Sci. Total Environ|低温下接收富营养化污水的植物化农业排水沟中养分动态与积累

Sci. Total Environ|低温下接收富营养化污水的植物化农业排水沟中养分动态与积累

 

2020617日,中国科学院山地灾害与环境研究所的朱波、汪涛等在Sci. Total Environ发表了一篇题为“Nutrient dynamics and retention in a vegetated drainage ditch receiving nutrient-rich sewage at low temperatures”的研究文献,该文献揭示了低温下接收富营养化污水的植物化农业排水沟中养分动态与积累情况。

文章来源

背景:植物化农业排水沟(VDs)是一种相对较新的农药和养分减缓的最佳管理方法,正在引起全球越来越多的关注。但由于低温效应驱动的污染物减少效率大大降低,冬季很少使用VD。在这里,我们评估了田间规模的VD的植物生长特性和养分动态,该VD接收了富含养分的污水并种植了越冬植物:菖蒲,粉绿狐尾藻和西鸢尾。

结果:

植物化农业排水沟在暖期减少养分过程概念图1.植物化农业排水沟在暖期减少养分过程概念图

位于四川丘陵地区的研究区2.位于四川丘陵地区的研究区


测定地上生物量超过70天的残留氮磷释放的衰老实验示意图

3.测定地上生物量超过70天的残留氮磷释放的衰老实验示意图

 

在评价植物生长特性的基础上,采用相对生长率(RGR)对植物生长进行了验证。但夏季以后,植物开花,其生长速率和生物量随着环境温度的降低呈逐渐下降的趋势。它们随着植物代谢的减缓而死亡和腐烂,特别是在植物体内的酶活性方面。生物量是评价植物从处理系统中吸收养分潜力的重要因素。这项研究中,所选沟种的地上生物量在不同的环境中表现出不同程度的差异。随外部环境参数的变化而变化。除了温度差异外,这一差异还可能是由于内在植物种类特征的相对差异,以及生态类型和植物生长特性的差异所致。低温会严重影响植物的代谢,从而降低细菌的活性。在种间沟植物中,菖蒲和西鸢尾的生存能力最好。这两种植物在冬季排水治理中的应用值得特别重视。

研究地区的气温变化

4.研究地区的气温变化

 

相对生长率(RGR)按总生物量净变化计算。不同树种间NP含量差异不明显,生物量和总养分贮量差异很大。生物质能采收和分析的时间安排也会影响植物秋季衰老前从地上到地下部分的营养物质浓度。在收获时,一些沟渠植物的生物量可能更接近浓度的峰值,而另一些则可能是峰值前后的浓度。地上生物量或积累量是植物生物量(DW)和植物生物量中物质浓度的函数,地上生物量高、营养丰富的物种具有较高的养分吸收和积累潜力。在本研究中,地上植物生物量的平均净氮积累/蓄积量变化显著。随着施氮量的增加,水生植物的地上部磷积累呈不稳定的变化趋势。与夏季相比,在冬季试验期间,植物体内的净养分积累持续下降。在季节间监测物种中,NP的净积累量通常低于GR的净积累量。从总体上看,菖蒲和西鸢尾在越冬期间具有较高的营养吸收和固存能力。此外,菖蒲,粉绿狐尾藻和西鸢尾可增强排水沟系统的局部景观效应和冬季的科学处理效果。因此,这三种植物可作为越冬种植,以支持城市植被沟渠。

 

VDS的成功应用取决于正确选择湿地植物种类。植物的营养固存是一个可饱和的过程,这意味着植物组织在植物部分腐烂的过程中将污染物重新分解到水中。本研究评估植物衰老后NP在水体中的释放结果。在衰退期的第一周,NP的释放速度更快。随后,释放率保持稳定。然而,控制系统中的氮、磷水平并没有改变监测周期。在监测期间,导致沟渠水质恶化的原因是:(A)植物枝条破碎,(B)分解,(C)NP释放,(D)NP刺激浮游植物,(E)光合吸收COpH值的增加。表明植物中的养分储存仅是暂时的,而大型植物仅作为处理系统中养分储存的介质。因此,在生长季节结束时通过收获植物生物量可以实现完全的养分去除,这种方法为提高VDS的有效性提供了最好的选择。

所选物地上部分植物生物量中TN和TP的释放

所选物地上部分植物生物量中TN和TP的释放

5.所选物地上部分植物生物量中TN(A)TP(B)的释放

 

结论:本研究证明了菖蒲,粉绿狐尾藻和西鸢尾适应环境的能力。在排水沟生长良好,在农村生活污水处理过程中无严重毒性症状。因此,这些植物可以在寒冷的冬季条件下成功地用于处理富含NP的污水。尽管如此,植物组织中NP的累积量通过沟渠植物的分解和养分的分解重新分解到水中。水体中的营养物质、DOTDSEC含量增加,使其迅速恶化。因此,氮磷在沟渠植物中的分布只是暂时的。总之,报告的结果提供了实际的证据,证明了沟中植物组织在衰老过程中的衰变和水质的变化之间的联系。此外,它还提供了解决因植物腐烂导致的沟渠系统中营养物质内部负荷的策略。进一步的研究应继续找出范围更广的植物化农业排水沟,建立一个具有植物物种物理和结构特征数据的适应物种数据库,特别是在生长周期较短的低温地区,将具有进一步的意义。

 

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140268

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