胡智鋒 陳愛民 裘 知 葛 瀅 常 杰 王 睿 孔令為 葛偉華 張 平 張建中

(1.浙江省環(huán)境保護科學(xué)設(shè)計研究院，浙江 杭州 310007；2.浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司，浙江 杭州 310007；3.浙江省環(huán)境保護廳，浙江 杭州 310012；4.浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058；5.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 杭州 310015)

人工濕地是一種利用自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用來實現(xiàn)污水凈化的生態(tài)工程技術(shù)，具有建造、運行費用低、管理簡便等特點[1]。相對表面流濕地和水平潛流濕地，垂直潛流濕地可實現(xiàn)更加均勻的布水和充氧，具有更好的污水凈化效果，近年來受到越來越多的關(guān)注。隨著污水排放量的不斷增長和對低成本污水凈化技術(shù)的需求，垂直潛流人工濕地的建設(shè)數(shù)量和面積也在逐年增加[2]，但從實際運行情況看，其對污染物(特別是營養(yǎng)性污染物)的凈化效果仍有待提升[3]。植物是影響濕地污染物凈化效果的關(guān)鍵因素之一[4-5]，植物多樣性能夠顯著提高濕地的生態(tài)功能，提升污染物凈化效果。因而，優(yōu)選人工濕地植物種類，配置植物多樣性，可提高人工濕地的生態(tài)功能，推進人工濕地在污水凈化方面的應(yīng)用[6-10]。本研究以氨氮作為輸入的唯一氮源，分析不同植物種類和多樣性對濕地脫氮效果的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

模擬垂直潛流人工濕地(以下簡稱濕地)建于浙江某高校內(nèi)，由9個長50 cm、寬35 cm、深20 cm的長方體水槽構(gòu)建而成，每個水槽為1個獨立的濕地單元。在每個單元內(nèi)部填充厚14 cm、粒徑2～4 mm的石英砂，作為濕地基質(zhì)。挑選2種本地常見的濕地植物：水燭(Typhaangustifolia)和菩提子(Coixlacryma-jobi)，按照每種植物單種和兩種植物混種的植物多樣性配置方式在濕地單元中種植，每種植物多樣性配置方式設(shè)置3個重復(fù)。每種植物單種時，每個濕地單元內(nèi)等間距種植8株植物。兩種植物混種時，按照植物種類平均分配株數(shù)，在每個濕地單元內(nèi)隨機種植。實驗過程中，盡量保持每個濕地單元的外部環(huán)境一致。

1.2 實驗管理

在植物生長期間，每天對各個濕地單元進行1次清水灌溉，使?jié)竦貑卧幱谥芷谛匝退溲鯛顟B(tài)，有利于硝化菌和反硝化菌的活動，以提高濕地的脫氮效果。水從濕地單元的表面各處均勻灌入，使其在垂直方向上均勻下滲。以霍格蘭氏營養(yǎng)液為基礎(chǔ)，配制高濃度氨氮營養(yǎng)液(該營養(yǎng)液的氨氮濃度為霍格蘭氏營養(yǎng)液的7倍)作為輸入濕地單元的模擬污水。模擬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，乙二胺四乙酸鐵鈉(EDTA-Fe)7.64 mg/L。

實驗期間每周添加1次模擬污水，實驗進行了7周，總共添加了7次模擬污水，每個濕地單元的總氮輸入量為5 488 mg，相當(dāng)于31.36 g/m2。實驗從4月底開始，到7月初結(jié)束，分別在實驗前期(第1天至第25天)、實驗中期(第26天至第35天)和實驗后期(第36天至第55天)將濕地單元內(nèi)的水排凈，并從排出的水中采集水樣進行分析。在實驗前期和實驗中期，濕地運行時間較短，還不夠穩(wěn)定，水樣的分析結(jié)果尚不能準(zhǔn)確反映出水水質(zhì)。而在實驗后期，植物已經(jīng)處于穩(wěn)定生長期，因此將實驗后期采集的水樣視為濕地正常運行時的出水，并以氨氮、硝態(tài)氮等濃度作為評價指標(biāo)，以此分析出水氮濃度與植物種類及多樣性的相關(guān)關(guān)系。在水樣采集完畢后收獲全部植物，將每個濕地單元中的植物連根拔起，按植物種類分類收集，用水沖洗植物根部，然后將植物按根、莖、葉分割，放入65 ℃烘箱中烘干至恒量，稱量記錄每株植物各部分的干質(zhì)量。各濕地單元中的植物總干質(zhì)量作為該濕地單元的植物總生物量。

植物根、莖、葉各部分樣品經(jīng)微型研磨儀(FRITSCH Pulverisette 23，德國)研磨成粉后，用同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用元素分析儀(Thermo Scientific Flash HT 2000，德國)測定植物各部分的氮積累量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析。在不同植物種類和多樣性下，對出水氨氮、硝態(tài)氮、總無機氮(TIN)濃度以及硝態(tài)氮和氨氮質(zhì)量比(簡稱硝態(tài)氮∶氨氮)的差異進行單因素方差分析，顯著性水平α設(shè)為0.05。此外，將出水氨氮、硝態(tài)氮、TIN濃度以及硝態(tài)氮∶氨氮分別與植物總生物量進行線性擬合，植物各部分氮積累量與其生物量也進行線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 單種與混種時的出水氮濃度

在水燭和菩提子分別單種情況下，出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度如圖1所示。從圖1可以看出，水燭單種時，出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度分別為235.41、32.12、267.53 mg/L；菩提子單種時，出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度分別為72.34、13.80、86.14 mg/L。菩提子單種時出水氮濃度均明顯低于水燭單種。

濕地系統(tǒng)中，植物根系常形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能向根區(qū)傳輸約90%(體積分?jǐn)?shù))的氧，有利于根區(qū)形成好氧環(huán)境，刺激硝化菌的生長。而在植物未伸展到的區(qū)域，由于微生物的呼吸作用形成缺氧環(huán)境。好氧環(huán)境與缺氧環(huán)境的共同存在，為根區(qū)硝化菌和反硝化的生長代謝提供了適宜條件，另外，植物也能吸收根區(qū)的無機氮作為生長所需的營養(yǎng)。因此，濕地脫氮主要依靠微生物的硝化—反硝化作用和植物吸收。由于植物生長過程中多偏向吸收硝態(tài)氮，且氨氮的脫除需經(jīng)歷硝化作用[11-12]。因此，菩提子單種的脫氮效果高于水燭單種，可能是由于菩提子單種更有利于濕地單元的硝化作用，從而能提供更多的硝態(tài)氮以促進植物對氮的吸收和微生物的反硝化作用，進而提高脫氮效果。此外，菩提子根系發(fā)達，且偏好垂直向下生長，在垂直潛流濕地中可更好地發(fā)揮輸氧作用，這可能也是菩提子單種相比水燭單種具有更好脫氮效果的原因之一。

由圖1還可看出，水燭與菩提子混種時，出水硝態(tài)氮和TIN質(zhì)量濃度最低，分別為55.60、80.50 mg/L，但與菩提子單種差異不顯著(P>0.05)；水燭與菩提子混種時和菩提子單種時，出水硝態(tài)氮、TIN濃度均顯著低于水燭單種(P<0.05)。

多植物混種時，可以相互補充濕地對污染物的不同處理功能，有利于實現(xiàn)濕地的完全或半完全自我循環(huán)，對污染物的凈化效率更高，凈化效果也更穩(wěn)定；但不同植物之間也可能存在競爭關(guān)系，一方面是對陽光、水、營養(yǎng)物質(zhì)等資源的競爭，另一方面是不同植物通過釋放化學(xué)抑制物質(zhì)，影響周圍其他植物的生長和污染物凈化功能的發(fā)揮[13]。從水燭與菩提子混種的結(jié)果來看，兩者的相互影響是有益的，提高了濕地的硝化能力和脫氮效果。但不同的植物多樣性配置下，水燭和菩提子混種時出水氨氮濃度及硝態(tài)氮∶氨氮與水燭單種或菩提子單種時差異不顯著(P>0.05)。

2.2 出水氮濃度與植物總生物量的關(guān)系

濕地的出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度及硝態(tài)氮∶氨氮與植物總生物量之間的關(guān)系如圖2所示。

出水硝態(tài)氮和TIN濃度與植物總生物量顯著相關(guān)，隨植物總生物量增加，出水硝態(tài)氮、TIN質(zhì)量濃度顯著降低。而出水氨氮濃度和硝態(tài)氮∶氨氮與植物總生物量呈離散分布，沒有顯著相關(guān)性，這可能與植物偏向吸收硝態(tài)氮有直接關(guān)系。

2.3 植物各部分氮積累量與生物量的關(guān)系

植物地上氮積累量、地下氮積累量和總氮積累量分別與植物地上生物量、地下生物量和總生物量的關(guān)系如圖3所示。植物各部分的氮積累量均與其生物量呈顯著相關(guān)，且隨著生物量的增加，氮積累量也相應(yīng)增加。結(jié)果表明，植物生物量在濕地的脫氮中起重要作用，可通過收割植物不斷移除濕地中的氮。

3 討 論

植物是濕地不可或缺的組成部分，是濕地發(fā)揮凈化作用的主要因素之一。特別是在脫氮方面，植物對氮的直接吸收和促進濕地硝化—反硝化過程是濕地脫氮的重要途徑。

不同植物對濕地脫氮效果的影響并不相同，具有發(fā)達根系和強大根區(qū)輸氧能力的植物對濕地的脫氮效果具有更明顯的促進作用。這可能是菩提子單種時濕地脫氮效果優(yōu)于水燭單種的原因之一。

圖1 單種和混種時的出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度和硝態(tài)氮∶氨氮

圖2 出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度及硝態(tài)氮∶氨氮與植物總生物量的關(guān)系

圖3 植物各部分氮積累量與生物量的關(guān)系

植物根區(qū)由于存在輸氧過程，可形成好氧環(huán)境，促進氨氮的硝化，為植物吸收和反硝化脫氮提供條件。相比單種，混種可能會引起根區(qū)微生物活性的增強，促進硝化作用和反硝化作用，進而提高濕地的脫氮效果。水燭與菩提子混種時，出水硝態(tài)氮和TIN濃度低于水燭或菩提子單種，證實了提高植物多樣性能提升濕地的脫氮效果。

本研究還發(fā)現(xiàn)，出水硝態(tài)氮、TIN濃度與植物總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)，且植物各部分氮積累量與其生物量呈顯著正相關(guān)。植物對濕地脫氮效果的影響不但依賴于植物多樣性，可能也與植物生物量有關(guān)。本研究在5—7月進行，植物處于快速生長期，生物量增長較快，對氮的吸收也相對較大，在濕地中通過收割植物可以加強濕地的脫氮效果。因此，在人工濕地設(shè)計、建造過程中引入高產(chǎn)植物非常必要。

4 結(jié) 論

(1) 菩提子單種時，出水氮濃度均明顯低于水燭單種。菩提子單種時，出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度分別為72.34、13.80、86.14 mg/L；水燭單種時，出水硝態(tài)氮、氨氮、TIN質(zhì)量濃度分別為235.41、32.12、267.53 mg/L。相比水燭，菩提子更有利于濕地脫氮。

(2) 水燭與菩提子混種時，出水比菩提子或水燭單種具有更低的硝態(tài)氮和TIN，硝態(tài)氮和TIN質(zhì)量濃度分別為55.60、80.50 mg/L。加強植物多樣性可提高濕地的脫氮效果。

(3) 出水硝態(tài)氮、TIN濃度與植物總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)，植物各部分氮積累量與其生物量呈顯著正相關(guān)。植物生物量在濕地的脫氮中起重要作用，可通過收割植物提高濕地的脫氮效果。

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