人工濕地氮轉化對水位變化響應的研究進展

郭士林，葉春，李春華，許士洪，呂美婷

1.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 2.中國環(huán)境科學研究院湖泊工程技術中心，北京 100012 3.東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海 201620

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人工濕地氮轉化對水位變化響應的研究進展

郭士林1,2,3，葉春1,2*，李春華1,2，許士洪3，呂美婷1,2

1.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 2.中國環(huán)境科學研究院湖泊工程技術中心，北京 100012 3.東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海 201620

人工濕地氮轉化途徑主要包括微生物的硝化反硝化作用、植物的吸收和濕地基質的吸附等。水位變化作為水文機制的重要方面，直接或間接影響人工濕地環(huán)境各形態(tài)氮質和量的變化。闡述了人工濕地氮轉化機理和影響因子，總結了濕地環(huán)境植物形態(tài)特征及生長發(fā)育、理化性質(DO、pH、Eh)、微生物的硝化反硝化強度三方面對水位變化響應的國內外研究進展，并提出存在的問題和建議：加強不同水位變化模式(水位變動幅度、水位變動周期)對人工濕地各形態(tài)氮轉化影響的研究，通過水位調控改善植物生長策略、提高微生物硝化反硝化強度，從而實現(xiàn)增強人工濕地脫氮功效的目的。

人工濕地；水位變化；氮轉化；植物；微生物

近幾十年，隨著我國經濟的粗放型發(fā)展，大量污染物尤其是氮磷濃度高的城市生活污水、工礦企業(yè)廢水排入河流、湖泊等自然水體，以及農村面源污染隨雨水沖刷進入自然水體，造成水體營養(yǎng)物過剩，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞，水體污染的治理和水體生態(tài)系統(tǒng)的修復迫在眉睫。人工濕地(constructed wetlands)作為污水處理手段，模擬自然濕地對水質凈化的過程，利用自然過程(包括濕地植物、土壤和與之相關的微生物組合)從受污染水體去除污染物的原理，設計和建造了更加可控的污水處理系統(tǒng)[1]。由于人工濕地污染物去除效率高、便于運行和維護、低能耗需求和能為野生生物提供潛在的棲息地等優(yōu)點，已成為較受歡迎的污水處理方法[2]。

濕地生態(tài)環(huán)境中最重要的要素就是水，不僅水質變化會引起生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈的變化，而且，水位高低、淹水周期以及水位的變化范圍等水文機制也會引起濕地生態(tài)系統(tǒng)中植物的分布、生長策略、微生物的種群和數(shù)量、濕地環(huán)境理化性質等的變化。應充分利用水文機制這個人為可調控的生態(tài)要素，改善濕地環(huán)境的理化性質，使植物以及微生物得到更好地生長，一定程度上修復受損或退化的濕地生態(tài)系統(tǒng)[3]。

1 人工濕地氮轉化途徑及影響因子

人工濕地主要通過沉淀、過濾、離子交換、揮發(fā)、基質吸附、植物吸收以及各種微生物過程等物理、化學、生物作用來達到去除污染物的目的[4-6]。人工濕地對水體中氮的去除主要通過植物吸收、基質吸附、微生物的硝化反硝化作用、氨揮發(fā)以及生物固氮等作用來實現(xiàn)(圖1)。其中微生物的氨化、硝化反硝化作用被認為是最主要的過程[7]。然而，這些去除過程通常直接或間接受水力負荷、溫度、土壤類型、運行策略以及濕地床氧化還原條件等的影響[8-10]。

a—氨化作用；b—動植物及微生物吸收作用；c—硝化作用；d—反硝化作用；e—硝酸鹽氨化；f—氨揮發(fā)過程；g—離子交換、基質吸附作用；h—生物固氮作用；i—降水帶入氮；j—收割植物。圖1 人工濕地氮轉化示意Fig.1 Nitrogen form transformation processes in constructed wetlands

硝化作用是利用硝化細菌通過化能自養(yǎng)將氨氮轉化為硝態(tài)氮的嚴格好氧過程，包含氨氮轉化為亞硝態(tài)氮的氨氧化過程和亞硝態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮的亞硝酸鹽氧化過程2個階段。每階段由不同的細菌利用氨氮或亞硝態(tài)氮作為能量來源，以分子態(tài)氧為電子受體，以二氧化碳為碳源。該過程可用下式表示[11]：

(1)

(2)

一般情況下，濕地中硝化速率要比反硝化速率慢，且硝化過程影響反硝化過程，濕地中若出現(xiàn)不利于硝化過程的條件會極大地限制系統(tǒng)脫氮效果。pH若降至7.0以下時，硝化速率將會迅速下降，因此，pH對硝化反應尤為重要。影響硝化過程的主要因素有DO濃度、溫度、pH以及無機碳源等。

(3)

植物對氮的去除作用分為:1)植物直接吸收水中的氮元素作為自身生長發(fā)育和新陳代謝的營養(yǎng)物；2)植物通過光合作用合成氧氣，再通過植物通氣組織釋放到根部，使植物在根部范圍內形成好氧—缺氧—厭氧的微環(huán)境，促進了硝化反硝化過程，間接提高了脫氮效果。沸石等基質由于本身具有一定的吸附容量，尤其對氨氮具有較高的吸附效果。

2 水位變化對人工濕地氮轉化的影響

水位作為水文機制的重要因素，對濕地環(huán)境起著不可替代的影響，主要包括：1)影響植物的生長發(fā)育和新陳代謝；2)改變濕地環(huán)境理化性質，如DO濃度、pH和Eh等；3)改變微生物硝化反硝化強度。

2.1 水位變化對濕地植物的影響

植物對水位變化的響應一般直觀表現(xiàn)在株高、葉長、葉寬、分蘗數(shù)等地上部分，也表現(xiàn)在根系長度、根表面積、根尖數(shù)等地下部分，以及生物量在地上和地下部分的分配等。植物對水位變化的形態(tài)學響應與植物的適應性密切相關，當水位變化超過植物的形態(tài)學響應能力，植物的生長發(fā)育將會停止，最終將導致死亡[12]。王海洋等[13]對不同植物進行水位處理發(fā)現(xiàn)，小慈姑、銳棱荸薺和野荸薺隨水位的降低，株高也會降低：在水位為0～5和20 cm時，小慈姑葉高和野荸薺的稈高差異最大；水位從40 cm降到20 cm時，銳棱荸薺稈高從(58.5±3.3)cm降到(35.0±3.3)cm[13]，變化明顯。丁巧林等[14]研究菖蒲和黃花鳶尾對水位變化的響應發(fā)現(xiàn)：在水位變化情況下，2種植物株高比其他固定水位要高，且水位較高能有效促進菖蒲克隆分株；水位變化情況下，根莖生物量也顯著高于其他水位。說明水位變化對2種植物的生長發(fā)育有一定促進作用。有研究表明，在植物生長過程中，通過水位變化使蘆葦處于干濕交替的水環(huán)境狀態(tài)，交替變化頻率越高，蘆葦處于干旱脅迫和淹水脅迫的時間相對變少，不僅在一定程度上降低了水分脅迫對蘆葦生長的影響程度，并且能使蘆葦更好地生長[15]。

水位變化會直接影響植物根系形態(tài)結構和功能，從而影響植物群落分布和生長發(fā)育[16]：植物沿水位深度梯級變化顯示出不同的群落結構；同種植物在不同水位條件下，其地上和地下生物量分布以及種群密度也會發(fā)生變化[17]，水位升高使植物的種群密度下降，而種群高度增加[18]。大米草形態(tài)特征、生長發(fā)育、生物量分配策略等指標對水位變化的響應顯著：其株高等形態(tài)參數(shù)及生物量在0～13株高水位梯度下相對于-10 cm和12株高水位有較大差別，但與-5 cm水位梯度下的株高無顯著差異；其分配至地上和根狀莖的生物量在-10 cm水位下比其他水位相對要低[19]。不同植物對水位變化的響應規(guī)律也不同，主要與植物的耐受性有關，而植物的耐受性也決定了植物沿水深的空間分布位置以及時間分布規(guī)律。對于耐水植物，可通過調整其形態(tài)結構(如形成粗的無支根和發(fā)達的通氣組織等)來提高植物根系的氧化還原性，進而保證植物自身的生長，這與植物的耐水和耐旱性有直接關系[20]。

植物對水位變化的響應也間接表現(xiàn)在植物根系泌氧速率和根孔隙度等根系形態(tài)指標上。濕地植物通過根和莖形成的通氣組織，能將光合作用轉化的氧氣運輸?shù)礁?，并通過根軸徑向釋放到根際，稱為徑向氧損失(ROL)，簡稱根系泌氧[21]。濕地植物根系泌氧在其生長過程中受到多種因素影響，主要包括內部條件(如通氣組織、生物量、蒸騰作用和根系活力等)和外部條件(如溫度、光照、土壤性質和有機酸等)[22-23]。濕地植物根系泌氧有利于濕地生態(tài)系統(tǒng)對污染物的吸收和降解[24]。既要對植物吸收污染物的能力進行比對，也要比較不同植物的根系泌氧能力，才能充分利用人工濕地處理污染物[25]。研究表明，植物地上生物量和葉表面積與植物根系泌氧量具有一定正相關性，保證植物具有更大的地上生物量和葉表面積對提高整個系統(tǒng)的氧化能力是非常重要的，而最佳水位的控制對避免植物生長力的降低是至關重要的[26-27]。

國內外的研究多集中在水位的變化，但僅限恒水位條件下，即研究不同水位下，植物群落的分布及適合植物生長的最佳水位以及不同水位間存在的差異性比較，而對不同水位變化模式(水位變動幅度、水位變動周期等)下的植物根系形態(tài)結構、根系泌氧及氮磷遷移轉化研究較少。而且，對不同水位變化模式下，植物根系形態(tài)結構變化與植物根系泌氧能力變化之間的相關性鮮有研究。

2.2 水位變化對濕地環(huán)境理化性質的影響

水位變化會引起水環(huán)境透明度、濁度等物理條件和DO濃度、pH、鹽度等化學條件的變化[28]。長期水淹會導致濕地氧化還原電位降低，產生大量還原性物質，而這些物質的積累會在一定程度上毒害植物生長，對植物的生長發(fā)育和新陳代謝產生影響。濕地植物在水位高時，由于長期淹水使根部出現(xiàn)厭氧環(huán)境，根部氧化還原電位降低，導致根部有機質不能完全氧化，甚至產生對植物生長有毒有害的物質[29]，如甲烷和有機酸等。在短期內，當水位由高到低波動時，由于濕地床浸潤面發(fā)生變化，可產生空隙吸力，將空氣中的氧吸入基質層，增強濕地床DO濃度，改善基質氧化還原性，提高微生物硝化強度。濕地植物由于根系泌氧使根際形成好氧微環(huán)境，不僅提高了植物根際環(huán)境的DO濃度[30]，而且影響根際環(huán)境的氧化還原性[31]、pH，以及根際環(huán)境微生物群落的種類、豐富性及活性[32]。

研究表明，當土壤表面存水時，土壤氧化還原電位通常為-200～-100 mV；而處于干旱條件時，氧化還原電位會有所升高[33]。靜態(tài)水位、低水位(2 cmd)和高水位(6 cmd)變化對氮去除效果的研究表明：無植物系統(tǒng)在靜態(tài)水位和低水位變化情況下，對氨氮去除率僅為28%和10%，基質中氧化還原電位較低；而有植物系統(tǒng)對氨氮去除率分別可達71%和54%，COD去除率大于70%，氧化還原電位大于200 mV[34]。因此，加強不同水位變化模式下根際環(huán)境氮磷形態(tài)遷移轉化規(guī)律及其影響因子的研究，可為濕地強化污染物的脫除提供一定的技術支撐。

2.3 水位變化對微生物硝化反硝化強度的影響

人工濕地系統(tǒng)對氮元素的去除主要是通過微生物的硝化過程和反硝化過程來實現(xiàn)的。水位變化會直接改變濕地系統(tǒng)氧濃度的變化：水位過高，系統(tǒng)大部分處于厭氧狀態(tài)；水位降低，氧氣隨水位下降由大氣帶入基質層，提高系統(tǒng)DO濃度，增強硝化反應強度。水位變化也間接通過影響植物的形態(tài)結構、分配策略以及根系分泌物來改變硝化反硝化過程：水位過高，植物將通過增加地上部分生物量等形態(tài)特征來增強光合作用，以此獲得更多的能量；水位過低，植物將處于干旱脅迫，水分成為限制植物生長的主要因子，植物將通過形成新生根并增加根長的方法來獲得水分以適應生長。植物根系作為微生物附著生長的載體，其根系分泌物也會對微生物的生長和生理產生一定程度的影響。

潛流人工濕地主要通過大氣復氧和植物根系輸氧來保證系統(tǒng)的DO濃度，水位變化將改變植物根系泌氧速率。水位過高，植物根部可能產生還原性物質阻礙其生長發(fā)育，為克服此狀況，植物將加大根系泌氧速率提供更多的氧進入根部，從而使植物根部形成好氧微環(huán)境，提高了硝化作用強度。硝化過程作為人工濕地氮元素去除的限速步驟，通過水位變化進行一定程度的調控，實現(xiàn)增強微生物硝化作用。濕地植物還可通過根系分泌有機碳源[35]，有利于反硝化脫氮。土壤pH對硝化過程會產生較大影響，低土壤pH會抑制自養(yǎng)的硝化過程，pH為6～8時可提高硝化速率。硝化速率與pH之間存在線性關系[36]，而水位變化會影響pH的變化。因此，探討合適的水位變化模式，改善植物生長策略，改善植物根際環(huán)境理化性質，進而改善硝化細菌和反硝化細菌的生長活性和處理效率，對人工濕地氮元素的去除具有重要意義。然而，不同水位變化模式下，以人工濕地為研究對象，以期通過水位調控提高人工濕地脫氮能力和污染物去除率，進而減緩人工濕地堵塞問題，最終提高人工濕地的運行管理效率的研究較少，尤其對潛流及表面流這2種經典的人工濕地，鮮有相關研究。

3 展望

水位變化對植物產生影響的研究，大多集中在自然濕地或湖泊濕地等天然水體，而對人工濕地的研究較少，以下問題需進一步深入研究：1)應模擬短周期水位變化(水位變動幅度、水位變動周期等)，研究其對濕地氮轉化的定量影響及影響機理，確定是否存在某個濕地生態(tài)因子是影響濕地脫氮過程的關鍵驅動因子，為以脫氮為目的的濕地系統(tǒng)恢復提供理論依據(jù)；2)通過調整水位變化模式(水位變動幅度、水位變動周期)，改善濕地植物生長策略，充分發(fā)揮濕地植物去除污染物的能力，提高微生物硝化反硝化能力，改善濕地環(huán)境理化性質，提高DO濃度和氧化還原電位，進而提高氮磷的去除率；3)在當前大規(guī)模水體生態(tài)修復與生態(tài)工程建設的背景下，應從工程應用角度，加強水位變化對人工濕地污染物去除影響機理的研究，探究是否存在合理的水位變化模式能改善人工濕地床系統(tǒng)參與者脫除污染物的能力，確定適合的水位調控模式，利用水位調控，改善植物生長策略，使植物根系能更好地在基質中生長、延伸，提高基質孔隙度，改善人工濕地基質的堵塞問題，并提高人工濕地的運行管理效率。

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Research Progress of Nitrogen Transformation in Constructed Wetlands in Response to Water-level Change

GUO Shilin1,2,3, YE Chun1,2, LI Chunhua1,2, XU Shihong3， Lü Meiting1,2

1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Centre of Lake Engineering & Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Environmental Science and Engineering College, Donghua University, Shanghai 201620, China

The major nitrogen transformation pathways in constructed wetlands include nitrification and denitrification of microbe, plant uptake and adsorption by substrate. As an important aspect of hydrological processes, water-level change can directly or indirectly affect the quality and quantity of nitrogen in various forms. The nitrogen transformation mechanism and influence factors of constructed wetlands were expounded, and the relevant research achievements of the wetland plants′ morphological characteristics and growth, the physical and chemical properties (DO, pH, Eh), and the intensity of microorganism nitrification and denitrification in response to water-level changes in wetland were summarized. The problems existing in previous studies were pointed out and some suggestions put forward, including strengthening researches on the influence of different water-level change modes (such as change range and period) on nitrogen transformation in various forms in the constructed wetlands, and increasing the nitrogen removal effect through improving plant growth and enhancing the intensity of microorganism nitrification and denitrification with water level control.

constructed wetlands; water-level change; nitrogen transformation; plant; microbe

2016-05-16

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-009)

郭士林(1992—)，男，碩士研究生，主要從事水污染控制理論與技術研究，guoshldhu@163.com

*通訊作者：葉春(1970—)，男，研究員，博士，主要從事水污染控制與水體生態(tài)修復研究，yechbj@163.com

X522

1674-991X(2016)06-0585-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.084

郭士林，葉春，李春華,等.人工濕地氮轉化對水位變化響應的研究進展[J].環(huán)境工程技術學報,2016,6(6):585-590.

GUO S L, YE C, LI C H, et al.Research progress of nitrogen transformation in constructed wetlands in response to water-level change[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(6):585-590.