人工湿地氮转化对水位变化响应的研究进展

郭士林，叶春，李春华，许士洪，吕美婷

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 2.中国环境科学研究院湖泊工程技术中心，北京 100012 3.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620



人工湿地氮转化对水位变化响应的研究进展

郭士林1,2,3，叶春1,2*，李春华1,2，许士洪3，吕美婷1,2

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 2.中国环境科学研究院湖泊工程技术中心，北京 100012 3.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620

人工湿地氮转化途径主要包括微生物的硝化反硝化作用、植物的吸收和湿地基质的吸附等。水位变化作为水文机制的重要方面，直接或间接影响人工湿地环境各形态氮质和量的变化。阐述了人工湿地氮转化机理和影响因子，总结了湿地环境植物形态特征及生长发育、理化性质(DO、pH、Eh)、微生物的硝化反硝化强度三方面对水位变化响应的国内外研究进展，并提出存在的问题和建议：加强不同水位变化模式(水位变动幅度、水位变动周期)对人工湿地各形态氮转化影响的研究，通过水位调控改善植物生长策略、提高微生物硝化反硝化强度，从而实现增强人工湿地脱氮功效的目的。

人工湿地；水位变化；氮转化；植物；微生物

近几十年，随着我国经济的粗放型发展，大量污染物尤其是氮磷浓度高的城市生活污水、工矿企业废水排入河流、湖泊等自然水体，以及农村面源污染随雨水冲刷进入自然水体，造成水体营养物过剩，生态系统遭到严重破坏，水体污染的治理和水体生态系统的修复迫在眉睫。人工湿地(constructed wetlands)作为污水处理手段，模拟自然湿地对水质净化的过程，利用自然过程(包括湿地植物、土壤和与之相关的微生物组合)从受污染水体去除污染物的原理，设计和建造了更加可控的污水处理系统[1]。由于人工湿地污染物去除效率高、便于运行和维护、低能耗需求和能为野生生物提供潜在的栖息地等优点，已成为较受欢迎的污水处理方法[2]。

湿地生态环境中最重要的要素就是水，不仅水质变化会引起生态系统中食物链的变化，而且，水位高低、淹水周期以及水位的变化范围等水文机制也会引起湿地生态系统中植物的分布、生长策略、微生物的种群和数量、湿地环境理化性质等的变化。应充分利用水文机制这个人为可调控的生态要素，改善湿地环境的理化性质，使植物以及微生物得到更好地生长，一定程度上修复受损或退化的湿地生态系统[3]。

1 人工湿地氮转化途径及影响因子

人工湿地主要通过沉淀、过滤、离子交换、挥发、基质吸附、植物吸收以及各种微生物过程等物理、化学、生物作用来达到去除污染物的目的[4-6]。人工湿地对水体中氮的去除主要通过植物吸收、基质吸附、微生物的硝化反硝化作用、氨挥发以及生物固氮等作用来实现(图1)。其中微生物的氨化、硝化反硝化作用被认为是最主要的过程[7]。然而，这些去除过程通常直接或间接受水力负荷、温度、土壤类型、运行策略以及湿地床氧化还原条件等的影响[8-10]。

a—氨化作用；b—动植物及微生物吸收作用；c—硝化作用；d—反硝化作用；e—硝酸盐氨化；f—氨挥发过程；g—离子交换、基质吸附作用；h—生物固氮作用；i—降水带入氮；j—收割植物。图1 人工湿地氮转化示意Fig.1 Nitrogen form transformation processes in constructed wetlands

硝化作用是利用硝化细菌通过化能自养将氨氮转化为硝态氮的严格好氧过程，包含氨氮转化为亚硝态氮的氨氧化过程和亚硝态氮转化为硝态氮的亚硝酸盐氧化过程2个阶段。每阶段由不同的细菌利用氨氮或亚硝态氮作为能量来源，以分子态氧为电子受体，以二氧化碳为碳源。该过程可用下式表示[11]：

(1)

(2)

一般情况下，湿地中硝化速率要比反硝化速率慢，且硝化过程影响反硝化过程，湿地中若出现不利于硝化过程的条件会极大地限制系统脱氮效果。pH若降至7.0以下时，硝化速率将会迅速下降，因此，pH对硝化反应尤为重要。影响硝化过程的主要因素有DO浓度、温度、pH以及无机碳源等。

(3)

植物对氮的去除作用分为:1)植物直接吸收水中的氮元素作为自身生长发育和新陈代谢的营养物；2)植物通过光合作用合成氧气，再通过植物通气组织释放到根部，使植物在根部范围内形成好氧—缺氧—厌氧的微环境，促进了硝化反硝化过程，间接提高了脱氮效果。沸石等基质由于本身具有一定的吸附容量，尤其对氨氮具有较高的吸附效果。

2 水位变化对人工湿地氮转化的影响

水位作为水文机制的重要因素，对湿地环境起着不可替代的影响，主要包括：1)影响植物的生长发育和新陈代谢；2)改变湿地环境理化性质，如DO浓度、pH和Eh等；3)改变微生物硝化反硝化强度。

2.1 水位变化对湿地植物的影响

植物对水位变化的响应一般直观表现在株高、叶长、叶宽、分蘖数等地上部分，也表现在根系长度、根表面积、根尖数等地下部分，以及生物量在地上和地下部分的分配等。植物对水位变化的形态学响应与植物的适应性密切相关，当水位变化超过植物的形态学响应能力，植物的生长发育将会停止，最终将导致死亡[12]。王海洋等[13]对不同植物进行水位处理发现，小慈姑、锐棱荸荠和野荸荠随水位的降低，株高也会降低：在水位为0～5和20 cm时，小慈姑叶高和野荸荠的秆高差异最大；水位从40 cm降到20 cm时，锐棱荸荠秆高从(58.5±3.3)cm降到(35.0±3.3)cm[13]，变化明显。丁巧林等[14]研究菖蒲和黄花鸢尾对水位变化的响应发现：在水位变化情况下，2种植物株高比其他固定水位要高，且水位较高能有效促进菖蒲克隆分株；水位变化情况下，根茎生物量也显著高于其他水位。说明水位变化对2种植物的生长发育有一定促进作用。有研究表明，在植物生长过程中，通过水位变化使芦苇处于干湿交替的水环境状态，交替变化频率越高，芦苇处于干旱胁迫和淹水胁迫的时间相对变少，不仅在一定程度上降低了水分胁迫对芦苇生长的影响程度，并且能使芦苇更好地生长[15]。

水位变化会直接影响植物根系形态结构和功能，从而影响植物群落分布和生长发育[16]：植物沿水位深度梯级变化显示出不同的群落结构；同种植物在不同水位条件下，其地上和地下生物量分布以及种群密度也会发生变化[17]，水位升高使植物的种群密度下降，而种群高度增加[18]。大米草形态特征、生长发育、生物量分配策略等指标对水位变化的响应显著：其株高等形态参数及生物量在0～13株高水位梯度下相对于-10 cm和12株高水位有较大差别，但与-5 cm水位梯度下的株高无显著差异；其分配至地上和根状茎的生物量在-10 cm水位下比其他水位相对要低[19]。不同植物对水位变化的响应规律也不同，主要与植物的耐受性有关，而植物的耐受性也决定了植物沿水深的空间分布位置以及时间分布规律。对于耐水植物，可通过调整其形态结构(如形成粗的无支根和发达的通气组织等)来提高植物根系的氧化还原性，进而保证植物自身的生长，这与植物的耐水和耐旱性有直接关系[20]。

植物对水位变化的响应也间接表现在植物根系泌氧速率和根孔隙度等根系形态指标上。湿地植物通过根和茎形成的通气组织，能将光合作用转化的氧气运输到根部，并通过根轴径向释放到根际，称为径向氧损失(ROL)，简称根系泌氧[21]。湿地植物根系泌氧在其生长过程中受到多种因素影响，主要包括内部条件(如通气组织、生物量、蒸腾作用和根系活力等)和外部条件(如温度、光照、土壤性质和有机酸等)[22-23]。湿地植物根系泌氧有利于湿地生态系统对污染物的吸收和降解[24]。既要对植物吸收污染物的能力进行比对，也要比较不同植物的根系泌氧能力，才能充分利用人工湿地处理污染物[25]。研究表明，植物地上生物量和叶表面积与植物根系泌氧量具有一定正相关性，保证植物具有更大的地上生物量和叶表面积对提高整个系统的氧化能力是非常重要的，而最佳水位的控制对避免植物生长力的降低是至关重要的[26-27]。

国内外的研究多集中在水位的变化，但仅限恒水位条件下，即研究不同水位下，植物群落的分布及适合植物生长的最佳水位以及不同水位间存在的差异性比较，而对不同水位变化模式(水位变动幅度、水位变动周期等)下的植物根系形态结构、根系泌氧及氮磷迁移转化研究较少。而且，对不同水位变化模式下，植物根系形态结构变化与植物根系泌氧能力变化之间的相关性鲜有研究。

2.2 水位变化对湿地环境理化性质的影响

水位变化会引起水环境透明度、浊度等物理条件和DO浓度、pH、盐度等化学条件的变化[28]。长期水淹会导致湿地氧化还原电位降低，产生大量还原性物质，而这些物质的积累会在一定程度上毒害植物生长，对植物的生长发育和新陈代谢产生影响。湿地植物在水位高时，由于长期淹水使根部出现厌氧环境，根部氧化还原电位降低，导致根部有机质不能完全氧化，甚至产生对植物生长有毒有害的物质[29]，如甲烷和有机酸等。在短期内，当水位由高到低波动时，由于湿地床浸润面发生变化，可产生空隙吸力，将空气中的氧吸入基质层，增强湿地床DO浓度，改善基质氧化还原性，提高微生物硝化强度。湿地植物由于根系泌氧使根际形成好氧微环境，不仅提高了植物根际环境的DO浓度[30]，而且影响根际环境的氧化还原性[31]、pH，以及根际环境微生物群落的种类、丰富性及活性[32]。

研究表明，当土壤表面存水时，土壤氧化还原电位通常为-200～-100 mV；而处于干旱条件时，氧化还原电位会有所升高[33]。静态水位、低水位(2 cmd)和高水位(6 cmd)变化对氮去除效果的研究表明：无植物系统在静态水位和低水位变化情况下，对氨氮去除率仅为28%和10%，基质中氧化还原电位较低；而有植物系统对氨氮去除率分别可达71%和54%，COD去除率大于70%，氧化还原电位大于200 mV[34]。因此，加强不同水位变化模式下根际环境氮磷形态迁移转化规律及其影响因子的研究，可为湿地强化污染物的脱除提供一定的技术支撑。

2.3 水位变化对微生物硝化反硝化强度的影响

人工湿地系统对氮元素的去除主要是通过微生物的硝化过程和反硝化过程来实现的。水位变化会直接改变湿地系统氧浓度的变化：水位过高，系统大部分处于厌氧状态；水位降低，氧气随水位下降由大气带入基质层，提高系统DO浓度，增强硝化反应强度。水位变化也间接通过影响植物的形态结构、分配策略以及根系分泌物来改变硝化反硝化过程：水位过高，植物将通过增加地上部分生物量等形态特征来增强光合作用，以此获得更多的能量；水位过低，植物将处于干旱胁迫，水分成为限制植物生长的主要因子，植物将通过形成新生根并增加根长的方法来获得水分以适应生长。植物根系作为微生物附着生长的载体，其根系分泌物也会对微生物的生长和生理产生一定程度的影响。

潜流人工湿地主要通过大气复氧和植物根系输氧来保证系统的DO浓度，水位变化将改变植物根系泌氧速率。水位过高，植物根部可能产生还原性物质阻碍其生长发育，为克服此状况，植物将加大根系泌氧速率提供更多的氧进入根部，从而使植物根部形成好氧微环境，提高了硝化作用强度。硝化过程作为人工湿地氮元素去除的限速步骤，通过水位变化进行一定程度的调控，实现增强微生物硝化作用。湿地植物还可通过根系分泌有机碳源[35]，有利于反硝化脱氮。土壤pH对硝化过程会产生较大影响，低土壤pH会抑制自养的硝化过程，pH为6～8时可提高硝化速率。硝化速率与pH之间存在线性关系[36]，而水位变化会影响pH的变化。因此，探讨合适的水位变化模式，改善植物生长策略，改善植物根际环境理化性质，进而改善硝化细菌和反硝化细菌的生长活性和处理效率，对人工湿地氮元素的去除具有重要意义。然而，不同水位变化模式下，以人工湿地为研究对象，以期通过水位调控提高人工湿地脱氮能力和污染物去除率，进而减缓人工湿地堵塞问题，最终提高人工湿地的运行管理效率的研究较少，尤其对潜流及表面流这2种经典的人工湿地，鲜有相关研究。

3 展望

水位变化对植物产生影响的研究，大多集中在自然湿地或湖泊湿地等天然水体，而对人工湿地的研究较少，以下问题需进一步深入研究：1)应模拟短周期水位变化(水位变动幅度、水位变动周期等)，研究其对湿地氮转化的定量影响及影响机理，确定是否存在某个湿地生态因子是影响湿地脱氮过程的关键驱动因子，为以脱氮为目的的湿地系统恢复提供理论依据；2)通过调整水位变化模式(水位变动幅度、水位变动周期)，改善湿地植物生长策略，充分发挥湿地植物去除污染物的能力，提高微生物硝化反硝化能力，改善湿地环境理化性质，提高DO浓度和氧化还原电位，进而提高氮磷的去除率；3)在当前大规模水体生态修复与生态工程建设的背景下，应从工程应用角度，加强水位变化对人工湿地污染物去除影响机理的研究，探究是否存在合理的水位变化模式能改善人工湿地床系统参与者脱除污染物的能力，确定适合的水位调控模式，利用水位调控，改善植物生长策略，使植物根系能更好地在基质中生长、延伸，提高基质孔隙度，改善人工湿地基质的堵塞问题，并提高人工湿地的运行管理效率。

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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

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-009)

郭士林(1992—)，男，硕士研究生，主要从事水污染控制理论与技术研究，guoshldhu@163.com

*通讯作者：叶春(1970—)，男，研究员，博士，主要从事水污染控制与水体生态修复研究，yechbj@163.com

X522

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

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.084

郭士林，叶春，李春华,等.人工湿地氮转化对水位变化响应的研究进展[J].环境工程技术学报,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.