水生植物对农田排水沟渠中氮、磷的截留效应.pdf
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1、第 2 0卷第 2期 环境科学研究 Re s e a r c h o f En v i r o n me n t a l S c i e n c e s Vo 1 2 0, No 2, 2 00 7 水生植物对农 田排水沟渠 中氮、 磷 的截留效应 徐红灯 , 席北斗 ,王京刚 , 蔡 洋 1 北京化工大学 环境工程系 , 北京 1 0 0 0 2 9 2 中国环境科 学研 究院 , 北 京1 0 0 0 1 2 摘要 :为有效阻控农 田土壤流失氮 、 磷通 过沟渠进入水体 , 通 过动态模 拟实 验研究 对 比不 同排 水沟渠对 农 田流 失氮 、 磷 的截 留作用 , 同时通过静 态模拟
2、实验重点探讨 了水生植 物对氮 、 磷 在水 一沉积 物 一水生 植物这 一微观 系统 中的截 留机理 结果 表 明 : 沟渠 中的水生植 物茭 白和菖蒲对 氮 、 磷 的截 留和转化 有 明显 的促 进作 用 ; 水 生植 物 的存 在可 以加速 氮 、 磷 界 面交 换和传 递, 从而使上覆水中氮、 磷含量快速减少; 沉积物间隙水中氮、 磷含量的变化受界面交换、 沉积物吸附、 微生物转化及植物吸收 等各方面因素影响, 水生植物调整并加强氮 、 磷的各种转化, 植物的存在使得间隙水中氨氮及磷酸盐含量降低并呈现规律 变化 关键词 :氮 ; 磷 ; 截 留效应 ; 农 田排水沟渠 ;水生植物 中
3、图分类号 :X 7 0 3 文献标识码 :A 文章编号 :1 0 0 1 6 9 2 9 ( 2 0 0 7 ) 0 2 0 0 8 4 0 5 S t u d y o n t h e I n t e r c e p t i o n o f Nit r o g e n a n d P h o s p h o r u s b y Ma c r o p h y t e i n Ag r ic u l t u r e Dr a in a g e Dit c h XU Hu n g d e n g ,XI Be i d o u ,W ANG J i n g g a n g ,CAI Ya n g 1
4、De p a r t me n t o f E n v i r o n me n t a l E n g n e e ri n g ,B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e mi c a l T e c h n o l o g y ,B e i j i n g 1 0 0 0 2 9,C h i n a 2 C h i n e s e Re s e arc h Ac a d e my o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s ,B e i j i n g 1 0 0 0 1 2,C h i n a
5、 Abs t r a c t :I n o r d e r t o e ffe c t i v e l y i n t e r c e p t a n d wi pe o ff n i t r o g e n a n d ph o s ph o r u s o f g c u l t u r a l s o i l ,t h e i n t e r c e pti o n e ff e c t o f d i ffe r e n t a c u l t u r e d r a i n a g e d i t c h o n n i t r og e n a n d p ho s p h o r
6、 o u s wa s s t ud i e d b y d y n a mi c s i mu l a t i o n e x p e rime n t ,a n d f u r t h e r r e s e arc h wa s c a r r i e d o u t t o r e v e a l the me c h a n i s m o f a b s o r p t i o n a n d r e mo v a l o f n i t r o g e n a n d p ho s p h o r o u s i n t h e d i t c h b y ma c r o ph
7、 y t e s u c h a s c a d u u c i fl o r a a n d a c o r us c a l a m u s b y s t a ti c s i mu l a t i o n e x p e ri me n t T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t the c a d u u c i fl o r a a n d a c o rus c a l a mu s i n the d i t c h c a n a c c e l e r a t e t h e i n t e r f a c e e x c h
8、 a n g e b y w h i c h n i t r o g e n a n d p h o s p h o r o u s o f s u p e r j a c e n t w a t e r i s r e d u c e d a n d c a n o b v i o u s l y s p e e d u p t h e i n t e r c e p t ,t h e t r a n s f e r a n d a ns f o r ma ti o n o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r o u sT he c h a n g
9、 e o f n i t rog e n a n d p h o s p h o r o u s c o n t e n t s i n the s e d i me n t i n t e r s t i t i a l wa t e r i s a ffe c t e d b y mu l ti p l e f a c t o r s ,s u c h a s i n t e rf a c e c h a n g e ,s e d i me n t a d s o rpt i o n,m i c r o b i a l t r a n s f o r ma t i o n a n d p
10、l a n t abs o rpt i o n Th e m a c r o p h y t e c a n a d j u s t a n d s t r e n g t h e n v a rio u s t r a ns f o r ma t i o n o f n i t r o g e n a n d p h o s ph O roU S ,a n d t h e p l a n t s c a n r e du c e t h e c o n c e n t r a ti o n o f a mmo n i a n i t rog e n a n d p h o s p h a t
11、 e, wi t h s o me rul e s o f c h a n g e Ke y wor ds :n i t r o g e n;p h o s ph o r u s;i n t e r c e p t i o n;a g ric u l t u r e dr a i na g e d i t c h;ma c rop h y t e 水生植物在水体中的生态功能使其在农业非点 源污染控制中起着十分重要 的作用 植物是湿地生 态系统的重要组成部分 , 既可直接吸收氮 、 磷等营养 收稿 日期 :2 0 0 60 61 9 基金项 目:国家重点 基础 研究发 展计 划( 9 7 3 )
12、 项 目( 2 0 0 5 C B 7 2 4 2 0 3 2 0 0 2 C B 4 1 0 8 0 00 7 , 2 0 0 2 C B 4 1 2 3 0 0 ) 作者简介:徐红灯 ( 1 9 8 2一) , 男 , 安徽蒙城人 , 硕 士研究生 *责任作者 成分 , 又可产生根 区效应 , 促进含 N物质 的氧化 分 解 水生 植物可 以直接 从水层 和底 泥 中吸收氮 、 磷 , 并 同化 为 自身所 需要 的物质 ( 蛋 白质 和 核 酸 等) , 同时 , 植物在生长过程中可在根系形成微氧 化环境 , 不仅可以通过其呈 网络状 的根 系直接吸收 农 田排水 中的 N H d ,
13、N O 一 和 P O 4 , 而且更重要 的 是 , 水生植物可通过其生命 活动改变根系周 围的微 环境 , 从而影响污染物的转化过程 和去除速率 J 维普资讯 第 2 期 徐 红灯 等 : 水生植物对农 田排水 沟渠中氮 、 磷 的截 留效应 8 5 水生植物对磷 的去除是 通过植物 吸收 、 微生物转化 积累及物理化学等几方面共同作用完成的 J 农 田排水沟渠是农 田流失氮 、 磷 进入受纳水体 前的运输通道 , 其中的氮 、 磷在迁移转化过程 中会被 截留, 从而最终减少进入水体的污染负荷 , 因此 , 排 水沟渠对农 田流失氮 、 磷的控制起着重要作用 目前 关于农 田排水沟渠 系统
14、 中的水生植物对氮 、 磷 截留 效应方面 的研究较少 笔者通过动态 和静态模 拟实 验, 分析水生植物对农 田排水沟渠中氮 、 磷 的截留效 应, 揭示沟渠系统的截 留机理 , 从而提出利用农 田排 水沟渠特别是其中的水生植物阻控农 田流失氮 、 磷 的有效 措 施 1 材料 与方法 1 1 动 态模拟 实 验 选取嘉兴市双桥农场水稻 田排水 沟渠中的底泥 作为实验室模拟沟渠 中的底泥 , 设计 2条模拟沟渠 ( 池 长 池 宽 为 2 6 I n0 5 I n , 水 和 底 泥 深 度 约 0 1 I n ) : 1 条 沿水流方 向依次种植 当地 常见 挺水植 物茭白和菖蒲 , 每 I
15、 I l 2约 8 9棵, 茭 白和菖蒲各种 5 棵 , 为生态沟渠; 另 1条不种植 任何水 生植 物, 保持 其 自然状态 ,为 自然沟 渠( 如 图 1所示 ) 用配水箱 通过泵分别 向 2 条沟 渠中通入等浓度 的营养液 ( 一 定量氯化铵和磷酸盐溶液) , p H为 78 , 由于 N H 4 在碱性条件下易转化为气态的 N H , 挥发进入大气, 因此氮的挥发可以忽略 进水处设 1 个取样断面 , 同 时分别在 2条沟渠出 口处各设 1个取样断面, 实验 期间, 每周取样 1 次 , 共取 5次 , 结果取平均值 样品 测定项 目包括总氮、 氨氮 、 总磷 和总可溶性磷 , 测定
16、方法参照文献 6 室内沟渠模拟装置 图 1 动态 模拟实验装置 Fi g 1 Eq ui p me nt o f d y na mi c s i mu l a t i o n e x p e r i me n t 1 2 静态模拟实验 动态实验结果表明, 水生植物不仅对沟渠中氮 、 磷 的截 留有促进作用 , 而且也 增强 了沟 渠对 污染物 的截留能力 沟渠系统截留的氮 、 磷通过水 一沉积物 界面进入底泥 , 并在其 中进一 步进行较 为复杂的迁 移转化 , 主要过程包括底泥吸附 、 微生物转化和植物 吸收等 J 为揭示 水生植物对 氮 、 磷截 留的影 响机 制 , 采用室内盆栽 的方法
17、 , 研究在水生植物存在的条 件下氮、 磷的变化规律 1 2 1 方 法 选用 3 0 L塑料桶 6个 , 用现场沟渠所取底泥样 铺 底 , 泥 深 约 1 0 e m, 用 虹 吸 法 注 入 人 工 配水 ( 含 一 定量氨氮和磷酸盐 ) , 水深约 1 0 e m, 设空 白、 茭 白、 菖蒲 3种样 品 , 每种 2个平行样 , 结果取平均值 茭 白与菖蒲均取幼苗进行一段时间培养后移植入盆 1 2 2 样品采集与分析 通过测定不 同装置 中上覆水 及底泥 间隙水 中 氮 、 磷含量变化 , 分析水生植物对氮 、 磷的截 留机理 实验期内每天取样一次 , 用注射针管 吸取上覆水及 底泥样
18、 , 水样及离心后 的泥样上 清液经 0 4 5 m膜 过滤 后 测定 氨 氮 、 磷 酸盐 含量 离 心 条 件为 3 0 0 0 r m i n , 3 0 m i n , 氨 氮采用钠 氏试剂 分光光度法 , 磷酸 盐采用钼锑抗紫外分光光度法 实验结束后 , 把植物 样风干, 磨碎 , 过 1 0 0目( 0 1 4 9 m m) 筛 , 测定植 物样 全氮 、 全磷含量 , 并与初始幼苗 风干含量进行对 比 总氮的测定采用凯 氏定氮法 , 总磷 的测定采用钼锑 抗 比色法 测定 2结果与讨论 2 1 对氮、 磷 的截留效果 由图 2可知 , 种植有水生植物的生态沟渠对氮 、 磷 的截留
19、效果 明显好于 自然沟渠 生态沟渠氮 、 磷的 截留效率均在 3 0 以上, 而 自然沟渠 的截 留效率为 2 0 3 0 其中, 生态沟渠对氨氮和总可溶性磷的 截留作用最 为明显 , 分别达到 4 6 和 4 2 , 主要 原 因是由于水生植物根 系发达 , 通 过光合作用产生 的 氧经过茎和叶的传送 到达根部 , 扩 散到周 围缺 氧的 底质中, 有助于硝化细菌的生长, 使沟渠底泥中的硝 化作用增强 , 有利于氮 的吸收和转化 ; 另外 , 水生植 物可以直接从水层和底泥中吸收氮、 磷 , 并 同化为 自 身所需要 的物质 ( 蛋 白质和核 酸等 ) , 水生植物对磷 的吸收, 使作为水体
20、 中磷 的源和汇 的沉积物 一水 界 面发挥汇的作用 , 打破了界面的平衡 , 因此有 利于 磷的吸附和沉积 没有水生植物 的沟渠中 , 由于缺少 根区的氧化环境 , 其对氮 、 磷的去除能力也就低于有 水生植物的沟渠系统 在生态沟渠 中 , 由于根 系周 围呈现好氧 环境 , N H 在根系区域 可发生硝化 反应转变为 N O 一 根 系以外的环境 由于处于淹水条件下 , 土壤水 中氧气 面 、 一 水 一 布 一 鲧 一 一 一 一 圈鼢 维普资讯 8 6 环境科学研究 第 2 0 卷 5 0 4 0 将 较3 0 鼬 糍2 0 1 0 蠡沟 蔡 : 总氮 氨氮 总磷 总可溶性磷 污染物
21、图 2 2种沟 渠对 不同形态氮 、 磷 的截留效 率 Fi g 2 Co n t r a s t o f r e t e n t i o n of N a n d P i n t wo k i nd s o f d i t c he s 含量很低, 促使硝化产物 N ( ) 3 一 发生反硝化作用 , 转 化成气态 的 N 和 N O L 】 另外 , 水生植物 的生长也 直接影响了根 际底泥的反硝化作用 , 因为植物根系 释放出的大量含碳有机物进入根 际底泥 , 使得反硝 化细菌在植物根际大量繁殖 植物根系的泌氧特性 , 也使得水生植物根际底泥氧化还原层分异 , 促进生 物硝化反硝化作用的
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