利用不同物候期水生植物配置提高浮床人工湿地的除氮效果*

张 惠，汪鹏合，张文娟，左 杰，邹祥旭,季 军，安树青,3，赵德华

(1：南京大学生命科学学院，南京 210046) (2：洪泽县清盈尾水湿地管理有限公司，淮安 223001) (3：南京大学常熟生态研究院，常熟 215500)

利用不同物候期水生植物配置提高浮床人工湿地的除氮效果*

张 惠1，汪鹏合1，张文娟1，左 杰1，邹祥旭1,季 军2，安树青1,3，赵德华1

(1：南京大学生命科学学院，南京 210046) (2：洪泽县清盈尾水湿地管理有限公司，淮安 223001) (3：南京大学常熟生态研究院，常熟 215500)

为验证利用不同物候期水生植物配置提高碳氮比失衡湿地脱氮能力的可行性，设计了向水芹菜(Oenanthejavanica)浮床人工湿地系统中添加轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)的实验，研究了在秋、冬季低温条件下，暖季型植物分解释碳对系统氮去除效果的影响. 结果表明，添加轮叶黑藻显著提高了系统水体碳氮比，促进反硝化作用，提高总氮和硝态氮的去除率. 在4个周期中，与对照组相比，物候期组合型浮床人工湿地系统的总氮去除率分别提升23.03%、10.90%、18.55%和22.93%，硝态氮去除率分别提升38.28%、20.74%、17.87%和17.06%. 由此可见，利用暖季型和冷季型植物配置提高碳氮比失衡湿地氮去除率是可行的.

浮床人工湿地；水芹菜；轮叶黑藻；碳氮比；氮去除

人工湿地是一种利用基质、水体、植物及微生物的物理、化学、生物三重协同作用实现污水高效净化的系统[1]，以其廉价性、高效性、生态化、可以因地制宜地构建及易于分散化处理等优点，被广泛应用于国内外各类污、废水的处理[2-5]. 然而，在实际运行过程中，人工湿地的氮去除率差异很大，从30%～90%以上不等[6]. 在以脱氮为主要目的的人工湿地中，碳源不足往往构成湿地脱氮的主要限制性因素[7-8].

研究表明添加碳源可以有效提高人工湿地的脱氮效率[7,9]；而植物作为一种天然纤维素原料，因其低成本、可再生和可用性广泛等特点，成为外加碳源的良好选择[10]. Ingersoll等[11]以切碎后的香蒲作为反硝化碳源，发现碳源添加系统的脱氮效果是对照系统的10倍. 对垂直流人工湿地小试模型的研究也表明植物秸秆添加使得系统总氮(TN)去除率从44%左右提高到了53%～66%[12]. Shao等[13]和孙雅丽等[14]也报道了以植物生物质作为反硝化碳源对潜流湿地系统硝酸盐去除的促进作用.

但是，植物碳源的效果受添加方式、添加量和添加时机的影响极大，已有研究多针对潜流湿地系统，且大多使用预处理的植物作为碳源，这不但增加了成本，同时也提高了额外的环境风险[9,15]. 对于低污染负荷、碳氮比(C/N)失衡的湿地而言，对系统的植物群落进行优化配置可能是一种更好的解决方案：利用冷季型植物在春、夏季和暖季型植物在秋、冬季的凋亡分解及碳源释放，调节系统水体的C/N比，进而克服系统氮去除率低的问题. 如被证实可行，这将是一种更为生态化的解决方案. 尽管目前在植物碳源添加对人工湿地净化效率的影响和自然条件下植物材料的分解过程两个方面已有大量的研究报道[16-20]，但是鲜有研究将这两个方面结合起来，利用不同植物物候期的交替构建物候期组合型浮床湿地系统进行污水净化的研究尚未见报道.

因此，本研究设计了暖季型植物轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)和冷季型植物水芹菜(Oenanthejavanica)组合配置的浮床人工湿地系统，研究了轮叶黑藻在秋、冬季凋亡分解过程中对系统除氮效果的影响，旨在验证物候期组合型浮床人工湿地系统提升C/N比失衡水体氮去除率的可行性，为人工湿地生态净化工程提供理论指导.

1 材料与方法

1.1 实验装置

图1 浮床人工湿地实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental model of floating-bed constructed wetland

以白色塑料长桶(长×宽×高=1.9 m×1.1 m×0.6 m)作为容器模拟表面流人工湿地单元(图1)，设置4个处理组(LN组：贫营养水体+水芹菜；LA组：贫营养水体+水芹菜+轮叶黑藻、HN组：富营养水体+水芹菜、HA组：富营养水体+水芹菜+轮叶黑藻)，每处理组含3个重复单元，共12个浮床人工湿地系统单元. 以HCFC500生态浮床(500 mm×500 mm×65 mm，每个浮床有9个栽植孔，孔径8 cm)作为水芹的生长载体，每个湿地系统6块浮床共54筐浮床植物，占整个湿地单元表面积的72%，每个系统每筐水芹的初始生长状况和生物量基本一致，各单元水位设定为0.4 m. 物候期组合型系统中轮叶黑藻栽植于小花盆中(内口直径27.9 cm，底部直径18.5 cm，高20.9 cm，内部填充10 cm高的细沙以固定轮叶黑藻)，每个系统10盆，均匀分布在湿地单元中，平均每盆轮叶黑藻干重约38.17～38.33 g，每个系统总生物量为381.73～383.34 g(干重).

1.2 实验材料

本实验所用的浮床植物水芹菜为一种国内常见的冷季型水生植物，具有耐低温、高生物量、可重复收割等特点，适合浮床人工湿地. 作为暖季型植物的轮叶黑藻取自附近水塘，经过清水净化培养15 d后移栽至小花盆，再移入人工湿地单元.

1.3 实验运行状况

图2 水温随时间的变化Fig.2 Changes of water temprature over time

实验运行期间，水体pH值在8.09～10.45之间波动，水温逐渐降低(图2). 在10月24日-11月23日期间，水温从21℃逐渐降至10℃；11月28日迅速降至5℃以下，之后一直在5℃左右波动.

1.4 主要监测指标及方法

同时，每个系统取3筐水芹菜，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[21]检测湿地植物根系活力，并及时补充水芹菜以保持植株密度不变；组合型系统每个系统取1盆轮叶黑藻，洗净后烘干称重估算组合型系统中轮叶黑藻生物量变化.

1.5 数据处理

实验数据采用SPSS 17.0统计软件进行One-way ANOVA分析，显著性水平设为0.05，采用OriginPro 8.0软件作图.

2 结果与分析

2.1 暖季型植物分解及碳源溶出过程

2.1.1 轮叶黑藻分解过程中生物量的变化 根据轮叶黑藻生物量的变化，可以将其凋亡分解过程分为两个阶段：前两个周期干重迅速下降，为快速分解期，LA、HA处理组分别下降181.94和182.08 g；第3、4周期，轮叶黑藻干重减少缓慢，为缓慢分解期，LA、HA两组分别下降36.78和35.53 g(图3a). 实验结束后，轮叶黑藻剩余干重为初始时的43%，分解掉超过自身一半的物质. 这表明在实验前期温度较高，轮叶黑藻分解迅速，可为湿地系统提供较多的碳源，而随着温度的降低，分解减慢，提供碳源能力下降.

2.1.2 水体COD浓度及C/N比随时间的变化 各处理组水体COD初始浓度基本一致，平均为16.63 mg/L. 实验期间，LN组的水体COD值略有上升，实验结束时为20.33 mg/L；LA、HN、HA组的水体COD浓度上升明显，实验结束时，3组处理分别达到38.83、31.46和36.04 mg/L. 每个周期LA、HA组水体的COD浓度均分别高于LN、HN组(图3b)，对实验数据进行单因素方差分析，在前3个周期中，LA、LN、HA与HN组两两之间COD浓度均差异极显著(P<0.01)，在第4周期时均差异显著(P<0.05).

图3 轮叶黑藻剩余干重(a)及水体COD浓度(b)的变化 Fig.3 Changes of residual dry biomass of Hydrilla verticillata (a) and COD concentration of water (b)

实验期间，LN与LA组水体平均C/N比除第3周期外均存在极显著差异(P<0.01)，且LA组是LN组的1.35～4.32倍. HN与HA组水体平均C/N比4个周期均存在极显著差异(P<0.01)，HA组是HN组的1.68～2.36倍(表1). 表明轮叶黑藻分解达到了提高系统内COD浓度和改善C/N比的预期目标，但其改善作用在实验进行1个月后迅速下降.

表1 各周期LN、LA、HN、HA组水体平均C/N比

**分别表示同一周期的LN与LA组、HN与HA组水体C/N比差异极显著(P<0.01，n=3).

在实验进行的4个周期中，HN组的TN去除率分别为50.61%、36.49%、12.53%和5.64%，HA组分别为73.64%、47.39%、31.08%和28.57%(图5a). 各个周期HA组的TN去除率均极显著高于HN组(P<0.01).

2.3 不同处理组水体溶解氧浓度和浮床植物根系活力的变化

LA、HA组水体溶解氧浓度在第1周期显著下降(P<0.01)，LN、HN组基本无变化(图6a). 第1、2周期结束时，LA组水体溶解氧浓度分别为4.21和6.43 mg/L，显著低于LN组(分别为7.99和10.53 mg/L)；同样，HA组在1、2周期结束时水体溶解氧浓度分别为4.61和7.08 mg/L，显著低于HN组(分别为9.58和8.77 mg/L). 后期各个处理组的水体溶解氧浓度均上升， 实验结束时(12月22日)LN、LA、HN、HA 4个处理组的水体溶氧量浓度分别为13.20、12.68、12.35 和12.35 mg/L，处理组间差异不显著(P>0.05). 表明在实验前期，添加轮叶黑藻可引起系统内溶解氧浓度的下降，而实验后期随着轮叶黑藻分解速度的下降，对系统中溶解氧浓度的影响逐渐减小.

图4 各周期LN和LA组中和浓度变化groups during each cycle

图5 各周期HN和HA组中的初始浓度和平均去除率(同一周期**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)，NS表示差异不显著(n=3))Fig.5 Initial concentrations and average removal

随实验的进行，各个处理组水芹菜根系活力总体呈下降趋势(图6b). 其中，LN组的根系活力在实验结束时为31.73 μg/(g·2h)；LA组水芹菜根系活力在前两个周期迅速下降，随后下降速度逐渐减缓，且每个周期都低于LN组，实验结束时为26.67 μg/(g·2h)；HN组在第1周期较初始值有所上升，之后逐渐下降，实验结束时为63.73 μg/(g·2h)；HA组的变化趋势与LA组相似，且每个周期都低于HN组，实验结束时为35.2 μg/(g·2h). 这表明添加轮叶黑藻可引起水芹菜根系活力的下降.

图6 各周期各处理组水体溶解氧浓度(a)和水芹菜根系活力(b)的变化Fig.6 Changes of dissolved oxygen concentration of water (a) and root activity of Oenanthe javanica (b) of different groups during each cycle

3 讨论

植物在凋亡过程中，会释放大量有机物质进入水体，导致水体有机碳浓度增加. 叶春等[22]的室内模拟研究发现，黑藻在腐解早期会导致水体总有机碳浓度迅速上升，整个过程总有机碳释放率为81.31%；甘蔗渣在固液比1∶80水解时，COD释放量可达45.45 mg/L[18]；谢理等[23]研究了成熟期挺水植物茭草和芦苇的叶在水环境中的降解过程，指出植物样品干重添加量为28.6 g/L时，分解前期(0～8 h)茭草和芦苇溶解性有机碳释放量分别可以达到1249.8和1364.4 mg/L. 本研究所选用的碳源植物轮叶黑藻喜温、耐热，其生长期可以从每年的3月持续到11月，之后植株开始衰亡、解体[24]. 实验开始时轮叶黑藻刚进入衰亡期，4个周期内物候期组合型系统的水体COD值远高于对照系统，说明轮叶黑藻在秋、冬季衰亡期的分解能够释放大量的有机物，可以作为外加碳源提高系统的有机碳浓度. 对比LN与LA两处理组水体氮浓度的变化可知，轮叶黑藻分解未引起系统水体氮污染.

同时，轮叶黑藻在凋亡分解过程中消耗了水体的溶解氧，导致物候期组合型系统的水体溶解氧浓度在第1、2周期显著低于对照系统，这与张菊等[42]的研究结果一致. 水体中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标. 低溶解氧浓度可以提供还原环境，能够增加与纤维素、半纤维素降解有关的胞外酶的累积量，促进植物生物质分解释放有机碳[43]；有利于含亚硝态氮还原酶细菌及含氮氧化物还原酶细菌的生长，提高湿地反硝化速率[44-45]. 而硝化过程是一个需氧过程，研究表明将1 g氨氮氧化为硝酸根需消耗4.6 g氧气，溶解氧浓度达到1 mg/L才能满足氨氧化的需要[46]. 在当前研究中，物候期组合型系统中水体溶解氧浓度在第1周期结束时达到最低值4.21 mg/L，高于硝化反应发生的先决条件，同时各周期内较高的氨氮去除率也说明轮叶黑藻分解耗氧未对硝化反应造成不利影响. 但系统水体溶解氧不足会对浮床植物的根部呼吸造成负面影响，进而降低植物根系活力，影响植物生长速率[47-48]. 在当前研究中，组合型系统中水芹菜的根系活力普遍更低，这和轮叶黑藻分解消耗水体溶解氧，导致水芹菜根系吸收所需能量的供应不足有关. 植物对湿地净化过程有多方面的影响，一方面可以通过直接吸收去除水体中的营养物质，在我们先前的研究中发现，冬季水芹菜吸收的氮占TN去除的15.01%[49]；另一方面还可以通过为微生物生长提供附着面以及通过根系新陈代谢和有机物分泌为反硝化微生物提供碳源和能量，从而影响系统的氮去除效果[50-51]，有研究指出，植物与湿地系统中其他因子的协同作用对湿地TN去除率的贡献达47%[52]. 因此，轮叶黑藻分解耗氧降低植物根系活力也会间接影响植物在湿地净化中的贡献. 在当前研究的后期，各个系统的水体溶解氧浓度均呈上升趋势，这可能与后期轮叶黑藻分解逐渐减弱、耗氧减少[22]以及温度降低、水体中氧气的溶解度增加有关[53].

综上所述，通过暖季型和冷季型植物的合理配置可以达到缓解C/N比失衡湿地秋、冬季碳源不足和提高系统氮去除率的效果，暖季型植物在秋、冬季的分解可以向浮床人工湿地系统补充碳源，提高系统C/N比，促进反硝化作用. 但暖季型植物的过量分解会对湿地水体溶解氧浓度及冷季型植物的根系活力产生不利影响. 因此作为外加碳源的暖季型植物的投加方式和投加量还需进一步研究.

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Improving nitrogen removal by phenophase arrangement of aquatic macrophyte species in the floating-bed constructed wetland

ZHANG Hui1, WANG Penghe1, ZHANG Wenjuan1, ZUO Jie1, ZOU Xiangxu1, JI Jun2, AN Shuqing1,3& ZHAO Dehua1**

(1:SchoolofLifeScience,NanjingUniversity,Nanjing210046,P.R.China) (2:QingyingTailWaterWetlandManagementLimitedCompanyofHongzeCounty,Huaian223001,P.R.China) (3:EcologyResearchInstituteofChangshu,NanjingUniversity,Changshu215500,P.R.China)

The main objective of this study is to identify the feasibility of improving the nitrogen removal efficiency in low C/N wetlands by arranging aquatic macrophyte species with different phonological characteristics. We conducted a pilot experiment, adding warm-season species ofHydrillaverticillatato cold-season species ofOenanthejavanicaat a floating-bed constructed wetland system (FCW), in order to quantify the effects of the decomposition of the warm-season macrophyte residue on the nitrogen removal efficiency under the condition of low temperature during autumn and winter seasons. The results showed that the adding ofH.verticillatasignificantly increased the C/N ratios in the organic carbon shortage systems of FCW, and thus improved total nitrogen and nitrate nitrogen removal efficiency due to stimulating denitrification activities. During the four cycle periods of the phenophase-combined FCW, compared with the control group, the removal efficiency of total nitrogen in each period was increased by 23.03%, 10.90%, 18.55% and 22.93% respectively, and the removal efficiency of nitrate nitrogen was increased by 38.28%, 20.74%, 17.87% and 17.06%, respectively. Therefore we conclude that it is feasible to improve the nitrogen removal efficiency by re-arrangement of warm and cool season plants in the low C/N wetlands.

Floating-bed constructed wetland;Oenanthejavanica;Hydrillaverticillata; C/N ratios; nitrogen removal

；E-mail: dhzhao@nju.edu.cn.

*国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07204-002)资助. 2016-06-14收稿；2016-09-08收修改稿. 张惠(1991～)，女，硕士研究生；E-mail: tofurther@163.com.