劉 曦,陳芳清,楊 丹,張愛英,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.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4.石河子大學(xué),新疆石河子 832003)

三峽庫區(qū)消落帶狗牙根和牛鞭草人工濕地對總氮的去除效應(yīng)

劉 曦1,2,陳芳清1,楊 丹2,3,張愛英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.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;4.石河子大學(xué),新疆石河子 832003)

三峽庫區(qū)消落帶形成后帶來諸多生態(tài)環(huán)境問題，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)對這些問題，但目前仍未有研究報道這兩種人工濕地生態(tài)系統(tǒng)對進入系統(tǒng)的含氮污水的總氮去除效應(yīng)。筆者研究了以這兩個種為優(yōu)勢種的人工濕地對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)勢物種的人工濕地比未進行生態(tài)修復(fù)的空白對照，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。狗牙根和牛鞭草對污水氮的去除能力受到生長期和入水污水的氮濃度的顯著影響，生長初期和生長末期對氮的去除能力要低于生長旺期；相對而言狗牙根對中氮污水的去氮能力要高于高氮污水，而牛鞭草對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區(qū)消落帶，采用適宜物種構(gòu)建人工濕地進行生態(tài)修復(fù)，對于截留、吸收庫區(qū)屏障帶進入消落帶生態(tài)系統(tǒng)的含氮污水具有重要的生態(tài)效益，是防治三峽庫區(qū)水體富營養(yǎng)化的有效途徑。

三峽庫區(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,形成了岸線長5 578 km、面積達34 900 km2的消落帶。消落帶是人工水庫水位、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)交替控制的過渡地帶，在生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟美學(xué)方面都具有非常重要的功能。三峽庫區(qū)消落帶形成后，由于不能忍耐長期冬季水淹脅迫，庫區(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)重以及景觀惡化等。這些生態(tài)學(xué)問題對水庫水環(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，國內(nèi)多家科研單位積極開展了消落帶生態(tài)修復(fù)的理論和試踐研究。在物種優(yōu)選研究這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，多個野外群落學(xué)調(diào)查、模擬淹水試驗研究發(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，目前缺少對兩個物種在生態(tài)環(huán)境效益方面作用的研究報道。三峽庫區(qū)消落帶是庫區(qū)污水進入水庫的最后一道屏障，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，研究這兩個物種對污水氮的去除效益無疑具有重要意義。該研究以狗牙根和牛鞭草為研究對象，研究了兩個物種對不同濃度含氮污水的季節(jié)性消減效果差異，為三峽庫區(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×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。采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，每個處理3個重復(fù)。塑料盆以10°左右的角度擱置在支架上，以模擬庫區(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系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

系統(tǒng)進水采用間歇式，污水從系統(tǒng)頂部灌入。間歇式進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行，且便于較低水力負(fù)荷時的布水均勻，充分地利用濕地表面和體積。日間每12 h進水1次，水力負(fù)荷為0.055 5 t/(m3·d)。系統(tǒng)進水根據(jù)《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，配置輕(Light，1 mg/L，Ⅰ 類水質(zhì))、中(Middle，2 mg/L，Ⅴ類水質(zhì))、重(Heavy，5 mg/L，>Ⅴ類水質(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1個月后，開始進行污水處理。生長旺期(8月)調(diào)查的狗牙根和牛鞭草兩個種的個體密度分別為2 600和3 600株/m2。與此同時設(shè)置了對照處理，對照處理下消落帶土壤基質(zhì)上自然生長著一些一年生草本如蒼耳(Xanthiumsibiricum)和稗子(Echinochloacrusgalli)等。

1.2 測定時間及水質(zhì)指標(biāo)的測定根據(jù)兩個物種生長狀況，選擇2014年6月(生長初期)、8月(生長旺期)和10月(生長末期)對入水和出水水質(zhì)進行測定。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)測分析方法(第四版)》進行測定。水樣加硫酸使pH≤2，保存在4 ℃以下，在24 h 內(nèi)進行測定。采用連續(xù)流動分析儀AA3測定全氮、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)場用EXO1多參數(shù)水質(zhì)儀測定，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)，見表1。

1.3 統(tǒng)計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行顯著性檢驗，采用LSD進行處理間多重比較分析，所有統(tǒng)計分析均采用SPSS13.0 統(tǒng)計軟件包(SPSS13.0 for Windows)來完成。

表1 試驗用生活污水水質(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)，牛鞭草對總氮的去除率要略高于狗牙根(P<0.05)。不同生長期總氮去除率出現(xiàn)明顯動態(tài)變化，圖2是狗牙根、牛鞭草及對照在不同生長期對不同氮濃度污水的總氮去除趨勢。在生長初期(6月)，兩個種總氮去除率要顯著低于生長旺期和生長末期(P<0.001，表2)，而生長旺期總氮去除率高于生長末期。不同氮濃度污水的總氮去除率有顯著差異(P<0.001，表2)，兩個種對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%，而對輕度污染的水的總氮去除率為60.3%(P<0.05)。

此外，無論是種和污水含氮濃度(S×T)，種和取樣時間(S×D)，還是污水含氮濃度與取樣時間(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有顯著效應(yīng)。種和污水含氮濃度交互作用顯著說明牛鞭草和狗牙根對總氮的去除能力取決于入水水體污染水平。從圖2可知，狗牙根對中氮污水的總氮去除率要高于牛鞭草，而牛鞭草對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)可能主要由于對照在生長旺期(8月)和生長末期(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間對總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮去除率影響的方差分析

項目自由度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，三峽庫區(qū)消落帶以狗牙根和牛鞭草為優(yōu)勢物種的人工濕地比未進行生態(tài)修復(fù)的空白對照，在總氮去除能力方面顯著要高。狗牙根和牛鞭草對總氮的去除能力受到生長期和入水污水的氮濃度的顯著影響。

國內(nèi)外相關(guān)研究表明，濕地生態(tài)系統(tǒng)對氮的吸收截留能力與濕地植物密不可分。事實上，狗牙根和牛鞭草濕地系統(tǒng)可以通過以下一些與濕地植物相關(guān)的機制提高系統(tǒng)對氮的截留能力：①通過蒸騰或主動吸收方式吸收氮素用于個體生長；②通過生物量的分解為硝化反硝化細(xì)菌提供重要碳源；③通過地下根系分布，物理阻擋截留流入污水的氮素化合物，增加水力駐留時間，提高系統(tǒng)對氮的吸收截留能力；④通過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，促進硝化-反硝化耦合反應(yīng)的進行[10-14]。

兩個物種對氮的去除能力明顯受到生長期的調(diào)節(jié)，總體而言，生長初期和生長末期對氮的去除能力要低于生長旺期。在8月，植物生長旺盛，對土壤氮素的需求增強，這可能是生長旺期對氮的去除效率高的原因之一。此外，生長旺期環(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，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行。生長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]。

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

消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)對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)的水力停留時間、運行時間、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)，仍需要進一步的深入研究。但至少該研究的結(jié)果表明，在三峽庫區(qū)消落帶，采用適宜物種進行生態(tài)修復(fù)，對于截留、吸收庫區(qū)屏障帶進入消落帶濕地生態(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，是防治三峽庫區(qū)水體富營養(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

中國科學(xué)院西部行動計劃項目(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和復(fù)壯研究。

2015-04-01

S 181.3

A

0517-6611(2015)13-210-03