生物浮岛技术的研发历程及在水体生态修复中的应用

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收稿日期: 2011-09-02 基金项目: 科技部农业科技成果转化资金项目( 2009GB23320484) ; 中央级公益性科研院所基本科研业务费支助项目( CKSF2010005) 作者简介: 黄薇( 1958-) ， 女， 上海市人， 教授级高级工程师， 主要从事流域水资源管理研究， ( 电话) 电子信箱) huangwei mail crsri cn。 文章编号: 10015485( 2011) 10003706 生物浮岛技术的研发历程及在水体生态 修复中的应用 黄薇， 张劲， 桑连海 ( 长江科学院 水资源综合利用研究所， 武汉430010) 摘要: 由于生物浮岛技术一方面可以有效改善水质环境， 另一方面还可营造良好的视觉环境和增加收入， 所以在水 体生态修复中得到广泛应用。介绍了生物浮岛的起源和发展， 对生物浮岛进行了分类， 并回顾了生物浮岛技术在 全球的研究状况， 然后结合其多年的研发和推广应用经验来介绍生物浮岛的关键技术及其在水体生态修复中的作 用， 旨在说明生物浮岛在水体生态修复中的应用优势， 并探讨其日后发展的主要方向。 关键词: 生物浮岛; 生态修复; 水面种植; 生态浮床; 应用 中图分类号: X171 1文献标识码: A 生物浮岛技术是按照自然界自身规律， 运用无 土栽培技术原理， 采用现代农艺与生态工程措施综 合集成的水面无土种植植物技术。以人工方式把高 等水生植物或改良的陆生植物无土种植到富营养化 水域水面上， 通过植物根系的截留、 吸收、 吸附作用 和物种竞争相克机理、 水生动物的摄食以及栖息期 间的微生物的降解等作用， 削减水体中的氮、 磷及有 害物质， 达到水质净化的目的， 同时营造景观效果并 产生一定的经济效益13 。采用此种技术可将原来 只能在陆地种植的陆生植物移栽至水面， 并能取得 与陆地种植相仿甚至更高的收获量与景观效果4 。 目前， 国内外关于生物浮岛技术的提法不尽相 同， 如“人工生物浮床” 与“人工浮岛” 、 “水面种 植 ” 、 “人工浮床 ” 、 “生物浮床 ” 、 “生态浮床” 、 “浮床 无土栽培” 等概念均属于同一范畴5 。 1生物浮岛起源 在富营养化水体处理的各种技术中， 由于生态 修复技术是借助生态系统自身良性循环机理来对污 染水体进行修复， 其对处理系统的人为干预最少， 副 作用最小， 所以得到大众认可。其中， 生物浮岛技术 是一种典型的营造良性营养循环链的水体生态修复 技术。早期的生态浮岛技术大都采用单一的水生植 物或多种水生植物组合来营造良好景观及为鸟类提 供栖息场所， 也称为人工浮岛。1979 年德国 BEST- MAN 公司建造了世界上最早的用于水处理的生物 浮岛 6 ; 20 世纪 80 年代， 美国开始利用多种鱼类养 殖废水水培生产生菜、 西红柿、 草莓和黄瓜等蔬菜及 风信子等花卉; Nathalie 等用商业化深液流( NTF) 水 培系统飘浮栽培毛曼佗罗( D innoxia) 净化修复生 活污水， 取得了较好的效果; 90 年代中期人工浮岛 被日本学者广泛认识， 并应用于湖泊治理 7， 8 ; 我国 的一些学者从 20 世纪 80 年代起也对植物浮床技术 开展了一些相关研究， 主要是在生物浮岛技术的作 物遴选 9 、 处理效果10， 11 、 净化机理12， 13 、 克藻作 用 14 等方面开展了研究。随后， 生物浮岛技术逐渐 为我国学者所接受， 应用于我国的水体生态修复项 目。 2生物浮岛种类 目前， 将生物浮岛按照浮床材料和结构的不同 可分为很多种， 如: 竹制浮岛、 组合式浮岛、 线栽浮 岛、 泡沫式浮岛、 塑料式浮岛等等。但是， 大多学者 按照浮岛上的植物是否接触供试水体将浮岛分为干 式浮岛和湿式浮岛 2 大类 15 。 21干式浮岛 干式浮岛是一种植物不直接接触供试水体的浮 岛， 植物和水体之间通过一种介质来进行营养传输 和固定作物 16 。一般来说， 由于作物不与水直接接 触， 所以浮岛的水处理能力有限。但是这种浮岛具 第28卷第10期长江科学院院报Vol 28No 10 2 0 1 1 年 1 0 月 Journal of Yangtze River Scientific Research InstituteOct2 0 1 1 有较大的浮力， 其上往往种植较大型的园艺植物， 由 此为鱼类和鸟类提供更大的栖息空间， 所以这种浮 岛一般使用经久耐用材料制成， 目的主要是用于改 善景观以及提供鱼虾产卵场所或者为鸟类提供栖息 地。由于其一般不是以净化水体为主要目的， 且制 作成本及技术要求较高， 所以在水体生态修复领域 中应用有限。 22湿式生物浮岛 湿式生物浮岛故名思义就是栽种的作物直接接 触水体， 通过作物吸收水体中营养物质的一种浮岛。 按照其浮力来源方式可分为组合式及一体式， 如果 浮力来源于栽培固定基质， 这种浮岛属于一体式浮 岛， 如泡沫浮岛、 木质浮岛、 椰壳纤维浮岛等等; 如果 浮岛是由浮力装置和栽培固定装置组合而成， 这种 浮岛属于组合式浮岛， 如组合式竹制浮岛、 组合式飞 碟浮岛、 PVC 管式线栽浮岛等等。 3生物浮岛的研究现状 31国外研究现状 真正意义上用于水环境治理技术的浮床技术最 先是由德国提出来的， 1979 年由德国建造出最早的 人工浮岛 schwimmkampen ( floating campus) 。自 20 世纪 80 年代末以来， 为了改善水库、 湖泊、 饮用水源 地的水质， 日本、 欧美等发达国家采用了植物生态浮 床技术治理水域， 开展了一系列的相关研究， 并取得 了较好的治理效果17 。1982 年开始， 日本在慈贺 县琵琶湖建造了人工浮岛， 在修复水体的同时， 为鲤 鱼、 鲫鱼、 诸子等鱼类提供了孵卵场， 取得了较好的 效果。到 90 年代中期人工浮岛已被日本环境及湖 泊科学家广泛认可。随后， 生物浮岛技术的研究在 全世界范围内展开。 32国内研究现状 我国早期的生物浮岛研究始于 80 年代， 中科院 南京湖泊与地理研究所、 福建农科院等单位， 以聚苯 乙烯发泡板作为浮岛载体， 铺上泥后种植水稻， 或以 聚苯乙烯作为浮体主材料， 辅以竹条、 丙烯袋、 塑料 薄膜等构成浮体栽培床种植各种植物， 为自然水域 植物栽培做了有益的尝试。同期， 李止正等 20 世纪 80 年代初结合太湖治理在太湖大水面无土栽培了 39 种高等陆生植物， 所试植物均能正常生长， 在改 善水环境的同时， 获得了一定的经济效果， 这为水上 种植技术的推广提供了强有力的依据。20 世纪 90 年代初， 戴全裕等利用丝瓜 ( Lufa cylindrical Ro- em ) 、 水芹菜( Oenanthe javanica DC) 、 水雍菜( Ipo- moea aquatica Forsk) 、 西洋菜( Nasturtium officinale R B ) 、 金针菜( Hemerocallis fulva L ) 及其它花卉 和蔬菜等经济作物净化酿酒废水， 取得了很好的环 境效益、 经济效益和生态效益18 。 自 1991 年以来， 我国利用人工浮床技术在大型 水库、 湖泊、 河道、 运河等不同水域， 成功种植 46 个 科的 130 多种陆生植物， 累积面积 10 余公顷， 其中 大面积单季水稻每公顷产量在8 5 t以上， 最高可达 10 07 t， 美人蕉、 旱伞草等花卉比在陆地种植取得 了更好的群体和景观效果19， 20 。 4生物浮岛技术的研发及应用实例 41基本情况 围绕着富营养化水体的生态修复这一科学问 题， 长江科学院水资源综合利用研究所( 以下简称 水资源所) 所确立了以湖区循环农业关键技术和藻 类水华综合治理技术为核心的水资源保护与生态修 复研究方向， 并组建水生态研究试验室和水生态实 验园， 在这一研究方向上进行了一系列营造良性营 养循环的农业发展模式及富营养化水体水华控制技 术的相关研究。 2005 年， 长江科学院水资源所与相关高等院校 联合， 成功申请到科技部科研院所社会公益研究专 项 “湖区循环农业关键技术研究” 项目。借助课题 支撑， 成功开发出以生物浮岛水上农业技术和有机 固废转化技术为核心的循环农业关键技术体系， 在 富营养化水体治理方面探索出了一条基于资源利用 的生态农业治理模式。循环农业关键技术是以富营 养化水体为研究对象， 借助生物浮岛载体将农作物 转移到水面栽培， 利用植物根系的吸收、 吸附作用和 根际微生物的新陈代谢作用， 将污染水体中的氮、 磷 等物质转化成优质农产品， 将浮岛终端植物残体制 成有机肥， 实现了富营养化水体中氮、 磷等污染物质 的循环利用， 在改善水环境的同时， 也创造了一定经 济效益， 具有广阔的推广应用前景。依托该套技术， 水资源所在近 5 年内成功申请到 3 项科技部农业科 技成果转化资金项目和 1 项中央级公益性科研院所 基本科研业务费专项， 通过这些项目的实施， 获得了 一批丰硕的成果。已成功遴选出适应不同水质特性 的耐污植物 50 多种， 成功攻克了冬季浮岛植物难存 活的难题; 设计开发了 10 多种形式的浮岛， 既可适 应不同水体需求， 又可降低单位面积的浮岛生产费 用; 申请国家专利 5 项， 在国内核心期刊发表论文 10 多篇; 在 2010 年第七届中国东盟博览会农村先 83 长江科学院院报2011 年 进适用技术暨高新技术展览会上 ， “湖区循环农业 关键技术” 研究成果赢得了国内外专家和学者的好 评， 荣获主办方颁发的优秀参展项目奖。 42主要的关键技术 4 2 1植物遴选技术 生物浮岛技术之所以能进行水体修复， 浮岛上 的植物起着决定性的作用。植物的选择既要满足环 境适应性要求， 又要具有生物量大的特点， 使之可以 最大限度地吸取水中营养物， 使水体得到改善 21 。 图 1 为经过 60 d 的种植周期后， 选出生物量生长较 大的 8 种作物生长量的对比。其中水生竹叶菜的生 长量最大， 可接近 30 kg/m2， 生长最小的是水花生， 也可达 20 kg/m2左右。 图 160 d 种植周期后不同浮岛作物的生长量比较 Fig1Biomass growth within 60 days of different BFI plants 到目前为止， 经过长期的室内和大田实验后， 已 经遴选出一批能适宜于不同地区、 不同季节、 不同水 体、 不同功能及不同需求的浮岛植物品种， 并根据研 究成果对植物进行季节搭配、 种属搭配、 景观搭配、 确保生物浮岛技术在进行水体生态修复时全年都能 发挥作用 22 。 4 2 2浮床制作技术 生物浮岛技术发展至今， 浮床材料的选择和浮 床制作技术一直是众多学者研究的热点之一。浮床 材料选择须充分考虑浮床的耐久性、 经济性、 环境敏 感性、 浮力等问题， 浮床制作要兼顾稳定性、 灵活性 等问题。通过一系列的试验研究， 已成功开发了六 代浮床， 从最初的“泡沫一代” 浮床， 发展到后来的 线栽浮岛、 瓶栽浮岛、 纯竹生态浮岛、 可再生材料浮 岛、 叠式浮岛以及组合浮岛等四代、 五代和六代生物 浮岛。各项研究成果不仅使浮床材料及制作技术朝 着成本低的方向发展， 而且也朝着环境友好型等方 向发展， 大大推动了生物浮岛研究成果的可应用性， 使不同的对象更易接收。 4 2 3作物的栽培技术 浮岛作物的栽培技术也是生物浮岛的关键技术 之一。经过多年的研究探索， 积累了丰富的作物栽 培技术方面的经验。针对不同作物可选择适宜的浮 床种类及适宜的栽种密度、 移栽时间、 种植周期及收 割方式等等。浮床作物固定方法由原来的基质固定 发展到现在的卡位固定及绳栽固定， 大大提高了种 植效率; 作物种植方式由最初的单一种植， 发展到现 在的混合种植， 四季搭配种植， 最大可能地实现对水 体的修复和美化效果。 4 2 4栽培残体的处理技术 生物浮岛每年都会产生大量植物残体， 如果不 予处理， 就会在水中腐烂分解， 营养物质又会重新回 到水体， 造成新的富营养化现象。针对这一问题进 行了植物残体处理技术研究。研究主要从 2 个方面 进行: 一方面， 通过农牧对接技术来处理浮岛上的植 物残体; 另一方面， 采用自制的生物反应器， 通过微 生物的新陈代谢功能， 将植物残体分解转变成富含 有机质和含有一定量氮、 磷、 钾等营养元素的有机 肥， 实现营养物的循环利用。经过安全检测， 由浮岛 终端植物残体制成的饲料和通过生物发酵制作的有 机肥， 5 种重金属和亚硝酸盐含量均远低于国家有 关标准， 说明生物浮岛的农牧对接技术和生物发酵 技术可行。 43推广应用 4 3 1生态修复效果 生物浮岛发展至今， 蔬菜、 景观花卉、 油料作物、 乔木等作物均可被选为水面种植的品种， 其中以竹 叶菜为代表的水生蔬菜经推广后， 得到老百姓的亲 睐。野外大田试验研究结果显示， 每平方米的竹叶 菜浮岛在一个种植周期( 410 月) 内可吸收氮约为 77 32 g， 吸收磷约为10 89 g。同步进行的 120 d 的 室内的半封闭小型水体栽培水生竹叶菜、 生菜、 油菜 及水芹菜浮岛的定量试验研究显示， 受试水体的初 始总氮和总磷浓度分别为 32 78 mg/L 和 4 23 mg/L， 封闭水体的体积为 50 L， 具体试验水质变化 结果如图 2 和图 3 所示。 由图 2、 图 3 可以看出， 4 种作物均有不同程度 的氮磷去除率， 其中去除效果最好的为水生竹叶菜 和油菜， 氮和磷的去除率均达到 60% 左右， 由于生 菜生长周期短， 且生物量生长比较少， 所以氮磷去除 率相对较低， 但也达到 40% 左右。由此可见， 生物 浮岛技术在水体氮磷等营养物质去除方面效果明 显。 93 第 10 期黄薇 等生物浮岛技术的研发历程及在水体生态修复中的应用 图 2不同植物对水体中总氮含量的变化 Fig2Changes of nitrogen content in water with different plants 图 3不同植物对水体中总磷含量的变化 Fig3Changes of phosphorous content in water with different plants 生物浮岛技术具有良好的水体净化功能， 兼有 美化景观、 营造生物栖息地等多种生态效果。根据 我们的研究成果， 采用我们制作的浮岛和遴选的植 物， 实现了 1 m2的生物浮岛在一个周期内， 可以将 35 130 m3的水从类净化为类水; 一个面积为 6 667 m2、 深2 0 m的富营养化池塘， 只需种植 100 380 m2的浮岛植物， 即可以在 1 年内恢复其农业功 能， 生态效益显著。 4 3 2应用效果 到目前为止， 长江科学院水资源所在生物浮岛的 推广应用方面做了大量工作。先后在江夏、 洪湖、 汉 阳等地区建立了多个试验示范基地。结合中试基地 的水环境现状， 因地制宜设计制作低成本栽培载体， 因时制宜配置植物， 增强了技术成果的应用效果; 通 过短期培训、 现场技术指导， 发动当地农民积极参与， 培养了一批技术娴熟的农民技术骨干， 为生物浮岛技 术的推广应用奠定了基础。通过开展的一系列技术 推广工作， 产生了较好的效果， 在改善水环境的同时， 激发了农民应用生物浮岛技术修复水体的积极性， 真 正实现了社会和环境效益“双赢” 的局面( 图 4、 图5) 。 5研究展望 综上所述， 结合国内外关于生物浮岛技术的研 图 4因地制宜设计制作浮岛 Fig4The design of BFI according to the local condition 图 5推广应用效果 Fig5Application result of BFI 究现状， 认为今后生物浮岛技术的研究应向以下几 个方向发展。 ( 1)植物的遴选方面的研究: 当前对于越冬浮 岛植物的研究不够充分， 生物浮岛的研究基本都在 春季至秋季进行， 很少有关于冬季生物浮岛水体修 复的研究。但是浮岛如果应用在水体生态修复案例 中， 则应多开展遴选适宜于冬季种植的作物， 避免因 断季而影响生态修复的效果。 ( 2)生物浮岛载体方面的研究: 目前生物浮岛 的种植和收割基本都是纯手工操作， 这种操作难度 较大， 并且劳动输入比较密集， 今后生物浮岛的制作 和植物收割技术应朝着规模化、 机械化的方向发展， 从而真正实现技术成果向现实生产力的转变。 ( 3)封闭系统营养循环定量研究: 目前生物浮 岛对营养物质的去除机理都是基于表观现象或者是 基于宏观作物吸收来考虑的， 这种角度有利于直观 表示作物对水体中营养物质的去除， 但是由于缺乏 封闭系统的定量研究， 基于生物浮岛的生态系统营 养物质的流向很难说明。 ( 4)生态系统间交互影响研究: 目前研究较多 的是生物浮岛用于纯粹处理某一污染水体， 而对于 水下养殖， 水面浮岛的集养殖、 去污为一体的清洁生 产系统的研究较少。今后研究基于生物浮岛的生态 04 长江科学院院报2011 年 系统间不同生物间的交互作用研究也会是一个重 点。 参考文献: 1 任照阳，邓春光 生态浮床技术应用研究进展J 农业环境科学学报，2007，26 ( 增刊) :261 263 ( REN Zhao- yang，DENG Chun- guangApplication of Ecological Floating Bed Technology J Journal of Agro- Environment Science，2007，26( Sup ) :261263 ( in Chinese) ) 2 杨婷婷 河蚌挂养与植物浮床集成技术在苏州重污染 河道中净化模式的探讨 D 南京:河海大学，2007 ( YANG Ting- ting Research on Purifying Mode Combi- ning Filter Feeders and Plant Floating- bed in Suzhou Heavy Polluted RiverD Nanjing:Hohai University， 2007 ( in Chinese) ) 3 井艳文，胡秀琳，许志兰，等 利用生物浮床技术进 行水体修复研究与示范 J 北京水利，2003，( 6) : 2022 ( JING Yan- wen， HU Xiu- lin， XU Zhi- lan， et al Study and Demonstration on the Application of Biological Floating Bed in Water Ecological Restoration J Beijing Water Resources， 2003，( 6) : 2022 ( in Chinese) ) 4 陈荷生，宋祥甫，邹国燕 利用生态浮床技术治理污 染水体J 中国水利，2005， ( 5) :5053 ( CHEN He- sheng，SONG Xiang- fu，ZOU Guo- yan Treatment in 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