植物多样性与人工湿地氮去除的关系对生境氮水平的响应及机理

With the deepening of the water environment governance, it is urgent to explore the efficient way to deal with the water of nitrogen pollution in different degree. Constructed wetlands have the advantages of receiving various nitrogen concentration wastewaters, but it still has a lot of room for improvement in plant optimization. Former studies have found that plant diversity can improve the nitrogen removal efficiency and some plant species combinations have nitrogen over-consumption effect, but the comparative study under different habitat nitrogen levels is still lack. This project would assemble plant species richness level and a great amount of plant combinations in strictly controlled simulated constructed wetlands, and intends to, (1) explore the response of biodiversity effects to habitat nitrogen levels under the condition of feeding wastewaters with great nitrogen concentration differences to constructed wetlands, and choose the excellent tool plant combinations for the treatments of either low nitrogen or high nitrogen concentration wastewater; (2) deeply analyze the mechanism of the biodiversity effect response to nitrogen level from the plant uptake and substrate processes; (3) understand the stability of the biodiversity effects and the selected combinations in full scale constructed wetlands treating actual wastewater; (4) furthermore, using the diversity effects to reduce the negative effects of wastewater treatment, we carry the tradeoff analysis on nitrogen removal efficiency and greenhouse gas emission intensity based on the experiment of a large number of plant combinations, and choose the excellent plant combinations that suitable to different nitrogen concentrations wastewater. This project would deepen the understanding on the mechanism of biodiversity and ecosystem functioning, and provide both new tool plants and new approach for the plant resource botany.

随着对水环境治理的深化，迫切需要探索出适用于不同程度氮污染水体的高效的处理途径。人工湿地具有接纳各种氮浓度污水的优点，但在植物优化上仍有很大提升空间。现已发现多样性可以提高氮去除效率且一些植物组合对氮具有超消耗效应，但还缺少在不同氮水平下的比较研究。本项目拟在严格控制条件的模拟人工湿地中配置植物丰富度和多个组合方式，探索在入水氮浓度有较大差异时生物多样性各种效应对生境氮水平的响应规律，并选择人工湿地处理低氮或高氮浓度污水时的优良工具植物组合；从植物吸收和基质过程深入分析对氮水平响应的机理；利用处理实际污水的全尺度人工湿地研究上述多样性效应及优良植物组合的稳定性。进一步，利用多样性效应来减小污水处理的负面影响，在大量植物组合的实验基础上进行氮去除效率与温室气体排放强度的权衡分析，选择适用于不同氮浓度污水的优良植物组合。既深化生物多样性功能的机理研究，又为资源植物学提供新工具植物和新研究途径。

人工湿地适用于处理分散、多来源的废水。该生态系统的物理结构不能够被弹性调整，但生物多样性构成上的优化有提升潜力。基于已有多样性提高氮去除率研究，我们设计了200多个微宇宙4年的实验研究，在严格控制条件的模拟人工湿地中配置植物丰富度和多个组合，探索在入水氮浓度有较大差异时生物多样性的各种效应对生境氮水平的响应规律。研究发现，（1）在入水氮浓度为33.6 mg L-1的极低氮水平，植物种丰富度对人工湿地氮去除率没有显著促进效应，而336 mg L-1的高氮下丰富度对人工湿地水中铵有超消耗效应，低氮下人工湿地单位面积生物量显著低于高氮处理组，说明废水浓度33.6 mg L-1的氮量不能满足植物的氮需求从而限制了多样性对植物生物量中的氮积累和去除率的效应；（2）在入水氮浓度为67.2 mg L-1的低氮水平下，人工湿地系统氮去除显著低于高氮处理，植物种丰富度促进人工湿地氮去除效率，并且高氮336 mg L-1下多物种组合对于出水铵浓度有超消耗效应可以降低人工湿地出水铵氮浓度到接近低氮（67.2 mg L-1）水平下人工湿地的出水氮浓度，这个较低入水氮浓度的输入基本可满足植物生长的氮需求，实现植物吸收氮驱动的氮去除；（3）入水氮浓度为33.6 mg L-1的低氮条件下芦苇单种人工湿地系统有较高的氮去除率和较低的温室气体排放速率，在67.2 mg L-1的低氮条件下，具有不同种类及种类组合的人工湿地间的氮去除率差异较大，芦竹单种和白花紫露草×吉祥草×芦竹组合具有最低的出水氮浓度；（4）高氮处理时提高丰富度可减少人工湿地氧化亚氮（N2O）排放，进而减缓污水处理排放温室气体导致的全球变暖潜力，去除单位废氮的N2O排放量也随物种丰富度增加而降低，在高多样性的组合中高氮的人工湿地系统与低氮系统间无显著差异，白花紫露草×吉祥草×芦竹组合在高氮条件下单位氮去除的温室气体排放与低氮处理无显著差异。本研究结论深化了生物多样性-生态系统功能的机理研究，也为资源植物学寻找新工具植物提供了新的研究思路。