人工湿地生态根孔技术及其应用

人工湿地亚表层介质的堵塞问题一直是湿地系统持续有效运行的障碍,极大地限制了人工湿地技术的大规模工程应用.通过白洋淀自然湿地现场研究,发现由大型水生植物所形成的根孔异常发达,径级不等的死活根孔混合在一起,组成了庞大的湿地根孔网络.人工湿地生态根孔技术通过模拟白洋淀湿地自然的芦苇根孔系统,以人为填埋的植物秸秆作为湿地的填料/介质,有效地改变了土壤亚表层大孔隙结构,为人工湿地建设和应用开辟了一条新途径.通过构筑根孔和自然根孔之间的过渡和湿地根孔的不断更新,实现湿地填料/介质的自我更新,克服了一般潜流人工湿地其填料/介质易发生堵塞的缺点.构筑根孔有效填补了人工湿地运行初期大量自然根孔尚未形成的空白期.该技术在小试湿地中获得了成功应用.以玉米秸秆和地肤秸秆作为小试模拟湿地的填埋介质,其填埋量体积比为2%～4%.与未填埋秸秆的基质土壤处理单元相比,填埋秸秆处理单元其导水效率和营养盐去除能力都得到了有效提高.研究结果表明:填埋秸秆腐烂后形成的构筑根孔其水分侧向入渗率是基质土壤的20倍左右.在中、低营养盐负荷情况下,填埋秸秆处理单元对溶解性总氮(DTN)去除率平均提高4.5%～27.1%;对溶解性总磷(DTP)去除率平均提高7.0%～20.4%.     

构筑根孔湿地中金属元素的来源、分布及其累积效应

石臼漾湿地是我国最大的饮用水源处理湿地,成为微污染水源水质改善的典范案例,已运行超过4年,主要运用人工湿地生态根孔技术、多级塘/植物床-沟壕系统协同净化技术来净化微污染水源.为了探明多级塘/植物床-沟壕系统对源水中常规金属K、Na、Ca、Mg、Al、Fe与重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb的累积效应,研究了嘉兴石臼漾湿地岸边带与植物床-沟壕系统中沉积物/土壤的金属分布与累积量.结果表明,沉积物中的金属(Mg除外)均发生了富集和累积(富集系数EF∈(1.5,10.5)1.5).湿地内重金属潜在生态风险指数(RI∈(24.7,128.9)150)基本处于轻微风险水平,其最高值出现在湿地前端约1/8处的预处理塘(RI=174.94150).总体而言,重金属风险指数随水力流程而逐步降低.在湿地前端的预处理河道、预处理塘内,重金属沉积通量(23.97~157.72 mg·m-2·d-1)较高,而植物床-沟壕系统的沉积通量((38.80±16.17)mg·m-2·d-1)相对较低.占湿地面积11.35%的预处理河道、预处理塘中沉积的重金属高达9941.65 kg,占全湿地沉积量的37.90%,是重金属沉积的关键区域.而占湿地面积57.23%的植物床-沟壕系统中截留的重金属高达10601.89 kg,占全湿地沉积量的40.41%,是重金属去除的重点区域.湿地对重金属的主要持留机制是沉积作用,在湿地中单位平均沉积通量高达32.19 mg·m-2·d-1.据估算石臼漾湿地可沉积重金属6558.40 kg·a-1,植物吸收重金属约13.16 kg·a-1.本研究证明,多级塘/植物床-沟壕系统协同净化机制能够有效持留微污染水源中的金属特别是重金属,从而有效降低石臼漾湿地净化后源水的潜在生态风险.     

我国北方四类土壤中氨氧化古菌和氨氧化细菌的活性及对氨氧化的贡献

氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)是目前已知的两类好氧氨氧化微生物,广泛分布于各类生态系统中.采用双氰胺(dicyandiamide;DCD)和1-辛炔(1-octyne)抑制剂的方法对我国北方湿地、草原、农田、沙漠4类生态系统的土壤中AOA和AOB的氨氧化速率(ammonia oxidation rate,AR)分别进行定量测定,剖析AOA、AOB对不同土壤中氨氧化的贡献.结果表明:在氨氮含量较高的湿地土壤((32.58±1.38)mg·kg~(-1))中氨氧化速率由AOB主导(ARAOB占AR的86.19%),而在氨氮含量较低的草原土壤((10.40±0.69)mg·kg~(-1))、农田土壤((5.09±0.25)mg·kg~(-1))中氨氧化速率则由AOA主导(ARAOA分别占AR的65.50%、62.20%).氨氮含量是影响AOA、AOB相对活性的主要限制性因素.湿地土壤中氨氧化速率最高,为3.22 mg·kg~(-1)·d~(-1)(以N计),其次是草原土壤和农田土壤,其AR分别为1.11、1.00 mg·kg~(-1)·d~(-1),沙漠土壤中未检测到氨氧化速率.对氨氧化古菌、细菌的amoA基因进行定量分析的结果表明:在氨氮含量最高的湿地土壤和最低的沙漠土壤((1.27±0.05)mg·kg~(-1))中AOA丰度高于AOB丰度,在草原、农田土壤中AOB丰度高于AOA丰度.amoA基因生物多样性分析表明,377个古菌amoA序列以85%相似度可以划分为19个独立操作单元(operational taxonomic unit,OTU),具有较高的生物多样性,其Shannon指数为1.51~1.73.直接通过氨氧化微生物amoA基因丰度来推测AOA、AOB的活性具有一定的缺陷,而依靠AOA、AOB分别的氨氧化速率能够准确地衡量其在不同生态系统中对氨氮去除的相对贡献,对于理解不同生态系统中氨氮去除过程和效应有着重要的意义.     

岸边带湿地对富营养化河流的净化作用研究

对北运河上游污染严重流域实地调查发现,水中TN、TP和NH4+-N的最大超标倍数分别为12、10和7,以NH4+-N污染为主要特征.对北运河流域沙河水库附近一处典型岸边带湿地进行深入研究发现,天然河流岸边带湿地系统对河水中NH4+-N、TN和TP浓度有明显的削减作用,分别由河水中的27.0、29.0、1.82mg·L-1降至湿地中的2.50、6.54、0.12mg·L-1.由于微生物驱动的硝化-反硝化脱氮作用以及岸边带植物对营养元素的吸收作用,植被型岸边带沉积物中NH4+-N、TN和OM含量(分别为23.0mg·kg-1,0.66g·kg-1和9.13g·kg-1)分别为裸露型岸边带沉积物的0.20,0.48,0.67倍.植被型岸边带沉积物各层C/N比(平均为8.68)是裸露型岸边带沉积物各层C/N比(5.53)的1.6倍,为反硝化作用的发生提供了相对充足的碳源.与裸露型岸边带相比,植被型岸边带更利于营养元素的去除.作为工程实例,模拟天然河流岸边带湿地的罗马湖旁路/离线人工湿地系统对水体营养元素有显著的去除作用.     

巢湖完全氨氧化细菌的丰度、群落结构及其影响因素研究

完全氨氧化过程（complete ammonia oxidation, comammox）的发现使研究者们对硝化作用和氮循环都有了新的认识.本研究选取巢湖冬夏季表层（0~10 cm）沉积物样品,运用高通量测序、实时定量PCR等分子生物学技术对comammox细菌的丰度和群落结构进行研究.结果表明：基于amoA基因的comammox细菌的丰度为（5.20±0.72）×10⁶~（4.06±1.23）×10⁷ copies·g^-1;氨氧化古菌的丰度为（5.39±1.01）×10⁵~（1.60±0.18）×10⁷ copies·g^-1;氨氧化细菌的丰度为（6.16±1.57）×10⁵~（4.30±0.19）×10⁶ copies·g^-1.comammox细菌的绝对丰度显著高于氨氧化古菌和氨氧化细菌.多样性分析表明冬季巢湖表层沉积物中的comammox细菌的物种多样性大于夏季.其中Candidatus Nitrospira nitrificans、Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira inopinata的相对丰度最高占比分别为78.72%、49.80%和6.28%,且夏季样点中Candidatus Nitrospira inopinata的相对丰度显著高于冬季样点.主坐标分析（Principle Coordinate Analysis, PcoA）结果表明,comammox细菌的群落结构具有明显的时间异质性.理化因子中,NH₄⁺和NO₃^-与comammox细菌的丰度呈负相关关系.本研究在一定程度上揭示了comammox细菌的丰度、群落组成、多样性及其与理化因子的关系.     

人工湿地植物床-沟壕系统水质净化效果

嘉兴市石臼漾湿地以仿拟自然界的植物床-沟壕系统为主要结构单元,以人工湿地生态根孔技术为核心净化技术,将河网源水主要水质指标提高了一个类别.为探索该系统以及根孔净化技术的优化途径,于2010年5～10月在湿地内构建了16个并联的植物床-沟壕单元,以正交设计手段研究根孔构筑方式、植物组合和强化介质3种因素对人工湿地植物床-沟壕系统水质净化效果的影响.综合考虑水质净化效果、工程施工难易程度、建设及运行维护成本等情况,推荐人工湿地植物床-沟壕系统的优化途径为:根孔构筑方式采用上、下两层秸秆填埋方式,植物组合优选芦苇+菰,在植物床局部采用适量方解石作为强化介质.比较了中试强化区和大工程区的水质净化效率,结果显示:强化后的植物床-沟壕系统具有进一步提升湿地水质净化效果的潜能,对总氮、总磷、氨氮等水质指标去除率提高幅度约为20%～40%.因此在保证湿地处理水量的前提下,控制大渠过水量、增加植物床-沟壕系统内根孔区的过流量可以发挥该系统更好的水质净化效果.     

流域土壤基质与非点源磷污染物作用的3种模式及其环境意义

以华北地区典型农业流域为研究对象,针对流域不同空间分布和干扰程度下的土壤基质与污染径流中磷素的相互作用过程进行了模拟研究.研究发现,土壤基质与磷的作用过程呈3种模式,持留型、释放型及持留-释放转换型.持留型土壤基质对污染径流中磷酸盐具有较强的吸附作用,能有效持留径流中的磷素;释放型土壤基质则以解吸过程为主导,向径流中释放大量的磷素;持留-释放转换型土壤基质则呈动态性,当径流中磷酸盐含量较低时,解吸过程占优,以磷素释放为主,当径流中磷酸盐含量较高时,吸附过程占优,以磷素持留为主.结果表明,在自然环境及人类干扰的作用下,流域异质性景观下的土壤基质与非点源污染物的作用过程差异明显,其生态功能具有时空动态性.从非点源污染发生的角度来看,在空间上,土壤基质可成为污染物的汇或释放源;在时间上,同一区域存在源-汇功能的动态转化.因此,异质性景观中土壤基质与污染物作用过程动态机制的认识与判定,对于流域尺度上有效控制非点源污染十分关键.     

石臼漾湿地冬季有机质的可生化性

在冬季,石臼漾构筑根孔湿地对有机质的去除率不高.若设想这只是一个表观现象,实际上湿地在冬季能够有效地去除水体中难降解有机质,但释放部分易生化的有机物质.为了验证这一假设,研究了冬季石臼漾湿地岸边带和植物床-沟壕系统中有机质可生化性的空间分布.结果表明:湿地内部其有机质可生化性r(BOD₅/COD_Cr)为0.26~0.84,80%数据高于可生化性下限值(0.30),远超过源水(0.0999).经过湿地净化,水体中有机质的性质发生了显著的变化.湿地内部其r(COD_Cr/TOC)比值(0.85~2.57,平均值1.90)远低于源水(5.41),大量的还原性有机物质及部分芳香族类化合物被湿地拦截和持留.这说明即使在冷季,石臼漾湿地仍对源水中的有机质具有较好的去除效果.以人工湿地生态根孔技术为核心的植物床-沟壕系统是整个湿地中水质净化特别是有机质去除的关键区域.     

城镇街尘污染与平原河网水体的源-汇效应研究

太湖流域是我国经济发展最为快速的区域之一,迅速的城市化进程使该地区面源污染问题日益突出.通过对嘉兴市新塍镇的地表街尘、地表径流、受纳河网水体和沉积物样品的分析,揭示了面源污染在平原河网景观格局中和水文条件下的发生及迁移规律.结果表明,街尘作为城镇各种污染物的载体和降雨径流污染的主要来源,其5种重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)的含量分别是122.5、152.6、90.2、172.1和319.0mg·kg-1,高于城镇土壤和农业土壤.在城镇地表径流过程中,污染物的形态主要为颗粒态.城镇地表径流使街尘发生运移并造成受纳水体的污染物浓度较降雨前有大幅提升,其中,重金属和TSS总浓度分别增加了43%～166%和270%～510%.平原河网的水文条件和景观空间格局特征使地表径流颗粒物在进入水体后发生原位沉积,城镇段河道表层沉积物重金属含量比其他河段高.在平原河网地区地表径流的运移过程中,城镇地表是面源污染物的"源",地表街尘是面源污染物的"载体",河道是面源污染物的"汇".     

以河网作为城市水源的污染问题和湿地净化

杭嘉湖某市地处长江三角洲,其饮用水水源来自河道水网.近年来由于上游经济发展迅速,环境保护相对滞后,水网水质下降严重.河道水网具有污染源多,水动力学条件复杂多变,控制困难等特点.为保障供水安全,该市在新塍塘的水厂进水口前建设了"生态型水质净化湿地系统".它的总面积为110hm2,由预处理区、根孔净化区、泵提升和曝气充氧区、深度净化区(湖系统)组成.监测结果表明,该湿地使原水水质显著提高,其中氨氮去除率达到32.5%.同时湿地系统还具有贮存大量原水缓冲水厂供应、提供清新空气、为很多物种提供栖息地等多种生态服务功能.