基质-植物-蚯蚓配置垂直流人工湿地净化污水效果及机理研究

蚯蚓作为分解者在自然生态系统中起着重要的作用，将其引入垂直流人工湿地，可以增加人工湿地中的食物链和食物网，使系统结构更完善，功能更稳定。为此，本项目拟从基质、植物和蚯蚓3者之间的配置入手，展开垂直流人工湿地基质-植物-蚯蚓-微生物联合对污染物净化机理的研究。主要内容包括：探明不同基质及不同基质配比与植物和蚯蚓配置后，对植物和蚯蚓的生长及净化污水能力的影响，明确适宜植物和蚯蚓生长的基质；搞清不同植物与基质配置根际微生物的变化及其对污水净化能力的影响，确定净化污水能力强的植物根际微生物特征；阐明蚯蚓对垂直流人工湿地中植物、微生物的作用，及其对渗透能力和净化能力的影响，评价蚯蚓在垂直流人工湿地中的生态功能及其净化污水的潜力。通过上述研究，揭示基质-植物-蚯蚓配置垂直流人工湿地长期、稳定和高效净化污水的机理，为蚯蚓引入人工湿地的应用提供理论依据。

该项目选择黄菖蒲、香蒲、芦苇和美人蕉等为供试植物，以沙子、土壤、陶粒和有机质等为供试基质，以赤子爱胜蚓为供试蚯蚓，采用盆钵实验和模拟人工湿地实验相结合。较系统研究了基质、植物和蚯蚓配置对污水净化机理及其净化能力的影响研究，完成了预期的研究目标。主要研究成果如下：①探明了不同基质及其基质配比对蚯蚓、植物生长和净化污水能力的影响。不同基质的蒸腾、蒸发量存在差异；有机质高的基质有利于蚯蚓的生长；不同基质上植物的净光合速率、蒸腾速率和SPAD值存在差异；不同基质上黄菖蒲的最长根长、根体积也存在差异，其中以有机质+沙混合基质上黄菖蒲的最长根长、根体积最大，而沙子基质上黄菖蒲的最长根长、根体积最小。沙子与有机质配置有利于蚯蚓与植物的生长，且人工湿地对污水的去除率与植物的光合速率、蒸腾速率和SPAD值有关。②探讨了蚯蚓对湿地植物生长及其净化污水能力的影响规律。加入蚯蚓增加了湿地植物的茎粗、叶长、叶宽、株高、叶绿素、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和SPAD值，且蚯蚓促进了黄菖蒲荚果的生成，并提早了美人蕉的花期。加入蚯蚓能增加黄菖蒲的最长根长、根系体积和基质的总孔隙度。蚯蚓能促进湿地植物的生长从而提高其对污水的净化能力。③阐明了蚯蚓和基质对湿地植物酶活性和吸收氮磷的影响规律。加入蚯蚓增加了湿地植物叶绿素含量，降低了春季美人蕉和香蒲的丙二醛（MDA）、过氧化物酶（POD）活性和过氧化氢酶（CAT）活性。加入蚯蚓增加了芦苇、美人蕉和香蒲对氮和磷的吸收量。在加入蚯蚓的基质中，以沙+有机质混合基质和沙+土+有机质混合基质上黄菖蒲吸收磷量较多，而沙子基质和沙+土混合基质上黄菖蒲吸收磷量相对较少。④揭示了基质与蚯蚓对基质微生物数量、酶活性、硝化与反硝化潜力及其微生物多样性的影响规律。向沙子中加入有机质以及向基质中加入蚯蚓，均增加了基质中细菌、放线菌、真菌、硝化细菌、反硝化细菌的数量；基质的过氧化氢酶、脲酶、纤维素酶和蔗糖酶也随蚯蚓的加入而增加。香蒲、芦苇和美人蕉根际的硝化潜力存在差异，但不同湿地植物根际的反硝化潜力未存在显著差异。对于未有植物的人工湿地系统，加入蚯蚓增加了微生物的AWCD值，Shannon、Simpson和Mclntosh指数。加入蚯蚓增加了美人蕉和香蒲根际的Simpson和Shannon指数，香蒲根际的Mclntosh指数也随蚯蚓的加入而增加。