中图分类号:X511 文献标识码:A文章编号:1672-3031 (2009) 04-0264-06
Research of exogenous NItrogen input on N2O fluxes in constructed wetland
WAN Xiao-hong , KUANG Shang-fu , ZHOU Huai-dong , WANG Yu-chun
Abstract :Exogenous nitrogen could be an input into wetlands throught dry2wet deposition , surface runoff and irrigation , which would affect the change of N2O produce and emission. N2O is one of the greenhouse gases and has high potential greenhouse effect which will bring serious effects on the environment . The effects of exogenous nitrogen input on the N2O fluxes in simulation of a constructed wetland have been studied by applying closed opaque chamber and gas chromatography system in this paper. The results showed that the difference in exogenous nitrogen could not only change the environmental factors but also affect the transformation of nitrogen in wetlands. The analyses also show that NO-3 is a main factor for N2O fluxes. The denitrification is prominent in constructed wetlands with bulrush than those with no plant , and it is an important process for the N2O fluxes in wetlands.
Key words :exogenous nitrogen ;wetland ;N2O
1 研究背景
N2O 是一种温室气体,它的增温效应在于它能吸收红外波段的能量[1 ] 从而减少地表热辐射的向外扩散,其单个分子的温室效应潜力是单个CO2分子的310 倍[2 ] ,且其寿命是已知温室气体中最长的,大约为150年。N2O在对流层中相当稳定,唯一的清除机制是平流层光解,即进入平流层后被分解为N2和NO ,而NO 会造成臭氧层空洞的出现及酸雨的发生[3 ] 。有研究报道,大气中的N2O 增加一倍将会导致全球气温升高0.44 ℃,臭氧减少10 % ,紫外线向地球的辐射增加20 %[4 ] 。然而, N2O 在大气中的含量却以每年0.25 %的速率增长[5 ] ,对环境造成了严重影响。
湿地是N2O 的源、汇或转换器,N2O 排放速率较高。Schiller 等[6 ] 发现加拿大哈德逊湾湿地的N2O排放量占所排放总量的80 %。湿地N2O 排放受氮素有效性调节[7 ] ,其排放直接与氮素有效性有关。氮素通过干湿沉降、地表径流、农业灌溉等途径进入湿地中,被湿地生物固定和利用[8 ] ,影响湿地的生物地球化学过程,导致湿地N2O 的产生和排放发生变化[9 ] 。为了探讨外源氮素输入对湿地N2O 排放通量的影响,本研究模拟白洋淀芦苇湿地,构建人工模拟湿地系统进行外加氮素试验,用静态暗箱- 气相色谱法定期进行N2O 的通量观测。
2 材料与方法
2.1 试验系统的构建
试验场地设在北京玉渊潭公园南侧昆玉河旁边水生生态修复实验区内,模拟湿地系统由湿地系统(如图1 所示) 、配水(池) 系统和进水系统组成。一共有10 个并联方式排列的4.0m×2.0m×1.0m的钢筋混凝土水池构成的人工模拟湿地系统,水池一侧由配水管与配水池相连,且每个池子底部装有排水管,可将池中水排出。
图1 人工模拟湿地系统示意
人工模拟湿地系统中种植芦苇( Phragmites australis) ,同时设置无植物的湿地系统作为空白对照。芦苇是北方湿地中常见植物,其去污能力强、外形美观[10 ] ,适合城区河湖带种植。用于研究的湿地,已经过3 年的保育熟化,土壤介质等基本条件稳定,土壤有机质为4.1 %～4.7 % ,全氮含量为0.50 %～0.60 %。
2.2 试验用水
由于我国地表水环境普遍表现为以高氮负荷为主要特征的污染问题[11 ] ,因此,本次试验设计外加铵态氮和硝态氮两种氮源,在植物生长活动旺盛的7 月进行试验。试验用水通过抽取北京昆玉河玉渊潭段河水至配水池,再根据需要调节氮素浓度后配送到人工模拟湿地系统。本次试验分两次进行,每次只加入一种氮素,分别为加入铵态氮(A) 和加入硝态氮(B) ,含高浓度氮素的试验用水在人工湿地系统中停留5d ,湿地水深控制在30 ±2cm。
每次试验开始前,将湿地系统中存水放干后,重新加入在配水池中调好浓度的试验用水,进水1h 后采样作为各池中的初始浓度。
2.3 采样与分析
由于芦苇湿地系统对高浓度铵态氮和硝态氮在较短时间均有较高的去除率,且铵态氮和硝态氮在芦苇湿地系统中的的寄宿时间分别为5.52d 和5.98d[12 - 13 ] ,因此,本试验用水中铵态氮和硝态氮浓度都控制在10mg/ L 左右,每次试验为期5d ,共采水样14 次,分别在第1 天的10 :00、12 :00、14 :00、16 :00、18 :00 ,第2 天的8 :00、10 :00、12 :00、14 :00、16 :00、18 :00 ,第3、4、5 天的10 :00 进行采样。水样采集后,当天进行水质测定,所测指标为DO、pH、NH4+-N、NO3--N 和NO2--N ,其中DO、pH 的测定通过便携式测定仪完成,其他项目参考《水和废水监测分析方法》第四版[14] ,分别采用纳氏试剂光度法、酚二磺酸光度法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法。
N2O 气体采用密闭静态箱法[15] 采集。N2O 气体浓度的测定采用中国科学院大气物理研究所改装的气象色谱仪,其柱温为55 ℃,转化器温度为375 ℃,ECD 检测器温度为330 ℃,载气为高纯N2 。标准气体由国家标物中心提供。
气体通量是指单位时间内单位面积上气体变化量,正值表示气体从土壤或水体向大气排放,负值表示土壤或水体吸收消耗大气中该气体,其通量( F) 公式如下:
F = Δm/( A ·Δt) = ρ·v ·Δc/( A ·Δt) = ρ·h ·Δc/Δt (1)
式中: F 为被测气体通量(mg·m-2·h-1 ) ; A 为采样箱底座所包围的土壤或水体面积;Δm/Δt 为采样箱内被测气体质量随时间的变化, v 为采样箱的容积,ρ为箱内气体密度(ρ= n/v = P/RT ,单位为mol·m- 3 ,P 为箱内气压, T 为箱内气温, R 为气体常数) , h 为采样箱高度,Δc/Δt 为被测气体在采样时间内浓度随时间的变化。
3 结果与讨论
3.1 不同形态外源氮素对湿地系统环境因子的影响
外源氮素形态的不同直接影响湿地系统中环境因子的改变,图2 和图3 分别是加入不同形态氮素后湿地系统水中DO 和pH 的变化趋势图。由图2 可以看出,无论是加入何种形态氮素,湿地系统水中的DO 含量都表现为芦苇湿地低于空白湿地,其原因可能是芦苇生长繁密,大气-水界面的气体交换被大量阻断,而空白湿地系统有较大的大气-水界面,可以进行充足的气体交换;另一方面,芦苇湿地中生物量大于空白湿地,也会是造成DO 含量较低的原因[12 - 13 ] 。由图2 还可看出,在试验A 中,加入铵态氮后芦苇湿地和空白湿地系统水中DO 含量的变化趋势相似,均表现为随着试验用水停留时间的延长,水中DO 含量逐渐减少,且在同一天中,表现为早上升高,午后达到最大,随后又减少的趋势;在试验B 中,当湿地系统加入硝态氮后,芦苇湿地和空白湿地系统中的DO 变化差异明显,空白湿地变化趋势与加入铵态氮后的变化相似,而芦苇湿地DO 在加入硝态氮当天迅速减少,之后几天变化不大,基本保持在110mg/ L 左右,说明硝态氮的加入会严重影响湿地系统中氧化还原条件的改变。
图2 加入不同形态氮素后湿地系统水中DO 变化
图3 加入不同形态氮素后湿地系统水中pH 变化
由图3 可以看出,氮素的形态对湿地系统水中pH 的影响不大,均表现为空白湿地高于芦苇湿地。说明芦苇的存在可以调节系统中酸碱的相对平衡,使湿地系统保持适合各种生物生存的中性环境。
3.2 不同形态外源氮对湿地氮素转化的影响
氮素在自然界中的存在形式主要包括有机含氮化合物、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮和大气中的游离氮气,而在湿地系统中以前3 种形态氮最多,能够直接引起污染的氮素形态主要是铵态氮和硝态氮。有机氮化合物在氨化菌的作用下,分解转化为铵态氮,铵态氮进一步分解氧化生成亚硝态氮,亚硝态氮在硝酸菌的作用下,又进一步转化为硝态氮,因此,本次试验主要对人工湿地系统中外加铵态氮和硝态氮后水中的NH4+ 、NO3- 和NO2- 进行了连续监测。
3.2.1 高浓度铵态氮对湿地系统水中氮素转化的影响
图4 是加入铵态氮后湿地系统水中NH4+和NO3-的浓度变化图。由图4 可见,在加入铵态氮的试验中,第1 天空白湿地和芦苇湿地水中的NH4+ 浓度都从较高的水平迅速下降,去除率分别是57.6 %和60.8 %;第2 天,空白湿地水中NH4+ 的浓度变化变缓,而芦苇湿地水中NH4+ 浓度仍在快速降低,这一天的去除率分别为9.5 %和40.4 %。这一现象说明,当高浓度的铵态氮进入湿地后,水中高浓度的NH+4 会与底质中低浓度NH4+形成明显的浓度梯度,因此在试验的第1天芦苇湿地和空白湿地系统都有较高的NH4+去除率。当湿地系统中铵态氮含量达到平衡后, NH4+的降低则以吸附、植物吸收和硝化等作用为主。由图4 还可看出,在湿地系统水中NH4+浓度降低的同时,水中NO3-浓度也发生了明显的变化。当铵态氮加入后,芦苇湿地和空白湿地水中NO3-浓度逐渐升高,第2 天达到最大值,之后芦苇湿地水中的NO3-浓度迅速降低,到第5 天降到0.44mg/ L ,而空白湿地水中的NO3-浓度则基本保持在3.5mg/ L 左右。说明在试验过程中湿地系统发生了显著的硝化反应,且第2 天硝化速率达到最大。在前两天的连续监测中还发现,湿地系统水中NO3-浓度的峰值都出现在每天中午左右,这与此时水中DO 含量较高相一致。
3.2.2 高浓度硝态氮对湿地系统水中氮素转化的影响
图5 是加入硝态氮后湿地系统水中NH4+和NO3- 的浓度变化图,由图5 可知,在加入硝态氮的试验中,湿地系统中对它的去除效果都很明显,但芦苇湿地要好于空白湿地,去除率分别为99.8 %和50.1 % ,说明湿地植物的存在能促进湿地的自净功能。在加入硝态氮试验开始时,两湿地系统中NH4+含量都很低,之后芦苇湿地系统水中NH4+浓度逐渐增加,到第3 天又开始下降并保持在较低的水平,而空白湿地系统水中NH4+浓度变化很小,一方面说明高浓度硝态氮在湿地系统中的去除主要途径是吸附作用和植物的吸收作用,另一方面也说明在芦苇湿地系统中的反硝化作用明显强于空白湿地系统,与其相对较低的DO 含量相一致。
图4 试验A 中湿地系统中NH4+和NO3-的浓度变化
图5 试验B 中湿地系统中NH4+和NO3-的浓度变化
图6 是加入不同形态氮素后湿地系统水中NO2-浓度变化图,由图6 可以看出在芦苇湿地系统中,加入外源氮素的第2 天水中NO2- 的浓度达到最大之后都会减少,且在加入硝态氮后的NO2-浓度的增加量是加入铵态氮的2 倍,说明高浓度的硝态氮促进了芦苇湿地系统反硝化作用的发生。反硝化作用是反硝化菌在缺氧的条件下,以NO3-为电子受体,以有机物为电子供体,最终生成气态氮(N2O/N2 ) 的过程,如下式所示:
由于反硝化菌是异氧型兼性厌氧菌,只有在没有或缺少分子氧而同时存在NO3--N的条件下,才能利用NO3--N 中的氧进行呼吸,使之还原生成N2O 或N2 。因此,降低硝态氮进入湿地系统的浓度会在一定程度上减小反硝化作用的进行。
图6 加入不同形态氮素后湿地水中NO2-浓度变化
3.3 不同形态外源氮素对湿地系统N2O 排放的影响
氮素是N2O 产生的直接根源,随氮素输入量的增多湿地N2O 的排放通量呈指数增加[16 - 17 ]。从整个试验结果看,无论外源何种形态氮素都会增加N2O的排放通量,但是,不同形态氮素对湿地系统N2O 排放的影响存在差异。在整个试验过程中,加入硝态氮后的芦苇湿地系统、空白湿地系统和加入铵态氮后的芦苇湿地系统、空白湿地系统的平均N2O 排放量分别是0.581、0.147、0.054 和0.052mg·m- 2·h - 1 ,硝态氮对湿地N2O 排放通量的影响远大于铵态氮的影响。原因可能是由于加入硝态氮试验中湿地系统主要发生的是反硝化作用而加入铵态氮试验中湿地系统主要发生的是硝化作用,湿地N2O 的排放可能主要发生在反硝化作用过程中。
在5d 的连续监测中发现,不同时间不同湿地类型中N2O 排放通量是不相同的,图7 是不同外源氮素条件下湿地系统N2O 排放通量的变化图。由图7 可以看出,在铵态氮试验中,只有在第3 天的芦苇湿地系统中N2O 表现出较高的排放通量,其它时间以及空白湿地系统的N2O 排放通量都在0.1mg·m- 2 ·h - 1以下;在硝态氮试验中,湿地系统中N2O 的排放通量显著增加,特别是在芦苇湿地系统中,监测到的N2O 排放通量的最大值达到2.693mg·m- 2·h - 1 ,与Regina[18 ] 、Liikanen[19 ] 和梁东丽[20 ] 的研究成果相一致,说明硝酸盐氮是N2O 产生和排放的主要影响因子。同时结合图6 可以看出,在湿地系统中NO2- 浓度最大的第3 天,即反硝化作用速率最显著的时期N2O 的排放通量达到最大值,进一步说明了反硝化作用是N2O 产生和排放的控制因素。
图7 加入不同形态氮素后湿地系统N2O 排放通量变化
4 结论
(1) 高浓度外源氮素进入湿地系统后,水中高浓度的氮素会与底质中低浓度氮素形成明显的浓度梯度,此时湿地系统中外源氮素浓度的降低主要是通过物理作用完成的。(2) 不同形态的浓度氮素在芦苇湿地系统中的迁移转化是不同的,铵态氮主要是以植物的吸收和硝化作用为主,而硝态氮主要是以植物吸收和反硝化作用来降低浓度。(3) 有植被的湿地系统中的反硝化作用明显强于无植被的空白湿地系统。(4) 任何外源氮素都会影响湿地系统中N2O 的排放通量,其中硝态氮的影响远大于铵态氮,一方面说明硝酸盐氮是N2O 产生和排放的主要影响因子,降低硝态氮进入湿地系统的浓度会在一定程度上减少N2O 的排放;另一方面外源硝态氮促进了湿地反硝化作用的进行,说明湿地N2O 的排放主要发生在反硝化作用过程中。
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作者简介:万晓红(1978 - ) ,女,河北张家口人,博士,主要从事水环境化学研究。
