黄河下游2种自然湿地脱氮效能及其影响因素研究

徐 超，郑瑞文，武 斌

(1.济南市清源水务集团有限公司，山东 济南 250010；2.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东 济南 250010)

过度施用氮肥来增加农作物产量，使得硝酸盐以溶解氮的形式被排放到农田灌溉回流中，成为黄河水体氮的主要来源之一[1-6]。硝酸盐是黄河水中主要的氮形态，占总氮含量的90%以上，是导致黄河下游水总氮浓度超GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水的主要因素[7-10]。

有学者建议在黄河流域恢复自然湿地功能，以改善面源污染[11-14]。对比离子交换法、活性污泥法、生物膜法等脱氮方法，自然湿地具有流量大、成本低、易管理的优点。规划建设河流和湿地可以有效控制面源污染、调蓄水资源以及为水生和非水生物种开发栖息地，重新设计湿地系统并评估其效能可以为改善黄河水质提供理论数据和应用实践。

湿地效能主要取决于土地性质和具体的进水特点。由于植物吸收和反硝化作用是生物过程，田野等[15]认为季节性对硝酸盐去除具有显著影响。有文献指出，温度对氮转化具有显著影响[16-17]。也有研究表明，溶解氧(DO)对湿地脱氮效能具有显著影响[18-19]。如果利用湿地来缓冲面源排放，就需要增加湿地的水力停留时间、植被密度和多样性等，常规自然湿地不能完全满足要求。在这些情况下，强化自然湿地成为另一种可行的解决方案。强化自然湿地可以增加水力停留时间(HRT)、植物种群密度和多样性，从而有效去除污染物。

“十一五”期间鹊山水库自然湿地强化工程建设了人工强化湿地和生态促进湿地(图1)。该研究的目的是：(1)评估2种湿地的脱氮效能，验证连续大流量引水状况下2种湿地脱氮效能的持续有效性；(2)分别探讨黄河汛期(7—10月)和非汛期(11月—翌年6月)湿地脱氮效能的季节性特征和影响因素，以期为类似湿地的研究提供理论数据，并创建一个可广泛适用于不同农业、水文和季节性条件的模型。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

研究区域位于黄河下游鹊山水库沉沙条渠，总面积约为187 hm2，进水为黄河水，设计流量为5 ～15 m3·S-1，水力停留时间为2～3 d。该区域气候干旱，年均降水量约673 mm[20-21]。2011年中国城市规划设计院在该区域建设了1个人工强化湿地和2个生态促进湿地(图1)。2012年黄河水通过1号泵站分别引入到2种湿地中，净化后通过暗渠引入鹊山水库，总日均引水量约4×105m3。

图1 湿地位置示意

1.2 湿地的设计和建设

1.2.1人工强化湿地

人工强化湿地是在自然湿地基础上，进一步利用现有河道和和低洼地进行改造，并拓植新的水生植物，强化湿地功能。由防渗黏土构成堤坝，与生态促进湿地分开，湿地类型主要为表面流湿地和深水塘湿地，具体设计和建设见表1和图2，湿地前段设置沉沙池，容积为2×104m3，基质为黄河水沉积土壤。在经过植物群落调查和实地高程勘测后，重新划分不同分区，筛选出15种具有水质净化优势的本地水生植物，通过深度翻耕等方式分区交替种植各种植物，保证适宜的种植密度，营造其生长境域，通过散布石笼消能使支流均匀引入各个分区，出水口修建拦水坝控制水位(0.5～2.0 m)，增加水力停留时间(表2)。

表1 人工强化湿地和生态促进湿地的对比

图2 人工强化湿地设计

1.2.2生态促进湿地

生态促进湿地基本保持黄河下游自然湿地形态，在建设前长满芦苇(Phragmitesaustralis)和香蒲(Typhaorientalis)，通过清淤和拓荒改善植物生长境域，促进4种原生目标植物生长(图2)。其植物种群密度(表1)和多样性较人工强化湿地差。

1.3 采样频率和分析方法

2019—2020年每月在2种湿地的进水口和出水口采样2～4次，汛期共采样22次，非汛期共采样52次。湿地流量通过1号泵站(图2)进出水口流量计进行测量。硝酸盐浓度采用HJ/T 84—2016《水质 无机阴离子的测定 离子色谱法》测定[22]。

1.4 水动力学模型建立

一级水动力学模型多应用于人工湿地污染物的去除效率计算[23-29]，对比百分比去除率计算方法，它增加了水力负荷(HLR，RHL)的计算，可以更加合理准确地描述湿地污染物的去除效率。

Cout/Cin=exp(-k/RHL)，

(1)

RHL=Q/A。

(2)

式(1)～(2)中，Cin和Cout分别为进水和出水的硝酸盐浓度，mg·L-1；k为硝酸盐去除速率常数，m·d-1，是湿地污染物去除速率的量化表示方式，以处理负荷与处理效率的直接关系来表示；RHL为水力负荷，m3·m-2·d-1；Q为流量，m3·d-1；A为湿地面积，m2。

1.5 统计分析

采用Excel 2016和SPSS 23.0软件进行数据整理和方差分析，通过皮尔逊线性相关系数建立k和水质参数的关系，采用ArcGIS 10.5和Origin 2019b软件作图。

2 结果与分析

2.1 湿地硝酸盐趋势与季节性

监测数据(图3)显示，汛期湿地进水平均ρ(NO3-)为(2.52±0.66)mg·L-1，生态促进湿地出水中ρ(NO3-)〔(1.93±0.70) mg·L-1〕显著高于人工强化湿地〔(1.63±0.61) mg·L-1，P<0.01〕。非汛期湿地进水平均ρ(NO3-)为(3.86±0.61) mg·L-1，生态促进湿地出水平均ρ(NO3-)〔(3.63±0.57) mg·L-1〕显著高于人工强化湿地〔(3.27±0.48 ) mg·L-1，P<0.01〕(表2)。

图3 汛期和非汛期2种湿地硝酸盐浓度变化

表2 2种湿地在不同时期的主要指标统计均值

汛期人工强化湿地和生态促进湿地的HLR分别为1.30和1.25 m·d-1(P<0.05)，非汛期分别为1.10和0.95 m·d-1(P<0.05)。人工强化湿地和生态促进湿地的HRT仅在非汛期有显著差异(P<0.05)。汛期和非汛期T和ρ(DO)在2种湿地中均没有显著性差异。同一种湿地进水和出水ρ(NO3-)、T、ρ(DO)、HLR、HRT、种群密度、k值在汛期和非汛期之间均存在显著差异(P<0.05)。

2.2 动力学模型与相关系数

从全年估计湿地的硝酸盐去除速率常数(k)，人工强化湿地为(0.285±0.170) m·d-1，生态促进湿地为(0.144±0.143) m·d-1。表2表明，汛期人工强化湿地k为(0.468±0.152) m·d-1，生态促进湿地为(0.298±0.152) m·d-1。非汛期人工强化湿地k为(0.205±0.107) m·d-1，生态促进湿地为(0.078±0.079) m·d-1。

由Pearson相关矩阵(表3)显示，进水T与k之间呈显著正相关(P<0.05)，汛期k和进水ρ(DO)呈显著正相关关系(P<0.05)，非汛期进水ρ(DO)与k之间呈显著负相关关系(P<0.05)。进水ρ(DO)与T之间呈极显著负相关关系(P<0.01)。全年2种湿地进水ρ(NO3-)与k呈极显著负相关关系(P<0.01)。非汛期k与进水ρ(NO3-)呈显著正相关关系(P<0.05)。

3 讨论

3.1 湿地硝酸盐浓度对硝酸盐去除速率常数(k)的影响

汛期人工强化湿地k为(0.468±0.152) m·d-1，生态促进湿地为(0.298±0.152) m·d-1。非汛期人工强化湿地为(0.205±0.107) m·d-1，生态促进湿地为(0.078±0.079) m·d-1，与其他学者研究结果[30-31]相似。黄河流域的季节性和农业生产活动影响了进水NO3-浓度，导致进水NO3-浓度在汛期和非汛期差异显著。汛期黄河径流量增大，导致NO3-被稀释，浓度降低。非汛期黄河径流量减少，农业灌溉回流携带大量的氮肥从黄河上游进入黄河，导致下游NO3-浓度升高。

有研究表明，进水NO3-浓度与k呈正相关，当进水浓度过高时才会抑制湿地性能[32-33]。但笔者的监测数据显示，进水和出水NO3-浓度与k呈负相关性(表3、图4)，可能是因为监测点的黄河水进水NO3-浓度具有较明显的季节性，汛期NO3-浓度较非汛期低(图5)，而汛期k值较非汛期高，导致两者呈显著负相关。这个结果表明，季节性因素不仅影响了流域的NO3-浓度，也影响了湿地效能。

图4 汛期出水硝酸盐浓度(Cout)对硝酸盐去除速率常数(k)的影响

图5 硝酸盐浓度的季节变化趋势

表3 2种湿地硝酸盐去除率常数(k)与主要指标的Pearson相关关系

3.2 湿地形态对硝酸盐去除速率常数(k)的影响

k还与湿地形态特征有关，从全年估计，人工强化湿地的k为(0.285±0.170) m·d-1，生态促进湿地为(0.144±0.143) m·d-1。湿地对硝酸盐的去除主要通过植物吸收和微生物反硝化作用[34-35]，人工强化湿地有较高的植物种群密度和多样性，湿地中大型挺水植物和浮水植物枯萎可以释放大量有机碳，浮水植物可以为反硝化细菌提供表面附着，增加水流有效交换，另外人工强化湿地根据水深分区交替种植不同植物，这种混合种植的设计有利于提高NO3-的去除率(表2、图1～2)。同时可能与HRT有关，监测数据表明非汛期人工强化湿地HRT高于生态促进湿地(表2)，人工强化湿地的设计可以使水流分散，通畅地进入不同分区，增加了水力停留时间，使植物吸收和反硝化作用充分进行。

植物种群密度监测数据同样显示湿地形态对k的影响。植物种群密度与k有极显著正相关关系(P<0.01，表3)，汛期更高的温度增加了植物种群密度(表2)，植物吸收增加有助于N03-去除，植物种群密度高对去除污染物有积极的影响，在这种的情况下，需要改善非汛期的湿地效能。

3.3 湿地温度(T)和DO浓度对硝酸盐去除速率常数(k)的影响

有些学者提出脱氮与T和ρ(DO)之间具有显著相关性[36-38]。笔者的监测数据(表3)显示，k和ρ(DO)之间的相关性可能取决于季节。这个差异可能与ρ(DO)对微生物的反硝化作用影响有关。汛期ρ(DO)较非汛期低，且变化幅度小，植物种群密度较高，植物吸收对k的贡献高，汛期反硝化作用脱氮效能的占比可能比植物吸收低，体现在进水ρ(DO)与k呈正相关关系上(表3)。但在非汛期，植物对硝酸盐吸收较汛期弱，微生物对脱氮效能贡献占比升高，尤其是冬季冰封季节，湿地仍能保持一定脱氮效率，很可能与微生物反硝化作用有关。k和进水ρ(DO)(P<0.05)之间呈显著负相关关系(表3)，微生物的反硝化作用受ρ(DO)影响显著。在此期间，也显示进水T与k之间存在显著正相关关系(P<0.05，表3、图6)，同时进水ρ(DO)与T呈负相关。监测数据(表2)显示，非汛期温度较低，ρ(DO)较高，而汛期的强光照、高温和低ρ(DO)可以提高NO3-去除率。

图6 非汛期进水温度(T)对硝酸盐去除速率常数(k)影响

k和ρ(DO)的相关性在2个季节之间存在差异的另一种可能原因是：汛期湿地持续保持适宜植物的生长温度和有利于微生物反硝化作用的高温和低ρ(DO)，T和ρ(DO)变化幅度较小，与k相关关系较弱(表3)。非汛期的湿地水流量会大幅减少或保持干燥，T和ρ(DO)将是影响脱氮效能的关键因素。

4 结论

(1)人工强化湿地的脱氮效能在汛期和非汛期都高于生态促进湿地，这表明人工强化湿地分区交替混合种植的设计具有较高的物种丰富度和种群密度，可能更利于硝酸盐的去除。

(2)湿地脱氮效能具有较强的季节性，2种湿地在汛期硝酸盐去除速率常数均显著高于非汛期。季节性因素，如进水NO3-浓度、温度、DO浓度等，对这两种湿地都起着重要作用。在汛期，高温和低DO浓度可以提高NO3-去除率。在非汛期，温度是影响湿地脱氮效能的主导因素。

(3)黄河下游硝酸盐浓度具有较强的季节性，在非汛期湿地平均硝酸盐浓度较汛期显著升高。季节性因素不仅影响了流域的NO3-浓度，也影响了湿地效能。

(4)经过多年连续运行证明，在约4×105m3·d-1引水量下，人工强化湿地硝酸盐去除速率常数年均达到(0.285±0.170) m·d-1，生态促进湿地为(0.144±0.143) m·d-1，2种类型湿地都可以作为面源污染物的缓冲区。然而它们的短期效能还需要完善，并需将设计和恢复湿地与农业活动和经济建设等结合起来，以期改善黄河下游水质和实现其他目标。