植物凈化富營(yíng)養(yǎng)水體過程中溫室氣體變化及影響因素初探

楊 科,劉麗香*,韓永偉,鄧淏丹,鄭玉萍,張恩祥

植物凈化富營(yíng)養(yǎng)水體過程中溫室氣體變化及影響因素初探

楊 科1,劉麗香1*,韓永偉1,鄧淏丹2,鄭玉萍2,張恩祥1

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)所,北京 100012；2.蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

本文通過人為添加氮磷模擬水體富營(yíng)養(yǎng)化,選用常見水生植物設(shè)置5個(gè)植物凈化處理,研究水生植物在凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的過程中,溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的排放特征以及影響因素.結(jié)果表明:5個(gè)處理的水-氣界面CO2排放通量在19.12～395.19mg/(m2·h)之間,呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢(shì).5個(gè)處理的水-氣界面CH4、N2O排放通量在0.009～0.96mg/(m2·h)、0.024～6.48mg/(m2·h)之間,均呈現(xiàn)先升后降再升的變化趨勢(shì).多元逐步回歸方程結(jié)果表明,底泥溶解性有機(jī)碳(DOC)、底泥氨氮(NH+ 4-N)、水體pH值、水體溶解氧(DO)、水體葉綠素a(Chl.a)共同影響著水-氣界面CO2、CH4、N2O排放通量,其中底泥溶解性有機(jī)碳(DOC)對(duì)水-氣界面CO2、CH4、N2O排放通量均存在顯著的促進(jìn)作用,但水體pH值對(duì)水-氣界面CO2排放通量的影響在有沉水植物(處理1)的處理中為正作用,在無沉水植物的(處理2、處理3、處理4、處理5)影響為負(fù)作用.

溫室氣體；富營(yíng)養(yǎng)化；水生植物；影響因素；凈化

由于大氣中溫室氣體含量持續(xù)升高,造成全球變暖,導(dǎo)致了一系列的環(huán)境問題[1],其中CO2、CH4和N2O是對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)前三的溫室氣體[2].水生生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體重要的源/匯,對(duì)大氣環(huán)境中溫室氣體濃度變化具有重要影響[3-5],有研究表明水生生態(tài)系統(tǒng)受到污染會(huì)促進(jìn)溫室氣體的排放[6-12].Burgos等[6]對(duì)Guadalete River,Rajkumar等[7]對(duì)Adyar River的研究均表明,城市污水排放導(dǎo)致溫室氣體排放增加.另外,我國(guó)學(xué)者對(duì)天津、上海、南京和重慶等城市區(qū)河流溫室氣體排放研究結(jié)果表明[8-11],城市污水集中排放導(dǎo)致城市河流溫室氣體排放通量遠(yuǎn)高于自然河流.

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使農(nóng)業(yè)化肥用量快速增加,大量碳、氮、磷進(jìn)入水體導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化[12-13].目前我國(guó)水生生態(tài)系統(tǒng)水體富營(yíng)養(yǎng)化問題仍較為嚴(yán)重[14].已有研究表明[15-18],富營(yíng)養(yǎng)化水體的高碳氮負(fù)荷會(huì)促進(jìn)溫室氣體(CO2、CH4、N2O)的排放,且在水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體過程中,水體富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重,其溫室氣體(CO2、CH4、N2O)排放通量越高,但目前對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)“減污降碳”協(xié)同變化規(guī)律的研究較少.目前國(guó)內(nèi)外普遍采用水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行生態(tài)凈化[19],但大部分植物修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體的研究集中在水質(zhì)凈化效率上,缺乏植物凈化過程中水-氣界面溫室氣體排放通量的變化情況以及水環(huán)境、底泥理化性質(zhì)對(duì)水-氣界面溫室氣體排放通量的影響研究.

鑒于此,選取常見具有凈化功能的水生植物,通過組合不同水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體,測(cè)定水-氣界面溫室氣體(CO2、CH4、N2O)排放通量、水體和底泥理化性質(zhì),分析水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體過程中,水-氣界面溫室氣體(CO2、CH4、N2O)排放通量的變化規(guī)律,探討影響水-氣界面溫室氣體排放通量的環(huán)境因子.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概括

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于北京市大興區(qū)青云店鎮(zhèn)尚莊村運(yùn)運(yùn)通水生植物園內(nèi)(E 39.41′, N 116°30′).大興區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,四季分明.最高氣溫40.6℃,最低氣溫-27.4℃,年平均降水量為569.4mm,年平均日照時(shí)數(shù)為2764h.全年大于0℃的活動(dòng)積溫平均為4580℃,大于10℃的生長(zhǎng)積溫4168℃,年平均無霜期181d.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置 實(shí)驗(yàn)為模擬富營(yíng)養(yǎng)化濕地水體.每個(gè)樣方的面積為3m2(長(zhǎng)寬為2m′1.5m),水深為20cm,底泥深度為15cm(底泥下面墊有防水布防止水體向下流).設(shè)置5個(gè)實(shí)驗(yàn)處理,各處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣方.富營(yíng)養(yǎng)化前其土壤基本理化性質(zhì)見表1.

1.2.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)用水均為當(dāng)?shù)氐叵滤?植物在樣地生長(zhǎng)1周后,于2021年9月23日依次采集氣樣、水樣和底泥樣品(初始狀態(tài)),采集完樣品后當(dāng)天(9月23日)開始添加肥料設(shè)置富營(yíng)養(yǎng)化實(shí)驗(yàn).通過人為向樣地中添加化肥模擬水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況,每個(gè)樣方添加100g尿素和200g復(fù)合肥(氮:磷:鉀=15:15:15).

富營(yíng)養(yǎng)化前水質(zhì)基本情況見表2.當(dāng)天然水體中總氮含量大于0.30mg/L時(shí),即可認(rèn)為水體處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[20].通過表1、表2可知,施肥前水體氨氮(NH4+-N)和底泥氨氮(NH4+-N)濃度分別為0.05mg/L和3.36mg/kg;施肥后第1周(9月29日)的氨氮(NH4+-N)和底泥氨氮(NH4+-N)濃度分別為6.02mg/L和22.84mg/kg,可知水體在第1周(9月29日)已處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài);在施肥后第5周(11月1日),水體氨氮(NH+ 4-N)和底泥氨氮(NH4+-N)濃度分別為0.18mg/L和3.71mg/kg,已基本上回到施肥前(9月23日),表明凈化完成.

表1 富營(yíng)養(yǎng)化凈化過程中底泥理化性質(zhì)的時(shí)間變化情況

注:9月23日數(shù)據(jù)為富營(yíng)養(yǎng)化前底泥理化性質(zhì),數(shù)據(jù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差),平均值為5個(gè)處理的平均.

表2 富營(yíng)養(yǎng)化凈化過程中水體理化性質(zhì)的時(shí)間變化情況

注:9月23日數(shù)據(jù)為富營(yíng)養(yǎng)化前底泥理化性質(zhì),數(shù)據(jù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差),平均值為5個(gè)處理的平均.

1.2.3 富營(yíng)養(yǎng)化凈化設(shè)計(jì) 選取水竹(Phyllostachys heteroclada Oliver)、竹葉眼子菜(Potamogeton wrightii Morong)、黑藻(Hydrilla verticillate(L.F.)Royle)、銅錢草(Hydrocotyle vulgaris L)、紙莎草(Cyperus papyrus Linn)、黃花水龍(Ludwigia peploides subsp. stipulacea (Ohwi) Raven)等水生植物作為凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的植物,黑藻、竹葉眼子菜、黃花水龍、銅錢草、紙莎草、水竹種植密度分別為50、50、100、100、800、800g/m2.供試水生植物來自運(yùn)運(yùn)通水生植物園,在其內(nèi)選取生長(zhǎng)狀況良好的植株,設(shè)有5個(gè)凈化植物組合處理,具體處理的水生植物品種和種植密度詳細(xì)情況見表3.

表3 植物組合情況

1.2.4 樣品采集 采樣具體時(shí)間為2021年9月23日、9月29日、10月8日、10月14日、10月21、11月1日.每次采樣均在08:00～11:00間,每個(gè)樣方依次采集氣樣、水樣、底泥樣.氣樣的采集方法為靜態(tài)箱法,氣樣采集后,在每個(gè)采樣點(diǎn)附近用250mL聚乙烯塑料瓶采集水樣,最后用小鐵鏟采集底泥.

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 溫室氣體測(cè)定 水-氣界面溫室氣體的樣品采集方法為漂浮靜態(tài)箱法[21].采樣裝置由靜態(tài)箱和采樣板組成.靜態(tài)箱為圓柱體結(jié)構(gòu),靜態(tài)箱主體為內(nèi)徑16cm和高51.8cm的PVC管,采樣時(shí)利用泡沫板使靜態(tài)箱漂浮,箱體表層包裹鋁箔,以減少采樣時(shí)太陽輻射所引起的桶內(nèi)溫度變化.采樣板由六通道排線、直通閥、三通閥、knf隔膜泵等組成.六通道排線分別連接靜態(tài)箱的采樣管和回氣管,由直通閥來控制不同的靜態(tài)箱[22-23].

式中:為氣體排放通量, mg/(m2·h);=10/8.314= 1.2028, mol·℃/m3·Kpa;為密閉箱底面積, m2;是密閉箱體積, m3;c為測(cè)定的溫度,℃;?C/?t為單位時(shí)間密閉箱內(nèi)溫室氣體的濃度變化量,mg/(mol·h).

1.3.2 理化性質(zhì)測(cè)定 現(xiàn)場(chǎng)采用YSI EXO1多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀(EXO1Multiparameter System,YSI Company, USA)測(cè)定水體的溫度、溶解氧(DO)、pH值、氧化還原電位(ORP)、葉綠素a(Chl.a).采用SEAL AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀[24]測(cè)定水體氨氮(NH+ 4-N)、硝酸鹽氮(NO- 3-N),采用TOC分析儀[25]測(cè)定水體溶解性有機(jī)碳(DOC).

采用SEAL AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀[24,26]測(cè)定底泥氨氮(NH+ 4-N)、硝酸鹽氮(NO- 3-N)和速效磷(AP),采用TOC分析儀[25]測(cè)定底泥DOC;采用TC/TN元素分析儀[27]測(cè)定底泥總碳(TC)和總氮(TN).

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2019 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 23.0軟件,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,檢驗(yàn)通過后進(jìn)行Pearson相關(guān)性以及多元逐步回歸對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.作圖均采用Origin 9.1軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 水-氣界面溫室氣體排放通量動(dòng)態(tài)變化

在凈化過程中,處理1～5的水-氣界面CO2排放通量分別為35.10～197.81、18.85～252.76、31.05～ 251.14、16.92～189.48、19.12～395.19mg/(m2·h),呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì),5個(gè)處理均在第五周(11月1日)出現(xiàn)最大值(圖1).處理1～5的水-氣界面CH4排放通量分別為0.009～0.96、0.040～0.82、0.014～ 0.56、0.016～0.38、0.021～0.22mg/(m2·h),均呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢(shì),5個(gè)處理在第二周(10月8日)和第五周(11月1日)出現(xiàn)最大值(圖1).處理1～5的水-氣界面N2O排放通量分別為0.025～1.2、0.070～3.53、0.025～6.48、0.098～2.72、0.024～2.18mg/ (m2·h),呈現(xiàn)先上升后下降再上升的變化趨勢(shì), 5個(gè)處理在第三周(10月14日)和第五周(11月1日)出現(xiàn)峰值(圖1).水-氣界面CO2、CH4、N2O排放通量在凈化第五周(11月1日)均出現(xiàn)峰值,主要因?yàn)椴糠种参镌诘谖逯?11月1日)已經(jīng)出現(xiàn)死亡而使得水體和底泥中DOC增加,使得DOC含量在第五周(11月1日)遠(yuǎn)高于其他時(shí)間(表1和表2),促進(jìn)了CO2、CH4、N2O的產(chǎn)生.

在凈化過程中,水-氣界面CH4、N2O排放通量的前期變化明顯比水-氣界面CO2的排放通量變化快,且富營(yíng)養(yǎng)化后對(duì)水-氣界面CH4、N2O的排放通量的促進(jìn)作用存在滯后效應(yīng),未在氮濃度最高時(shí)出現(xiàn)排放通量最大(9月29日).CH4主要是在厭氧條件下由產(chǎn)甲烷菌分解有機(jī)物產(chǎn)生[28-30],Bergman等[31]在芬蘭境內(nèi)的泥炭地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、Tanner等[32]利用4個(gè)實(shí)驗(yàn)性規(guī)模的人工濕地處理牧場(chǎng)廢水以及龔小杰等[33]研究黑水灘河水體等,均表明有機(jī)物的增加會(huì)促進(jìn)CH4排放.水體富營(yíng)養(yǎng)化后,前期(9月29日)水生植物以及藻類開始生長(zhǎng)繁殖,光合作用促使水體DO以及ORP均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),后由于所有處理中均存在藻類的部分死亡而造成DOC增加以及DO的降低(表1、2)使得CH4產(chǎn)量增加,所以CH4排放通量存在滯后效應(yīng).

N2O主要是由硝化與反硝化作用產(chǎn)生,是一個(gè)偏厭氧的條件[34].實(shí)驗(yàn)添加的氮(尿素)溶于水后基本上轉(zhuǎn)變?yōu)镹H+ 4-N,而水體和底泥本身NO- 3-N和NH+ 4-N含量均較低且DO含量較高(表1、2),所以前期主要發(fā)生較為完全的硝化作用,較少產(chǎn)生中間產(chǎn)物N2O.隨著植物對(duì)NH+ 4-N的吸收和硝化作用以及藻類代謝過程中產(chǎn)生一系列小分子有機(jī)物,使得水體DO降低以及DOC含量增加,有研究[35]表明小分子有機(jī)碳更容易被反硝化細(xì)菌和其他異養(yǎng)細(xì)菌利用,進(jìn)而間接促進(jìn)反硝化過程,且豐富的小分子有機(jī)碳吸引大量脫氮效率高的微生物附著和生存,使N2O排放通量增加,所以N2O排放通量存在滯后效應(yīng).

圖1 水-氣界面溫室氣體排放通量變化情況

2.2 溫室氣體排放通量影響因素

2.2.1 水體理化性質(zhì)對(duì)溫室氣體排放通量的影響 水體有機(jī)碳、無機(jī)氮及其溫室氣體產(chǎn)生條件(水溫)、消耗以及傳輸條件(pH值、水溫)影響水-氣界面溫室氣體的排放通量.處理1～4的水-氣界面CO2排放通量與水體DOC濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表4,<0.05,=15),這與已有的研究結(jié)果相符[34,36].在處理1～5中,水-氣界面CO2排放通量與DO、pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中處理4和處理5的水-氣界面CO2排放通量與DO呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4,<0.05,=15),處理2～5的水-氣界面CO2排放通量與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4,<0.05,=15),處理1的水-氣界面CO2排放通量與ORP呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4,<0.01,=15).胡曉康等[37]研究天津市海河、趙炎等[38]研究三峽水庫香溪河的研究也表明DO、pH值與水-氣界面CO2排放通量呈顯著負(fù)相關(guān).處理1(沉水植物+挺水植物)水-氣界面CO2排放通量主要相關(guān)因子為水體DOC和水體ORP,而處理2～5水-氣界面CO2排放通量主要相關(guān)因子為水體DOC、水體DO、水體pH值.這可能是處理1(沉水植物+挺水植物)中存在沉水植物,其沉水植物光合作用使得水體DO較高和水體CO2濃度較低,所以水體DO并不是一個(gè)影響其水-氣界面CO2排放通量顯著因子.

處理1和處理5的水-氣界面CH4排放通量與水溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表4,<0.05,=15),處理5水-氣界面CH4排放通量與水體NH+ 4-N呈顯著正相關(guān)(表4,<0.05,=15),處理2和處理4水-氣界面CH4排放通量與水體DOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表4,<0.05,=15),處理1水-氣界面CH4排放通量與水體DO、pH值呈顯著正相關(guān)關(guān)系,但處理2水-氣界面CH4排放通量與水體pH值、ORP呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,處理5水-氣界面CH4排放通量與水體ORP、Chl.a呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表4,<0.05,=15).處理5(挺水植物+浮葉植物)水-氣界面CH4排放通量與水體NH+ 4-N呈顯著正相關(guān)關(guān)系,其他處理卻不顯著.有研究表明[39],浮葉或漂浮植物會(huì)通過阻擋水-氣界面氣體的交換,降低水-氣界面CH4的排放,處理5(挺水植物+浮葉植物)為唯一有浮葉植物的處理,所以可能是處理5中浮葉植物吸收水體NH+ 4-N生長(zhǎng),降低CH4的排放.

在處理1～5中,水-氣界面N2O排放通量與NH+ 4-N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與水體DOC呈正相關(guān)(表4,=15).本文研究結(jié)果與吳銘[10]研究崇州市溝渠和魚塘結(jié)果一致.

表4 溫室氣體排放通量與水體理化性質(zhì)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

注:處理1、處理2、處理3、處理4、處理5樣本數(shù)n=15, *表示在0.05水平上顯著相關(guān),**表示在0.01水平上顯著相關(guān)(雙尾).

2.2.2 底泥理化性質(zhì)對(duì)溫室氣體排放通量的影響 底泥中碳源和氮源主要影響水-氣界面溫室氣體的排放通量.在處理1～5中,水-氣界面CO2排放通量與底泥理化性質(zhì)中DOC、TC呈正相關(guān)關(guān)系,與NH+ 4-N、TN呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.其中,Morrissey等[40]、Zhu等[41]研究表明底泥的有機(jī)質(zhì)含量越高CO2的排放通量越大.

在處理1～5中,水-氣界面CH4排放通量與底泥AP、DOC呈正相關(guān)關(guān)系(表5,=15).這與Gonzalez等[42]、Hu等[43]和Lauren等[44]研究結(jié)論一致.

在處理2～5中,水-氣界面N2O排放通量與底泥理化性質(zhì)中AP、DOC、TC呈正相關(guān)關(guān)系,與NH+ 4-N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.本文研究結(jié)果與Crawford等[45]、吳雙[46]研究結(jié)論一致.

注:處理1、處理2、處理3、處理4、處理5樣本數(shù)n=15 ,*表示在0.05水平上顯著相關(guān),**表示在0.01水平上顯著相關(guān)(雙尾).

2.2.3 溫室氣體排放通量的調(diào)控因子 在處理1～5中,水-氣界面CO2排放通量的逐步回歸方程主要由底泥DOC、底泥NO- 3-N、水體DOC、水體pH值、水體DO、水體ORP、水體Chl.a構(gòu)成(表6,n=15),其中底泥DOC、水體DOC、水體DO為正作用,水體ORP、水體Chl.a為負(fù)作用,而水體pH值在不同處理中對(duì)水-氣界面CO2排放通量的影響并不相同,水體pH值在處理1中為正作用,而在處理2～5中為負(fù)作用.底部沉積物的微生物降解是水生生態(tài)系統(tǒng)中的CO2產(chǎn)生的一個(gè)重要途徑[47].溶解性有機(jī)碳(DOC)是細(xì)菌生長(zhǎng)的重要碳源[48],通過細(xì)菌的呼吸作用,DOC被消耗成二氧化碳的形式釋放,這是水-氣界面CO2的重要來源之一,所以底泥DOC含量增加會(huì)促進(jìn)水-氣界面CO2排放通量.相關(guān)性分析顯示DO與CO2排放通量負(fù)相關(guān)(表4,n=15),但在多元逐步回歸中,DO卻與CO2排放通量呈正相關(guān)(表6).這可能是因?yàn)镈OC含量高的時(shí)候會(huì)使得DO含量降低從而使得DO與CO2排放通量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.在多元逐步回歸中,控制住DOC含量時(shí),DO含量增加會(huì)促進(jìn)微生物的有氧呼吸,增加CO2通量[49-50].水體pH值通過影響水中碳酸鹽體系(CO2、CO2- 3和HCO- 3的動(dòng)態(tài)平衡,進(jìn)而控制水體中CO2濃度[51].當(dāng)pH值小于某一臨界值時(shí)(7-8),水體中的CO2- 3和HCO- 3會(huì)轉(zhuǎn)變成CO2,水體中較高的CO2含量促使CO2進(jìn)入大氣;當(dāng)水體pH值高于臨界值時(shí)(pH＞8),水中游離CO2會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2- 3和HCO- 3,引起水體CO2不飽和,水體較低的CO2會(huì)促進(jìn)大氣環(huán)境中CO2進(jìn)入水體中[52-54],所以處理2～5中,水體pH值與CO2通量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.而處理1(挺水植物+沉水植物)為5個(gè)處理中唯一存在沉水植物的處理,這可能是其pH值為正作用的原因,但具體機(jī)理有待更加深入的研究.水體ORP、水體Chl.a只在處理1的回歸方程出現(xiàn),且均為負(fù)作用,水體ORP主要是表征水體氧化還原的能力,而處理1由于有沉水植物的存在,其水體DO會(huì)較高,所以其水體ORP越低,表明水體中有機(jī)物含量越高,越有利于水體微生物的有氧呼吸產(chǎn)生CO2.而水體Chl.a越大,表明水體藻類越多[55],藻類光合作用減少水體CO2的排放.綜上,在植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體過程中,主要通過對(duì)CO2的產(chǎn)生、消耗、傳輸來影響水-氣界面溫室氣體的排放通量.

在處理1～5中,水-氣界面CH4排放通量的逐步回歸方程主要由底泥DOC、底泥NH+ 4-N、底泥AP、底泥NO- 3-N、水體NH+ 4-N、水體DO構(gòu)成.其中底泥DOC、底泥NH+ 4-N、底泥AP、水體NH+ 4-N均為正作用,底泥NO- 3-N、水體DO為負(fù)作用.底泥DOC為產(chǎn)甲烷菌提供碳源以及底泥為其提供附著場(chǎng)所,底泥碳(DOC)氮(NH+ 4-N)磷(AP)含量高低直接關(guān)系到相關(guān)微生物活性[56].較高的DOC含量促進(jìn)原位CH4產(chǎn)生,同時(shí)高有機(jī)質(zhì)會(huì)使得O2消耗增加,減少CH4氧化[37].氨氧化菌會(huì)與甲烷氧化菌競(jìng)爭(zhēng)O2和甲烷單加氧酶[57],通過抑制CH4氧化促進(jìn)其排放,使得CH4排放通量與NH+ 4-N呈顯著正相關(guān).處理1(挺水植物+沉水植物)以底泥NH+ 4-N影響著CH4排放通量,但處理5(挺水植物+浮葉植物)卻以水體NH+ 4-N影響著CH4排放通量,這可能是因?yàn)镃H4產(chǎn)生需要一個(gè)厭氧環(huán)境,底泥中氧氣含量較低,所以處理1(挺水植物+沉水植物)中以底泥NH+ 4-N影響著CH4排放通量,而有研究表明[39],浮葉或漂浮植物通過阻擋水-氣界面氣體的交換,降低水-氣界面CH4的排放,處理5(挺水植物+浮葉植物)為5個(gè)處理中唯一有浮葉植物的處理,處理5中浮葉植物吸收水體NH+ 4-N進(jìn)行生長(zhǎng),同時(shí)降低水-氣界面CH4的排放,所以處理5(挺水植物+浮葉植物)以水體NH+ 4-N影響著CH4排放通量.CH4產(chǎn)生需要一個(gè)厭氧環(huán)境,所以水體DO對(duì)CH4排放通量起負(fù)作用,但水體DO只在處理1(挺水植物+沉水植物)的方程中出現(xiàn),可能是由于其沉水植物的光合作用使得水體DO變化范圍較大,從而使得DO對(duì)CH4排放通量影響較大.綜上表明,在植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體過程中,主要對(duì)CH4的產(chǎn)生、消耗來影響水-氣界面CH4的排放通量.

在處理1～5中,水-氣界面N2O排放通量的逐步回歸方程主要由底泥DOC、底泥TC、水體Chl.a構(gòu)成.底泥DOC、底泥TC、水體Chl.a均為正作用.碳(底泥DOC、底泥TC)是異養(yǎng)反硝化微生物重要的能量與物質(zhì)來源,也是反硝化作用進(jìn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)(電子供體),其含量增加會(huì)促進(jìn)微生物的新陳代謝和活性,進(jìn)而增加反硝化速率和N2O的產(chǎn)生[58].Chl.a作為衡量藻類數(shù)量的一個(gè)標(biāo)志,Chl.a越高水體藻類含量越高[55].藻類的增加會(huì)提高水體有機(jī)物含量,從而為硝化與反硝化細(xì)菌提供能量以及附著場(chǎng)所,促進(jìn)N2O的產(chǎn)生.綜上表明,在植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體過程中,主要通過底泥中的碳含量來影響N2O的產(chǎn)生從而影響水-氣界面的N2O的排放通量.

綜上所述,在富營(yíng)養(yǎng)化水體的植物凈化過程中,在水、土理化性質(zhì)中底泥DOC、底泥NH+ 4-N、水體pH值、水體DO、水體Chl.a對(duì)水-氣界面CO2、CH4、N2O排放通量影響顯著,其中底泥DOC對(duì)CO2、CH4、N2O排放通量均存在促進(jìn)作用.但其中pH值對(duì)水-氣界面CO2排放通量在有沉水植物(處理1)和無沉水植物的(處理2、處理3、處理4、處理5)影響相反.

注:處理1、處理2、處理3、處理4、處理5樣本數(shù)=15,-表示無法構(gòu)建回歸方程.

3 結(jié)論

3.1 在富營(yíng)養(yǎng)化水體的植物凈化過程中,水-氣界面CO2、CH4、N2O排放通量分別在19.12～395.19、0.009～0.96、0.024～6.48mg/(m2·h)之間,水-氣界面CH4、N2O的變化趨勢(shì)相同,均為先升后降再升,而水氣界面CO2排放通量呈現(xiàn)先降后升.

3.2 在富營(yíng)養(yǎng)化水體的植物凈化過程中,逐步回歸方程表明,碳源、溫室氣體的產(chǎn)生、消耗以及傳輸條件影響三種溫室氣體排放通量動(dòng)態(tài).其中,底泥DOC、底泥NH+ 4-N、水體pH值、水體DO、水體Chl.a影響著水-氣界面CO2、CH4、N2O排放通量,其中底泥DOC對(duì)水-氣界面CO2、CH4、N2O排放通量均存在顯著的促進(jìn)作用,但水體pH值在有沉水植物(處理1)的影響為正作用,在無沉水植物的(處理2、處理3、處理4、處理5)影響為負(fù)作用.

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致謝：本實(shí)驗(yàn)樣地由運(yùn)運(yùn)通水生植物園提供,在此表示感謝.

Preliminary study on the changes and influencing factors of greenhouse gases during the purification of eutrophic water by plants.

YANG Ke1, LIU Li-xiang1*, HAN Yong-wei1, DENG Hao-dan2, ZHENG Yu-ping2, ZHANG En-xiang1

(1.Institute of Ecology, Chinese Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.College of Ecology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)., 2023,43(10)：5403～5411

Water eutrophication was simulated by artificially adding nitrogen and phosphorus, and setting up five purification treatments with aquatic plants. In our study, the CO2effluxes at the water-air interface ranged from 19.12 to 395.19 mg/(m2·h). The CO2effluxes decreased slowly, and then increased. The CH4and N2O effluxes at the water-air interface ranged from 0.009 to 0.96mg/(m2·h) and 0.024 to 6.48mg/(m2·h), respectively. The temporal patterns of CH4and N2O effluxes were similar, which slowly increased, and gradually decreased, then eventually increased once again. The results of multiple stepwise regressions showed sediment DOC, sediment NH+ 4-N, pH, DO, Chl.a in the water were signi?cant predictors of GHG effluxes at the water-air interface. Interestingly, sediment DOC had a significant promoting effect on GHG emission effluxes at the water-air interface. Especially, water pH had a positive impact on CO2effluxes at the water-air interface in the treatment with submerged plants (Treatment 1), but negative in the treatment without submerged plants (Treatment 2, Treatment 3, Treatment 4, Treatment 5).

greenhouse gases；eutrophic；aquatic plant；influence factor；purification

X511

A

1000-6923(2023)10-5403-09

2023-02-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41907392)

* 責(zé)任作者, 副研究員,liulixiang1982@126.com

楊 科(1998-),男,江西宜春人,碩士,主要從事富營(yíng)養(yǎng)化以及黑臭水體對(duì)水體溫室氣體排放的相關(guān)研究.1946284953@qq.com.

楊 科,劉麗香,韓永偉,等.植物凈化富營(yíng)養(yǎng)水體過程中溫室氣體變化及影響因素初探 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5403-5411.

Yang K, Liu L X, Han Y W, et al. Preliminary study on the changes and influencing factors of greenhouse gases during the purification of eutrophic water by plants [J]. China Envronmental Science, 2023,43(10):5403-5411.