譚麗亞 徐若琳 胡 忻 陽檸燦 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)會造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境污染問題，而采用人工濕地系統(tǒng)處理含氮污水是一個不錯的選擇[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氮去除的影響較大[6-7].植物屬于間接驅(qū)動者，如植物根釋放的有機碳可以為微生物提供碳源，同時植物通過根部釋放氧氣來增強根區(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，不同植物對硝化與反硝化過程的影響還不是很清楚，有待進一步研究.

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].本文通過模擬小型可控人工濕地系統(tǒng)，研究3種硝銨比對不同植物單種/混種根區(qū)的硝化和反硝化強度的影響，探討在不同植物組合人工濕地系統(tǒng)中硝化與反硝化過程的作用規(guī)律，從而為篩選較高硝化與反硝化強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)計和植物配置

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

在紹興文理學(xué)院南山校區(qū)的實驗基地中建立小型人工濕地實驗系統(tǒng)，并從物種庫中選擇水生美人蕉(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驗物種，混種組合選擇生長較好的10個組合(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.整個樣地長20 m，寬15 m，共162個小型人工濕地系統(tǒng).每個人工濕地間隔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水進行了充分沖洗，其氮含量經(jīng)測定低于檢測線，可視含量為0).濕潤砂樣后進行植物種植，種植完成后加入自來水至指定刻度線，水體積約為5 000 mL.每個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，這樣可以縮短實驗時間，提高植物的存活率，每個小型人工濕地在空間上隨機放置.

表1 不同植物混種組合

物種組合簡寫再力花+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 人工濕地運行管理

為了避免外界降水對實驗的影響，本實驗在實驗基地大棚內(nèi)進行，由于實驗期間氣溫較高，需每1～2天對植物進行補水，以彌補水分蒸散量(澆水至初始劃定的刻度線).本實驗采用實驗基地的自來水進行補水，該水體氮含量較低，符合實驗用水要求.

用修正Hogland營養(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)實驗環(huán)境，此時在每個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，取每個樣方植物根區(qū)的砂樣100 g作為檢測樣品.實驗期間取砂樣4次.

1.3 硝化與反硝化強度測定

每個樣品分別稱取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硝化營養(yǎng)液和反硝化營養(yǎng)液，然后分別進行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之后取出進行硝化、反硝化強度的測定，每個樣品重復(fù)測定3次，具體參考鄭仁宏等人的方法[17].

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗所測得的數(shù)據(jù)輸入Microsoft Excel 2007中進行簡單的計算分析，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)計軟件SPSS16.0進行單因素方差分析(P<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 單種植物根區(qū)的硝化與反硝化強度

圖1 單種植物根區(qū)的硝化與反硝化強度

2.2 混種植物組合根區(qū)的硝化與反硝化強度

從圖2可以看出，植物組合的硝化強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，表明不同硝銨比對不同植物組合的硝化強度具有較大影響.當(dāng)硝銨比為100∶0時，梭魚草+風(fēng)車草、風(fēng)車草+菖蒲混種組合根區(qū)的硝化強度相對較高，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，梭魚草+風(fēng)車草混種組合根區(qū)的硝化強度最高，為47 μg·kg-1·h-1，其他組合的硝化強度在9～38 μg·kg-1·h-1的范圍變化.

植物組合的反硝化強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，波動不大，說明不同硝銨比對不同植物組合的反硝化強度影響較小，表明不同植物組合通過反硝化作用對氮素的去除差異并不顯著[20].但是，在3個硝銨比條件下各個混種組合的反硝化強度均高于硝化強度.整體上，在3個硝銨比條件下，梭魚草+風(fēng)車草混種組合根區(qū)的硝化強度較高.

圖2 植物組合根區(qū)的硝化與反硝化強度

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度

從圖3可見，各植物組合根區(qū)的平均硝化強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)平均反硝化強度隨硝銨比的下降呈現(xiàn)“高—低—高”的趨勢，但整體變化較小，在289～318 μg·kg-1·h-1的范圍內(nèi)波動，差異不顯著.各植物組合根區(qū)的平均硝化強度遠(yuǎn)低于平均反硝化強度.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)超過單個植物[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度

3 結(jié)束語

不同硝銨比對不同植物單種或植物組合的硝化強度具有較大影響.其中，梭魚草、梭魚草+風(fēng)車草混種組合根區(qū)的硝化強度和反硝化強度在3個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)平均硝化強度顯著高于單種植物.整體上，不同硝銨比對不同植物組合的反硝化強度影響較小.