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研究生:高瑋蓮
研究生(外文):Wei-lian Kao
論文名稱:利用水生植物改善金門地區水質之最佳策略
論文名稱(外文):Optimal strategies of water quality improvement in Kinmen by selected aquatic plants
指導教授:溫清光溫清光引用關係
指導教授(外文):Ching-gung Wen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:環境工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:123
中文關鍵詞:水芙蓉植體氮磷含量布袋蓮水生植物水耕蔬菜生長曲線利用植物去除水中氮磷收獲策略空心菜
外文關鍵詞:water lettucewater convolvulusaquatic planthydroponic vegetablelogistic curve and inverse logistic curvewater hyacinthphytoremediationvegetation nutrient contentharvest strategy
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水生植物之生長與收穫策略對金門地區水質管理上具有重要的影響,因為金門地區湖庫上游集水區之池塘或河道上所長滿之水生植物,若不及時清除,將會釋出氮磷等物質於湖庫中,成為水庫水質污染的來源之一,嚴重造成飲用水處理上的問題;但是正因為水生植物之生長與蔓延快速,可以從集水區攝取營養鹽以減低下游水體優養化之程度。
為了評估水生植物之收穫策略對去除營養鹽帶來之助益,本研究實驗場設置於金門太湖、金沙和榮湖三個水庫之主要河道上。實驗分成兩個階段:第一階段為栽種當地水生植物,包含布袋蓮、水芙蓉和睡蓮;第二階段為栽種水耕經濟作物,如空心菜。每階段各選三處進行實驗,以探討水生植物生長與現場環境因子之關係,並評估其生長條件與產量。
用皮爾森簡單相關分析及Mann-Whitney U檢定結果證明水生植物和水耕蔬菜之生長受到溫度和氮磷濃度之影響。在本實驗的地點與環境條件下,布袋蓮生長最適條件為水溫28 ℃、TKN 2.9 mg/L、TN 3.5 mg/L、TP 313 μg/L、PO43--P 18 μg/L;水芙蓉生長最適條件為水溫28 ℃、NH3-N 0.6 mg/L、TKN 2.9 mg/L、TN 3.5 mg/L、TP 428 μg/L、PO43--P 37 μg/L;睡蓮生長最適條件為水溫27 ℃、TN 5.1 mg/L;空心菜生長最適條件為水溫29 ℃、NH3-N 0.4 mg/L、TP 155 μg/L、PO43--P 80 μg/L。
根據水生植物之方案設計,山外溪布袋蓮一年可去除有效氮236 g/m2、有效磷48 g/m2,產生鮮重116 kg/m2之植體;山外溪水芙蓉一年可去除有效氮116 g/m2、有效磷24 g/m2,產生鮮重57 kg/m2之植體;金沙溪布袋蓮一年可去除有效氮28 g/m2、有效磷7 g/m2,產生鮮重18 kg/m2之植體;睡蓮一年可清除有效氮57 g/m2、有效磷9 g/m2,產生鮮重16 kg/m2之植體;空心菜一年可清除有效氮67 g/m2、有效磷9 g/m2,產生鮮重25 kg/m2之植體。A菜和芹菜則因生長不佳而不列入考量。
The growing and harvest strategy of aquatic plants plays an important role in the water quality management of Kinmem Island, Taiwan. Because those congested aquatic plants are the major sources of nutrients for the receiving dam reservoirs, resulting in serious problem of drinking water treatment. On the other hand, the fast spread and congested growths of aquatic plants, lead to uptake excess nutrients from the catchments and to diminish the eutrophication level of downstream water bodies.
With an intention to provide a harvest strategy of aquatic plants to obtain the maximum nutrient removal, we set up experimental sites in the upstream river of Taihu Reservoir, Zonhu Reservoir and Jinsha Reservoir respectively to analyze the primary in-situ factors related to the growth of aquatic plants. In the first stage of our experiment, we focus on the native species of each site, including water hyacinth, water lettuce, and water lily. In the second stage, some economic hydroponic plants, e.g., water convolvulus, were growing and the yields were estimated.
The results of Pearson correlation coefficient and Mann-Whitney U test show that the growth of aquatic plants and hydroponic vegetables affected by the temperature and the concentration of nitrogen and phosphorus. For water hyacinth the condition is 28 ℃, TKN 2.9 mg/L, TN 3.5 mg/L, TP 313 μg/L and PO43--P 18 μg/L;for water lettuce is 28 ℃, NH3-N 0.6 mg/L, TKN 2.9 mg/L, TN 3.5 mg/L, TP 428 μg/L, and PO43--P 37 μg/L.; for water lily is 27 ℃ and TN 5.1 mg/L; and for water convolvulus the condition is 29 ℃, NH3-N 0.4 mg/L, TP 155 μg/L and PO43--P 80 μg/L.
According to the bio-growth condition and practical management strategy of each site, the growing and harvest of water hyacinth in Shanwai Creek (upstream of Taihu Reservoir) is recommended and can remove 236 g/m2 of available nitrogen, 48 g/m2 of available phosphorus, and produce 116 kg/m2 fresh weight of vegetation waste annually. In Jinsha Creek (upstream of Jinsha Reservoir), the growing and harvest of water convolvulus is suggested, which can remove 67 g/m2 of available nitrogen, 9 g/m2 of available phosphorus, and produce 24 kg/m2 fresh weight of vegetation waste annually.
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 VII
圖目錄 IX
照片目錄 X
第一章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 2
1.3 論文架構與內容 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 水生植物去除水體營養鹽之機制 4
2.2 水生植物之影響因子 6
2.3 水生植物植體氮磷含量 8
2.4 水生植物之選擇與功能 11
2.5 水生植物之生長模式 13
2.6 水生植物之生長競爭 15
2.7 研究使用之水生植物簡介 19
2.8 水生植物之回收與利用 22
2.9 水耕栽培(HYDROPONICS) 23
2.10 人工浮島 27
第三章 實驗方法 30
3.1 實驗場址簡介 30
3.2 實驗場址選擇與設置 34
3.3 樣品分析項目和方法 44
3.4 實驗數據分析方法 48
第四章 結果與討論 52
4.1. 水生植物生長曲線探討 52
4.2 水質與水生植物生長之關係 77
4.3 水生植物體內氮磷含量分析及營養鹽去除效率評估 91
4.4 各種水生植物法初期投資成本與後期維護費用粗估 97
第五章 結論與建議 100
5.1. 結論 100
5.2. 建議 101
參考文獻 102
附錄 108


表目錄
表2.3-1挺水植物的P、N及C含量(平均值±標準差)單位(mg/g)…………………9
表2.3-2沉水、漂浮及藤蔓植物的P、N及C含量 (單位:mg/g) …………………10
表2.4-1 人工溼地廢水處理常用之植物種類……………………………………12
表2.4-2 水生植物於人工濕地中之功能(Brix, 1997) …………………………...13
表2.9.1-1 水耕栽培主要國家之比較(1988年底止) ……………………………24
表3.1.4-1目標水庫平均水質監測資料(2002.05~2008.02) ……………………...33
表3.2.3-1 研究用水生植物之生長季節 …………………………………………43
表3.3.1-1 水質分析方法………………………………………………………….44
表4.1.1-1 山外溪漂浮性水生植物之生長量與植株密度生長情形…………….60
表4.1.1-2 金沙溪漂浮性水生植物之生物量生長情形………………………….61
表4.1.1-3 漂浮性水生植物生長模擬曲線之參數值………….…………………67
表4.1.2-1 睡蓮生長模擬曲線之參數值 …………………………………………68
表4.1.4-1山外溪布袋蓮與水芙蓉之Lotka-Volterra競爭模式模擬參數………76
表4.2.1-1 水生植物(布袋蓮、水芙蓉和睡蓮)實驗場址之水質資料……………78
表4.2.1-2 水耕蔬菜(空心菜、青芹和A菜)實驗場址之水質資料………………79
表4.2.2-1 水生植物生長與環境水質之簡單相關係數………………………….83
表4.2.2-2 水耕蔬菜生長與環境水質之簡單相關係數………………………….84
表4.2.3-1 山外溪布袋蓮(競爭)於生長與衰減時期之環境差異………………..86
表4.2.3-2 山外溪水芙蓉於生長與衰減時期之環境差異……………………….86
表4.2.3-3 光前溪引水道睡蓮於生長與衰減時期之環境差異………………….86
表4.2.3-4 斗門溪空心菜於生長緩慢與快速時期之環境差異………………….87
表4.2.3-5 斗門溪空心菜於生長緩慢與快速時期之環境差異………………….87
表4.2.3-6 布袋蓮於山外溪和金沙溪之生長環境差異………………………….88
表4.2.3-7 水芙蓉於山外溪和金沙溪之生長環境差異………………………….89
表4.2.3-8 各水生植物之最適生長條件 …………………………………………89
表4.2.4-1 布袋蓮和水芙蓉於山外溪、金沙溪之比生長速率…………………...90
表4.2.4-2 布袋蓮於各項水質之Ks和μmax…………………..………………...91
表4.2.4-3 水芙蓉於各項水質之Ks和μmax…………………..…………………91
表4.3.1-1 布袋蓮和水芙蓉植體氮含量(乾基) ….……..………………..………93
表4.3.1-2 布袋蓮和水芙蓉植體磷含量(乾基) ………..………………..……….93
表4.3.1-3 睡蓮植體氮磷含量(乾基) ………..………………..………………….94
表4.3.1-4 水生植物之含水率………..………………..………………..………...94
表4.3.1-5 水耕蔬菜之含水率與氮磷含量(乾基).………..………………..…….94
表4.3.2-1 山外溪布袋蓮去除水體氮磷之方案………..………………..……….96
表4.3.2-2 山外溪水芙蓉去除水體氮磷之方案………..………………..……….96
表4.3.2-3 金沙溪布袋蓮去除水體氮磷之方案………..………………..……….96
表4.4-1 漂浮性水生植物之初期投資成本粗估………..………………..………98
表4.4-2 漂浮性水生植物之後期維護費用粗估………..………………..………98
表4.4-3 水耕蔬菜之初期投資成本粗估………..………………..………………99
表4.4-4 水耕蔬菜之後期維護費用粗估………..………………..………………99

圖目錄
圖1.3-1 研究架構圖 3
圖2.6-1 平面相分析圖(x1有競爭能力,x2無競爭能力) 16
圖2.6-2 平面相分析圖(x1無競爭能力,x2有競爭能力) 17
圖2.6-3 平面相分析圖(內在競爭比外在競爭大) 17
圖2.6-4平面相分析圖(外在競爭比內在競爭大) 18
圖3.1-1 金門地區湖泊水庫位置分布圖(圈選處分別為太湖和榮湖) 31
圖3.1.4-1 太湖、榮湖、金沙水庫歷次CTSI趨勢圖 33
圖3.2.2-1 福田板組裝示意圖 41
圖4.1.1-1 布袋蓮單株鮮重生長趨勢圖 62
圖4.1.1-2 水芙蓉單株鮮重生長趨勢圖 63
圖4.1.1-3 山外溪布袋蓮框和水芙蓉框之生長曲線模擬圖 65
圖4.1.1-4 山外溪混合競爭框之生長曲線模擬圖 65
圖4.1.1-5 金沙溪布袋蓮框和水芙蓉框之生長曲線模擬圖 66
圖4.1.1-6 金沙溪混合競爭框之生長曲線模擬圖 66
圖4.1.2-1 光前溪引水道睡蓮之生長曲線模擬圖 69
圖4.1.3-1 水耕蔬菜生長趨勢圖 75
圖4.1.4-1山外溪布袋蓮與水芙蓉之Lotka-Volterra競爭模式模擬圖 76
圖4.3.1-1 水生植物布袋蓮和水芙蓉之植體氮磷含量變化圖 92


照片目錄
照片3.2.1-1 金門各水塘之水生植物照片………..……………………..……….34
照片3.2.1-2 實驗選用之布袋蓮………..……………………..………………….35
照片3.2.1-3實驗選用之水芙蓉………..……………………..…………………..36
照片3.2.1-4木框樣式………..……………………..……………………..………38
照片3.2.1-5 布袋蓮與水芙蓉實驗場址………..……………………..………….38
照片3.2.1-6 映碧潭屢遭破壞之照片………..……………………..…………….39
照片3.2.2-1 水耕蔬菜實驗選用之蔬菜(左起為空心菜、青芹、A菜) ………..…40
照片3.2.2-2 本研究所用之福田板和神奇杯………..……………………..…….41
照片3.2.2-3 水耕蔬菜之浮板與實驗場址………..……………………..………42
照片3.2.2-4 水耕蔬菜秤重作法………..……………………..………………….43
照片4.1.1-1 山外溪布袋蓮框生長過程之概略照片………..…………………...57
照片4.1.1-2 山外溪水芙蓉框生長過程之概略照片………..…………………...57
照片4.1.1-3 山外溪混合競爭框生長過程之概略照片………..………………...58
照片4.1.1-4 金沙溪布袋蓮框生長過程之概略照片………..…………………...58
照片4.1.1-5 金沙溪水芙蓉框生長過程之概略照片………..…………………...59
照片4.1.1-6 金沙溪混合競爭框生長過程之概略照片………..………………...59
照片4.1.2-1 光前溪引水道睡蓮生長過程之概略照片………..………………...68
照片4.1.3-1 小太湖空心菜生長過程之概略照片………..……………………...72
照片4.1.3-2 小太湖青芹生長過程之概略照片………..……………………..….72
照片4.1.3-3 小太湖A菜生長過程之概略照片………..………………………...72
照片4.1.3-4 光前溪引水道空心菜生長過程之概略照片………..……………...73
照片4.1.3-5 光前溪引水道青芹生長過程之概略照片………..………………...73
照片4.1.3-6 光前溪引水道A菜生長過程之概略照片………..………………...73
照片4.1.3-7 斗門溪空心菜生長過程之概略照片………..……………………...74
照片4.1.3-8 斗門溪青芹菜生長過程之概略照片………..……………………...74
照片4.1.3- 9 斗門溪A菜生長過程之概略照片………..……………………..…74
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