低温环境下人工湿地植物组配对养殖废水的处理效果研究

强化低温环境下人工湿地的污水处理能力,对于促进人工湿地的应用推广具有重要的意义。本研究利用绿狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)和菖蒲(Acorus calamus L.)两种湿地植物,在室外低温环境下(<15℃),研究人工湿地植物组配对不同负荷养殖废水的处理效应及关键影响因素。结果表明,在不种、单种和不同顺序混种绿狐尾藻(M.aquaticum)和菖蒲(A.calamus L.)处理下,菖蒲+绿狐尾藻组合湿地(AM)对TN、TP和COD去除率均为最高,在低负荷和高负荷环境下平均去除率分别为74.2%、71.3%、83.0%和67.3%、81.9%、75.3%。相较于空白对照和植物单种的湿地系统,植物混种系统的DO较高,且AM处理在低负荷和高负荷环境下均能保持较高的C∶N。根据Pearson相关性以及PCA分析,DO与TN、NH^(+)_(4)-N去除率显著相关(P<0.05),C∶N与COD去除关联性最好。可见,菖蒲+绿狐尾藻植物组合可能通过改善DO和C∶N等湿地微环境条件来增强湿地对污染物的去除,能够作为低温环境下强化湿地对污染物去除的一种有效措施。

三级绿狐尾藻表面流人工湿地对养殖废水处理效应研究

提高人工湿地对养殖废水的处理效果是当前人工湿地需要解决的重要问题。本文以绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum Gaudich）为湿地植物，在野外构建三级表面流人工湿地，以高污染养猪废水为处理对象，分析废水中铵态氮（NH4＋-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）在人工湿地中的去除效应，并解析它们与水体温度、溶解氧（DO）、pH和氧化还原电位（Eh）等指标的关联性。结果表明，绿狐尾藻人工湿地对NH4＋-N、TN、TP和COD平均去除率分别为88.3%、86.4%、76.3%和82.3%，出水平均浓度分别为45、86、14和188 mg/L。人工湿地进水负荷与人工湿地去除负荷呈显著的正相关关系（R2 ≥ 0.80，P〈 0.01），去除负荷随进水负荷增加而增加。根据Pearson相关分析，人工湿地对NH4＋-N、TN、TP的去除率与水体DO、Eh和温度有显著相关性（P〈0.01），而对COD的去除率仅与温度存在显著的相关关系（P 〈 0.05），说明人工湿地对不同污染物的去除机制存在差异。主成分分析发现水体温度是人工湿地对NH4＋-N、TN、COD去除的主要影响因素，水体Eh对人工湿地去除TP的关联性最大。这对改善人工湿地对污染物的去除效应至关重要。

绿狐尾藻生态湿地处理污染水体的研究评述

当前,解决我国农业农村日趋严峻的水污染问题是美丽乡村建设重中之重的任务。本文总结了近年来中国科学院亚热带农业生态研究所研发的农业农村水污染生态处理与资源化利用综合技术体系的研究进展。其中,以绿狐尾藻湿地技术为核心,重点介绍了绿狐尾藻的生理生态特征和生态竞争力,从绿狐尾藻的氮磷吸收能力及绿狐尾藻湿地系统中功能微生物群落结构特征等方面阐明了绿狐尾藻湿地中氮磷和有机污染物的主要去除机理;结合绿狐尾藻的营养特征及动物(鸡、鸭、猪等)生长试验,分析了其饲料化技术的可行性,并探讨了其肥料化和能源化等途径的发展前景;最后,对后期的研究工作包括绿狐尾藻和附生微生物的协同作用机理、绿狐尾藻湿地治理技术的集成与优化以及资源化利用设备研发等进行了展望。

秸秆还田下双季稻田土壤团聚体碳氮磷含量及生态化学计量比特征

土壤碳氮磷等养分含量及其生态化学计量比对作物养分供应有重要影响,长期秸秆还田如何影响稻田土壤水稳性团聚体碳氮磷含量及生态化学计量比尚不清楚。本研究以双季稻田为研究对象,设置仅施化肥(CK)、低量秸秆还田+化肥(LS)和高量秸秆还田+化肥(HS)三个处理,于秸秆还田后的第9~10年测定土壤水稳性团聚体组成及其碳氮磷含量,分析土壤水稳性团聚体分布、平均重量直径及元素生态化学计量比,旨在明确长期秸秆还田下双季稻田土壤各粒径水稳性团聚体对碳氮磷养分的贡献及其生态化学计量比特征。结果表明,秸秆还田后的9~10年,与CK相比,HS和LS处理显著增加了>0.25 mm粒径水稳性团聚体(R0.25)的占比和平均重量直径(MWD);HS处理显著提高了>2 mm、0.25~1 mm、0.053~0.25 mm和<0.053 mm粒径水稳性团聚体总碳(TC)和总氮(TN)含量,且增加幅度最大的粒径为0.25~1 mm,分别为28.1%和22.9%,而对总磷(TP)含量无显著影响。HS和LS处理较CK显著提高了>2 mm粒径水稳性团聚体对于土壤TC、TN和TP的贡献率,有助于改善水稻的氮磷吸收。与CK相比,HS处理提高了各主要粒径水稳性团聚体(>2 mm、1~2 mm、0.053~0.25 mm和<0.053 mm)氮磷比和碳磷比,有利于提高稻田氮素有效性,且碳磷比未达到限制磷素供应的阈值而没有降低磷素有效性。研究表明,高量秸秆(6 t/hm2)还田提高了稻田水稳性团聚体的稳定性,提高了土壤碳氮储量,以及水稳性团聚体氮磷比,对于改善稻田土壤结构和氮素供应具有较好的效果。

秸秆与水分管理稻田的温室气体排放和碳固定

文章采用田间小区试验,研究了不同秸秆(稻草)还田量和不同水分管理方式对稻田温室气体排放及土壤有机碳固定的影响。结果表明:无秸秆还田时,长期淹水增加温室效应的抵消作用大于间歇灌溉温室效应的抵消作用;高量秸秆还田时,长期淹水增加温室效应的抵消作用显著大于间歇灌溉温室效应的抵消作用;秸秆还田显著提高了甲烷(CH_(4))排放,减少了氧化亚氮(N_(2)O)排放,显著提高了土壤有机碳含量,有效提高了土壤固碳量,但温室气体增排的效应非常明显。高量秸秆还田时增加温室效应的抵消作用大于低量秸秆还田,其温室气体净排放更高。该研究中以间歇灌溉且低量秸秆还田处理为最佳处理,3.0 t/hm^(2)低量秸秆还田量和间歇灌溉可有效发挥稻田秸秆还田的环境效益。

有机无机肥配施对城郊设施甜玉米地N_(2)O排放的影响

本文以长沙近郊设施菜地为研究对象,设置不施肥(CK)、常规施肥(CON)、30%牛粪有机肥氮+70%无机肥氮(CM)、30%鸡粪有机肥氮+70%无机肥氮(NM)4个处理,采用静态暗箱—气相色谱法监测甜玉米(Zea mays var.rugosa Bonaf.)生长季土壤氧化亚氮(N_(2)O)的排放通量,同时测定土壤铵态氮、硝态氮、可溶性有机碳(DOC)含量和作物产量及吸氮量,探讨有机肥与化肥配施对甜玉米季N_(2)O排放的影响。结果表明,甜玉米季表现出较高的N_(2)O排放量,为24.6~33.6 kg/hm^(2)。与CON处理相比,CM处理单位面积N_(2)O累积排放量显著减少了26.9%,而NM处理减排不显著;CM和NM处理单位产量N_(2)O排放量分别减少了35.7%和19.0%。与CON处理相比,CM和NM处理土壤铵态氮含量分别减少60.7%和50.1%,NM处理土壤硝态氮含量显著减少了40.4%,而CM和NM处理土壤DOC含量无显著变化。随机森林模型和主成分分析结果表明,N_(2)O排放通量与土壤铵态氮、硝态氮和DOC含量呈显著正相关,表明化肥配施有机肥能通过降低土壤无机氮供给,减少N_(2)O产生。另外,较CK处理而言,CON、CM和NM处理的玉米产量分别增产了156.5%、191.8%和188.2%,且CM、NM处理较CON处理分别增加了13.8%和12.4%,CM的氮肥利用率相较于CON处理提高了15.2%。综上,30%有机肥+70%化肥能有效降低甜玉米地N_(2)O排放和增加产量,且牛粪较佳。

有机无机肥配施对设施菜地N_(2)O排放和NH_(3)挥发的影响

我国设施菜地化肥施用量大,造成了大量的氧化亚氮(N_(2)O)和氨(NH_(3))损失。有机肥替代部分化肥是实现种养体系养分资源循环利用、减少化肥施用及其环境损失的有效措施。本研究以长沙近郊设施菜地为研究对象,利用小区试验种植奶白菜,试验共设不施肥处理(CK)、常规施肥处理(CON)、30%牛粪有机肥氮+70%化肥氮(CM)、30%鸡粪有机肥氮+70%化肥氮(NM)4个处理。采用静态箱法和密闭室间歇抽气法测定奶白菜生长季内的氧化亚氮排放和氨挥发,分析土壤N_(2)O排放和NH_(3)挥发动态,探讨等氮条件下有机无机肥配施对设施奶白菜的N_(2)O排放、NH_(3)挥发的减排效应及其影响因素。结果表明,与常规施肥相比,CM和NM处理的N_(2)O排放量分别减少了38.5%和33.1%,NH_(3)挥发的排放量分别减少了8.5%和19.4%,N_(2)O排放和NH_(3)挥发的总增温潜势分别降低了38.4%和33.0%。两种有机肥处理中,NM处理氨挥发显著低于CM处理,降幅达到11.9%。N_(2)O排放和NH_(3)挥发日通量与土壤温度分别呈极显著和显著正相关。常规施肥和NM处理的N_(2)O排放和NH_(3)挥发日通量与土壤铵态氮呈显著正相关,仅常规施肥处理的N_(2)O排放与土壤硝态氮呈极显著正相关。与常规施肥处理相比,CM和NM处理氮肥利用率分别提高26.8%和41.5%,且产量没有显著差异。因此,30%等氮有机肥+70%化肥在降低设施菜地N_(2)O排放和NH_(3)挥发的同时,还能保障设施蔬菜稳产,对减少蔬菜生产中的氮素损失具有重要意义。

不同生物炭对磷的吸附特征及其影响因素

为了实现植物生物质资源化利用,选择5种生物质材料制备生物炭,通过比较5种生物炭材料的磷吸附能力,筛选出了2种磷吸附效果较佳的材料,并探明了筛选生物炭材料的理化性质及其对磷的吸附特征.结果表明,5种生物炭材料中,仅水稻秸秆和玉米秸秆生物炭对磷具有吸附能力.Langmuir等温吸附曲线表明,水稻秸秆生物炭对废水中磷的吸附能力强于玉米秸秆生物炭,理论最大吸附量为:水稻秸秆生物炭(9.78 mg·g^(-1))>玉米秸秆生物炭(0.39 mg·g^(-1)).水稻秸秆生物炭的比表面积(148.30 m^(2)·g^(-1))和总孔体积(0.11 cm^(3)·g^(-1))远高于玉米秸秆生物炭8.26 m^(2)·g^(-1)和0.03 cm^(3)·g^(-1),同时水稻秸秆生物炭有更高的Mg、Ca、Fe和Al元素含量.水稻秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭对磷吸附的最佳pH为酸性;在不同的pH范围内(3.0~11.0),水稻秸秆生物炭对磷的吸附容量基本保持不变,玉米秸秆生物炭对磷的吸附容量呈现先增加后减少趋势.综合而言,水稻秸秆生物炭对水体磷具有更好的吸附能力,在污水处理中具有良好应用前景.