李曉玲 陳柳盈 馮冰冰 沈 奇 王李斌 王 海
(紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,浙江 紹興312000)
不同氮添加人工濕地中植物生長(zhǎng)情況研究
李曉玲 陳柳盈 馮冰冰 沈 奇 王李斌 王 海
(紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,浙江 紹興312000)
通過模擬人工濕地,以黃菖蒲(IrispseudacorusL.)、水蔥(Scirpusvalidus)、路易斯鳶尾(IrishexagonaWalter.)和再力花(Thaliadealbata)4種植物為研究對(duì)象,通過對(duì)不同植物組合(單種、兩種混種、四種混種)進(jìn)行氮添加處理(高、中、低3種氮濃度)實(shí)驗(yàn),來研究不同氮濃度處理對(duì)人工濕地中不同植物單種與混種生長(zhǎng)的影響.研究結(jié)果表明:(1)混種情況下植物的存活情況和生長(zhǎng)情況均優(yōu)于單種;(2)不同氮濃度處理對(duì)植物的生長(zhǎng)具有不同的影響,高濃度氮處理對(duì)黃菖蒲和路易斯鳶尾的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用,低濃度氮處理對(duì)再力花的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用,而3種氮處理均對(duì)水蔥的生長(zhǎng)起明顯的抑制作用.
人工濕地;氮添加;混種;株高;存活率
近年來,含氮污水無論從排放量還是從氮負(fù)荷來看,都是很大的污染源,這讓其成為污水治理的重要一環(huán).而人工濕地作為一種低能耗、低投資、易管理的生態(tài)廢水處理技術(shù),尤其在氮、磷去除方面有著其他污水處理技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì).而人工濕地主要利用植物的吸收、微生物的分解、基質(zhì)的吸附等方式進(jìn)行污水處理[1-4].
植物是人工濕地中最主要的組成之一,為了維持其正常生長(zhǎng),必須從污水中吸收氮、磷等元素作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),因此植物可以通過自身的生長(zhǎng)代謝來吸收污水中的氮、磷等[5-6].然后,通過收割植物的地上部分,從而去除人工濕地中大部分的污染物[7-8].另外,不同植物由于根系分布范圍的不同,氧氣釋放速率不同,對(duì)微生物活性的影響也不同,從而對(duì)污水的凈化效果產(chǎn)生差異.在相同的環(huán)境條件下,人工濕地中植物的生長(zhǎng)狀況的優(yōu)劣對(duì)人工濕地的氮去除效果存在影響,大致呈正相關(guān)關(guān)系[9-10].植物的種類、種植情況也有一定的關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn),不同種類的植物氮吸收能力存在差異[11-12],并且不同種類的植物單種、混種等種植模式也會(huì)對(duì)人工濕地系統(tǒng)的污染物去除效果有影響.多種植物混種時(shí),是否可以互補(bǔ)增強(qiáng)人工濕地對(duì)污染物的處理效果,發(fā)揮不同植物各自的優(yōu)勢(shì),保證人工濕地更穩(wěn)定、高效的去除效果,有待進(jìn)一步研究.
本文通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M人工濕地來研究不同氮添加人工濕地中四種植物:黃菖蒲(IrispseudacorusL.)、水蔥(Scirpusvalidus)、路易斯鳶尾(IrishexagonaWalter.)和再力花(Thaliadealbata)單種與混種生長(zhǎng)情況,以期為人工濕地污水處理選擇優(yōu)勢(shì)植物及物種組合.
1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2016年5月開始,在前期研究基礎(chǔ)上挑選長(zhǎng)勢(shì)良好、大小均勻的植物:黃菖蒲(IrispseudacorusL.)、水蔥(Scirpusvalidus)、路易斯鳶尾(IrishexagonaWalter.)和再力花(Thaliadealbata.)為研究對(duì)象,采用單種、兩種混種、四種混種3種種植方式,設(shè)置高、中、低3種氮濃度梯度比較研究.實(shí)驗(yàn)樣地長(zhǎng)20 m,寬15 m,共99個(gè)樣方,每個(gè)樣方為上直徑80 cm,下直徑65 cm,深40 cm的圓柱形,共種植8株植物.混種情況下,兩種混種每種植物各4株,四種混種每種植物各2株,沙土統(tǒng)一深30 cm.加入適量的水,使水淹沒在植物根莖部,每天根據(jù)植物的不同蒸騰量進(jìn)行澆水,保證每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣方水量基本一致.
經(jīng)過大約2周的培養(yǎng)后,待所有植物完全適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,于5月16日對(duì)植物進(jìn)行高(1.478 g/樣方氮)、中(0.739 g/樣方氮)、低(0.369 g/樣方氮)3種濃度氮的施加,不同氮濃度用來模擬養(yǎng)殖廢水中的氮含量.
1.2株高的測(cè)量與植株密度
從5月16日開始測(cè)定植物的株高,每隔3天測(cè)量一次,直至6月21日實(shí)驗(yàn)結(jié)束.測(cè)量時(shí)用卷尺從植物的地上部分開始進(jìn)行測(cè)量,按照樣方中的編號(hào)依次測(cè)量,并記錄.6月底實(shí)驗(yàn)結(jié)束之時(shí),記錄植物的存活情況,計(jì)算植物的存活率.
1.3數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析,并且進(jìn)行相關(guān)的圖表繪制和整理.
2.1植株存活率
統(tǒng)計(jì)不同樣方植物的實(shí)際存活數(shù)量,計(jì)算植物在不同處理下(氮梯度、植物種植方式)的存活率.詳見圖1.
從圖1可以看出,黃菖蒲和路易斯鳶尾在混種條件下存活率都達(dá)到了100%,單種情況下植物均有死亡;水蔥和再力花在單種和混種條件下存活情況無顯著差異,但水蔥整體存活率較低.氮素作為植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一,對(duì)不同植物的生長(zhǎng)起不同的作用.黃菖蒲和路易斯鳶尾在中、低濃度氮添加條件下存活率均達(dá)到100%;再力花在低濃度氮添加條件下存活率基本達(dá)到100%;而水蔥在中濃度氮添加條件下存活率保持在約75%,其他氮濃度添加條件下存活情況均較差.
2.2單種條件下植物生長(zhǎng)情況
植物株高是直接反映植物生長(zhǎng)狀況的指標(biāo)之一.從圖2A、2B與2C中可以看出:?jiǎn)畏N情況下,黃菖蒲和路易斯鳶尾在中濃度氮添加條件下(圖2B)長(zhǎng)勢(shì)較好,生長(zhǎng)速度較快;水蔥在高濃度氮添加條件下(圖2A)后期生長(zhǎng)較快,而再力花適合在低濃度氮添加條件下(圖2C)生長(zhǎng).株高增量的變化中(圖2a、2b與2c),黃菖蒲和再力花均在生長(zhǎng)初期株高增量變化較大,在高濃度氮添加條件下(圖2a)生長(zhǎng)后期株高增量較中(圖2b)、低(圖2c)氮濃度下要多,但較生長(zhǎng)初期增長(zhǎng)速度變緩;水蔥的株高增量均在生長(zhǎng)后期變化較大;路易斯鳶尾在高濃度氮(圖2a)添加條件下株高增量在生長(zhǎng)前期和晚期較多,而在中(圖2b)、低(圖2c)濃度氮添加條件下生長(zhǎng)前期增量較多,后期生長(zhǎng)變緩.
圖1 不同植物的存活率
圖2 不同氮梯度條件下植物在單種時(shí)的生長(zhǎng)情況
注:圖A、圖a為高濃度氮添加條件;圖B、圖b為中濃度氮添加條件;圖C、圖c為低濃度氮添加條件
圖3 不同氮梯度條件下植物在兩種混種時(shí)的生長(zhǎng)情況
注:圖A、圖a為高濃度氮添加條件;圖B、圖b為中濃度氮添加條件;圖C、圖c為低濃度氮添加條件
圖4 不同氮梯度條件下植物在四種混種時(shí)的生長(zhǎng)情況
注:圖A、圖a為高濃度氮添加條件;圖B、圖b為中濃度氮添加條件;圖C、圖c為低濃度氮添加條件
2.3兩種混種條件下植物生長(zhǎng)情況
通過比較圖3A、3B與3C可看出,在兩種混種條件下,黃菖蒲、路易斯鳶尾和再力花均在中濃度氮添加條件(圖3B)下生長(zhǎng)較快;而水蔥適合在高濃度氮添加條件下(圖3A)生長(zhǎng),中、低濃度下均生長(zhǎng)緩慢.比較圖3a、3b與3c可看出,植物的株高增量變化中,黃菖蒲均在生長(zhǎng)前期株高增量較多,說明這個(gè)階段生長(zhǎng)較快;水蔥的生長(zhǎng)茂盛期依舊在生長(zhǎng)后期且在高濃度氮添加條件(圖3a)下株高增量較多;路易斯鳶尾株高增量在不同的氮濃度添加條件下有所不同,高濃度氮添加條件(圖3a)下的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,株高增量保持在約1 cm/d,中(圖3b)、低(圖3c)濃度時(shí)株高增量生長(zhǎng)前期明顯較生長(zhǎng)后期多,其中低濃度氮添加下的生長(zhǎng)后期基本停止生長(zhǎng);對(duì)再力花而言,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程株高增量都處于不穩(wěn)定變化之中,但總體生長(zhǎng)較好.
2.4四種混種條件下植物生長(zhǎng)情況
比較圖4A、4B與4C可看出,四個(gè)物種混種條件下,黃菖蒲和再力花在高濃度氮添加條件(圖4A)下長(zhǎng)勢(shì)最好;水蔥適合在低濃度氮添加條件(圖4C)下生長(zhǎng);路易斯鳶尾在中濃度氮添加條件(圖4B)下長(zhǎng)勢(shì)比高(圖4A)、低(圖4C)氮濃度下要好,但總體生長(zhǎng)速率較慢.株高增量變化中(圖4a、4b與4c),黃菖蒲在生長(zhǎng)初期均生長(zhǎng)較快,生長(zhǎng)后期高濃度氮添加條件(圖4a)下株高增量大約為1cm/d,而中(圖4b)、低(圖4c)濃度氮添加條件下生長(zhǎng)基本趨于停止;水蔥在四個(gè)物種混種時(shí)的生長(zhǎng)情況與前面圖2、圖3得出的結(jié)論基本一致,均在生長(zhǎng)后期快速生長(zhǎng);路易斯鳶尾在中(圖4b)、低(圖4c)濃度氮添加條件下,其快速生長(zhǎng)階段主要集中在生長(zhǎng)前期,其中,中濃度氮添加條件下的株高增量約為1.3 cm/d,而低濃度氮添加條件下的株高增量約為0.9 cm/d.相對(duì)來說,低濃度氮添加條件下生長(zhǎng)較緩,在高濃度氮添加條件(圖4a)下株高增量主要在生長(zhǎng)的中、后期,生長(zhǎng)前期幾乎零增長(zhǎng);再力花在高(圖4a)、低(圖4c)濃度氮添加條件下的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程長(zhǎng)勢(shì)不好,在中濃度氮添加條件(圖4b)下生長(zhǎng)前期株高增量變化較明顯,生長(zhǎng)后期慢慢趨于停止.
本實(shí)驗(yàn)研究了3種氮濃度添加對(duì)不同植物在單種和混種時(shí)生長(zhǎng)情況的影響.研究表明,實(shí)驗(yàn)選用的4種植物中,黃菖蒲和路易斯鳶尾在混種條件下存活情況優(yōu)于單種,其他2種植物中,水蔥存活率較低,可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中溫度(約36 ℃)高于水蔥正常生長(zhǎng)的適宜溫度范圍(15~30 ℃).再力花在單種和混種條件下存活情況并無差異.混種情況下的存活率高于單種時(shí)的存活率,這與一些研究中結(jié)論相一致[13].
植物的不同種植方式中(單種、兩種混種、四種混種),相比較而言,黃菖蒲適合在四種混種條件下生長(zhǎng),水蔥和再力花在兩種混種條件下長(zhǎng)勢(shì)較好,僅路易斯鳶尾適合在單種條件下生長(zhǎng).整體上,黃菖蒲和路易斯鳶尾的快速生長(zhǎng)階段主要集中在生長(zhǎng)前期,而水蔥主要集中在生長(zhǎng)后期.因此,在人工濕地植物的選擇過程中,它們可以選擇搭配,達(dá)到不同生長(zhǎng)時(shí)期的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),保證人工濕地植物生長(zhǎng)維持在一個(gè)較穩(wěn)定的階段,以利于人工濕地獲得穩(wěn)定、高效的污水處理效果.而再力花在整個(gè)生長(zhǎng)過程中生長(zhǎng)較均勻,可以在人工濕地中單種或混種搭配.
對(duì)氮濃度的響應(yīng)程度,黃菖蒲和路易斯鳶尾均在高、中濃度氮添加條件下長(zhǎng)勢(shì)較好,水蔥在高濃度氮添加條件下生長(zhǎng)后期長(zhǎng)勢(shì)較好,綜合前面株高增量變化階段的結(jié)論,可以得出不同氮濃度對(duì)植物的生長(zhǎng)具有不同的影響,高濃度的氮對(duì)黃菖蒲和路易斯鳶尾的生長(zhǎng)起明顯的促進(jìn)作用,而3種氮濃度會(huì)抑制水蔥早期的生長(zhǎng).再力花在3種種植方式下對(duì)氮的敏感程度表現(xiàn)不同,但微量的氮素對(duì)它的生長(zhǎng)可以起到促進(jìn)作用.
研究結(jié)果表明,植物在混種時(shí)的存活率和生長(zhǎng)情況均優(yōu)于單種.不同植物對(duì)不同氮添加的響應(yīng)存在較大差異,不同濃度的氮添加均會(huì)抑制水蔥的早期生長(zhǎng).在高濃度的氮添加條件下,黃菖蒲和路易斯鳶尾均生長(zhǎng)良好,可以用于去除人工濕地中高濃度的氮素.而再力花在低濃度氮添加條件下生長(zhǎng)良好,表明再力花可以用于去除人工濕地中低濃度的氮素.總之,混種種植模式比單種較優(yōu),黃菖蒲、路易斯鳶尾與再力花均可作為人工濕地養(yǎng)殖廢水氮去除的優(yōu)勢(shì)物種.
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EffectsofDifferentNitrogenAdditiononPlantGrowthinSimulatedConstructedWetland
Li Xiaoling Chen Liuying Feng Bingbing Shen Qi Wang Libin Wang Hai
(School of Life Sciences, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)
Four plant species ofIrispseudacorusL.,Scirpusvalidus,IrishexagonaWalter andThaliadealbatawere selected in this study.The effects of different nitrogen addition treatment (high, medium and low nitrogen concentration) on the growth and development of different plant species and mixtures treatments (monoculture, two species of mixtures and four species mixtures) in simulated constructed wetlands were studied.The results show as follows: (1) the survival rate and growth of plants are better than that in mono-cultures; (2) different nitrogen concentrations have different effects on plant growth; high concentration of nitrogen could promote the growth ofIrispseudacorusL.andIrishexagonaWalter, low concentration of nitrogen the growth ofThaliadealbata, while different nitrogen concentrations could inhibit the growth of Scirpu svalidus.
constructed wetland; nitrogen addition; mixture; plant height; survival rate
10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.08.016
A
1008-293X(2017)08-0089-06
2017-05-31
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31500321);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610349015);浙江省大學(xué)生新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2016R428020).
李曉玲(1994- ),女,甘肅白銀人,研究方向:污水處理與污染物的降解.
王 海(1981- ),男,山西運(yùn)城人,博士,紹興文理學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院講師,研究方向:污水處理.
(責(zé)任編輯王海雷)