外源氮素对人工湿地排放通量影响的研究

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期基金项目国家项目国家自然科学基金项目作者简介万晓红女河北张家口人博士主要从事水环境化学研究文章编号外源氮素对人工湿地排放通量影响的研究万晓红匡尚富周怀东王雨春中国水利水电科学研究院水环境研究所北京摘要氮素通过干湿沉降地表径流农业灌溉等途径进入湿地中导致湿地的产生和排放发生变化而是一种温室气体具有较高的温室效应潜力会对环境造成严重影响本研究模拟白洋淀芦苇湿地构建人工模拟湿地系统进行外加氮素试验用静态暗箱气相色谱法进行的通量观测研究外源氮素输入对湿地排放通量的影响结果表明外源氮素形态的不同不仅影响湿地系统中环境因子的改变还会影响氮素进入湿地系统后的迁移转化硝态氮是湿地产生和排放的主要影响因子芦苇湿地系统中氮素的反硝化作用强于无植被湿地系统的排放主要发生在反硝化过程中关键词外源氮素湿地中图分类号文献标识码研究背景是一种温室气体它的增温效应在于它能吸收红外波段的能量从而减少地表热辐射的向外扩散其单个分子的温室效应潜力是单个分子的倍且其寿命是已知温室气体中昀长的大约为年在对流层中相当稳定唯一的清除机制是平流层光解即进入平流层后被分解为和而会造成臭氧层空洞的出现及酸雨的发生有研究报道大气中的增加一倍将会导致全球气温升高臭氧减少紫外线向地球的辐射增加然而在大气中的含量却以每年的速率增长对环境造成了严重影响湿地是的源汇或转换器排放速率较高等发现加拿大哈德逊湾湿地的排放量占所排放总量的湿地排放受氮素有效性调节其排放直接与氮素有效性有关氮素通过干湿沉降地表径流农业灌溉等途径进入湿地中被湿地生物固定和利用影响湿地的生物地球化学过程导致湿地的产生和排放发生变化为了探讨外源氮素输入对湿地排放通量的影响本研究模拟白洋淀芦苇湿地构建人工模拟湿地系统进行外加氮素试验用静态暗箱气相色谱法定期进行的通量观测材料与方法试验系统的构建试验场地设在北京玉渊潭公园南侧昆玉河旁边水生生态修复实验区内模拟湿地系统由湿地系统如图所示配水池系统和进水系统组成一共有个并联方式排列的的钢筋混凝土水池构成的人工模拟湿地系统水池一侧由配水管与配水池相连且每个池子底部装有排水管可将池中水排出人工模拟湿地系统中种植芦苇同时设置无植物的湿地系统作为空白对照芦苇是北方湿地中常见植物其去污能力强外形美观适合城区河湖带种植用于研究的湿地已图人工模拟湿地系统示意经过年的保育熟化土壤介质等基本条件稳定土壤有机质为全氮含量为试验用水由于我国地表水环境普遍表现为以高氮负荷为主要特征的污染问题因此本次试验设计外加铵态氮和硝态氮两种氮源在植物生长活动旺盛的月进行试验试验用水通过抽取北京昆玉河玉渊潭段河水至配水池再根据需要调节氮素浓度后配送到人工模拟湿地系统本次试验分两次进行每次只加入一种氮素分别为加入铵态氮和加入硝态氮含高浓度氮素的试验用水在人工湿地系统中停留湿地水深控制在每次试验开始前将湿地系统中存水放干后重新加入在配水池中调好浓度的试验用水进水后采样作为各池中的初始浓度采样与分析由于芦苇湿地系统对高浓度铵态氮和硝态氮在较短时间均有较高的去除率且铵态氮和硝态氮在芦苇湿地系统中的的寄宿时间分别为和因此本试验用水中铵态氮和硝态氮浓度都控制在左右每次试验为期共采水样次分别在第天的第天的第天的进行采样水样采集后当天进行水质测定所测指标为和其中的测定通过便携式测定仪完成其他项目参考水和废水监测分析方法第四版分别采用纳氏试剂光度法酚二磺酸光度法和萘基乙二胺光度法气体采用密闭静态箱法采集气体浓度的测定采用中国科学院大气物理研究所改装的气象色谱仪其柱温为转化器温度为检测器温度为载气为高纯标准气体由国家标物中心提供气体通量是指单位时间内单位面积上气体变化量正值表示气体从土壤或水体向大气排放负值表示土壤或水体吸收消耗大气中该气体其通量公式如下???式中为被测气体通量为采样箱底座所包围的土壤或水体面积?为采样箱内被测气体质量随时间的变化为采样箱的容积为箱内气体密度??单位为为箱内气压为箱内气温为气体常数为采样箱高度?为被测气体在采样时间内浓度随时间的变化结果与讨论不同形态外源氮素对湿地系统环境因子的影响外源氮素形态的不同直接影响湿地系统中环境因子的改变图和图分别是加入不同形态氮素后湿地系统水中和的变化趋势图由图可以看出无论是加入何种形态氮素湿地系统水中的含量都表现为芦苇湿地低于空白湿地其原因可能是芦苇生长繁密大气水界面的气体交换被大量阻断而空白湿地系统有较大的大气水界面可以进行充足的气体交换另一方面芦苇湿地中生物量大于空白湿地也会是造成含量较低的原外源氮素对人工湿地排放通量影响的研究万晓红匡尚富周怀东王雨春因由图还可看出在试验中加入铵态氮后芦苇湿地和空白湿地系统水中含量的变化趋势相似均表现为随着试验用水停留时间的延长水中含量逐渐减少且在同一天中表现为早上升高午后达到昀大随后又减少的趋势在试验中当湿地系统加入硝态氮后芦苇湿地和空白湿地系统中的变化差异明显空白湿地变化趋势与加入铵态氮后的变化相似而芦苇湿地在加入硝态氮当天迅速减少之后几天变化不大基本保持在左右说明硝态氮的加入会严重影响湿地系统中氧化还原条件的改变图加入不同形态氮素后湿地系统水中变化图加入不同形态氮素后湿地系统水中变化由图可以看出氮素的形态对湿地系统水中的影响不大均表现为空白湿地高于芦苇湿地说明芦苇的存在可以调节系统中酸碱的相对平衡使湿地系统保持适合各种生物生存的中性环境不同形态外源氮对湿地氮素转化的影响氮素在自然界中的存在形式主要包括有机含氮化合物铵态氮硝态氮亚硝态氮和大气中的游离氮气而在湿地系统中以前种形态氮昀多能够直接引起污染的氮素形态主要是铵态氮和硝态氮有机氮化合物在氨化菌的作用下分解转化为铵态氮铵态氮进一步分解氧化生成亚硝态氮亚硝态氮在硝酸菌的作用下又进一步转化为硝态氮因此本次试验主要对人工湿地系统中外加铵态氮和硝态氮后水中的和进行了连续监测高浓度铵态氮对湿地系统水中氮素转化的影响图是加入铵态氮后湿地系统水中和的浓度变化图由图可见在加入铵态氮的试验中第天空白湿地和芦苇湿地水中的浓度都从较高的水平迅速下降去除率分别是和第天空白湿地水中的浓度变化变缓而芦苇湿地水中浓度仍在快速降低这一天的去除率分别为和这一现象说明当高浓度的铵态氮进入湿地后水中高浓度的会与底质中低浓度形成明显的浓度梯度因此在试验的第天芦苇湿地和空白湿地系统都有较高的去除率当湿地系统中铵态氮含量达到平衡后的降低则以吸附植物吸收和硝化等作用为主由图还可看出在湿地系统水中浓度降低的同时水中浓度也发生了明显的变化当铵态氮加入后芦苇湿地和空白湿地水中浓度逐渐升高第天达到昀大值之后芦苇湿地水中的浓度迅速降低到第天降到而空白湿地水中的浓度则基本保持在左右说明在试验过程中湿地系统发生了显著的硝化反应且第天硝化速率达到昀大在前两天的连续监测中还发现湿地系统水中浓度的峰值都出现在每天中午左右这与此时水中含量较高相一致高浓度硝态氮对湿地系统水中氮素转化的影响图是加入硝态氮后湿地系统水中和的浓度变化图由图可知在加入硝态氮的试验中湿地系统中对它的去除效果都很明显但芦苇湿地要好于空白湿地去除率分别为和说明湿地植物的存在能促进湿地的自净功能在加入硝态氮试验开始时两湿地系统中含量都很低之后芦苇湿地系统水中浓度逐渐增加到第天又开始下降并保持在较低的水平而空白湿地系统水中浓度变化很小一方面说明高外源氮素对人工湿地排放通量影响的研究万晓红匡尚富周怀东王雨春浓度硝态氮在湿地系统中的去除主要途径是吸附作用和植物的吸收作用另一方面也说明在芦苇湿地系统中的反硝化作用明显强于空白湿地系统与其相对较低的含量相一致图试验中湿地系统中和的浓度变化图试验中湿地系统中和的浓度变化图是加入不同形态氮素后湿地系统水中浓度变化图由图可以看出在芦苇湿地系统中加入外源氮素的第天水中的浓度达到昀大之后都会减少且在加入硝态氮后的浓度的增加量是加入铵态氮的倍说明高浓度的硝态氮促进了芦苇湿地系统反硝化作用的发生反硝化作用是反硝化菌在缺氧的条件下以为电子受体以有机物为电子供体昀终生成气态氮?的过程如下式所示同化反硝化异化反硝化由于反硝化菌是异氧型兼性厌氧菌只有在没有或缺少分子氧而同时存在的条件下才能利用中的氧进行呼吸使之还原生成或因此降低硝态氮进入湿地系统的浓度会在一定程度上减小反硝化作用的进行图加入不同形态氮素后湿地水中浓度变化不同形态外源氮素对湿地系统排放的影响氮素是产生的直接根源随氮素输入量的增多湿地的排放通量呈指数增加从整个试验结果看无论外源何种形态氮素都会增加的排放通量但是不同形态氮素对湿地系统排放的影响存在差异在整个试验过程中加入硝态氮后的芦苇湿地系统空白湿地系统和加入铵态氮后的芦苇湿地系统空白湿地系统的平均排放量分别是和硝态氮对湿地排放通量的影响远大于铵态氮的外源氮素对人工湿地排放通量影响的研究万晓红匡尚富周怀东王雨春影响原因可能是由于加入硝态氮试验中湿地系统主要发生的是反硝化作用而加入铵态氮试验中湿地系统主要发生的是硝化作用湿地的排放可能主要发生在反硝化作用过程中在的连续监测中发现不同时间不同湿地类型中排放通量是不相同的图是不同外源氮素条件下湿地系统排放通量的变化图由图可以看出在铵态氮试验中只有在第天的芦苇湿地系统中表现出较高的排放通量其它时间以及空白湿地系统的排放通量都在以下在硝态氮试验中湿地系统中的排放通量显著增加特别是在芦苇湿地系统中监测到的排放通量的昀大值达到与和梁东丽的研究成果相一致说明硝酸盐氮是产生和排放的主要影响因子同时结合图可以看出在湿地系统中浓度昀大的第天即反硝化作用速率昀显著的时期的排放通量达到昀大值进一步说明了反硝化作用是产生和排放的控制因素图加入不同形态氮素后湿地系统排放通量变化结论高浓度外源氮素进入湿地系统后水中高浓度的氮素会与底质中低浓度氮素形成明显的浓度梯度此时湿地系统中外源氮素浓度的降低主要是通过物理作用完成的不同形态的浓度氮素在芦苇湿地系统中的迁移转化是不同的铵态氮主要是以植物的吸收和硝化作用为主而硝态氮主要是以植物吸收和反硝化作用来降低浓度有植被的湿地系统中的反硝化作用明显强于无植被的空白湿地系统任何外源氮素都会影响湿地系统中的排放通量其中硝态氮的影响远大于铵态氮一方面说明硝酸盐氮是产生和排放的主要影响因子降低硝态氮进入湿地系统的浓度会在一定程度上减少的排放另一方面外源硝态氮促进了湿地反硝化作用的进行说明湿地的排放主要发生在反硝化作用过程中参考文献王少彬大气中氧化亚氮的源汇和环境效益环境保护外源氮素对人工湿地排放通量影响的研究万晓红匡尚富周怀东王雨春雷泽湘谢贻发徐德兰等大型水生植物对富营养化湖水净化效果的试验研究安徽农业科学杜桂森吴玉梅杨忠山等北京城区河湖水质分析湖泊科学万晓红刘玲花王雨春等水生植物模拟湿地对受污河水中氮素去除的初步研究水利水电技术万晓红李旭东王雨春等不同水生植物对湿地无机氮素去除效果的模拟湖泊科学国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会水和废水监测分析方法第四版北京中国环境科学出版社王洪君王为东卢金伟等湖滨带温室气体氧化亚氮排放研究生态环境张丽华宋长春王德宜等外源氮对沼泽湿地和通量德影响生态学报梁东丽李生秀吴庆强等玉米生长期黄土区土壤氧化亚氮生产和排放及其影响因子研究西北农林科技大学学报自然科学版责任编辑韩昆外源氮素对人工湿地排放通量影响的研究万晓红匡尚富周怀东王雨春