兩個地理問題

【專家解說】：1.黃土高原位于中國東部季風(fēng)區(qū)的中緯度地帶，地理位置處在沿海向內(nèi)陸、平原向高原過渡的區(qū)域，有利于熱力對流 2.① 植物的存在增加了系統(tǒng)和污水的接觸面積，有利于懸浮物和病原菌的吸附、去除;② 植物的存在減少了污水的流動，有利于懸浮物的沉降;③ 植物發(fā)達(dá)的根系使系統(tǒng)不易形成侵蝕溝，穩(wěn)定了系統(tǒng)，并且植物根系的生長使系統(tǒng)不易被阻塞;④ 植物具有輸送氧氣的作用，其根系還具有分泌功能 植物對污水的吸收利用、吸附和富集作用 植物在污水中吸收大量的無機氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，供其生長發(fā)育。污水中氨氮作為植物生長過程中不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)被植物直接攝取，合成植物蛋白質(zhì)和有機氮，再通過植物的收割從廢水中去除，污水中其余的大部分氮通過系統(tǒng)中微生物的降解而除去，最后氮在系統(tǒng)中的殘留并不明顯;污水中無機磷在植物吸收及同化作用下可轉(zhuǎn)化為植物的ATP、DNA、PNA等有機成分，然后通過植物的收割而從系統(tǒng)中去除[2]。生根植物直接從砂土中去除氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，而浮水植物則在水中去除營養(yǎng)物質(zhì)。進行城鎮(zhèn)污水處理試驗中發(fā)現(xiàn):種植水燭和燈心草的人工濕地基質(zhì)中氮、磷的含量分別比無植物的對照基質(zhì)中的含量低18%~28%和20%~31% [3], 可見水燭和燈心草吸收了污水中部分的氮和磷。窄葉香蒲吸收的氮占進入系統(tǒng)中氮量的43%，而當(dāng)采用定期收獲植物方式時，由于總生物量的增加使氮吸收量還要增加，高達(dá)46%，在一些垂直流人工濕地中，香蒲對氮的去除能力高達(dá)85%。 植物還能吸附、富集一些有毒有害物質(zhì)，如重金屬鉛、鎘、汞、砷等，其吸收積累能力為:沉水植物〉漂浮植物〉挺水植物，不同部位濃縮作用也不同，一般為:根〉莖〉葉，各器官的累積系數(shù)隨污水濃度的上升而下降[4~5]。垂直流人工濕地處理低濃度重金屬污水的試驗表明，風(fēng)車草能吸收富集水體中30%的銅和錳，對鋅、鎘、鉛的富集也在5%~15%[6];薺菜根際附著大量的細(xì)菌后，能加速硒的富集和揮發(fā);高粱也能利用根際細(xì)菌加速硝酸鹽、鉀和磷酸鹽的富集。大多數(shù)植物都可以吸收重金屬和中度憎水有機物，并且積累在植物組織內(nèi)。重金屬在一般植物中的積累量為0.1~100μg/g ,但也有一些特殊植物超量積累重金屬。植物對污水中重金屬的去除作用還表現(xiàn)在植物的產(chǎn)氧作用使根區(qū)含氧量增加，促進了污水重金屬的氧化和沉降。寬葉香蒲、蘆葦、狗牙根等是人工濕地對鉛、鋅、銅和錫的超積累優(yōu)勢物，污水中汞和硒可通過植物吸收到體內(nèi)再轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中去。 1.2 植物的輸氧作用 濕地環(huán)境對很多生物來說是一種嚴(yán)酷的逆境，最嚴(yán)重的情況是濕地土壤缺氧。缺氧條件下，生物不能進行正常的有氧呼吸，還原態(tài)的某些元素和有機物的濃度可達(dá)到有毒的水平。人工濕地中污染物所需的氧主要來自于大氣的自然復(fù)氧和植物輸氧，植物能將經(jīng)過光合作用產(chǎn)生的氧氣通過氣道輸送到根區(qū)，在植物根區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)的微環(huán)境[7]。輸送過程以及氧在濕地中的分布狀態(tài)如圖1所示(以蘆葦床為例)[8]，這種輸氧作用使根毛周 圖 1 濕地中氧的分布及植物輸氧的過程 圍形成一個好氧區(qū)域，其中好氧生物膜對氧的利用使離根毛較遠(yuǎn)的區(qū)域呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)，更遠(yuǎn)的區(qū)域為完全缺氧。這樣使得根區(qū)有氧區(qū)域和缺氧區(qū)域共同存在，為根區(qū)的好氧、兼性和厭氧微生物提供各自適宜的小生境，使不同的微生物各得其所，發(fā)揮相輔相成的作用。這種連續(xù)呈現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧的狀態(tài)相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A/A/O處理單元，這樣植物在為濕地系統(tǒng)輸送氧的同時，還可以通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的過量積累作用使氮、磷從廢水中去除。人工濕地中植物的根毛釋放氧氣也有助于在好氧條件下濕地中物質(zhì)的傳遞 和變化，如圖2所示 [8]。因此，植物在人工濕地去除氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、SS和BOD等方面直接或間接地發(fā)揮重要作用。 1.3 植物根系分泌作用 植物向土壤環(huán)境中釋放大量的分泌物，如糖類、醇類、氨基酸等，其數(shù)量約占年光合作用產(chǎn)量的10%~20%。細(xì)根的迅速腐解也向土壤中補充了有機碳，這些物質(zhì)為微生物的生長提供了豐富的營養(yǎng)，促進了微生物的生長，植物的存在使系統(tǒng)中的微生物如硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、磷細(xì)菌、纖維素分解菌的數(shù)量顯著增加。微生物是系統(tǒng)中有機物分解的主要“執(zhí)行者”，把有機物作為豐富的能源，將其轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)和能源。因此，植物的存在間接加快了有機物的分解速度，植物根系釋放到土壤中的酶可以直接降解有機化合物。 蘆葦、香蒲等水生植物有發(fā)達(dá)的通氣組織，向植物根際輸送氧氣，在植物根區(qū)形成特殊的好氧厭氧環(huán)境，適應(yīng)各種微生物的生長，間接促進污水中各種污染物的降解。研究表明，有植物的濕地系統(tǒng)，細(xì)菌數(shù)量顯著高于無植物系統(tǒng)，且植物根部的細(xì)菌比介質(zhì)處高1~2個數(shù)量級，植物的根系分泌物還可以促進某些磷、氮細(xì)菌的生長，促進氮、磷的釋放及轉(zhuǎn)化，從而間接的提高凈化率[3]。 1.4 植物對污水中藻類的抑制作用 藻類是水體中重要的有機制造者，它們死亡后，其殘體留在系統(tǒng)中，藻類制造的有機物就很難通過收割等方式轉(zhuǎn)移出系統(tǒng)。藻類自身吸收的氮、磷等元素又重新回到系統(tǒng)中，這樣，藻類就縮短了氮、磷等元素的循環(huán)周期，嚴(yán)重地破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定，直接影響污水濕地處理系統(tǒng)的效果。寬葉香蒲，風(fēng)眼蓮等植物對藻類有較好的抑制作用，能減少藻類對污水濕地處理工程的不利影響。 1.5 各類植物的協(xié)同作用 不同植物對于不同污染物的去除效果各異，如:蘆葦可分解酚，香蒲能去除污水中的有機物、無機污染物，可吸收銅、鈷、鎳、錳及氯化烴，根部能分泌天然抗生物質(zhì)，降低污水中的細(xì)菌濃度，去除病原體;捕蠅草和豬籠草葉邊有消化腺，為食蟲草類植物;大米草可以吸收污水中80%~90%的氮、磷;蘆葦和香蒲能絮凝膠體，消除病原體，其空心莖有利于空氣輸送到根部，為微生物提供額外的氧。 單一植物的凈化能力總是有限的，應(yīng)選擇各物種的合理搭配，發(fā)揮各類植物的協(xié)調(diào)作用。如蘆葦通氣組織較發(fā)達(dá)，具有較強的輸氧能力，而茭白生長量大，具有較強的吸收氮、磷的能力，蘆葦、茭白兩種植物混種對污水處理的效果好于種植單一植物。目前，全球發(fā)現(xiàn)的濕地高等植物多達(dá)6000多種，但已被實際利用于污水濕地處理工程的不過幾十種，絕大多數(shù)植物還沒使用過。因此，發(fā)揮植物的協(xié)同作用的潛在空間還很大。 1.6 植物維持系統(tǒng)穩(wěn)定的作用 維持人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運行的首要條件是保證濕地系統(tǒng)水力傳輸，植物在這方面起著重要的作用。植物根及根系對介質(zhì)具有穿透作用，從而在介質(zhì)中形成了許多微小的氣室或間隙，減小了介質(zhì)的封閉性，增強了介質(zhì)的疏松度，使得介質(zhì)的水力傳輸?shù)玫郊訌姾途S持，成水平[9]進行的人工濕地處理污水的試驗中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3~5個月的污水處理后不同植物的對照土壤介質(zhì)板結(jié)，發(fā)生淤積，而種有水燭和燈心草的人工濕地滲透性能好，污水能很快地滲入介質(zhì)。據(jù)報道，即使較板結(jié)的土壤，在2~5年內(nèi)，經(jīng)過植物根系的穿透作用，其水力傳輸能力仍可與砂礫、碎石相當(dāng)[10]。植物的生長能加快天然土壤的水力傳輸，且當(dāng)植物成熟時，根區(qū)系統(tǒng)的水容量增大，當(dāng)植物的根和根系腐爛時，剩下許多的空隙和通道，也有利于土壤的水力傳輸。 2 影響植物凈化效果的因素 由于人工濕地工程建在野外，受自然環(huán)境的影響很大，因此季節(jié)變化對濕地凈化功能的有一定的影響，其影響主要是溫度變化、季節(jié)的突變和植物生長對磷的凈化效果。 2.1 溫度變化對人工濕地凈化的影響 由于濕地的凈化作用主要是通過濕地微生物來完成，而溫度對微生物的生長繁殖以及活性都有顯著的影響[11]。不同季節(jié)植物的生長狀況和代謝活動都不同,因而濕地植物吸收和利用有機物質(zhì)的能力也存在著顯著差異。楊昌風(fēng)[12]等人在模擬人工濕地處理污水的實驗研究中發(fā)現(xiàn)在氣溫在22~32℃范圍內(nèi)，池杉系統(tǒng)對氮的去除率隨著溫度的升高而增大。不過，也有人發(fā)現(xiàn)短期的溫度變化對氮磷的去除影響不大，但如果長期的溫度變化將會導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的去除率發(fā)生變化，據(jù)分析可能是因為短期溫度變化中濕地中的微生物種群并沒有發(fā)生變化，但溫度變化的時間相對長一些，如幾個星期，則人工濕地中的微生物群落將會由于適應(yīng)新的環(huán)境而導(dǎo)致數(shù)目和種類的改變，從而影響了人工濕地對污水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果[13]。梁威[14]等人在人工濕地中植物根區(qū)微生物與凈化效果的季節(jié)變化的實驗研究中發(fā)現(xiàn)夏秋兩季的根區(qū)微生物數(shù)量有顯著的變化，秋季其根區(qū)細(xì)菌數(shù)量較夏季有明顯的增加，同時還發(fā)現(xiàn)除香蒲濕地系統(tǒng)外，其他濕地系統(tǒng)秋季對KN的去除率較夏季有明顯的增加。 2.2 氣候突變的影響 氣候突變對濕地植物影響主要表現(xiàn)在低溫對植物的影響。因為植物長期生長在營養(yǎng)物質(zhì)充分、溫度適宜的環(huán)境下，抗寒能力較弱，突變急劇降溫和大風(fēng)會造成寒害。在相同的環(huán)境因素下，不同的植物和相同植物的不同生長階段表現(xiàn)了不同的抗寒能力，其原因是植物的抗寒能力與細(xì)胞含水密切相關(guān)，寒害過程也是原生質(zhì)脫水的黏稠化的過程，即植物細(xì)胞的抗脫水能力越強就越抗寒。從生物化學(xué)角度看，抗寒性強的植物組織內(nèi)含有較多的親水化合物，可以保證原生質(zhì)在低溫環(huán)境下具有較大的穩(wěn)定性。植物要栽種在它的適宜氣候條件下，在不同的季節(jié)內(nèi)生長其生長情況和處理效果也會不同，植物在移栽時也應(yīng)注意多樣性和穩(wěn)定性。濕地植物在不同季節(jié)生長情況表現(xiàn)出明顯的差異，如在沙田人工濕地中栽種熱帶或溫帶植物，其生長情況如表1所示: 表1 沙田污水處理人工濕地不同季節(jié)植物生長情況對照 植物種類 高速生長季 低速生長季 蘆葦、荻 生長蔓延迅速，分蘗較多 生長緩慢，部分莖桿干枯 再力花 生長較快，株高1.5~1.7m 生長緩慢，收割兩個月后單株分蘗數(shù)僅2~3個，株高15~40cm(平均約為旺季的1/2) 水蔥 生長較快，株高1.3~1.6m 生長緩慢，株高1.0~1.2m 紙莎草 生長前期較慢，中期生長較快，株高1.9~2.1m 生長緩慢，株高1.6~1.7m 美人蕉 生長較快，株高2.6~3.0m 生長緩慢，株高0.5~1.6m 2.3植物生長狀況對濕地磷凈化效果的影響 人工濕地對污水中磷的去除主要是通過基質(zhì)的吸附、植物吸收及微生物富集等途徑來完成[16]。如同無機氮一樣，污水中的無機磷在植物吸收及同化作用下，可變成植物的有機成分(如ATP、DNA、RNA等)。吳振斌等[17]通過對蘆葦、茭白以及對照人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果的研究中發(fā)現(xiàn)，有無植物系統(tǒng)在磷的去除方面影響很大，有植物的系統(tǒng)比無植物的系統(tǒng)具有更高的去除率，系統(tǒng)在各階段的凈化效果及穩(wěn)定性均比無植物系統(tǒng)好。此外，在不同的季節(jié)，磷的凈化效果也不同，春夏較秋冬季節(jié)高。梁威[17]等在人工濕地植物根區(qū)微生物與凈化效果的季節(jié)變化的實驗中也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律，夏季蘆葦、菱白和香蒲濕地系統(tǒng)對總磷的去除率分別為58.3%，36%和66.2%，無植物的對照系統(tǒng)對總磷基本沒有去除效果，蘆葦?shù)认到y(tǒng)秋季磷的凈化效果較夏季顯著降低，而香蒲系統(tǒng)的總磷去除率也只有26.5%。由此可見，有無植物以及植物的生長狀況對總磷的去除有很大關(guān)系。因此，為了提高系統(tǒng)的總磷去除率，應(yīng)對濕地植物定期進行收割，以防植物殘體腐爛以及營養(yǎng)物質(zhì)重新釋放進入人工濕地廢水處理系統(tǒng);如果濕地用于凈化重金屬以及某些難降解的有機和無機污染物，對濕地植物也應(yīng)該及時處理，以防對環(huán)境造成二次污染。 3 濕地中植物存在的問題 植物在人工濕地污水凈化過程中的作用與其生長狀況密切相關(guān)，生長越旺盛、根系越發(fā)達(dá)的植株，其凈化污水的能力、輸氧和穿透的作用越大。但試驗或應(yīng)用的人工濕地中植物的生長存在一些問題，影響其作用的正常發(fā)揮。大多數(shù)濕地植物的生長周期是春夏萌芽、秋冬苦死，在人工濕地這個自然或人工生境下，植物生長亦存在著這種現(xiàn)象，由此導(dǎo)致根區(qū)法污水處理系統(tǒng)冬季的污水凈化效果下降，香蒲人工濕地和蘆葦床系統(tǒng)也因在冬季植株地面部分枯黃，對污水中氨氮的去除率明顯低于其他季節(jié)。衰退是植物的又一問題，除直接損傷、擦傷外，水質(zhì)和基質(zhì)的不同組成、水位高低及富營養(yǎng)狀態(tài)都能引起植物的衰退，以碎石為基質(zhì)的人工濕地生境不利于燈心草分蘗的生長，重新分蘗的管狀莖亦稀疏、彎曲死亡。Amstrong等認(rèn)為植物體腐爛、超負(fù)荷有機污染物沖擊或富營養(yǎng)化等產(chǎn)生的植物酶素(如有機酸、硫化物等)在蘆葦組織中的富集是引起蘆葦衰退的主要原因之一。氮、磷作為營養(yǎng)元素是植物生長發(fā)育、繁殖所必需的，但高濃度的氮、磷污水又影響到植物的正常生長。一般在人工濕地中選擇一種或幾種植物作為優(yōu)勢種栽種，有利于植物的快速生長，但在實際的應(yīng)用過程中，當(dāng)人工濕地略為干旱時，雜草便大量地入侵，并抑制栽種植物的生長，因此建議對濕地進行改造，防止雜草的入侵，或人工拔除雜草，提高大型植物的生長速度。不過，對于較大面積的日常運行的人工濕地來說，靠人工經(jīng)常拔除雜草可能為人工濕地的管理在資金和人力上提出了難題。植物具有龐大的根系使被選為人工濕地植物的主要因素之一，但在試驗和應(yīng)用中往往擴展不利，不能形成龐大的根系，人工濕地的體積得不到充分的利用。 4 人工濕地植物研究的展望 植物是人工濕地污水處理的核心，發(fā)揮著重要的作用，但由于各種原因使得人工濕地植物的整體凈化效果受到了影響，因此有關(guān)植物的研究還有待深入。今后我國人工濕地植物的研究要著重考慮以下幾個方面:①人工濕地植物的生理生態(tài)研究;②人工濕地植物種類的篩選及其適宜生境的研究及創(chuàng)建;③通過濕地植物種類的選擇或?qū)χ参锏墓芾韥砑ぐl(fā)新根生長以提高氧的傳遞;④培育一些特殊性能的植物，如抗氣候突變、抗季節(jié)變化等。