一种底质改良材料及减少湖泊沉积物温室气体排放的方法

本发明属于湖泊的生态修复，更具体涉及一种底质改良材料，同时还涉及一种底质改良和沉水植物恢复协同作用减少浅水湖泊沉积物温室气体排放的方法，可应用于富营养化湖泊的生态修复工程。

背景技术：

1、以沉水植物恢复为核心的水体生态修复技术在近二十余年发展迅速，国内外大型的水系综合治理工程基本都将沉水植物作为生态系统构建的重要内容。然而在实际恢复工作中，由于水下生境各种生物与非生物胁迫因素的叠加，沉水植物的存活常常无法稳定保证。沉水植物的缺失导致湖泊的生态功能逐步衰退，但富营养化湖泊沉水植物群落的自然和人为干预恢复难度极大。沉水植物恢复是水体生态系统修复面临的挑战。

2、浅水湖泊被认为是碳储存和温室气体交换的热点，如二氧化碳(co2)、氧化亚氮(n2o)和甲烷(ch4)。空气与水的交换时二氧化碳通量的主要途径。除扩散外，甲烷还可以植物和沉积物中形成的气泡释放出来。在生态系统层面，二氧化碳是由初级生产和所有生物群落的呼吸作用产生。甲烷的产生和氧化是由不同的微生物参与的，主要产生于缺氧和有机质丰富的沉积物中，并在沉积物水界面和水体中被氧化。如果没有过多的外部碳输入，初级生产与呼吸作用比值较高的生态系统会吸收二氧化碳。当初级生产者被纳入生物质的合成与部分的呼吸过程时，甲烷的产量较低。当有机质沉降速率较高时，高度的厌氧分解过程伴随着较高的甲烷生产量和排放量。通过沉水植物的初级生产作用产生的根际泌氧和水体氧化作用可以增强甲烷的氧化并抑制其向大气中排放。水生生态系统温室气体主要通过沉积物-水-大气体系向大气中排放。如何在恢复沉水植物的同时并最大程度的减少沉积物温室气体的排放，成为“双碳”下我国内陆水体生态系统恢复面临的重要问题。

3、本发明旨在通过底质改良和沉水植物恢复协同作用有效控制和减少沉积物温室气体排放，为水生态修复工程助力碳中和提供新的思路。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对如何在恢复沉水植物的同时并最大程度的减少沉积物温室气体的排放问题，是在于提供了一种底质改良材料，配方合理，使用方便，生态环保，无污染。

2、本发明的另一个目的是在于提供了一种底质改良材料和沉水植物恢复协同作用减少浅水湖泊沉积物温室气体排放的方法，方法易行、操作简便、成本低廉，具有显著的环境效益和经济效益本发明中自然生态型基质材料具有环境友好，本发明通过底质改良和沉水植物恢复协同作用有效控制和减少沉积物温室气体排放，为水生态修复工程助力碳中和提供了新的思路。

3、为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

4、一种底质改良材料，它由以下质量分数的原料制成：

5、原料                         ％

6、赤玉土                       60-90

7、绿脱石                       10-40。

8、一种底质改良材料，它由以下质量分数的原料制成(优选范围)：

9、原料                         ％

10、赤玉土                       65-90

11、绿脱石                       10-35。

12、一种底质改良材料，它由以下质量分数的原料制成(较好范围)：

13、原料                         ％

14、赤玉土                       68-85

15、绿脱石                       15-32。

16、一种底质改良材料，它由以下质量分数的原料制成(最好范围)：

17、原料                         ％

18、赤玉土                       75-82

19、绿脱石                       18-25。

20、一种底质改良材料，它由以下质量分数的原料制成(最佳值)：

21、原料                         ％

22、赤玉土                       81

23、绿脱石                       19。

24、赤玉土是以二氧化硅、氧化铝和氧化铁为主要化学成分的一种土壤介质，源于日本火山堆积形成的火山泥，储量丰富、价格低廉，颗粒呈暗红色，表面粗糙多孔，具有高渗透性和微酸性，对重金属、氮和磷、放射性元素等有良好的吸附能力。作为粘土矿物材料中的一种，赤玉土的比表面积和孔容积都比其他材料大很多，因而具有更强的吸附潜能。赤玉土的比表面积分别是蛭石、膨润土、沸石的8.54倍、3.47倍和12.3倍，孔容积分别是它们的1.88倍、5.49倍和21.10倍。

25、绿脱石是深海沉积物中一种独特的双八面体粘土矿物，通常呈黄绿色或褐绿色，是一种富铁的蒙脱石。绿脱石天然富含铁，含有微量有机质。单斜晶系，通常呈隐晶质土状和致密块状集合体。

26、申请人前期开展了富营养化水体底质改良的相关研究，但未见关于底质改良和沉水植物减少沉积物温室气体排放的相关报道。本发明通过大量研究和实验论证，首次将上述两种材料按一定比例混合制备成底质改良材料，应用到湖泊底泥修复修复工程中。两种材料中，最关键的是绿脱石，绿脱石具有独特的双八面体结构，天然富含铁，含有微量有机质。应用中发现绿脱石矿物结构fe(iii)还原时，部分矿物溶解释放fe(ii)和al(iii)，其中部分释放的fe(ii)会在矿物边面位点重新吸附，进入八面体层反式构型的空位中，而释放的al(iii)经过再沉淀反应，可在矿物基面形成新的富含活性al(iii)层。上述反应过程中形成的不同形态结构和表面fe(ii)以及活性al(iii)层，显著提高了矿物的界面化学反应活性。

27、赤玉土和绿脱石两种材料的比例是通过大量试验研究和工程应用得到的最适合比例，赤玉土表面粗糙多孔，具有高渗透性和微酸性，改良沉积物微生境，同时提供了生长必要的微量元素形成微生物生长的营养源，促进了碳氮物质循环相关的微生物生长。故本发明将上述两种材料按比例组合，充分发挥两种材料特点和优势，制备成底质改良材料，通过底质改良和沉水植物恢复协同作用有效的控制和减少了沉积物温室气体排放，为水生态修复工程助力碳中和提供新的思路。

28、一种底质改良材料和沉水植物恢复协同作用减少浅水湖泊沉积物温室气体排放的方法，其步骤是：

29、1)将一定比例的赤玉土置于稀盐酸质量分数1～5％中浸泡1～2h后，用清水洗至中性，备用；

30、2)将一定比例的绿脱石置于稀盐酸质量分数2～8％中浸泡1～2h后，用清水洗至中性，备用；

31、3)将预处理后的赤玉土和绿脱石按一定质量分数混合均匀，制备成底质改良材料；

32、4)将底质改良材料铺洒一定厚度(1.5－3厘米)于湖底；

33、5)在底质改良区域种植沉水植物，通过底质改良和沉水植物协同作用减少浅水湖泊沉积物温室气体排放。

34、所述的沉水植物为菹草、苦草、穗花狐尾藻、马来眼子菜、微齿眼子菜、金鱼藻、伊乐藻以及黑藻其中的一种或二至八种的任意组合。沉水植物种植方法为：用可降解无纺布包裹上述底质改良材料制备成种植载体，将沉水植物移栽到载体中，于湖面抛置入湖底，种植密度为每平米60株(丛)。

35、通过上述的技术措施：最关键的是将预处理后的赤玉土和绿脱石按一定质量分数混匀均匀，制备成底质改良材料，主要解决了减少浅水湖泊沉积物排放温室气体的技术难点，为水生态修复工程助力碳中和提供了新的思路。通过整个技术措施，参与碳、氮循环等过程的功能基因增加380％以上，沉积物温室气体排放减少80％以上。现有技术仅通过沉水植物单一技术作用难以有效抑制温室气体排放，其发明相对于现有技术的进步主要体现在首次发现将赤玉土和绿脱石混匀制备成底质改良材料，可以在恢复沉水植物的同时并最大程度的减少了沉积物温室气体的排放，有效的解决了“双碳”下中国内陆水体生态系统恢复面临的重要问题。

36、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

37、1、方法易行、操作简便、成本低廉，具有显著的环境效益和经济效益；

38、2、底质改良材料均由天然黏土矿物组成，生态环保，无二次污染；

39、3、充分发挥天然材料特点，可显著促进功能微生物覆膜、生长。

40、4、通过底质改良和沉水植物协同作用显著减少浅水湖泊沉积物温室气体排放。与对照组相比，微生物群落的shannon多样性指数增加60％以上，微生物丰度增加340％以上，参与碳、氮循环等过程的功能基因增加380％以上，沉积物温室气体排放减少80％以上。