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)

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［1－3］。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BESTMAN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］。

2.1 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。

2.2 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

3.1 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。

3.2 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 Roem.)、水芹菜(Oenanthe javanica DC)、水雍菜(Ipomoea 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

4.1 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。

4.2 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1 60 d种植周期后不同浮岛作物的生长量比较Fig.1 Biomass 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。

4.3 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(4－10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。

图2 不同植物对水体中总氮含量的变化Fig.2 Changes 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Fig.3 Changes 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Ⅴ类净化为Ⅲ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

图4 因地制宜设计制作浮岛Fig.4 The design of BFI according to the local condition

图5 推广应用效果Fig.5 Application result of BFI

综上所述，结合国内外关于生物浮岛技术的研究现状，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系统间不同生物间的交互作用研究也会是一个重点。

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