呂麗萍，張淼，陳琛，安樹(shù)青，趙德華

南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023

水生植物是人工濕地的重要組成部分，通過(guò)直接吸收、根系泌氧、有機(jī)質(zhì)分泌和為微生物提供附著基質(zhì)等途徑，對(duì)人工濕地的凈化功能產(chǎn)生重要影響；同時(shí)，水生植物殘?bào)w在分解過(guò)程中也會(huì)釋放富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)人工濕地造成二次污染。因此，對(duì)于水生植物在人工濕地中的功能一直存在爭(zhēng)議（Brisson et al.，2009；Liu et al.，2014；Cardinal et al.，2014）。長(zhǎng)江中下游地區(qū)，人工濕地工程中多種植蘆葦（Phragmites australis）、菖蒲（Acorus calamus）等暖季型水生植物，而暖季型水生植物殘?bào)w在秋、冬季節(jié)的集中腐解，極易對(duì)人工濕地造成二次污染，因此在人工濕地管理中，常通過(guò)收割移除水生植物殘?bào)w，降低二次污染的風(fēng)險(xiǎn)（劉臣，2014）。

隨著尾水濕地深度凈化工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尾水濕地的ω(C)/ω(N)失衡問(wèn)題越來(lái)越受到研究者的重視，外加植物碳源在緩解尾水濕地ω(C)/ω(N)失衡、提升氮去除效率方面表現(xiàn)出了極大的潛力（Hang et al.，2016；Fu et al.，2016），協(xié)調(diào)尾水濕地中植物碳源添加與水生植物殘?bào)w收割移除，以及水生植物的凈化功能與二次污染風(fēng)險(xiǎn)間的矛盾，已成為尾水濕地工程應(yīng)用中的重要內(nèi)容（Chen et al.，2014a；Zhang et al.，2016）。在尾水濕地中通過(guò)將不同物候型水生植物進(jìn)行合理配置可以協(xié)調(diào)這一矛盾，且能夠達(dá)到穩(wěn)定周年出水水質(zhì)的目的（張惠等，2017）。關(guān)于水生植物殘?bào)w分解過(guò)程及其對(duì)水環(huán)境的影響（Kayranli et al.，2010）、不同物候型水生植物凈化功能提升及其機(jī)制等方面已有大量的研究報(bào)道（Wu et al.，2017），并初步探討了不同物候型水生植物配置提升人工濕地凈化功能的可行性（Zhang et al.，2016；張惠等，2017）。目前對(duì)于暖季型水生植物殘?bào)w在枯萎期的集中分解與冷季型水生植物在生長(zhǎng)期的凈化功能間的相互作用研究少見(jiàn)報(bào)道，而此類研究對(duì)于完善不同物候型水生植物配置理論及其工程應(yīng)用具有重要的意義。

本研究以長(zhǎng)江中下游地區(qū)廣泛采用的人工濕地植物——蘆葦為材料，研究蘆葦殘?bào)w在冬季分解過(guò)程中對(duì)冷季型水生植物——水芹菜（Oenanthe javanica）的生長(zhǎng)，以及對(duì)水芹菜浮床氮去除率的影響，旨在提出一種同步提升尾水濕地氮去除功能和降低水生植物二次污染風(fēng)險(xiǎn)的解決方案，并為其工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在南京大學(xué)洪澤濕地實(shí)驗(yàn)基地（33°19'N，118°55'E）的塑料大棚中進(jìn)行，試驗(yàn)基地所在流域年降水量1080 mm，年平均溫度為15 ℃，冬季平均溫度為2～5 ℃。

試驗(yàn)選取人工濕地中常見(jiàn)的水生植物蘆葦作為碳源添加物質(zhì)。在枯萎期（12月21日）收集基地附近池塘的蘆葦殘?bào)w，將收集的蘆葦殘?bào)w洗凈、晾干，剪成2～3 cm的小段，在70 ℃烘箱烘干至恒重，分裝在尼龍袋（43 cm×34 cm，網(wǎng)眼2 mm）里儲(chǔ)存于干燥箱中。選用冬季植物水芹菜為浮床植物，水芹菜從當(dāng)?shù)氐拿缙灾惺占?，選用株高7～8 cm且長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，將它們的根切成相同的長(zhǎng)度（2 cm）。然后將這些幼苗清洗干凈，待幼苗制備完畢后移植到浮床上。

試驗(yàn)裝置為長(zhǎng)190 cm、寬110 cm、高66 cm的纖維增強(qiáng)塑料長(zhǎng)桶，設(shè)置2個(gè)處理組：不加蘆葦秸稈浮床系統(tǒng)（CK）和添加蘆葦秸稈浮床系統(tǒng)（FCW-L），其中，F(xiàn)CW-L的蘆葦秸稈添加量為每個(gè)系統(tǒng)中加10 kg蘆葦（即5 kg·m-2，由于實(shí)際濕地中蘆葦?shù)纳锪孔兓^大，最佳用量較難確定，本研究取中間值）。每處理組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共6個(gè)浮床人工濕地系統(tǒng)單元。試驗(yàn)始于2018年1月15日，結(jié)束于2018年4月5日。以HCFC500型生態(tài)浮床（500 mm×500 mm×65 mm，每個(gè)浮床有9個(gè)栽植籃，孔徑8 cm）作為水芹菜的生長(zhǎng)載體，每個(gè)濕地系統(tǒng)6塊浮床共54籃浮床植物，每個(gè)水培籃中移植4株幼苗，浮床面積占整個(gè)濕地單元表面積的72%。每個(gè)系統(tǒng)每籃水芹菜的初始生長(zhǎng)狀況和生物量基本一致，各單元水位設(shè)定為40 cm。

1.2 試驗(yàn)運(yùn)行

試驗(yàn)用水取自基地附近池塘，水質(zhì)為：化學(xué)需氧量（COD）35 mg·L-1，銨態(tài)氮（NH4+-N）1 mg·L-1，硝態(tài)氮（NO3--N）0.5 mg·L-1。以池塘水為基礎(chǔ)，添加由 KNO3和(NH4)2SO4配制而成的人工合成污水，以20 d為1個(gè)周期，每個(gè)周期NH4+-N添加量為 10 mg·L-1，NO3--N 添加量為 5 mg·L-1（每周期添加1次，上一周期剩余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)累加到下一周期)。系統(tǒng)共運(yùn)行4個(gè)周期（80 d），每個(gè)周期結(jié)束時(shí)取水樣和植物樣品，測(cè)定水質(zhì)及植物指標(biāo)。

在整個(gè)試驗(yàn)期間，近地層大氣溫度波動(dòng)范圍為-0.11～25.2 ℃，平均溫度為 10.5 ℃，而水溫波動(dòng)范圍在-1～26.1 ℃之間，平均溫度為10.7 ℃，溫度逐漸升高（圖 1）。各周期的平均氣溫溫度分別為5.23、7.48、10.21和16.19 ℃，各個(gè)周期平均水溫分別為6.03、7.05、10.25和16.3 ℃。

1.3 樣品采集與測(cè)定

在每個(gè)試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)，于水下20 cm處采集水樣，利用哈希 DR/2800分光光度計(jì)對(duì) COD、NH4+-N、NO3--N和總氮（TN）進(jìn)行測(cè)定，COD濃度測(cè)定采用USEPA消解比色法，NH4+-N濃度測(cè)定采用水楊酸法，NO3--N濃度測(cè)定采用鎘還原法，TN濃度測(cè)定采用過(guò)硫酸鹽氧化法（張惠，2017）；水體溶解氧（DO）濃度及 pH測(cè)定使用美國(guó)哈希HQ40d雙路輸入多參數(shù)數(shù)字分析儀；使用 HOBO防水型溫度光照記錄儀（UA-002-64）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水溫及氣溫變化。同時(shí)每個(gè)系統(tǒng)取6籃水芹菜用于植物指標(biāo)測(cè)定，其中3籃用于測(cè)量其株高、干重及有機(jī)碳（C）和總氮（N）含量。在70 ℃烘箱中烘至恒重，稱量干重，C含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法（NY/T 1121.6—2006），N含量測(cè)定采用凱氏定氮法（鮑士旦，2000）。另外 3籃水芹菜用于測(cè)定葉綠素和根系活力，葉綠素使用 SPAD502葉綠素含量測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定（鄒祥旭，2016），根系活力采用TTC 法測(cè)定（白寶璋等，1994）。每次取完樣品后及時(shí)補(bǔ)充水芹菜以保證整個(gè)試驗(yàn)周期植物種植密度不變。在第5天、20天、80天（考慮到蘆葦前期分解較快，生物量及成分變化較大，后期分解緩慢，且頻繁取樣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，故在前期增加對(duì)蘆葦?shù)臏y(cè)樣（5 d），后期40 d和60 d不再對(duì)蘆葦進(jìn)行取樣，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。），從各裝置中取1袋蘆葦，在70 ℃烘箱中烘干至恒重測(cè)定其生物量及成分變化，測(cè)定方法與水芹菜相同。

圖1 試驗(yàn)期間水溫和氣溫變化Fig. 1 Changes of water and air temperature over time

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆葦分解過(guò)程中的質(zhì)量與成分變化動(dòng)態(tài)

蘆葦殘?bào)w分解表現(xiàn)出先快后慢的動(dòng)態(tài)過(guò)程（圖2），試驗(yàn)前5天，蘆葦殘?bào)w質(zhì)量減少了18.39%，經(jīng)過(guò)80 d的分解，質(zhì)量累計(jì)減少33.4%。圖3所示為蘆葦殘?bào)w中C、N含量及ω(C)/ω(N)的動(dòng)態(tài)變化，C含量在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中呈下降趨勢(shì)，在前 20天 C含量下降較快，由最初的49.02%下降至41.87%，隨后下降緩慢，20～80 d C含量下降4.51%。N含量在前20天從0.74%下降至0.33%，后60天N含量有所上升，在第80天時(shí)升高到0.42%。ω(C)/ω(N)表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，在第 60天達(dá)到最大值（128），后20天從128下降到89.6。蘆葦殘?bào)w的這種先快后慢分解動(dòng)態(tài)是水生植物分解的典型過(guò)程。由此表明，對(duì)于C缺乏的人工濕地系統(tǒng)，蘆葦在分解前期可向系統(tǒng)中釋放大量C源以滿足反硝化脫氮的需要。

圖2 蘆葦分解過(guò)程中剩余質(zhì)量的變化Fig. 2 Temporal dynamic of residual dry biomass of Phragmites communis

2.2 蘆葦分解對(duì)水芹菜生長(zhǎng)的影響

圖3 蘆葦分解過(guò)程中C含量、N含量及ω(C)/ω(N)動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 Temporal dynamics of C concentration, N concentration and ω(C)/ω(N)in Phragmites australis residue

試驗(yàn)期間，兩個(gè)處理組的水芹菜根長(zhǎng)和株高在前兩個(gè)試驗(yàn)周期均增長(zhǎng)緩慢（圖 4）；后兩個(gè)周期FCW-L水芹菜根長(zhǎng)和株高增長(zhǎng)迅速，根長(zhǎng)由第2周期結(jié)束時(shí)的7.07 cm增加至第4周期結(jié)束時(shí)的12.53 cm，而株高從10.03 cm增長(zhǎng)至33.57 cm；CK在第3周期生長(zhǎng)較快，根長(zhǎng)由6.33 cm增加至9.37 cm，株高由8.37 cm增加至14.07 cm，第4周期，根長(zhǎng)和株高分別縮減至4.70 cm和12.03 cm。生物量與株高表現(xiàn)為相似的趨勢(shì)，F(xiàn)CW-L干重從第3周期開(kāi)始迅速增加，地上干重由第 2周期結(jié)束時(shí)的 2.67 g·m-2增至第3、4周期的33.75 g·m-2和101.73 g·m-2，地下干重由 4.26 g·m-2增至 13.47 g·m-2和 20.76 g·m-2；CK 的地上干重由初期的 2.91 g·m-2增至第 3周期的 8.88 g·m-2，第 4 周期降至 3.78 g·m-2；地下干重由初期的 1.24 g·m-2增至第 3周期的 3.21 g·m-2，第 4 周期降至 0.51 g·m-2。由此表明，蘆葦殘?bào)w的分解可促進(jìn)水芹菜的生長(zhǎng)，從而提升冬季浮床的凈化功能。

圖4 浮床植物水芹菜的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)：株高（a）、干重（b）、葉綠素（c）、單位根系活力（d）Fig. 4 Growth characteristics of plant length (a), dry biomass (b), leaf chlorophyll concentration (c) and root activity (d) of the Oenanthe clecumbens plants

FCW-L的葉綠素含量表現(xiàn)為前3個(gè)周期持續(xù)增長(zhǎng)，第4周期略有下降；而CK從第2周期開(kāi)始表現(xiàn)為持續(xù)下降趨勢(shì)。兩處理間葉綠素在第1周期無(wú)顯著差異（P=0.392），但從第2周期到第4周期，F(xiàn)CW-L葉綠素含量顯著高于 CK（P=0.000）。CK的單位根系活力在第一周期略有上升，隨后3個(gè)周期保持在 100～120 μg·g-1·3h-1，而 FCW-L 的水芹菜單位根系活力在第 1周期結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值（339 μg·g-1·3h-1），第 2 周期迅速下降，隨后基本穩(wěn)定在10～30 μg·g-1·3h-1；總根系活力 FCW-L 在各周期顯著高于CK（P=0.000～0.001）。結(jié)果表明，添加蘆葦殘?bào)w可提高水芹菜葉綠素含量和總根系活力，而降低單位根系活力。

2.3 蘆葦分解對(duì)水芹菜浮床凈化功能的影響

2.3.1 pH、電導(dǎo)率和DO

試驗(yàn)期間，兩個(gè)系統(tǒng)總體上處于弱堿性，F(xiàn)CW-L組和CK的pH表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，pH在第一周期升高，20 d時(shí)分別達(dá)到最大值9.94、8.66，后3個(gè)周期pH下降（圖5）。兩個(gè)處理組的電導(dǎo)率一直呈上升趨勢(shì)，在第4周期結(jié)束時(shí)分別達(dá)到最大值 1784.70 μs·cm-1、1779.00 μs·cm-1。前 3個(gè)周期 FCW-L系統(tǒng)的 pH值顯著低于 CK（P=0.000～0.017），F(xiàn)CW-L電導(dǎo)率顯著高于 CK 組（P=0.000～0.012），而第4周期兩處理組的pH和電導(dǎo)率均沒(méi)有顯著差異（P=0.213，0.7）。各周期，F(xiàn)CW-L處理DO均顯著低于CK（P=0.000），F(xiàn)CW-L一直處于厭氧狀態(tài)，而CK一直處于好氧狀態(tài)；CK的DO從前兩個(gè)周期的接近于飽和狀態(tài)降至第3、4周期的 3.97 mg·L-1和 4.84 mg·L-1。FCW-L 組在加入蘆葦后溶氧迅速下降，在第4天達(dá)到最低值（0.18 mg·L-1），隨后一直處于缺氧環(huán)境（DO波動(dòng)范圍為0.18～0.7 mg·L-1）。由此表明，蘆葦殘?bào)w分解會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)DO顯著下降，使系統(tǒng)處于厭氧狀態(tài)，同時(shí)對(duì)部分周期的pH和電導(dǎo)率也產(chǎn)生顯著的影響。

圖5 浮床系統(tǒng)中pH（a）、電導(dǎo)率（b）和溶氧（c）變化Fig. 5 Field measurements of pH (a), conductivity (b) and DO (c)in the FCW

2.3.2 NO3--N、NH4+-N和TN

圖6 硝氮（a）、氨氮（b）和總氮（c）質(zhì)量濃度變化Fig. 6 NO3--N (a), NH4+-N (b) and TN profile (c) in CK and FCW-L

由圖6可知，各試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)，CK的NO3--N濃度均顯著高于 FCW-L（P=0.000～0.003），其中CK的NO3--N波動(dòng)范圍為2.63～7.45 mg·L-1，均值為 4.68 mg·L-1；FCW-L 的 NO3--N 波動(dòng)范圍為0.33～1.1 mg·L-1，均值為 0.79 mg·L-1，4 個(gè)周期表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì)。FCW-L 4個(gè)周期NO3-N的累計(jì)去除率為90%，而CK 4個(gè)周期NO3--N的累計(jì)去除率僅為26.5%。NH4+-N在前兩個(gè)周期結(jié)束時(shí)處理間無(wú)顯著差異（P=0.651，0.316），后兩個(gè)周期結(jié)束時(shí) FCW-L的 NH4+-N顯著低于 CK（P=0.007，0.005）。CK各個(gè)周期末NH4+-N表現(xiàn)為逐漸上升的趨勢(shì)，各周期末的波動(dòng)范圍為3.47～24.43 mg·L-1，均值為14.31 mg·L-1；FCW-L第2周期末與第1周期末相比顯著上升（P=0.009），而后3個(gè)周期結(jié)束時(shí)差異不顯著（P＞0.05），各個(gè)周期末波動(dòng)范圍為3.47～9.27 mg·L-1，均值為 7.27 mg·L-1。4 個(gè)周期末FCW-L和CK的NH4+-N累計(jì)去除率分別為82%和41%。TN變化趨勢(shì)與NH4+-N相似，CK的TN呈上升趨勢(shì)，F(xiàn)CW-L在第二周期結(jié)束達(dá)到最高隨后開(kāi)始下降，整個(gè)周期CK和FCW-L的TN去除率分別為27.2%和73.4%。由此表明，蘆葦殘?bào)w的分解可提升水芹菜浮床濕地NO3--N、NH4+-N和TN的去除率。

2.3.3 COD

由圖7可知，各個(gè)周期結(jié)束時(shí)，F(xiàn)CW-L的COD均顯著高于CK（P=0.000），其中，F(xiàn)CW-L在各個(gè)周期末的波動(dòng)范圍為 171.33～196.67 mg·L-1，平均值為184.67 mg·L-1；而CK在各個(gè)周期末的波動(dòng)范圍為 56.00～78.33 mg·L-1，平均值為 72.08 mg·L-1。FCW-L 各個(gè)周期末的ω(C)/ω(N)[ω(COD)/ω(TN)]均顯著高于CK（P＜0.05），F(xiàn)CW-L和CK各個(gè)周期末ω(C)/ω(N)的 波 動(dòng)范圍分別為 1.73～5.82 和9.72～18.07，平均值分別為3.18和13.10。由此表明，添加蘆葦殘?bào)w可提升系統(tǒng)有機(jī)物含量，改善碳氮失衡狀況。

圖7 COD質(zhì)量濃度和碳氮比變化Fig.7 COD and ω(C)/ω(N) profile in CK and FCW-L

3 討論

3.1 冷季型水生植物生長(zhǎng)的影響因素及其與植物殘?bào)w分解的關(guān)系

溫度是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，溫度通過(guò)影響植物的光合作用、呼吸作用、細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)來(lái)影響植物的生長(zhǎng)（袁偉，2006）。水芹菜生長(zhǎng)的最佳溫度為12～24 ℃，高于25 ℃或低于10 ℃均不利于其生長(zhǎng)，溫度為 10 ℃時(shí)水芹菜會(huì)出現(xiàn)不正常的外部特征，下部葉片開(kāi)始發(fā)黃，莖細(xì)且植株生長(zhǎng)緩慢（胡綿好等，2011）。試驗(yàn)前兩個(gè)周期氣溫低于 10 ℃，水芹菜生長(zhǎng)緩慢，葉綠素和根系活力相對(duì)較低，后期隨著溫度回升，F(xiàn)CW-L的水芹菜生長(zhǎng)迅速，株高和生物量增加。溶氧是水環(huán)境中重要的生態(tài)因子，對(duì)植物的生長(zhǎng)存在影響（許建平等，2014）。FCW-L的水芹菜由于系統(tǒng)DO降低，后3個(gè)周期的根系活力較低，這與李寬意等（2006）的研究結(jié)果一致。在低氧條件下，植物為了生存會(huì)在根莖基部產(chǎn)生不定根，替代死亡或受到傷害的初生根吸收水分和養(yǎng)分以維持植物生長(zhǎng)（Sauter，2013）。盡管 FCW-L的蘆葦秸稈分解形成低氧環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)造成影響，水芹菜單位根系活力下降，但低氧脅迫促進(jìn)了水芹菜不定根的生長(zhǎng)，根系生物量大大增加。CK的水芹菜生長(zhǎng)緩慢，到第4周期甚至出現(xiàn)枝葉枯萎和根系腐爛，這可能是由于浮床人工濕地中缺少植物生長(zhǎng)所必須的微量元素，而 FCW-L的蘆葦秸稈在微生物作用下分解可以提供微量元素（楊芳，2011）。勞秀榮等（2002）研究表明秸稈還田量的增加使土壤有效鋅含量明顯提高。于淼等（2015）研究也發(fā)現(xiàn)秸稈生物降解明顯增加了土壤有效銅的含量，提高了紅干椒（Capsicum annuum）植株中的銅元素含量。易文利等（2011）研究表明，植株萌發(fā)的初期，投加一定量的有機(jī)質(zhì)（植物殘?bào)w），短時(shí)間內(nèi)穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）根系由于厭氧環(huán)境而受到一定抑制，但很快恢復(fù)生長(zhǎng)，且中后期可利用的營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度較低，又促進(jìn)根系生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了植 株的生長(zhǎng)。FCW-L的蘆葦殘?bào)w分解對(duì)水芹菜生長(zhǎng)沒(méi)有明顯的抑制作用，且水芹菜根系生物量大大增加，總根系活力提高。

3.2 植物殘?bào)w分解提升浮床濕地冬季氮去除效果及其可能途徑

人工濕地中存在多種脫氮機(jī)制，包括植物吸收、基質(zhì)吸附、硝化反硝化等，其中，通過(guò)微生物代謝過(guò)程進(jìn)行硝化-反硝化作用是人工濕地脫氮的主要途徑（Changgyun et al.，2009）。反硝化過(guò)程需要有機(jī)碳作為電子供體，以還原硝酸鹽氮。因此，有機(jī)碳源是反硝化過(guò)程中必不可少的物質(zhì)（劉剛等，2011）。Wen et al.（2010）研究表明，硝氮去除率與可有效利用的碳源呈強(qiáng)相關(guān)（R2=0.93）。Chen et al.（2014a）研究也表明，添加香蒲（Typha orientalis Presl）凋落物增加了人工濕地系統(tǒng)的碳源，硝氮去除率增加了 1.2～1.3倍。在本研究中，添加蘆葦秸稈大大改善了系統(tǒng)中碳源缺乏的問(wèn)題，F(xiàn)CW-L的ω(C)/ω(N)遠(yuǎn)高于CK，硝氮去除率也相應(yīng)增加。Fan et al.（2013a）研究，表明進(jìn)水ω(C)/ω(N)從 5 增加到10，由于碳源增加人工濕地的出水NO3--N濃度從 23 mg·L-1降低到 4.72 mg·L-1，F(xiàn)CW-L 蘆葦腐解提供足夠的碳源促使硝氮去除率大大提高。同時(shí)，在人工濕地中添加蘆葦秸稈，其分解過(guò)程會(huì)中消耗大量氧氣，有利于創(chuàng)造反硝化細(xì)菌所需要的缺氧環(huán)境（Chen et al.，2014a）。在試驗(yàn)期間，F(xiàn)CW-L一直處于缺氧狀態(tài)，有利于反硝化作用的進(jìn)行，硝氮凈化效果提升。有研究表明，以植物作為外加碳源的人工濕地，對(duì)硝氮的去除效果會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低（Chen et al.，2014a；Chen et al.，2014b）。但本試驗(yàn)結(jié)果與之相反，F(xiàn)CW-L 4個(gè)周期的硝氮去除率呈波動(dòng)上升，這可能是由于植物種類不同。本試驗(yàn)中的蘆葦為挺水植物，木質(zhì)素等難降解物質(zhì)含量較高，與浮葉植物和沉水植物相比，挺水植物分解周期長(zhǎng)（Kayranli et al.，2010）。因此，蘆葦作為反硝化的植物碳源后期不會(huì)出現(xiàn)由于碳源不足而導(dǎo)致硝氮去除率降低。此外，溫度也是影響硝氮去除效果的重要因素，微生物活性與溫度密切相關(guān)（Zhang et al.，2016），試驗(yàn)后期溫度升高有利于浮床人工濕地微生物活動(dòng)，微生物途徑去除硝氮作用也會(huì)隨之增強(qiáng)。

溶氧和植物是影響氮去除的重要因素（Moss，1990）。因?yàn)橄趸^(guò)程需要氧，所以在硝化動(dòng)力學(xué)中DO是一個(gè)極其重要的因素（張政等，2006）。FCW-L在蘆葦添加后一直處于無(wú)氧狀態(tài)（DO＜1 mg·L-1），而溶氧高于 1.5 mg·L-1是硝化作用發(fā)生的條件（Ye et al.，2009），因此理論上FCW-L不能滿足硝化作用去除氨氮的條件。同時(shí)CK中的溶氧初期接近飽和溶氧，后期溶氧降低但仍然滿足硝化作用發(fā)生的先決條件。本試驗(yàn)中，F(xiàn)CW-L 4個(gè)周期的氨氮去除率均高于CK，這與他人的研究結(jié)果相反，大多數(shù)的研究表明，DO不足會(huì)影響硝化作用的進(jìn)行從而使氨氮去除率減低（Moss，1990；Fan et al.，2013b）。這可能是因?yàn)楦〈仓参锏牡拇嬖诳纱蟠筇岣叩コ?，植物可以通過(guò)直接吸收作用、根系泌氧以及為微生物提供附著載體等途徑提高凈化效率（Ellis et al.，1994；Jenssen et al.，1993）。由于微生物活性與溫度密切相關(guān)，冬季微生物活動(dòng)減弱，故植物對(duì)于冬季人工濕地的凈化效果尤為重要（Zou et al.，2016；Fan et al.，2016）。Tanner（1996）研究證明相對(duì)于無(wú)植物的人工濕地系統(tǒng)，植物生物量大的系統(tǒng)對(duì)氮的去除率更高，且植物對(duì)氮的吸收作用與植物生物量呈線性關(guān)系。本研究中，有較高生物量的 FCW-L氨氮和總氮濃度遠(yuǎn)低于 CK，F(xiàn)CW-L和CK植物吸收對(duì)氮的去除率分別占總氮去除率的12.14%和1.63%。FCW-L的水芹菜在后兩個(gè)周期的生物量遠(yuǎn)大于前兩個(gè)周期，相應(yīng)地后兩個(gè)周期的氮去除率增加，這與Wu et al.（2011）的研究結(jié)果相一致。

微生物途徑的硝化與反硝化作用是氮去除的主要機(jī)制（Gottschall et al.，2007）。浮床植物根系泌氧能夠改變根系微環(huán)境中的氧氣狀況，形成微氧環(huán)境，為好氧微生物提供適宜的生境，從而有利于硝化作用的進(jìn)行（Wang et al.，2016）。Bodelier et al.（1996）研究表明，缺氧環(huán)境中植物根系泌氧可以為氨氧化細(xì)菌提供好氧生態(tài)位。浮床人工濕地與傳統(tǒng)人工濕地相比缺少基質(zhì)，植物根系成為微生物附著的主要載體（Zou et al.，2016；Wu et al.，2011）。植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長(zhǎng)情況和代謝水平直接影響植物地上部的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)狀況（黃磊等，2014）。本研究中，CK的植物生長(zhǎng)緩慢，后期出現(xiàn)枯萎，F(xiàn)CW-L的水芹菜雖然單位根系活力較低，但葉綠素含量升高，尤其是后兩個(gè)周期溫度升高，水芹菜生長(zhǎng)迅速，生物量和株高尤其是根系部分大大增加，保證了水芹菜的生長(zhǎng)活性。同時(shí)，大量的水芹菜根系不僅可以改善系統(tǒng)的氧環(huán)境，還可為微生物提供豐富的生存空間，浮床植物根系表面細(xì)菌數(shù)量密集，氮去除率增高（Brix，1994；Tanner et al.，2003）。因此，添加植物秸稈不會(huì)對(duì)人工濕地造成二次污染，相反，添加植物秸稈配合浮床植物種植可明顯提高冬季氮去除效果。

4 結(jié)論

本研究表明，添加蘆葦秸稈：（1）可以促進(jìn)冬季浮床人工濕地中水芹菜的生長(zhǎng)，與 CK相比，F(xiàn)CW-L的水芹菜葉綠素增加3.8倍，總根系活力和生物量顯著提高；（2）緩解尾水濕地中ω(C)/ω(N)比失衡問(wèn)題，F(xiàn)CW-L的ω(C)/ω(N)平均值可達(dá)到13.1；（3）水芹菜浮床人工濕地配合添加蘆葦秸稈可以提升冬季氮凈化效果，與CK相比，F(xiàn)CW-L的NO3--N、NH4+-N和TN去除率分別提升了63.5%、41%、46.241%。研究結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用中提高尾水濕地冬季凈化功能及濕地植物的管理具有理論指導(dǎo)意義。