譚麗亞 徐若琳 胡 忻 陽(yáng)檸燦 KERKULA Anna 王 海

(1.紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興312000;2.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000)

近年來(lái)含氮污水不斷增多，氮形態(tài)變化多樣且難以處理，若處理不當(dāng)會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境污染問(wèn)題，而采用人工濕地系統(tǒng)處理含氮污水是一個(gè)不錯(cuò)的選擇[1-4].人工濕地氮去除的主要途徑包括植物吸收、基質(zhì)吸附、根區(qū)微生物的硝化與反硝化作用等[5-6]，其中以硝化與反硝化作用對(duì)氮去除的影響較大[6-7].植物屬于間接驅(qū)動(dòng)者，如植物根釋放的有機(jī)碳可以為微生物提供碳源，同時(shí)植物通過(guò)根部釋放氧氣來(lái)增強(qiáng)根區(qū)好氧微生物的活性[8-9]，促使這些好氧微生物釋放酶與激素等[10-11]，這些都可能影響根區(qū)的硝化與反硝化過(guò)程.但是在人工濕地系統(tǒng)中，在不同硝銨比條件下，不同植物對(duì)硝化與反硝化過(guò)程的影響還不是很清楚，有待進(jìn)一步研究.

當(dāng)前，環(huán)境中存在大量待處理或處理不善的含氮污水，因此研究植物多樣性對(duì)人工濕地系統(tǒng)硝化與反硝化的影響變得尤為重要.人工濕地植物多樣性的研究表明，植物多樣性可以影響生態(tài)系統(tǒng)的功能(如生物量積累、氮去除、溫室氣體釋放等)[12-16].本文通過(guò)模擬小型可控人工濕地系統(tǒng)，研究3種硝銨比對(duì)不同植物單種/混種根區(qū)的硝化和反硝化強(qiáng)度的影響，探討在不同植物組合人工濕地系統(tǒng)中硝化與反硝化過(guò)程的作用規(guī)律，從而為篩選較高硝化與反硝化強(qiáng)度的除氮植物物種和多樣性配置組合提供參考依據(jù).

1 材料和方法

1.1 樣地設(shè)計(jì)和植物配置

本研究于2017年4月初開始培育苗木(預(yù)實(shí)驗(yàn)階段)，6月中旬正式開始人工濕地氮去除模擬實(shí)驗(yàn)，9月底結(jié)束實(shí)驗(yàn).期間完成砂樣取樣、硝化與反硝化強(qiáng)度測(cè)定及人工濕地運(yùn)行管理等.

在紹興文理學(xué)院南山校區(qū)的實(shí)驗(yàn)基地中建立小型人工濕地實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并從物種庫(kù)中選擇水生美人蕉(Cannaindica)、常綠鳶尾(Iristectorum)、梭魚草(Pontederiacordata)、風(fēng)車草(Cyperusalternifolius)、再力花(Thaliadealbata)、黃菖蒲(Irispseudacorus)、菖蒲(Acoruscalamus)與水蔥(ScirpusvalidusVahl)等8種常見濕地植物作為實(shí)驗(yàn)物種，混種組合選擇生長(zhǎng)較好的10個(gè)組合(詳見表1).植物種植選擇盆栽方式，模擬小型人工濕地微環(huán)境.整個(gè)樣地長(zhǎng)20 m，寬15 m，共162個(gè)小型人工濕地系統(tǒng).每個(gè)人工濕地間隔50 cm，所有樣方填裝相同砂樣作為基質(zhì)(砂樣在樣地建立前用自來(lái)水進(jìn)行了充分沖洗，其氮含量經(jīng)測(cè)定低于檢測(cè)線，可視含量為0).濕潤(rùn)砂樣后進(jìn)行植物種植，種植完成后加入自來(lái)水至指定刻度線，水體積約為5 000 mL.每個(gè)小型人工濕地種植濕地植物8株，即單種情況下單一植物種植8株，物種混種情況下兩種植物各4株，不同物種配置設(shè)置9個(gè)重復(fù)(不同硝銨比各3次重復(fù)).本研究小型人工濕地種植的是植物幼苗而不是種子，這樣可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高植物的存活率，每個(gè)小型人工濕地在空間上隨機(jī)放置.

表1 不同植物混種組合

物種組合簡(jiǎn)寫再力花+水蔥再+水水蔥+常綠鳶尾水+鳶美人蕉+常綠鳶尾美+鳶美人蕉+梭魚草美+梭梭魚草+黃菖蒲梭+黃梭魚草+風(fēng)車草梭+風(fēng)風(fēng)車草+菖蒲風(fēng)+菖再力花+菖蒲再+菖黃菖蒲+常綠鳶尾黃+鳶菖蒲+黃菖蒲菖+黃

1.2 人工濕地運(yùn)行管理

為了避免外界降水對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)基地大棚內(nèi)進(jìn)行，由于實(shí)驗(yàn)期間氣溫較高，需每1～2天對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)水，以彌補(bǔ)水分蒸散量(澆水至初始劃定的刻度線).本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)基地的自來(lái)水進(jìn)行補(bǔ)水，該水體氮含量較低，符合實(shí)驗(yàn)用水要求.

用修正Hogland營(yíng)養(yǎng)液配制硝銨比分別為100∶0，50∶50與0∶100的模擬污水.在植物種植7天后，植物已基本適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，此時(shí)在每個(gè)樣方中添加不同硝銨比的模擬污水，每周添加1次.從6月底開始，每隔7天，取每個(gè)樣方植物根區(qū)的砂樣100 g作為檢測(cè)樣品.實(shí)驗(yàn)期間取砂樣4次.

1.3 硝化與反硝化強(qiáng)度測(cè)定

每個(gè)樣品分別稱取10 g放入標(biāo)有硝化、反硝化標(biāo)簽的250 mL錐形瓶中，分別加入25 mL硝化營(yíng)養(yǎng)液和反硝化營(yíng)養(yǎng)液，然后分別進(jìn)行140 r/min、25℃恒溫?fù)u床震蕩培養(yǎng)24 h和25℃恒溫遮光培養(yǎng)24 h.在24 h之后取出進(jìn)行硝化、反硝化強(qiáng)度的測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，具體參考鄭仁宏等人的方法[17].

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入Microsoft Excel 2007中進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算分析，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，繪制相關(guān)圖表,并用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS16.0進(jìn)行單因素方差分析(P<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 單種植物根區(qū)的硝化與反硝化強(qiáng)度

圖1 單種植物根區(qū)的硝化與反硝化強(qiáng)度

2.2 混種植物組合根區(qū)的硝化與反硝化強(qiáng)度

從圖2可以看出，植物組合的硝化強(qiáng)度在不同硝銨比條件下變化較大，在7～38 μg·kg-1·h-1范圍內(nèi)變化，表明不同硝銨比對(duì)不同植物組合的硝化強(qiáng)度具有較大影響.當(dāng)硝銨比為100∶0時(shí)，梭魚草+風(fēng)車草、風(fēng)車草+菖蒲混種組合根區(qū)的硝化強(qiáng)度相對(duì)較高，分別為36和38 μg·kg-1·h-1，比其他組合高出2～16 μg·kg-1·h-1；當(dāng)硝銨比為50∶50時(shí)，梭魚草+風(fēng)車草混種組合根區(qū)的硝化強(qiáng)度最高，為47 μg·kg-1·h-1，其他組合的硝化強(qiáng)度在9～38 μg·kg-1·h-1的范圍變化.

植物組合的反硝化強(qiáng)度在不同硝銨比條件下在282～323 μg·kg-1·h-1的范圍內(nèi)變化，波動(dòng)不大，說(shuō)明不同硝銨比對(duì)不同植物組合的反硝化強(qiáng)度影響較小，表明不同植物組合通過(guò)反硝化作用對(duì)氮素的去除差異并不顯著[20].但是，在3個(gè)硝銨比條件下各個(gè)混種組合的反硝化強(qiáng)度均高于硝化強(qiáng)度.整體上，在3個(gè)硝銨比條件下，梭魚草+風(fēng)車草混種組合根區(qū)的硝化強(qiáng)度較高.

圖2 植物組合根區(qū)的硝化與反硝化強(qiáng)度

2.3 不同硝銨比條件下單種/混種植物組合根區(qū)的平均硝化與反硝化強(qiáng)度

從圖3可見，各植物組合根區(qū)的平均硝化強(qiáng)度隨硝銨比的下降而顯著下降(P<0.05).其中，硝銨比在100∶0條件下，植物平均硝化強(qiáng)度在24～27 μg·kg-1·h-1范圍內(nèi)變化；硝銨比在50∶50條件下，植物平均硝化強(qiáng)度在18～24 μg·kg-1·h-1范圍內(nèi)變化；而硝銨比在0∶100條件下，植物平均硝化強(qiáng)度在13～14 μg·kg-1·h-1的范圍內(nèi)變化.從圖3還可見，各植物組合根區(qū)平均反硝化強(qiáng)度隨硝銨比的下降呈現(xiàn)“高—低—高”的趨勢(shì)，但整體變化較小，在289～318 μg·kg-1·h-1的范圍內(nèi)波動(dòng)，差異不顯著.各植物組合根區(qū)的平均硝化強(qiáng)度遠(yuǎn)低于平均反硝化強(qiáng)度.總體上，硝銨比在100∶0與50∶50條件下，混種植物組合根區(qū)的平均硝化強(qiáng)度顯著高于單種植物(P<0.05)，這也表明混種植物組合的植物群落凈化效能遠(yuǎn)超過(guò)單個(gè)植物[15-16,21].而硝銨比在0∶100條件下，單種與混種組合的平均硝化強(qiáng)度不存在顯著差異.

圖3 不同硝銨比條件下單種/混種植物組合根區(qū)的平均硝化與反硝化強(qiáng)度

3 結(jié)束語(yǔ)

不同硝銨比對(duì)不同植物單種或植物組合的硝化強(qiáng)度具有較大影響.其中，梭魚草、梭魚草+風(fēng)車草混種組合根區(qū)的硝化強(qiáng)度和反硝化強(qiáng)度在3個(gè)硝銨比條件下的污水中均較高.

在不同硝銨比條件的污水中，單種/混種植物組合根區(qū)的平均硝化強(qiáng)度隨硝銨比的下降而顯著下降.在硝銨比為100∶0與50∶50條件下，混種植物的組合根區(qū)平均硝化強(qiáng)度顯著高于單種植物.整體上，不同硝銨比對(duì)不同植物組合的反硝化強(qiáng)度影響較小.