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不同粒径生物炭和泥鳅对人工湿地植物根系形态及基质硝化与反硝化能力的影响

发布时间:2018-8-8 10:11:17  中国污水处理工程网

  生物炭是在无氧或部分缺氧的条件下,由秸秆或者农作物废弃物等经高温裂解后形成的一种富含碳的生物质。生物质炭具有较强的吸附性能和抗生物分解能力,并且具有多孔、孔隙结构发达、比表面积大等特性,已被用作土壤改良剂和污水净化的吸附剂。裂解条件和原料来源影响了生物炭的特性。营养丰富的粪便比木质素-纤维素为原料产生的生物炭具有更高的养分含量。高温热解比低温热解产生的生物炭具有更大的表面积和更高的pH,但有相对低的植物有效养分。生物炭的特性差异影响了植物的生长。当木料生物炭施用于养分贫瘠的土壤时,降低了植物有效氮的含量,然而粪便生物炭则不会产生植物有效养分不足。含有高浓度盐基离子的生物炭施入缓冲性能不良的酸性土壤时,会阻碍作物的生长,然而当它施入缓冲良好的土壤时,对作物生长没有不良影响。可见不同生物炭施入不同类型土壤后,其对植物生长产生不同的影响。

  泥鳅(Misgurnus anguillicaudatus)属于小型底层鱼类,属鳅科,体表黏液丰富,可生活在丰富的含腐殖质环境中,对环境适应能力较强,可通过摄食有机颗粒和原生动物,分解水体中有机物,促进水体复氧。有研究表明,泥鳅的扰动可以促进氨的挥发,同时,泥鳅的扰动也能促进空气与水体的气体交换。然而有关泥鳅对湿地植物根系生长的影响报道相对较少。生物炭已被用于人工湿地中净化污水,但有关不同粒径生物炭对人工湿地氮形态及植物根系生长的影响鲜见报道;因此,本研究通过向人工湿地中投加泥鳅和不同粒径大小的生物炭,揭示在泥鳅扰动下人工湿地中基质氮含量及植物根系生长的变化规律,从而为生物炭和泥鳅在人工湿地中的应用提供理论指导。

  1 材料与方法

  1.1 实验材料

  本实验供试基质选择市售细砂;供试生物炭为竹炭,并将其研磨过1 mm和2 mm筛备用;供试植物选择常见的水生植物菖蒲(Acorus calamus L.);供试动物取平均体长5.5 cm,平均质量1 g的泥鳅。实验用水为模拟生活污水,由硫酸二氢钾、葡萄糖、氯化铵和硝酸钾等配置而成,其水质指标如表1所示。

  表1 进水水质

  1.2 人工湿地系统构建

  本实验人工湿地装置如图1所示,即采用直径为30 cm,高为110 cm的PVC管模拟而成,并在离柱底自下而上5、65和80 cm处分别设置3个出水口(图1)。人工湿地底层先投放10 cm的碎石层,然后将细砂或细砂与生物炭混合后的基质放置碎石层上,放置高度60 cm。根据基质不同,设置3种处理,分别为:1)人工湿地基质为细砂(人工湿地I);2)人工湿地基质为细砂+生物质炭(粒径<1 mm)的混合物,即生物炭与细砂按体积比(2:8)混合(人工湿地II);3)人工湿地基质为细砂+生物质炭(粒径1~2 m)的混合物,即生物炭与细砂按体积比(2:8)混合(人工湿地III)。基质加入人工湿地后,种植2株长势均匀的菖蒲,每种人工湿地设2组,一组人工湿地未加泥鳅,另一组人工湿地加入泥鳅,泥鳅的加入量为每个人工湿地加入20条泥鳅,每个处理设2次重复。

  图1 人工湿地装置图

  人工湿地于2016年3月初在南京信息工程大学生态园网室建立并运行,每次加入污水量为15 L,停留时间3 d,12月运行结束。运行结束后,排空人工湿地中的水,然后分别取出人工湿地中的泥鳅,并测定其数量和重量。另外将人工湿地中植物取出,分析其根系形态(总根长和总根体积),同时取人工湿地的表层(0~0 cm)和中层(10~20 cm)基质,测定其氨态氮含量、硝态氮含量、硝化强度和反硝化强度。

  1.3 分析方法

  基质中氨态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3−-N)含量采用2 mol·L−1的氯化钾浸提,水杨酸分光光度法[15]和紫外分光光度法测定。基质硝化强度和反硝化强度参考贺锋等和郑仁宏等的方法,主要步骤如下。

  基质硝化强度测定:称取10.0 g基质置于锥形瓶中,然后向锥形瓶中加入100 mL NH4+-N培养液,并在恒温25 ℃,转速140 r·min−1下振荡24 h,培养结束后过滤并测定滤液NO3−-N浓度,根据培养前后NO3−-N浓度的变化计算基质硝化作用的强度,计算公式如下:

  F1=((C2−C1)·(V1+V2)·K)/(tm) (1)

  基质反硝化强度测定:称取10.0 g基质置于锥形瓶中,并向锥形瓶中加入100 mL反硝化培养液,然后将锥形瓶放置于25 ℃培养箱中培养24 h,培养结束后,过滤并测定滤液中的NO3−-N含量,然后通过下列公式计算基质的反硝化强度。

  F2=((C2−C1)·(V1+V2)·K)/(tm) (2)

  式中:F1为基质的硝化强度,mg·(kg·h)−1;F2为基质的反硝化强度,mg·(kg·h)−1;C1为初始溶液中NO3−-N含量,mg·L−1;C2为24 h后溶液中NO3−-N含量,mg·L−1;t为培养时间,h;V1为培养液体积,L;V2为样品中水分体积,L;m为基质质量,g;k为水分系数。

  水生植物根系形态采用根系扫描仪EPSON扫描不同处理根系,然后用WinRHIZO软件分析处理样品图像,计算每个样品的总根长和总体积。

  1.4 数据分析

  利用Microsoft Excel 2010 处理数据并作图,采用SPSS 19.0 软件的LSD 法进行差异显著性检验并进行相关性分析。

  2 结果与分析

  2.1 生物炭和泥鳅对人工湿地基质硝化强度的影响

  由图2可知,加入生物炭后,人工湿地III表层和中层基质硝化强度均显著高于人工湿地I(P < 0.05);随着生物炭粒径的增加,人工湿地表层和中层硝化强度也显著增加(P < 0.05),其原因是生物炭具有丰富的孔隙结构,且当加入的生物炭粒径越大,基质孔隙中氧气越多,从而促进好氧微生物的生长,提高了基质的硝化强度。对比图2(a)和(b)发现,加入泥鳅后,人工湿地表层基质的硝化强度均增加,其中人工湿地II加入泥鳅后基质的平均硝化强度(表层和中层的基质硝化强度平均值)增加79.86%,该结果表明泥鳅有效地促进了人工湿地基质的硝化强度。

  图2 未加泥鳅和加泥鳅后人工湿地不同基质层的硝化强度变化

  2.2 生物炭和泥鳅对人工湿地基质反硝化强度的影响

  加入生物炭后,人工湿地表层和中层基质反硝化强度均显著增加(P < 0.05),3种人工湿地平均反硝化强度大小顺序为:人工湿地II >人工湿地III >人工湿地I(图3)。从图3也可以看出,随着生物炭粒径的增加,基质反硝化强度降低,即与粒径大的生物炭相比,粒径小的生物炭加入人工湿地后,有利于提高基质的反硝化强度,其主要原因是粒径小的生物炭孔隙率低,导致人工湿地基质中溶解氧含量低,有利于反硝化细菌的生长,从而增加了反硝化强度。除人工湿地II表层基质外,加入泥鳅后人工湿地基质反硝化强度均增加。

  图3 未加泥鳅和加泥鳅后人工湿地中各基质层的反硝化强度变化

  2.3 生物炭和泥鳅对人工湿地基质氨态氮含量的影响

  在未加泥鳅的人工湿地中,与人工湿地I相比,人工湿地II和人工湿地III中基质平均氨态氮含量分别减少了14.25%和54.24%(图4(a));同样,在有泥鳅的人工湿地中,与人工湿地I相比,人工湿地II和人工湿地III中基质平均氨态氮含量也分别减少了26.86%和52.33%(图4(b))。说明人工湿地中加入生物炭降低了基质氨态氮含量,并且随着生物炭的粒径增大,基质中氨态氮含量降低幅度越大。对比图4(a)和(b)可以发现,在人工湿地I、人工湿地II和人工湿地III中分别加入泥鳅后,基质的平均氨态氮含量分别减少了17.99%、31.29%和12.53%,该结果表明泥鳅扰动也降低了人工湿地基质氨态氮含量。

  图4 未加泥鳅和加泥鳅后人工湿地各基质层中氨态氮含量变化

  2.4 生物炭和泥鳅对人工湿地基质硝态氮含量的影响

  在未加泥鳅的人工湿地中,人工湿地II和人工湿地III分别比人工湿地I中基质的平均硝态氮含量增加了285.78%和88.61%(图5(a));同样,在加入泥鳅的人工湿地中,人工湿地II和人工湿地III比人工湿地I中基质的平均硝态氮含量增加了405.73%和129.76%(图5(b))。对比图5(a)和(b)可以发现,加入泥鳅后人工湿地I、人工湿地II和人工湿地III中基质平均硝态氮含量比未加泥鳅的人工湿地分别增加了248.74%、357.17%和324.83%。

  图5 未加泥鳅和加泥鳅后人工湿地各基层中的硝态氮含量

  2.5 生物炭和泥鳅对人工湿地中植物根系形态的影响

  由表2可知,当泥鳅加入人工湿地后,数量有所降低,其原因是少数泥鳅初期不适应新环境,从而导致其死亡,但后期泥鳅均能在人工湿地中正常生长,且泥鳅的体长和重量均增加。人工湿地II和人工湿地III中泥鳅的体长和重量均高于人工湿地I,且重量增加比较显著。具体联系污水宝或参见http://betqol.com更多相关技术文档。

  表2 不同人工湿地的泥鳅生长变化

  添加生物炭和泥鳅均增加了人工湿地中植物的总根长和总根体积,其中人工湿地II中植物的总根长和总根体积增加最为明显(表3)。未添加泥鳅时,与人工湿地I相比,人工湿地II和III中植物总根长和总根体积分别增加了29.2%、12.3%和54.9%、44.5%。在加入泥鳅的人工湿地中,与人工湿地I相对比,人工湿地II和III中植物总根长和总根体积分别增加了143.0%、59.4%和111.5%、74.8%。当泥鳅加入人工湿地后,人工湿地I、人工湿地II和人工湿地III中湿地植物总根长分别增加了21.54%、128.57%和72.6%,同样地,总根体积分别增加了31.14%、79.03%和58.64%。该结果说明泥鳅扰动也促进了湿地植物根的生长,增加了总根长和总根体积。

  表3 不同人工湿地中植物的总根长和总体积

  3 讨论

  3.1 生物炭粒径对人工湿地硝化及反硝化强度的影响

  人工湿地中加入生物炭促进了基质的硝化强度,这与BERGLUND等[19]的研究结果相一致,即通过对欧洲赤松地区土壤进行室内培养发现,生物炭的添加可以促进土壤的硝化强度;ULYETT等[20]也认为,生物炭能增加土壤的硝化能力。随着生物炭粒径的增加,人工湿地基质硝化强度增加(图2)。SHAMIM等报道,在pH偏碱性的土壤中,且有足够多NH4+-N含量和良好的通气条件,NH4+-N可通过快速硝化转化为NO3−-N。因此,添加粒径大的生物炭导致基质有良好的通气条件,促进了基质的硝化强度。

  人工湿地加入生物炭增加了人工湿地基质的反硝化强度。SHAMIM等报道,生物炭的微孔有利于反硝化细菌的生长,因此,加入生物炭后,基质反硝化强度增加与生物炭加入基质后反硝化细菌增加有关。然而当加入粒径大的生物炭后,人工湿地基质反硝化强度降低,如与人工湿地II相比,人工湿地III基质的平均反硝化强度下降了35.4%。MAAG等报道生物炭的微孔有利于反硝化细菌的栖息,提高反硝化强度,促进土壤中微孔中的N2O有利于还原为N2,但土壤中的大孔隙有利于土壤中的空气进入大气,使N2O直接进入大气,降低反硝化强度。因此,粒径大的生物炭降低了人工湿地基质的反硝化强度,与其加入人工湿地后,基质大孔隙增加不利于反硝化细菌的生长有关。

  3.2 生物炭粒径对人工湿地基质NH4+-N和NO3−-N含量的影响

  人工湿地加入生物炭后,基质NH4+-N含量下降。与人工湿地II相比,人工湿地III基质的平均NH4+-N含量下降了46.6%,说明随着粒径大的生物炭的加入,人工湿地基质NH4+-N含量下降。申卫博等[24]对生物炭的孔结构分析发现,生物炭具有多孔、比表面积大的特征,其中大孔可以通过氧气和有机质来改善土壤结构,为微生物提供了良好的栖息场所。因此,加入粒径大的生物炭有利于促进硝化反应(图2),从而使氨态氮转变为硝态氮,降低氨态氮含量。这与SHAMIM等[22]的研究结果相似,即在好氧条件下,NH4+-N能快速硝化形成NO3−-N。

  加入生物炭后,人工湿地基质NO3−-N含量增加,然而与粒径小的生物炭相比,加入粗粒径的生物炭后,人工湿地基质NO3−-N含量下降,如与人工湿地II相比,人工湿地III基质的平均NO3−-N含量下降了51.1%。生物炭吸附NH4+-N,可阻止它转化为NH3[25]。靖彦等[26]发现,生物炭可以减少土壤中硝态氮的淋失。KNOWLES等[27]也认为土壤中加入生物炭能降低NO3−-N淋失。因此,人工湿地加入生物炭后基质硝态氮含量增加,其原因是生物炭降低了基质的硝态氮淋失,而加入粒径小的生物炭后基质NO3−-N含量高于加入粗粒径生物炭后基质NO3−-N含量,其原因与粒径小的生物炭表面积大对NH4+-N的吸附能力大或阻止NH4+-N转化为NH3有关。相关分析显示,硝态氮含量与反硝化强度呈显著正相关(P <0.05),其原因是硝态氮含量越高越有利于提高反硝化强度。

  3.3 泥鳅对人工湿地基质硝化与反硝化强度和氮形态的影响

  人工湿地加入泥鳅后,基质硝化强度增加,氨态氮含量下降,硝态氮含量增加。孙刚等 [28]发现,泥鳅的扰动可以增加水中的溶解氧含量。因此,在本研究中,人工湿地加入泥鳅后,基质氨态氮含量下降可能与泥鳅增加人工湿地溶解氧,促进氨态氮通过硝化作用转化为硝态氮有关。加入泥鳅后,有利于提高人工基质的反硝化强度(图3),原因是泥鳅促进有机物的分解,增加反硝化细菌碳源,促进反硝化过程。

  3.4 生物炭粒径对根系总根长和总根体积的影响

  从表3可以看出,加入生物炭后,人工湿地中根系总根长和总根体积增加,有研究发现,添加生物炭可以促进植物的生长。张伟明等报道,生物炭具有丰富的微观孔隙结构和较强的吸附能力,同时富含作物生长所需要的营养元素和微量元素,从而促进植物生长。相关分析显示,硝态氮含量分别与人工湿地中植物总根长和总根体积呈极显著正相关(α= 0.01)。因此,加入生物炭后,人工湿地基质NO3−-N含量增加,促进了植物根系生长,增加了根系总根长和总根体积。SIGUA等报道家禽废弃物生物炭(加入量40 t·hm−2)加入壤质砂土后,冬小麦根生物量减少了86%,其原因是家禽废弃物生物炭含有很高的溶解性盐含量,如含2.2% Na、6.9% K、4.9% Ca和1.9% Mg,导致电导率增加,超过了冬小麦的耐受范围(8 dS·m−1) [21]。在本研究中,与加入粒径较小的生物炭相比,加入粒径大的生物炭后,湿地植物根长和根体积下降,说明粒径大的生物炭不利于湿地植物根系的生长。FENG等报道生物炭对N2O的排放与TN/IN比有关,当TC/IN > 60时,生物炭显著降低了N2O的排放,当TC/IN < 45时,生物炭促进了N2O的排放,由此可见,生物炭的TN/IN比可能影响了土壤的反硝化强度,进而影响了N2O的排放。因此,与TN/IN比对土壤排放N2O的影响一样,不同粒径生物炭加入人工湿地影响了湿地植物根系的形态和NO3−-N的含量以及硝化与反硝化强度,最终也会影响人工湿地中N2O的排放量。

  4 结论

  1)人工湿地中添加生物炭和泥鳅后,基质的氨态氮含量减少,硝态氮含量增加,硝化强度和反硝化强度都有所增加。随着添加生物炭粒径的增大,基质中氨态氮含量减少,硝态氮含量减少,硝化强度增加,反硝化强度降低。

  2)人工湿地中添加生物炭和泥鳅有利于提高人工湿地中湿地植物的总根长和总根体积,与粒径小的生物炭相比,粒径大的生物炭加入人工湿地降低了人工湿地中植物的总根长和总根体积。

  3)基质硝态氮含量与植物根系形态(总根长和总根体积)呈极显著正相关,加入生物炭提高基质硝态氮含量,促进植物根系生长。(来源:环境工程学报 作者:徐德福)

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