（土壤学专业论文）芦苇湿地对污水中氮磷的净化能力研究.pdf

摘要 本文采用原状土柱和人工湿地控制试验与野外典型调查相结合的方法深入系统 地研究了自洋淀芦苇湿地对污水中氮磷的净化能力及芦苇地下根茎系统的时空分布 和动态变化，并对湿地净化污水的机理进行了探讨。结果表明： 1 芦苇湿地对污水中的氮、磷的净化效果十分明显，在一个月内对污水中铵氮 的平均去除率可达到9 4 ，t n 的平均去除率可达7 4 ，t p 的平均去除率可达9 7 。 芦苇湿地中芦苇的密度越大及灌入湿地中污水的氮、磷的浓度越大，其净化能力越强。 芦苇的不同部分对污水中氮磷的净化能力不同，芦苇地上部分单位干重对氮的净化能 力大于地下部分单位干重，地上部分单位干重对氮的吸收量大约是地下部分单位干重 的2 3 4 倍；而地下部分单位干重对磷的净化能力大于地上部分单位干重，地下部分 单位干重对磷的吸收量大约是地上部分单位干重的1 7 4 倍。 2 芦苇地下茎仅分布于地表以下0 8 0 c m ，随着土壤深度的增加，节间长度增 加，节间着生的不定根数减少。地下茎的生物量主要分布在2 0 4 0 c a n 。地下茎径级 研究表明，直径 2 c m 的地下茎主要分布于2 0 6 0 c m 。和正常苇地的芦苇相比， 退化苇地芦苇的地下茎表现为生物量降低，节间缩短，节处着生不定根数减少，直径 2 c m 的地下茎总长度所占比例减少。、 3 芦苇根系分布于0 1 0 0 c m 的土层内，随着土壤深度的增加，根量和根长均减 少。根系径级研究表明，芦苇根系以直径 2 m m 的根系则主要分布在4 0 6 0 c m ，即随着土壤深度增加，粗根在土壤剖面中的比例增加。和正常苇地的芦苇相比， 退化芦苇根系表现在生物量降低，其生物量和根长分别为正常芦苇的5 7 9 5 和 6 5 0 2 ，根系分布的深度变浅。直径 2 m m 的粗根数量增加；在一个生长季里，芦苇根系和地上部分生物量的变化均为 单峰形，其中根系的峰值在8 月份左右，而地上生物量的峰值在l o 月份左右。 4 芦苇对土壤理化性质产生影响，使苇地土壤容重减轻，孔隙度增加，有机质、 全氮、全磷含量提高。回归分析表明，土壤孔隙度、有机质、全氮、全磷的含量均和 芦苇根重、根长之间有显著的正相关关系。 关键词：芦苇；湿地；氮；磷：净化；根系 s t u d y o nt h e p u r i f i c a t i o na b i l i t yo f r e e d w e t l a n d st on i t r o g e na n d p h o s p h o r u s i n s e w a g e l i u f a n g ( s o i ls c i e n c e ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o rw a n gd i a n w ua n dl ig m b a o 1 h e p u r i f i c a t i o na b i l i t yo fr e e dw e t l a n dt on i t r o g e na n dp h o s p h o r u si ns e w a g e , a n d t h ed i s t r i b u t i o n a n dd y n a m i c so fr e e dr h i z o m e sa n dr o o t sw e r es t u d i e di nb a i y a n g d i a nl a k e ，h e b e i , c n i n a i na d d i t i o n ， m e c h a n i s m so ns e w a g et r e a t m e n tw i t hw e t l a n d sw e t ed i s c u s s e d t h em a i nr b m l t sw e r es h o w na s f e h o w ： ( 1 ) ! kp u r i f i c a t i o n e f f e c to fr e e dw e t l a n do nn i t r o g e na n dp h o s p h o m si ns e w a g ew e r ev e r y o b v i o u s t h e r e m o v a l l a t e o f r e e d w e t l a n d o na m m o n i u mc a n i l p t 0 9 4 ，o n t n c a n u p t 0 7 4 ，a n d o l l t pc a nu pt o9 7 w i t h i no n em o n t h 1 1 g r e a t e rt h ed e n s i t yo fr e e da n dt h ec o n t e n to fn i t r o g e na n d p h o s p h o m so fs e w a g et o i r r i t a t er e e di s ，t h e s t r o n g e rt h er e e dw e t l a n d sp u r i f i c a t i o na b i l i t yi s t h e p u r i f i c a t i o na b i l i t yo fr e e dd i f f e r e n tc o m p o n e n t so nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si ns e w a g ei sd i f f e r e n t b a s e do f fp e ru n i tw e i g h to ft h ea b o v e - g r o u n dp a r t sa n dt h eb e l o w - g r o u n dp a r t so fr e e d ，f o rn t h e p u r i f i c a t i o na b i l i t y o ft h e a b o v e - g r o u n dp a r t sg r e a t e r t h a n b e l o w - g r o u n dp a r t s ，b u t ，f o rp ，t h e p u r i f i c a t i o na b i l i t yo f t h eb e l o w - g r o u n d p a r t sg r e a t e rt h a na b o v e - g r o u n dp a r t s b a s e do np e ru n i tw e i g h t o fr e e d ，也ea m o u n to fa b s o r b e dn b yt h ea b o v e g r o u n dp a r t sw a sa b o u t2 3 4 t i m e s a st h a t b y b e l o w - g r o u n dp a r t o t b ec o n t r a r y , t h ea m o u n to fa b s o r b e dpb yt h eb e l o w - g r o u n dp a r t sw a sa b o u t 1 7 4t i m e sa st h a tb yt h ea b o v e - g r o u n d p a r t ( 2 ) f r o ms o l ls u r f a c et ot h e8 0 c md e p t hw h e r et h er e e dr h i z o m e sd i s t r i b u t e ，山el e n g t ho fr e e d i n t e l - r i o d ei n c r e a s ew h i l et h ea d v e n t i i l o u sr o o t sd e c r e a s e i na d d i t i o n t h e2 m 4 0 c ms o l ls e c t i o nh a st h e h i g h e s th i o m a s so fr h i z o m eo nt h ew b o l es o i ls e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i e dr h i m o z ed i a m e t e r , i t c o u l db ef o u n dt h a tt h er o o t s ( 由l c m ) m a i n l yd i s t r i b u t eo nt h e0 2 0 c ms o i ls e c t i o n ，t h er o o t sf 2 臼n 巾 l c m ) m a i n l yd i s t r i b u t e o n2 0 , - 4 0 e m ，a n dt h er o o t sf 士 2 c m ) m a i n l yd i s t r i b u t eo l l2 0 - - 6 0 c m i n d e g e n e r a t i v er e e dp o p u l a t i o n ，t h eb i o m a s sd e c r e a s e ，a n dt h ei n t e m o d el e n g t hb e c o m es h o r t e ra n dt h e a d v e n t i t i o u sr o o t si n c l i n e d i na d d i t i o n ，t h er a t i o no fr o o tf 由i c m ) i n c r e a s ew h i l e 山er a t i o no fr o o t r 由 2 c m ) d e c r e a s e ； ( 3 ) f r o m s o i ls u r f a c et ot h e1 0 0 e m d e p t hw h e r et h er e e dr o o t sd i s t r i b u t e ，b o t ht h ed r i e dw e i g h ta n d l e n g t ho fr e e dr o o td e c r e a s e a c c o r d i n g t ot h ec l a s s i f i e dr o o td i a m e t e r , i tc o u l db ef o u n dt h a tt h er o o tr 由 i m m ) ，w h i c hi st h el a r g e s tp a r to ft h er e e dr o o t s ，m a i n l yd i s t r i b u t eo nt h e0 - - - 4 0 c ms o i ls e c t i o n ，t h e r o o t s ( 2 r a m 中 t w o ) d i s t r i h u t eo nt h eo 一8 0 c ms o i l ，a n dt h er o o tf 巾 2 r a m ) m a i n l yd i s t r i b u t eo n 4 0 6 0 c ms o i l i nd e g e n e r a t i v er e e dp o p u l a t i o n ，t h eb i o m a s sd e c r e a s e ( 4 2 0 5 ) ，a n dt h et o t a ll e n g t ho f r o o td e c l i n ef 3 49 8 ) t h er o o td i s t n b u t i o no f d e g e n e r a t i v er e e di ss h a l l o w e rt h a no f t h en o r m a ir e e d t h eb i o m a s so ft h er o o t s ( 审l r m ) d e c r e a s ew h i l et h er o o t s ( 由 1 m m ) n c r e a s e ； f 4 ) 【nay e a r , t h ed y n a m i c so fb o t ht h er e e dr o o t sb i o m a s sa n da b o v eg r o u n db i o m a s ss h o wo n e p e a k , t h er e e dr o o tb i o m a s s ，h o w e v e r , r e a c h e si 据p e a ki na u g u s t ，w h i l et h ea b o v eg r o u n db i o m a s sr e a c h e si t s p e a k ，n0 c t o b e r ；g t e a te f f e c to fr e e do ns o i lh a so c c u r r e d ，s u c ha st h ed e c r e a s eo fb u l kd e n s i t ya n dt h e i n c r e a eo ft h ec o n t e n to fs o i lp o r e d e g r e e ，t h eo r g a n i cm a t t e r t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r o u s k e y 、v o r d s ：r e e d ：w e t l a n d s ；p u r i f y ；n i t r o g e n ；p h o s p h o r u s ；r o a r s f i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得湮j e 塞丝塞堂或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豸f 芳 签字日期：2 矿矿年月业日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解鲤j b 壅些太堂有关保留及使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查i 借) 阅。 本人授权扭i e 盛些太堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：豸j 芳 签字日期：2 洲中年月土l 日 导师签名： 签字日期： 1 引言 我国是一个水资源相对缺乏的国家，人均占有水资源量约为2 5 x 1 0 3 m 3 ，为世界 人均水平的1 4 ，居世界1 0 9 位l 。且我国8 1 水资源集中分布在长江流域及以南地 区，长江以北地区人口占全国的4 5 3 ，耕地占全国的6 4 1 ，而水资源量却占全国 的1 9 n 。 水资源是量与质的高度统一，2 1 世纪我国面临着水量危机的同时，水质危机更 加严重，甚至因永质问题所导致的水资源危机大于水量危机吼目前，我国水质污染 和水资源浪费现象十分严重。根据国家环境保护总局发布的2 0 年中国环境状况 公报 4 1 ，2 0 0 0 年，中国七大重点流域地表水有机污染普遍，各流域干流有5 7 7 的 断面满足三类水质要求，2 1 6 的断面为四类水质，6 9 的断面为五类水质，1 3 8 的断面属劣五类水质，且各大流域的主要污染河段均集中在城市河段。另外，我国主 要湖泊中富营养化问题也很严重，太湖、巢湖、滇池等湖泊处于富营养化状态。据统 计，2 0 0 0 年，全国工业和城市生活废水排放总量为4 1 5 亿t ，其中工业废水排放量为 1 9 4 亿t ，城市生活污水排放量为2 2 1 亿t ，生活污水排放量超过工业废水排放量1 5 l 。 但我国的废水大部分未经任何处理直接排入江、河、湖泊，使水质受到严重污染，甚 至完全丧失利用价值，加重了我国水资源短缺的问题嘲。因此，合理开发利用和有效 保护水资源及污水净化再利用，具有重大的现实意义和长远意义。 湿地可通俗的理解为一个内部过程长期为水所控制的生态系统 7 , s l 。从生态学的 角度来看，湿地是陆地与水生系统之间的过渡地带，其地表为浅水所覆盖或者其水位 在地表附近变化p ，l o 】。湿地不仅是人类重要的生存环境，也是众多野生动物、植物的 重要生存环境之一，生物多样性极为丰富，并且由于其在水分和化学循环中所表现出 来的功能及其处于水陆交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到过滤净化 作用，作为自然和人类废弃物的接收器的环境净化功能，而被誉为“自然之肾”，因 此，湿地具有多种生态功能和社会经济价值【i l l z l 3 1 。 湿地系统作为宝贵的自然资源，很早就已为人们所重视。近年来，对其在污水处 理方面的研究不断深入，自然湿她系统和人工湿地系统的应用范围也在不断拓宽，国 内外许多研究工作已经涉及到河流【川、湖泊治理f 1 5 l 、工业废水处理f 16 切、城市暴雨 径流污染【t g , 1 9 、农业面源污染控制f 0 挪j 等众多领域，特别是在河湖治理方面，由于物 理、化学方法的有限性以及工厂化生物处理的局限性，对湿地的研究就具有更加突出 的现实意义。我国水体富营养化现象十分严蓬，控制富营养化的关键在于控制水体氮 和磷的浓度，而湿地具有较高的污染自净能句，尤其是对氮、磷等营养元素的吸收转 化与持留有较高的效率，能有效的降解污染吻，甚至增加系统的生产力 勰2 3 1 。 目前，通常的污水二级处理工艺对污水二p 氮、磷的去除效率不高，对氮、磷的去 除宰i 叉能达到2 0 - - - 4 0 p j ，而湿地在去除污水中氮磷等营养元素方面是一个简单有 效且费用低廉的工具i “。巴西的皮拉西卡巴的e n c n h o 湿地对磷、硝酸盐和铵的去 河北农业大学焉士学位敝 除率分别达到9 3 、7 8 和5 0 12 5 _ i 。q 髂吐e i r 【2 曰等通过模型研究表明湿地可以净化 7 9 的总氮、8 2 的硝酸盐氮、8 1 的总磷。r o s b e 秽等估计，每减少1 k g 进入波 罗地海的氮，利用沿海湿地需要0 6 美元，用补救的农业措施需1 9 - 5 3 4 美元，而通 过污水处理厂减少城市废水中7 5 的氮需要1 5 6 - 3 1 2 美元。另外，从生态学观点来 看，输入到湿地生态系统中的氮磷营养物质可被植物吸收利用。且能促进湿地植物如 芦苇、蒲草、灯心革等水生维管植物的生长和发育，为保护漫地植物的多样性，改善 湿地生态景观起到积极作用。因此，从经济学和生态学的角度，湿地生态系统已是世 界上很多国家认可的控制水污染的有效工具。 我国的湿地总面积为6 5 9 4 x1 0 5 k 2 ，居世界第四位，占国土面积的6 5 f 2 8 l ，因 此，在我国有充分利用湿地资源去除污水中氮磷的巨大潜力。在促进自然界良性循环 的前提下，建立充分发挥资源生产潜力，防止环境污染，达至4 经济效益与生态效益同 步发展的生态工程。天津市环保所在1 9 8 7 年建成了我国第一个占地6 h m 2 、处理规模 为1 4 0 0m 3 1 d 的芦苇湿地工程；北京市环保所在北京昌平县建成了处理规模为5 0 0 m 3 d 的芦苇湿地处理系统示范工程；国家环保局华南环保所1 9 9 0 年在深圳建立了白泥坑 人工湿地示范工程，占地面积为1 2 6h m 2 ，处理规模为3 1 0 0 m z d e 2 9 。实践表明，这些 湿地的处理效果良好。 湿地土壤及生存于其中的多样的植物群落、微生物群落具有吸附、吸收和分解污 染物，净化环境的功能，它们在去除悬浮物，促进营养物质循环，产生氧气等方面亦 有重要作用。 湿地土壤是湿地化学物质转化的介质，也是湿地植物营养物质的储存库。湿地土 壤的有机质含量很高，有较高的离子交换能力，因此，土壤可通过离子交换转化一些 污染物，并且可以通过提供能源和适宜的厌氧条件加强氮的转化。对于磷而言，土壤 颗粒对磷酸盐的吸收是一个重要的转化过程，吸收能力依赖于粘土矿物中铁、铝、钙 的表现或对土壤有机质的束缚。除了吸收过程外，磷酸盐也可以同铁、铝和土壤组分 一起沉降，这些过程包括磷酸盐在粘土矿物中的固定以及磷酸盐同金属的复合。 湿地植物对湿地逆境有特殊的结构适应和生理适应，如维管植物的皮层组织中孔 域的发育，允许氧从植物露在空气中的部分向根部扩散，供应根呼吸所需的氧1 3 0 , 4 ”。 湿地植物光合作用产生的氧气，一部分通过输运组织和根毛输送释放到湿地环境中， 致使根区的还原态介质中形成了氧化态的微环境，因而在湿地中根周围依次形成好 氧、缺氧和厌氧的小区，为多种微生物的活动刨造r 条件，且使其生物活性增加 p l ，“粥j 。湿地植物根系在湿地中呈现的这种连续的好氧、缺氧和厌氧的状态，可以使 微生物的硝化作用和反硝化作用在湿地系统中同时进行有利于湿地对污水中氮的去 除，是湿地去除污水中氮的主要途径【3 2 j 3 l 。另外，出j + 植物的根对土壤的穿透作用减 小了土壤的封闭性，增强了土壤的疏松度，从而使土壤的水力传输得到加强和维持【3 ”。 湿地植物群落多种多样，包括浮游植物、浮水植物、沉水植物、挺水植物、灌木 丛，j 至森林。挺水植物和沉水植物在生长季节对水中和沉积物中氮、磷等营养物质的 吸收率较高而在凋落季节把相当一部分养分物质转移到根部和茎部，但同时也有相 当部分养分随凋落物和淋滤作甩散失到水体中所以氮、磷在：伏季和早春经常发生 净输出阁。l e o 等洋l 发现他们所研究的湿地在夏、秋季是养分的汇，而在春季则是养 分的源s i m p s o n 等 3 7 1 发现在维管植物生长季节，几乎淡水潮汐沼泽漫地中的所有生 境都是无机氮和无机磷的汇。而且一些生境还可持续地发挥汇的功能。漫地的生产力 极高，据美国生态学家e m a l t h y 报道，每1 r a z 漫缝平均每年生产9 9 蛋白质，是陆地 生态系统的3 5 倍，有的湿地植物生产量比小麦她的平均产量还高8 倍网。群落的生 物量越大，对污染物质和营养物质的吸收量越多i 剪l 。而湿地植物的生物量极大，因此， 每年在合适的季节通过收料湿地植物的地上部分用于饲料、造纸等，可带走湿地中大 量氮、磷，让湿地截留的营养元素重新回蓟陆地进行循环。 自然界中碳、氮、磷等元素的循环离不开微生物的活动。湿地中有机物的降解和 转化主要是由植物根区微生物活动来完成。污水中的有机氮化物和铵氮在湿地植物根 表面及其附近的好氧区域被硝化细菌所硝化，然后在厌氧状态下由反硝化细菌的反硝 化作用使氮以n 2 和n 2 0 形式从湿地系统中根本去除。至于有机磷及溶解性较差的无 机磷酸盐都必须经过磷细菌的代谢活动，将有机磷化合物转变成磷酸盐，将溶解性差 的磷化舍物溶解，才能去除污水中的磷。另外，微生物还可以同化氮、磷，将氮、磷 纳入其分子组成，而且微生物对磷还有过量积累作用。 在湿地系统中土壤吸收、吸附氮、磷的能力和土壤微生物的硝化和反硝化作用虽 然大，咀毕竟有一定的容量，而植物生长是无限的，湿地植物能源源不断地从湿地系 统中吸收氮、磷等营养元素，因此，不能低估湿地植物对环境中氮、磷污染物的净化 作用。 芦苇是一种禾本科的多年生高大挺水草本植物。具有很广的适应性和很强的抗逆 性，生长季节长，生长快，产量高，并且s e i d e l ：o l 等发现芦苇是一种良好的净水植物， 具有一定的分解净化能力，能去除污水中大量的有机无机物。 芦苇具有发达的根状茎根系，在湿地土壤中纵横交镨，形成了庞大的网络样结构， 为微生物提供大面积的生物膜附着物，并且芦苇体内具有中空的通气组织，根部生长 着大量很细的根毛。叶片吸收的氧气可以通过茎和根状茎的通气组织到达根毛，并从 根毛分泌出来，形成一个厚度小于i m m 充满氧气的围绕着根毛的液体薄膜，在芦苇 艇区形成特殊的生态条件，这种根际可以供养大量的需氧微生物种群，且使其生物活 洼增加，能加速污水中有机质的分解( 4 1 , 4 2 j 。据测定芦苇根系释放的氧气高达 2 8 8 刮f m 二。d ) 【4 3 】。对芦苇湿地系统在处理废水前后的氧f 也还原势表明，在湿地处理废水 以前随光照强度的增加及光照时问的延长芦苇根区的氧化还原势( o r p ) 逐渐升高， 垒夜间则逐渐降低1 4 卅。这说明芦苇光合作用产生的氧气通过根和茎输送到地下根区， 萍导致根区o p r 的变化，白天溶解氧呈现出累积效应，到天黑达到最大值，晚上由 于根系的呼吸及微生物的代谢作用使：，k 中的溶解氧下降。而在湿地床处理废水的过 程中溶解氧一天的变化不大，这是由二f 微生物利用宋体中的氧来氧化降解污染物雨 j 电床沣甲的溶解氧不能积累所致。 筝的地上生物量很大，在白洋淀苫苇湿进芦苇地上部9 干物质量为 河北表业大学硬士学位论文 6 0 0 0 - 7 5 0 0 k g h m 2 ，其地上部分干物质中含磷量鸯0 7 5 m g g , 台氮置为1 5 9 e 4 s ，通 过收割芦苇地上部分并将其用于造纸原料、建筑材料和编织材料，可带走湿地中 9 5 1 1 9 k g i n n 2 的氮和4 5 6 3 k g h m 2 的磷，这一机制提供了营养物质在陆地和湿地之 间形成良性循环的途径，能减轻水体富营养化的速度。 白洋淀是我国华北地区唯一的天然大湖，对调节气候、改善华北生态环境、缓解 冀中的缺水状况、发展生产、繁荣经济、改善人民的生活环境等都有重要的作用。将 来南水北谓工程白洋淀是必经之路。因此，治理白洋淀污染，保护和建设好白洋淀具 有长远的重大意义。 本研究从白洋淀芦苇湿地入手，研究芦苇湿地对污水中氮、磷的净化能力，同时 探索了芦苇及其根系在湿地环境净化功能中的作用，对芦苇地下茎和根系的空间分 布、径级组成和季节动态进行了实地调查。芦苇湿地对污水中氮、磷净化能力的研究 必将为有效保护水资源，防治水体富营养化开辟一条重要途径，对芦苇地下茎和根系 的空间分布、径级组成和季节动态的研究也为今后湿地植物根系的研究提供详实的基 础理论资料。 2 材料与方法 2 1 试验区鲁然概况 试验区位子河北中部平原与大清河流域滨海平原接合处的自洋淀( 3 8 。4 3 3 9 4 0 2 n ，1 1 5 。3 8 1 1 6 0 7 e ) ，属东部季风区暖温带半干旱大陆性气候。年均温在 1 2 2 1 3 5 左右，无霜期2 0 3 d ，年日照时数2 6 3 8 3 h ，年均降水量5 2 3 m m 。 自洋淀地形复杂，淀内3 7 0 0 余条纵横沟壕交织错落，大小不等的淀泊1 4 3 个， 淀区内村庄、苇地、苇园星罗棋布，构成了淀中有淀，沟壕相联，田园和水面相闻分 布的特殊景观。其中苇园主要分布于淀泊之间，特征是景观斑块较小，均一化程度高。 苇地分布于苇园外围地势较高处，呈片状分布，斑块嵌接，微景观结构复杂“。 淀内芦苇群落分布广泛，面积最大，现有苇地8 x 1 0 3k m - ，是白洋淀的优势植物 群落，也是白洋淀的景观植物群落。出土芦苇化石证明，早在远古时期白洋淀就有芦 苇生长。北宋时期人们开始对对芦苇进行强化栽植，并在明清和近代达到高峰。在长 期的人工强化栽植下逐渐成为今天质优用广的芦苇变种一皇洋淀苇( p h r a g m i f p s a u s t r a j i s 雅啦b a i y a n g d i a n s i s ) 白洋淀地处冀中凹陷，是处于发育后期的草型富营养化湖泊。自洋淀是浅水性湖 泊，其湖水深度受气候变化影响很大，通常为2 m 多，多年来由于区域降水量减少、 上游水土流失和水库对径流的拦截、接纳城市和工业排放的污水以及农业面源的径流 水，自洋淀正在变浅，面积减少，湖水和底泥的营养物质含量增高，目前正处于沼泽 化和衰亡的过程中。自洋淀多年平均湖水中含溶解无机氮1 5 6 m w l ，总磷o 0 7 9 m g g l ， 根据国际上普遍采用的“经济合作与了展组织( o e c d r 制定的湖泊分级标准，自洋 淀己属于言营养化湖泊。 2 2 供试材料 z 2 1 供试植物 芦苇变种自洋淀苇( p h r a g m i t e sa w 打a 拈腿r # a t v a n g d i a n s i s ) 2 2 2 供试土壤 供试或膀丰中土壤分别为采自白洋淀芦苇湿地和附近麦地，属秸质冲积湿潮土i “， 两种土壤羽：艺性质见表l 。 丁。 河北农业大学硕士学位论文 裹i 供试壤瓶的理化性质 l l m b l e l t h e p h y s i c 丑l a n d c h c , m i m l c h 聍自c 塘r i s 舾o f s o i l l f o r e x p e r ；m m e n t 土芝? 质地张 p h有机质全氮全磷 苇0 - 2 0粘壤土1 1 68 03 4 1 6 1z 1 50 6 8 地2 帖4 0粘土】3 2& 0 4 嘶o粘土1 3 88 0 6 0 - 8 0粘土1 4 3 8 1 8 肌1 0 0 粘土1 5 08 1 麦0 2 0 地2 0 1 0 4 0 , , - 6 0 6 m 古0 8 0 - 1 0 0 重壤土1 。2 87 8 重壤土1 3 87 9 轻粘土1 “8 3 轻粘土1 “8 3 轻粘土1 4 68 2 1 & 2 7 1 3 6 3 1 0 1 7 8 9 6 1 5 3 5 1 3 6 4 1 0 2 4 9 3 8 8 5 7 0 6 3 0 - 6 2 0 6 1 0 6 1 o 6 9 0 “ o 6 0 0 5 8 0 5 6 2 2 3 供试污水 试验污水取自保定市的一条主要容纳生活污水的河道府河，取样点污水的污染 物年均含量见表2 。 表2 供试污水水质和地表水v 类标准 t a b l e2t h e e x p e r i m e n t a ls e w a g eq u a f i t ya n d t h ew a t e r q u a l i t ys t a n d a r do fv c l a s s 堡堡篁壁f 堡型璺壑g ! g 型壁量! 竖堂堂堕苎量! 翌型曼q 望生趔 供试污水2 3 6 1 2 32 1 2 8 1 2 6 71 5 4 6 1 3 5 63 8 6 + _ 2 6 38 7 4 2 地表水v 类标准0 22 02 02 54 j 0 2 3 试验方案 2 3 1 芦苇湿地土壤对污水中氮磷的净化能力 2 3 1 1 研究方法 原状土柱2 0 0 2 年l o 月芦苇收获时在白洋淀芦苇地挖取直径2 4 c m ，高1 0 0 c m 的原状士柱，装入内径2 4 c m 高 1 0 c m 的底部具有自由出水口的白铁皮筒内，共挖取 原状土拄2 兮，同时在白洋淀麦地同样挖取原状土柱2 个。 填充土柱取原状土柱的同时将白洋淀苇地和麦地0 1 0 0 c m 七层的土壤每 2 0 c m 为一层，分层取土，分层测定容重，分层风干、过筛，分层饭：重回填入内径 2 4 c m 高1 1 0 c m 的底部具宵自由出东口的自铁皮筒内。加自来水数t 浸泡稳定士柱， 。妻 工模拟打晕可能恢复自然条牛下的构造，提高上柱模拟实验l 真实性。 加m 供钉 田卯胛为 l l l 0 o 0 0 1 0 小树潍分别称取0 - - 2 0 皿、2 0 4 0o , n 、4 0 - - 6 0 、6 0 8 0 - 1 0 0 ( ：m 的风干、过筛后的苇地土壤各1 k g ，分别装入长4 0 c m 、内径7 c m 的f v c 管中( 管 底部用3 0 0 目的尼龙网封住) 。加自来水数次浸泡稳定土柱。 实验分为生活污水原水( c 1 ) 和生活污水稀释倍( c 2 ) 两个组，每组分别有苇地原 状土桂( r o ) 、苇地模拟土柱( r s ) 、麦地原状土柱，o ) 、麦地模拟柱 四种土柱。 大土柱灌水量为1 0 冬季1 0 月2 0 日至1 2 月2 0 日持续两个月。小土柱灌水量为 l i j d ，持续- 个月。 2 3 1 2 样品采j 瞄分析方法 第一个月每三天涮一次生活污水原水和从桂中流出的水样的t n 、t p 、坍王4 + n 、 n 0 3 - - n 、c o d c r ，以后一周测定一次生活污水原水和从土柱中流出的水样的t n 、t p 、 n 1 4 + n 、n 0 3 - n 、c o d c r 。实验前和实验结束时每个士柱每2 0 c m 为一层测定土样中 的全氮、全磷。 水样：t n 采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法( 紫外分光光度计) 、t p 采用过 硫酸钾消解钼锑抗比色法( 7 2 1 分光光度计) 、王4 + n 采用纳氏试刘光度法、n 0 3 - n 采用紫外分光光度法、c o d c r 采用重铬酸钾法 柏j 。 土样：全氮测定采用半微量凯氏蒸馏定氮法；全磷测定采用高氯酸一硫酸消煮一 铝锑抗比色法【4 9 i ， 2 3 2 芦苇湿地对污水中氮磷的净化能力 2 3 2 1 试验方法 在地面下建造长2 m x 宽2 m 深1 4 m 的水泥池4 个，水泥池底部具有自由出水口。 在白洋淀选芦苇地，取0 6 0 c m 的土层，风干、过筛、混匀后装填水泥池，土壤 深度为i m ，每个水泥浊装填相同重量的土壤，并测定土壤p h 值、有机质、全氮、 全磷等。 芦苇栽培采用根状茎繁殖法。4 月初芦苇发芽期，在自洋淀芦苇地选择租l c m 以 上，有3 5 个芽的黄色和乳白色的根状茎、切成3 0 4 0 c m 长的段块，1 号、2 号池 按1 0 株m i r 0 1 ) 的誊度栽植，3 号、4 号池按2 0 株施r d z ) 的密度栽植。分栽后各实 验池内保持5 - l o c m 的水位以促进芦苇的生长，芦苇生长过程中不揸肥。 芦苇生长进l 日嚏；葫对，开始生活污水净化试验，试验开始前一固。将各水泥池 中的水放干， 6 月3 0r 向l 号、3 号水泥池灌生活污水原水f c 。) 1 0 0 0k g ，向2 号、4 号池灌入 稀释l 倍( c ：) 的生活污托1 0 0 0 昭，并测定生活污水原水的t p 、 i n 、n i - i 。十| n 、n 0 3 n 、 c o d c r 、p h 等，7r oi = 上午、庀录水位后开始采样。 z 3 互2 取样时间和方法 试样分析分为水样、植物样地上部分( 茎叶) 、植物样地下部分( 根系) 、土样( 分 0 - 2 0 锄、2 0 枷锄、辄哟哪、6 0 - 8 0 c m 、8 帖1 0 0 皿五层) 。 水样：定期连续测试，从水泥池底部自由出水口取水样，采样日期分别在7 月份 1 、3 、7 、1 0 、1 4 、1 7 、2 1 、2 4 、2 8 、3 1 日，每次采样都在上午进行，测定水样的t p 、 t n 、n h 4 + - n 、n o a - n 、c o d e r 、p h 等，每日依据蒸发量补充蒸馏水到固定水位，每 次测定后依据水样浓度和水样水量等量补充各实验池溶液，雨后水位恢复后采样。t n 采用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法( 紫外分光光度计) ，t p 采用过硫酸钾消解铝 锑抗比色法( 7 2 1 分光光度计) ，n 出+ n 采用纳氏试剂光度法、n 0 3 - - n 采用紫外分光 光度法、c o d c r 采用重铬酸钾法嗍。 植物样：在试验前和试验结束时各采样一次。试验前、后在各实验池各取标准株 5 株，洗净，风干1 天后，分别统计地上部分及地下部分的鲜重，将地上部分及地下 部分在1 0 5 。c 杀青半小时，然后在8 0 烘至恒重测定生物量。植物样烘干后粉碎测定 全氮、全磷，全氮采用硫酸一双氧水消煮一凯氏蒸馏定氮法，全磷采用硫酸双氧水 消煮钒钼黄比色法i 。 土样：在试验开始和试验结束后在各实验池用土钻分别取0 2 0 c m 、2 0 - 4 0 c m 、 4 0 6 0 c m 、6 0 8 0 c x n 、8 0 1 0 0 c m 的土样，测定其全氮、全磷。全氮测定采用半微量凯 氏蒸馏定氮法：全磷测定采用高氯酸一硫酸消煮镏锑抗比色法1 4 9 j 。 2 3 3 白洋淀芦苇地下根茎的分布及动态 2 3 3 1 样地选择 由于多年持续干旱，造成了白洋淀周边干旱淀区的芦苇退化，通过对白洋淀的全 面踏勘，选择杨孟庄村退化苇地一块，南刘庄村四面环水的正常苇地一块。上述苇地 样地大小为5 0 m x 5 0 m 。 2 3 3 2 研究方法 芦苇地上部分调查方法：在所选样地上进行调查，项目包括芦苇的高度、地径、 盖度、多度以及苇地植物组成情况等。其中高度和地径沿“s ”形随机取样，选取1 0 株，取平均值；盖度采用目测法估测3 次，取平均值；多度采用d r u d e 的七级制多度 记录。 芦苇地下部分调查亏法：在所选样地上选择样点2 个，挖长1 5 m 、深2 m 的垂直 剖面，每一剖面用细钢筋扎成的5 c mx5 c m 网格作定点定位标记，绘出地下茎及不定 根系的垂直剖面分布图，并拍照。 对每个剖面从地丧向下每2 0 c m 为一层取土柱一个( 规格：长宽深为 2 5 c m 2 0 c m x2 0 c m ) 尹、取5 层，直全1 0 0 c m ，每层次取重复一个。将舀层f 一眭在野 外小心剥| 阡，将所有根受地f 茎捡出，并按层次装袋带回室内，在孔径0 ，1 t i m 筛中仔 细把根e 所附着的据土冲洗干净m 阴千1 2 b 后将地下薹按( 1 c 氐l 2 和 2 瞰的 粗细程鼢为3 级：将不定根按 2 皿的租细程度也分3 级。聍e 述 各级按层次分别统计地下茎和不定根的长度、鲜重及茎节处着生的不定根数和节间长 度。统计完成后取一定量有代表性的地下茎和根在1 0 5 下杀青半小盹然后在8 0 烘至恒重，计算干重率，最后将所有鲜重数据按比例换算为干重致据( 下文中出现的 生物量数据均指于重) 。 样地土壤理化性质分析方法：土壤容重的测定采用环刀法，散3 次重复，取平均 值：土壤总孔隰赛根据窖重和比重计算，总孔隙度= ( 卜窖重比重) l o 嘴，其中 壤比重取2 6 & 土壤有机质含量的测定采尾重铬酸镡氧化硫酸亚铁演定法；全氮 的测定采用半微量凯氏蒸馏定氮法；全磷的测定采用高氯酸一硫酸消煮溶铝锑抗比 色法。 芦苇地上和地下部分的调查时间为2 0 0 3 年4 月( 芦苇发芽期) 、6 月( 芦苇生长 旺盛期) 、8 月( 芦苇抽穗期) 和l o 月( 芦苇收获期) ，样地土壤采样时间为2 0 0 3 年 1 0 月。 3 结果与分析 3 1 芦苇湿地土壤对污水中氮磷的净化能力 3 1 1 芦苇湿地土壤对污水中嗍+ - n 的去豫效果 经过两个月对供试污水和各土柱处理出水中铵氮的连续监测，污水及各土柱处理 出水中铵氮含量如表3 所示。由表3 可见，进水污水中的铰氮含量较高，铵氮超过地 表水v 类水标准( g h z b1 - - 1 9 9 9 ) 2 7 8 - 6 7 3 倍，说砚水体处于还原状态，硝化过程缓慢。 污水经过土柱处理后，各土柱处理出水中铵氮含量小于1 5m g t ，达到了地表水v 类 永标准，可见各土柱对铵氮有着非常好的去除效果。 袭3 各处理土柱进出水中镶氯的浓度( 邛吲l ) t a b l e 3 t h e c o n c e n t r a t i o no f i n f l u e n t a n de f f l u e n t a m m o n i a i ne a c h s o i l m o n o l i t h s ( m g l ) 处理r o c lr s c lw o c lw s c lr o c 2r s 岛w o c 2w s c 2 注：c i ：生活污水原水处理；c 2 ：生活污水稀释一倍处理；r o ：苇地原状土柱；w o ：麦地原状土柱 r s ：苇地填充土柱：w s ：麦地填充t 柱 备土拄对铵氮的平均去除率见图1 。由图1 可见，生活污水原水处理f c l ) 的4 根 柱对铵氮的平均去除率在9 0 6 7 - 9 4 4 6 之间，且各柱之间的区别较明显。生活污 水稀释一倍处n ( c 2 ) 的4 根土柱对铵氮的平均去除率在8 5 3 0 9 0 1 5 之间，且各柱 之问的区别较明显。苇地原状土柱( r o ) 和麦地原状土柱门，o ：) 对污水中铵氮的净化能力 大于其相应的填充土柱，苇地土柱对污水中铵氮的净化能力大于麦地土柱，且污水中 铵氮的浓度越大土柱的净化能刀越大。 原状土柱对铵氮的净化能力均大于填充土柱，可能是由于原状土柱中植物根系的 输氧作用及根系的分泌物增加了硝化细菌的活性，有利于铵氮的硝化。 苇地填充土柱( r s ) 对铵氮的净化能力大于麦她填充土柱f w s ) ，可能是由于苇地土 壤的有机质含量高于麦地土壤，而有机质含量高的土壤其络合能力与交换能力也高， 因而苇地土壤对铵氮的吸附能力较大。苇地原状土柱对铵氮的净化能力大于麦地原状 土柱，一方面是