生物浮島技術的研發歷程及在水體生態修復中的應用

黃 薇，張 勁，桑連海

(長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010)

生物浮島技術是按照自然界自身規律，運用無土栽培技術原理，采用現代農藝與生態工程措施綜合集成的水面無土種植植物技術。以人工方式把高等水生植物或改良的陸生植物無土種植到富營養化水域水面上，通過植物根系的截留、吸收、吸附作用和物種競爭相克機理、水生動物的攝食以及棲息期間的微生物的降解等作用，削減水體中的氮、磷及有害物質，達到水質凈化的目的，同時營造景觀效果并產生一定的經濟效益［1－3］。采用此種技術可將原來只能在陸地種植的陸生植物移栽至水面，并能取得與陸地種植相仿甚至更高的收獲量與景觀效果［4］。

目前，國內外關于生物浮島技術的提法不盡相同，如“人工生物浮床”與“人工浮島”、“水面種植”、“人工浮床”、“生物浮床”、“生態浮床”、“浮床無土栽培”等概念均屬于同一范疇［5］。

1 生物浮島起源

在富營養化水體處理的各種技術中，由于生態修復技術是借助生態系統自身良性循環機理來對污染水體進行修復，其對處理系統的人為干預最少，副作用最小，所以得到大眾認可。其中，生物浮島技術是一種典型的營造良性營養循環鏈的水體生態修復技術。早期的生態浮島技術大都采用單一的水生植物或多種水生植物組合來營造良好景觀及為鳥類提供棲息場所，也稱為人工浮島。1979年德國BESTMAN公司建造了世界上最早的用于水處理的生物浮島［6］;20世紀80年代，美國開始利用多種魚類養殖廢水水培生產生菜、西紅柿、草莓和黃瓜等蔬菜及風信子等花卉;Nathalie等用商業化深液流(NTF)水培系統飄浮栽培毛曼佗羅(D.innoxia)凈化修復生活污水，取得了較好的效果;90年代中期人工浮島被日本學者廣泛認識，并應用于湖泊治理［7，8］;我國的一些學者從20世紀80年代起也對植物浮床技術開展了一些相關研究，主要是在生物浮島技術的作物遴選［9］、處理效果［10，11］、凈化機理［12，13］、克藻作用［14］等方面開展了研究。隨后，生物浮島技術逐漸為我國學者所接受，應用于我國的水體生態修復項目。

2 生物浮島種類

目前，將生物浮島按照浮床材料和結構的不同可分為很多種，如:竹制浮島、組合式浮島、線栽浮島、泡沫式浮島、塑料式浮島等等。但是，大多學者按照浮島上的植物是否接觸供試水體將浮島分為干式浮島和濕式浮島2大類［15］。

2.1 干式浮島

干式浮島是一種植物不直接接觸供試水體的浮島，植物和水體之間通過一種介質來進行營養傳輸和固定作物［16］。一般來說，由于作物不與水直接接觸，所以浮島的水處理能力有限。但是這種浮島具有較大的浮力，其上往往種植較大型的園藝植物，由此為魚類和鳥類提供更大的棲息空間，所以這種浮島一般使用經久耐用材料制成，目的主要是用于改善景觀以及提供魚蝦產卵場所或者為鳥類提供棲息地。由于其一般不是以凈化水體為主要目的，且制作成本及技術要求較高，所以在水體生態修復領域中應用有限。

2.2 濕式生物浮島

濕式生物浮島故名思義就是栽種的作物直接接觸水體，通過作物吸收水體中營養物質的一種浮島。按照其浮力來源方式可分為組合式及一體式，如果浮力來源于栽培固定基質，這種浮島屬于一體式浮島，如泡沫浮島、木質浮島、椰殼纖維浮島等等;如果浮島是由浮力裝置和栽培固定裝置組合而成，這種浮島屬于組合式浮島，如組合式竹制浮島、組合式飛碟浮島、PVC管式線栽浮島等等。

3 生物浮島的研究現狀

3.1 國外研究現狀

真正意義上用于水環境治理技術的浮床技術最先是由德國提出來的，1979年由德國建造出最早的人工浮島schwimmkampen(floating campus)。自20世紀80年代末以來，為了改善水庫、湖泊、飲用水源地的水質，日本、歐美等發達國家采用了植物生態浮床技術治理水域，開展了一系列的相關研究，并取得了較好的治理效果［17］。1982年開始，日本在慈賀縣琵琶湖建造了人工浮島，在修復水體的同時，為鯉魚、鯽魚、諸子等魚類提供了孵卵場，取得了較好的效果。到90年代中期人工浮島已被日本環境及湖泊科學家廣泛認可。隨后，生物浮島技術的研究在全世界范圍內展開。

3.2 國內研究現狀

我國早期的生物浮島研究始于80年代，中科院南京湖泊與地理研究所、福建農科院等單位，以聚苯乙烯發泡板作為浮島載體，鋪上泥后種植水稻，或以聚苯乙烯作為浮體主材料，輔以竹條、丙烯袋、塑料薄膜等構成浮體栽培床種植各種植物，為自然水域植物栽培做了有益的嘗試。同期，李止正等20世紀80年代初結合太湖治理在太湖大水面無土栽培了39種高等陸生植物，所試植物均能正常生長，在改善水環境的同時，獲得了一定的經濟效果，這為水上種植技術的推廣提供了強有力的依據。20世紀90年代初，戴全裕等利用絲瓜(Lufa cylindrical Roem.)、水芹菜(Oenanthe javanica DC)、水雍菜(Ipomoea aquatica Forsk)、西洋菜(Nasturtium officinale R.B.)、金針菜(Hemerocallis fulva L.)及其它花卉和蔬菜等經濟作物凈化釀酒廢水，取得了很好的環境效益、經濟效益和生態效益［18］。

自1991年以來，我國利用人工浮床技術在大型水庫、湖泊、河道、運河等不同水域，成功種植46個科的130多種陸生植物，累積面積10余公頃，其中大面積單季水稻每公頃產量在8.5 t以上，最高可達10.07 t，美人蕉、旱傘草等花卉比在陸地種植取得了更好的群體和景觀效果［19，20］。

4 生物浮島技術的研發及應用實例

4.1 基本情況

圍繞著富營養化水體的生態修復這一科學問題，長江科學院水資源綜合利用研究所(以下簡稱水資源所)所確立了以湖區循環農業關鍵技術和藻類水華綜合治理技術為核心的水資源保護與生態修復研究方向，并組建水生態研究試驗室和水生態實驗園，在這一研究方向上進行了一系列營造良性營養循環的農業發展模式及富營養化水體水華控制技術的相關研究。

2005年，長江科學院水資源所與相關高等院校聯合，成功申請到科技部科研院所社會公益研究專項“湖區循環農業關鍵技術研究”項目。借助課題支撐，成功開發出以生物浮島水上農業技術和有機固廢轉化技術為核心的循環農業關鍵技術體系，在富營養化水體治理方面探索出了一條基于資源利用的生態農業治理模式。循環農業關鍵技術是以富營養化水體為研究對象，借助生物浮島載體將農作物轉移到水面栽培，利用植物根系的吸收、吸附作用和根際微生物的新陳代謝作用，將污染水體中的氮、磷等物質轉化成優質農產品，將浮島終端植物殘體制成有機肥，實現了富營養化水體中氮、磷等污染物質的循環利用，在改善水環境的同時，也創造了一定經濟效益，具有廣闊的推廣應用前景。依托該套技術，水資源所在近5年內成功申請到3項科技部農業科技成果轉化資金項目和1項中央級公益性科研院所基本科研業務費專項，通過這些項目的實施，獲得了一批豐碩的成果。已成功遴選出適應不同水質特性的耐污植物50多種，成功攻克了冬季浮島植物難存活的難題;設計開發了10多種形式的浮島，既可適應不同水體需求，又可降低單位面積的浮島生產費用;申請國家專利5項，在國內核心期刊發表論文10多篇;在2010年第七屆中國東盟博覽會農村先進適用技術暨高新技術展覽會上，“湖區循環農業關鍵技術”研究成果贏得了國內外專家和學者的好評，榮獲主辦方頒發的優秀參展項目獎。

4.2 主要的關鍵技術

4.2.1 植物遴選技術

生物浮島技術之所以能進行水體修復，浮島上的植物起著決定性的作用。植物的選擇既要滿足環境適應性要求，又要具有生物量大的特點，使之可以最大限度地吸取水中營養物，使水體得到改善［21］。圖1為經過60 d的種植周期后，選出生物量生長較大的8種作物生長量的對比。其中水生竹葉菜的生長量最大，可接近30 kg/m2，生長最小的是水花生，也可達20 kg/m2左右。

圖1 60 d種植周期后不同浮島作物的生長量比較Fig.1 Biomass growth within 60 days of different BFI plants

到目前為止，經過長期的室內和大田實驗后，已經遴選出一批能適宜于不同地區、不同季節、不同水體、不同功能及不同需求的浮島植物品種，并根據研究成果對植物進行季節搭配、種屬搭配、景觀搭配、確保生物浮島技術在進行水體生態修復時全年都能發揮作用［22］。

4.2.2 浮床制作技術

生物浮島技術發展至今，浮床材料的選擇和浮床制作技術一直是眾多學者研究的熱點之一。浮床材料選擇須充分考慮浮床的耐久性、經濟性、環境敏感性、浮力等問題，浮床制作要兼顧穩定性、靈活性等問題。通過一系列的試驗研究，已成功開發了六代浮床，從最初的“泡沫一代”浮床，發展到后來的線栽浮島、瓶栽浮島、純竹生態浮島、可再生材料浮島、疊式浮島以及組合浮島等四代、五代和六代生物浮島。各項研究成果不僅使浮床材料及制作技術朝著成本低的方向發展，而且也朝著環境友好型等方向發展，大大推動了生物浮島研究成果的可應用性，使不同的對象更易接收。

4.2.3 作物的栽培技術

浮島作物的栽培技術也是生物浮島的關鍵技術之一。經過多年的研究探索，積累了豐富的作物栽培技術方面的經驗。針對不同作物可選擇適宜的浮床種類及適宜的栽種密度、移栽時間、種植周期及收割方式等等。浮床作物固定方法由原來的基質固定發展到現在的卡位固定及繩栽固定，大大提高了種植效率;作物種植方式由最初的單一種植，發展到現在的混合種植，四季搭配種植，最大可能地實現對水體的修復和美化效果。

4.2.4 栽培殘體的處理技術

生物浮島每年都會產生大量植物殘體，如果不予處理，就會在水中腐爛分解，營養物質又會重新回到水體，造成新的富營養化現象。針對這一問題進行了植物殘體處理技術研究。研究主要從2個方面進行:一方面，通過農牧對接技術來處理浮島上的植物殘體;另一方面，采用自制的生物反應器，通過微生物的新陳代謝功能，將植物殘體分解轉變成富含有機質和含有一定量氮、磷、鉀等營養元素的有機肥，實現營養物的循環利用。經過安全檢測，由浮島終端植物殘體制成的飼料和通過生物發酵制作的有機肥，5種重金屬和亞硝酸鹽含量均遠低于國家有關標準，說明生物浮島的農牧對接技術和生物發酵技術可行。

4.3 推廣應用

4.3.1 生態修復效果

生物浮島發展至今，蔬菜、景觀花卉、油料作物、喬木等作物均可被選為水面種植的品種，其中以竹葉菜為代表的水生蔬菜經推廣后，得到老百姓的親睞。野外大田試驗研究結果顯示，每平方米的竹葉菜浮島在一個種植周期(4－10月)內可吸收氮約為77.32 g，吸收磷約為10.89 g。同步進行的 120 d 的室內的半封閉小型水體栽培水生竹葉菜、生菜、油菜及水芹菜浮島的定量試驗研究顯示，受試水體的初始總氮和總磷濃度分別為 32.78 mg/L和 4.23 mg/L，封閉水體的體積為50 L，具體試驗水質變化結果如圖2和圖3所示。

由圖2、圖3可以看出，4種作物均有不同程度的氮磷去除率，其中去除效果最好的為水生竹葉菜和油菜，氮和磷的去除率均達到60%左右，由于生菜生長周期短，且生物量生長比較少，所以氮磷去除率相對較低，但也達到40%左右。由此可見，生物浮島技術在水體氮磷等營養物質去除方面效果明顯。

圖2 不同植物對水體中總氮含量的變化Fig.2 Changes of nitrogen content in water with different plants

圖3 不同植物對水體中總磷含量的變化Fig.3 Changes of phosphorous content in water with different plants

生物浮島技術具有良好的水體凈化功能，兼有美化景觀、營造生物棲息地等多種生態效果。根據我們的研究成果，采用我們制作的浮島和遴選的植物，實現了1 m2的生物浮島在一個周期內，可以將35～130 m3的水從Ⅴ類凈化為Ⅲ類水;一個面積為6 667 m2、深2.0 m的富營養化池塘，只需種植100～380 m2的浮島植物，即可以在1年內恢復其農業功能，生態效益顯著。

4.3.2 應用效果

到目前為止，長江科學院水資源所在生物浮島的推廣應用方面做了大量工作。先后在江夏、洪湖、漢陽等地區建立了多個試驗示范基地。結合中試基地的水環境現狀，因地制宜設計制作低成本栽培載體，因時制宜配置植物，增強了技術成果的應用效果;通過短期培訓、現場技術指導，發動當地農民積極參與，培養了一批技術嫻熟的農民技術骨干，為生物浮島技術的推廣應用奠定了基礎。通過開展的一系列技術推廣工作，產生了較好的效果，在改善水環境的同時，激發了農民應用生物浮島技術修復水體的積極性，真正實現了社會和環境效益“雙贏”的局面(圖4、圖5)。

5 研究展望

圖4 因地制宜設計制作浮島Fig.4 The design of BFI according to the local condition

圖5 推廣應用效果Fig.5 Application result of BFI

綜上所述，結合國內外關于生物浮島技術的研究現狀，認為今后生物浮島技術的研究應向以下幾個方向發展。

(1)植物的遴選方面的研究:當前對于越冬浮島植物的研究不夠充分，生物浮島的研究基本都在春季至秋季進行，很少有關于冬季生物浮島水體修復的研究。但是浮島如果應用在水體生態修復案例中，則應多開展遴選適宜于冬季種植的作物，避免因斷季而影響生態修復的效果。

(2)生物浮島載體方面的研究:目前生物浮島的種植和收割基本都是純手工操作，這種操作難度較大，并且勞動輸入比較密集，今后生物浮島的制作和植物收割技術應朝著規模化、機械化的方向發展，從而真正實現技術成果向現實生產力的轉變。

(3)封閉系統營養循環定量研究:目前生物浮島對營養物質的去除機理都是基于表觀現象或者是基于宏觀作物吸收來考慮的，這種角度有利于直觀表示作物對水體中營養物質的去除，但是由于缺乏封閉系統的定量研究，基于生物浮島的生態系統營養物質的流向很難說明。

(4)生態系統間交互影響研究:目前研究較多的是生物浮島用于純粹處理某一污染水體，而對于水下養殖，水面浮島的集養殖、去污為一體的清潔生產系統的研究較少。今后研究基于生物浮島的生態系統間不同生物間的交互作用研究也會是一個重點。

［1］任照陽，鄧春光.生態浮床技術應用研究進展［J］.農業環境科學學報，2007，26(增刊):261－263.(REN Zhao-yang，DENG Chun-guang.Application of Ecological Floating Bed Technology［J］.Journal of Agro-Environment Science，2007，26(Sup.):261－263.(in Chinese))

［2］楊婷婷.河蚌掛養與植物浮床集成技術在蘇州重污染河道中凈化模式的探討［D］.南京:河海大學，2007.(YANG Ting-ting.Research on Purifying Mode Combining Filter Feeders and Plant Floating-bed in Suzhou Heavy Polluted River［D］.Nanjing:Hohai University，2007.(in Chinese))

［3］井艷文，胡秀琳，許志蘭，等.利用生物浮床技術進行水體修復研究與示范［J］.北京水利，2003，(6):20－22.(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):20－22.(in Chinese))

［4］陳荷生，宋祥甫，鄒國燕.利用生態浮床技術治理污染水體［J］.中國水利，2005，(5):50－53.(CHEN He-sheng，SONG Xiang-fu，ZOU Guo-yan.Treatment in Water Bodies Pollution by Ecological Floating Bed Technology［J］.China Water Resources，2005，(5):50－53.(in Chinese))

［5］代 培，吳小剛，張維昊，等.人工生物浮島載體的研究進展［J］.環境科學與管理，2006，31(6):13－16.(DAI Pei，WU Xiao-gang，ZHANG Wei-hao，et al.Development in the Study of Man-made Floating Culture Islands Carrier［J］.Environmental Science and Management，2006，31(6):13－16.(in Chinese))

［6］趙祥華，田 軍.人工浮島技術在云南湖泊治理中的意義及技術研究［J］.云南環境科學，2005，24(增刊1):130－132.(ZHAO Xiang-hua，TIAN Jun.Research on Man-made Floating Island Technology Applied in Lake Water Treatment［J］.Yunnan Environmental Science，2005，24(Sup.1):130－132.(in Chinese))

［7］郭培章，宋 群.中外水體富營養化治理案例研究［M］.北京:中國計劃出版社，2003.(GUO Pei-zhang，SONG Qun.Case Study of Tackling Water Eutrophication in China and Abroad［M］.Beijing:China Planning Press，2003.(in Chinese))

［8］VOLLENWEIDER R A.Elemental and Biochemical Composition of Plankton Biomass:Some Comments and Explorations［J］.Arch.Hydrobiol，1985，105:11－29.

［9］盧進登，帥芳敏，趙麗婭，等.人工生物浮床技術治理富營養化水體的植物遴選［J］.湖北大學學報(自然科學版)，2005，27(4):402－404.(LU Jin-deng，SHUAI Fang-min，ZHAO Li-ya，et al.Choosing Plants for Treating Eutrophic Water by Artificial Floating Rafts［J］.Journal of Hubei University(Natural Science)，2005，27(4):402－404.(in Chinese))

［10］宋祥甫，鄒國燕，吳偉明，等.浮床水稻對富營養化水體中氮、磷的去除效果及規律研究［J］.環境科學學報，1998，18(5):489－494.(SONG Xiang-fu，ZOU Guoyan，WU Wei-ming，et al.Study on the Removal Effect and Regulation of Rice Plants on Floating Beds to Main Nutrients N and P in Eutrophicated Water Bodies［J］.Acta Scientia Circumstantia，1998，18(5):489－494.(in Chinese))

［11］高陽俊，孫從軍.2種浮床植物對大清河水質凈化效果的研究［J］.安徽農業科學，2009，37(7):3183－3185.(GAO Yang-jun，SUN Cong-jun.Effect of Two Kinds of Plants on the Water Purification of Daqinghe River［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2009，37(7):3183－3185.(in Chinese))

［12］郭沛涌，朱蔭湄，宋祥甫，等.陸生植物黑麥草對富營養化水體修復的圍隔實驗研究-氨氮的凈化效果及其動態過程［J］.浙江大學學報(理學版)，2007，34(1):76－79.(GUO Pei-yong，ZHU Yin-mei，SONG Xiang-fu，et al.Remediation of Eutrophic Water by Terrestrial Plant in Enclosure:the Purification Effect and Dynamic Processes of Lolium Multiflorum for Removing NH3-N［J］.Journal of Zhejiang University(Science Edition)，2007，34(1):76－79.(in Chinese))

［13］郭沛涌，朱蔭湄，宋祥甫，等.陸生植物黑麥草對富營養化水體修復的圍隔實驗研究-總磷的凈化效果及其動態過程［J］.浙江大學學報(理學版)，2007，34(5):560－564.(GUO Pei-yong，ZHU Yin-mei，SONG Xiangfu，et al.Remediation of Eutrophic Water by Terrestrial Plant in Enclosure:the Purification Effect and Dynamic Processes of Lolium Multiflorum for Removing Phosphorus［J］.Journal of Zhejiang University(Science Edition)，2007，34(5):560－564.(in Chinese))

［14］陳立靖，顧 靜，張飲江，等.從浮游藻類的變化分析人工浮島在治理上海白蓮涇中的作用［J］.水產科技情報，2008，35(3):135－137.(CHEN Li-jing，GU Jing，ZHANG Yin-jiang，et al.Analysis on the Role of Artificial Floating Island in Harnessing Bailianjing，Shanghai from the Changes of Planktonic Seaweed［J］.Fisheries Science ＆ Technology Information，2008，35(3):135－137.(in Chinese))

［15］丁則平.日本濕地凈化技術人工浮島介紹［J］.海河水利，2007，(2):63－65.(DING Ze-ping.Introduction of Man-Made Floating Island with Marshland Purifying Technology in Japan［J］.Haihe Water Resources，2007，(2):63 － 65.(in Chinese))

［16］NAKAMURA K，SIMATANI Y.Water Purification and Environmental Enhancement by the Floating Wetland［C］∥International Association on Water Quality.Proceedings of the 6th IAWQ Asia-Pacific Regional Conference in Korea.Soul，Korea.May 20－23，1997:46－61.

［17］佚 名.介紹日本的濕地凈化技術——人工浮島(AFI)［J/OL］.(2006－03－16)［2011－08－26］.http://www.studa.net/Constructs/060316/08384283－2.html.(An Introduction to Wetland Purification Technology:Man-made Floating Island(AFI)［J/OL］.(2006－03－16)［2011－08－26］.(in Chinese))

［18］戴全裕，陳源高，魏 云，等.水培經濟植物對釀酒廢水凈化與資源化生態工程研究［J］.科學通報，1996，41(6):547－551.(DAI Quan-yu，CHEN Yuan-gao，WEI Yun，et al.The Purification and Recycling of Brewery Wastewater by Water-Cultivated Plants［J］.Chinese Science Bulletin，1996，41(6):547－551.(in Chinese))

［19］葉居新.試論資源環境和人類生存［J］.環境與開發，1991，2(6):1－5.(YE Ju-xin.Discussion on Resource Environment and Human Living［J］.Environment and Exploitation，1991，2(6):1－5.(in Chinese))

［20］WOLVERTON B C，MCDONALD R C.Bioaccumulation and Detection of Trace Levels of Cadium in Aquatic Systems by Eichhornina Crassipes［J］.Environmental Health Perspectives，1978，(27):161－164.

［21］桑連海，黃 薇，陳 進，等.水培芹菜的植物學特征及環境效益分析［J］.長江科學院院報，2009，26(7):11 －13.(SANG Lian-hai，HUANG Wei，CHEN Jin，et al.Analysis on Botany Characteristics and Environmental Benefits for Water-Cultivated Oenanthe Javanica［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(7):11－13.(in Chinese))

［22］盧進登，陳紅兵，趙麗婭，等.人工浮床栽培7種植物在富營養化水體中的生長特性研究［J］.環境污染治理技術與設備，2006，7(7):58－61.(LU Jin-deng，CHEN Hong-bing，ZHAO Li-ya，et al.Study on the Growth Characteristic of Seven Plants Cultivated on Artificial Floating Rafts in Eutrophic Water［J］.Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control，2006，7(7):58－61.(in Chinese))