不同氮添加人工湿地中植物生长情况研究

李晓玲 陈柳盈 冯冰冰 沈 奇 王李斌 王 海

(绍兴文理学院 生命科学学院，浙江 绍兴312000)

不同氮添加人工湿地中植物生长情况研究

李晓玲 陈柳盈 冯冰冰 沈 奇 王李斌 王 海

(绍兴文理学院 生命科学学院，浙江 绍兴312000)

通过模拟人工湿地，以黄菖蒲(IrispseudacorusL.)、水葱(Scirpusvalidus)、路易斯鸢尾(IrishexagonaWalter.)和再力花(Thaliadealbata)4种植物为研究对象，通过对不同植物组合(单种、两种混种、四种混种)进行氮添加处理(高、中、低3种氮浓度)实验，来研究不同氮浓度处理对人工湿地中不同植物单种与混种生长的影响.研究结果表明：(1)混种情况下植物的存活情况和生长情况均优于单种；(2)不同氮浓度处理对植物的生长具有不同的影响，高浓度氮处理对黄菖蒲和路易斯鸢尾的生长起促进作用，低浓度氮处理对再力花的生长起促进作用，而3种氮处理均对水葱的生长起明显的抑制作用.

人工湿地；氮添加；混种；株高；存活率

近年来，含氮污水无论从排放量还是从氮负荷来看，都是很大的污染源，这让其成为污水治理的重要一环.而人工湿地作为一种低能耗、低投资、易管理的生态废水处理技术，尤其在氮、磷去除方面有着其他污水处理技术无法比拟的优势.而人工湿地主要利用植物的吸收、微生物的分解、基质的吸附等方式进行污水处理[1-4].

植物是人工湿地中最主要的组成之一，为了维持其正常生长，必须从污水中吸收氮、磷等元素作为营养物质，因此植物可以通过自身的生长代谢来吸收污水中的氮、磷等[5-6].然后，通过收割植物的地上部分，从而去除人工湿地中大部分的污染物[7-8].另外，不同植物由于根系分布范围的不同，氧气释放速率不同，对微生物活性的影响也不同，从而对污水的净化效果产生差异.在相同的环境条件下，人工湿地中植物的生长状况的优劣对人工湿地的氮去除效果存在影响，大致呈正相关关系[9-10].植物的种类、种植情况也有一定的关系，研究发现，不同种类的植物氮吸收能力存在差异[11-12]，并且不同种类的植物单种、混种等种植模式也会对人工湿地系统的污染物去除效果有影响.多种植物混种时，是否可以互补增强人工湿地对污染物的处理效果，发挥不同植物各自的优势，保证人工湿地更稳定、高效的去除效果，有待进一步研究.

本文通过实验模拟人工湿地来研究不同氮添加人工湿地中四种植物：黄菖蒲(IrispseudacorusL.)、水葱(Scirpusvalidus)、路易斯鸢尾(IrishexagonaWalter.)和再力花(Thaliadealbata)单种与混种生长情况，以期为人工湿地污水处理选择优势植物及物种组合.

1 材料与方法

1.1实验设计

2016年5月开始，在前期研究基础上挑选长势良好、大小均匀的植物：黄菖蒲(IrispseudacorusL.)、水葱(Scirpusvalidus)、路易斯鸢尾(IrishexagonaWalter.)和再力花(Thaliadealbata.)为研究对象，采用单种、两种混种、四种混种3种种植方式，设置高、中、低3种氮浓度梯度比较研究.实验样地长20 m，宽15 m，共99个样方，每个样方为上直径80 cm，下直径65 cm，深40 cm的圆柱形，共种植8株植物.混种情况下，两种混种每种植物各4株，四种混种每种植物各2株，沙土统一深30 cm.加入适量的水，使水淹没在植物根茎部，每天根据植物的不同蒸腾量进行浇水，保证每个实验样方水量基本一致.

经过大约2周的培养后，待所有植物完全适应实验环境，于5月16日对植物进行高(1.478 g/样方氮)、中(0.739 g/样方氮)、低(0.369 g/样方氮)3种浓度氮的施加，不同氮浓度用来模拟养殖废水中的氮含量.

1.2株高的测量与植株密度

从5月16日开始测定植物的株高，每隔3天测量一次，直至6月21日实验结束.测量时用卷尺从植物的地上部分开始进行测量，按照样方中的编号依次测量，并记录.6月底实验结束之时，记录植物的存活情况，计算植物的存活率.

1.3数据分析

采用Excel 2010 软件进行数据的录入、计算及统计分析，并且进行相关的图表绘制和整理.

2 结果与分析

2.1植株存活率

统计不同样方植物的实际存活数量，计算植物在不同处理下(氮梯度、植物种植方式)的存活率.详见图1.

从图1可以看出，黄菖蒲和路易斯鸢尾在混种条件下存活率都达到了100%，单种情况下植物均有死亡；水葱和再力花在单种和混种条件下存活情况无显著差异，但水葱整体存活率较低.氮素作为植物生长的重要营养元素之一，对不同植物的生长起不同的作用.黄菖蒲和路易斯鸢尾在中、低浓度氮添加条件下存活率均达到100%；再力花在低浓度氮添加条件下存活率基本达到100%；而水葱在中浓度氮添加条件下存活率保持在约75%，其他氮浓度添加条件下存活情况均较差.

2.2单种条件下植物生长情况

植物株高是直接反映植物生长状况的指标之一.从图2A、2B与2C中可以看出：单种情况下，黄菖蒲和路易斯鸢尾在中浓度氮添加条件下(图2B)长势较好，生长速度较快；水葱在高浓度氮添加条件下(图2A)后期生长较快，而再力花适合在低浓度氮添加条件下(图2C)生长.株高增量的变化中(图2a、2b与2c)，黄菖蒲和再力花均在生长初期株高增量变化较大，在高浓度氮添加条件下(图2a)生长后期株高增量较中(图2b)、低(图2c)氮浓度下要多，但较生长初期增长速度变缓；水葱的株高增量均在生长后期变化较大；路易斯鸢尾在高浓度氮(图2a)添加条件下株高增量在生长前期和晚期较多，而在中(图2b)、低(图2c)浓度氮添加条件下生长前期增量较多，后期生长变缓.

图1 不同植物的存活率

图2 不同氮梯度条件下植物在单种时的生长情况

注：图A、图a为高浓度氮添加条件；图B、图b为中浓度氮添加条件；图C、图c为低浓度氮添加条件

图3 不同氮梯度条件下植物在两种混种时的生长情况

注：图A、图a为高浓度氮添加条件；图B、图b为中浓度氮添加条件；图C、图c为低浓度氮添加条件

图4 不同氮梯度条件下植物在四种混种时的生长情况

注：图A、图a为高浓度氮添加条件；图B、图b为中浓度氮添加条件；图C、图c为低浓度氮添加条件

2.3两种混种条件下植物生长情况

通过比较图3A、3B与3C可看出，在两种混种条件下，黄菖蒲、路易斯鸢尾和再力花均在中浓度氮添加条件(图3B)下生长较快；而水葱适合在高浓度氮添加条件下(图3A)生长，中、低浓度下均生长缓慢.比较图3a、3b与3c可看出，植物的株高增量变化中，黄菖蒲均在生长前期株高增量较多，说明这个阶段生长较快；水葱的生长茂盛期依旧在生长后期且在高浓度氮添加条件(图3a)下株高增量较多；路易斯鸢尾株高增量在不同的氮浓度添加条件下有所不同，高浓度氮添加条件(图3a)下的整个实验过程中，株高增量保持在约1 cm/d，中(图3b)、低(图3c)浓度时株高增量生长前期明显较生长后期多，其中低浓度氮添加下的生长后期基本停止生长；对再力花而言，整个实验过程株高增量都处于不稳定变化之中，但总体生长较好.

2.4四种混种条件下植物生长情况

比较图4A、4B与4C可看出，四个物种混种条件下，黄菖蒲和再力花在高浓度氮添加条件(图4A)下长势最好；水葱适合在低浓度氮添加条件(图4C)下生长；路易斯鸢尾在中浓度氮添加条件(图4B)下长势比高(图4A)、低(图4C)氮浓度下要好，但总体生长速率较慢.株高增量变化中(图4a、4b与4c)，黄菖蒲在生长初期均生长较快，生长后期高浓度氮添加条件(图4a)下株高增量大约为1cm/d，而中(图4b)、低(图4c)浓度氮添加条件下生长基本趋于停止；水葱在四个物种混种时的生长情况与前面图2、图3得出的结论基本一致，均在生长后期快速生长；路易斯鸢尾在中(图4b)、低(图4c)浓度氮添加条件下，其快速生长阶段主要集中在生长前期，其中，中浓度氮添加条件下的株高增量约为1.3 cm/d，而低浓度氮添加条件下的株高增量约为0.9 cm/d.相对来说，低浓度氮添加条件下生长较缓，在高浓度氮添加条件(图4a)下株高增量主要在生长的中、后期，生长前期几乎零增长；再力花在高(图4a)、低(图4c)浓度氮添加条件下的整个实验过程长势不好，在中浓度氮添加条件(图4b)下生长前期株高增量变化较明显，生长后期慢慢趋于停止.

3 讨论

本实验研究了3种氮浓度添加对不同植物在单种和混种时生长情况的影响.研究表明，实验选用的4种植物中，黄菖蒲和路易斯鸢尾在混种条件下存活情况优于单种，其他2种植物中，水葱存活率较低，可能是因为实验过程中温度(约36 ℃)高于水葱正常生长的适宜温度范围(15～30 ℃).再力花在单种和混种条件下存活情况并无差异.混种情况下的存活率高于单种时的存活率，这与一些研究中结论相一致[13].

植物的不同种植方式中(单种、两种混种、四种混种)，相比较而言，黄菖蒲适合在四种混种条件下生长，水葱和再力花在两种混种条件下长势较好，仅路易斯鸢尾适合在单种条件下生长.整体上，黄菖蒲和路易斯鸢尾的快速生长阶段主要集中在生长前期，而水葱主要集中在生长后期.因此，在人工湿地植物的选择过程中，它们可以选择搭配，达到不同生长时期的优势互补，保证人工湿地植物生长维持在一个较稳定的阶段，以利于人工湿地获得稳定、高效的污水处理效果.而再力花在整个生长过程中生长较均匀，可以在人工湿地中单种或混种搭配.

对氮浓度的响应程度，黄菖蒲和路易斯鸢尾均在高、中浓度氮添加条件下长势较好，水葱在高浓度氮添加条件下生长后期长势较好，综合前面株高增量变化阶段的结论，可以得出不同氮浓度对植物的生长具有不同的影响，高浓度的氮对黄菖蒲和路易斯鸢尾的生长起明显的促进作用，而3种氮浓度会抑制水葱早期的生长.再力花在3种种植方式下对氮的敏感程度表现不同，但微量的氮素对它的生长可以起到促进作用.

4 结论

研究结果表明，植物在混种时的存活率和生长情况均优于单种.不同植物对不同氮添加的响应存在较大差异，不同浓度的氮添加均会抑制水葱的早期生长.在高浓度的氮添加条件下，黄菖蒲和路易斯鸢尾均生长良好，可以用于去除人工湿地中高浓度的氮素.而再力花在低浓度氮添加条件下生长良好，表明再力花可以用于去除人工湿地中低浓度的氮素.总之，混种种植模式比单种较优，黄菖蒲、路易斯鸢尾与再力花均可作为人工湿地养殖废水氮去除的优势物种.

[1]王晓晓,王会芳,徐奇恩,等.小型人工湿地对富营养化河水的去污研究[J].绍兴文理学院学报,2015,35(9):41-44.

[2]HAN W J, CHANG J, FAN X, et al.Plant species diversity impacts nitrogen removal and nitrous oxide emissions as much as carbon addition in constructed wetland microcosms[J].Ecological Engineering,2016,93(8):144-151.

[3]ZHAO Z R, CHANG J, HAN W J, et al.Effects of plant diversity and sand particle size on methane emission and nitrogen removal in microcosms of constructed wetlands[J].Ecological Engineering,2016,95(10):390-398.

[4]CHANG J, ZHANG X H, PERFLER R, et al.Effect of hydraulic loading rate on the removal efficiency in a constructed wetland in subtropical China[J].Fresenius Environmental Bulletin,2007,16(9):1082-1086.

[5]曹海芹.人工湿地生物多样性—高效脱氮基础研究[D].杭州：浙江大学,2010.

[6]CHANG J, FAN X, SUN H Y, et al.Plant species richness enhances nitrous oxide emissions in microcosms of constructed wetlands[J].Ecological Engineering,2014,64(3):108-115.

[7]SAWAITTAYOTHIN V, POLPRASERT C.Nitrogen mass balance and microbial analysis of constructed wetlands treating municipal landfill leachate[J].Bioresource Technology,2007,98(3):565-570.

[8]ZHU S X, ZHANG P L, WANG H, et al.Plant Species Richness Affected Nitrogen Retention and Ecosystem Productivity in a Full‐Scale Constructed Wetland[J].Acta Hydrochimica Et Hydrobiologica,2012,40(4):341-347.

[9]刘红,刘学燕,欧阳威,等.人工湿地植物系统优化管理研究[J].农业环境科学学报,2004,23(5):1003-1008.

[10]VYMAZAL J.Constructed wetlands for wastewater treatment: five decades of experience[J].Environmental Science & Technology,2011,45(1):61-69.

[11]张玲,崔理华.人工湿地脱氮现状与研究进展[J].中国农学通报,2012,28(5):268-272.

[12]ZHANG S, LIU F, XIAO R, et al.Effects of vegetation on ammonium removal and nitrous oxide emissions from pilot-scale drainage ditches[J].Aquatic Botany,2016,130(1):37-44.

[13]梁茗裘.单种与多种植物人工湿地植物生长与污水净化效果研究[D].广州：华南师范大学,2009.

EffectsofDifferentNitrogenAdditiononPlantGrowthinSimulatedConstructedWetland

Li Xiaoling Chen Liuying Feng Bingbing Shen Qi Wang Libin Wang Hai

(School of Life Sciences, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Four plant species ofIrispseudacorusL.,Scirpusvalidus,IrishexagonaWalter andThaliadealbatawere selected in this study.The effects of different nitrogen addition treatment (high, medium and low nitrogen concentration) on the growth and development of different plant species and mixtures treatments (monoculture, two species of mixtures and four species mixtures) in simulated constructed wetlands were studied.The results show as follows: (1) the survival rate and growth of plants are better than that in mono-cultures; (2) different nitrogen concentrations have different effects on plant growth; high concentration of nitrogen could promote the growth ofIrispseudacorusL.andIrishexagonaWalter, low concentration of nitrogen the growth ofThaliadealbata, while different nitrogen concentrations could inhibit the growth of Scirpu svalidus.

constructed wetland; nitrogen addition; mixture; plant height; survival rate

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.08.016

A

1008-293X(2017)08-0089-06

2017-05-31

国家自然科学基金项目(31500321)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201610349015)；浙江省大学生新苗人才计划项目(2016R428020).

李晓玲(1994- )，女，甘肃白银人，研究方向：污水处理与污染物的降解.

王 海(1981- )，男，山西运城人，博士，绍兴文理学院生命科学学院讲师，研究方向：污水处理.

(责任编辑王海雷)