人工濕地生態系統甲烷過程對生物多樣性回響研究

《人工濕地生態系統甲烷過程對生物多樣性回響研究》是依託浙江大學，由常傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：人工濕地生態系統甲烷過程對生物多樣性回響研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：常傑
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著人口增長和城市化水平提高，污水處理過程中排放的大通量的甲烷已經成為巨大的溫室氣體源。人工濕地污水處理系統甲烷排放雖然低於污水處理廠，但通量仍然很大，因此迫切需要研究人工濕地系統中的甲烷過程，以尋找降低甲烷通量的途徑。植物通過影響基質中理化因子和微生物群落來影響根區的甲烷的產生、轉化和釋放過程，但是在污水這種高碳和高氮條件下，不同植物種類根區甲烷過程具有什麼特徵？植物多樣性配置是否會改變系統的甲烷過程？碳氮條件如何影響甲烷過程和釋放通量？這些重要的機理問題目前尚無系統的研究。本項目擬以人工濕地系統為研究平台，通過控制條件下的物質平衡結合穩定同位素方法，研究在不同碳氮濃度和氮形態下30餘種植物根區甲烷產生、氧化、運輸過程和排放強度的種間差異，以及多樣性配置對系統甲烷過程的影響機理，拓展生物多樣性-生態系統功能關係的研究；同時篩選兼具高去污能力和低甲烷釋放植物並探索原理，發展資源植物學。

結題摘要

人工濕地污水處理系統是甲烷（CH4）重要排放源。本項目探索植物多樣性（物種豐富度和差異性）對人工濕地CH4排放及相關溫室氣體排放和氮去除的影響，設計了5套處理實驗來分析不同因素的作用，以加深生物多樣性-生態系統功能的理解。主要創新點及發現有：物種豐富度在砂基質和無基質水培浮床系統中均提高CH4排放；植物種類差異在砂基質中不影響CH4排放，但在無基質中虉草或羊蹄的存在提高CH4排放。砂基質系統中CH4排放高於無基質系統，原因是砂基質為產甲烷菌提供了附著表面。砂顆粒大小也影響多樣性-系統CH4排放關係：粗砂基質系統中物種豐富度和差異性均不影響CH4排放；細砂基質系統中物種豐富度不影響CH4排放，但物種特性顯著影響：群落中羊蹄的存在增加系統CH4排放而水芹存在則降低排放。細砂的CH4排放（-8.46 ~ 21.03 mg m-2 d-1）範圍大於粗砂（5.06 ~ 6.85 mg m-2 d-1），說明細砂基質人工濕地系統減排CH4的潛力更高。在厭氧條件下，當基質可用碳資源較低時，物種豐富度提高CH4排放，原因是豐富度提高群落生產力進而提高基質的有機質含量為產甲烷菌提供更多碳源；但是基質碳較高時物種豐富度不影響CH4排放，只有物種組合有顯著影響。在兼氧條件下，高銨氮系統中的CH4排放高於低銨氮系統，豐富度和差異性均不影響CH4排放，而高銨抑制CH4氧化從而促進排放；高硝氮系統CH4排放低於低硝氮的系統，但豐富度不影響CH4排放，物種組合影響CH4排放，機理是硝氧化CH4從而降低排放。進一步，我們提出了一個“加性多功能指數AMF”來整合生態系統多功能（CH4、N2O、生產力、基質碳固存和氮去除），發現植物豐富度可在提高氮去除的同時顯著削減溫室效應。總之，我們發現植物豐富度對甲烷有弱的正效應，但物種差異性的作用明顯；多功能綜合分析表明人工濕地中配置植物多樣性能夠降低溫室效應。同時，我們找出了最佳化的植物種類及組合：在高氮和細砂基質中選擇虉草單種，高氮粗砂基質中選擇羊蹄；高氮水培浮床中用羊蹄+水芹+虉草和羊蹄+水芹+吉祥草的物種組合。