CN116081820A - 一种经济型净水植物的配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经济型净水植物的配置方法，包括：待治理流域水体及周边环境评价、净水植物的筛选、净水植物的定量评价、净水植物配置。根据河流沿岸环境、污染水体的污染物种类和含量、净水植物的营养特点、净水植物对污染物的作用特点，进行合理的净水植物布局，水生植物与陆生植物结合种植，充分考虑每种植物的吸收种类以及吸收量等各方面特性，最大限度发挥植物的修复潜能，实现植物修复技术的效益最大化，使该项技术在污染水体或土壤修复方面发挥重要作用，为环境修复做出指导建议。

Description

一种经济型净水植物的配置方法

技术领域

本发明涉及水域生态治理技术领域，更具体的说是涉及一种经济型净水植物的配置方法。

背景技术

随着城市工业废水、生活污水排放量日益增长，城市周围中小河流污染程度愈发严重。污染河流所含污染物复杂，包括悬浮固体、营养物(磷和氮)、有机物、病原微生物、重金属等，传统的化学、物理方法难以应对治理需要。河流生态环境中，植物可吸收水体中的氮、磷等营养物质，吸附吸收镉、铬等重金属，释放氧气、酶和有机酸分解有机物，产生次生代谢物抑制浮游藻类等微生物生长，达到净水效果，同时具有固定床体表面、为微生物提供良好根区环境等作用。因此，筛选适宜的净水植物对污染水体植物修复技术发展和应用具有重要意义。

部分经济作物相较大多数普通植物而言，对养分、重金属等胁迫条件的耐性表现更强，生长状况更佳，去除效果更优。水生药用植物，如泽泻、香蒲、芡实具有良好的耐污能力，对氮磷有较强的吸收、同化能力；水生蔬菜，菱、茭白具有很强的总氮、总磷去除能力，茭白能减少水体富营养化的主要贡献因子-铵态氮的含量，有效降低水体富营养化程度；睡莲、鸢尾还可富集水体中和水体沉积物中镉、铅、铜、镍、铬，达到减少重金属含量、降低污染水体生物毒性的效果。喜湿药用植物，如石菖蒲，其根系发达，在涵养水源、保持水土方面有巨大作用，具有较强的氮磷富集能力，可减少土壤氮磷的流失。另外，同一药用植物的不同品种还能适应多种不同污染程度水体或土壤，扩大了药用植物污染修复的应用范围。

当前，中药材市场需求量大，经济价值较高。以药用植物为修复植物，在净化富营养化水体的同时还可产生一定的经济效益。但是现有技术中的净水植物配置中多为定性研究，也就是依据植物的生长习性、景观效果及作用效果进行配置，缺乏定量研究，并且过度使用的净水植物大量扩繁还会与水体生态争夺营养，造成负面影响，甚至产生二次污染，因此选取何种植物的配置构成使其在具有良好净水能力的前提下还具有较高的经济效益，是本领域技术人员目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种经济型净水植物的配置方法，不仅仅针对每种植物的作用特点，而且依据待治理流域的污染物量以及净水植物的吸收量进行综合配置，达到更好的治理效果以及经济效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种经济型净水植物的配置方法，包括以下步骤：

步骤一：待治理流域水体及周边环境评价

采集待治理流域的水样、底泥、河岸带土样，确定污染物种类及含量，并且调研待治理流域土著植物情况和生长环境情况；

步骤二：净水植物的筛选

依据步骤一采集的污染物种类、土著植物情况和生长环境情况选取净水植物；

步骤三：净水植物的综合评价

对步骤二选取的净水植物以及土著植物进行综合评价；

步骤四：净水植物配置

依据步骤一中采集的污染物含量以及步骤三中综合评价结果进行净水植物的配置。

优选的，步骤一中所述的污染物包括总氮、总磷以及重金属。

优选的，步骤二中所述的净水植物为经济作物，具体采用药材、蔬菜、植物饲料品种中的一种或多种组合。

优选的，骤三中所述的综合评价包括：土著植物的年增生物量、土著植物植株内各元素含量、净水植物的成活率、净水植物的年增生物量、净水植物植株内各元素含量、净水植物和土著植物单位计量单位的植物对氮、磷和重金属年吸纳总量、净水植物和土著植物的经济产量。

进一步的，对净水植物氮、磷和重金属标准化处理后以隶属函数评估法评定去污能力，具体计算公式为：

隶属函数值：Uij＝(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，

式中：Uij为第i个植物第j个试验指标隶属函数值，Xij为第i个植物第j个试验指标测定值，Xjmin第i个植物第j个试验指标测定值的最小值，Xjmax为第i个植物第j个试验指标测定值最大值。

更进一步的，所述的重金属为铜、锌、铅、镉、砷、汞、铬。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种经济型净水植物的配置方法，具有如下有益效果：

根据河流沿岸环境、污染水体的污染物种类和含量、净水植物的营养特点、净水植物对污染物的作用特点，进行合理的净水植物布局，水生植物与陆生植物结合种植，充分考虑每种植物的吸收种类以及吸收量等各方面特性，最大限度发挥植物的修复潜能，实现植物修复技术的效益最大化，使该项技术在污染水体或土壤修复方面发挥重要作用，为环境修复做出指导建议。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为净水植物体内氮、磷元素含量；

图2为净水植物体内Cr、Cu、Zn、As、Pb 5种元素含量；

图3为净水植物体内Cd、Hg 2种元素含量；

图4为种植治理图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例对本发明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做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

净水植物的评价方法：

试验地为重庆市垫江县桂溪河流域，桂溪河属于龙溪河一级支流，干流全长37.9公里，流域面积164平方公里，多年平均流量2.62立方米/秒，多年平均年径流总量0.83亿立方米，河流平均坡度0.26％。

通过对桂溪河上下游水质检测分析结果表明：桂溪河总体水质较差，表现为TP、TN含量严重超标，但水体和底泥种重金属含量在Ⅰ类水标准范围内。河流经过污水厂排口，检测排放口上下游水体质量，并选择适宜的实验地点，在试验区域河道和河岸带建立经济植物净水带，每种试验植物种植面积为20m²(长20米，宽1米)。

检测供试植物生长状况，并于6个月后取样检测植物体内氮、磷、锌、铅、镉、砷、汞、铬、铜的含量，采集样品时采用5点法，每种植物采集5株样品，洗净后105℃杀青，65℃烘干至恒重，粉碎过筛。参照NY/T 2017-2011中的方法测定植物中氮、磷的含量、植物样品锌、铅、镉、砷、汞、铬铜的测定采用硝酸消解，ICP-MS测定植物各元素的含量，具体参照GB5009.268-2016食品安全国家标准食品中多元素的测定。

试验材料

试验材料包括41种净水植物，其中引种植物36种，土著植物5种。材料清单见表1，移栽前植物幼苗高30～40cm(垂花再力花和旱伞草除外，幼苗株高1.0～1.2m)，植株健壮、长势一致。将37种净水植物种植在河岸带和水体。

表1试验植物种类

数据分析

对于测定的各植物吸收土壤中氮、磷、锌、铅、镉、砷、汞、铬铜元素含量数据进行标准化处理，方便后期进行综合能力比较分析。植物的综合去污能力分析采用隶属函数值进行计算，

试验指标隶属函数值：Uij＝(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，

式中：Uij为第i个植物第j个试验指标隶属函数值，Xij为第i个植物第j个试验指标测定值，Xjmin第i个植物第j个试验指标测定值的最小值，Xjmax为第i个植物第j个试验指标测定值最大值。

具体的治理过程如下：

步骤一：开展桂溪河本底数据调查与分析；

通过垫江桂溪河现场调查采集水样、底泥、土样数据，明确桂溪河水源污染物种类及含量。

整体感官评价：水体颜色较深、较混浊，多伴有漂浮物，偶尔存在黑臭气味。

通过检测发现桂溪河COD为10～42，高锰酸盐指数为3.1～11.93，氨氮为1.06～9.01，总磷为0.28～0.90，总氮为6.96～9.77；按照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，初步判定为Ⅴ类水，但由于其铜、锌、铅、镉、砷、汞、铬含量均低于地表水环境质量标准的最低标准限值。因此，初步判定试验段主要污染物为总氮、总磷等营养物质，重金属污染较低，属于典型的富营养化水体，适宜通过种植植物进行水体修复。

步骤二：净水植物的筛选；

(1)净水植物的存活率

引种植物应用在河岸带和水体，观察记录6个月(成活率)和12个月(种群大小)具体数据如下表2：

表2试验植物成活率

净水植物适应性分析：通过定期观察可知，在桂溪河水体中能长期存活较好，同时经受多次洪水冲刷、阶段性浸泡的优势植物有12种，分别是黑三棱、剑叶梭鱼草、梭鱼草、香蒲、垂花再力花、荸荠、茭白、菖蒲、苦草、轮叶黑藻、菹草、华夏慈姑；能在河道水体中存活较好，但不能经受过多洪水冲刷的相对优势植物有5种，分别是菱、芡实、延药睡莲、伊乐藻、金鱼藻。在试验段河岸带能长期存活较好，同时能经受多次洪水冲刷、阶段性浸泡的优势植物有9种，分别是艾草、香蒲、黄菖蒲、薏苡、香芋、风车草、石蒜、美人蕉、千屈菜。河岸带生长较好的土著植物有皱叶酸模、三棱水葱、金荞麦、水芹、辣蓼。适宜性较差的9种植物，分别是德国鸢尾、三白草、水芋、麦冬、钩藤、粉黛乱子草、花叶芦竹。石菖蒲与泽泻的生境类似，仅适合在河道中的浅水滩涂，且12个月后的存活率在20％左右。对于适应性较差的植物不做进一步的净水效果评价。

(2)净水植物单位面积年度新增生物量

对34种具有净水潜力的植物进行单位面积年度新增生物量统计分析，具体数据见表3，发现单位面积新增生物量较大的5种植物为垂花再力花>剑叶梭鱼草>香蒲(水生)>茭白>黑三棱；单位面积生物量较小的5种植物为伊乐藻<眼子菜<香芋<菱角<香蒲(陆生)；由表3可知，供试植物中单位面积生物量最高为垂花再力花(15409g/m²)，最低为伊乐藻(469g/m²)，最高值为最低值的32.86倍；

表3净水植物种植密度及年度新增生物量

(3)净水植物植株中N、P及7种重金属元素的含量如附图1-3以及下表4。

表4净水植物植株中重金属元素的含量

结论1：同等生长条件下，植物去污能力排序

采用隶属函数法，通过与植物去污能力相关的9个指标即总氮、总磷、铜、锌、铅、镉、汞、铬、砷的含量对34种植物去污能力进行综合评价，各植物的综合去污潜力隶属函数值见表5，综合分析结果显示，供试植物的综合吸收能力较强的有：伊乐藻>菹草>艾草>皱叶酸模>美人蕉>黄菖蒲等，而整体去污能力较弱的植物包括：菱>苦草>延药睡莲>垂花再力花>三棱水葱。

表5净水植物植株中各元素含量排序

结论2净水植物单位面积去污能力定量分析

年度生物量与单位面积吸收量元素吸收量存在明显正相关关系，其中单位面积固定氮较高的5种植物中垂花再力花>剑叶梭鱼草>香蒲(水生)>茭白>黑三棱，固磷较高的5种植物中垂花再力花>剑叶梭鱼草>香蒲(水生)>茭白>梭鱼草。由表6可知，供试植物中单位面积N吸收量最高为垂花再力花(324.90g/m²)，最低为香芋(11.76g/m²)，最高值为最低值的27.63倍；单位面积TP最高为垂花再力花(43.15g/m²)，最低为香芋(2.01g/m²)，最高值为最低值的21.47倍。结合表2存活率数据分析发现，具有较强的氮磷吸收能力的植物移栽后长势良好、存活率高，这主要是因为植物氮、磷的相互作用及与环境的相互关系共同决定植物的营养状况和长势，进而影响植物对土壤养分的吸收和富集。

表6各净水植物植株单位面积各元素吸收量

依据步骤一中对重庆桂溪河流域的测量数据以及上述中净水植物的综合评定，计算植物面积，具体如下：

方案1，以沉水植物主要种群来消纳流域内污染物

2020年流域内污染物入河量：化学需氧量(COD)861.03吨/年、氨氮(NH₃-N)61.47吨/年、总磷(TP)27.54吨/年，利用苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、菹草为材料构建沉水植物群落，来消纳流域内污染物，预计沉水植物面积为：

1m²水域植物全年N吸收量为22.87g，P的吸收量为5.32g。

5.32X_P＝27.54*10⁶ X_P＝5.17*10⁶m²

5.17*10⁶m²/164平方公里＝3.15％

同理计算出消纳总N需要多大的沉水植物面积：

22.87X_N＝61.47*10⁶m² X_N＝2.69*10⁶m²

2.69*10⁶/164平方公里＝1.64％；

结论：利用苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、菹草为材料构建沉水植物群落，来消纳流域内【总磷(TP)27.54吨/年】，预计沉水植物面积为5.17*10⁶m²,约占河道面积的3.15％；

利用苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、眼子菜为材料构建沉水植物群落，来消纳流域内【氨氮(NH₃-N)61.47吨/年】，预计沉水植物面积为1.64％；

因苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、菹草均具有同时吸附氮和磷的特性，预计沉水植物面积占河流面积3.15％时，可以消纳全年污染负荷，让河流处在自净能力较强的状态。

方案2以挺水植物为主要种群吸纳全年污染负荷：

根据净水植物的净水数据，发现梭鱼草、菖蒲、黑三棱、荸荠具有较强适应性，能够在河流中定植；

首先：在9月底至10月份，将梭鱼草、菖蒲、黑三棱按照株行距1米*1米种植，

将植物种植后，将苦草、伊乐藻、菹草、轮叶黑藻分段种植于河道中。种植深度20厘米以上，具体种植方式见图4。

以挺水植物消纳下表净水植物为例：

挺水植物

1m²挺水植物全年N吸收量为101.33g，P的吸收量为17.59g。

101.33X_N＝61.47*10⁶m² X_N＝0.61*10⁶m²

0.61*10⁶/164平方公里＝0.37％；

同理计算出消纳总P需要多大的沉水植物面积：

17.59X_P＝27.54*10⁶ X_P＝1.57*10⁶m²

1.57*10⁶m²/164平方公里＝0.96％

利用梭鱼草、荸荠、菖蒲、香蒲为材料构建挺水植物群落，来消纳流域内【氨氮(NH₃-N)61.47吨/年】，预计挺水植物面积为0.61*10⁶m²，约占河道面积的0.37％；

利用梭鱼草、荸荠、菖蒲、香蒲为材料构建挺水植物群落，来消纳流域内【总磷(TP)27.54吨/年】，预计挺水植物面积为1.57*10⁶m²，约占流域面积的0.96％；

结论：利用叶叶梭鱼草、荸荠、菖蒲、香蒲为材料构建挺水植物群落，来消纳流域内N、P营养物，预计挺水植物面积为1.57*10⁶m²；

方案3以浮叶植物为主要种群吸纳全年污染负荷

1m²水域植物全年N吸收量为28.63g，P的吸收量为4.7g。

28.63X_N＝61.47*10⁶m² X_N＝2.15*10⁶m²

同理计算出消纳总P需要多大的浮叶植物：

4.7X_P＝27.54*10⁶ X_P＝5.86*10⁶m²

结论：利用菱、芡实、睡莲为材料构建浮叶植物群落，来消纳流域内【总磷(TP)27.54吨/年】，预计挺水植物面积为5.86*10⁶m²；

方案4利用艾草、金荞麦、菖蒲、香芋等河岸带植物来消纳污染物

河岸带能吸收的N的量＝河岸带面积*单位面积氮含量：75800m²*48.05g/m²＝3642190.00g；

河岸带能吸收的N重量占污染物入河量的百分数＝3642190g/61.47*10⁶＝5.86％；

河岸带能吸收的P的量＝河岸带面积*单位面积P含量：75800m²*7.14g/m²＝541212.00g；

河岸带能吸收的P的量占污染物入河量的百分数＝541212g/27.54*10⁶＝1.96％；

河岸带按1:1:1:1遍植以上四种植物，对P的吸收：0.54吨，河岸带能消纳的P占总P量的1.96％，对N的吸收：3642190g＝3.64吨。

由此可见，河岸带能消纳的N占总氮量的5.86％；

结论：通过对水体和河岸带植物进行配置可知：河道水体在修复中占有主导地位。

河岸带挺水植物能促进漂浮植物的定植。

经济效益与环境效益

上述四种植物进行配置，首先，本身是本土植物，不存在生物入侵风险，其次还具有一定的经济价值，在收获经济器官(艾全草入药、金荞麦根茎入药、菖蒲、根茎入药、香芋，根茎食用)时将营养物带离河道，避免二次污染。

上述中，香芋可用水芹替代。菖蒲可用香蒲替代。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种经济型净水植物的配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：待治理流域水体及周边环境评价

采集待治理流域的水样、底泥、河岸带土样，确定污染物种类及含量，并且调研待治理流域土著植物情况和生长环境情况；

步骤二：净水植物的筛选

依据步骤一采集的污染物种类、土著植物情况和生长环境情况选取净水植物；

步骤三：净水植物的综合评价

对步骤二选取的净水植物以及土著植物进行综合评价；

步骤四：净水植物配置

依据步骤一中采集的污染物含量以及步骤三中综合评价结果进行净水植物的配置。

2.根据权利要求1所述的一种经济型净水植物的配置方法，其特征在于，步骤一中所述的污染物包括总氮、总磷以及重金属。

3.根据权利要求1所述的一种经济型净水植物的配置方法，其特征在于，步骤二中所述的净水植物为经济作物，具体采用药材、蔬菜、植物饲料品种中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的一种经济型净水植物的配置方法，其特征在于，步骤三中所述的综合评价包括：土著植物的年增生物量、土著植物植株内各元素含量、净水植物的成活率、净水植物的年增生物量、净水植物植株内各元素含量、净水植物和土著植物单位计量单位的植物对氮、磷和重金属年吸纳总量、净水植物和土著植物的经济产量。

5.根据权利要求4所述的一种经济型净水植物的配置方法，其特征在于，对净水植物氮、磷和重金属标准化处理后以隶属函数评估法评定去污能力，具体计算公式为：

隶属函数值：Uij＝(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，

式中：Uij为第i个植物第j个试验指标隶属函数值，Xij为第i个植物第j个试验指标测定值，Xjmin第i个植物第j个试验指标测定值的最小值，Xjmax为第i个植物第j个试验指标测定值最大值。

6.根据权利要求5所述的一种经济型净水植物的配置方法，其特征在于，所述的重金属为铜、锌、铅、镉、砷、汞、铬。

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