論濕地在非點(diǎn)源污染控制中的應(yīng)用

肖利 高燦紅 陳芬 陳炳國

摘要：非點(diǎn)源污染是導(dǎo)致中國水環(huán)境污染的主要因素之一。濕地是指位于陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡帶，被認(rèn)為是治理非點(diǎn)源污染最有效的方式之一。濕地主要通過微生物反硝化、土壤吸附、沉淀以及植物吸收等途徑來削減非點(diǎn)源污染物。運(yùn)用于非點(diǎn)源污染防治的濕地類型主要有工程濕地、湖濱帶、河岸帶濕地、氧化塘、生態(tài)溝渠等。非點(diǎn)源污染的治理應(yīng)當(dāng)同點(diǎn)源污染的治理緊密結(jié)合，高效發(fā)揮濕地的凈化功能和景觀效應(yīng)。在構(gòu)建工程濕地時(shí)應(yīng)保護(hù)好自然濕地并慎用外來物種，此外濕地的后續(xù)管理也需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：非點(diǎn)源污染；人工濕地；反硝化；富營養(yǎng)化

中圖分類號(hào)：S71855文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-3020（2014）03-0044-04

非點(diǎn)源污染是指地表污染物在降水沖刷作用下，通過徑流過程而進(jìn)入江河、湖泊、水庫等水體造成的污染 [1 ]。氮、磷是最主要的非點(diǎn)源污染物質(zhì)，其主要的來源包括農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)村生活污水、養(yǎng)殖業(yè)、水土流失、大氣干濕沉降等 [2 ]。非點(diǎn)源污染已成為中國湖泊、水庫等水域富營養(yǎng)化的主要驅(qū)動(dòng)因子。以太湖、滇池和巢湖為例，非點(diǎn)源污染對(duì)入湖總氮的貢獻(xiàn)率分別為59%、33%、63%，對(duì)入湖總磷的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到30%、41%和73% [3 ]。水體富營養(yǎng)化會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻爆發(fā)、水質(zhì)惡化、水域生物多樣性下降以及生態(tài)系統(tǒng)功能衰退等一系列非常嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。

非點(diǎn)源污染具有分布面廣、排放量大、隨機(jī)性強(qiáng)等特征，因此治理的難度非常大。廣泛分布的濕地被認(rèn)為是治理非點(diǎn)源污染最有效的措施之一 [4 ]。濕地通常是指位于陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)之間的、周期性淹水的過渡性地帶。濕地可以通過微生物反硝化、土壤吸附、過濾沉淀、植物吸收等多種途徑來實(shí)現(xiàn)對(duì)非點(diǎn)源污染物的截留和降解。國內(nèi)對(duì)污染物濕地去除技術(shù)的研究則始于上世紀(jì)80年代初。中國是世界上濕地類型最齊全、數(shù)量最多的國家之一，濕地總面積達(dá)到3 848萬hm2，位居亞洲第一位，世界第四位。但近百年來，由于人口激增、工業(yè)和農(nóng)業(yè)高速發(fā)展，濕地遭受了圍墾、過度養(yǎng)殖、水利工程建設(shè)以及污染排放等的嚴(yán)重干擾 [5-6 ]。

1濕地控制非點(diǎn)源污染的機(jī)理

濕地去除污染物、凈化水體的功能很早就被認(rèn)識(shí)到，但對(duì)其作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)則要晚了很多 [7 ]。濕地的物理、化學(xué)環(huán)境嚴(yán)重影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物過程，而同時(shí)濕地中發(fā)生的生物過程也反饋?zhàn)饔糜跐竦氐奈锘h(huán)境。土壤、植物和微生物是濕地的主要組成部分，三者能夠協(xié)同進(jìn)行非點(diǎn)源污染的凈化作用。

1.1氮素去除機(jī)理

氮素在污水中的存在形態(tài)包括有機(jī)氮和無機(jī)氮。濕地去除非點(diǎn)源污染中的氮素主要是通過土壤過濾沉淀、植物吸收、氨氮揮發(fā)、土壤微生物的硝化和反硝化作用等多種途徑來實(shí)現(xiàn)。其中微生物的硝化和反硝化作用是氮素去除的最主要途徑，通常占到總氮去除率的80%以上。硝化作用是指在好氧條件下，硝化細(xì)菌將NH4+經(jīng)NO-2氧化成NO-3的過程。參與硝化作用的微生物有氨氧化細(xì)菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）三大類，包括亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）等多個(gè)屬 [8 ]。

反硝化作用是一個(gè)厭氧過程，具體流程為：NO3-→ NO2-→ NO→ N2O→ N2，硝酸鹽最終被還原成N2，因此反硝化作用意味著硝酸鹽真正的從濕地中去除 [4 ]。該作用要求NO-3、NO-2、NO和N2O等4個(gè)還原酶連續(xù)反應(yīng)。NO-3還原酶由narG和napA等基因編碼，而NO-2還原酶由nirK和nirS基因編碼。NO還原酶和N2O還原酶則分別由norB和nosZ基因編碼 [9 ]。大約有20余個(gè)屬的細(xì)菌被證明具有反硝化作用能力，比如假單胞菌屬Pseudomonas、芽孢桿菌屬Bacillus、棒狀桿菌屬Corynebacterium、生絲微菌屬Hyphomicrobium [10 ]。

1.2磷素去除機(jī)理

濕地去除非點(diǎn)源污染中的磷主要是通過土壤吸附、植物吸收和微生物同化等過程來實(shí)現(xiàn)，其中土壤吸附是最主要的過程。濕地去除無機(jī)磷的能力主要和土壤理化性質(zhì)相關(guān)。在酸性和中性土壤中，磷吸附能力主要受鐵、鋁水合氧化物的控制，而在堿性濕地土壤中，磷吸附能力可能主要受鈣鹽的影響。磷酸鹽通過與鐵、鋁、鈣等金屬離子反應(yīng)而沉淀在濕地土壤中 [11 ]。

土壤磷吸附的過程可以用吸附方程來擬合，這些方程主要有Freundlich、Langmuir以及Temkin方程，其中最常用的是Langmuir方程。測定土壤磷吸附能力的常用方法有三種：批量平衡技術(shù)、磷吸附指數(shù)法以及活性鐵、鋁含量估算法，其中最常用的是批量平衡法。值得注意的是，濕地土壤中吸附的磷并不是永久性的去除，在一定條件下比如淹水，這些吸附的磷就會(huì)部分溶解并重新釋放到水體中，這就是磷素在土壤中的解吸附過程。

1.3濕地植被的作用

濕地植物能從污水中吸收一定量的無機(jī)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，據(jù)估計(jì)每平方米的香蒲、蘆葦、紙莎草可以每年從廢水中分別吸收1032，222，175 g的氮素。但也有不少研究表明，通過濕地植物吸收去除的氮磷營養(yǎng)物只占人工濕地總?cè)コ康?%左右。如果植物不被收割并移除濕地系統(tǒng)，部分植物吸收的氮磷會(huì)隨著凋落物的分解而逐漸重新釋放到水體中去。盡管植物吸收的污染物只占總?cè)コ康妮^小一部分，但植物可以通過其它各種機(jī)制促進(jìn)其它途徑的去除作用。

植被的存在減緩了污水在濕地中的流速，從而有利于包含氮磷營養(yǎng)的懸浮物的沉降。植物將經(jīng)過光合作用產(chǎn)生的氧氣沿通氣組織輸送到根區(qū)，從而為硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用提供好氧環(huán)境。當(dāng)污水流經(jīng)植物的根區(qū)時(shí)，進(jìn)入了微氧環(huán)境并發(fā)生硝化作用。植被向根系供氧可以促進(jìn)硝化作用和硝酸鹽的形成，從而間接地加強(qiáng)了土壤中微生物的反硝化作用。

濕地植物可以向土壤層中釋放大量的根系分泌物，如酶、糖類、醇類和氨基酸等。根系分泌物可以通過改變土壤pH、氧化還原電位，或者通過螯合、還原作用來改變土壤污染物的溶解度和移動(dòng)性 [12 ]。根系分泌物中的酶類可以對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行直接降解，將近90%的土壤酶活性可能是通過濕地植物根系分泌物來提供的。

濕地植物的殘?bào)w通過微生物、無脊椎動(dòng)物的分解作用可以影響濕地土壤的有機(jī)質(zhì)總量，同時(shí)植物殘?bào)w的分解過程會(huì)消耗土壤中一定量的溶解氧。植物殘?bào)w的分解在一定程度上會(huì)造成植物殘?bào)w溶出氮、磷營養(yǎng)，增加水體的營養(yǎng)負(fù)荷。但是植物殘?bào)w形成的有機(jī)質(zhì)的增加可以為土壤微生物的反硝化作用提供碳源，從而促進(jìn)土壤微生物的反硝化作用。

2非點(diǎn)源污染防治的常用濕地類型

簽訂于1971年的拉姆薩爾濕地公約把濕地系統(tǒng)分為濱海濕地、內(nèi)陸濕地、人工濕地等三個(gè)大類，各大類下又分別包含了12、20、10個(gè)小類。大部分的濕地類型都可以應(yīng)用于非點(diǎn)源污染的防治，其中運(yùn)用最廣的是江河、湖泊、水庫和海洋等水體的濱水自然濕地以及工程濕地。

2.1自然濕地

人類利用自然濕地處理污水已經(jīng)有數(shù)百年的歷史。河流、水庫和湖泊的水位波動(dòng)帶是水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)區(qū)域，其寬度通常從幾米至幾千米不等，具有很高的生態(tài)功能和景觀價(jià)值。但在過去的幾十年里，由于防洪堤壩和水閘的建設(shè)、水位人工操控、水電工程和圍墾造田等人類干擾，自然濕地遭受到了嚴(yán)重的破壞，結(jié)果導(dǎo)致了濕地生態(tài)功能的急劇衰退甚至喪失，并在一定程度上加劇了水體的富營養(yǎng)化進(jìn)程。尹澄清等于1995年對(duì)河北省白洋淀水陸交錯(cuò)帶的研究表明：蘆葦濕地能夠截留地表徑流64%的總氮和92%的總磷 [13 ]。

2.2人工濕地

在拉姆薩爾濕地公約中，廣義的人工濕地包括水塘、稻田、灌渠、水溝、水庫蓄水區(qū)、運(yùn)河和氧化塘等多種濕地類型。稻田等人工濕地同時(shí)也是非點(diǎn)源污染的主要來源。姜翠玲等對(duì)農(nóng)田附近的溝渠濕地的研究表明：溝渠濕地可通過底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解等多種途徑凈化農(nóng)田排水匯集的非點(diǎn)源污染物，通過定期收割溝渠中的蘆葦和菰可以減輕水體的富營養(yǎng)化程度 [14 ]。王沛芳等對(duì)太湖流域水塘濕地的非點(diǎn)源污染截留能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明水塘濕地系統(tǒng)能夠顯著降低地表水體的氮素負(fù)荷 [15 ]。

2.3工程濕地

工程濕地是指基于污染物降解功能而建造的工程化的濕地系統(tǒng)，其營建的目的是利用濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)、生物的過程協(xié)同進(jìn)行污水的處理 [16 ]。根據(jù)濕地內(nèi)污水的流動(dòng)狀態(tài)，工程濕地又劃分為表面流濕地和潛流濕地。表面流人工濕地在生態(tài)構(gòu)造和外觀上都類似于天然濕地，但去除污染的效果要優(yōu)于自然濕地。潛流濕地的人工布水系統(tǒng)位于濕地的表面，使水流在濕地表面以下運(yùn)行，根據(jù)水流的方向，又可以把潛流濕地分為水平潛流和垂直潛流濕地兩類。

3應(yīng)用案例

3.1自然濕地在美國北卡羅來納海灣的應(yīng)用

歐美國家早在上世紀(jì)初就開始利用自然濕地來凈化污水。美國北卡羅來納海灣有數(shù)十萬個(gè)淺灘濕地，在上世紀(jì)70年代，當(dāng)?shù)卣疀Q定采用部分海岸濕地來處理污水，共分為A、B、C、D四塊濕地。其中濕地D從1987年開始運(yùn)行，進(jìn)水包括降雨、地表徑流、地下水以及經(jīng)二級(jí)處理過的城市污水。從出水水質(zhì)來看，經(jīng)過濕地處理后，幾乎所有的污染物指標(biāo)都得到了有效降低，而且隨著負(fù)荷率增加，出水中的主要污染物濃度均不增加，這說明了天然的海岸濕地有較大的污染容量和去除能力 [7 ]。

針對(duì)污水引入濕地是否會(huì)對(duì)天然濕地造成不良影響這個(gè)問題，研究者同步監(jiān)測了植物種類和植被蓋度、植物凋落物的分解數(shù)率以及鳥類的數(shù)量。研究的結(jié)果表明，經(jīng)過5年污水處理后，濕地中的植物密度有所增加，但在污水連續(xù)淹沒的局部區(qū)域，植物的生長速率下降，密度也有所減小。同時(shí)污水的存在加速了植物凋落物的分解速度，棲息鳥類也有所增加。

3.2人工濕地（多水塘系統(tǒng)）在湖泊流域的應(yīng)用

多水塘系統(tǒng)是用于農(nóng)業(yè)灌溉的古代發(fā)明，按是否長期有水可分為濕塘、干塘，按位置又可分為田塘、村塘和山塘。在我國南方農(nóng)業(yè)區(qū)域，很早以前就存在著許多水塘用來蓄積雨水澆灌農(nóng)田。這些天然或人工水塘不斷地與河流進(jìn)行水、養(yǎng)分的交換，使流速降低，懸浮物得到沉降，增加水流與生物膜的接觸時(shí)間，水塘對(duì)非點(diǎn)源污染物的滯留和凈化能力很大。

尹澄清等選擇巢湖北岸的六叉河小流域作為研究地點(diǎn)。該小流域總面積為692 km2，共計(jì)有150個(gè)水塘，面積達(dá)036 km2，占全流域總面積的4.9%，水塘平均面積為2 400 m2，平均水深15 m。經(jīng)過6年的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多水塘系統(tǒng)能夠截留來自周邊農(nóng)田、村莊的94%以上的氮磷污染負(fù)荷，同時(shí)具有降低徑流速度、貯存暴雨徑流、減少水體懸浮物等功能 [17 ]。

3.3工程濕地在高原湖泊治理中的應(yīng)用

中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的科研人員在云南省撫仙湖北岸污染相對(duì)較嚴(yán)重的窯泥溝入湖口處建設(shè)了面積為17 hm2的窯泥溝工程濕地系統(tǒng)（包括生物氧化塘、水平潛流和表面流濕地）。工程濕地首先通過攔污網(wǎng)、沉淀池等物理設(shè)施除去所有的生活固體垃圾和上游農(nóng)業(yè)廢棄物，以及一半左右的泥沙懸浮物。然后在生物氧化塘中無土栽培高密度的水芹菜、水蕹菜、菱等水生經(jīng)濟(jì)植物，通過對(duì)植物的不斷收割從而移出部分氮、磷等污染物，同時(shí)水生植物發(fā)達(dá)的根系為微生物、原生動(dòng)物等提供了良好的微生境，根系微生物的大量繁殖也為污染物的高效降解、遷移和轉(zhuǎn)化提供了保證。為更有效地降解和滯留污水中的氮、磷營養(yǎng)物，該工程還建設(shè)了1 000 m2左右的水平潛流蘆葦濕地和香蒲濕地，以及4 000 m2的種植了水芹菜、水蕹菜、慈姑等植物的表面流濕地。污水經(jīng)過多級(jí)生態(tài)功能區(qū)的凈化降解，濕地出水的氮、磷濃度最低可達(dá)135 mg·L-1和0187 mg·L-1，凈化率分別達(dá)到89%和81%。

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（責(zé)任編輯：唐 嵐）