濕地植物供碳功能與優化

趙德華,呂麗萍,劉 哲,張 淼,安樹青

南京大學生命科學學院,南京 210023

當前,污水處理廠尾水排放標準日趨嚴厲,濕地生態工程作為一種環境友好型的污水處理方法,可作為污水處理廠提標改造、提高尾水回用利用率或是排放標準的一個重要環節[1]。與常規污水處理技術相比,濕地生態工程技術具有投資少、運營成本低、不產生二次污染等優點,特別在低濃度污水的深度處理方面具有明顯的優勢。目前,尾水濕地生態工程在技術研發和應用方面均得到了迅猛地發展[2- 3]。但是,污水處理廠常采用A/O 工藝,由于A/O 工藝反應器消耗了大量的COD,特別是其中的BOD,使得濕地接受的有機物負荷相對較低,造成濕地來水C/N 嚴重失衡,限制反硝化作用,降低濕地生態工程的凈化功能[4- 7]。

針對碳氮失衡尾水濕地氮去除效率低這一問題,國內外已發展了多種解決方案,如混合高碳氮比污水、添加低分子碳水化合物和添加植物秸稈[5,8]。但是,這些方法在實際應用過程中還存在明顯的不足。濕地植物是人工濕地重要組成部分,當前,對于濕地植物的功能和作用途徑卻一直存在爭議[9- 10]。近期的一些研究認為,對于人工濕地氮的去除而言,水生植物的直接吸收作用幾乎可以忽略不計[9,11],而供碳促反硝化是濕地植物最重要的功能之一[12- 13]?？傮w而言,雖然研究者已意識到濕地植物供碳功能的重要性,但對其供碳動態的定量化研究,以及其影響機制與調控方法的研究非常薄弱。

本文針對尾水濕地碳源嚴重不足問題,以提供高效、穩定碳源、降低濕地植物分解引起二次污染風險等為目標,提出基于濕地植物解決或緩解碳氮失衡濕地的解決方案：首先,綜述了濕地植物供碳促反硝化的途徑及其主要的影響因素,為濕地植物供碳促反硝化功能的提升與工程化應用提供理論基礎或研究方向; 然后,基于相關研究,構建冷、暖季型濕地植物生物量積累動態與供碳動態的一般性模式,提出通過濕地植物配置構建自供碳尾水濕地的方案及其供碳動態,為污水深度凈化濕地的健康發展與利用提供理論依據。

1 濕地植物供碳途徑

濕地植物通過光合作用生成有機物,而生成的有機物以枯葉落葉、死亡殘體,以及分泌物等形式進入水體、土壤表層或被底泥覆蓋,直接參與或間接影響微生物的多種生物過程,影響濕地多種元素的地球化學循環。濕地植物向濕地生態系統提供碳源是其最為重要的生態功能之一[13]。濕地植物可以通過多種途徑向濕地生態系統供應碳源,從而促進反硝化作用和濕地氮去除,其供碳途徑主要包括(圖1)：

圖1 生長期與凋亡期濕地植物為濕地反硝化提供有機碳途徑

(2)根系自溶分解作用。與直立部分的地上部分不同,濕地植物根系生長在水中或土壤(底泥)中,根系釋放的有機質可直接參與氮的反硝化作用。在生長期,除了根系分泌釋放有機質外,隨著新根的出現,老根的不斷死亡與分解,根系脫落物和死亡老根通過自溶分解作用可以向土壤中釋放大量的有機碳源,相對于植物地上部分,老根的死亡脫落可能并非是程序化事件,這一途徑的碳源補充量主要是多種環境條件影響的結果[20]。而在凋亡期,死亡根系的分解可為反硝化作用直接提供碳源,濕地植物具有較高的地下生物量,這是濕地植物提供碳源的重要途徑。不同濕地植物類型其地上干物質占總生物量的比值變異極大,多介于18%—72.5%之間[21- 22]。由于根系位于缺氧或厭氧環境中,其分解速度相對較慢[23],根系殘體分解作用可長期為反硝化作用提供碳源。當前,有關生長期根系通過自溶分解供碳動態及其定量分析方面的研究相對較少,已有的研究大多集中在死亡根系的分解供碳[24],而對于生長期根系脫落物分解供碳的研究相對較少。

(3)地上干物質分解。生長期,濕地植物地上部分會通過程序化的死亡或對逆境的適應,產生枯枝落葉,分解(淋溶)后向濕地系統補充碳源[25]; 植物莖葉的有機分泌物在雨水淋溶下也可補充部分有機質[26]。凋亡期,隨著死亡殘體的分解,濕地植物可向濕地系統中補充大量的碳源,由于地上部分干物質便于收割或打撈,其供碳過程人為調控性強,而且人工濕地地上干物質的積累量較大,因此地上干物質碳源供應特征及其調控受到極大的關注[13]。在自然濕地系統中,部分的地上干物質被好氧微生物分解和以腐殖質的形式較長期留存在土壤中,部分瀝出物可直接作用微生物碳源。與陸生植物相比,濕地植物植株分解物微生物可利用性更高[27]。濕地植物地上干物質的分解過程可分為兩個階段：直立分解階段和底泥表層分解階段,其中,直立分解階段的有機質分解速度相對較慢[28],而且分解形成的小分子有機物進入水生態系統的比例相對較低。在人工濕地中,添加植物碳源(主要是植物地上部分)已成為提升氮去除率的一個重要的措施,得到了廣泛的應用[29],而且,通過適當的前處理或工程措施可提高地上干物質用于促進反硝化去氮率[29]。

2 影響濕地植物供碳量因子

濕地植物的供碳動態是植物類型、各種環境因子和人工管理措施等多種因素綜合影響的結果,影響植物光合作用和植物殘體分解的各種因素均可以影響濕地植物的供碳動態。因此,這里著重分析其主要的因素,或容易人為控制的因素,進而可為其工程化應用提供依據。

2.1 根系分泌物

影響根系有機質分泌的主要因素包括：

(1)植物類型。植物類型是影響根系有機質分泌量最為重要的因素,不同植物類型由于其光合效率、生物積累、根系類型等方面存在很大的差異,根系有機質分泌物的量與質均存在很大的差異[30],總體而言,與C3植物相比,C4植物的根系有機質分配比率相對較低(與總生物量相比)[31],但是,由于C4植物光合能力與單位面積生物量顯著大于C3植物,C4植物根系有機質分泌也大于C3植物。

(2)生長階段。一般的研究認為,幼嫩的根系有機物分泌最強,隨著根系的成熟與衰老,單位重量根系的有機質分泌能力出現下降的趨勢,但是,由于生長期植物根系生物量的快速增長,植物根系有機質總分泌量在生長期仍然表現為不斷增長的趨勢[14,31]。

(3)土壤與水體理化性質。土壤有機質含量豐富的土壤其根系分泌有機質的量相對較小,而有機質缺乏的土壤其根系分泌物有增加的趨勢[32]。富營養化環境可加快植物光合作用,提高根系分泌有機質[19]。而養分、水分和重金屬污染等環境脅迫可顯著提高植物根系分泌有機質的量[33]。

(4)溫度。溫度可通過影響植物的光合作用效率來影響根系有機質分泌,而且一個地區的溫度與植物的物候階段密切相關,因此,溫度是影響根系有機質分泌的最為重要的因素之一,溫度對根系有機質分配的影響可用Q10值表征,一些研究表明,植物根系有機質分泌的Q10接近2[19]。

2.2 地上部分分解供碳

木屑、農作物秸桿、濕地植物殘體等多種形式的植物碳源被添加到人工濕地,可顯著提升人工濕地氮去除率[29,34]。利用收獲的地上部分作為碳源添加到人工濕地已成為一項提升濕地凈化效率的重要工藝,被廣泛采用,是利用濕地植物構建自供碳人工濕地相關領域的一個重要方向[13],當前,濕地植物地上部分向濕地生態系統供碳影響因素及其調控的研究主要集中在兩個方面：

(1)植株地上部分分解過程。濕地植物生物質的分解過程是一個受植物類型、溫度(氣溫和水溫)、pH、水文周期、水體養分含量、鹽度等多個方面因素影響的結果[35- 37]。一般研究認為,隨著營養的添加,植物殘體有加快分解的趨勢[36- 37]; 溫度和水體pH的升高同樣可加速植物殘體的分解[35]; 鹽度的增加會降低植物殘體的分解速度[38]。由于植物殘體在分解釋放碳源的過程中會同步釋放N、P等營養元素,造成二次污染,植物殘體分解過程中的COD和N、P等營養元素的同步釋放是相關領域廣受關注的一個方向[39- 40]。此外,植物類型與分解過程的關系方面有大量的研究報道,研究認為,不同植物類型及植株不同部位其C/N、化學組成等存在較大差異,導致其分解過程存在較大差異,一般認為,與挺水植物和陸生植物相比,沉水植物由于其木質素含量較低,表現為更快分解速度[41];與莖桿相比,葉片中木質素含量較低,其分解速度更快[42]。沉水植物、浮葉植物和挺水植物地上部分植物殘體的分解過程存在顯著差異,但不同的研究結果差異較大：李文朝等研究表明,浮葉植物分解最快,挺水植物次之,而沉水植物最慢[43];曹培培等和曹勛等研究表明,浮葉植物分解最快,沉水植物次之,而挺水植物最慢[44- 45]。

(2)植物碳源前處理工藝與植物碳源的添加方式。作為植物材料重要組成部分的木質素在自然條件下很難分解,且影響纖維素和半纖維素等的分解,因此在人為添加植物碳源濕地中,需要先對植物材料進行前處理,破壞木質素結構,提高植物材料的分解供碳速率和效率,已發展了較多的前處理工藝,包括植物材料的機械粉碎、高壓蒸煮和輻射處理等物理方法,以及酸處理、堿處理和氧化處理等化學方法[29, 46- 48]。此外,植物碳源的添加方式會影響其供碳效率和濕地的凈化效率,如果將植物材料添加至人工濕地表層好氧區域,不僅會造成植物材料的損失且抑制硝化作用,造成反硝化底物不足,降低總氮的去除,因此,一般認為,直接將植物材料添加至人工濕地的厭氧區域,直接為反硝化提供碳源是較為理想的添加方式[46,49]。但是,出于便捷性考慮,也有研究認為,可以將植物碳源溶解(分解)在水中后再添加的方式[50]。

2.3 根系自溶分解供碳

當前,生長期老根死亡脫落分解的定量化觀測及其影響因素的研究少見報道。有關根系自溶分解供碳影響因子的研究大多集中在植物根冠比[21- 22]、根系積累量動態和根系有機質分解過程[24]等方面。死亡根系的分解過程也是環境因子和植物根系特征綜合影響的結果。環境溶氧量是影響根系分解最為重要的因素之一,總體而言,相對于地上部分,死亡根系主要處于缺氧或厭氧環境中,其分解速度相對較慢[23],因此,盡管根系的生物量低于地上生物量,但是根系對于底泥有機碳變化的作用可能要大于地上部分[51]。而水深的增加會降低表層底泥的溶氧量,降低好氧微生物活性,從而降低表層根系的分解速度,因此,持續處于淹水狀態的濕地根系其分解速度小于周期性淹水濕地; 而水深對深層根系的分解速度影響相對較小[24]。溫度是影響根系分解速度的另一重要影響因子,溫度對根系分解速度的影響可以用Q10來表征,根系分解的Q10在2左右[24];但是,也有研究認為根系的分解速度對溫度的變化不敏感[52]。不同來源植物根系由于其C/N和化學組成的差異較大,根系的分解速度也存在較大差異[24];此外,受底泥性質影響,與粗根系相比,細根系的分解速度可能更慢[23]。

3 促反硝化潛力及其季節動態

3.1 濕地植物促反硝化潛力

受生長條件和物種類型影響,濕地植物的光合能力與有機質生產能力必然存在劇烈的時空變異[13],以常見濕地植物蘆葦為例,根據上述的供碳途徑可對其供碳量進行初步的估算：①地上生物量,研究表明,蘆葦地上生物量可在0.413—9.89 kg/m2范圍內寬幅波動,而常見的波動范圍為1.0—2.0 kg/m2[53],華東地區人工濕地蘆葦地上最大生物量可達6.6 kg/m2[54]; ②地下生物量,濕地植物地下與地上生物量之比(根冠比)可在0.38—4.55[21- 22],甚至更大范圍內寬幅波動[55],蘆葦的根冠比在自然濕地中一般大于1,而在人工濕地中一般小于1[55],本文以冠根比0.8進行估算。③生長期的枯枝落葉和死亡根系,以生長期凋落物量占最大生物積累量的19.7%進行估算[56]。④根系分泌有機質量,以茭白、美人蕉和水柳生長期平均值0.61 mg g-1d-1估算[14]。不同類型植物碳源的脫氮容量同樣也存在較大差異,本文以脫氮容量為0.05估算濕地植物供碳促反硝化脫氮潛力[13, 19, 57- 58]。因此,地上最大生物量為5 kg/m2的蘆葦全年脫氮潛力可達0.57 kg N m-2。這一數值高于前人對濕地植物供碳促反硝化潛力的估算,其主要原因在于前人的估算中只考慮濕地植物地上部分生物量,忽略了對地下生物量、生長期凋落物和根系有機質分泌的估算[13]。

3.2 供碳促反硝化季節動態

濕地植物供碳促反硝化能力與生物量供應間存在密切相關性,因此,單位面積生物質積累季節變化規律可表征濕地植物供碳促反硝化動態特征。濕地植物生物質積累與分解動態受多種因素的影響,不僅受濕地植物類型、區域環境條件的影響,而且與濕地植物生長的小生境密切相關,人工濕地中濕地植物的供碳動態必然受濕地植物類型的選擇、管理措施、基質選擇、來水特征等多種因素的影響,因此,不同的人工濕地,濕地植物供碳動態必然存在極大的時空異質性。但是,根據已有的大量相關研究,仍然可歸納總結來一個相對普適性的規律或模式。以華東地區為例,該地區常見濕地植物可分為2類：一是以蘆葦、菖蒲、鳶尾、美人蕉等為代表的暖季型人工濕地植物,二是以黑麥草、水芹、菹草等為代表的冷季型人工濕地植物。暖、冷季型濕地植物潛在可利用有機質量(地上和地下的當年積累有機質量+往年未分解有機質量+根系分泌物量)存在著季節性的波動(圖2),暖季型濕地植物可利用有機質在夏季和秋季較高,而在冬季和春季較低; 而冷季型濕地植物可利用有機質量表現出相反的季節變化規律[35- 36, 39, 40, 53- 55, 59- 60]。潛在可利用有機質量與實際有機質供應量(以可溶性的有機酸、糖和蛋白質等形式存在)季節間表現出顯著差異[14- 15, 24- 25, 36, 43, 61- 62](圖3)。暖季型濕地植物實際有機質供應量在10月至12月間處于高位,6月到8月處于低位; 而冷季型濕地植物有機質供應量在4月至9月間位于年內高位,而其他月份相對較低。此外,暖、冷季型濕地植物提供的碳源中有近10%來自根系分泌的有機質。表明,在近自然不收割條件下,暖、冷季型濕地植物無論是潛在可利用有機質量,還是實際有機質供應量均存在顯著的季節性互補性規律。

圖2 華東地區典型暖季型和冷季型濕地植物可利用有機質季節變化動態

圖3 華東地區典型暖季型和冷季型濕地植物有機質供給量季節變化動態

3.3 濕地植物供碳促反硝化功能調控

影響濕地植物供碳功能的因子很多,對于人工濕地而言,植物種類的選擇是調控濕地植物供碳功能最為常用的措施[13, 55]。但是,濕地植物體內含有大量的礦質養分,管理不當容易引起二次污染[55]。例如,蘆葦植株含氮量可在0.35%—2.69%范圍內寬幅波動,平均值為1.0%—1.5%[63],也即植株重返生態系統氮量占其供碳促反硝化脫氮量的20%—30%。因此,按濕地系統反硝化需求定量供給濕地植物生物量,避免濕地植物產生二次污染就尤為重要。如前所述,濕地植物的潛在可利用有機質量和實際有機質供應量均存在顯著的季節性波動,運用不當可能會造成一些時期二次污染的發生。如圖2—3所示,暖季型和冷季型濕地植物間存在顯著的季節互補作用。因此,在同一濕地生態系統將暖、冷季型濕地植物進行合理的配置,可為生態系統提供穩定的碳源,提升供碳促反硝化能力,降低植物殘體集中分解引發的二次污染風險[64]。輔以收割和前處理后回用等措施將進一步調控濕地植物的供碳能力[8, 13]。此外,在濕地生態系統中暖、冷季型濕地植物配置,兩個方面的問題需引起關注：一方面,由于暖、冷季型濕地植物物候方面的差異,可提高生態系統單位年生產量,從而進一步提升供碳促反硝化能力[65]; 另一方面,暖、冷季型濕地植物物候期存在部分重疊,而且兩種類型植物可能產生復雜的相互影響[66]。

4 研究展望

(1)濕地植物供碳促反硝化定量化研究及其調控有待加強。當前,有關植物殘體分解過程的研究較多,這些研究可為凋亡期的供碳規律提供參考; 而對于生長期的濕地植物供碳功能研究相對較少。如前所述,濕地反硝化作用與溫度密切相關,因此碳氮失衡濕地的碳缺乏問題在春、夏溫度較高時表現尤為突出; 而蘆葦、菖蒲等夏季型植物在人工濕地中應用最為廣泛,春、夏季為這類植物的主要生長期,其實際供碳能力卻相對較弱,因此,濕地植物在生長期的供碳促反硝化作用尤為重要。當前,對于濕地植物生長期的供碳研究,如定量化研究生長期濕地植物通過枯枝落葉或老根系脫落分解供碳的定量化研究方面少見報道。此外,根系分泌有機質是濕地植物供碳的重要途徑,而當前對根系有機質的分泌的研究主要側重于其成分分析與生態學作用的研究,對其作為濕地碳源供應功能的研究也相對較少。而濕地植物的供碳過程和能力是由光合作用、碳水化合物分配和有機質分解等過程綜合作用的結果,表現出很強的可調控性,有關濕地植物供碳功能的定量化研究,特別是生長期供碳功能的調控及其工程化應用方面有待于加強。

(2)濕地植物供碳定量化研究方法上存在較大的不確定性。當前,對于根系有機質分泌動態的研究多采用室內水培法,或者是通過分析根系在超純水中短期分泌量來進行定量分析,研究的是水體中有機質嚴重缺乏條件下的分泌動態,這一研究結果與自然條件下濕地植物根系有機質的分泌動態必然差異較大; 有關濕地植物殘體分解動態的研究多采用將烘干樣品裝袋后放置水中或埋于土中進行觀測的方法,這與自然條件下的分解過程也必然差異極大[67]; 而有關濕地植物根系分解過程的研究,出于操作性考慮,樣品多為生長期采集的活體根系,研究的周期也與自然條件下的分解周期差異較大[68- 69]。此外,濕地植物可利用有機質量和有機質供應量不僅與植物的光合過程和分解過程有關,還會受水流、水位等多因素影響。因此,有必要發展新的研究方法,分析近自然條件下的濕地植物的供碳動態,為定量化分析濕地植物供碳動態,構建自供碳人工濕地提供依據。

(3)穩定高效供碳促反硝化人工濕地構建技術有待于進一步優化。濕地植物供碳促反硝化能力與動態是多種因素綜合影響下的結果,當前,與供碳動態密切相關的濕地植物光合作用、根系有機質分泌和有機質分解的影響因子的研究報道很多,如溫度、光照、水分、重金屬、物種、管理措施等,但是,人工濕地的運行過程中,有些因素的人為調控能力有限,其影響機制的實用性不足; 而有些因素,如物種、水分狀況、收割等,人為調控相對便捷,如何調控濕地植物的供碳過程是相關領域的相對薄弱之處。本文研究表明,不同物種的供碳動態存在較大差異且存在季節性的互補特征,通過物候組合可實現穩定的碳源供應和構建自供碳人工濕地,從而解決一些濕地系統碳缺乏引起的氮去除問題。當前,雖然有關人工濕地中濕地植物的配置研究很多,但大多基于景觀、群落穩定性等角度考慮,存在目標模糊、效益提升有限等問題。有必要加強濕地植物供碳與植物配置關系,以及不同物候類型濕地植物間的互作關系的研究。此外,進一步整合物種配置和其他調控因子,構建更加高效、穩定供碳促反硝化人工濕地有待于進一步研究。