模拟垂直潜流人工湿地中植物种类和植物多样性对脱氮效果的影响*

胡智锋 陈爱民 裘 知 葛 滢 常 杰 王 睿 孔令为 葛伟华 张 平 张建中

(1.浙江省环境保护科学设计研究院，浙江 杭州 310007；2.浙江环科环境研究院有限公司，浙江 杭州 310007；3.浙江省环境保护厅，浙江 杭州 310012；4.浙江大学生命科学学院，浙江 杭州 310058；5.浙江省环境监测中心，浙江 杭州 310015)

人工湿地是一种利用自然生态系统中物理、化学和生物协同作用来实现污水净化的生态工程技术，具有建造、运行费用低、管理简便等特点[1]。相对表面流湿地和水平潜流湿地，垂直潜流湿地可实现更加均匀的布水和充氧，具有更好的污水净化效果，近年来受到越来越多的关注。随着污水排放量的不断增长和对低成本污水净化技术的需求，垂直潜流人工湿地的建设数量和面积也在逐年增加[2]，但从实际运行情况看，其对污染物(特别是营养性污染物)的净化效果仍有待提升[3]。植物是影响湿地污染物净化效果的关键因素之一[4-5]，植物多样性能够显著提高湿地的生态功能，提升污染物净化效果。因而，优选人工湿地植物种类，配置植物多样性，可提高人工湿地的生态功能，推进人工湿地在污水净化方面的应用[6-10]。本研究以氨氮作为输入的唯一氮源，分析不同植物种类和多样性对湿地脱氮效果的影响。

1 材料与方法

1.1 实验设计

模拟垂直潜流人工湿地(以下简称湿地)建于浙江某高校内，由9个长50 cm、宽35 cm、深20 cm的长方体水槽构建而成，每个水槽为1个独立的湿地单元。在每个单元内部填充厚14 cm、粒径2～4 mm的石英砂，作为湿地基质。挑选2种本地常见的湿地植物：水烛(Typhaangustifolia)和菩提子(Coixlacryma-jobi)，按照每种植物单种和两种植物混种的植物多样性配置方式在湿地单元中种植，每种植物多样性配置方式设置3个重复。每种植物单种时，每个湿地单元内等间距种植8株植物。两种植物混种时，按照植物种类平均分配株数，在每个湿地单元内随机种植。实验过程中，尽量保持每个湿地单元的外部环境一致。

1.2 实验管理

在植物生长期间，每天对各个湿地单元进行1次清水灌溉，使湿地单元处于周期性淹水—充氧状态，有利于硝化菌和反硝化菌的活动，以提高湿地的脱氮效果。水从湿地单元的表面各处均匀灌入，使其在垂直方向上均匀下渗。以霍格兰氏营养液为基础，配制高浓度氨氮营养液(该营养液的氨氮浓度为霍格兰氏营养液的7倍)作为输入湿地单元的模拟污水。模拟污水的主要成分包括CaCl2·2H2O 735 mg/L、(NH4)2SO4528 mg/L、KH2PO4136 mg/L、KCl 447 mg/L、MgSO4·7H2O 493 mg/L；微量成分包括H3BO32.86 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、H2MoO4·4H2O 0.09 mg/L，乙二胺四乙酸铁钠(EDTA-Fe)7.64 mg/L。

实验期间每周添加1次模拟污水，实验进行了7周，总共添加了7次模拟污水，每个湿地单元的总氮输入量为5 488 mg，相当于31.36 g/m2。实验从4月底开始，到7月初结束，分别在实验前期(第1天至第25天)、实验中期(第26天至第35天)和实验后期(第36天至第55天)将湿地单元内的水排净，并从排出的水中采集水样进行分析。在实验前期和实验中期，湿地运行时间较短，还不够稳定，水样的分析结果尚不能准确反映出水水质。而在实验后期，植物已经处于稳定生长期，因此将实验后期采集的水样视为湿地正常运行时的出水，并以氨氮、硝态氮等浓度作为评价指标，以此分析出水氮浓度与植物种类及多样性的相关关系。在水样采集完毕后收获全部植物，将每个湿地单元中的植物连根拔起，按植物种类分类收集，用水冲洗植物根部，然后将植物按根、茎、叶分割，放入65 ℃烘箱中烘干至恒量，称量记录每株植物各部分的干质量。各湿地单元中的植物总干质量作为该湿地单元的植物总生物量。

植物根、茎、叶各部分样品经微型研磨仪(FRITSCH Pulverisette 23，德国)研磨成粉后，用同位素比质谱仪联用元素分析仪(Thermo Scientific Flash HT 2000，德国)测定植物各部分的氮积累量。

1.3 数据统计分析

数据采用SPSS 20.0软件进行统计分析。在不同植物种类和多样性下，对出水氨氮、硝态氮、总无机氮(TIN)浓度以及硝态氮和氨氮质量比(简称硝态氮∶氨氮)的差异进行单因素方差分析，显著性水平α设为0.05。此外，将出水氨氮、硝态氮、TIN浓度以及硝态氮∶氨氮分别与植物总生物量进行线性拟合，植物各部分氮积累量与其生物量也进行线性拟合。

2 结果与分析

2.1 单种与混种时的出水氮浓度

在水烛和菩提子分别单种情况下，出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度如图1所示。从图1可以看出，水烛单种时，出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度分别为235.41、32.12、267.53 mg/L；菩提子单种时，出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度分别为72.34、13.80、86.14 mg/L。菩提子单种时出水氮浓度均明显低于水烛单种。

湿地系统中，植物根系常形成网状结构，能向根区传输约90%(体积分数)的氧，有利于根区形成好氧环境，刺激硝化菌的生长。而在植物未伸展到的区域，由于微生物的呼吸作用形成缺氧环境。好氧环境与缺氧环境的共同存在，为根区硝化菌和反硝化的生长代谢提供了适宜条件，另外，植物也能吸收根区的无机氮作为生长所需的营养。因此，湿地脱氮主要依靠微生物的硝化—反硝化作用和植物吸收。由于植物生长过程中多偏向吸收硝态氮，且氨氮的脱除需经历硝化作用[11-12]。因此，菩提子单种的脱氮效果高于水烛单种，可能是由于菩提子单种更有利于湿地单元的硝化作用，从而能提供更多的硝态氮以促进植物对氮的吸收和微生物的反硝化作用，进而提高脱氮效果。此外，菩提子根系发达，且偏好垂直向下生长，在垂直潜流湿地中可更好地发挥输氧作用，这可能也是菩提子单种相比水烛单种具有更好脱氮效果的原因之一。

由图1还可看出，水烛与菩提子混种时，出水硝态氮和TIN质量浓度最低，分别为55.60、80.50 mg/L，但与菩提子单种差异不显著(P>0.05)；水烛与菩提子混种时和菩提子单种时，出水硝态氮、TIN浓度均显著低于水烛单种(P<0.05)。

多植物混种时，可以相互补充湿地对污染物的不同处理功能，有利于实现湿地的完全或半完全自我循环，对污染物的净化效率更高，净化效果也更稳定；但不同植物之间也可能存在竞争关系，一方面是对阳光、水、营养物质等资源的竞争，另一方面是不同植物通过释放化学抑制物质，影响周围其他植物的生长和污染物净化功能的发挥[13]。从水烛与菩提子混种的结果来看，两者的相互影响是有益的，提高了湿地的硝化能力和脱氮效果。但不同的植物多样性配置下，水烛和菩提子混种时出水氨氮浓度及硝态氮∶氨氮与水烛单种或菩提子单种时差异不显著(P>0.05)。

2.2 出水氮浓度与植物总生物量的关系

湿地的出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度及硝态氮∶氨氮与植物总生物量之间的关系如图2所示。

出水硝态氮和TIN浓度与植物总生物量显著相关，随植物总生物量增加，出水硝态氮、TIN质量浓度显著降低。而出水氨氮浓度和硝态氮∶氨氮与植物总生物量呈离散分布，没有显著相关性，这可能与植物偏向吸收硝态氮有直接关系。

2.3 植物各部分氮积累量与生物量的关系

植物地上氮积累量、地下氮积累量和总氮积累量分别与植物地上生物量、地下生物量和总生物量的关系如图3所示。植物各部分的氮积累量均与其生物量呈显著相关，且随着生物量的增加，氮积累量也相应增加。结果表明，植物生物量在湿地的脱氮中起重要作用，可通过收割植物不断移除湿地中的氮。

3 讨 论

植物是湿地不可或缺的组成部分，是湿地发挥净化作用的主要因素之一。特别是在脱氮方面，植物对氮的直接吸收和促进湿地硝化—反硝化过程是湿地脱氮的重要途径。

不同植物对湿地脱氮效果的影响并不相同，具有发达根系和强大根区输氧能力的植物对湿地的脱氮效果具有更明显的促进作用。这可能是菩提子单种时湿地脱氮效果优于水烛单种的原因之一。

图1 单种和混种时的出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度和硝态氮∶氨氮

图2 出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度及硝态氮∶氨氮与植物总生物量的关系

图3 植物各部分氮积累量与生物量的关系

植物根区由于存在输氧过程，可形成好氧环境，促进氨氮的硝化，为植物吸收和反硝化脱氮提供条件。相比单种，混种可能会引起根区微生物活性的增强，促进硝化作用和反硝化作用，进而提高湿地的脱氮效果。水烛与菩提子混种时，出水硝态氮和TIN浓度低于水烛或菩提子单种，证实了提高植物多样性能提升湿地的脱氮效果。

本研究还发现，出水硝态氮、TIN浓度与植物总生物量呈显著负相关，且植物各部分氮积累量与其生物量呈显著正相关。植物对湿地脱氮效果的影响不但依赖于植物多样性，可能也与植物生物量有关。本研究在5—7月进行，植物处于快速生长期，生物量增长较快，对氮的吸收也相对较大，在湿地中通过收割植物可以加强湿地的脱氮效果。因此，在人工湿地设计、建造过程中引入高产植物非常必要。

4 结 论

(1) 菩提子单种时，出水氮浓度均明显低于水烛单种。菩提子单种时，出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度分别为72.34、13.80、86.14 mg/L；水烛单种时，出水硝态氮、氨氮、TIN质量浓度分别为235.41、32.12、267.53 mg/L。相比水烛，菩提子更有利于湿地脱氮。

(2) 水烛与菩提子混种时，出水比菩提子或水烛单种具有更低的硝态氮和TIN，硝态氮和TIN质量浓度分别为55.60、80.50 mg/L。加强植物多样性可提高湿地的脱氮效果。

(3) 出水硝态氮、TIN浓度与植物总生物量呈显著负相关，植物各部分氮积累量与其生物量呈显著正相关。植物生物量在湿地的脱氮中起重要作用，可通过收割植物提高湿地的脱氮效果。

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