水芹生态浮床净化功能影响因素与生态化学计量研究

发布时间：2020-10-26 00:01

　　 为了研究探讨浮床植物水芹根系在水箱模拟和实际应用条件下的根系发育差异特点,研究探讨水芹浮床水质净化机理和水质净化过程中的影响因素,研究探讨浮床水芹菜的生态化学计量学特征及内稳性特征,为水芹生态浮床的实际应用及研究提供理论支持和参考,本文针对水芹浮床在富营养化河道应用研究中的实际问题进行实验研究,对得到的数据综合运用方差分析、因子分析、灰色关联分析、回归分析等多种方法进行处理,得到以下结论： (1)通过对水芹根系指标和根系发育特点的比较研究,我们发现：河道和水箱中的水芹菜主要根系指标均以指数方式增长,随着水芹的生长发育,须根越来越多,导致平均根直径变小,平均根直径在一定程度上反映了水芹须根数量的变化。水箱浮床中水芹在根系表面积、根系总体积、根尖数、分叉数、交叠数及其增长速度方面大于河道中水芹,但在植物总长度、茎长、根直径、总重量、茎重、根重方面小于河道中水芹菜；通过对异速生长指数的研究发现,水箱中的水芹菜根部得到较好的发育,而地上部分生长则相对缓慢。由于水箱浮床实验中水芹根系要比实际河道中发达,因此我们用浮床模拟实验来研究浮床植物根系部位的净化作用时,可能会高估了浮床植物根系部位实际的净化作用,而低估了浮床植物地上部分的实际净化作用。 (2)通过对百达工业园河道和浮床水箱富营养化影响因素指标的连续监测研究,我们发现：在百达工业园河道连续监测试验中,河道中浮床生物量相对于河道水体总量很小,河道中氧化还原电位呈现出上升的趋势,通过因子分析发现,在我们监测的水体环境指标中,水体富营养化状况主要受到温度这一环境因子的影响；在我们的试验中,通过线性模拟发现叶绿素a含量与温度的相关性最强。在浮床水箱连续监测实验中,浮床生物量相对于水箱水体比较大,水箱中水体pH值受到浮床作用的影响比较大,基本维持不变,而溶解氧和氧化还原电位则随着温度、光照和水芹浮床的综合作用而变化；对水箱中水体富营养化状态影响最大的可能是浮床水芹。 (3)通过对水箱浮床水质净化实验的研究,我们发现：在我们的试验中,与空白对照相比,浮床系统能够提高水体的氧化还原电位,降低水体温度、浊度、叶绿素a的含量和水体电导率,加速去除水体中氮、磷等营养元素,但在去除COD方面,浮床与空白对照系统差异不大。试验中,不同留茬处理对水芹生物量、根系指标没有明显影响,不同留茬处理的浮床之间,在水体环境的改善和营养物质的去除方面,差异不显著。浮床系统水中,pH值、溶解氧含量与水温关系密切；浮床系统中氮、磷元素的去除率不仅受到浮床的影响,同时还受到温度、pH值、溶解氧等的影响。对磷元素的去除主要依靠植物的吸收作用,对氮元素的去除主要依靠硝化、反硝化作用及植物的吸收作用。水芹浮床系统对铵态氮和磷的去除主要发生在前中期,对硝态氮的去除需要比较长的时间,因此在水芹浮床实际应用过程中,为了提高水芹浮床的运行效率,需要根据富营养化水质的不同设定不同的运行时间。 (4)通过对水芹在在不同氮磷浓度条件下的生态化学计量特点及其内稳性的研究,我们发现：水芹根、茎、叶部位的氮元素、磷元素含量随着外界环境中磷元素浓度增大而增大,碳元素含量与外界环境中磷元素浓度关系不大；水芹根、茎、叶部位的氮磷比、碳磷比随着磷元素浓度增大而减小,主要是因为氮磷元素与碳元素的吸收途径不同,氮磷元素主要通过吸收外界环境中的氮磷元素获得,其过程受到外界环境营养元素含量的影响,而碳元素的固定则几乎不受外界碳氮磷元素含量的影响。试验中,水芹吸收的氮磷元素更多的分配到茎和叶部位,用于其生殖生长。其磷元素内稳性、氮磷比内稳性大小排序为根部最大,茎部次之,叶部最小。水芹吸收的氮磷元素优先分配到叶片部位用于生殖生长,导致水芹叶片部位氮磷元素含量变化比较大,其内稳性小；而根部营养元素含量变化相对较小,其内稳性就大;磷元素对氮元素的影响指数以叶部最大,茎部次之,根部最小,可能是由于叶片部位合成大量生长所需的蛋白质、氨基酸等氮磷比率比较恒定的物质。不论是水箱还是河道中,温度显著影响水芹的冠根比。水芹冠根比随着温度的变化呈现出先下降后上升趋势,但是水箱中水芹的变化速率要慢一些,主要是由于河道和水箱中水芹菜生物量分配策略不同造成的。 本论文从浮床植物的生态化学及内稳性特性、浮床净化过程中的影响因素出发进行研究,为实际应用过程中浮床植物的筛选、浮床系统运行时间的调控及正确评估浮床系统的作用提供了科学依据。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：X173;X703
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 浮床模拟实验研究
        1.2.2 湿地植物根系研究
        1.2.3 生态化学计量学研究
        1.2.4 生态内稳性研究
    1.3 研究内容、研究意义及拟解决的关键科学问题
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 研究意义
        1.3.3 拟解决的关键科学问题
        1.3.4 本论文的创新点
    1.4 研究思路及技术路线
第二章 实验区与实验设施条件
    2.1 实验区概况
        2.1.1 野外河道实验区
        2.1.2 室内实验区
    2.2 浮床设计
        2.2.1 野外河道实验大浮床
        2.2.2 水箱模拟实验小浮床
    2.3 实验水箱
    2.4 实验植物
        2.4.1 实验植物选择
        2.4.2 水芹简介
第三章 水箱与河道浮床植物根系生长发育状况对比
    3.1 引言
    3.2 材料及方法
        3.2.1 实验设置
        3.2.2 数据获取
        3.2.3 异速生长指数的计算
        3.2.4 数据处理
    3.3 结果与分析
        3.3.1 浮床植物采收结果及差异性
        3.3.2 主要根系指标及差异性
        3.3.3 主要根系指标随着时间的变化
        3.3.4 河道水箱中水芹异速生长指数的对比
        3.3.5 主要根系指标与温度之间的关系
    3.4 讨论
        3.4.1 水芹异速生长指数
        3.4.2 营养胁迫影响水芹生物量分配
    3.5 结论
第四章 连续监测实验条件下生态浮床水环境因子之间的关系
    4.1 引言
    4.2 材料与方法
        4.2.1 实验设置
        4.2.2 实验数据获取
        4.2.3 数据处理
    4.3 结果与分析
        4.3.1 百达工业园河道环境因子及其相互关系
            4.3.1.1 百达工业园河道连续监测实验水体理化指标变化
            4.3.1.2 百达工业园河道连续监测实验水体理化指标之间的关系
            4.3.1.3 百达工业园河道连续监测实验水体理化指标中的主要控制因子
            4.3.1.4 百达工业园河道连续监测水体富营养化回归参数
        4.3.2 浮床水箱环境因子及其相互关系
            4.3.2.1 浮床水箱连续监测实验水体理化指标变化
            4.3.2.2 浮床水箱连续监测线性理化指标回归参数参数
    4.4 讨论
        4.4.1 水体富营养化链条
        4.4.2 温度因素对浮床水体富营养化的影响
    4.5 结论
第五章 不同留茬处理对水芹浮床净化能力的影响
    5.1 引言
    5.2 材料及方法
        5.2.1 实验河水选择及水质状况
        5.2.2 实验设置
        5.2.3 样品采集及测定
        5.2.4 实验仪器
        5.2.5 去除率及综合营养化指数计算
            （1） 去除率的计算
            （2） 综合营养化指数的计算
        5.2.6 数据处理
    5.3 结果与分析
        5.3.1 浮床实验采收结果
        5.3.2 不同留茬处理对浮床水芹生长的影响
        5.3.3 水芹浮床系统水质理化指标的变化
        5.3.4 不同留茬处理水芹浮床净化效果差异
        5.3.5 不同留茬处理水芹浮床净化过程中的差异分析
        5.3.6 综合营养化指数
    5.4 讨论
        5.4.1 留茬处理对水芹浮床净化效果的影响
        5.4.2 浮床系统对水体理化性质的影响
        5.4.3 氮元素的去除
        5.4.4 磷元素的去除
        5.4.5 浮床处理时间
    5.5 结论
第六章 浮床植物水芹的生态化学及内稳性研究
    6.1 引言
    6.2 材料及方法
        6.2.1 实验区域
        6.2.2 植物选择
        6.2.3 实验设计
            6.2.3.1 室内氮浓度梯度实验部分
            6.2.3.2 室内磷浓度梯度实验部分
            6.2.3.3 野外河道氮浓度实验部分
            6.2.3.4 根系扫描实验生态化学实验部分
        6.2.4 实验仪器
        6.2.5 数据获取
        6.2.6 内稳性指数计算
        6.2.7 数据处理
    6.3 结果与分析
        6.3.1 不同营养水平野外河道条件下浮床水芹生态化学计量研究
            6.3.1.1 不同营养水平河道中浮床水芹生态化学特点
            6.3.1.2 不同营养水平河道浮床水芹生态化学计量比
        6.3.2 室内控制条件下不同氮浓度对水芹主要元素生态化学计量的影响
            6.3.2.1 水芹生态化学特点
            6.3.2.2 不同氮浓度条件下水芹生态化学特点
            6.3.2.3 不同时间水芹不同部位生态化学特点
        6.3.3 室内控制条件下不同磷浓度对水芹主要元素生态化学计量的影响
            6.3.3.1 水芹生态化学特点
            6.3.3.2 不同磷浓度条件下水芹生态化学特点
            6.3.3.3 不同时间水芹不同部位生态化学特点
            6.3.3.4 不同磷浓度条件下水芹生态化学计量比随着时间的变化
            6.3.3.5 不同磷浓度条件下水芹生态化学计量比
            6.3.3.6 水芹生态内稳性
        6.3.4 河道、水箱中浮床水芹根系生态化学计量研究
            6.3.4.1 水芹地上地下部分碳、氮、磷含量及差异性
            6.3.4.2 水芹地上地下部分碳、氮、磷含量随着时间的变化
            6.3.4.3 水芹冠根比、干重率随着时间的变化
            6.3.4.4 水芹冠根比、干重率与温度的关系
    6.4 讨论
        6.4.1 生物量和营养分配
        6.4.2 水芹生态化学计量特征
        6.4.3 内稳性
    6.5 结论
第七章 结论与展望
    7.1 本研究主要结论
    7.2 需要改进之处
    7.3 展望
附录：水芹根系快速扫描实验
    研究方法
    结果及分析
    结论
附录
参考文献
博士就读期间科研成果
致谢

【参考文献】

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