CN104944593B - 沉水植物种植基质及利用沉水植物修复富营养化水体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沉水植物种植基质及利用沉水植物修复富营养化水体的装置，所述沉水植物种植基质包括生土、碎石和椰糠，所述生土、碎石和椰糠按照重量比（0.5~1.5）:（0.5~1.5）:（2~5）混合，该种植基质不仅有利于植物生长，还具有生态修复的功能。所述利用沉水植物修复富营养化水体的装置包括种植箱、沉水植物种植层、沉水植物、拉绳、固定桩和滑轮；该装置对富营养水体的修复效果好，且结构稳固，能够运用于水体透明度低、水位变化频繁、自然灾变多、硬底质等不利于沉水植物生长的富营养化水体环境中，应用范围广，适用性强。

Description

沉水植物种植基质及利用沉水植物修复富营养化水体装置

技术领域

本发明属于富营养化水体修复技术领域，具体涉及一种沉水植物种植基质以及利用沉水植物修复富营养化水体的装置。

背景技术

近年来，随着工业化和城市化进程的加快，大量的氮、磷等污染物排入湖泊、水库和河流，水体的富营养化受到了全世界生态学专家及环境学专家的广泛关注。我国的近岸海域及大部分河道、湖泊富营养化越来越严重，其原有的生态自净能力在逐渐衰退，严重地区甚至已丧失自净能力，恢复与重建水生态系统是富营养化水体生态修复的主要内容之一。

富营养化水体生态修复的最终目就是构建良好的生态系统。而构建良好的生态系统，首先就得使沉水植物群落能快速恢复。几乎所有的相关学者和专家都认为，沉水植物在水体生态修复中作用极大，沉水植物不仅在生长过程中自身可吸附氮、磷等富营养成分并能促进水中悬浮物的沉降，还可以通过光合作用来增加水中的溶解氧，净化水质，增加水中微生物数量来降低水体富营养化程度，同时，沉水植物给水生动物提供了更加健康的生活栖息地和隐蔽场所，从而来改善整个水生态系统。

因此，在富营养化严重的水体中，种植沉水植物是恢复与重建其水生态系统的最主要手段之一。然而，沉水植物的生长和分布受到多项环境因子的调控和胁迫，如光照、水的透明度、硬底质、营养盐分以及风浪等环境因子，在众多的环境因子中，水体的透明度和光照对沉水植物的环境胁迫最为明显。当遇到一些突发性自然灾害，如洪涝或较强的地表径流引起湖泊水位升高，水体透明度降低，沉水植物常常因得不到充足的光照，不能进行正常的光合和呼吸作用而逐渐死亡，最终使得沉水植物群落在水下不能定居。沉水植物生态净化中受补偿深度条件的限制，一般通过降低水位的方法来改变水下光照条件，满足沉水植物的光补偿条件，然后逐渐恢复原来的水位，这种方法虽然也取得了一定的效果，但是受到实施难度的限制，如对于面积较大的湖泊，降低水位实施难度较大。利用种植有沉水植物的网床、网箱等恢复方式对富营养化水体修复有一定的效果，但网床、网箱固定沉水植物多采用捆绑法，这种方法容易使沉水植物捆绑基部表皮受损，受损后短时间内腐烂，最终从网箱或网床中脱落，尤其是像苦草这种无茎草本植物，用捆绑法只能捆绑其叶片下部，这样更容易使叶片发生折断现象，大大降低了苦草的存活率。多层次生态网床虽然可实现垂直方位多层次的水生植物体系，能很快的净化污染水体，但这种体系违背了水生植物在水中的垂直分布结构，各层次的水生植物生长环境难以控制。水下插桩种植可在短时间内恢复沉水植物群落，但是在深水区域不易操作。利用沉水植物繁育毯虽然解决了沉水植物的固定和成活率问题，但这种繁育毯在污染水体底部能否起到净化水体的作用，还是要通过调节水位来实现，在实际水生态修复工程中应用难度大。因此，如何使新建的沉水植物群落在水底适应各种环境灾变及环境变化，并逐步趋于稳定，是沉水植物植被恢复的关键。

利用绳索调节育苗盘在水中的高度，并使用锚或绳索在水底或岸边固定，这种方式，对育苗盘下调容易，上调很难，缺少可控性。中国专利申请CN1530336A公开了一种富营养化浅水小水体的生态修复方法，该技术公开了沉水植物由在河道的两侧插上的定滑轮和绳子固定的花盆组成的滑轮升降培种模型引种，其装置虽可调节，但是该装置稳固性差，在环境变化和灾变频繁的条件下不适用。

中国专利CN201369957Y公开了一种沉水植物种植床，其由种植床、固定导向杆和升降装置组成，其中升降装置由绳索、立柱及安装其上的滑轮组成。该专利可调节种植床的升降，但是同样的存在装置稳固性差，适用范围窄的问题。

利用沉水植物修复富营养化水体不仅要考虑种植装置的稳固性，还要考虑种植沉水植物的种植基质是否适合沉水植物的生长同时又不会为水体的修复带来不良影响等问题。沉水植物的恢复由于受到众多条件的限制，在水体修复工程中还存在许多的问题。因此，在水体修复过程中，探寻一种能够使沉水植物在环境变化和环境灾变频繁的条件下能够稳定存活的沉水植物可调式装置和沉水植物的栽培技术方法是非常必要的。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种沉水植物种植基质，该种植基质对沉水植物既起到机械支撑的作用，同时也为沉水植物提供前期营养物质，且可从富营养化水体中吸附更多的N、P供沉水植物的生长。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种沉水植物种植基质，包括生土、碎石和椰糠，所述生土、碎石和椰糠按照重量比（0.5~1.5）:（0.5~1.5）:（2~5）混合。作为本发明优选的实施方式，所述生土、碎石和椰糠按照重量比1:1:3混合。

进一步的，所述沉水植物种植基质还包括丝瓜瓤和泥炭土中的一种或两种；所述丝瓜瓤与生土的重量比为（0.1~1）:1；所述泥炭土与生土重量比为（0.1~0.6）:1。

在本发明技术方案中，所述的生土是从地下深层挖出来的土，没有植物根系，不含有腐质物，营养成分较少；所述碎石的粒径不超过1cm，是由天然岩石经破碎、筛分而得；所述椰糠是没有经过粉碎的椰子外壳纤维。

本发明沉水植物种植基质取代传统的沉水植物土壤，解决了传统沉水植物种植方法中单独使用营养丰富的粘土基质在水下容易结构分离的问题，是一种对沉水植物起到机械支撑的作用以及供应前期营养物质的混合固体种植基质，由生土、碎石和椰糠按重量比（0.5~1.5）:（0.5~1.5）:（2~5）的比例混合而成，更优的重量比为1:1:3，本发明沉水植物种植基质配比中选择大比例的椰糠，是因为椰糠属于多孔植物纤维，使得沉水植物的根系在多孔植物纤维中有更好的形态发展空间，另外多孔植物纤维扩大了生物膜面积，从富营养化水体中吸附更多的N、P供沉水植物生长，不仅起到了水体修复功能，还有起到了固定作用，同时椰糠中含有一定的营养成分；一定比例的碎石可以起到调节重力的作用并增加了生物膜生长的表面积，一定比例的生土可以粘合碎石和椰糠形成在水下结构稳定的种植基质，并为沉水植物根系的初期发育提供一定的营养。

本发明沉水植物种植基质还可以包括丝瓜瓤和泥炭土一种或两种，所述丝瓜瓤为葫芦科植物丝瓜的成熟果实的维管束，用闸刀截断成高5~10cm的圆柱体状，丝瓜瓤为多孔植物纤维，不含营养成分，与生土、碎石和椰糠组合，更进一步的扩大了生物膜面积，且更好地为植物提供机械支撑，其优选的配比为与生土的重量比0.6:1；所述泥炭土含有丰富的营养成分，可供植物生长前期稳定的营养需求，但是泥炭土会给水体带来额外的氮、磷，加重水体富营养化，因此，其优选的配比为与生土的重量比0.2:1，既可供前期生长势较弱的沉水植物营养，又不会加重水体富营养化。本发明沉水植物种植基质由生土、碎石、椰糠、丝瓜瓤和泥炭土按照重量比1:1:3:0.6:0.2组成时，既最利于沉水植物的成活生长，应用于本发明所述利用沉水植物修复富营养化水体的装置中修复富营养化水体的效果最佳。

本发明沉水植物种植基质适用于沉水植物种苗、幼芽、种子等繁殖体，大大提高了沉水植物的成活率，也尤其适合苦草的生长，也有利于轮叶黑藻、眼子菜和菹草的生长。

本发明的另一目的在于提供一种利用沉水植物修复富营养化水体的装置，该装置利用上述的沉水植物基质种植苦草等沉水植物，可有效解决在水体透明度低、水位变化频繁、自然灾变多、硬地质等富营养化水体环境中进行沉水植物的种植及污染水体修复等难题，同时本发明装置结构简单、稳固，组装操作简便，材料成本低廉，在实际水生态修复工程中，具有很好的实用性和适用性。

本发明是通过以下技术方案以实现上述目的的：一种利用沉水植物修复富营养化水体的装置，包括种植箱、沉水植物种植层、沉水植物、拉绳、固定桩和滑轮；种植箱为可拆卸的组合式长方体结构，包括外围边框、底框和盖板，底框固定于种植箱的底部，盖板固定在种植箱上部，盖板开设有圆孔；外围边框和底框为菱形镂空框架，外围边框由四根框条组成，四根框条的左上角处和右上角处为三角形板，三角形板设有穿线孔；沉水植物种植层填充在种植箱中，沉水植物种植层包括土工布和沉水植物种植基质，土工布铺设在种植箱中，其铺设面积为种植箱的内表面积，沉水植物种植基质平铺在土工布上；沉水植物通过盖板上的圆孔种植于沉水植物种植基质中；拉绳的一端穿过穿线孔并系紧固定，另一端通过固定在固定桩顶端的滑轮连接在固定环上，固定环焊接在距离固定桩顶端四分之三处，固定桩固定在地面上。

进一步的，所述沉水植物包括苦草以及轮叶黑藻、眼子菜和菹草中的两种，其中所述苦草的种植比例为60%~70%。

进一步的，所述种植箱的长度为1m~2m、宽度为0.5m~1.5m、高度为20cm~25cm。

进一步的，所述外围边框、底框和盖板为高分子聚乙烯材质，厚度为0.4cm~0.6cm。

进一步的，所述三角形板的厚度为0.8cm~1.2cm。更具体的，所述三角形板的两边长为5cm、10cm或20cm、10cm。

进一步的，所述盖板上的圆孔直径为4cm~8cm。

进一步的，所述土工布为短丝无纺布，规格为80g或100g。

进一步的，所述拉绳为直径0.5cm或0.8cm或1.0cm的尼龙绳或0.5cm或0.6或0.8cm钢丝绳，其长度等于从水体底部到所述固定桩顶端滑轮到固定环的长度。

进一步的，所述滑轮为定滑轮，所述定滑轮由高分子聚乙烯材质或不锈钢材质制成，直径为4cm或6cm或8cm，其下端焊接固定在所述固定桩的顶端。

进一步的，所述固定桩为镀锌圆钢材质，直径为3cm或5cm或6cm，通过镀锌钢板和膨胀螺丝固定在地面或直接插入地面。更具体的，固定桩分别固定于河道两岸的地面，或河道、湖中的底部，或湖边地面。

本发明利用沉水植物修复富营养化水体的装置在固定桩顶端设有滑轮，滑轮不但改变了人工调节时的方向，还省力，使得在水位变化频繁的情况下，可以上下调节，实用性强；采用菱形镂空的种植箱，不但不影响沉水植物的生存，而且可以把沉水植物控制在一定的范围之内，使种植基质在风浪剧烈的情况下，整个种植层依然稳定。

因此，与现有技术相比，本发明的优势在于：

（1）本发明沉水植物种植基质采用生土、碎石和椰糠等混配而成，种植基质与沉水植物根系相互嵌合，在水下结构稳定不易分离，极有利于沉水植物的成活生长，有效解决了水位变化、自然灾变等对沉水植物的影响；且整个基质含氮、磷较少，在富营养化水体中可更多地吸附水体中的富裕的氮、磷供沉水植物生长，不但起到植物固定的作用，还有生态修复的功能。

（2）本发明利用沉水植物修复富营养化水体的装置所选材料耐腐蚀，有足够的韧性，结构牢固；整个装置便于安装拆卸，实用性强，且能够运用于水体透明度低、水位变化频繁、自然灾变多、硬底质等不利于沉水植物生长的富营养化水体环境中，应用范围广，适用性强。

（3）本发明利用沉水植物修复富营养化水体的装置中沉水植物选择以苦草为主，轮叶黑藻、眼子菜和菹草中任意两种沉水植物为辅，这样既保证了水底沉水植物的多样性，使水底沉水植物群落处于稳定状态，又起到快速修复的作用，种植在本发明沉水植物种植基质中的苦草等通过快速生长与分蘖，加快了对水体悬浮颗粒的吸附与沉降及抑藻作用，使得水体透明度快速提高，富营养化水体得到净化修复。

附图说明

图1是本发明实施例中一种利用沉水植物修复富营养化水体的装置的结构示意图。

图2是图1所示的利用沉水植物修复富营养化水体的装置的部分结构示意图。

图3是图2所示的利用沉水植物修复富营养化水体的装置的部分结构剖面示意图。

图4是图1所示的利用沉水植物修复富营养化水体的装置的外围边框组装结构示意图。

图5是图1所示的利用沉水植物修复富营养化水体的装置的底框示意图。

图6是图1所示的利用沉水植物修复富营养化水体的装置的前边框示意图。

图7是图1所示的利用沉水植物修复富营养化水体的装置的右边框示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例 1 、本发明沉水植物种植基质

由生土、碎石、椰糠、丝瓜瓤和泥炭土按照重量比1:1:3:0.6:0.2混合配制。

实施例 2 、本发明沉水植物种植基质

由生土、碎石和椰糠按照重量比1:1:3混合配制。

实施例 3 、本发明沉水植物种植基质

由生土、碎石、椰糠和丝瓜瓤按照重量比1:1:3:0.6混合配制。

对比例 1 、一种沉水植物种植基质

由黏土、碎石和丝瓜瓤按照重量比1:1:3混合配制。

实施例 5 、本发明利用沉水植物修复富营养化水体的装置

参见图1~图7，是本实施例提供了一种利用沉水植物修复富营养化水体的装置，由种植箱1、沉水植物种植层2、沉水植物3、拉绳4、固定桩5和定滑轮6组成。种植箱1为长度为2m、宽度为1.5m、高度为25cm的可拆卸的组合式长方体结构，由外围边框11、底框12和盖板13组成，外围边框11和底框12为菱形镂空框架，底框12固定于种植箱1的底部，盖板13固定在种植箱1上部，盖板13开设有多个圆孔16，圆孔16的直径为6cm；外围边框11、底框12和盖板13均为高分子聚乙烯材质，厚度为0.6cm。外围边框11由前边框111、后边框113、左边框114和右边框112共四根框条组成，前边框111和后边框113的两条短边和一条长边为T型结构，左边框114和右边框112的两条短边设有凹槽115，底框12的两条长边上设有凹槽（未图示），前边框111通过长边的T型结构平行进入底框12的一凹槽中并卡紧，后边框113平行进入底框12的另一凹槽中并卡紧，同样的方式，前边框111和后边框113的两条短边T型结构116与左边框114和右边框112的两条短边凹槽115卡紧，再将盖板13固定构成种植箱1。四根框条的左上角处和右上角处均为实心三角形板14，四根框条共8个三角形板14，其厚度为1.2cm、两边长为20cm、10cm，三角形板14设有穿线孔15，穿线孔15的直径为1.5cm。沉水植物种植层2由规格为100g短丝无纺布21和上述实施例1~3中任一沉水植物种植基质22组成，短丝无纺布21布铺设在种植箱1中，其铺设面积为种植箱1的内表面积，沉水植物种植基质22平铺在短丝无纺布21上并填充整个种植箱1。沉水植物3由70%的苦草、20%轮叶黑藻和10%眼子菜组成，通过盖板13上的圆孔16种植于沉水植物种植基质22中。拉绳4为直径0.8cm的钢丝绳，其长度等于从水体底部到固定桩5顶端滑轮6到固定环7的长度，拉绳4的一端穿过穿线孔15并系紧固定，另一端通过固定在固定桩5顶端的定滑轮6连接在固定环7上；定滑轮6由不锈钢材质制成，直径为6cm，其下端焊接固定在固定桩5的顶端，固定环7焊接在距离固定桩5顶端四分之三处，固定桩5为镀锌圆钢材质，直径为5cm，通过镀锌钢板51和膨胀螺丝52固定河道两岸的地面上。

在具体的水生态修复工程中，第一步、先将外围边框11的前边框111、后边框、左边框和右边框112共四根框条首尾通过搭配接头两两相接，再通过搭配接头与底框12相接；第二步、从穿线孔15穿好拉绳4并系紧；第三步、在种植箱1中铺短丝无纺布21；第四步、在短丝无纺布21上填充沉水植物基质22；第五步、将短丝无纺布21盖好，并固定覆盖盖板13；第六步、从盖板13的圆孔16处用剪刀在短丝无纺布21上剪开直径大小同圆孔16的开口，然后将沉水植物3栽按比例栽植；第七步、将拉绳4的另一端通过固定在固定桩5顶端的定滑轮6连接在固定环7上；第八步、调节装置的深度，第一次投放时，种植箱深度以刚好淹过盖板13为宜，这样有利于沉水植物在富营养化水体中的适应，待10-15天后，可根据水体的透明度情况逐渐下调，每次下调深度不超过20cm，下调时可现将对角固定桩5上的拉绳4松开，在另外两个对角进行下调，下调到指定位置后，在固定环7上系紧拉绳4，然后把另外对角上的拉绳4系紧；对已经调到水体中下部，但沉水植物并未稳定，此时，若遇到山洪等自然灾变时，水体透明度会降低，这时需要上调种植箱，上调方法同下调方法类似。可见，本发明利用沉水植物修复富营养化水体的装置结构简单、安装拆卸方便，制作成本低，有足够的韧性，结构稳定牢固，能够运用于水体透明度低、水位变化频繁、自然灾变多、硬底质等不利于沉水植物生长的富营养化水体环境中，应用范围广，适用性强。

试验例一、本发明利用沉水植物修复富营养化水体的装置效果评估

本试验共4个试验组，分为试验组1~4，4个试验水池规格相同，水池水质的富营养化程度无明显区别，且均安装上述实施例5的装置，不同的是：试验组1利用实施例1沉水植物种植基质；试验组2利用实施例2沉水植物种植基质；试验组3利用实施例3沉水植物种植基质；试验组4利用对比例1沉水植物种植基质。并在装置上种植苦草70株、轮叶黑藻20株和眼子菜10株，试验时间为30天，期间监测装苦草的生长状况、水质营养盐、透明度变化等，评估本装置的效果。结果见下表1~4。

表1 试验组1池水的水质变化情况及沉水植物生物量检测结果表

表2 试验组2池水的水质变化情况及沉水植物生物量检测结果表

表3 试验组3池水的水质变化情况及沉水植物生物量检测结果表

表4 试验组4池水的水质变化情况及沉水植物生物量检测结果表

由上表1~4可知，（1）经过30天的试验，试验组1~3池内水质各种指标均有较大的变化，对水体中氮、磷含量以及化学需氧量含量（COD）有明显的去除效果，水体透明度快速提高，并且还具有抑藻作用，同时试验组1~3各指标均优于试验组4。（2）在30天的试验中，试验组1~3池水的氮、磷等含量均呈现快速下降并趋于平缓，而试验组4则呈现逐渐下降的趋势，说明本发明沉水植物种植基质更有利于沉水植物的生长，其结构让沉水植物能更多更快地吸附氮、磷以快速生长。（3）30天后观察沉水植物种植层，沉水植物种植基质与沉水植物根系相互嵌合，种植基质在水下结构稳定不分离，根系基本充满整个种植基质，说明本发明利用沉水植物修复富营养化水体的装置对富营养化水体的净化修复效果好，其中以试验组1各水质指标变化最为明显，该装置整体修复效果最佳，同时试验组1沉水植物生物量增量最大，说明实施例1沉水植物种植基质不仅有利于沉水植物的成活生长，可更多地吸附水体中的富裕的氮、磷供沉水植物生长，不但起到植物固定的作用，还有生态修复的功能，使得苦草等快速生长与分蘖，加快了对水体悬浮颗粒的吸附与沉降及抑藻作用，使水体透明度快速提高，富营养化水体得到净化修复。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种沉水植物种植基质，其特征在于，包括生土、碎石和椰糠，所述生土、碎石和椰糠按照重量比1:1:3混合；

所述沉水植物种植基质还包括丝瓜瓤和泥炭土；所述丝瓜瓤与生土的重量比为0.6:1；所述泥炭土与生土重量比为0.2:1。

2.一种利用沉水植物修复富营养化水体的装置，其特征在于，包括种植箱、沉水植物种植层、沉水植物、拉绳、固定桩和滑轮；种植箱为可拆卸的组合式长方体结构，包括外围边框、底框和盖板，底框固定于种植箱的底部，盖板固定在种植箱上部，盖板开设有圆孔；外围边框和底框为菱形镂空框架，外围边框由四根框条组成，四根框条的左上角处和右上角处为三角形板，三角形板设有穿线孔；沉水植物种植层填充在种植箱中，沉水植物种植层包括土工布和如权利要求1所述的沉水植物种植基质，土工布铺设在种植箱中，其铺设面积为种植箱的内表面积，所述沉水植物种植基质平铺在土工布上；沉水植物通过盖板上的圆孔种植于所述沉水植物种植基质中；拉绳的一端穿过穿线孔并系紧固定，另一端通过固定在固定桩顶端的滑轮连接在固定环上，固定环焊接在距离固定桩顶端四分之三处，固定桩固定在地面上；

所述沉水植物包括苦草以及轮叶黑藻、眼子菜和菹草中的两种，其中所述苦草的种植比例为60%~70%。

3.如权利要求2所述的利用沉水植物修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述种植箱的长度为1m~2m、宽度为0.5m~1.5m、高度为20cm~25cm。

4.如权利要求2所述的利用沉水植物修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述外围边框、底框和盖板为高分子聚乙烯材质，厚度为0.4cm~0.6cm。

5.如权利要求2所述的利用沉水植物修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述三角形板的厚度为0.8cm~1.2cm。

6.如权利要求2所述的利用沉水植物修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述盖板上的圆孔直径为4cm~8cm。

7.如权利要求2所述的利用沉水植物修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述滑轮为定滑轮，所述定滑轮由高分子聚乙烯材质或不锈钢材质制成，直径为4cm或6cm或8cm，其下端焊接固定在所述固定桩的顶端。

8.如权利要求2所述的利用沉水植物修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述固定桩为镀锌圆钢材质，直径为3cm或5cm或6cm，通过镀锌钢板和膨胀螺丝固定在地面或直接插入地面。