河流濕地淹水-露灘過程中濕地氮轉(zhuǎn)化的研究初報

駱巧玲

（南京澤潤生態(tài)環(huán)境有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

我國地跨多個地貌階地和氣候帶，塑就了河流湖泊數(shù)量眾多、分布較廣、類型復雜的總體格局。在全國2 693個湖泊（面積大于1.0 km2）中，有一類水位變幅較大（年絕對變幅在1.70～15.41 m）、露灘期較長（最長達305 d）、露灘面積比重大（最大時占68.9%）的大型淺水湖泊群，它們主要分布在長江中下游地區(qū)[1]。另外，受季節(jié)性補水和人為調(diào)蓄的影響，許多河流呈現(xiàn)出有規(guī)律地干濕交替變化過程。但由于在干涸期和輸水期的沉積物形狀存在較大差異，如沉積物的溫度、氧化還原狀態(tài)及水下光強、含水率、微生物種群等，所以這些差異和變化都將對沉積物氮的吸附、硝化和反硝化等生物地球化學過程產(chǎn)生深刻影響。

目前，有關(guān)干濕交替運行過程中N的轉(zhuǎn)化研究主要集中在，土壤飽氣帶、土壤肥料和農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域，并側(cè)重于土壤的硝化能力、吸附能力和反硝化能力等方面[2]。而對于在濕地干化過程中，土壤基質(zhì)中N和有機質(zhì)的過程研究卻鮮有報道。本研究主要是通過自行設(shè)計的河漫灘人工濕地示范工程，來研究長期運行的濕地，即由淹水到露灘的過程以及露灘干化過程對濕地凈化能力的影響，及其主要機制，以期為河漫灘濕地長期高效的運行提供理論依據(jù)和指導。

2 研究區(qū)域概況以及采樣分析

2.1 研究區(qū)域概況

賈魯河是淮河流域污染比較嚴重的河流之一，其是淮河最大支流—沙潁河的一級支流。近年來，由于鄭州市工業(yè)廢水和生活污水的排放量逐年增長，致使賈魯河成為了鄭州市主要的排污河道，因此，河道及地下水均受到了不同程度的污染，同時，地表水質(zhì)多年來一直為劣V類，導致魚類、底棲生物和微生物急劇較少。

通常情況下，黃河、淮河流域的平原地帶分布著大量的分支河流，擁有寬闊的河床和大面積的河漫灘，但在一年中的絕大部分時間內(nèi)水流僅在狹窄的二級河槽內(nèi)流淌，河灘處于干涸狀態(tài)。因此，利用這些平原河流寬闊平坦的河灘土地資源建設(shè)梯級河灘濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)，可實現(xiàn)對污染河水的自然凈化。從2018～2019年，鄭州市水務(wù)局結(jié)合賈魯河綜合整治計劃，提出了建設(shè)規(guī)?；菁壓訛竦厮|(zhì)凈化系統(tǒng)的方案，并在賈魯河畔建設(shè)運行了總面積為7 400 m2的技術(shù)示范工程。而賈魯河梯級河灘濕地在基流條件下需要排干運行時，需開啟該級濕地下方的攔水壩，這樣上一級跌水槽中的河水就會沿基流排泄槽直接進入下一級的跌水槽中，從而實現(xiàn)了該級濕地的排干且不影響相鄰濕地的正常運轉(zhuǎn)。通過多級拱水壩的水位調(diào)控，可以使梯級濕地干、濕交替運行，同時，通過露灘改善濕地供氧條件，氧化積累在土壤中的氨氮和有機污染物，實現(xiàn)了凈化能力的短周期再生。在濕地運行穩(wěn)定后，采集該河灘的濕地土壤樣品，其基本性質(zhì)詳見表1。

表1 土層基本的物理性狀

2.2 樣品的采集與分析

賈魯河梯級河灘濕地在濕地連續(xù)進水運行9個月后，于2018年2月底停止向第一級濕地進水，在濕地全部落灘后，隨即于3月14日、3月21日和29日在4個采樣點如圖1所示，1#點位位于濕地進水處，2-4#點位沿濕地流場均勻間隔布設(shè)。干化時間為15 d，期間天氣晴好，小雨一次但雨量較小。首先，用自制柱狀采泥器采集表層100 cm土壤，重復采樣三次做平行；然后，所采集樣品按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm共分5層，每層土樣混勻后，立即低溫保存帶回實驗室分析；最后，將沉積物分成兩份，一份為烘干后土樣，仔細研磨過100目篩網(wǎng)分析其總氮、有機質(zhì)含量；另一份收集新鮮土樣分析其含水率、交換態(tài)氨氮和硝態(tài)氮含量，具體測定方法依據(jù)鮑士旦（2000）方法進行分析[3]。

3 結(jié)果與討論

3.1 干化過程土壤中含水率的變化

在濕地土壤干化過程中，4個采樣點的含水率在試驗期間均為降低趨勢，其含水率絕對值平均降幅為4.2%。其中，處在一級濕地進水口附近1#點位0～20 cm的表層土壤在干化過程中其含水率下降最快，降幅達10.3%；而位于出水口附近的4#點位的土壤在干化過程中水分下降相對平緩。通常，土壤含水率是影響反硝化細菌活動的必需環(huán)境因子，其反硝化潛力與土壤濕度有顯著的相關(guān)性，而水分保持較高且穩(wěn)定的含水率有利于加強濕地反硝化脫氮效率[4]。

3.2 干化前后濕地土壤中有機質(zhì)的變化特征

本研究各點位有機質(zhì)含量的變化趨勢為：4個采樣點20個土層在15 d的干化期內(nèi)，有16個土層的有機質(zhì)含量為降低趨勢，降幅介于11%～40%之間。其中，降幅最大的點位在2#點的20～40 cm土層處；有4個土層出現(xiàn)有機質(zhì)含量升高的情況，升幅介于4%～12%之間。本研究結(jié)果表明，干化晾曬對于濕地沉積物中有機物的降解作用明顯，可有效降低有機質(zhì)含量，這對于濕地老化后凈化能力的恢復具有重要作用。

Adu等研究發(fā)現(xiàn)[5]，土壤干濕交替可以提高C和N元素的礦化速率，其原因可能是由于干濕交替引起的水分突然降低，導致了微生物的大量死亡，進而降低了土壤的有機質(zhì)含量。即干濕交替提高了C礦化速率，即在慢速干燥過程中各處理土壤中CO2的釋放速率隨著土壤含水量的降低而增加，直到土壤中CO2的釋放速率達到高峰。在此過程中，微生物代謝熵和生物量也明顯增加，這是因為土壤在干燥過程逐步為微生物的生長繁殖提供了有利的條件，且隨著微生物數(shù)量的增加和有效底物剩余量的減少，促使底物利用率在干燥過程中呈下降趨勢。

3.3 干化前后濕地土壤中氨氮的變化特征

4 個采樣點20個土層在15 d的干化期內(nèi)，其氨氮含量均出現(xiàn)了不同程度的下降，各樣點中0～20 cm土層中的氨氮去除率最高，其中，下降最明顯的是1#點0～20 cm土層，氨氮的去除率高達86%。有研究證明，土壤硝化作用強度會隨著淹水層氧氣濃度的增加而顯著增強，而在濕地水排干后，氧氣更容易進入土層，這就會有利于氨氮硝化作用和氨氮揮發(fā)，所以氨氮去除率較高。但由于深層土壤處于厭氧環(huán)境，所以氨氮去除率相對較低。本文的研究結(jié)果還表明，濕地干化晾曬對土壤氨氮的降解效果較好，可有效降低其在土壤中的含量。而丁洪等[6]關(guān)于污水灌溉土壤中氨氮轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)化速率的研究也發(fā)現(xiàn)，隨污水灌入土壤的銨態(tài)氮可迅速轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和氣態(tài)氨，但其轉(zhuǎn)化速率會受氣溫、土壤pH值和通氣條件等的影響。

3.4 干化前后濕地土壤中硝態(tài)氮的分布特征

在濕地干化試驗中，各樣點中硝態(tài)氮的含量變化存在較大差異，1#點的5個土層中80～100 cm層硝氮含量降低，但其余4層硝氮含量均不同程度增加；而在其他3個樣點中，只有0～20 cm層硝氮含量有所增加，其余各層硝氮含量均呈現(xiàn)出降低趨勢。結(jié)合土壤中氨氮含量的變化，其原因可能是由于土壤表層保持的好氧環(huán)境，氨氮大量硝化導致硝氮積累，從而使土壤下層處于厭氧環(huán)境，而硝化反應(yīng)產(chǎn)生的硝氮又較少，且反硝化作用較強，所以硝氮含量有所降低。

通常，土壤中硝氮含量會受碳氮比、溫度、土壤含水率和pH值等多方面因素制約影響。有包氣帶的反硝化研究表明，包氣帶土體中對細菌的反硝化作用強度是隨深度的加大而減弱，在相同培養(yǎng)條件下作用速度也隨之減慢，易引起包氣帶土體中硝酸鹽的積累，進而造成地下水的污染。Groffman等研究發(fā)現(xiàn)[7]，營養(yǎng)豐富的濕地土壤比較貧瘠的濕地土壤有更強的反硝化作用，這說明土壤有機質(zhì)含量、C/N是反硝化作用強弱的制約因子，而土壤微生物適宜生存的C/N為25∶1～30∶1，如果C/N高于該值，則有機質(zhì)分解緩慢，反硝化作用受到抑制；反之則微生物活性增強，可促進N2O排放。同時，土壤pH值對反硝化作用也有著顯著影響，反硝化作用適宜的pH值在7.0～8.5之間，當pH值低于5.0時，反硝化作用就會停止。而反硝化作用最適宜的土壤溫度為10～30 ℃，最低為-4～-2 ℃，最高為70 ℃，同時，土壤中的水分含量通過影響土壤中氧的含量會間接影響反硝化作用，而土壤質(zhì)地也顯著影響著濱河濕地反硝化速率。有研究表明，砂質(zhì)土壤排放的N2O顯著高于壤質(zhì)和粘質(zhì)的土壤。此外，植被類型也會通過影響土壤溫度、濕度和礦化氮庫而影響土壤氮礦化和有效性，這是由于植被存在的根區(qū)微生態(tài)環(huán)境是硝化和反硝化的活躍區(qū)域。

3.5 干化前后濕地土壤中TN的分布特征

濕地在長期淹水后，濕地土層均表現(xiàn)出較好的TN去除能力，而濕地土壤經(jīng)15 d的干化后，各土層對TN的去除效果均值為37%，其中，0～20 cm土層TN去除率均值為34%；20～40 cm土層TN去除率均值為25%；40～60 cm土層TN去除率均值為36%；60～80 cm土層TN去除率均值為53%；80～100 cm土層TN去除率均值為40%，由此可見，下層土壤對TN的處理能力比上層土壤要強，這可能與下層土壤厭氧環(huán)境反硝化能力較強有關(guān)。

3.6 濕地干化前后水質(zhì)凈化能力對比研究

為了研究干濕交替運行對濕地凈化能力的恢復情況，在干化前后各進行3次第一級濕地水質(zhì)凈化效果監(jiān)測，水質(zhì)指標有COD、TN、TP和氨氮等，以此比較干化前后第一級濕地的水質(zhì)凈化效果。

第一級濕地干化前對COD的平均凈化率為14.6%，干化后為21.3%，干化前后差異不顯著（P＞0.05）；第一級濕地干化前對TN的平均去除率只有15.3%，干化后上升到21.5%，干化前后差異顯著（P＜0.05）；干化前濕地對氨氮的平均去除率只有9.3%，干化后為32%，干化前后差異顯著（P＜0.05）；TP的平均去除率干化前為26%，干化后為上升到32%，干化前后差異不顯著（P＞0.05）。以上監(jiān)測結(jié)果表明，15 d的濕地干化對濕地凈化能力恢復的效果非常顯著。

4 結(jié)論

（1）露灘后濕地去除水體中總氮和氨氮的效率顯著增強，其中氨氮的去除效率提高了3倍。

（2）隨露灘時間的延長，濕地沉積物礦化的自凈能力加強，即濕地沉積物落干加速了有機質(zhì)和總氮的礦化過程，且表層沉積物礦化效率高于底層沉積物。其沉積物特征具體表現(xiàn)為露灘后離進水布水溝的距離越近，土壤的有機質(zhì)和TN含量越高，且隨著土層深度增加含量逐漸降低，呈明顯的梯度遞減趨勢。

（3）沉積物中硝氮含量變化較復雜，而研究區(qū)域內(nèi)表層土樣硝氮含量呈上升趨勢，下層土樣呈降低趨勢。濕地沉積物干化過程加速了濕地硝化過程，引發(fā)了硝態(tài)氮在濕地沉積物中產(chǎn)生“表聚”現(xiàn)象，而濕地沉積物通過吸附水體中硝態(tài)氮增強了凈化效果，這也是導致其主要在表層沉積物中積累的主要原因之一。