不同硝铵比对人工湿地植物单种/混种硝化与反硝化强度的影响

2019-01-19谭丽亚徐若琳阳柠灿KERKULAAnna

绍兴文理学院学报(自然科学版) 2018年3期

谭丽亚徐若琳胡忻阳柠灿 KERKULA Anna 王海

(1.绍兴文理学院生命科学学院，浙江绍兴312000;2.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000)

近年来含氮污水不断增多，氮形态变化多样且难以处理，若处理不当会造成水体富营养化等环境污染问题，而采用人工湿地系统处理含氮污水是一个不错的选择[1-4].人工湿地氮去除的主要途径包括植物吸收、基质吸附、根区微生物的硝化与反硝化作用等[5-6]，其中以硝化与反硝化作用对氮去除的影响较大[6-7].植物属于间接驱动者，如植物根释放的有机碳可以为微生物提供碳源，同时植物通过根部释放氧气来增强根区好氧微生物的活性[8-9]，促使这些好氧微生物释放酶与激素等[10-11]，这些都可能影响根区的硝化与反硝化过程.但是在人工湿地系统中，在不同硝铵比条件下，不同植物对硝化与反硝化过程的影响还不是很清楚，有待进一步研究.

当前，环境中存在大量待处理或处理不善的含氮污水，因此研究植物多样性对人工湿地系统硝化与反硝化的影响变得尤为重要.人工湿地植物多样性的研究表明，植物多样性可以影响生态系统的功能(如生物量积累、氮去除、温室气体释放等)[12-16].本文通过模拟小型可控人工湿地系统，研究3种硝铵比对不同植物单种/混种根区的硝化和反硝化强度的影响，探讨在不同植物组合人工湿地系统中硝化与反硝化过程的作用规律，从而为筛选较高硝化与反硝化强度的除氮植物物种和多样性配置组合提供参考依据.

1 材料和方法

1.1 样地设计和植物配置

本研究于2017年4月初开始培育苗木(预实验阶段)，6月中旬正式开始人工湿地氮去除模拟实验，9月底结束实验.期间完成砂样取样、硝化与反硝化强度测定及人工湿地运行管理等.

在绍兴文理学院南山校区的实验基地中建立小型人工湿地实验系统，并从物种库中选择水生美人蕉(Cannaindica)、常绿鸢尾(Iristectorum)、梭鱼草(Pontederiacordata)、风车草(Cyperusalternifolius)、再力花(Thaliadealbata)、黄菖蒲(Irispseudacorus)、菖蒲(Acoruscalamus)与水葱(ScirpusvalidusVahl)等8种常见湿地植物作为实验物种，混种组合选择生长较好的10个组合(详见表1).植物种植选择盆栽方式，模拟小型人工湿地微环境.整个样地长20 m，宽15 m，共162个小型人工湿地系统.每个人工湿地间隔50 cm，所有样方填装相同砂样作为基质(砂样在样地建立前用自来水进行了充分冲洗，其氮含量经测定低于检测线，可视含量为0).湿润砂样后进行植物种植，种植完成后加入自来水至指定刻度线，水体积约为5 000 mL.每个小型人工湿地种植湿地植物8株，即单种情况下单一植物种植8株，物种混种情况下两种植物各4株，不同物种配置设置9个重复(不同硝铵比各3次重复).本研究小型人工湿地种植的是植物幼苗而不是种子，这样可以缩短实验时间，提高植物的存活率，每个小型人工湿地在空间上随机放置.

表1 不同植物混种组合

物种组合简写再力花+水葱再+水水葱+常绿鸢尾水+鸢美人蕉+常绿鸢尾美+鸢美人蕉+梭鱼草美+梭梭鱼草+黄菖蒲梭+黄梭鱼草+风车草梭+风风车草+菖蒲风+菖再力花+菖蒲再+菖黄菖蒲+常绿鸢尾黄+鸢菖蒲+黄菖蒲菖+黄

1.2 人工湿地运行管理

为了避免外界降水对实验的影响，本实验在实验基地大棚内进行，由于实验期间气温较高，需每1～2天对植物进行补水，以弥补水分蒸散量(浇水至初始划定的刻度线).本实验采用实验基地的自来水进行补水，该水体氮含量较低，符合实验用水要求.

用修正Hogland营养液配制硝铵比分别为100∶0，50∶50与0∶100的模拟污水.在植物种植7天后，植物已基本适应实验环境，此时在每个样方中添加不同硝铵比的模拟污水，每周添加1次.从6月底开始，每隔7天，取每个样方植物根区的砂样100 g作为检测样品.实验期间取砂样4次.

1.3 硝化与反硝化强度测定

每个样品分别称取10 g放入标有硝化、反硝化标签的250 mL锥形瓶中，分别加入25 mL硝化营养液和反硝化营养液，然后分别进行140 r/min、25℃恒温摇床震荡培养24 h和25℃恒温遮光培养24 h.在24 h之后取出进行硝化、反硝化强度的测定，每个样品重复测定3次，具体参考郑仁宏等人的方法[17].

1.4 数据处理

实验所测得的数据输入Microsoft Excel 2007中进行简单的计算分析，结果用平均值±标准差表示，绘制相关图表,并用统计软件SPSS16.0进行单因素方差分析(P<0.05).

2 结果与分析

2.1 单种植物根区的硝化与反硝化强度

图1 单种植物根区的硝化与反硝化强度

2.2 混种植物组合根区的硝化与反硝化强度

从图2可以看出，植物组合的硝化强度在不同硝铵比条件下变化较大，在7～38 μg·kg-1·h-1范围内变化，表明不同硝铵比对不同植物组合的硝化强度具有较大影响.当硝铵比为100∶0时，梭鱼草+风车草、风车草+菖蒲混种组合根区的硝化强度相对较高，分别为36和38 μg·kg-1·h-1，比其他组合高出2～16 μg·kg-1·h-1；当硝铵比为50∶50时，梭鱼草+风车草混种组合根区的硝化强度最高，为47 μg·kg-1·h-1，其他组合的硝化强度在9～38 μg·kg-1·h-1的范围变化.

植物组合的反硝化强度在不同硝铵比条件下在282～323 μg·kg-1·h-1的范围内变化，波动不大，说明不同硝铵比对不同植物组合的反硝化强度影响较小，表明不同植物组合通过反硝化作用对氮素的去除差异并不显著[20].但是，在3个硝铵比条件下各个混种组合的反硝化强度均高于硝化强度.整体上，在3个硝铵比条件下，梭鱼草+风车草混种组合根区的硝化强度较高.

图2 植物组合根区的硝化与反硝化强度

2.3 不同硝铵比条件下单种/混种植物组合根区的平均硝化与反硝化强度

从图3可见，各植物组合根区的平均硝化强度随硝铵比的下降而显著下降(P<0.05).其中，硝铵比在100∶0条件下，植物平均硝化强度在24～27 μg·kg-1·h-1范围内变化；硝铵比在50∶50条件下，植物平均硝化强度在18～24 μg·kg-1·h-1范围内变化；而硝铵比在0∶100条件下，植物平均硝化强度在13～14 μg·kg-1·h-1的范围内变化.从图3还可见，各植物组合根区平均反硝化强度随硝铵比的下降呈现“高—低—高”的趋势，但整体变化较小，在289～318 μg·kg-1·h-1的范围内波动，差异不显著.各植物组合根区的平均硝化强度远低于平均反硝化强度.总体上，硝铵比在100∶0与50∶50条件下，混种植物组合根区的平均硝化强度显著高于单种植物(P<0.05)，这也表明混种植物组合的植物群落净化效能远超过单个植物[15-16,21].而硝铵比在0∶100条件下，单种与混种组合的平均硝化强度不存在显著差异.