人工湿地中植物多样性对养殖废水氨挥发相关氮过程的影响

It has been found that the haze is closely related to ammonium sulfate and ammonium nitrate in the atmosphere and livestock wastewater is an important contributor to ammonia emission. Since ammonia emission from livestock excreta decreases exponentially with time, it is critical to control the emission at the early stage. Rapid excreta processing near the livestock farm is an effective way. In this study, we choose two experimental systems: a wastewater treatment constructed wetland nearby the livestock farm and controlled microcosms. Processes such as the ammonification, nitrification and ammonium retention in the substrate, ammonia emission and plant uptake of ammonium will be studied and compared in the two systems. The plant species with low ammonia emission and better performance of nitrogen removal would be selected through analyzing the differences among the plant species, discussing the effect of plant diversity on ammonia emission and its related processes. The research of biodiversity - ecosystem functioning relationships would be extended both under the condition of high nitrogen level and diverse nitrogen forms. Current theories and hypothesis (such as niche partitioning，resource complementary effect or selection effect) would be tested, and new hypothesis will be proposed if the current theories fail under high nitrogen habitats. We will attempt to reduce the ammonia emission through plant diversity and promote nitrogen removal ability simultaneously. Exploring the effects of plant diversity on ammonia emission from livestock wastewater will advance the development of global research on ammonia emission, and is also of great importance on haze control.

现已发现，雾霾与大气中的硫酸铵和硝酸铵关系密切，而养殖排泄物是氨挥发的重要贡献者。养殖排泄物的氨挥发强度随时间呈指数衰减，因此早期控制是关键。在养殖场附近进行快速处理是有效途径。本研究拟在处理养殖废水的人工湿地和小型受控系统两个实验平台中，比较所选植物根区氮的氨化-氨挥发-植物铵吸收-基质铵存留-硝化过程，分析种间差异和机理，选择兼低氨挥发和高除氮能力的工具植物种类；进一步探索植物多样性如何影响系统的氨挥发及相关氮过程。在高氮和复杂氮形态下拓展生物多样性-生态系统功能研究，检验生物多样性-生态系统功能研究中现有的理论和假说（如生态位分化-资源利用互补效应或选择效应）在高氮生境中是否仍然有效，或提出新假说；尝试通过植物多样性降低氨挥发并强化人工湿地除氮能力。本项目通过植物多样性减排养殖废水氨挥发的探索，将推动氨挥发这一国际前沿问题的进展，并对控制大气雾霾有重要的社会现实意义。

养殖产生的高浓度氮污水的氨挥发能产生严重的环境和健康问题。在养殖场附近进行快速处理是有效途径。人工湿地已广泛应用于处理含氮污水，但以往对氨挥发的关注不够。本研究利用人工湿地和小型受控模拟微宇宙系统两类实验平台，研究多种植物和多样性配置的氨挥发差异，寻找具有“超减排”效应的组合，深入研究与氨挥发相关的根区氮的基质铵-硝化过程，拓展多样性-氨挥发相关的机理，同时选择兼具低氨挥发和高除氮能力的植物种类和组合。主要发现有：（1）在严格控制条件的模拟系统中，提高植物种丰富度在污水供给初期和中期时达到显著减少系统氨挥发，后期（7天和8天）近显著（P < 0.10）。植物丰富度通过降低系统铵浓度、pH而减少氨挥发，通过促进生物量和蒸散提高系统氮去除效率。在初期污水氮浓度较高时，多样性抑制氨挥发的机理是互补效应（特别是在包含羊蹄的混种系统中），随着停留时间的增加污水氮浓度降低，这使得互补效应减弱。（2）在实际湿地上，混种系统比单种系统降低了87%的氨挥发通量。混种系统的氨挥发通量与基质中污水铵态氮浓度正相关，而与生物量生产负相关，这可以解释多样性抑制氨挥发的机理。物种丰富度对基质中铵氮浓度和植物生物量的影响较弱。（3）物种对氨挥发及相关的生态系统功能的影响差异显著：有羊蹄的系统比其他系统的氨挥发通量低；千屈菜降低系统的氨挥发，芦竹提高系统的硝氮去除率，美人蕉则提高系统铵和总无机氮去除率；早春植物的物种差异性对氨挥发及相关功能的影响高于物种丰富度。（4）物种丰富度增加显著改变系统多功能性（整合氨挥发、无机氮去除效率、生物量生产及出水pH）。对夏秋植物，一些物种显著影响生态系统多功能性：芦竹、千屈菜或美人蕉均能提高系统的多功能性。丰富度对氨挥发和多功能性的影响大于物种特性，但对系统氮去除效率的影响小于物种特性。（5）植物根区基质中柠檬酸钠、甘油、葡萄糖等更有效地提高了反硝化速率，而多样性增强这些反应速率。亚硝酸钠比其他三个氮化合物刺激反硝化速率的作用更强，但不受植物丰富程度影响。在pH为5.6或8.4时均比pH2.8处理水平有更显著高的反硝化速率，植物物种多样性没有改变这个趋势。总之，在人工湿地中可以通过配置3-4的丰富度和合适种类进行组合来抑制氨挥发，同时提高污水氮去除率和植物生产力。利用结构模型的路径分析提出了调控点，并确定了在污水处理中可以高效除氮并低氨挥发的物种组合。