化能力呈持续增强趋势,其中TN输出总量分别为899.224、801.481、776.979、672.149 t,TP输出总量分别为77.308、69.921、68.163、60.802 t,15年间TN、TP的净化能力分别增强了25.3％和21.4％;对氮磷净化能力重要性等级划分表明,极重要、高度重要区主要分布于库区、河流两岸和林地区域.利用Pearson相关分析和RDA分析法表明,在斑块类型上林地与氮磷的输出呈显著负相关,耕地、园地和建设用地与氮磷输出量呈正相关;在景观水平上氮磷输出量与景观形状指数呈显著正相关,和散布与并列指数表现出显著负相关,与蔓延度指数、聚集度指数呈负相关.因此,可在库区氮磷输出量较高的地区种植喜氮喜磷植物,通过调节景观格局结构,合理规划土地利用,增加林地面积,建设河岸植被缓冲带充分滞缓径流等一系列措施,充分保障库区水源水质安全.

养殖场高浓度氮磷废水的排放对环境造成巨大污染.紫萍具有很强的净化水体污染物的能力,然而,不同地理种群紫萍对水体氮和磷吸收净化的研究还比较缺乏.本研究从中国南方不同地区采集15个紫萍种群,分析在高浓度氮和磷的水体中不同地理种群紫萍的生理响应和对氮磷吸收能力的差异性.结果表明:不同地理种群紫萍之间的生长表型和生理指标(叶状体个数、鲜重、干重、根长和蛋白质含量)均达到极显著差异(P＜0.001).进一步研究发现,不同地理种群紫萍对水体中氮和磷的生理响应和吸收能力也存在较大差异.不同地理种群紫萍对高氮的耐受性不同,氮耐受指数范围为64.47％～119.42％,其中昆明和乐山两地紫萍的氮吸收能力最高,分别为0.12和0.11 mg·pot-1·d-1.不同地理种群紫萍对高磷的耐受性差异较大,磷耐受指数范围为81.22％～157.73％,磷吸收能力以大理和武汉种群最高,分别为0.06和0.05 mg·pot-1·d-1.为了鉴定与紫萍净化氮磷能力相关的生理指标,通过关联分析,发现不同地理种群紫萍的叶状体个数、生物量、耐受性与其对氮和磷的净化能力均呈显著正相关,说明叶状体个数、生物量、耐受性对于紫萍净化氮磷能力具有重要的作用.本研究从生长表型和生理层面揭示了不同地理种群紫萍对高浓度氮磷的生理响应以及对水体氮磷净化能力的差异,获得了对水体氮磷污染具有较理想净化效果的紫萍种群,研究结果可为合理利用紫萍资源进行水体净化提供科学依据.

近年来,人工湿地生态系统在世界各地逐渐受到重视并被广泛运用到流域内点源和非点源污染的处理中.为探明洱海流域人工湿地的运行现状及水质净化功能,于2019年9-10月间对洱海流域内34座人工湿地进行调查,测定湿地面积(A)、运行时间(T)、覆水范围(WC)、植被覆盖度(VC)、水体流动性(Fvol,Fvel)、水质净化效率[总磷R(TP),总氮R(TN)]、进出口水体溶解氧(DO)等参数.根据各湿地中R(TP)、R(TN)、WC、VC、入水磷浓度(inflow-TP)等参数的差异将湿地分为两类,其中第一类人工湿地总氮平均去除率Rm(TN)和总磷平均去除率Rm(TP)分别为51.6％、52.6％,R(TN)与A、T显著负相关,与入水氮磷浓度(inflow-TN,inflow-TP)存在正相关关系,漂浮植物和沉水植物较挺水植物在氮磷去除上具明显优势,为具有明显净化效果的湿地;第二类人工湿地Rm(TN)和Rm(TP)分别为-4.9％、-11.8％,这说明此类湿地的氮磷去除能力已退化,无明显净化效果.综上所述,覆水充足、漂浮和沉水植物群落占优势的人工湿地具有较高的氮磷去除能力,中小型湿地(0.10-0.50 km2)在运行期间较易管理,其氮磷去除能力较大型湿地(大于0.50 km2)更强.本研究结果可为流域尺度上人工湿地的统一建设和科学管理提供理论依据.