人工湿地植物多样性对氧化亚氮减排效应及机理研究

人工湿地处理高N污水时会有大量的氧化亚氮（N2O）排放。因此需要探索脱N能力高N2O释放低的生态系统结构。植物是人工湿地的生态主体，通过影响基质中理化因子和微生物群落来影响硝化和反硝化作用中N2O产生的强度和比例。本研究拟在处理污水的全尺度人工湿地和受控小型模拟处理系统两个尺度上，通过研究持续高N污水供给这种以往很少关注的生境中各种植物根区N2O释放强度和N2O/N2释放比例的种间差异和机理，为人工湿地寻找出20余种兼具高脱N能力和低N2O释放的工具植物种类，拓展资源植物学领域。同时，利用上述工具植物进行多样性梯度实验，在高营养物质持续供给的新生态系统类型上进行生物多样性对N2O排放影响的理论研究，检验生物多样性-生态系统功能研究中现有的理论和假说，并提出新假说，加深生物多样性的功能研究的深度和广度。同时寻找通过植物组合强化人工湿地的N2O减排能力的新方案。

处理废水的人工湿地接受的氮含量往往高于自然生态系统氮含量几十倍，因此在人工湿地中进行生物多样性-生态系统功能的研究可能会有新发现。针对高氮污水有大量氧化亚氮（N2O）排放的问题，本项目通过在人工湿地配置植物多样性（包括物种丰富度和物种组成）来研究生物多样性对N2O排放的效应，并寻找除氮能力强且N2O排放低的生态系统结构。本研究的主要创新点及发现有：在人工湿地废水供给初期的高氮水平下，系统N2O排放强度高，此时植物物种丰富度对N2O排放有抑制作用；然而，当废水停留到后期废水氮被去除，系统处于较低的氮水平时，物种丰富度则促进人工湿地的N2O排放，但此时系统总的N2O排放强度低；整体上，在一个供水周期中，植物丰富度对N2O排放仍然是抑制效应；这肯定了我们试图通过提高物种丰富度减少N2O排放的假设。进一步，由于植物单种群落的N2O释放强度有显著的种间差异，有些种（如羊蹄）具有低的N2O排放量同时较高的氮去除能力，因此，如果在同样丰富度下配置低排放的植物种类，则可以进一步减弱污水处理过程中N2O排放。随着研究的深入，我们发现，除了植物多样性对N2O排放的效应之外，植物对氮去除的促进和生产力的促进也能够通过节能而减少二氧化碳等排放。因此我们扩大了研究参数，并进行了经济分析。总之，本研究第一次在国际上报道了在高氮条件下生物多样性对N2O排放效应的研究结果，发展了生物多样性-生态系统功能研究中的理论和假说，加强了生物多样性-生态系统功能研究的深度和广度。我们的研究也表明通过优化植物组合来强化人工湿地氮去除和减排温室气体是经济可行的，拓展了植物资源学领域。