生物浮島技術(shù)的研發(fā)歷程及在水體生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

黃 薇，張 勁，桑連海

(長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010)

生物浮島技術(shù)是按照自然界自身規(guī)律，運(yùn)用無土栽培技術(shù)原理，采用現(xiàn)代農(nóng)藝與生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土種植植物技術(shù)。以人工方式把高等水生植物或改良的陸生植物無土種植到富營養(yǎng)化水域水面上，通過植物根系的截留、吸收、吸附作用和物種競爭相克機(jī)理、水生動物的攝食以及棲息期間的微生物的降解等作用，削減水體中的氮、磷及有害物質(zhì)，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的，同時(shí)營造景觀效果并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益［1－3］。采用此種技術(shù)可將原來只能在陸地種植的陸生植物移栽至水面，并能取得與陸地種植相仿甚至更高的收獲量與景觀效果［4］。

目前，國內(nèi)外關(guān)于生物浮島技術(shù)的提法不盡相同，如“人工生物浮床”與“人工浮島”、“水面種植”、“人工浮床”、“生物浮床”、“生態(tài)浮床”、“浮床無土栽培”等概念均屬于同一范疇［5］。

1 生物浮島起源

在富營養(yǎng)化水體處理的各種技術(shù)中，由于生態(tài)修復(fù)技術(shù)是借助生態(tài)系統(tǒng)自身良性循環(huán)機(jī)理來對污染水體進(jìn)行修復(fù)，其對處理系統(tǒng)的人為干預(yù)最少，副作用最小，所以得到大眾認(rèn)可。其中，生物浮島技術(shù)是一種典型的營造良性營養(yǎng)循環(huán)鏈的水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)。早期的生態(tài)浮島技術(shù)大都采用單一的水生植物或多種水生植物組合來營造良好景觀及為鳥類提供棲息場所，也稱為人工浮島。1979年德國BESTMAN公司建造了世界上最早的用于水處理的生物浮島［6］;20世紀(jì)80年代，美國開始利用多種魚類養(yǎng)殖廢水水培生產(chǎn)生菜、西紅柿、草莓和黃瓜等蔬菜及風(fēng)信子等花卉;Nathalie等用商業(yè)化深液流(NTF)水培系統(tǒng)飄浮栽培毛曼佗羅(D.innoxia)凈化修復(fù)生活污水，取得了較好的效果;90年代中期人工浮島被日本學(xué)者廣泛認(rèn)識，并應(yīng)用于湖泊治理［7，8］;我國的一些學(xué)者從20世紀(jì)80年代起也對植物浮床技術(shù)開展了一些相關(guān)研究，主要是在生物浮島技術(shù)的作物遴選［9］、處理效果［10，11］、凈化機(jī)理［12，13］、克藻作用［14］等方面開展了研究。隨后，生物浮島技術(shù)逐漸為我國學(xué)者所接受，應(yīng)用于我國的水體生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目。

2 生物浮島種類

目前，將生物浮島按照浮床材料和結(jié)構(gòu)的不同可分為很多種，如:竹制浮島、組合式浮島、線栽浮島、泡沫式浮島、塑料式浮島等等。但是，大多學(xué)者按照浮島上的植物是否接觸供試水體將浮島分為干式浮島和濕式浮島2大類［15］。

2.1 干式浮島

干式浮島是一種植物不直接接觸供試水體的浮島，植物和水體之間通過一種介質(zhì)來進(jìn)行營養(yǎng)傳輸和固定作物［16］。一般來說，由于作物不與水直接接觸，所以浮島的水處理能力有限。但是這種浮島具有較大的浮力，其上往往種植較大型的園藝植物，由此為魚類和鳥類提供更大的棲息空間，所以這種浮島一般使用經(jīng)久耐用材料制成，目的主要是用于改善景觀以及提供魚蝦產(chǎn)卵場所或者為鳥類提供棲息地。由于其一般不是以凈化水體為主要目的，且制作成本及技術(shù)要求較高，所以在水體生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中應(yīng)用有限。

2.2 濕式生物浮島

濕式生物浮島故名思義就是栽種的作物直接接觸水體，通過作物吸收水體中營養(yǎng)物質(zhì)的一種浮島。按照其浮力來源方式可分為組合式及一體式，如果浮力來源于栽培固定基質(zhì)，這種浮島屬于一體式浮島，如泡沫浮島、木質(zhì)浮島、椰殼纖維浮島等等;如果浮島是由浮力裝置和栽培固定裝置組合而成，這種浮島屬于組合式浮島，如組合式竹制浮島、組合式飛碟浮島、PVC管式線栽浮島等等。

3 生物浮島的研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

真正意義上用于水環(huán)境治理技術(shù)的浮床技術(shù)最先是由德國提出來的，1979年由德國建造出最早的人工浮島schwimmkampen(floating campus)。自20世紀(jì)80年代末以來，為了改善水庫、湖泊、飲用水源地的水質(zhì)，日本、歐美等發(fā)達(dá)國家采用了植物生態(tài)浮床技術(shù)治理水域，開展了一系列的相關(guān)研究，并取得了較好的治理效果［17］。1982年開始，日本在慈賀縣琵琶湖建造了人工浮島，在修復(fù)水體的同時(shí)，為鯉魚、鯽魚、諸子等魚類提供了孵卵場，取得了較好的效果。到90年代中期人工浮島已被日本環(huán)境及湖泊科學(xué)家廣泛認(rèn)可。隨后，生物浮島技術(shù)的研究在全世界范圍內(nèi)展開。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國早期的生物浮島研究始于80年代，中科院南京湖泊與地理研究所、福建農(nóng)科院等單位，以聚苯乙烯發(fā)泡板作為浮島載體，鋪上泥后種植水稻，或以聚苯乙烯作為浮體主材料，輔以竹條、丙烯袋、塑料薄膜等構(gòu)成浮體栽培床種植各種植物，為自然水域植物栽培做了有益的嘗試。同期，李止正等20世紀(jì)80年代初結(jié)合太湖治理在太湖大水面無土栽培了39種高等陸生植物，所試植物均能正常生長，在改善水環(huán)境的同時(shí)，獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效果，這為水上種植技術(shù)的推廣提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。20世紀(jì)90年代初，戴全裕等利用絲瓜(Lufa cylindrical Roem.)、水芹菜(Oenanthe javanica DC)、水雍菜(Ipomoea aquatica Forsk)、西洋菜(Nasturtium officinale R.B.)、金針菜(Hemerocallis fulva L.)及其它花卉和蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物凈化釀酒廢水，取得了很好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益［18］。

自1991年以來，我國利用人工浮床技術(shù)在大型水庫、湖泊、河道、運(yùn)河等不同水域，成功種植46個(gè)科的130多種陸生植物，累積面積10余公頃，其中大面積單季水稻每公頃產(chǎn)量在8.5 t以上，最高可達(dá)10.07 t，美人蕉、旱傘草等花卉比在陸地種植取得了更好的群體和景觀效果［19，20］。

4 生物浮島技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用實(shí)例

4.1 基本情況

圍繞著富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)這一科學(xué)問題，長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所(以下簡稱水資源所)所確立了以湖區(qū)循環(huán)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和藻類水華綜合治理技術(shù)為核心的水資源保護(hù)與生態(tài)修復(fù)研究方向，并組建水生態(tài)研究試驗(yàn)室和水生態(tài)實(shí)驗(yàn)園，在這一研究方向上進(jìn)行了一系列營造良性營養(yǎng)循環(huán)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式及富營養(yǎng)化水體水華控制技術(shù)的相關(guān)研究。

2005年，長江科學(xué)院水資源所與相關(guān)高等院校聯(lián)合，成功申請到科技部科研院所社會公益研究專項(xiàng)“湖區(qū)循環(huán)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目。借助課題支撐，成功開發(fā)出以生物浮島水上農(nóng)業(yè)技術(shù)和有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化技術(shù)為核心的循環(huán)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)體系，在富營養(yǎng)化水體治理方面探索出了一條基于資源利用的生態(tài)農(nóng)業(yè)治理模式。循環(huán)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)是以富營養(yǎng)化水體為研究對象，借助生物浮島載體將農(nóng)作物轉(zhuǎn)移到水面栽培，利用植物根系的吸收、吸附作用和根際微生物的新陳代謝作用，將污染水體中的氮、磷等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，將浮島終端植物殘?bào)w制成有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)了富營養(yǎng)化水體中氮、磷等污染物質(zhì)的循環(huán)利用，在改善水環(huán)境的同時(shí)，也創(chuàng)造了一定經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。依托該套技術(shù)，水資源所在近5年內(nèi)成功申請到3項(xiàng)科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目和1項(xiàng)中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)，通過這些項(xiàng)目的實(shí)施，獲得了一批豐碩的成果。已成功遴選出適應(yīng)不同水質(zhì)特性的耐污植物50多種，成功攻克了冬季浮島植物難存活的難題;設(shè)計(jì)開發(fā)了10多種形式的浮島，既可適應(yīng)不同水體需求，又可降低單位面積的浮島生產(chǎn)費(fèi)用;申請國家專利5項(xiàng)，在國內(nèi)核心期刊發(fā)表論文10多篇;在2010年第七屆中國東盟博覽會農(nóng)村先進(jìn)適用技術(shù)暨高新技術(shù)展覽會上，“湖區(qū)循環(huán)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)”研究成果贏得了國內(nèi)外專家和學(xué)者的好評，榮獲主辦方頒發(fā)的優(yōu)秀參展項(xiàng)目獎。

4.2 主要的關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 植物遴選技術(shù)

生物浮島技術(shù)之所以能進(jìn)行水體修復(fù)，浮島上的植物起著決定性的作用。植物的選擇既要滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，又要具有生物量大的特點(diǎn)，使之可以最大限度地吸取水中營養(yǎng)物，使水體得到改善［21］。圖1為經(jīng)過60 d的種植周期后，選出生物量生長較大的8種作物生長量的對比。其中水生竹葉菜的生長量最大，可接近30 kg/m2，生長最小的是水花生，也可達(dá)20 kg/m2左右。

圖1 60 d種植周期后不同浮島作物的生長量比較Fig.1 Biomass growth within 60 days of different BFI plants

到目前為止，經(jīng)過長期的室內(nèi)和大田實(shí)驗(yàn)后，已經(jīng)遴選出一批能適宜于不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同水體、不同功能及不同需求的浮島植物品種，并根據(jù)研究成果對植物進(jìn)行季節(jié)搭配、種屬搭配、景觀搭配、確保生物浮島技術(shù)在進(jìn)行水體生態(tài)修復(fù)時(shí)全年都能發(fā)揮作用［22］。

4.2.2 浮床制作技術(shù)

生物浮島技術(shù)發(fā)展至今，浮床材料的選擇和浮床制作技術(shù)一直是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。浮床材料選擇須充分考慮浮床的耐久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境敏感性、浮力等問題，浮床制作要兼顧穩(wěn)定性、靈活性等問題。通過一系列的試驗(yàn)研究，已成功開發(fā)了六代浮床，從最初的“泡沫一代”浮床，發(fā)展到后來的線栽浮島、瓶栽浮島、純竹生態(tài)浮島、可再生材料浮島、疊式浮島以及組合浮島等四代、五代和六代生物浮島。各項(xiàng)研究成果不僅使浮床材料及制作技術(shù)朝著成本低的方向發(fā)展，而且也朝著環(huán)境友好型等方向發(fā)展，大大推動了生物浮島研究成果的可應(yīng)用性，使不同的對象更易接收。

4.2.3 作物的栽培技術(shù)

浮島作物的栽培技術(shù)也是生物浮島的關(guān)鍵技術(shù)之一。經(jīng)過多年的研究探索，積累了豐富的作物栽培技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。針對不同作物可選擇適宜的浮床種類及適宜的栽種密度、移栽時(shí)間、種植周期及收割方式等等。浮床作物固定方法由原來的基質(zhì)固定發(fā)展到現(xiàn)在的卡位固定及繩栽固定，大大提高了種植效率;作物種植方式由最初的單一種植，發(fā)展到現(xiàn)在的混合種植，四季搭配種植，最大可能地實(shí)現(xiàn)對水體的修復(fù)和美化效果。

4.2.4 栽培殘?bào)w的處理技術(shù)

生物浮島每年都會產(chǎn)生大量植物殘?bào)w，如果不予處理，就會在水中腐爛分解，營養(yǎng)物質(zhì)又會重新回到水體，造成新的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。針對這一問題進(jìn)行了植物殘?bào)w處理技術(shù)研究。研究主要從2個(gè)方面進(jìn)行:一方面，通過農(nóng)牧對接技術(shù)來處理浮島上的植物殘?bào)w;另一方面，采用自制的生物反應(yīng)器，通過微生物的新陳代謝功能，將植物殘?bào)w分解轉(zhuǎn)變成富含有機(jī)質(zhì)和含有一定量氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物的循環(huán)利用。經(jīng)過安全檢測，由浮島終端植物殘?bào)w制成的飼料和通過生物發(fā)酵制作的有機(jī)肥，5種重金屬和亞硝酸鹽含量均遠(yuǎn)低于國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明生物浮島的農(nóng)牧對接技術(shù)和生物發(fā)酵技術(shù)可行。

4.3 推廣應(yīng)用

4.3.1 生態(tài)修復(fù)效果

生物浮島發(fā)展至今，蔬菜、景觀花卉、油料作物、喬木等作物均可被選為水面種植的品種，其中以竹葉菜為代表的水生蔬菜經(jīng)推廣后，得到老百姓的親睞。野外大田試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，每平方米的竹葉菜浮島在一個(gè)種植周期(4－10月)內(nèi)可吸收氮約為77.32 g，吸收磷約為10.89 g。同步進(jìn)行的 120 d 的室內(nèi)的半封閉小型水體栽培水生竹葉菜、生菜、油菜及水芹菜浮島的定量試驗(yàn)研究顯示，受試水體的初始總氮和總磷濃度分別為 32.78 mg/L和 4.23 mg/L，封閉水體的體積為50 L，具體試驗(yàn)水質(zhì)變化結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2、圖3可以看出，4種作物均有不同程度的氮磷去除率，其中去除效果最好的為水生竹葉菜和油菜，氮和磷的去除率均達(dá)到60%左右，由于生菜生長周期短，且生物量生長比較少，所以氮磷去除率相對較低，但也達(dá)到40%左右。由此可見，生物浮島技術(shù)在水體氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)去除方面效果明顯。

圖2 不同植物對水體中總氮含量的變化Fig.2 Changes of nitrogen content in water with different plants

圖3 不同植物對水體中總磷含量的變化Fig.3 Changes of phosphorous content in water with different plants

生物浮島技術(shù)具有良好的水體凈化功能，兼有美化景觀、營造生物棲息地等多種生態(tài)效果。根據(jù)我們的研究成果，采用我們制作的浮島和遴選的植物，實(shí)現(xiàn)了1 m2的生物浮島在一個(gè)周期內(nèi)，可以將35～130 m3的水從Ⅴ類凈化為Ⅲ類水;一個(gè)面積為6 667 m2、深2.0 m的富營養(yǎng)化池塘，只需種植100～380 m2的浮島植物，即可以在1年內(nèi)恢復(fù)其農(nóng)業(yè)功能，生態(tài)效益顯著。

4.3.2 應(yīng)用效果

到目前為止，長江科學(xué)院水資源所在生物浮島的推廣應(yīng)用方面做了大量工作。先后在江夏、洪湖、漢陽等地區(qū)建立了多個(gè)試驗(yàn)示范基地。結(jié)合中試基地的水環(huán)境現(xiàn)狀，因地制宜設(shè)計(jì)制作低成本栽培載體，因時(shí)制宜配置植物，增強(qiáng)了技術(shù)成果的應(yīng)用效果;通過短期培訓(xùn)、現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)，發(fā)動當(dāng)?shù)剞r(nóng)民積極參與，培養(yǎng)了一批技術(shù)嫻熟的農(nóng)民技術(shù)骨干，為生物浮島技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過開展的一系列技術(shù)推廣工作，產(chǎn)生了較好的效果，在改善水環(huán)境的同時(shí)，激發(fā)了農(nóng)民應(yīng)用生物浮島技術(shù)修復(fù)水體的積極性，真正實(shí)現(xiàn)了社會和環(huán)境效益“雙贏”的局面(圖4、圖5)。

5 研究展望

圖4 因地制宜設(shè)計(jì)制作浮島Fig.4 The design of BFI according to the local condition

圖5 推廣應(yīng)用效果Fig.5 Application result of BFI

綜上所述，結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于生物浮島技術(shù)的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為今后生物浮島技術(shù)的研究應(yīng)向以下幾個(gè)方向發(fā)展。

(1)植物的遴選方面的研究:當(dāng)前對于越冬浮島植物的研究不夠充分，生物浮島的研究基本都在春季至秋季進(jìn)行，很少有關(guān)于冬季生物浮島水體修復(fù)的研究。但是浮島如果應(yīng)用在水體生態(tài)修復(fù)案例中，則應(yīng)多開展遴選適宜于冬季種植的作物，避免因斷季而影響生態(tài)修復(fù)的效果。

(2)生物浮島載體方面的研究:目前生物浮島的種植和收割基本都是純手工操作，這種操作難度較大，并且勞動輸入比較密集，今后生物浮島的制作和植物收割技術(shù)應(yīng)朝著規(guī)模化、機(jī)械化的方向發(fā)展，從而真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)變。

(3)封閉系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)定量研究:目前生物浮島對營養(yǎng)物質(zhì)的去除機(jī)理都是基于表觀現(xiàn)象或者是基于宏觀作物吸收來考慮的，這種角度有利于直觀表示作物對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的去除，但是由于缺乏封閉系統(tǒng)的定量研究，基于生物浮島的生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的流向很難說明。

(4)生態(tài)系統(tǒng)間交互影響研究:目前研究較多的是生物浮島用于純粹處理某一污染水體，而對于水下養(yǎng)殖，水面浮島的集養(yǎng)殖、去污為一體的清潔生產(chǎn)系統(tǒng)的研究較少。今后研究基于生物浮島的生態(tài)系統(tǒng)間不同生物間的交互作用研究也會是一個(gè)重點(diǎn)。

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