不同进水盐度下表流人工湿地基质应用策略

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水生植物是人工湿地的重要组成部分,发挥着重要的生态功能。在不同的人工湿地系统中,水生植物的生长条件差异较大,例如进水污染物浓度、盐度以及基质条件等,因此水生植物的生长状态差异极大,水生植物的生态功能也受到生长条件的影响。本文在不同进水盐度胁迫下,研究基质有无以及不同基质对于水生植物生长状态及其对人工湿地净化功能的影响,旨在为不同盐度胁迫下人工湿地基质运用策略的制定提供依据。本文以抗逆性强的水生植物黄菖蒲(Iris pseudacorus)作为被试植物。实验一以无基质水培的人工湿地(CK)作为对照组,淤泥(SI)作为基质组,研究在不同进水盐浓度下基质有无对人工湿地净化效果的影响;实验二以土壤(SO)、沙子(SA)、石子(GR)作为处理,探究在不同盐浓度条件下不同基质对表流人工湿地净化效果的影响。本研究目的是确定不同进水盐度下表面流人工湿地中基质的应用策略。研究结果表明:(1)与无基质水培相比,在低盐浓度条件下有基质的表流人工湿地由于自身营养成分充足,会向水体释放部分营养物质,导致植物生理生态指标虽然优秀,但净化效果却不如无基质水培。但随着盐浓度的提升,在盐浓度为6‰时,有基质组在化学需氧量、总氮、硝氮各方面的去除率为38.09%、87.15%、87.09%,显著高于无基质水培组的24.86%、81.35%、73.55%;实验期间,基质组的单位面积生物量、叶片叶绿素浓度表现更好,显著高于无基质水培组;基质组根系过氧化氢酶(CAT)的活性波动范围在81.34-241.62U·g-1min-1,而无基质水培组波动范围在104.64-395.76 U·g-1min-1,与培养初期相比,基质组的根系CAT活性提升了61.8%,而无基质水培组根系CAT活性下降了73.56%;无基质水培组根系活力波动范围在151.53-234.72μg/(g·h),而无基质水培组范围在102.22-432.81μg/(g·h),与培养初期相比,基质组根系活力保持不变,无基质水培组根系活力下降了51.08%。结果表明,在高盐浓度条件下基质能够保证水生植物的生长,这验证了基质的存在确实能够为水生植物提供逆境避难所。因此,建议在高进水盐度或盐度波动较大的条件下,在浮床人工湿地或表流人工湿地中使用基质。(2)与石子、沙子为基质组成的表流人工湿地相比,土壤表流人工湿地在盐、总氮、总磷和化学需氧量的去除效率方面,在低盐度条件下表现为相似或者较差;但随着盐浓度的提升,在盐浓度为6‰时,土壤人工湿地盐、总磷和化学需氧量的去除效率分别是25.56%、96.24%、28.75%,高于沙子人工湿地的12%、92.48%、20.83%和石子人工湿地的4.44%、94.50%、16.67%;土壤整个时期水生植物的生物量都高于沙子、石子;在盐浓度为6‰时,土壤的SPAD为52.81,显著高于沙子的33.14和石子的32.68,与培养初期相比,土壤根系活力下降了52.29%,而沙子、石子根系活力分别下降了66.51%和72.77%;根系过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性也表现为类似趋势。因此,本文建议在高进水盐度或盐度波动较大的情况下,使用土壤作为表流人工湿地的基质,以保证污染物净化效果的稳定性,同时由于沙子、石子的开采控制,可以进一步降低人工湿地设施的投入成本。(3)在高盐浓度条件下根际细菌多样性普遍降低,土壤、沙子、石子处理的香农指数分别在5.53-6.79、3.04-6.16和3.76-5.94之间波动,这表明随盐度的变化,土壤与沙子和石子相比能使根际细菌α多样性而保持相对稳定,根际微生物群落变化幅度不大,且各个时期间土壤的香农指数都大于石子与沙子。此外,观察种数量得到了相似的结果。在根系微生物群落组成方面,土壤在属水平的相同微生物数多于沙子、石子,所占总属数的比例也表现为相同结果。本研究验证了与沙子、石子这一类外源性基质相比,天然基质土壤能使根际细菌群落结构更加稳定,与微生物多样性结果相一致。随着盐浓度升高,土壤的微生物群落结构变化幅度较小,优势细菌还是低盐条件下的变形菌门(Proteobacteria)与放线菌门(Actinobacteria),而石子与沙子的优势细菌均已改变,且优势细菌净化功能性不强。这一发现不仅表明土壤的微生物结构稳定,还可以解释在高盐条件下土壤污染物净化能力超过沙子、石子的原因。
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