论湿地在非点源污染控制中的应用

肖利 高灿红 陈芬 陈炳国

摘要：非点源污染是导致中国水环境污染的主要因素之一。湿地是指位于陆地和水域生态系统之间的过渡带，被认为是治理非点源污染最有效的方式之一。湿地主要通过微生物反硝化、土壤吸附、沉淀以及植物吸收等途径来削减非点源污染物。运用于非点源污染防治的湿地类型主要有工程湿地、湖滨带、河岸带湿地、氧化塘、生态沟渠等。非点源污染的治理应当同点源污染的治理紧密结合，高效发挥湿地的净化功能和景观效应。在构建工程湿地时应保护好自然湿地并慎用外来物种，此外湿地的后续管理也需要进一步加强。

关键词：非点源污染；人工湿地；反硝化；富营养化

中图分类号：S71855文献标识码：A文章编号：1004-3020（2014）03-0044-04

非点源污染是指地表污染物在降水冲刷作用下，通过径流过程而进入江河、湖泊、水库等水体造成的污染 [1 ]。氮、磷是最主要的非点源污染物质，其主要的来源包括农业化肥、农村生活污水、养殖业、水土流失、大气干湿沉降等 [2 ]。非点源污染已成为中国湖泊、水库等水域富营养化的主要驱动因子。以太湖、滇池和巢湖为例，非点源污染对入湖总氮的贡献率分别为59%、33%、63%，对入湖总磷的贡献率分别达到30%、41%和73% [3 ]。水体富营养化会导致蓝藻爆发、水质恶化、水域生物多样性下降以及生态系统功能衰退等一系列非常严重的生态环境问题。

非点源污染具有分布面广、排放量大、随机性强等特征，因此治理的难度非常大。广泛分布的湿地被认为是治理非点源污染最有效的措施之一 [4 ]。湿地通常是指位于陆地生态系统和水域生态系统之间的、周期性淹水的过渡性地带。湿地可以通过微生物反硝化、土壤吸附、过滤沉淀、植物吸收等多种途径来实现对非点源污染物的截留和降解。国内对污染物湿地去除技术的研究则始于上世纪80年代初。中国是世界上湿地类型最齐全、数量最多的国家之一，湿地总面积达到3 848万hm2，位居亚洲第一位，世界第四位。但近百年来，由于人口激增、工业和农业高速发展，湿地遭受了围垦、过度养殖、水利工程建设以及污染排放等的严重干扰 [5-6 ]。

1湿地控制非点源污染的机理

湿地去除污染物、净化水体的功能很早就被认识到，但对其作用机理的认识则要晚了很多 [7 ]。湿地的物理、化学环境严重影响湿地生态系统的生物过程，而同时湿地中发生的生物过程也反馈作用于湿地的物化环境。土壤、植物和微生物是湿地的主要组成部分，三者能够协同进行非点源污染的净化作用。

1.1氮素去除机理

氮素在污水中的存在形态包括有机氮和无机氮。湿地去除非点源污染中的氮素主要是通过土壤过滤沉淀、植物吸收、氨氮挥发、土壤微生物的硝化和反硝化作用等多种途径来实现。其中微生物的硝化和反硝化作用是氮素去除的最主要途径，通常占到总氮去除率的80%以上。硝化作用是指在好氧条件下，硝化细菌将NH4+经NO-2氧化成NO-3的过程。参与硝化作用的微生物有氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）三大类，包括亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）等多个属 [8 ]。

反硝化作用是一个厌氧过程，具体流程为：NO3-→ NO2-→ NO→ N2O→ N2，硝酸盐最终被还原成N2，因此反硝化作用意味着硝酸盐真正的从湿地中去除 [4 ]。该作用要求NO-3、NO-2、NO和N2O等4个还原酶连续反应。NO-3还原酶由narG和napA等基因编码，而NO-2还原酶由nirK和nirS基因编码。NO还原酶和N2O还原酶则分别由norB和nosZ基因编码 [9 ]。大约有20余个属的细菌被证明具有反硝化作用能力，比如假单胞菌属Pseudomonas、芽孢杆菌属Bacillus、棒状杆菌属Corynebacterium、生丝微菌属Hyphomicrobium [10 ]。

1.2磷素去除机理

湿地去除非点源污染中的磷主要是通过土壤吸附、植物吸收和微生物同化等过程来实现，其中土壤吸附是最主要的过程。湿地去除无机磷的能力主要和土壤理化性质相关。在酸性和中性土壤中，磷吸附能力主要受铁、铝水合氧化物的控制，而在碱性湿地土壤中，磷吸附能力可能主要受钙盐的影响。磷酸盐通过与铁、铝、钙等金属离子反应而沉淀在湿地土壤中 [11 ]。

土壤磷吸附的过程可以用吸附方程来拟合，这些方程主要有Freundlich、Langmuir以及Temkin方程，其中最常用的是Langmuir方程。测定土壤磷吸附能力的常用方法有三种：批量平衡技术、磷吸附指数法以及活性铁、铝含量估算法，其中最常用的是批量平衡法。值得注意的是，湿地土壤中吸附的磷并不是永久性的去除，在一定条件下比如淹水，这些吸附的磷就会部分溶解并重新释放到水体中，这就是磷素在土壤中的解吸附过程。

1.3湿地植被的作用

湿地植物能从污水中吸收一定量的无机氮、磷等营养物质，据估计每平方米的香蒲、芦苇、纸莎草可以每年从废水中分别吸收1032，222，175 g的氮素。但也有不少研究表明，通过湿地植物吸收去除的氮磷营养物只占人工湿地总去除量的5%左右。如果植物不被收割并移除湿地系统，部分植物吸收的氮磷会随着凋落物的分解而逐渐重新释放到水体中去。尽管植物吸收的污染物只占总去除量的较小一部分，但植物可以通过其它各种机制促进其它途径的去除作用。

植被的存在减缓了污水在湿地中的流速，从而有利于包含氮磷营养的悬浮物的沉降。植物将经过光合作用产生的氧气沿通气组织输送到根区，从而为硝化细菌进行硝化作用提供好氧环境。当污水流经植物的根区时，进入了微氧环境并发生硝化作用。植被向根系供氧可以促进硝化作用和硝酸盐的形成，从而间接地加强了土壤中微生物的反硝化作用。

湿地植物可以向土壤层中释放大量的根系分泌物，如酶、糖类、醇类和氨基酸等。根系分泌物可以通过改变土壤pH、氧化还原电位，或者通过螯合、还原作用来改变土壤污染物的溶解度和移动性 [12 ]。根系分泌物中的酶类可以对有机污染物进行直接降解，将近90%的土壤酶活性可能是通过湿地植物根系分泌物来提供的。

湿地植物的残体通过微生物、无脊椎动物的分解作用可以影响湿地土壤的有机质总量，同时植物残体的分解过程会消耗土壤中一定量的溶解氧。植物残体的分解在一定程度上会造成植物残体溶出氮、磷营养，增加水体的营养负荷。但是植物残体形成的有机质的增加可以为土壤微生物的反硝化作用提供碳源，从而促进土壤微生物的反硝化作用。

2非点源污染防治的常用湿地类型

签订于1971年的拉姆萨尔湿地公约把湿地系统分为滨海湿地、内陆湿地、人工湿地等三个大类，各大类下又分别包含了12、20、10个小类。大部分的湿地类型都可以应用于非点源污染的防治，其中运用最广的是江河、湖泊、水库和海洋等水体的滨水自然湿地以及工程湿地。

2.1自然湿地

人类利用自然湿地处理污水已经有数百年的历史。河流、水库和湖泊的水位波动带是水域和陆地生态系统的交错区域，其宽度通常从几米至几千米不等，具有很高的生态功能和景观价值。但在过去的几十年里，由于防洪堤坝和水闸的建设、水位人工操控、水电工程和围垦造田等人类干扰，自然湿地遭受到了严重的破坏，结果导致了湿地生态功能的急剧衰退甚至丧失，并在一定程度上加剧了水体的富营养化进程。尹澄清等于1995年对河北省白洋淀水陆交错带的研究表明：芦苇湿地能够截留地表径流64%的总氮和92%的总磷 [13 ]。

2.2人工湿地

在拉姆萨尔湿地公约中，广义的人工湿地包括水塘、稻田、灌渠、水沟、水库蓄水区、运河和氧化塘等多种湿地类型。稻田等人工湿地同时也是非点源污染的主要来源。姜翠玲等对农田附近的沟渠湿地的研究表明：沟渠湿地可通过底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解等多种途径净化农田排水汇集的非点源污染物，通过定期收割沟渠中的芦苇和菰可以减轻水体的富营养化程度 [14 ]。王沛芳等对太湖流域水塘湿地的非点源污染截留能力进行了研究，结果表明水塘湿地系统能够显著降低地表水体的氮素负荷 [15 ]。

2.3工程湿地

工程湿地是指基于污染物降解功能而建造的工程化的湿地系统，其营建的目的是利用湿地生态系统中的物理、化学、生物的过程协同进行污水的处理 [16 ]。根据湿地内污水的流动状态，工程湿地又划分为表面流湿地和潜流湿地。表面流人工湿地在生态构造和外观上都类似于天然湿地，但去除污染的效果要优于自然湿地。潜流湿地的人工布水系统位于湿地的表面，使水流在湿地表面以下运行，根据水流的方向，又可以把潜流湿地分为水平潜流和垂直潜流湿地两类。

3应用案例

3.1自然湿地在美国北卡罗来纳海湾的应用

欧美国家早在上世纪初就开始利用自然湿地来净化污水。美国北卡罗来纳海湾有数十万个浅滩湿地，在上世纪70年代，当地政府决定采用部分海岸湿地来处理污水，共分为A、B、C、D四块湿地。其中湿地D从1987年开始运行，进水包括降雨、地表径流、地下水以及经二级处理过的城市污水。从出水水质来看，经过湿地处理后，几乎所有的污染物指标都得到了有效降低，而且随着负荷率增加，出水中的主要污染物浓度均不增加，这说明了天然的海岸湿地有较大的污染容量和去除能力 [7 ]。

针对污水引入湿地是否会对天然湿地造成不良影响这个问题，研究者同步监测了植物种类和植被盖度、植物凋落物的分解数率以及鸟类的数量。研究的结果表明，经过5年污水处理后，湿地中的植物密度有所增加，但在污水连续淹没的局部区域，植物的生长速率下降，密度也有所减小。同时污水的存在加速了植物凋落物的分解速度，栖息鸟类也有所增加。

3.2人工湿地（多水塘系统）在湖泊流域的应用

多水塘系统是用于农业灌溉的古代发明，按是否长期有水可分为湿塘、干塘，按位置又可分为田塘、村塘和山塘。在我国南方农业区域，很早以前就存在着许多水塘用来蓄积雨水浇灌农田。这些天然或人工水塘不断地与河流进行水、养分的交换，使流速降低，悬浮物得到沉降，增加水流与生物膜的接触时间，水塘对非点源污染物的滞留和净化能力很大。

尹澄清等选择巢湖北岸的六叉河小流域作为研究地点。该小流域总面积为692 km2，共计有150个水塘，面积达036 km2，占全流域总面积的4.9%，水塘平均面积为2 400 m2，平均水深15 m。经过6年的现场实验发现多水塘系统能够截留来自周边农田、村庄的94%以上的氮磷污染负荷，同时具有降低径流速度、贮存暴雨径流、减少水体悬浮物等功能 [17 ]。

3.3工程湿地在高原湖泊治理中的应用

中国科学院南京地理与湖泊研究所的科研人员在云南省抚仙湖北岸污染相对较严重的窑泥沟入湖口处建设了面积为17 hm2的窑泥沟工程湿地系统（包括生物氧化塘、水平潜流和表面流湿地）。工程湿地首先通过拦污网、沉淀池等物理设施除去所有的生活固体垃圾和上游农业废弃物，以及一半左右的泥沙悬浮物。然后在生物氧化塘中无土栽培高密度的水芹菜、水蕹菜、菱等水生经济植物，通过对植物的不断收割从而移出部分氮、磷等污染物，同时水生植物发达的根系为微生物、原生动物等提供了良好的微生境，根系微生物的大量繁殖也为污染物的高效降解、迁移和转化提供了保证。为更有效地降解和滞留污水中的氮、磷营养物，该工程还建设了1 000 m2左右的水平潜流芦苇湿地和香蒲湿地，以及4 000 m2的种植了水芹菜、水蕹菜、慈姑等植物的表面流湿地。污水经过多级生态功能区的净化降解，湿地出水的氮、磷浓度最低可达135 mg·L-1和0187 mg·L-1，净化率分别达到89%和81%。

参考文献

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（责任编辑：唐 岚）