不同粒徑生物炭和泥鰍對人工濕地植物根系形態(tài)及基質(zhì)硝化與反硝化能力的影響

　　生物炭是在無(wú)氧或部分缺氧的條件下，由秸稈或者農作物廢棄物等經(jīng)高溫裂解后形成的一種富含碳的生物質(zhì)。生物質(zhì)炭具有較強的吸附性能和抗生物分解能力，并且具有多孔、孔隙結構發(fā)達、比表面積大等特性，已被用作土壤改良劑和污水凈化的吸附劑。裂解條件和原料來(lái)源影響了生物炭的特性。營(yíng)養豐富的糞便比木質(zhì)素-纖維素為原料產(chǎn)生的生物炭具有更高的養分含量。高溫熱解比低溫熱解產(chǎn)生的生物炭具有更大的表面積和更高的pH，但有相對低的植物有效養分。生物炭的特性差異影響了植物的生長(cháng)。當木料生物炭施用于養分貧瘠的土壤時(shí)，降低了植物有效氮的含量，然而糞便生物炭則不會(huì )產(chǎn)生植物有效養分不足。含有高濃度鹽基離子的生物炭施入緩沖性能不良的酸性土壤時(shí)，會(huì )阻礙作物的生長(cháng)，然而當它施入緩沖良好的土壤時(shí)，對作物生長(cháng)沒(méi)有不良影響�？梢�(jiàn)不同生物炭施入不同類(lèi)型土壤后，其對植物生長(cháng)產(chǎn)生不同的影響。

　　泥鰍(Misgurnus anguillicaudatus)屬于小型底層魚(yú)類(lèi)，屬鰍科，體表黏液豐富，可生活在豐富的含腐殖質(zhì)環(huán)境中，對環(huán)境適應能力較強，可通過(guò)攝食有機顆粒和原生動(dòng)物，分解水體中有機物，促進(jìn)水體復氧。有研究表明，泥鰍的擾動(dòng)可以促進(jìn)氨的揮發(fā)，同時(shí)，泥鰍的擾動(dòng)也能促進(jìn)空氣與水體的氣體交換。然而有關(guān)泥鰍對濕地植物根系生長(cháng)的影響報道相對較少。生物炭已被用于人工濕地中凈化污水，但有關(guān)不同粒徑生物炭對人工濕地氮形態(tài)及植物根系生長(cháng)的影響鮮見(jiàn)報道;因此，本研究通過(guò)向人工濕地中投加泥鰍和不同粒徑大小的生物炭，揭示在泥鰍擾動(dòng)下人工濕地中基質(zhì)氮含量及植物根系生長(cháng)的變化規律，從而為生物炭和泥鰍在人工濕地中的應用提供理論指導。

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗材料

　　本實(shí)驗供試基質(zhì)選擇市售細砂;供試生物炭為竹炭，并將其研磨過(guò)1 mm和2 mm篩備用;供試植物選擇常見(jiàn)的水生植物菖蒲(Acorus calamus L.);供試動(dòng)物取平均體長(cháng)5.5 cm，平均質(zhì)量1 g的泥鰍。實(shí)驗用水為模擬生活污水，由硫酸二氫鉀、葡萄糖、氯化銨和硝酸鉀等配置而成，其水質(zhì)指標如表1所示。

　　表1 進(jìn)水水質(zhì)

　　1.2 人工濕地系統構建

　　本實(shí)驗人工濕地裝置如圖1所示，即采用直徑為30 cm，高為110 cm的PVC管模擬而成，并在離柱底自下而上5、65和80 cm處分別設置3個(gè)出水口(圖1)。人工濕地底層先投放10 cm的碎石層，然后將細砂或細砂與生物炭混合后的基質(zhì)放置碎石層上，放置高度60 cm。根據基質(zhì)不同，設置3種處理，分別為：1)人工濕地基質(zhì)為細砂(人工濕地I);2)人工濕地基質(zhì)為細砂+生物質(zhì)炭(粒徑<1 mm)的混合物，即生物炭與細砂按體積比(2:8)混合(人工濕地II);3)人工濕地基質(zhì)為細砂+生物質(zhì)炭(粒徑1～2 m)的混合物，即生物炭與細砂按體積比(2:8)混合(人工濕地III)�；�質(zhì)加入人工濕地后，種植2株長(cháng)勢均勻的菖蒲，每種人工濕地設2組，一組人工濕地未加泥鰍，另一組人工濕地加入泥鰍，泥鰍的加入量為每個(gè)人工濕地加入20條泥鰍，每個(gè)處理設2次重復。

　　圖1 人工濕地裝置圖

　　1.3 分析方法

　　基質(zhì)中氨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3−-N)含量采用2 mol·L−1的氯化鉀浸提，水楊酸分光光度法[15]和紫外分光光度法測定�；�質(zhì)硝化強度和反硝化強度參考賀鋒等和鄭仁宏等的方法，主要步驟如下。

　　基質(zhì)硝化強度測定：稱(chēng)取10.0 g基質(zhì)置于錐形瓶中，然后向錐形瓶中加入100 mL NH4+-N培養液，并在恒溫25 ℃，轉速140 r·min−1下振蕩24 h，培養結束后過(guò)濾并測定濾液NO3−-N濃度，根據培養前后NO3−-N濃度的變化計算基質(zhì)硝化作用的強度，計算公式如下：

　　F1=((C2−C1)·(V1+V2)·K)/(tm) (1)

　　基質(zhì)反硝化強度測定：稱(chēng)取10.0 g基質(zhì)置于錐形瓶中，并向錐形瓶中加入100 mL反硝化培養液，然后將錐形瓶放置于25 ℃培養箱中培養24 h，培養結束后，過(guò)濾并測定濾液中的NO3−-N含量，然后通過(guò)下列公式計算基質(zhì)的反硝化強度。

　　F2=((C2−C1)·(V1+V2)·K)/(tm) (2)

　　式中：F1為基質(zhì)的硝化強度，mg·(kg·h)−1;F2為基質(zhì)的反硝化強度，mg·(kg·h)−1;C1為初始溶液中NO3−-N含量，mg·L−1;C2為24 h后溶液中NO3−-N含量，mg·L−1;t為培養時(shí)間，h;V1為培養液體積，L;V2為樣品中水分體積，L;m為基質(zhì)質(zhì)量，g;k為水分系數。

　　水生植物根系形態(tài)采用根系掃描儀EPSON掃描不同處理根系，然后用WinRHIZO軟件分析處理樣品圖像，計算每個(gè)樣品的總根長(cháng)和總體積。

　　1.4 數據分析

　　利用Microsoft Excel 2010 處理數據并作圖，采用SPSS 19.0 軟件的LSD 法進(jìn)行差異顯著(zhù)性檢驗并進(jìn)行相關(guān)性分析。

　　2 結果與分析

　　2.1 生物炭和泥鰍對人工濕地基質(zhì)硝化強度的影響

　　由圖2可知，加入生物炭后，人工濕地III表層和中層基質(zhì)硝化強度均顯著(zhù)高于人工濕地I(P < 0.05);隨著(zhù)生物炭粒徑的增加，人工濕地表層和中層硝化強度也顯著(zhù)增加(P < 0.05)，其原因是生物炭具有豐富的孔隙結構，且當加入的生物炭粒徑越大，基質(zhì)孔隙中氧氣越多，從而促進(jìn)好氧微生物的生長(cháng)，提高了基質(zhì)的硝化強度。對比圖2(a)和(b)發(fā)現，加入泥鰍后，人工濕地表層基質(zhì)的硝化強度均增加，其中人工濕地II加入泥鰍后基質(zhì)的平均硝化強度(表層和中層的基質(zhì)硝化強度平均值)增加79.86%，該結果表明泥鰍有效地促進(jìn)了人工濕地基質(zhì)的硝化強度。

　　圖2 未加泥鰍和加泥鰍后人工濕地不同基質(zhì)層的硝化強度變化

　　2.2 生物炭和泥鰍對人工濕地基質(zhì)反硝化強度的影響

　　加入生物炭后，人工濕地表層和中層基質(zhì)反硝化強度均顯著(zhù)增加(P < 0.05)，3種人工濕地平均反硝化強度大小順序為：人工濕地II >人工濕地III >人工濕地I(圖3)。從圖3也可以看出，隨著(zhù)生物炭粒徑的增加，基質(zhì)反硝化強度降低，即與粒徑大的生物炭相比，粒徑小的生物炭加入人工濕地后，有利于提高基質(zhì)的反硝化強度，其主要原因是粒徑小的生物炭孔隙率低，導致人工濕地基質(zhì)中溶解氧含量低，有利于反硝化細菌的生長(cháng)，從而增加了反硝化強度。除人工濕地II表層基質(zhì)外，加入泥鰍后人工濕地基質(zhì)反硝化強度均增加。

　　圖3 未加泥鰍和加泥鰍后人工濕地中各基質(zhì)層的反硝化強度變化

　　2.3 生物炭和泥鰍對人工濕地基質(zhì)氨態(tài)氮含量的影響

　　在未加泥鰍的人工濕地中，與人工濕地I相比，人工濕地II和人工濕地III中基質(zhì)平均氨態(tài)氮含量分別減少了14.25%和54.24%(圖4(a));同樣，在有泥鰍的人工濕地中，與人工濕地I相比，人工濕地II和人工濕地III中基質(zhì)平均氨態(tài)氮含量也分別減少了26.86%和52.33%(圖4(b))。說(shuō)明人工濕地中加入生物炭降低了基質(zhì)氨態(tài)氮含量，并且隨著(zhù)生物炭的粒徑增大，基質(zhì)中氨態(tài)氮含量降低幅度越大。對比圖4(a)和(b)可以發(fā)現，在人工濕地I、人工濕地II和人工濕地III中分別加入泥鰍后，基質(zhì)的平均氨態(tài)氮含量分別減少了17.99%、31.29%和12.53%，該結果表明泥鰍擾動(dòng)也降低了人工濕地基質(zhì)氨態(tài)氮含量。

　　圖4 未加泥鰍和加泥鰍后人工濕地各基質(zhì)層中氨態(tài)氮含量變化

　　2.4 生物炭和泥鰍對人工濕地基質(zhì)硝態(tài)氮含量的影響

　　在未加泥鰍的人工濕地中，人工濕地II和人工濕地III分別比人工濕地I中基質(zhì)的平均硝態(tài)氮含量增加了285.78%和88.61%(圖5(a));同樣，在加入泥鰍的人工濕地中，人工濕地II和人工濕地III比人工濕地I中基質(zhì)的平均硝態(tài)氮含量增加了405.73%和129.76%(圖5(b))。對比圖5(a)和(b)可以發(fā)現，加入泥鰍后人工濕地I、人工濕地II和人工濕地III中基質(zhì)平均硝態(tài)氮含量比未加泥鰍的人工濕地分別增加了248.74%、357.17%和324.83%。

　　圖5 未加泥鰍和加泥鰍后人工濕地各基層中的硝態(tài)氮含量

　　2.5 生物炭和泥鰍對人工濕地中植物根系形態(tài)的影響

　　由表2可知，當泥鰍加入人工濕地后，數量有所降低，其原因是少數泥鰍初期不適應新環(huán)境，從而導致其死亡，但后期泥鰍均能在人工濕地中正常生長(cháng)，且泥鰍的體長(cháng)和重量均增加。人工濕地II和人工濕地III中泥鰍的體長(cháng)和重量均高于人工濕地I，且重量增加比較顯著(zhù)。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　表2 不同人工濕地的泥鰍生長(cháng)變化

　　添加生物炭和泥鰍均增加了人工濕地中植物的總根長(cháng)和總根體積，其中人工濕地II中植物的總根長(cháng)和總根體積增加最為明顯(表3)。未添加泥鰍時(shí)，與人工濕地I相比，人工濕地II和III中植物總根長(cháng)和總根體積分別增加了29.2%、12.3%和54.9%、44.5%。在加入泥鰍的人工濕地中，與人工濕地I相對比，人工濕地II和III中植物總根長(cháng)和總根體積分別增加了143.0%、59.4%和111.5%、74.8%。當泥鰍加入人工濕地后，人工濕地I、人工濕地II和人工濕地III中濕地植物總根長(cháng)分別增加了21.54%、128.57%和72.6%，同樣地，總根體積分別增加了31.14%、79.03%和58.64%。該結果說(shuō)明泥鰍擾動(dòng)也促進(jìn)了濕地植物根的生長(cháng)，增加了總根長(cháng)和總根體積。

　　表3 不同人工濕地中植物的總根長(cháng)和總體積

　　3 討論

　　3.1 生物炭粒徑對人工濕地硝化及反硝化強度的影響

　　人工濕地中加入生物炭促進(jìn)了基質(zhì)的硝化強度，這與BERGLUND等[19]的研究結果相一致，即通過(guò)對歐洲赤松地區土壤進(jìn)行室內培養發(fā)現，生物炭的添加可以促進(jìn)土壤的硝化強度;ULYETT等[20]也認為，生物炭能增加土壤的硝化能力。隨著(zhù)生物炭粒徑的增加，人工濕地基質(zhì)硝化強度增加(圖2)。SHAMIM等報道，在pH偏堿性的土壤中，且有足夠多NH4+-N含量和良好的通氣條件，NH4+-N可通過(guò)快速硝化轉化為NO3−-N。因此，添加粒徑大的生物炭導致基質(zhì)有良好的通氣條件，促進(jìn)了基質(zhì)的硝化強度。

　　人工濕地加入生物炭增加了人工濕地基質(zhì)的反硝化強度。SHAMIM等報道，生物炭的微孔有利于反硝化細菌的生長(cháng)，因此，加入生物炭后，基質(zhì)反硝化強度增加與生物炭加入基質(zhì)后反硝化細菌增加有關(guān)。然而當加入粒徑大的生物炭后，人工濕地基質(zhì)反硝化強度降低，如與人工濕地II相比，人工濕地III基質(zhì)的平均反硝化強度下降了35.4%。MAAG等報道生物炭的微孔有利于反硝化細菌的棲息，提高反硝化強度，促進(jìn)土壤中微孔中的N2O有利于還原為N2，但土壤中的大孔隙有利于土壤中的空氣進(jìn)入大氣，使N2O直接進(jìn)入大氣，降低反硝化強度。因此，粒徑大的生物炭降低了人工濕地基質(zhì)的反硝化強度，與其加入人工濕地后，基質(zhì)大孔隙增加不利于反硝化細菌的生長(cháng)有關(guān)。

　　3.2 生物炭粒徑對人工濕地基質(zhì)NH4+-N和NO3−-N含量的影響

　　人工濕地加入生物炭后，基質(zhì)NH4+-N含量下降。與人工濕地II相比，人工濕地III基質(zhì)的平均NH4+-N含量下降了46.6%，說(shuō)明隨著(zhù)粒徑大的生物炭的加入，人工濕地基質(zhì)NH4+-N含量下降。申衛博等[24]對生物炭的孔結構分析發(fā)現，生物炭具有多孔、比表面積大的特征，其中大孔可以通過(guò)氧氣和有機質(zhì)來(lái)改善土壤結構，為微生物提供了良好的棲息場(chǎng)所。因此，加入粒徑大的生物炭有利于促進(jìn)硝化反應(圖2)，從而使氨態(tài)氮轉變?yōu)橄鯌B(tài)氮，降低氨態(tài)氮含量。這與SHAMIM等[22]的研究結果相似，即在好氧條件下，NH4+-N能快速硝化形成NO3−-N。

　　加入生物炭后，人工濕地基質(zhì)NO3−-N含量增加，然而與粒徑小的生物炭相比，加入粗粒徑的生物炭后，人工濕地基質(zhì)NO3−-N含量下降，如與人工濕地II相比，人工濕地III基質(zhì)的平均NO3−-N含量下降了51.1%。生物炭吸附NH4+-N，可阻止它轉化為NH3[25]。靖彥等[26]發(fā)現，生物炭可以減少土壤中硝態(tài)氮的淋失。KNOWLES等[27]也認為土壤中加入生物炭能降低NO3−-N淋失。因此，人工濕地加入生物炭后基質(zhì)硝態(tài)氮含量增加，其原因是生物炭降低了基質(zhì)的硝態(tài)氮淋失，而加入粒徑小的生物炭后基質(zhì)NO3−-N含量高于加入粗粒徑生物炭后基質(zhì)NO3−-N含量，其原因與粒徑小的生物炭表面積大對NH4+-N的吸附能力大或阻止NH4+-N轉化為NH3有關(guān)。相關(guān)分析顯示，硝態(tài)氮含量與反硝化強度呈顯著(zhù)正相關(guān)(P <0.05)，其原因是硝態(tài)氮含量越高越有利于提高反硝化強度。

　　3.3 泥鰍對人工濕地基質(zhì)硝化與反硝化強度和氮形態(tài)的影響

　　人工濕地加入泥鰍后，基質(zhì)硝化強度增加，氨態(tài)氮含量下降，硝態(tài)氮含量增加。孫剛等 [28]發(fā)現，泥鰍的擾動(dòng)可以增加水中的溶解氧含量。因此，在本研究中，人工濕地加入泥鰍后，基質(zhì)氨態(tài)氮含量下降可能與泥鰍增加人工濕地溶解氧，促進(jìn)氨態(tài)氮通過(guò)硝化作用轉化為硝態(tài)氮有關(guān)。加入泥鰍后，有利于提高人工基質(zhì)的反硝化強度(圖3)，原因是泥鰍促進(jìn)有機物的分解，增加反硝化細菌碳源，促進(jìn)反硝化過(guò)程。

　　3.4 生物炭粒徑對根系總根長(cháng)和總根體積的影響

　　從表3可以看出，加入生物炭后，人工濕地中根系總根長(cháng)和總根體積增加，有研究發(fā)現，添加生物炭可以促進(jìn)植物的生長(cháng)。張偉明等報道，生物炭具有豐富的微觀(guān)孔隙結構和較強的吸附能力，同時(shí)富含作物生長(cháng)所需要的營(yíng)養元素和微量元素，從而促進(jìn)植物生長(cháng)。相關(guān)分析顯示，硝態(tài)氮含量分別與人工濕地中植物總根長(cháng)和總根體積呈極顯著(zhù)正相關(guān)(α= 0.01)。因此，加入生物炭后，人工濕地基質(zhì)NO3−-N含量增加，促進(jìn)了植物根系生長(cháng)，增加了根系總根長(cháng)和總根體積。SIGUA等報道家禽廢棄物生物炭(加入量40 t·hm−2)加入壤質(zhì)砂土后，冬小麥根生物量減少了86%，其原因是家禽廢棄物生物炭含有很高的溶解性鹽含量，如含2.2% Na、6.9% K、4.9% Ca和1.9% Mg，導致電導率增加，超過(guò)了冬小麥的耐受范圍(8 dS·m−1) [21]。在本研究中，與加入粒徑較小的生物炭相比，加入粒徑大的生物炭后，濕地植物根長(cháng)和根體積下降，說(shuō)明粒徑大的生物炭不利于濕地植物根系的生長(cháng)。FENG等報道生物炭對N2O的排放與TN/IN比有關(guān)，當TC/IN > 60時(shí)，生物炭顯著(zhù)降低了N2O的排放，當TC/IN < 45時(shí)，生物炭促進(jìn)了N2O的排放，由此可見(jiàn)，生物炭的TN/IN比可能影響了土壤的反硝化強度，進(jìn)而影響了N2O的排放。因此，與TN/IN比對土壤排放N2O的影響一樣，不同粒徑生物炭加入人工濕地影響了濕地植物根系的形態(tài)和NO3−-N的含量以及硝化與反硝化強度，最終也會(huì )影響人工濕地中N2O的排放量。

　　4 結論

　　1)人工濕地中添加生物炭和泥鰍后，基質(zhì)的氨態(tài)氮含量減少，硝態(tài)氮含量增加，硝化強度和反硝化強度都有所增加。隨著(zhù)添加生物炭粒徑的增大，基質(zhì)中氨態(tài)氮含量減少，硝態(tài)氮含量減少，硝化強度增加，反硝化強度降低。

　　2)人工濕地中添加生物炭和泥鰍有利于提高人工濕地中濕地植物的總根長(cháng)和總根體積，與粒徑小的生物炭相比，粒徑大的生物炭加入人工濕地降低了人工濕地中植物的總根長(cháng)和總根體積。

　　3)基質(zhì)硝態(tài)氮含量與植物根系形態(tài)(總根長(cháng)和總根體積)呈極顯著(zhù)正相關(guān)，加入生物炭提高基質(zhì)硝態(tài)氮含量，促進(jìn)植物根系生長(cháng)。(來(lái)源：環(huán)境工程學(xué)報 作者：徐德福)