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近岸养殖废水排放是影响红树林生态系统的一个主要因素之一。本文通过室内模拟实验,研究滨海湿地植物对养殖废水中营养盐的耐受程度和净化效果,重点探讨养殖废水排放对红树林土壤中氧化亚氮(N2O)通量影响及机制研究,利用荧光定量PCR技术探究土壤功能微生物丰度变化以及湿地植物在影响土壤微生物代谢过程和N2O排放特征方面的作用。 本研究通过室内盆栽实验,选取两种红树植物(桐花树和秋茄)和两种盐沼植物(短叶茳芏和芦苇),并设定无植物为对照处理,分别用人工养殖清塘废水和自来水进行处理,定期测定渗滤液无机氮变化情况,处理结束后测定植物生物量、叶绿素、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量、过氧化氢(H2O2)含量、可溶性糖、土壤无机氮以及植物总氮含量等等。比较清塘废水处理下湿地植物对废水中营养盐的净化效果和植物生理生态响应特性,主要结论如下: (1)通过对渗滤液中无机氮研究表明,植物对人工养殖清塘废水表现出一定的耐污性并且有利于营养盐的去除,秋茄对废水氨态氮去除效果高于无植物处理,盐沼植物对废水硝态氮去除效果优于无植物处理。 (2)从土壤理化性质来看,土壤无机氮含量和氧化还原电位随废水处理或植物处理表现出显著差异,废水处理提高了土壤无机氮含量,无植物处理无机氮含量高于有植物处理,说明植物吸收可降低土壤中无机氮含量。 (3)从植物生长和生理指标来看,废水输入有利于植物生物量增长,但是不同物种或不同部位的生物量对养殖废水响应有差异,废水处理显著提高了秋茄和芦苇地上部分生物量,而桐花树和短叶江芏地上部分生物量则未因废水处理而显著增加。相比地上部分,地下部分生物量受废水处理的影响不显著,而总生物量对废水处理的响应与地上部分生物量一致。植物叶绿素含量、SOD活性、H2O2含量、可溶性糖含量均表现出种间差异。经过废水的处理,桐花树体内的MDA含量明显升高,而芦苇体内的含量则明显降低。另外两种植物秋茄和短叶茳芏则未受到影响。这说明废水处理对桐花树造成了不利的影响,对其它3种植物的膜系统并没有造成显著破坏或它们的修复能力很强,从而降低各种自由基对生物膜的破坏作用。此外,废水处理后桐花树和芦苇体内的SOD酶活性与对照处理相比保持在较高水平,这有利于清除胁迫产生的大量自由基,从而保护细胞免受伤害。 (4)植物体内总氮含量分析结果表明,相比对照处理(自来水),废水处理显著提高了植物地上部分总氮含量,这种作用对桐花树、秋茄和芦苇更为明显。对于地下部分总氮含量,对照处理下,4种植物地下总氮含量较接近,但废水输入后显著提高了两种盐沼植物的总氮含量,两种红树林植物的总氮含量则未受废水处理的影响。经过4个月污灌处理,桐花树、秋茄、芦苇和短叶茳芏植物的氮吸收量占废水中被去除的氮的比例分别为1.26%、2.07%、7.58%和3.23%。总的来说,废水中营养盐的输入有利于植物生物量增长,不同植物对养殖废水有不同响应,秋茄和芦苇耐污性和净化功能均要强于同类植物桐花树和短叶茳芏。 由于芦苇是多年生草本植物,每年秋季都会经历枯萎阶段和分解,而红树植物秋茄是木本植物,随着植物生长生物量持续积累,总体上具有更好的净化效果。故本研究选取秋茄作为实验材料。设置三种人工养殖废水,自来水为对照处理,每个处理下设置植物和无植物处理,比较不同人工养殖废水和植物对土壤 N2O通量影响以及机制研究。主要的结论如下: (1)通过对渗滤液中无机氮研究表明,废水中无机氮的去除效果随废水类型而有差异,植物对废水中无机氮去除效果无明显影响。 (2)相比对照(自来水)处理,废水处理提高红树林土壤中N2O排放,其中清塘废水处理最为明显,N2O平均通量达到271.41μmol m-2 h-1。分别以硝态氮和氨态氮为主的养殖池外排水A和外排水B两个处理中,N2O通量仅为1.44μmol m-2 h-1和1.17μmol m-2 h-1。在外排水A和B处理中,种有秋茄的土壤N2O通量低于无植物的处理,说明植物能影响N2O排放。在污灌完后和污灌3小时后各处理下土壤N2O通量无明显变化。 (3)本研究中AOA基因拷贝数大于AOB基因拷贝数,拷贝数范围分别在2.58×108~9.95×1010copies g-1和8.51×106~9.79×108copies g-1之间。清塘废水底层土壤AOA基因丰度明显高于其他三个处理组,而表层土壤AOB基因明显低于对照处理和外排水A,说明在本研究具有高浓度无机氮的清塘废水中AOA在硝化菌中占据主导地位;而以氨态氮为主的养殖废水(B)也对土壤AOA基因数量有明显作用。本研究中植物处理对AOA和AOB无显著影响。反硝化菌关键酶基因在DNA水平上nosZ于底层土壤受废水处理有显著差异,清塘废水处理组明显高于其他处理,nosZ基因拷贝数达到6.60×1011copies g-1。土壤表层narG基因丰度受植物处理有显著差异,废水处理和植物处理对nirK丰度无显著差异。总之,土壤中各基因丰度(DNA水平)均高于其转录丰度(cDNA水平)。 (4)总体上看,在外排水A对土壤反硝化菌的影响主要作用于亚硝酸氮还原菌,红树植物在一定程度上降低了亚硝酸氮还原作用从而降低了土壤的N2O排放通量。在外排水B处理中,N2O的产生主要来源于表层土壤AOA的硝化作用。植物对土壤N2O还原的作用也可能是A和B两种废水处理中有植物处理N2O较低的原因。本研究也认为,尽管清塘废水(SP)处理中土壤硝酸盐还原菌的数量也受到废水影响,但这种影响与其他两种废水类型相比仍不明显,其N2O的大量释放主要是由于废水中携带的大量无机氮引起。