三峽庫(kù)區(qū)消落帶狗牙根和牛鞭草人工濕地對(duì)總氮的去除效應(yīng)

劉 曦,陳芳清,楊 丹,張愛(ài)英,熊高明

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002;2.中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4.石河子大學(xué),新疆石河子 832003)

三峽庫(kù)區(qū)消落帶狗牙根和牛鞭草人工濕地對(duì)總氮的去除效應(yīng)

劉 曦1,2,陳芳清1,楊 丹2,3,張愛(ài)英2,3,熊高明2,4*

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002;2.中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4.石河子大學(xué),新疆石河子 832003)

三峽庫(kù)區(qū)消落帶形成后帶來(lái)諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，研究表明采用多年生草本狗牙根和牛鞭草構(gòu)建消落帶人工濕地生態(tài)系統(tǒng)可有效應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，但目前仍未有研究報(bào)道這兩種人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的含氮污水的總氮去除效應(yīng)。筆者研究了以這兩個(gè)種為優(yōu)勢(shì)種的人工濕地對(duì)不同濃度含氮污水的季節(jié)性消減效果。研究結(jié)果表明，以狗牙根和牛鞭草為優(yōu)勢(shì)物種的人工濕地比未進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的空白對(duì)照，在總氮去除能力方面顯著要高，牛鞭草和狗牙根的總氮去除率分別為57.4%和42.4%，而對(duì)照總氮去除率則為負(fù)值(-22.4%)，三者之間差異顯著。狗牙根和牛鞭草對(duì)污水氮的去除能力受到生長(zhǎng)期和入水污水的氮濃度的顯著影響，生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)末期對(duì)氮的去除能力要低于生長(zhǎng)旺期；相對(duì)而言狗牙根對(duì)中氮污水的去氮能力要高于高氮污水，而牛鞭草對(duì)高氮污水的去氮能力要高于中氮污水。該研究表明在三峽庫(kù)區(qū)消落帶，采用適宜物種構(gòu)建人工濕地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，對(duì)于截留、吸收庫(kù)區(qū)屏障帶進(jìn)入消落帶生態(tài)系統(tǒng)的含氮污水具有重要的生態(tài)效益，是防治三峽庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化的有效途徑。

三峽庫(kù)區(qū)；消落帶；人工濕地；氮去除；狗牙根；牛鞭草

三峽工程正式運(yùn)行后,水位逐漸從原先的海拔62 m上升到2008年的175 m,形成了岸線(xiàn)長(zhǎng)5 578 km、面積達(dá)34 900 km2的消落帶。消落帶是人工水庫(kù)水位、河水(溪流)與陸地交界處的兩邊，直至河水影響消失為止的區(qū)域。消落帶是水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)交替控制的過(guò)渡地帶，在生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)美學(xué)方面都具有非常重要的功能。三峽庫(kù)區(qū)消落帶形成后，由于不能忍耐長(zhǎng)期冬季水淹脅迫，庫(kù)區(qū)消落帶原有植物大量消失，消落帶生境受到反復(fù)淹水浪涌侵蝕，逐漸凸顯了許多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱、消落帶截污減污功能降低、消落帶土壤侵蝕嚴(yán)重以及景觀(guān)惡化等。這些生態(tài)學(xué)問(wèn)題對(duì)水庫(kù)水環(huán)境安全具有潛在威脅作用，迫切需要采取解決措施。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家科研單位積極開(kāi)展了消落帶生態(tài)修復(fù)的理論和試踐研究。在物種優(yōu)選研究這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，多個(gè)野外群落學(xué)調(diào)查、模擬淹水試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，狗牙根(Cynodondactylon)和牛鞭草(Hemarthriaaltissima)非常適應(yīng)消落帶環(huán)境，是生態(tài)修復(fù)的適宜物種，對(duì)于維系消落帶生物多樣性水平、穩(wěn)定消落帶生態(tài)系統(tǒng)和降低消落帶土壤侵蝕程度具有顯著效果[1-2]。然而，目前缺少對(duì)兩個(gè)物種在生態(tài)環(huán)境效益方面作用的研究報(bào)道。三峽庫(kù)區(qū)消落帶是庫(kù)區(qū)污水進(jìn)入水庫(kù)的最后一道屏障，濕地植物去除氮被認(rèn)為是消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)效益之一[3-5]。因此，研究這兩個(gè)物種對(duì)污水氮的去除效益無(wú)疑具有重要意義。該研究以狗牙根和牛鞭草為研究對(duì)象，研究了兩個(gè)物種對(duì)不同濃度含氮污水的季節(jié)性消減效果差異，為三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造及運(yùn)行條件采用半模擬的垂直流人工濕地系統(tǒng)，系統(tǒng)搭建在重慶忠縣石寶寨共和村。采用體積為0.035 m3(0.5 m長(zhǎng)×0.35 m寬×0.2 m高)的塑料盆為容器，基質(zhì)采用海拔165 m的消落帶原生土。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。塑料盆以10°左右的角度擱置在支架上，以模擬庫(kù)區(qū)消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)分布的坡度。垂直流人工濕地試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

系統(tǒng)進(jìn)水采用間歇式，污水從系統(tǒng)頂部灌入。間歇式進(jìn)水可以使得濕地土壤交替出現(xiàn)好氧和厭氧環(huán)境，有利于濕地中的硝化反硝化耦合作用進(jìn)行，且便于較低水力負(fù)荷時(shí)的布水均勻，充分地利用濕地表面和體積。日間每12 h進(jìn)水1次，水力負(fù)荷為0.055 5 t/(m3·d)。系統(tǒng)進(jìn)水根據(jù)《國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，配置輕(Light，1 mg/L，Ⅰ 類(lèi)水質(zhì))、中(Middle，2 mg/L，Ⅴ類(lèi)水質(zhì))、重(Heavy，5 mg/L，>Ⅴ類(lèi)水質(zhì))3種氮濃度的污水。污水為自配(其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮比例為4∶1)，相應(yīng)磷濃度為0.05、0.10和0.50 mg/L，相應(yīng)COD濃度為38.38、32.32、42.42 mg/L[6-9]。

狗牙根(C)、牛鞭草(H)于2014年4月播種，待自然生長(zhǎng)1個(gè)月后，開(kāi)始進(jìn)行污水處理。生長(zhǎng)旺期(8月)調(diào)查的狗牙根和牛鞭草兩個(gè)種的個(gè)體密度分別為2 600和3 600株/m2。與此同時(shí)設(shè)置了對(duì)照處理，對(duì)照處理下消落帶土壤基質(zhì)上自然生長(zhǎng)著一些一年生草本如蒼耳(Xanthiumsibiricum)和稗子(Echinochloacrusgalli)等。

1.2 測(cè)定時(shí)間及水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定根據(jù)兩個(gè)物種生長(zhǎng)狀況，選擇2014年6月(生長(zhǎng)初期)、8月(生長(zhǎng)旺期)和10月(生長(zhǎng)末期)對(duì)入水和出水水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。濕地系統(tǒng)處理污水前后的總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等理化參數(shù)按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》進(jìn)行測(cè)定。水樣加硫酸使pH≤2，保存在4 ℃以下，在24 h 內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。采用連續(xù)流動(dòng)分析儀AA3測(cè)定全氮、硝氮、氨氮指標(biāo)，單位均是mg/L。入水部分水質(zhì)參數(shù)當(dāng)場(chǎng)用EXO1多參數(shù)水質(zhì)儀測(cè)定，分別是溫度/電導(dǎo)率(Temp/Cond)、光學(xué)溶解氧(ODO)、酸堿度/氧化還原電位(pH/ORP)、濁度(Turbidity)，見(jiàn)表1。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法各處理在總氮去除率之間的差異采用帶交互作用的三因素方差分析方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用LSD進(jìn)行處理間多重比較分析，所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS13.0 統(tǒng)計(jì)軟件包(SPSS13.0 for Windows)來(lái)完成。

表1 試驗(yàn)用生活污水水質(zhì)

2 結(jié)果與分析

平均而言，牛鞭草的總氮去除率為57.4%，狗牙根的總氮去除率為42.4%，而對(duì)照總氮去除率則為負(fù)值(-22.4%)。三者之間差異顯著(P<0.001，表2)，牛鞭草對(duì)總氮的去除率要略高于狗牙根(P<0.05)。不同生長(zhǎng)期總氮去除率出現(xiàn)明顯動(dòng)態(tài)變化，圖2是狗牙根、牛鞭草及對(duì)照在不同生長(zhǎng)期對(duì)不同氮濃度污水的總氮去除趨勢(shì)。在生長(zhǎng)初期(6月)，兩個(gè)種總氮去除率要顯著低于生長(zhǎng)旺期和生長(zhǎng)末期(P<0.001，表2)，而生長(zhǎng)旺期總氮去除率高于生長(zhǎng)末期。不同氮濃度污水的總氮去除率有顯著差異(P<0.001，表2)，兩個(gè)種對(duì)中度和重度污染的水具有較高的總氮去除率，如在8月，狗牙根對(duì)中度和重度污染的水的總氮去除率分別為74.5%和62.6%，而對(duì)輕度污染的水的總氮去除率為60.3%(P<0.05)。

此外，無(wú)論是種和污水含氮濃度(S×T)，種和取樣時(shí)間(S×D)，還是污水含氮濃度與取樣時(shí)間(T×D)之間都存在顯著的交互作用(P值均<0.01，表2)，而三者的交互作用沒(méi)有顯著效應(yīng)。種和污水含氮濃度交互作用顯著說(shuō)明牛鞭草和狗牙根對(duì)總氮的去除能力取決于入水水體污染水平。從圖2可知，狗牙根對(duì)中氮污水的總氮去除率要高于牛鞭草，而牛鞭草對(duì)高氮污水的總氮去除率要高于狗牙根。而S以及T的顯著交互效應(yīng)可能主要由于對(duì)照在生長(zhǎng)旺期(8月)和生長(zhǎng)末期(10月)差異不顯著導(dǎo)致(圖2)。

表2 物種、污水含氮濃度和取樣時(shí)間對(duì)總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮去除率影響的方差分析

項(xiàng)目自由度dfF值P值物種S2172.72<0.001污水含氮濃度T261.81<0.001取樣時(shí)間D269.23<0.001S×T44.470.003S×D412.13<0.001T×D411.91<0.001S×T×D81.810.090

3 結(jié)論與討論

該研究表明，三峽庫(kù)區(qū)消落帶以狗牙根和牛鞭草為優(yōu)勢(shì)物種的人工濕地比未進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的空白對(duì)照，在總氮去除能力方面顯著要高。狗牙根和牛鞭草對(duì)總氮的去除能力受到生長(zhǎng)期和入水污水的氮濃度的顯著影響。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮的吸收截留能力與濕地植物密不可分。事實(shí)上，狗牙根和牛鞭草濕地系統(tǒng)可以通過(guò)以下一些與濕地植物相關(guān)的機(jī)制提高系統(tǒng)對(duì)氮的截留能力：①通過(guò)蒸騰或主動(dòng)吸收方式吸收氮素用于個(gè)體生長(zhǎng)；②通過(guò)生物量的分解為硝化反硝化細(xì)菌提供重要碳源；③通過(guò)地下根系分布，物理阻擋截留流入污水的氮素化合物，增加水力駐留時(shí)間，提高系統(tǒng)對(duì)氮的吸收截留能力；④通過(guò)地下根系建立適合的好氧-厭氧微環(huán)境梯度，為硝化反硝化細(xì)菌提供適宜環(huán)境，促進(jìn)硝化-反硝化耦合反應(yīng)的進(jìn)行[10-14]。

兩個(gè)物種對(duì)氮的去除能力明顯受到生長(zhǎng)期的調(diào)節(jié)，總體而言，生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)末期對(duì)氮的去除能力要低于生長(zhǎng)旺期。在8月，植物生長(zhǎng)旺盛，對(duì)土壤氮素的需求增強(qiáng)，這可能是生長(zhǎng)旺期對(duì)氮的去除效率高的原因之一。此外，生長(zhǎng)旺期環(huán)境溫度較高，微生物的新陳代謝以及相應(yīng)的有氧呼吸速率增強(qiáng)，可能增加了土壤厭氧區(qū)范圍，有利于硝化反硝化耦合作用的進(jìn)行。生長(zhǎng)末期種有狗牙根和牛鞭草的人工濕地總氮去除能力出現(xiàn)明顯下降，這與生長(zhǎng)末期部分植物生物量凋亡將一些吸收截留的氮素重新釋放到土壤中相關(guān)[15-17]。

兩個(gè)物種對(duì)氮的去除能力也受到進(jìn)入系統(tǒng)的污水含氮水平的影響。相對(duì)而言，狗牙根對(duì)中氮污水的去氮能力要高于高氮污水，而牛鞭草對(duì)高氮污水的去氮能力要高于中氮污水?？赡茉蚴莾蓚€(gè)種的生長(zhǎng)對(duì)土壤氮素的需求不一樣所導(dǎo)致的。研究表明，土壤過(guò)量氮素對(duì)植物生長(zhǎng)有明顯抑制作用[18]，從而降低了濕地植物對(duì)氮的吸收截留能力。此外，過(guò)高氮量也會(huì)導(dǎo)致植物個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng)加劇，大量植株個(gè)體和底部葉片衰亡，從而增加了進(jìn)入濕地系統(tǒng)的氮含量，導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮的吸收截留能力下降。無(wú)論是狗牙根、牛鞭草還是對(duì)照對(duì)低氮污水的去除率都比較低，可能說(shuō)明低氮污水進(jìn)入濕地系統(tǒng)后，其陰陽(yáng)離子對(duì)土壤顆粒物理吸附的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮進(jìn)行了交換，將土壤固持的氮素解吸釋放到水體中，降低了濕地系統(tǒng)對(duì)氮的吸收截留效益。

消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮素的吸收截留效益，除了筆者所研究的因素以外，還與系統(tǒng)的水力停留時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、坡度坡向、土壤基質(zhì)、污水理化性質(zhì)等物理因素；濕地系統(tǒng)植物的種植密度、物種組成等生物因素；刈割等管理因素相關(guān)，仍需要進(jìn)一步的深入研究。但至少該研究的結(jié)果表明，在三峽庫(kù)區(qū)消落帶，采用適宜物種進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，對(duì)于截留、吸收庫(kù)區(qū)屏障帶進(jìn)入消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的生活和生產(chǎn)污水的氮素具有重要的生態(tài)效益，是防治三峽庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化的有效途徑[19-20]。

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The Removal Efficiency ofCynodondactylonandHemarthriaaltissimaWetlands in the Riparian of Three Gorges Reservoir to Total Nitrogen

LIU Xi1,2,CHEN Fang-qing1,YANG Dan2.3,XIONG Gao-ming2,4*et al

(1.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area,Yichang,Hubei 443002;2.State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change,Institute of Botany,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100093; 3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049; 4.Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003)

The water-level fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir are facing a number of ecological problems after formed,many studies have shown that construction of wetlands with perennials such asCynodondactylonandHemarthriaaltissima, can efficiently deal with these issues.However,currently there are no reports regarding the nitrogen removal efficiency by these wetlands.In the present study,how species composition,growth status were investigated,as well as nitrogen concentration of influx sewage,affectedthe nitrogen removal efficiency of constructed wetland.Results showed thatC.dactylonandH.altissimawetlands had significantly higher total nitrogen removal rate (57.4% forC.dactylon,42.4% forH.altissima) than wetland without perennials(blank,-22.4%).Growth stage and nitrogen concentration of influx sewage significantly affected the ability of wetlands to remove nitrogen.Constructed wetlands withC.dactylonandH.altissimacan reach peak in nitrogen removal efficiency during the growth period.C.dactylonwetland have higher nitrogen removal rate on sewage with moderate nitrogen concentration than high nitrogen concentration,whileH.altissimawetland was the opposite.The present study demonstrated that construction of wetland withC.dactylonandH.altissimacould efficiently intercept and store excessive nitrogen input from upland,and was an efficient way to alleviate eutrophication of water body in the Three Gorges Reservoir area.

Three Gorges Reservoir；Water-level fluctuation zone；Constructed wetland；Nitrogen removal;Cynodondactylon;Hemarthriaaltissima

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3-09-02)。

劉曦(1989- )，女，湖北孝感人，碩士研究生，研究方向：濕地生態(tài)學(xué)。*通訊作者，助理研究員，在讀博士，從事受威脅植物種群保護(hù)和復(fù)壯研究。

2015-04-01

S 181.3

A

0517-6611(2015)13-210-03