模拟人工湿地中两种氮形态处理下植物多样性的氮去除效应研究

【摘要】：人工湿地是近年来发展起来的一种投资省、处理效果较好、运行维护方便的废水处理新技术。它属于一种生态治理污水的方法,可作为传统的污水处理技术的一种有效替代,对于保护水环境及生态恢复具有重要的意义,越来越受到世界各国的重视。近年来,随着污水年排放量的不断增长,人工湿地的数量也不断增长,但其净化效果仍需提升。 本研究利用微宇宙技术模拟人工湿地系统,选择了8种人工湿地常用物种并配置了1、2、4、6、8五个物种丰富度和1、2、3、4四个功能群丰富度,并采用NO3-/NH4浓度比为0/100和50/50的两种氮形态比例的营养液模拟人工湿地入水,作为系统的输入氮源。旨在研究不同植物多样性和不同氮形态处理下人工湿地的生产力、氮去除效果及人工湿地各组分对氮去除贡献率的差异,并探究造成这些差异的原因和提高人工湿地净化效率的方法。 1.纯铵处理下植物多样性对生物量无显著影响。从物种组成上看,菩提子、千屈菜的存在会使群落生物量增加,杭子梢、合萌的存在则降低系统的生物量；从功能群组成上看,C4、非豆科阔叶草植物对系统生物量有促进作用,豆科植物则相反。硝铵混合处理下植物多样性与也生物量无显著相关性,但混种系统的地下生物量则产生了超产效应。从物种组成上看,芦竹、菩提子、美人蕉的存在会使系统生物量增加,杭子梢、合萌的存在会使系统降低生物量；从功能群组成上看豆科功能群的存在也会显著降低系统生物量(P0.05)。然而,两种氮处理之间生物量无显著差异。 2.纯铵处理下,在建植30天和45天取水样进行检测时,发现植物多样性与出水氮浓度无显著相关性,而建植62天时再次检测发现植物多样性与出水氮浓度显著负相关(P0.05)。除芦苇、白茅外的其他物种和除C：植物外的其他功能群的存在均会显著降低出水氮浓度(P0.05)。硝铵混合处理下,建植35天和42天的出水样品中植物多样性与出水氮浓度无显著相关,至62天时二者呈现显著负相关性(P0.05)。芦竹、白茅、菩提子3个物种和C4、非豆科阔叶草2个功能群对这种负相关起着促进作用,而合萌则起着反作用(P0.05)。出水NH4+和TIN浓度在纯铵处理下显著低于硝铵处理系统(P0.05)。在纯铵处理下出水中NO3-.NH4+和TIN浓度均与植物生物量显著负相关,而在硝铵混合处理下仅出水N03-浓度与生物量显著负相关(P0.05)； 3.纯铵处理下基质氮积累量与植物多样性显著负相关(P0.05),芦竹、白茅、菩提子、合萌、千屈菜和C4、非豆科阔叶草功能群的存在对这种负相关起到了显著促进作用(P0.05)。硝铵混合处理下,基质中NO3-的积累量与植物多样性显著负相关,而NH4-和TIN(总无机氮,total inorganic nitrogen)的积累量与植物多样性显著正相关(P0.05)。芦竹、白茅、菩提子、千屈菜和C3、C4、非豆科阔叶草的存在使基质NO3-积累量显著降低,而芦竹、杭子梢、合萌、美人蕉、千屈菜和C3、豆科、非豆科阔叶草的存在使基质NH4-和TIN积累量显著提高(P0.05)。基质NH4+和TIN积累量在纯铵系统中显著高于硝铵混合系统(P0.05),基质NO3-积累量则在两种处理下无显著差异。纯铵处理下基质的NO3-、NH4+积累量和硝铵混合处理下基质的NO3-积累量与系统生物量负相关(P0.05)。 4.纯铵处理下,系统氮去除率随着植物多样性的增加而增加,而基质氮积累对氮去除的贡献率则随着植物多样性增加而降低(P0.05)。硝铵混合处理下,系统氮去除率与植物多样性无显著相关性,而植物吸收和基质氮积累对氮去除的贡献率则与植物多样性显著正相关(P0.05),除去植物吸收和基质氮积累以外的其他途径(包括反硝化、氨挥发和微生物氮固持等)与植物多样性显著负相关(P0.05)。氮去除率在硝铵混合系统中显著高于纯铵处理系统中(P0.05),而基质氮积累对氮去除的贡献率在硝铵混合系统中则显著低于纯铵处理系统(P0.05)。 本研究通过分析人工湿地中植物多样性与系统功能的关系,以及不同氮处理对二者关系的影响,揭示了人工湿地氮去除机理,确定了在人工湿地中配置植物多样性的重要作用,筛选出有效的物种和功能群组合,为今后通过生态结构的优化提高人工湿地净化效率提供了依据。