| 题名 | 四川盆地中部排水沟植物种类及其对减少非点源污染和重金属的作用 |
| 作者 | MATHIEU NSENGA KUMWIMBA |
| 答辩日期 | 2017 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 授予地点 | 成都 |
| 导师 | 朱波 |
| 关键词 | 生态沟渠 生活污水 氮磷养分 金属/准金属 沟渠植物 植物修复和恢复 景观 |
| 其他题名 | Plant species in drainage ditches and their roles in reducing non-point source pollutants and heavy metals in the central Sichuan Basin, China |
| 学位专业 | 土壤学 |
| 英文摘要 | 非点源污染物包括农业活动产生的氮、磷和沉积物，未经处理的农村分散生活污水也被确定为最重要的水质恶化源。像其他西方国家一样，四川盆地紫色土丘陵区由于“紫色土”的水土流失和农村村镇快速城市化，正在面临日益恶化的水质退化的挑战，大大增加了对长江及其支流的污染物排放量。农村径流和农村生活污水由于缺乏污水处理设施而直接排放到水体中，不仅对农业发展产生了不利影响，而且对水质的提高也有不利影响。利用沟渠系统控制非点源污染已成为创新的、低成本高效手段，以最大限度地减少农田的营养物质径流损失。尽管它们在影响水体污染物的发生和传输方面具有潜在的重要性，但它们在营养盐和金属污染物减控战略中的作用迄今尚未得到充分评估，仍然是一个令人感兴趣的热门课题。特别是沟渠及其沟渠植物对夏季和冬季富含高浓度营养盐和金属污染物的生活污水的净化作用了解甚少，尽管沟渠系统已在四川盆地丘陵区普遍使用。大多数研究只比较排水沟的进水和排水，而未深入了解关于沟渠植物类型、摄取营养和金属的能力等信息，使得在选择合适的沟渠修复植物缺乏依据，同时在生态沟渠中仍然缺乏完整的营养盐和金属去除去机制。因此，了解物种间营养盐和金属的积累差异，筛选用于恢复受污染水生生态系统的最佳物种，制定适合的沟渠生态系统管理条件的研究十分必要。本研究采用现场调查、mesocosm实验和定期观测等方法，聚焦各种植物类型在排水沟中的分布与配置，并探究植物在富集营养盐与金属/准金属的能力和净化生活污水的作用机制。主要研究结果如下：（1）获取四川盆地丘陵区排水沟渠的形态、水深、水流速和沟渠植物类型、丰富度及其生物量特征。通过四川盆地丘陵区的野外调查研究，获得135个排水沟渠的野外调查数据，发现排水该区沟渠的宽度和深度以及水深度主要集中在2-5米，0.5-1米和<0.25米的范围内。沟渠形态主要呈直线型（47％）和蜿蜒型；无水坝与有水坝的沟渠比例分别为41.7％和58.3％。（51％）开展沟渠手工疏浚和刈割沟渠植物仅占所有沟渠的3％和9％，只有当地人认为影响排水和泄洪才会发生。在135个沟渠中共发现45种植物。最常见的种类是Phyla nodiflora Greene(占50％)，Alternanthera philoxeroides（占30％），Polygonum hydropiper(5％), Oenanthe Javanica(9％)和Acorus calamus(2％)。辛普森指数为0至0.94（n=135），香农多样性指数从0.34变为1.90，派洛指数为0.12-0.94。发现物种多样性最高的沟渠主要在静止和缓慢流动的沟渠。与植物分配相关的最重要的影响因素可能是流速、高度、坡度和营养等。居民点沟渠、道路沟渠的沉积物养分和金属含量最高，可能的来源包括农业排水、生活污水和农村化粪池溢流，林地沟渠的营养盐含量成分明显较低。居民点沟渠还显示较高的电导率（EC）和总溶解固体（TDS）值和较低的溶解氧（DO）浓度。而林地沟渠表现出较低的EC和总溶解固体（TDS）值和较高的DO浓度。（2）通过mesocosms试验测试了夏季和冬季植物物种对营养物质去除的效率。结果表明，有植被的营养去除率明显高于无植被，种植植被的mesocosm可以从污水中达到令人满意的TN，TP和NH4 –N去除效果，去除效率分别达到72％?99.4％，64％?98.7％，75％?100％。该系统还显示，特别是Canna indica，Cyperus alternifolius，Iris pseudacorus，Colocasia gigantea，Typha latifolia，Eichhornia crassipes等具有最高的TN和TP去除效率。沉积物N和P累积分别占初始TN和TP负荷的18.24 -49.78％。这表明沉积物积累对MPDS系统的营养物质去除起着重要的作用。此外，植物中的N和P吸收与植物生物量密切相关（夏季和冬季分别为r = 0.957和0.524），表明高生物量是夏季植物摄取的重要组成部分。此外，夏季N和P去除率明显高于冬季（p <0.05）。实验结束时，冬季植物摄取量占夏季N去除总量的42.29％?85.98％，冬季除氮总量的14?24％冬季植物摄取的P去除率为46％?87％（占总P去除量的8?17％），显示低温和缓慢生长对营养物质有负面影响清除。猕猴桃和禾本科植物在冬季表现出较高的营养摄取，有利于高水平的营养盐去除。因此，猕猴桃和禾本科禾本科植物可以被认为是生态沟渠中有效的越冬种类选择，用于在冬季处理未稀释或农村生活污水的混合物。植物衰腐败分解过程中，N和P浓度在腐败的前七天更快地释放。这些营养物最终进入系统，导致水质恶化。然而，在对照系统中，营养物浓度在整个实验过程中都没有改变。这些表明沟渠植物的N和P保留被认为是短期的，并且仅作为从系统中去除营养物质的介质。因此，植物腐败分解期间的收获是提高生态沟渠功效的最佳选择。（3）经过植物筛选和结构重建的生态沟渠的监测结果表明，生态沟渠可令人满意地降低生活污水中的TN、NH4-N、NO3-N、TP和PO4-P浓度，平均去除率分别为61％、63％、48％、58％和51％。营养盐浓度随着生态沟渠距离的延长而呈显著下降。植物同化、沉积物截留和沉淀是生活污水中N和P去除的关键机制，同时微生物摄取及其对营养盐的转化也发挥了重要作用。与生活污水入口相比，生态沟渠出口显示出较高的DO浓度和较低的电导率值和总溶解固体。研究结果突出表明，沟渠生态系统可以从生活污水中去除主要营养盐和金属污染物，，进一步研究表明，生态沟渠可充分发挥植物同化、沉积物固持和微生物转化作用机制，并通过探求生态沟渠的最佳运行条件，取得了良好污染去除效果，可广泛用于农村生活污水处理和非点源污染控制，并同时美化农村地区景观与居家环境，应纳入当地非点源污染最佳管理实践。同时，与传统污水处理厂相比，生态沟渠可显著降低污水处理成本和土地空间需求。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 211 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/34502]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室 成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | MATHIEU NSENGA KUMWIMBA. 四川盆地中部排水沟植物种类及其对减少非点源污染和重金属的作用[D]. 成都. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所. 2017. |
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