人工湿地生态系统氮循环试验研究_黄钰铃

2007年8月灌溉排水学报JournalofIrrigationandDrainage第26卷第4期文章编号:1000-646X(2007)04-0093-05人工湿地生态系统氮循环试验研究*黄钰铃1,2,罗广成2,李靖1(1.西北农林科技大学,陕西杨凌712100;2.三峡大学,湖北宜昌443002)摘要:构建人工湿地生态系统,可将其分为3个阶段,其中,第一和第三阶段以硝化反应和有机氮生物合成为主,第二阶段以反硝化为主;以质量平衡理论为基础,建立了人工湿地生态系统中各形态氮化合物迁移转化模型,并利用各形态氮实测值计算得到氮循环质量平衡图。结果表明:在人工湿地生态系统的水体-基质-植物多介质中,不同形态氮之间发生迁移转化,水体和基质中氨态氮和硝态氮均有所减少,植物吸收合成部分有机氮,系统最终出水脱氮效率为85%。关键词:人工湿地生态系统;羊蹄酸模;氮循环;质量平衡中图分类号:S181;S143.1文献标志码:A不同类型生态系统中氮循环主要包括生物固氮、氨化、硝化和反硝化等过程,不同形态氮在不同环境条件下发生形态之间的转化和介质中的迁移。国内外针对农田生态系统中氮循环模型研究较多[1-2],人工湿地生态系统氮循环也有一定研究[3],但由于不同植物为主的人工湿地生态系统中氮循环存在一定的差异,利用本地土著植物种,构建人工湿地生态系统,对不同形态氮化合物含量进行测定,分析氮元素在湿地系统的迁移转化过程,尝试建立该土著种湿地系统中氮循环质量平衡关系,为人工湿地技术的广泛应用提供一定补充。1材料与方法1.1人工湿地生态系统的构建人工湿地生态系统模型是由2个长、宽、高为0.8m×0.8m×1.0m的水泥池串联而成,分别为下行池和上行池。下行池和上行池铺设基质相同,均为3层:最上层为细砂(粒径1～4mm)、中间层为碎石(粒径6～10mm)、底层为粗石块(粒径20～60mm),且下行池基质高于上行池10cm,二池间以直径为20mm的塑料软管连接。湿地模型中植物来自当地土著种幼嫩羊蹄酸模(RumexjaponicusHoutt.),于2005年11月等距离栽植于二池中。据观察,该植物种具有较好的越冬能力,在人工湿地技术中有一定的应用前景。试验污水采用人工污水,主要成分及含量为:淀粉75g、尿素7.5g、碳酸氢钠37.5g、磷酸二氢钾0.85g、氯化铵16.65g、硫酸镁0.75g、氯化铁1g,溶于50L自来水中即得。试验期间污水中各指标含量见表1。表1人工污水各指标含量指标水温/℃pH电导率/(uscm-1)氨氮/(mgL-1)硝氮/(mgL-1)亚硝氮/(mgL-1)总氮/(mgL-1)含量15.6(3.700)7.64(0.180)1418(3.300)16.849(1.248)1.621(0.924)0.028(0.069)38.716(1.495)注括号内为标准差。93*收稿日期:2007-06-12基金项目:湖北省教育厅重大项目(2004Z003);三峡大学青年基金(ZJX200613)作者简介:黄钰铃(1978-),女,湖北荆门人,博士研究生,主要研究方向为水土环境保护。1.2运行条件进水采用水泵抽水,通过穿孔布水管进入下行池,沿基质渗透到底部,通过连通管进入上行池。在上行池一侧不同出水口流出。进水采用间歇式,设置水力停留时间(HRT)为5d,水力负荷(HRL)平均为8.781m3/(m2d)。试验运行步骤如图1所示。图1试验运行流程1.3测试指标及测试方法2005年12月～2006年5月大致为羊蹄酸模生长旺盛期,5月以后开花抽穗,随后进入衰败阶段。在该周期内每5d对系统进出水进行取样分析,在上行池一侧40cm处采集出水进行测定;基质和植物取样时间为1～2个月1次,基质取样在二池表层10cm左右,植物样则取健康、叶片较大的粗壮株即可(剪根、茎、叶各一定比例进行测定)。所取样品均在当天测试,主要测定指标包括水体中氨氮(NH4+—N)、硝态氮(NO-3—N)、亚硝态氮(NO-2—N)、总氮(TN),基质中铵氮、硝态氮及全氮,以及植物中有机氮;测定方法参考《水和废水监测分析方法》(第四版)及土壤-铵态氮光度法(FHZDZTR0055)、土壤-硝态氮光度法(FHZDZTR0052)、土壤-全氮扩散法(FHZDZTR0050)。2结果与分析2.1人工湿地生态系统中氮循环模式在人工湿地生态系统中氮的存在有多种形态,包括NH4+、NO-3、NO-2以及有机氮等。在试验采用的复合垂直流人工湿地生态系统中,进水氨氮/铵态氮含量较高,故系统中硝化和反硝化作用较强。由于植物的光合作用及中空发达的维管束输送大量氧气进入根区,使得根区好氧或兼性微生物活跃,为根区的硝化反应提供了较好的条件。但在系统中羊蹄酸模的根系较浅,在根区之下的基质部分缺少氧气,使得该区厌