黄土高原区植物对生物滞留系统氮素运移特性的影响研究

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伴随着城市化的快速发展,引发了一系列水问题,如水生态平衡失调、雨水径流污染、洪涝灾害增多等。生物滞留系统由于其能够实现水文削峰,提高径流水质,并提供美学和生态效益,因此在全世界雨洪管理中得到广泛应用。为因地制宜构建黄土分布区雨水生物滞留系统植被建设,提高雨水生物滞留系统对径流污染物的去除,本文以本土草本植物马蔺、萱草、八宝景天、金色麦冬和无植物对照组为研究对象,采用黄土:砂=6:4作为填料介质,通过合成雨水水质进行为期8周的模拟试验,利用室内土柱种植试验开展雨水生物滞留系统植物筛选及氮素迁移特性研究,以期为雨水生物滞留系统的植物选择与除氮特性的设计优化提供理论基础。8周的模拟进水过程中,系统分析了马蔺、萱草、八宝景天、金色麦冬和无植物对照组在进水过程对填料中氮素分布和氮素去除率的影响。在此基础上对四种植物进行了 3周抗旱性和耐涝性综合比较和分析。最后探讨了氮素在系统多介质中的分配特性,定量分析了氮素在雨水生物滞留系统的归趋模式,明确了各介质对氮素去除的贡献情况。研究得到如下主要成果:(1)不同植物处理条件下填料中NH4+-N含量均随运行时间增加而减少,不同植物处理下NH4+-N分布差异不显著。在系统长期运行过程中,各植物处理对NH4+-N的去除率表现为:马蔺处理下NH4+-N去除率随运行时间的增大而有所下降,平均去除率为87.90%,其余各处理下NH4+-N的去除率随运行时间的延长相对较稳定,去除率范围为90.79%~91.84%。(2)不同植物处理下填料中NO3--N含量均随运行时间增加呈现出明显的差异,NO3--N的初始含量为4.48mg/kg,最后一次进水前填料中的NO3--N平均含量表现为:无植物(5.99mg/kg)>金色麦冬(5.67mg/kg)>萱草(3.66mg/kg)>八宝景天(3.46mg/kg)>马蔺(2.99mg/kg),植物根系越长,填料中NO3--N平均含量越低。不同植物处理对NO3--N平均去除率的影响由大到小表现为:马蔺(29.92%)>八宝景天(14.88%)>萱草(7.16%)>金色麦冬(-13.9%)>无植物(-24.19%),系统填料中NO3--N含量与NO3--N的出水浓度显著相关(P<0.01,R2=0.679)。(3)不同植物处理对填料重量含水率的影响为:与无植物相比,有植物处理下能降低进水后系统填料层的重量含水率。不同植物处理对出流体积的影响为:与无植物组相比,植物的存在可以减少系统出流体积,整个试验运行期间系统的平均出流体积由大到小表现为无植物>金色麦冬>萱草>八宝景天>马蔺。(4)利用指标排序叠加法,按照四种植物的形态特征、株高、叶片数、地上生物量和地下生物量、叶片含水率5因素对四种植物的抗旱和耐涝性进行综合评价,抗旱性能力依次表现为:马蔺>八宝景天>萱草>金色麦冬;耐涝性能力依次表现为马蔺>八宝景天>金色麦冬>萱草。(5)不同植物处理对TN累积的影响为:整个试验运行期间,4种植物的氮素累积量高到低依次为:八宝景天>马蔺>萱草>金色麦冬,其中地上累积量分别为78.14mg,59.83mg,45.03mg,13.56mg;地下累积量分别为 14.09mg,22.2mg,30.22mg,11.62mg。试验运行期间,植物生物量的增加量表现为:八宝景天>马蔺>萱草>金色麦冬,可以看出植物TN的累积量和植物生物量的增加量关系密切,生物量增长越快,植物氮素的累积量越大。(6)通过定量计算氮素在填料、植物和出水中的含量,得出进水氮素的归趋路径:在整个试验期间各系统中氮素的总输入量为466.53mg,无植物、马蔺、萱草、八宝景天、金色麦冬出水氮素总量和填料氮素累积量为:345.23mg、228.6mg、289.25mg、261.26m g、321.91mg 和 51.32mg、27.99mg、18.66mg、23.33mg、46.65mg,马蔺、萱草、八宝景天、金色麦冬的植物累积量为82.03mg、75.25mg、92.23mg、25.18mg。(7)各系统进水氮素在各介质中的归趋比例由大到小表现为:出水>反硝化>植物吸收>填料累积,可以看出各系统出水为进水氮素的主要归趋路径。出水归趋比例由大到小表现为:无植物(74%)>金色麦冬(69%)>萱草(62%)>八宝景天(56%)>马蔺(49%),出水氮素的归趋比例越小,越有利于氮素的去除。
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