本发明涉及湿地修复领域，特别涉及一种利用人工生态系统高效修复受污染湿地的方法。
背景技术：
：目前，重金属及有机物污染已成为影响经济发展与人类健康的重要阻碍，在国际范围内已受到广泛重点关注。在我国湿地污染问题尤为突出，来自现代工业、采矿业、城市生活的污水源源不断的排入河流、湖泊甚至海洋，已严重影响的我国经济发展、人类健康与生活环境。湿地污染已经对我国渔业造成极大的损失，同时对其发展形成巨大的阻碍。湿地污染的整治方法包括化学方法、物理方法和生物方法。前两者虽然见效快，但是成本高，且容易造成二次污染，不具备环境可持续性的原则。而生物萃取法已成为近年来学者所关注的焦点之一，因其具备良好的环境友好性及生态可持续性。现有的受污染滨海湿地的生态修复技术较少，多见于受污染陆地土壤的修复工艺技术，如公开号为：201310538655.x，名称为：利用草坪草生态修复镉污染土壤的方法的发明专利公开中提到采用草坪草狗牙根萃取镉污染土壤重金属；公开号为：201410778967.2，名称为：一种利用草本植物于稀土矿区土壤生态修复的方法的发明专利公开中提到利用动物粪便进行土壤改良，后播种几种草本植物进行植被修复；公开号为：201410018435.9，名称为：一种生态修复重金属污染土壤的方法的发明专利中采用速生树种竹柳提取重金属污染土壤中的几种重金属；公开号为：201610337938.1，名称为：一种综合性重金属污染土壤生态修复系统的构建方法的发明专利中通过开挖沟渠、人工湖，由外至内种植木本植物、灌木植物、草本植物、挺水植物和浮水植物构建复杂林区。以上这些技术虽然可产生一定的环境效益，达到一定的重金属提取效果，但是却存在以下问题：1)大多数不适用于湿地污染的修复，尤其是滨海湿地；2)均未将生态效益最大化；3)未形成高速高效的重金属提取模式；4)讲究生态效益时忽略了经济效益；5)大部分技术由于物种或群落单调存在生态系统崩溃的风险，可复制性不高；6)有些技术成本过高；7)有些技术提取重金属种类单一，或对有机污染物的修复没有提及；8)有些技术使用螯合剂，易导致二次污染。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种利用人工生态系统高效修复受污染湿地的方法，该方法克服了现有技术的上述缺陷，在进行科学的物种配置情况下可衍生为适用于任何湿地污染修复的生态系统，具有很好的生态价值与发展前景。本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：一种利用人工生态系统高效修复受污染湿地的方法，根据不同经纬度、不同温湿度及不同滨海污染类型进行科学配置，人工构建乔木、乔灌木、草本植物、底栖动物生态系统，并自然形成特有的沉积物微生物群落，使受污染湿地中重金属、有机污染物快速有效被微生物吸收转化并被植物吸附萃取。优选地，上述技术方案中，所述方法包括以下步骤：1)选取乔木植物，其种苗来自于隐胎生胚轴发育，乔木胚轴于每年四、五月份采摘于自湿地中的乔木林，每支约20～30cm，人工直接插种于受污染湿地，自行生根发育，深度约5～8cm；或采取一个月到两个月培育，待乔木长出根和2～4对真叶后插种于受污染湿地，深度约5～8cm，种植密度为株距30～40cm×行距40～50cm。2)选取乔灌木，其幼苗来自于胚轴发育，乔灌木胚轴每年九、十月份采摘自湿地中的乔灌木，每支约5cm，人工直接插种于乔木林间由其自行生根发育；或采取一个月到两个月的培育，待乔灌木胚轴长出根和2～4对真叶后插种于受污染湿地，深度约5～8cm。3)选取多年生草本植物，其来源于组织培养或使用种子培养，草本植物扩繁后取茎段培养，幼苗扦插于乔木林内；或收集草本植物孢子后，在室内培育至5～6片幼叶，移植扦插于乔木林下。4)选取底栖动物，于秋季将捕获、购买或养殖的底栖动物投放到已植被乔木、乔灌木、多年生草本及蜈蚣草的受污染湿地。优选地，上述技术方案中，所述乔木选自于耐盐性耐淹水能力强、适应性抗逆性强，生长速度快，且具有多种污染物高累积或降解特征，同时具有一定经济价值的木本植物。优选地，上述技术方案中，所述乔木为白骨壤、秋茄和木榄的一种或多种组合。优选地，上述技术方案中，所述乔灌木选自于耐盐性耐淹水能力强、适应性抗逆性强，生长速率快，且具有多种污染物高累积或降解特征的乔灌木。优选地，上述技术方案中，所述乔灌木为桐花树。优选地，上述技术方案中，所述多年生草本植物为多年生草本植物，选自于耐盐性强、适应性抗逆性强，生长速度快，具有多种重金属和/或有机污染物高耐受和高累积或降解特征的草本植物。优选地，上述技术方案中，所述多年生草本植物为香根草、芦苇、菖蒲、海马齿、马齿苋、鼠尾粟和蜈蚣草的一种或多种组合。优选地，上述技术方案中，所述底栖动物选自于常见、易获取或培养、活动性强、活动范围小且易生存的底栖动物。优选地，上述技术方案中，所述底栖动物为双齿围沙蚕和招潮蟹的一种或组合。本发明上述技术方案，具有如下有益效果：(1)空间利用最大化：构建中的不同植物具有不同生态位及根系深度，地上部分垂直空间绿化达到最大化，地下部分根土界面面积最大化。(2)时间利用最大化：以香根草、海马齿及蜈蚣草为例，生长周期及生长速度各有差异，地上生物量大，每年不同时间段均可收割多次。底栖动物-微生物-植物间耦合作用大大提高污染物的萃取和降解速率。(3)适用范围广、可复制性高：本构建提供了一个复杂稳定的生态系统模型，例如白骨壤、桐花树、香根草、芦苇、菖蒲、海马齿及蜈蚣草均为污染物高抗逆性高累积性植物，易于在温带、亚热带大部分污染湿地中定植成活。同时此构建亦可推广演变为其他物种组合适用于其他环境下的受污染湿地。(4)环境的绝对友好性：底栖动物(例如双齿围沙蚕)替代了之前技术中利用螯合剂增加植物吸收速率的缺陷，彻底杜绝二次污染，具有绝对的环境友好性。(5)经济效益性：以香根草为例，具有速生、高生物量、高热值的特征，收获后可用于沼气发酵，鲜叶每1000g可产出550-700ml沼气，提供了一定的经济效益。(6)生态系统稳定性：此构建中物种的复杂性决定了此人工生态系统的稳定性。综上所示，本发明利用人工生态系统高效修复受污染湿地的方法，在保证生态效益、修复效率最大化的同时大大降低了修复成本且能够产生一定的经济效益。不仅充分利用地上部分生态位差异，将垂直空间利用率最大化，而且联合根际微生物与底栖动物将地下空间根土接触面积最大化，提供了生态修复的新思路。具体实施方式下面对本发明的具体实施例进行详细描述，以便于进一步理解本发明。以下实施例中所有使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例1材料的选择(1)乔木：选取耐盐性耐淹水能力强、适应性抗逆性强，生长速度快，具有多种污染物高累积或降解特征，同时具有一定经济价值的木本植物。优选为：对多种重金属有高耐受性和高效固定能力，对有机污染物有吸收降解能力的小乔木白骨壤、秋茄和木榄。(2)乔灌木：:选取耐盐性耐淹水能力强、适应性抗逆性强，生长速率快，具有多种污染物高累积或降解特征乔灌木。优选为：具有耐阴性，疏松的林下可正常生长的滨海湿地乔灌木植物桐花树。(3)多年生草本植物：选取耐盐性强、适应性抗逆性强，生长速度快，具有多种重金属和/或有机污染物高耐受和高累积或降解特征的草本植物。优选为：具有高经济价值，生物量大，对多种重金属及有机污染物有吸附固定能力的的草本植物香根草；对镉具有高累积能力且具有联合根际微生物降解有机污染物(例如菲)特征的匍匐植物海马齿；耐盐、耐淹水且对镉具有高累积特性的马齿苋；耐盐、耐淹水且对铅、锌、铬、镉等具有高累积特性的芦苇和菖蒲；对镉有高累积性，蔓延迅速且具有防沙固土功能的盐地鼠尾粟；耐盐性强，对多种重金属(例如砷和铅)具有高富集性能，对有机污染物(例如多环芳烃)有强耐受性，高去除率的阴生植物蜈蚣草。(4)底栖动物：以热带、亚热带滨海湿地为例，选择常见、易获取或培养、活动性强、活动范围小且易生存的底栖动物。优选为：双齿围沙蚕、招潮蟹。实施例2生态系统的构建实验材料：白骨壤、桐花树、海马齿、蜈蚣草、香根草、双齿围沙蚕。1)选取乔木植物白骨壤，其种苗来自于隐胎生胚轴发育，白骨壤胚轴于每年四、五月份采摘自红树林湿地中的白骨壤林。为防止潮汐动力降低白骨壤胚轴的定植率，采取一个月到两个月培育，待白骨壤胚轴长出根和2～4对真叶后插种于受污染湿地，深度约5～8cm。种植密度为株距30～40cm×行距40～50cm。2)选取乔灌木桐花树，其幼苗来自于胚轴发育，桐花树胚轴每年九、十月份采自红树林湿地中的桐花树林。每支约5cm。可人工直接插种于白骨壤林间由其自行生根发育；或经一个月到两个月培育，待桐花树胚轴长出根和2～4对真叶后插种于受污染湿地，深度约5～8cm。3)选取多年生草本植物海马齿、蜈蚣草、香根草，香根草既可来源于组织培养亦可使用种子培养，海马齿扩繁后取茎段(两个茎节为一个茎段)培养，幼苗扦插于白骨壤林内。为防止潮汐动力降低蜈蚣草孢子的发芽与定植率，收集孢子后室内培育至5～6片幼叶，移植扦插在白骨壤林下。香根草生长速度显著大于白骨壤，但是白骨壤生长发育初期具有较好的耐阴性，待呈木后亦具有喜阳性，因此无需等待白骨壤成林即可套种。4)选取底栖动物双齿围沙蚕，将秋季将捕获、购买或养殖的底栖动物投放到已植被乔木、乔灌木、多年生草本的受污染湿地即可。上述生态系统中物种构成要充分考虑不同气候带稳定群植物落群或生态系统结构生态位组成。本发明仅以上述植物为优选方案，本领域技术人员可根据需要进行物种的搭配和选择。实验例1沉积物采自福建省漳州市龙海县浮宫镇草埔头村九龙江口红树林自然保护区南岸林内(北纬24°24′，东经117°55′)，沉积物充分混匀，施加不同浓度的cdcl2(0、1、2、4mg/kg·dw)进行活化两个月。每五天进行一次充分混匀，活化期间保持沉积物表面水覆盖，用超纯水补充蒸发的水分损失。每个苗盆中加入约3kg活化后的沉积物，每个处理三个重复，每盆移栽4棵长势相近已有两对真叶的白骨壤，处理45天。结果如表1所示。表1结果显示，镉在白骨壤组织中的分布规律为根>茎>叶。根中镉的累积量已超过围边环境中镉的浓度。四个处理对白骨壤的生长没有显著影响，根茎叶生物量没有显著变化，说明其具有一定的耐受能力。实验例2采用土培盆栽,实验室培养。共五组重金属处理，每组三个重复，浓度分别为：0、10、30、60、120mg/kg·dw，每盆用干土5kg。盆栽用土按照设定浓度施加重金属cd、cr、pb、ni并充分混匀。选取同一批移栽的高约20cm健壮香根草苗，每盆均匀栽植5株。栽植后置于温室内定期浇灌去离子水土壤湿润，温度保持25～29℃。培养60天后，分别收割地上部分和地下部分,用去离子水洗净，杀青后70℃烘干至恒重。研磨过筛后测定地上部分和地下部分cd、cr、pb、ni的含量。结果如表2所示。表2结果显示，香根草对重金属cd、cr、pb、ni均具有很强的富集能力，尤其是根系中富集重金属的量最高达到土壤中的80多倍，地上部分对重金属的累积量最高可达到土壤中的56倍。实验例3在温室中培养海马齿植株一个月，培养介质为hoagland营养液培，温度25～28℃，盐度27‰，采用自然光照。配置人工海水并施加hoagland营养液和1mg·l-1的菲，即为海马齿培养液。玻璃培养瓶中盛取培养液500ml后移入长势均匀、活力旺盛、无病虫害的海马齿植株，同时做无海马齿的对照组(ck)，每个处理3个重复、培养瓶遮光后用封口膜包被瓶口，减少菲的直接挥发。所有处理组在光照培养箱中培养。温度为26±1℃，光照度4000lx，光照时间12小时/天。测定实验初期和培养5天后植物样品中菲含量与培养5天后培养液中菲的残留浓度。结果如表3所示。表3由实验结果可知海马齿在5天后对海水中菲的清除率达到92.86％。但海马齿本身对菲的累积量远小于其对菲的清除量，说明海马齿可通过植物代谢、植物挥发或联合微生物作用清除菲，具有快速高效的清除海水中菲浓度的能力，是一种具有很大修复潜力的滨海滩涂植物。实验例4耐盐水生植物净化重金属污染水体实验以芦苇和菖蒲为试验对象，采用室内模拟滨海湿地复合重金属污染水体。培养温度为25-28℃。以6‰盐度的hoagland营养液为培养介质，模拟污染水质的重金属选取铅、锌、镉、铬，含量分别为30mg/l、300mg/l、10mg/l、20mg/l。选择生长健康且生长状况接近的植株，用超纯水洗干净后按照芦苇、菖蒲、芦苇+菖蒲的分组进行试验。实验前对植物进行耐盐性驯化，使其适应高盐水质，直至盐度为6‰。驯化过程中植物对水体中各类重金属元素的去除率基本保持不变，说明其具有较高的耐盐性。培养60天后取样，检测水体中铅、锌、镉、铬含量，并检测植株生物量。每隔3天补充一次因蒸发等损失的水分。由下表可看出，植物对污染水质净化效果为芦苇+菖蒲>菖蒲>芦苇。芦苇+菖蒲配置对重金属污染的净化效果最佳。结果如表4(植物复合配置对富营养化污染的净化效果)所示。表4植物组合盐度(‰)铅锌镉铬芦苇681.1579.8483.0069.00菖蒲683.7383.5385.7475.14芦苇+菖蒲688.1591.6889.7482.77实验例5为进一步验证乔木、灌木及草本植物系统性组合对土培条件下重金属的萃取的效果，人工设置重金属梯度污染，模拟野外受污染条件，测定乔木、灌木及草本植物系统性组合对滨海湿地沉积物中多种重金属迁移赋存的影响。沉积物采自福建省漳州市龙海县浮宫镇草埔头村九龙江口红树林，沉积物充分混匀，施加不同浓度的镉、铬、铅10、50、100mg/kg·dw，进行活化两个月。活化后的沉积物测定镉、铬、铅的浓度并种植白骨壤、桐花树、香根草、菖蒲和芦苇(系统组)，同时设置白骨壤+桐花树(木本组)、香根草+菖蒲+芦苇(草本组)的对照组。温室中处理6个月，用超纯水补充蒸发的水分损失。结果如表5所示。表5结果表明：对沉积物中镉、铬、铅的吸收率，白骨壤+桐花树+香根草+菖蒲+芦苇组合(系统组)>香根草+菖蒲+芦苇组合(草本组)>白骨壤+桐花树(木本组)组合，因此乔木、灌木和草本植物系统的配置对提高重金属的修复效率有极大促进作用。几种不同物种之间的组合具有协同增效的作用，配合底栖动物后，效果更优。本技术中乔木及乔灌木的选取，以白骨壤和桐花树为例，两种均为红树植物，根系发达，是生活于滨海潮间带的高耐盐性植物，其具有富集铅、铜、锌、镉和铬等多种重金属的能力。高经济利用性的草本植物香根草具有较强的耐盐性，抗淹水能力强。香根草对常见重金属污染(如砷、镉、铜、铬、铅、汞、镍、锌)的耐受能力是一般植物的10-100倍以上，对重金属的富集能力遵循zn＞pb＞cu＞zn-pb-cu的规律。草本植物海马齿、蜈蚣草、菖蒲、芦苇等能够大量富集重金属的同时具有联合根际微生物降解有机污染物的能力，对重金属和有机污染物复合污染的沉积物有较好的修复作用。底栖动物，像双齿围沙蚕等，活动范围小，不具备引起污染扩散的可能，不仅能够通过自身扰动改善沉积物的厌氧环境，增加溶解氧和沉积物的接触面积，改变沉积物的物理化学性质。同时双齿围沙蚕对镉、铜等重金属有较好的耐受能力，排出的大量粪便中可交换态重金属含量非常高，有利于植物根系对重金属的萃取。本发明专利针对现实滨海湿地污染中污染源复杂，并非单一重金属或有机污染物存在，污染物在沉积物中富集层次有别的特征，配置富集污染物种类不同、生长期及根系深度不同的物种，提高根土接触面积。底栖动物双齿围沙蚕的引入强化了修复作用，将生物萃取或降解的时间与空间利用率最大化。同时本构建根据不同植物生态位差异人工配置复杂植物种群，极大的提高了地上部分垂直空间利用率，使滨海湿地绿化面积最大化，系统稳定最大化。本构建即保证生态效益，亦提供经济效益。本发明公开了一种利用人工生态系统高效修复受污染湿地的方法。该方法根据不同经纬度，不同温湿度及不同滨海污染类型进行科学选种，合理配置，人工构建乔木-乔灌木-草本植物-底栖动物生态系统，并自然形成特有的沉积物微生物群落，使受污染湿地中重金属、有机污染物等快速有效被微生物吸收转化并被植物吸附萃取。通过人工收获地上植被达到高效净化土壤的作用。本构建包括对重金属和/或有机污染物高耐受性和清除特性的木本植物、灌木、藤本植物、草本植物的筛选，乔木、乔灌木培育定植、草本植物扦插和底栖动物引入。利用不同的种间关系与生态位对地上植被结构进行科学选种与合理配置，组成复杂独立稳定的植物群落的同时引入有益土壤底栖动物，结合土壤微生物系统，联合形成地下根-土-微生物组成的复杂根际生态圈，构造完整的人工生态系统。此稳定的系统将改变沉积物中污染物原有的生物地球化学循环途径，增加污染物的生物可利用性，对污染物的提取清除及土壤的修复速率将产生极大的提高。本发明充分利用不同耐受性植物种类间的地上部分生态位特征与地下根系生态位差异，以机动性较弱的底栖动物作为辅助，通过根际及特有微生物群落的活化或分解作用，大大增加污染物的生物可利用性的同时增加了污染物的吸收面积。不但具有时间空间利用的充分性，且在经济上还表现出了良好的简约性，在环境上具有极佳的友好性。通过本构建既能快速有效降低滨海沉积物污染物含量，提供额外的生态功能，例如护岸固堤，过滤废弃物，绿化滨海环境，并且适当植物的选择能够在有效降低构建成本和人工维护成本的同时形成一定的经济收益。虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种不同的选择和修改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。当前第1页12