亚热带丘陵区湿地水生植物组合模式拦截氮磷的研究

2017-10-16 01:29王丽莎李希甘蕾张瑞吕殿青周脚根张满意李裕元吴金水
生态环境学报 2017年9期
关键词:梭鱼氮磷去除率

王丽莎,李希*,甘蕾,张瑞,吕殿青,周脚根,张满意,李裕元,吴金水

亚热带丘陵区湿地水生植物组合模式拦截氮磷的研究

王丽莎1,2,李希2*,甘蕾1,2,张瑞1,2,吕殿青1*,周脚根2,张满意2,李裕元2,吴金水2

1. 湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南 长沙 410006;2. 中国科学院亚热带农业生态研究所//亚热带农业生态过程重点实验室,湖南 长沙 410125

人工湿地是农业面源污染治理的有效措施,植物构成及其组合模式是影响湿地污染消纳能力的关键。以湖南亚热带红壤丘陵区为研究区,通过人工湿地小区试验,选取对氮磷有较强吸收能力的浮水植物绿狐尾藻(Myriophyllum elatinoides)为主要植物,分别与黑三棱(Sparganium stoloniferum)、梭鱼草(Pontederia cordata)、铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)、灯芯草(Juncus effusus)、野芋头(Calla palustris)、水花生(Alternanthera philoxeroides)等构成不同的植物组合模式,研究其对农村污水(COD:56.34~109.41 mg·L-1、TN:21.11~33.24 mg·L-1、TP:3.36~5.74 mg·L-1)的净化效果,旨为亚热带丘陵区农村污水人工湿地生态治理工程提供参数依据。结果表明,观测期内(7—11月),野芋头组合对COD去除效果最好,出水COD平均质量浓度为21.24 mg·L-1,平均去除率为72.9%。铜钱草组合对TN的去除效果最好,出水TN平均质量浓度为3.52 mg·L-1,平均去除率达到84.9%。梭鱼草组合对TP的去除效果最好,出水TP平均质量浓度为0.22 mg·L-1,平均去除率达到95.2%。各植物组合氮磷积累量分别在12.43~30.87 g·m-2和0.99~4.69 g·m-2之间,梭鱼草组合氮磷积累量最大(8月:N 30.87 g·m-2和11月:P 4.69 g·m-2)。植物吸收占总氮磷去除的比例分别为17.3%~27.8%和10.3%~16.7%,其中,以梭鱼草组合对氮磷的吸收比例最大,野芋头组合吸收比例最小。综合而言,绿狐尾藻与梭鱼草组合为研究区最佳湿地水生植物组合模式。

亚热带丘陵区;水生植物;组合模式;人工湿地;氮;磷

采用人工湿地技术处理污水具有工程投资少、操作简单、管理运行费用低等特点(张骁栋等,2016),已被广泛用于城市与农村生活污水(Wallace,2000)、农田排水(韩例娜等,2012)、富营养化湖泊与水库(Zhao et al.,2013)以及养殖废水(Dunne et al.,2005)的生态治理。人工湿地一般分为潜流湿地和表流湿地两大类型,其中潜流湿地主要通过人工填料的吸附和微生物转化等作用,达到去除污染物的目的,其工程相对较为复杂,填料需要定期更新,因此有一定的寿命。而表流湿地则是利用池塘、低洼地等不同形状的水面或湿地,通过种植挺水、沉水或者浮水等不同类型的湿地植物,并通过植物吸收和微生物的作用去除水体中的氮磷污染物,构成相对简单,应用更为广泛。一些研究表明,在南方地区湿地去除氮、磷的效果一般分别可达 10~35 g·m-2和 0.5~3 g·m-2(柳君侠,2010),但是由于设计工艺和地域的不同,加之植物本身的生物学特性差异,不同类型植物构成的人工湿地其处理效果也有显著差异,如靖元孝等(2002)在华南地区(广东)的试验表明,每100克干重风车草(Cyperus alternifolius)能吸收氮磷养分的量分别为0.225 g和0.044 g;韩例娜等(2012)在亚热带丘陵区(长沙)的研究结果表明,美人蕉(Canna indica)和绿狐尾藻(Myriophyllum elatinoides)的氮磷积累量分别为 23.9、15.08 g·m-2·a-1和 3.05、2.93 g·m-2·a-1;卫小松等(2016)在云贵地区(贵州)的试验表明,茭白(Zizania latifolia)、菖蒲(Acorus calamus)和水葱(Scirpus tabernaemontani)对氮、磷的吸收能力分别在13.08~104.18 g·m-2·a-1和 0.9~5.5 g·m-2·a-1之间。可见植物构成是决定湿地氮磷污染物处理能力的关键。

湿地污染物去除效果还与进水污染物浓度有密切关系。研究表明,随着进水中污染物浓度的升高,出水浓度也会有不同程度地增加,去除率随之降低(凌祯,2012;Sutcliffe,2014)。张志勇等(2009)采用水葫芦(Eichhornia crassipes)处理4种不同程度富营养化水体,当TN质量浓度由2.06 mg·L-1逐渐增加至20.08 mg·L-1时,去除效率由86.6%逐渐降低至55.8%。汪文强(2016)在研究不同植物对中度富营养化水体(TN:4 mg·L-1,TP:0.5 mg·L-1)的去除效果时发现,经过10 d的处理后,水葫芦、空心菜(Ipomoea aquatica)、绿狐尾藻对 TN、TP的去除率分别为92.1%、91.5%、85.5%和87.5%、84.8%、80.4%,湿地出水TN均可达到地表水Ⅲ类水标准,TP均可达到地表水Ⅱ类水标准。王丽卿等(2008)采用沉水植物处理上海淀山湖富营养化水(TN:1.68 mg·L-1,TP:0.43 mg·L-1)的试验表明,金鱼藻(Ceratophyllum demersum)对TN去除效果最好,去除率达到94%,出水TN质量浓度为0.101 mg·L-1,达到地表水Ⅰ类标准;苦草(Vallisneria spiralis)、马来眼子菜(Potamogeton wrightii)对TP的去除率最高,均为 91.1%,出水 TP质量浓度为0.038 mg·L-1,达到地表水Ⅱ类的标准。但是这些研究多数以中低浓度废水的处理为主。由于湿地很难处理高浓度污染水体,所以目前高浓度废水的处理还主要以工程措施为主,采用湿地处理技术的研究还相对较少。近年来,中科院亚热带农业生态研究所的一些研究表明,绿狐尾藻具有耐高氮磷浓度的特点(Li et al.,2015a;王迪,2017),并据此研发了一系列绿狐尾藻人工湿地高浓度废水生态治理专利技术(吴金水等,2013a;吴金水等,2013b;肖润林等,2013)。由于绿狐尾藻是一种浮水植物,受水流冲刷和水文变化的影响,容易导致处理效果出现波动,因此如何构建一个相对稳定的以绿狐尾藻为主的湿地植物群落,对维持湿地系统氮磷的高效、稳定去除具有重要的科学意义。基于此,本文通过小区控制试验,引入挺水植物,试图通过构建绿狐尾藻与几种挺水植物组合模式的比较研究,提高绿狐尾藻湿地对农村污水的处理效果,为高效人工湿地生态治理工程的构建提供科学依据和工程参数。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于湖南省长沙县金井镇脱甲村的中国科学院长沙农业环境观测研究站(113°02′2″E、28°33′4″N),为典型的亚热带湿润季风气候区,年平均气温 17.5 ℃,最高气温 40.1 ℃,最低气温-5.2 ℃。夏秋降雨多,冬春降雨少,降水集中于4—10月,多年平均降雨量1361.6 mm。该区域主要的土地利用类型为农田、林地、茶园等,其中农田(主要为稻田)比例约占 40%。区域内地表水污染较为严重,据前期研究,该区全年TN、TP为V类和劣V类水质的时段占总时段80%以上(孟岑等,2013;王美慧等,2016),畜禽粪便直排以及农田氮磷养分流失是导致区域水体富营养化和水环境恶化的最主要原因(孟岑等,2013)。

1.2 试验设计

试验共设置6个植物组合处理,构建成表面流湿地。植物组合模式分别为绿狐尾藻(Myriophyllum elatinoides)与梭鱼草(Pontederia cordata)、黑三棱(Sparganium stoloniferum)、灯芯草(Juncus effusus)、铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)、水花生(Alternanthera philoxeroides)和野芋头(Calla palustris)。各植物均选取大小均匀的植株种植于30 m×4 m(水深0.3 m)小区中,每个植物组合模式设置3个重复,随机排列,共18个小区。试验小区由稻田改建,基质底泥为水稻土,0~20 cm土壤基本理化性质如下:土壤砂粒(>0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量分别为41.6%和10.0%,质地为粉砂壤土,土壤日均入渗率约为4.5 mm·d-1(焦军霞等,2014);pH 5.12,有机质10.55 g·kg-1,全氮1.185 g·kg-1,全磷 0.40 g·kg-1。

试验小区周围以5 mm厚塑料板隔开防渗,为防止种植植物的空间顺序对试验造成的影响,绿狐尾藻和6种植物在同一样方内的种植顺序和种植面积均一致。植物组合模式均为:前段全部为浮水植物绿狐尾藻,后段分别为6种不同的挺水植物,两段面积比为 1∶1(图 1)。试验进水为农村生活污水与农田排水的混合污水,水质有一定的波动性,试验期间 COD、TN(以 N计,下同)、TP(以 P计,下同)的变化范围依次为:56.34~109.41、21.11~33.24、3.36~5.74 mg·L-1。试验小区设计的水力停留时间为5 d,相当于每天的进水量为60 L·d-1·m-2。该湿地小区于2016年3月开始建设并种植水生植物,待全部植物生长正常以后,6月正式投入运行,7月开始采样分析。

图1 植物组合示意图Fig. 1 Schematic diagram of plant composite patterns

1.3 样品采集与指标测定

于2016年7—11月的每月8日采集1次水样。每次水样采集进水口及各植物组合出水口水样,分别测定氨态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)等指标,NH4+-N、NO3--N经过滤和离心处理后,取上清液上AA3流动分析仪直接测定;TN采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定;TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗比色法测定;COD采用重铬酸钾消解-分光光度法法测定。水样测定方法根据《水和废水监测分析方法(第四版)》(国家环境保护总局,2002)测定。绿狐尾藻约每隔50 d收割1次,共收割3次,6种挺水植物于11月一次收割。植物样于0.5 m×0.5 m样方内采集大小均匀,长势良好的植株,测定总氮(TN)、总磷(TP)指标,各植物样采集后先于实验室内做进一步清洗处理,然后过电子秤称鲜重,剪碎装于信封袋内,置于 105 ℃烘箱中杀青30 min,然后于80 ℃下烘至恒重,称干重(鲜重、干重用于计算各植物生物量与氮磷积累量)。经研磨、过筛(60目)处理后装于自封袋保存,用于测定植物氮磷含量。植物氮磷含量测定用H2SO4-H2O2法消煮,TN上AA3流动分析仪采用凯氏定氮法测定,TP采用钼锑抗比色法测定(鲁如坤,1999)。

1.4 数据计算与分析

植物氮磷积累量PA(g·m-2)的计算公式为:

式中,PBm为第 m次收割植物干重生物量(g·m-2),PCm为第 m 次收割植物氮磷含量(g·kg-1)。

氮磷去除率R的计算公式为:

式中,Ci为第 i月进水浓度(mg·L-1),Co为第i月出水浓度(mg·L-1)。

湿地单位面积氮磷去除量Q0(g·m-2)的计算公式为:

式中,V为小区水体有效容积(m3),t为水力停留时间(d),D 为实验时长(d),Cin为进水平均浓度(mg·L-1),Cout为出水平均浓度(mg·L-1),S为小区有效面积(m2)。

单位面积植物氮磷吸收量Q1(g·m-2)的计算公式为:

式中,PAm为第 m次收割植物氮磷积累量(g·m-2)。

采用Excel 2010软件进行图表处理分析;采用SPSS 20.0进行统计分析,在检验水平P<0.05下分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同植物氮磷含量变化

对不同阶段6种模式下水生植物氮磷含量的分析结果(表 1、表 2)表明,绿狐尾藻氮磷质量分数变化范围为 13.27~33.78 g·kg-1和 0.99~3.95 g·kg-1,均表现为先降低再升高的变化趋势,其中9月为最低,11月最高,各植物氮磷质量分数差异显著(P<0.05)。就全年均值而言,水花生 N质量分数最高(22.48 g·kg-1),灯芯草最低(9.9 g·kg-1),除黑三棱外,其他植物均显著高于灯芯草(P<0.05)。梭鱼草 P质量分数为最高(2.5 g·kg-1),铜钱草最低(1.24 g·kg-1),除梭鱼草显著高于铜钱草外(P<0.05),其他植物间均无显著性差异(P>0.05)。

表1 水生植物总氮含量Table 1 TN contents of aquatic plants g·kg-1

表2 水生植物总磷含量Table 2 TP contents of aquatic plants g·kg-1

从时间动态来讲,不同植物氮磷含量变化不尽一致,其中绿狐尾藻表现为先下降再上升的变化趋势,氮磷含量均以9月为最低(见表1、表2);而水花生氮磷含量则表现为“上升-下降-上升”的变化趋势,N含量8月最高(31.16 g·kg-1),P含量9月最高(1.51 g·kg-1),与绿狐尾藻变化趋势近乎相反。其他5种植物氮磷含量的变化趋势不明显。

2.2 不同组合模式氮磷积累量变化

不同湿地植物组合模式氮磷积累量变化如表 3所示,8月各植物组合N积累量均高于11月份,P积累量均低于11月。梭鱼草组合具有最大的氮磷积累量(8 月:30.87 g·m-2和 11 月 4.69 g·m-2)。8 月灯芯草组合氮磷积累量最低(12.42 g·m-2和 0.99 g·m-2),11月铜钱草组合氮磷积累量最低(13.2 g·m-2和1.93 g·m-2)。8月各植物组合氮磷积累量的平均值分别为20.48g·m-2和1.55 g·m-2,11月分别为18.04 g·m-2和2.7 g·m-2,梭鱼草组合、黑三棱组合的氮磷积累量在平均值之上,属于氮磷积累高功能群,8月两者之间无显著性差异(P>0.05),11月梭鱼草组合显著高于黑三棱组合(P<0.05)。其他4种植物组合的氮磷积累量均在平均值之下,属于氮磷积累低功能群,4种组合之间无显著性差异(P>0.05),但均显著低于梭鱼草组合、黑三棱组合(P<0.05)。

2.3 不同植物组合对污染物的去除

从图2可知,7—11月,各植物组合出水COD、TN浓度均随时间变化而降低,其中7、8月下降较快,9—11月下降减缓,各植物组合对 COD、TN的平均去除率分别为66.9%、80.4%。各植物组合出水COD、TN平均质量浓度分别为24.6 mg·L-1、4.41 mg·L-1,均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准(COD:50 mg·L-1、TN:15 mg·L-1)。其中,以野芋头组合对 COD的去除效果最好,出水平均浓度为 21.24 mg·L-1,铜钱草组合对TN的去除效率最佳,出水平均浓度为3.52 mg·L-1。

各植物组合对TP的去除效果较好,一般稳定在89%以上,除黑三棱和灯芯草组合最大去除率出现在10月以外,其他4种植物组合均表现为11月去除效果最好,平均出水浓度为0.13 mg·L-1,也达到了城镇污水排放一级A标准(TP:0.5 mg·L-1)。

试验期间,绿狐尾藻约每隔50 d收割1次,共收割3次,其他6种植物于11月一次收割。由表4可知,各植物组合模式根据水质变化计算的 TN、TP 去除量分别为 169.61~183.64 g·m-2和 39.18~40.22 g·m-2,处理间无显著性差异(P>0.05),但是不同模式下植物吸收 TN、TP总量分别为30.18~48.33 g·m-2和 4.05~6.73 g·m-2,处理间差异达到显著性水平(P<0.05)。梭鱼草组合的植物吸收对TN、TP去除量占比最高,分别为27.8%和16.7%;野芋头组合的植物吸收对TN、TP去除量占比最低,分别为17.7%和10.3%。

表3 湿地不同模式下水生植物的氮磷积累量Table 3 The accumulated amount of nitrogen and phosphorus in the aquatic plants in the wetland with different plant combination patternsg·m-2

图2 进水和各种植物组合模式出水COD、TN、TP浓度Fig. 2 The concentrations of COD, TN, and TP in the influent and effluent waters for the varied plant combination patterns图中同一月份内标有相同字母的表示其统计差异不显著(P>0.05)Data in the same column followed by the same letter have no significant differences at P<0.05

3 讨论

3.1 湿地污染物的去除效果

本试验结果表明,几种植物组合模式对农村污水均有很好的处理效果,其湿地系统对COD、TN、TP平均去除率分别为 66.9%、80.4%、94%,出水浓度均可达到城镇污水排放一级A标准。本课题组前期的一些研究也表明,在生态沟渠中单一种植绿狐尾藻,其N拦截量为0.39 kg·m-2·a-1,年平均TN去除率为52.8%(王迪等,2016)。本试验中,绿狐尾藻与 6种水生植物组合的平均 TN去除率为80.4%,N 拦截量约为 0.42 kg·m-2·a-1,明显高于单一种植模式,表明绿狐尾藻与其他植物组合对N的去除效果会更好。本研究中,6种水生植物组合TP去除率一般稳定在89.8%~98.5%,且受季节因素影响较小,远高于本课题组前期研究的一些观测结果(40.1%~65.8%)(Liu et al.,2013;李红芳等,2016),其原因可能在于湿地对P的消减机理主要是底泥的物理吸附与化学沉淀作用(潘乐等,2011),本试验湿地为新建湿地,底泥吸附作用强,因此其污染物去除效果更好。

尽管本试验植物对氮磷的吸收效果显著(P<0.05),但是不同植物组合对污染物去除效果的差异却不显著(P>0.05),湿地对氮磷污染物的消纳容量分别可达169.61~183.64 g·m-2和39.18~40.22 g·m-2(表4),表明该湿地对污染物去除的主要途径为底泥与微生物等的综合作用,而非植物的直接吸收,其原因可以从两个方面得以解释:一方面新建湿地底泥对污染物具有较强的物理吸附和化学沉淀效果。根据李红芳等(2016)的研究,研究区土壤P的饱和吸附容量(含量)平均高达0.73 g·kg-1,而本湿地小区土壤 P的初始质量分数仅为 0.40 g·kg-1,吸附潜力巨大。另一方面,不同模式下植物氮磷吸收量在污染物总去除量中占比相对较小,这也进一步解释了不同模式处理效果季节变化不明显的原因。

3.2 湿地植物对污水氮磷去除的贡献

湿地系统对污染物的去除主要通过植物吸收、底泥的基质吸附、微生物硝化-反硝化等多方面的作用实现,其中植物吸收是氮磷去除不可或缺的重要部分(Li et al.,2015b;Zhang et al.,2017)。湿地植物既可直接吸收水体中的氮磷,又可为浮游动物提供栖息场所,植物的根系分泌物也可为微生物的繁殖提供碳源,这些均可加速湿地系统硝化-反硝化等脱N除P进程。水生植物对水体的物理拦截作用同时还可以降低水流流速,增加水力停留时间和促进颗粒物沉降(Vymazal,2011;Vymazal,2013;李红芳等,2016;)。吴振斌等(2001)发现有植物的湿地系统对污染物的去除效果明显好于无植物的湿地系统。张树楠等(2013)的研究也表明,与无植物自然沟渠底泥相比,有植物生态沟渠底泥的P吸附能力更强。

表4 不同模式对废水氮磷污染物的去处效果及植物吸收比率比较Table 4 Comparison of removal amounts and plant absorption ratios for pollutant nitrogen and phosphorus in waste water under different plant composition patterns

由于设计工艺、区域及种植植物的不同,关于植物吸收对氮磷去除的贡献率研究结果不尽一致。Reddy et al.(1999)认为人工湿地中7%~87%的P可通过基质的吸附或沉淀反应而降解,植物吸收所占比例较低。李林锋等(2009)的研究结果表明,植物吸收分别占 TN、TP去除量的 0.6%~17.3%和1.4%~41.2%。卫小松等(2016)408认为湿地植物直接吸收量对湿地氮磷去除的贡献较低,一般不超过10%。本研究中植物吸收占TN、TP去除量的比例分别为17.3%~27.7%和10.3%~16.7%,这与国内大部分的研究结果基本一致,植物直接吸收的氮磷所占比例不高,一般在25%以下。

本研究中,虽然植物吸收对污染物氮磷去除的比例较低,但是植物吸收对于下一步废水氮磷的资源化利用具有十分重要的意义。绿狐尾藻在中国亚热带地区可以正常越冬,每年的生长期可达 10个月以上,生物量一般可达1.5~2.5 t·hm-2,粗蛋白含量高达 11%~18%,因此可作为畜禽饲料进行产业化开发利用,实现废水治理生态效益与经济效益的双赢(肖润林等,2013;何洋,2017)。

4 结论

(1)各植物组合湿地对COD、TN、TP去除率范 围 分别 在 54.7%~81.3%、 61.7%~96.3%、89.8%~97.8%之间,其中,绿狐尾藻与水芋头组合对COD去除效果最好,绿狐尾藻与铜钱草组合对 TN去除效果最好,绿狐尾藻与梭鱼草组合对TP去除效果最佳。

(2)绿狐尾藻氮磷含量在 13.27~33.78 g·kg-1和0.99~3.95 g·kg-1之间,6种植物氮磷含量在7.03~31.16 g·kg-1和 0.83~3.78 g·kg-1之间,绿狐尾藻氮磷含量更高。

(3)亚热带丘陵区,在水力持留时间为5 d条件下,就污水氮磷污染物去除效果而言,以梭鱼草组合和铜钱草组合模式相对较好,试验期间(7—11月),湿地消纳容量分别可达174.1~183.64 g·m-2和40.14~40.22 g·m-2;就植物氮磷吸收而言,梭鱼草组合和黑三棱组合模式相对较好,试验期总吸收量分别可达 39.61~48.33 g·m-2和 5.12~6.73 g·m-2。综合而言,绿狐尾藻与梭鱼草组合模式最佳。

DUNNE E J, CULLETON N, O'DONOVAN G, et al. 2005. Phosphorus retention and sorption by constructed wetland soils in Southeast Ireland[J]. Water Research, 39(18): 4355-4362.

LI X, ZHANG M M, LIU F, et al. 2015b. Abundance and distribution of microorganisms involved in denitrification in sediments of a Myriophyllum elatinoides purification system for treating swine wastewater [J]. Environmental Science and Pollution Research, 22:17906-17916.

LI X, ZHANG MM, LIU F, et al. 2015a. The Significance of Myriophyllum elatinoides for Swine Wastewater Treatment: Abundance and Community Structure of Ammonia-Oxidizing Microorganisms in Sediments [J]. PLOS ONE, 10(10): e0139778.

LIU F, XIAO R L, WANG Y, et al. 2013. Effect of a novel constructed drainage ditch on the phosphorus sorption capacity of ditch soils in an agricultural headwater catchment in subtropical central China [J].Ecological Engineering, 58(9): 69-76.

RREDDY K R, KADLEC R H, FLAIG E, et al. 1999. Phosphorus retention in streams and wetlands: A review [J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 29(01): 83-146.

SUTCLIFFE A G. 2014. Modelling the effects of aquatic plant growth and management on the hydraulics of a chalk stream [D]. London:University of London.

VYMAZAL J. 2011. Constructed wetlands for wastewater treatment: five decades of experience [J]. Environmental Science & Technology,45(1): 61-69.

VYMAZAL J. 2013. Emergent plants used in free water surface constructed wetlands: a review [J]. Environmental Science and Technology, 61(Part B): 582-592.

WALLACE C. 2000. Advanced designs for constructed wetlands [J].Biocycle, 42(6): 40-44.

ZHANG M M, LUO P, LIU F, et al. 2017. Nitrogen removal and distribution of ammonia-oxidizing and denitrifying genes in an integrated constructed wetland for swine wastewater treatment [J].Ecological Engineering, 104(Part A): 30-38.

ZHAO Y J, CHENG P, PEI X, et al. 2013. Performance of hybrid vertical up and downflow subsurface flow constructed wetlands in treating synthetic high-strength wastewater [J]. Environmental Science and Pollution Research, 20(7): 4886-4894.

国家环境保护总局. 2002. 水和废水监测分析方法[M]. 第四版. 北京:中国环境科学出版社: 123-207.

韩例娜, 李裕元, 石辉, 等. 2012. 水生植物对农田排水沟渠氮磷迁移生态阻控效果比较研究[J]. 农业现代化研究, 33(1): 117-120.

何洋. 2017. 静态模拟试验中绿狐尾藻吸收NP特征研究[D]. 长沙: 中国科学院大学.

焦军霞, 杨文, 李裕元, 等. 2014. 有机肥化肥配施对红壤丘陵区稻田土壤氮淋失特征的影响[J]. 农业环境科学学报, 33(6): 1159-1166.

靖元孝, 陈兆平, 杨丹菁, 等. 2002. 风车草对生活污水的净化效果及其在人工湿地的应用[J]. 应用与环境生物学报, 8(6): 614-617.

李红芳, 刘锋, 肖润林, 等. 2016. 水生植物对生态沟渠底泥磷吸附特性的影响[J]. 农业环境科学学报, 35(1): 157-163.

李林锋, 年跃刚, 蒋高明. 2009. 植物吸收在人工湿地脱氮除磷中的贡献[J]. 环境科学研究, 22(3): 337-342.

凌祯. 2012. 浓度和水力负荷对人工湿地脱氮除磷效果的影响研究[D].昆明: 昆明理工大学.

柳君侠. 2010. 南方农村污水处理设施调查及核心处理单元强化除磷研究[D]. 武汉: 武汉理工大学.

鲁如坤. 1999. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社:308-315.

孟岑, 李裕元, 许晓光, 等. 2013. 亚热带流域氮磷排放与养殖业环境承载力实例研究[J]. 环境科学学报, 33(2): 635-643.

潘乐, 茆智, 董斌, 等. 2011. 人工湿地对稻田氮磷污染的去除试验[J].武汉大学学报(工学版), 44(5): 586-589.

汪文强. 2016. 几种水生植物对富营养水体的净化效果研究[D]. 重庆:西南大学.

王迪, 李红芳, 刘锋, 等. 2016. 亚热带农区生态沟渠对农业径流中氮素迁移拦截效应研究[J]. 环境科学, 37(5): 1717-1723.

王迪. 2017. 人工湿地组合系统对农村污水净化效果研究[D]. 长沙: 中国科学院大学.

王丽卿, 李燕, 张瑞雷. 2008. 6种沉水植物系统对淀山湖水质净化效果的研究[J]. 农业环境科学学报, 27(3): 1134-1139.

王美慧, 周脚根, 韩增, 等. 2016. 亚热带典型小流域磷收支及流失特征对比研究[J]. 自然资源学报, 31(2): 321-330.

卫小松, 夏品华, 袁果, 等. 2016. 湿地植物对富营养化水体中氮磷的吸收及去除贡献[J]. 西南农业学报, 29(2): 408-412.

吴金水, 李裕元, 肖润林, 等. 2013.一种平原河网区面源污染治理的方法: 中国. ZL201310312559.3 [P]. 2014-8-27. http://www2.soopat.com/Patent/201310312559.

吴金水, 肖润林, 李裕元, 等. 2013. 一种养猪场废水污染减控方法: 中国. ZL201310313436.1 [P]. 2014-11-14. http://www2.soopat.com/Patent/201310313436.

吴振斌, 任明迅, 付贵萍, 等. 2001. 垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的影响[J]. 环境科学, 22(5):45-49.. 2013.

肖润林,蔡丽阳,吴金水 一种绿狐尾藻的猪饲料及制备方法: 中国. 201310487183X [P]. 2013-10-17. http://www2.soopat.com/Patent/201310487183.

张树楠, 贾兆月, 肖润林, 等. 2013. 生态沟渠底泥属性与磷吸附特性研究[J]. 环境科学, 34(3): 1101-1106.

张骁栋, 李伟, 潘旭, 等. 2016. 表流人工湿地氮素形态组成及去除效率研究[J] .生态环境学报, 25(3): 503-509.

张志勇, 刘海琴, 严少华, 等. 2009. 水葫芦去除不同富营养化水体中氮、磷能力的比较[J]. 江苏农业学报, 25(5): 1039-1046.

Abstract: Constructed wetlands (CWs) are effective action of agricultural non-point source pollution control. Plant composition and combination pattern are the key of effect of CWs on the pollution control ability. As a case study, we selected subtropical hilly red soil region of Hunan. Based on the CWs experiments, we studied dominant plant Myriophyllum elatinoides, which had high removal rate of nitrogen (N) and phosphorus (P), combined with Sparganium stoloniferum, Pontederia cordata, Hydrocotyle vulgaris, Juncus effuses, Calla palustris, Alternanthera philoxeroides, respectively. Our study were to investigate removal efficiency of these combination patterns for treating rural sewage (COD: 56.34~109.41 mg·L-1, TN: 21.11~33.24 mg·L-1, TP: 3.36~5.74 mg·L-1). From July to November, our results showed that the removal rates of COD was the best and high up to 72.9% by M. elatinoides and C.palustris composite pattern, and effluent’s average concentration of COD was 21.24 mg·L-1. The removal rates of TN was the best and high up to 84.9% by M. elatinoides and H. chinensis composite pattern, and effluent’s average concentration of TN was 3.52 mg·L-1. The removal rates of TP was the best and high up to 95.2% by M. elatinoides and P. cordata composite pattern, and effluent’s average concentration of TP was 0.22 mg·L-1. N and P accumulation quantity ranged from 12.43 g·m-2to 30.87 g·m-2, from 0.99 g·m-2to 4.69 g·m-2, respectively, in different composite patterns. N and P accumulation quantity were the most by M. elatinoides and P. cordata combination pattern (Augest: N 30.87 g·m-2, November: P 4.69g·m-2). The N and P absorption removal rate of plant uptake were 17.3%~27.8% and 10.3%~16.7%, respectively. N and P uptake percentage were most by M. elatinoides and P. cordata composite pattern, N and P uptake percentage were least by M. elatinoides and C. palustris composite pattern. In general terms, M.elatinoides and P. cordata composite pattern was the best optimal in the studied area.

Key words: subtropical hilly red soil region; aquatic plants; combination pattern; constructed wetlands; nitrogen; phosphorus

Study on the Aquatic Plant Combination Patterns for Intercepting Nitrogen and Phosphorus in Wetland of Subtropical Hilly Region

WANG Lisha, LI Xi*, GAN Lei, ZHANG Rui, LV Dianqing*, ZHOU Jiaogen,ZHANG Manyi, LI Yuyuan, WU Jinshui

1. School of resources and environmental science, Hunan normal university, Changsha 410006, China 2. Key Laboratory for Agro-ecological Processes in Subtropical Region//Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.017

X173

A

1674-5906(2017)09-1577-07

王丽莎, 李希, 甘蕾, 张瑞, 吕殿青, 周脚根, 张满意, 李裕元, 吴金水. 2017. 亚热带丘陵区湿地水生植物组合模式拦截氮磷的研究[J]. 生态环境学报, 26(9): 1577-1583.

WANG Lisha, LI Xi, GAN Lei, ZHANG Rui, LV Dianqing, ZHOU Jiaogen, ZHANG Manyi, LI Yuyuan, WU Jinshui. 2017. Study on the aquatic plant combination patterns for intercepting nitrogen and phosphorus in wetland of subtropical hilly region [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(9): 1577-1583.

国家自然科学基金项目(41601268);国家科技支撑计划项目(2014BAD14B02);湖南省地理学重点学科建设项目(20110101);河南省重大科技专项(161100310600);水利部公益性行业科研专项经费项目(201501055)

王丽莎(1992年生),女,硕士,研究方向为人工湿地及微生物分子生态学。E-mail: 1912014220@qq.com*通信作者。E-mail: lixi@isa.ac.cn

2017-07-20

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