CN111606421A - 一种改善湿地水质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境生态学领域，公开了一种改善湿地水质的方法，包括调查待改善水质湿地的自然条件信息，根据自然条件信息选择水体内种植的水生植物种类以及种植面积或种植密度；在待改善水质的湿地内种植至少包括挺水植物和沉水植物的水生植物，其中所述沉水植物包括暖季沉水植物或/和冷季沉水植物。本发明利用不同物候期的水生植物组合，建立冷季与暖季交替的水生植物净化系统，有效解决近自然湿地冷季难运行、年内植物生长茬口问题，改善近自然湿地水质。

Description

一种改善湿地水质的方法

技术领域

本发明属于环境生态学领域，具体涉及利用几种不同物候期的水生植物组合改善近自然湿地水质的配置方法。

背景技术

水生植物净化水质的方法具有环保生态、经济高效的特点，在湿地中得到广泛的应用，被认为是可以替代传统净化方式的新措施之一。据资料可知，植物可以直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和有毒有害物质，还可以截留悬浮物，庞大的根系系统还可以为微生物的吸附生长提供巨大的附着面积，植物对氧具有输送、释放和扩散作用，可以将氧输送到根部周围的区域，在根部周围形成好氧区域，远离根部区成为厌氧区，促进了微生物的硝化和反硝化作用。

不同的水生植物对污染物的去除率不同，比如金鱼藻，吸氮能力极强，对氨氮具有良好的吸收能力，且耐污；菹草则对铅、锌、铜等金属离子有较好的富集作用；芦苇等对氮磷均有良好的净化效果。不同的水生植物对生活环境要求也不同，比如灯芯草，适宜生活在北纬30°附近，具有一定的耐低温能力，菹草更是典型的冷季型耐污植物。不同的水生植物组合相较单一种，对污染物的去除更全面，净化效率更高，出水更稳定。

另外，目前各国建立的人工湿地处理系统多在温暖地带，湿地植物的研究也多集中在南部地区，而北方寒冷地带建立的人工湿地系统通常是覆盖保温材料来提高冬季的处理效果。而近自然湿地面积大，要求人工干预少，很显然人工湿地保温的方法不可行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用不同物候期水生植物组合改善近自然湿地水质的方法，通过对水生植物组合物的类型、群落构成、种植密度、湿地水质处理能力、生态功能等因素深入分析，合理配置，建立冷季与暖季交替的水生植物净化系统，有效解决近自然湿地冷季难运行、年内植物生长茬口问题，提高近自然湿地的水质净化和生态恢复能力。

为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种改善湿地水质的方法，包括如下步骤：

1)调查待改善水质湿地的自然条件信息，根据自然条件信息选择水体内种植的水生植物种类以及种植面积或种植密度；

2)在待改善水质的湿地内种植至少包括挺水植物和沉水植物的水生植物，其中所述沉水植物包括暖季沉水植物或/和冷季沉水植物。

其中，所述待改善水质湿地选择近自然湿地。

特别是，所述近自然湿地为黄河中下游湿地或/和长江中下游湿地区域内的湿地。

所述湿地选择近自然湿地，所述近自然湿地是根据生态学原理，结合具体地形地貌，水文和植被状况，模仿、接近自然湿地的一种可持续的、生物多样性的工程技术，它主要是指基于自然湿地生态格局的特征通过人工手段干预并恢复重建已退化自然湿地。

特别是，所述待改善水质湿地选择为白洋淀湿地。

尤其是，所述待改善水质湿地选择河北省雄安新区段府河湿地。

其中，步骤1)中所述水生植物种类选择芦苇、灯芯草、穗花狐尾藻、金鱼藻、轮叶黑藻或菹草中的两种或两种以上。

特别是，所述水生植物种类选择芦苇、灯芯草、菹草和穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻中的一种或多种。

尤其是，所述水生植物种类优选为芦苇、灯芯草、菹草和穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻中的一种。

其中，步骤2)中所述挺水植物选择芦苇和灯芯草。

特别是，所述暖季沉水植物选择穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻中的一种或多种；所述冷季沉水植物菹草。

特别是，所述水体内种植的水生植物种类选择挺水植物芦苇和灯芯草；沉水植物选择暖季沉水植物穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻，冷季沉水植物菹草；

尤其是，所述挺水植物选择白洋淀湿地的本地种芦苇和灯芯草；水生沉水植物选择白洋淀湿地的本地种暖季沉水植物穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻，冷季沉水植物菹草；

其中，所述挺水植物的种植面积占待改善水质湿地总水域面积的5％以上，优选为5-10％，进一步优选为8％。

特别是，所述挺水植物中芦苇和灯芯草的种植面积之比为(1-2)：10，优选为1:1。

其中，所述暖季沉水植物选择穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻中的一种或多种；所述冷季沉水植物菹草。

特别是，所述暖季沉水植物的种植密度≥15株/m²；所述冷季沉水植物的种植密度≥15株/m²。

尤其是，所述暖季沉水植物的种植密度优选为15-30株/m²，进一步优选为15-20株/m²。所述冷季沉水植物的种植密度优选为15-30株/m²，进一步优选为20-30株/m²。

特别是，还包括步骤2A)湿地试运行：在湿地内种植挺水植物和沉水植物后，控制湿地内水力停留时间为4-6天；水力负荷为0.032-0.047m³m^-2d^-1，运行至少20d后，待挺水植物和沉水植物生长稳定。

尤其是，所述湿地试运行过程中控制水力停留时间为5d；水力负荷为0.038m³m^-2d^-1。

特别是，湿地内种植的挺水植物和沉水植物生长稳定后，进行湿地的水质改善处理，其中还包括控制待改善水质湿地的水力停留时为2-5d，优选为3-5d，进一步优选为3d；水力负荷为0.038-0.05m³m^-2d^-1，优选为0.05m³m^-2d^-1。

本发明方法针对的水质为低污染水源，主要污染物平均浓度：氨氮为1.44mg/L；硝态氮为0.72mg/L；总氮为2.97mg/L；总磷为0.38mg/L；COD为37.89mg/L。

本发明的进一步改进在于筛选出六种植物的盖度，芦苇盖度约为5-10％，即占生态修复水域的5-10％；灯芯草盖度约为5-10％，即占生态修复水域的5-10％；三种暖季沉水植物种植密度在15-20株/m²，菹草种植密度20-30株/m²。

本发明中水生植物的种植方法

芦苇：一是分根移栽法，在每年的3月下旬至4月上旬，用铁锹在靠近苇苗处挖出长宽各15cm，高20cm左右的土坨，每个土坨上约有2-4株苇苗，按株行距均为1m移栽。二是压青苇子法，在雨季(连雨天最好)把健壮的植株用镰刀，自地面割下，削去33-40cm左右的嫩尖，平放在预先浇好的泥土上，在每隔2-3个节处压上6-8cm厚的泥土，一般15d左右发芽。三是带根青苇移栽法，当芦苇生长到0.5-0.6m时，选取带有2-3个分蘖的植株，用铁锹挖20cm左右深，连根崛起，按株行距均为1m栽种。

灯芯草：一是种子种植，采用直播的方式进行播种，按照每行30cm的距离进行播种。二是分蔸种植，按照插秧的模式，每株8-10跟老蔸。

沉水植物：一是叉子种植法，适用轮叶黑藻和穗花狐尾藻，用一头带叉的竹竿或木杆做工具，叉住植株的茎部，叉入水中。二是直接抛掷法，适用金鱼藻和菹草，直接用纱布、无纺布包裹抛入水中。

本发明中的六种植物及时进行平衡收割，不仅可以去除氮磷等污染物，还可减缓草型湖泊沼泽化趋势。每年4-5月，收割全部菹草，5-11月，每隔两个月收割一次暖季沉水植物，收割深度为水下20cm，11-12月收割芦苇等挺水植物。

芦苇种植方法有分根移栽法、压青苇子法和带根青苇移栽法；灯芯草种植方法有种子繁殖和分蔸法；沉水植物种植方法有叉子种植法和直接抛掷法。

芦苇的种植时间为3月中旬；灯芯草的种植时间为3-4月份；穗花狐尾藻、金鱼藻、轮叶黑藻的种植时间为4-5月份；菹草的种植时间为9月下旬至10月下旬。以上水生植物均为多年生，一次种植，不需补种。

芦苇于每年的11-12月份进行收割，留茬30-40cm；灯芯草于9-10月份从挨近水面的位置进行收割；穗花狐尾藻、金鱼藻、轮叶黑藻在每年5-11月份，每两个月收割一次，收割至水下30cm处；菹草于来年4-5月份全部收割。

本发明的有益效果是：

白洋淀湿地由于地处北方，纬度高，温度是影响湿地冷季难运行的主要原因，在近自然湿地中，吸收、去除污染物的主体是水生植物和微生物，暖季型水生植物生长最适温度25-30℃，氨化细菌、硝化反硝化菌群最适温度27-30℃，冷季温度降低，导致暖季型水生植物枯萎，微生物数量减少，大多以休眠体的形式存在，这大大降低了近自然湿地冷季净化效果，导致湿地冷季难运行；并且在冷暖季交替之际，由于湿地面临着暖季型水生植物的枯败腐烂、冷季型水生植物的生长恢复问题，在此期间会产生水体氮磷等指标上升、透明度下降的趋势，也不利于冷暖季植被的演替，导致年内水生植物茬口的难题，使得湿地净化效果降低，水质起伏。

本发明方法利用待改善水质湿地的植物，建立了冷暖季交替(分为原地交替和分块交替。原地交替指11月初待水生植物腐烂之际，将其从根部割除，再移栽菹草幼苗；分块交替，指在10月上旬，在未种植水生植物区域，播撒菹草种子)的水生植物净化系统，有效解决近自然湿地冷季难运行、年内水生植物茬口问题，并且筛选出了最佳种植类型和密度，提高了湿地整体的净化效率，净化效果更加稳定，也提高了近自然湿地水质净化和生态恢复能力。

本发明利用不同物候期的水生植物组合，包括暖季水生植物组合和冷季水生植物组合，建立冷季与暖季交替的水生植物净化系统，有效解决近自然湿地冷季难运行、年内植物生长茬口问题，改善近自然湿地水质。

本发明通过合理的水生植物的种类、种植面积、种植密度的合理搭配组合，具有更全面的净化效果，提高了近自然湿地全年水质净化效率，净化效果更加稳定，更有助于近自然湿地生态功能的恢复。

附图说明

图1为本发明待改善水质的白洋淀湿地模拟装置示意图。

附图标记说明

1、实验桶；2、底泥；3、高台；4、出水口；5、挺水植物；6、沉水植物。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

本发明具体实施方式部分以模拟白洋淀湿地为例进行说明，其他湿地也适用于本发明。

本发明具体实施方式部分的待改善水质的白洋淀湿地模拟装置内用水、底泥来源于河北省雄安新区段府河的河水和底泥。

本发明具体实施方式部分中的水生植物购自白洋淀某水生植物植物基地。

试验例1待改善水质湿地的水生植物选择、培养

对待改善水质的白洋淀湿地进行调查，获取生态湿地的自然条件信息，根据所述自然条件信息选择水生植物包括挺水植物、沉水植物，其中挺水植物选择白洋淀湿地的本地种芦苇和灯芯草；沉水植物选择暖季沉水植物穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻，冷季沉水植物菹草；

水生植物先放在经过曝晒的自来水中培养1-2d后，分别选择长度为35-40cm，具有3-4个芽的芦苇；长度为30-35cm，每丛8-9芽的灯芯草；长度为30-35cm，无分叉的穗花狐尾藻；长度为25-30cm，3-5个分叉的金鱼藻；长度为30-35cm，无分叉的轮叶黑藻，分别放置在经过曝晒的自来水中培养5-7d，备用；

沉水植物菹草先放在经过曝晒的自来水中培养1-2d后，选择长度为15-20cm，无分叉的菹草，放置在经过曝晒的自来水中培养5-7d，备用。

实施例1

1、搭建模拟近自然湿地

在实验桶1(长×宽×高：82cm×64cm×54cm)的底部铺设8cm后的底泥2，模拟湿地的底泥层，其中底泥采集至府河河底；接着在实验桶的宽度方向一侧用底泥堆砌高为30cm，宽为15cm，长为64cm的高台3，用于模拟白洋淀湿地的芦苇台地；然后在离实验桶上部桶沿5cm处，开设直径为2cm的出水口4，并在实验桶宽度方向的另一侧的底部开设直径为1cm的进水口(图中未示出)；并向实验桶中注入府河河水，模拟待改善水质的白洋淀湿地，如图1；

2、水生植物移栽

2A)挺水植物移栽

在每年的3月下旬至4月上旬，在芦苇台地上移栽试验例1培养的挺水植物5，所述挺水植物为芦苇和灯芯草，芦苇采用扦插法，间隔10cm，依次扦插；灯芯草采用分蔸种植，每丛8-10芽，间隔10cm，挺水植物的种植面积占湿地水域总面积的8％(通常为5-10％)；其中芦苇与灯芯草种植面积之比为1:1(通常为(1-2)：1)；

本发明具体实施方式中以挺水植物种植面积占湿地水域总面积的8％为例进行说明，其他如5-10％均适用于本发明；芦苇与灯芯草的种植面积之比为1:1为例进行说明，其他如(1-2)：1均适用于本发明。

2B)沉水植物移栽

与每年的4-5份，在底部的底泥层均采用叉子种植法种植沉水植物6，其中沉水植物选择暖季沉水植物穗花狐尾藻(金鱼藻或轮叶黑藻)，将3-5棵植株用河泥包裹，分别插入不同实验桶的底泥层中，其中穗花狐尾藻的种植密度为15-30株/m²(优选为15-20株/m²)；

本试验例中穗花狐尾藻的种植密度分别为15、20、25株/m²，分为低、中、高密度组，每个实验组设置3个平行试验，试验结果取平均值；

3、试运行

向模拟湿地内注入府河河水，控制每个实验桶内水力停留时间为5d(通常为4-6d)，水力负荷0.038m³m^-2d^-1(通常为0.032-0.047m³m^-2d^-1)，运行至少20d(通常为20-30d)，直至芦苇、灯芯草、暖季沉水植物穗花狐尾藻生长稳定；如果水生植物在试运行期间死亡，立即补种，直至生长稳定；获得本发明的模拟近自然湿地改善湿地水质的模拟装置(近自然湿地的模拟装置)；

4、湿地净化水质

待水生植物生长稳定后，向模拟湿地内注入府河河水，控制水力停留时间为3d(通常为2-5d)，水力负荷为0.05m³m^-2d^-1(通常为0.038-0.05m³m^-2d^-1)，运行30d，现场测定温度、DO、pH，每隔1d取水样测定水质，测定水样中的氨氮、硝态氮、总氮、总磷等主要污染物的浓度，计算污染物的去除率。

于每年的8月，气温变化范围在28-30℃之间，在植物生长旺盛期向近自然湿地的模拟装置中通入河北省雄安新区段府河的河水，其中控制水力停留时间为3d(通常为3-5d)，水力负荷为0.05m³m^-2d^-1(通常为0.038-0.05m³m^-2d^-1)，运行30d，现场测定水温、DO、pH，每隔1d取水样测定水质，测定水样中的氨氮、硝态氮、总氮、总磷等主要污染物的浓度，计算污染物的去除率并计算平均去除率，测定结果如表1所示。

运行过程中每隔1d测定府河水质，河水氨氮、硝态氮、总氮、总磷的平均浓度，测定结果如下：

8月份府河水水质如下：

氨氮 1.44mg/L 硝态氮 0.72mg/L

总氮 2.97mg/L 总磷 0.38mg/L

其中：氨氮、硝态氮、总氮、总磷的测定方法按照国家标准或行业标准进行测定，具体如下：氨氮(纳氏试剂分光光度法，HJ 535-2009)、硝态氮(酚二磺酸分光光度法，GB7480-87)、总氮(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，HJ636-2012)、总磷(钼酸铵分光光度法，GB 11893-89)。

表1 8月河水污染物净化去除率测定结果

实施例2

1、搭建模拟近自然湿地

与实施例1相同；

2、水生植物移栽

2A)挺水植物移栽

与实施例1相同；

2B)沉水植物移栽

除了种植暖季沉水植物金鱼藻之外，其余与实施例1相同；

3、试运行

向模拟湿地内注入府河河水，控制每个实验桶内水力停留时间为5d(通常为4-6d)，水力负荷0.038m³m^-2d^-1(通常为0.032-0.047m³m^-2d^-1)，运行25d(通常为至少20d，优选为20-30d)，直至芦苇、灯芯草、暖季沉水植物金鱼藻生长稳定；如果水生植物在试运行期间死亡，立即补种，直至生长稳定；

4、湿地净化水质

除了控制水力停留时间为5d(通常为2-5d)，水力负荷为0.094-038m³m^-2d^-1之外，其余与实施例1相同；

实施例3

1、搭建模拟近自然湿地

与实施例1相同；

2水生植物移栽

2A)挺水植物移栽

与实施例1相同；

2B)沉水植物移栽

除了种植暖季沉水植物轮叶黑藻之外，其余与实施例1相同；

3、试运行

向模拟湿地内注入府河河水，控制每个实验桶内水力停留时间为4d(通常4-6d，优选为5d)，水力负荷为0.047m³m^-2d^-1(通常为0.032-0.047m³m^-2d^-1，优选为0.038m³m^-2d^-1)，运行至少20d(通常为20-30d)，直至芦苇、灯芯草、暖季沉水植物轮叶黑藻生长稳定；如果水生植物在试运行期间死亡，立即补种，直至生长稳定；

4、湿地净化水质

与实施例1相同；

实施例4

1、搭建模拟近自然湿地

与实施例1相同；

2、水生植物移栽

2A)挺水植物移栽

与实施例1相同；

2B)沉水植物移栽

除了于每年的10月下旬，暖季沉水植物(例如穗花狐尾藻、金鱼藻、轮叶黑藻)开始腐烂之际，将其全部割除，采用叉子种植法移栽冷季沉水植物菹草之外，其余与实施例1相同；

或者于每年的10月下旬，将冷季沉水植物菹草采用叉子种植法，将3-5棵植株用河泥包裹，插入不同实验桶的底泥层中之外，其余与实施例1相同；

本试验例中组成的种植密度分别为15、20、30株/m²，分为低、中、高密度组，每个实验组设置3个平行试验，试验结果取平均值；

3、试运行

于每年的10月下旬，待移栽了菹草之后，向模拟湿地内注入府河河水，控制水力停留时间为5d(通常为4-6d)，水力负荷0.038m³m^-2d^-1(通常为0.032-0.047m³m^-2d^-1)，运行25d(通常为至少20d，优选为20-30d)，运行20d(通常为至少15d，优选为15-20d)，直至冷季菹草植物生长状况稳定；如果水生植物在试运行期间死亡，立即补种，直至生长稳定；

4、湿地净化水质

待水生植物菹草生长稳定后，向模拟湿地内注入府河河水，控制水力停留时间为3d(通常为3-5d，优选为3d)，水力负荷为0.05m³m^-2d^-1(通常为0.038-0.05m³m^-2d^-1，优选为0.05m³m^-2d^-1)，运行15d，现场测定温度、DO、pH，每隔1d取水样测定水质，测定水样中的氨氮、硝态氮、总氮、总磷等主要污染物的浓度，计算污染物的去除率。

于每年的11月，气温变化范围在3-7℃之间，在沉水植物菹草幼苗生长稳定期向试验例4的近自然湿地的模拟装置中通入河北省雄安新区段府河的河水，其中控制水力停留时间为3d(通常为3-5d)，水力负荷为0.05m³m^-2d^-1(通常水力负荷为0.038-0.05m³m^-2d^-1))，运行15d，现场测定水温、DO、pH，每隔1d取水样测定水质，测定水样中的氨氮、硝态氮、总氮、总磷等主要污染物的浓度，计算污染物的去除率并计算平均去除率，测定结果如表2所示。

运行过程中每隔1d测定府河水质，河水氨氮、硝态氮、总氮、总磷的平均浓度，测定结果如下：

11月份府河水水质如下：

氨氮 1.39mg/L 硝态氮 3.58mg/L

总氮 6.37mg/L 总磷 0.052mg/L

表2 11月河水污染物净化去除率测定结果

对照例1

于每年的8月，气温变化范围在28-30℃之间，除了不进行水生植物移栽之外，其余与实施例1相同。

试运行20d后，进行湿地水质净化处理30d，每隔1d取水样测定水质，测定结果如表1所示。

对照例2

于每年的11月，气温变化范围在3-7℃之间，除了不进行水生植物移栽之外，其余与实施例4相同。

试运行20d后，进行湿地水质净化处理15d，每隔1d取水样测定水质，测定结果如表2所示。

以上所述仅是本发明的优先实施，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改善湿地水质的方法，其特征是，包括如下步骤：

1)调查待改善水质湿地的自然条件信息，根据自然条件信息选择水体内种植的水生植物种类以及种植面积或种植密度；

2)在待改善水质的湿地内种植至少包括挺水植物和沉水植物的水生植物，其中所述沉水植物包括暖季沉水植物或/和冷季沉水植物。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述待改善水质湿地选择近自然湿地。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述待改善水质湿地选择白洋淀湿地。

4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征是，步骤1)中所述水生植物种类选择芦苇、灯芯草、穗花狐尾藻、金鱼藻、轮叶黑藻或菹草中的两种或两种以上。

5.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征是，所述挺水植物的种植面积占待改善水质湿地总水域面积的5％以上。

6.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征是，所述挺水植物芦苇和灯芯草；所述暖季沉水植物选择穗花狐尾藻、金鱼藻或轮叶黑藻中的一种或多种；所述冷季沉水植物菹草。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是，所述挺水植物中芦苇和灯芯草的种植面积之比为(1-2)：1。

8.如权利要6所述的方法，其特征是，所述暖季沉水植物的种植密度≥15株/m²；所述冷季沉水植物的种植密度≥15株/m²。

9.如权利要6所述的方法，其特征是，所述暖季沉水植物的种植密度为15-30株/m²；所述冷季沉水植物的种植密度为15-30株/m²。

10.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征是，还包括控制待改善水质湿地的水力停留时为2-5d。

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