人工濕地碳匯能力計算分析

摘要：為了探討人工濕地的碳匯能力，采用排放因子法，對山東省萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地的碳匯能力進行研究，計算了不同類型濕地的碳匯、碳排放能力，分析了不同類型的優(yōu)劣。研究表明，在人工濕地建設中通過增加淺沼澤及喬灌木沼澤濕地類型面積、喬灌草水生結合的多層次植物群落，不僅能提高濕地的碳匯量，還能充分利用立體空間增加人工濕地單位面積的綠量，為今后的人工濕地相關工程提供濕地碳匯能力參考。

關鍵詞：潛流人工濕地；近自然人工濕地；碳匯；植物

引言

濕地具有巨大的環(huán)境效益和生態(tài)功能，被譽為“自然之腎”及“物種基因庫”，通過微生物菌群、生物鏈、微生物群體之間相互耦合達到水質凈化作用。濕地在碳循環(huán)中扮演著重要的碳匯角色。根據不同的定義與估計，濕地面積僅占全球陸地表面的5%～8%，其碳儲量占世界碳儲存庫的20%～30%。人工濕地通過模擬自然濕地建設，人為的將尾水或低污染河水投配到由填料與水生植物、微生物構成的生態(tài)系統(tǒng)中，通過物理、化學和生物等協(xié)同作用，提高水質，是一種能耗極低、碳排放少、生態(tài)環(huán)境效益良好的污水處理系統(tǒng)，已廣泛應用于各類污水處理領域，具有良好的污水處理效果[1]。

本文通過對山東省萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地碳匯能力的研究，以及對潛流人工濕地及近自然人工濕地的碳匯能力進行評估分析，發(fā)現(xiàn)在今后的人工濕地設計及建設過程中可適當引入碳匯效益規(guī)劃。如，在采用潛流人工濕地+近自然人工濕地技術時，可在滿足污染物凈化效率、河道行洪需求的基礎上，加強對近自然人工濕地的修復與保護；通過增加淺沼澤及喬灌木沼澤濕地面積、運用喬灌草水生結合的復合多層次植物群落系統(tǒng)等，增強人工濕地的碳匯效益。

1研究區(qū)域概況

萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠位于山東省萊陽市城區(qū)東部，東祝家廟村以南，處理規(guī)模3萬m3/d，設計出水按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的一級A排放標準進行排放。從水環(huán)境質量安全角度分析，污水處理廠雖然滿足GB 18918-2002一級A的標準，但對于《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838-2002）而言，仍屬于劣V類水，仍會對流域水生態(tài)環(huán)境造成污染脅迫。從水生態(tài)角度分析，項目建設區(qū)域河道為季節(jié)性雨源型河流，河道水量豐枯懸殊；原建設范圍內植物覆蓋率低，水土流失較為嚴重，灘地生態(tài)基礎條件差，遠遠超出河道環(huán)境承載能力，導致建設區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，自凈能力下降；河道兩側河岸受河水沖刷侵蝕現(xiàn)象較為嚴重，河道邊坡落差較大，部分河段河道邊坡較陡，局部坡度接近90°；建設區(qū)域內河道生境單一，水生植物生長雜亂無章，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。

為有效改善流域水生態(tài)環(huán)境質量，萊陽市啟動建設了萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地項目，將該污水處理廠的尾水由一級A凈化達到地表水Ⅴ類水質標準，同時修復項目建設區(qū)域河道的受損生境和生態(tài)系統(tǒng)，恢復植被等生態(tài)系統(tǒng)多樣性，構建一條健康的河流。

2調查研究方法

本研究以萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地為研究對象，以濕地建設過程調查、現(xiàn)場測量統(tǒng)計、衛(wèi)片數據分析為調查研究手段，測算萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水濕地內的植物、土壤、水體等要素的碳匯能力。

2.1 調查成果

結合豎向高程和植被現(xiàn)況，依據水文、植物種植面積、土壤面積等基本指示特征和濕地演替過程，將尾水人工濕地分為潛流人工濕地和近自然人工濕地2類。

2.1.1潛流人工濕地

研究區(qū)域內潛流人工濕地面積為2萬m2。根據實地勘測統(tǒng)計，潛流人工濕地上植物主要為千屈菜、花菖蒲及黃花鳶尾，共計2萬m2。

2.1.2近自然人工濕地

研究區(qū)域內近自然人工濕地分為開闊水域（水深1m以上）、深沼澤（水深0.5～1m）、淺沼澤（水深0～0.5m）、喬灌木沼澤4種類型。根據實地勘測，近自然人工濕地植物品種較多，共有喬木9種，包括毛白楊、欒樹、國槐等；灌木4種，包括紫荊、華北紫丁香等；地被植物7種，包括馬藺、紫穗狼尾草、鳶尾、三七景天等；挺水植物7種，包括水生美人蕉、千屈菜、香蒲等；沉水植物3種，包括菹草、苦草等。

2.2 濕地碳匯計算方法

2.2.1" 碳匯計算方法

2.2.1.1潛流人工濕地碳匯計算

根據文獻資料潛流人工濕地碳收支按式（1）、式（2）進行估算[2]，植物混合種植潛流人工濕地植物年固碳量為0.55kgC/m²，土壤固碳量為1.05kgC/m2。

ΔC=C_input-C_output （１）

式中 ΔC——碳含量變化；C_input——物質輸入的量；C_output——物質輸出的量。

ΔC=ΔC_plant+ΔC_soil+ΔC_wastewater-C_GHG（CH4） （２）

式中 ΔC_plant——單位面積植被有機碳含量，gC/（yr/m²）； ΔC_soil——單位面積土壤有機碳含量，gC/（yr/m²）； ΔCwastewater——單位面積水體碳含量，gC/（yr/m²）； C_GHG（CH4）——單位面積CH4排放通量，gC/（yr/m²）。

2.2.1.2近自然人工濕地碳匯計算

在不同分區(qū)的樣方內，按式（3）分別計算樣方內植被W、土壤、水體等因素的碳匯能力。

W_灌草 =M_灌草 ×A_灌草" （３）

式中 W灌草——不同灌木、地被及水生植物的平均碳匯量，kg/a；M灌草——不同灌木、地被及水生植物的年均單位面積碳匯速率，kg/（m2·a）；A灌草——樣方內不同植物的種植面積，m²。

單株喬木的年固碳量數據參考王華祥[3]關于不同類型喬木的碳儲量的研究成果；灌木的單位面積固碳量數據參考于寧等[4]關于灌木樹種生態(tài)效益評價的研究成果，地被的單位面積固碳量數據參考張青云等[5]關于華北地區(qū)城市綠地固碳能力的研究成果；水生植被的單位面積固碳量數據參考潘寶寶[6]關于水生植物群落碳儲量的研究成果，確定植物的年固碳量。

根據葉辰等[7]關于北京翠湖國家城市濕地公園碳匯的研究成果 ，整理得到近自然人工濕地中淺沼澤、喬灌木沼澤的土壤年固碳量分別為2.01kgC/m²、2.59kgC/m²；開闊水域及深沼澤中水體、底泥及沉積物的年固碳量分別為0.6kgC/m²、0.38kgC/m²。

2.2.2" 碳排放量計算方法

2.2.2.1潛流人工濕地碳排放量計算

潛流人工濕地內碳排放主體為植物、土壤呼吸作用釋放的CO2及植物根莖和微生物厭氧活動釋放的CH₄。依據呼斯樂[2]關于水平潛流人工濕地溫室氣體排放影響因素及碳收支的研究成果，確定潛流人工濕地年均碳排放量為7.74kg/（m²·a）。

2.2.2.2近自然人工濕地碳排放量計算

近自然人工濕地內碳排放主體為濕地水生植物、陸生植物、濕地土壤及微生物。依據葉辰等[7]關于北京翠湖國家城市濕地公園碳匯的研究成果，確定喬灌木沼澤、淺沼澤、深沼澤、開闊水域的單位面積碳排放速率分別為1.06kgC/m²、

3.49kgC/m²、3.09kgC/m²、2.16kgC/m²。

3研究區(qū)碳匯估算

3.1" 潛流人工濕地碳匯估算

萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地中潛流人工濕地面積為2萬m²。根據各要素的年固碳量計算得到濕地的碳匯能力，如表1所示。

3.2" 近自然人工濕地碳匯估算

萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地中近自然人工濕地面積為9.9萬m²，碳匯主體為濕地水生植物、濕地陸生植物及濕地土壤等，根據文獻資料確定不同植物的碳匯能力，并根據各因素的年固碳量計算得出濕地的碳匯能力，如表1所示。

4研究區(qū)碳匯能力評價與分析

4.1" 濕地碳匯能力評價與分析

經各分區(qū)計算，萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地具有58.4t的年凈碳匯量，單位面積凈碳匯速率能夠達到0.5kg/（m2·a），具有較好的碳匯效果。但各分區(qū)單位面積固碳速率、碳排放速率與年凈碳匯速率仍存在一定的差異。根據表2得出，①近自然人工濕地各分區(qū)碳匯效益優(yōu)于潛流人工濕地；②近自然人工濕地中各分區(qū)年凈碳匯量排序為喬灌木沼澤＞淺沼澤＞深沼澤＞開闊水域；凈碳匯速率排序為喬灌木沼澤＞淺沼澤＞開闊水域＞深沼澤。其中，喬灌木沼澤碳匯效益最高，主要原因為喬灌木沼澤中選用的植物品種最為豐富、植被覆蓋率較高、生物量較為豐富，其碳匯效益最好。開闊水域及深沼澤呈現(xiàn)為碳源，主要原因是開闊水域及深沼澤主要為河流濕地，受其光照強度及水深影響，可選用的植物品種較少，植被覆蓋率較低，其碳匯效益較差。

4.2濕地植物碳匯能力評價與分析

濕地碳匯能力與植物品種有關，不同植物種類對污染物截污及濕地碳匯能力的影響也有所區(qū)別。根據不同植物的年固碳量的計算，落葉喬木固碳量最高，高大的落葉闊葉喬木，如毛白楊、欒樹、國槐等，年固碳量可達93.34kg/株，山杏、碧桃、紫葉李等落葉小喬木年固碳量為43.68kg/株，常綠針葉喬木云杉年固碳量較低，僅為9.29kg/株；灌木中，植株較為高大的紫荊、華北紫丁香年固碳量≥30kg/m²，珍珠梅、棣棠等次之，年固碳量范圍在2～14kg/m²；地被植物年固碳量明顯較少為0～3kg/m2，不同植物品種之間具有明顯差異，馬藺、紫穗狼尾草年固碳量＞3kg/m²，鳶尾、三七景天年固碳量為0.51kg/m²、0.17kg/m²；水生植物中，水生美人蕉具有明顯的固碳優(yōu)勢，年固碳量13.15kg/m²，遠高于其他水生植物，千屈菜和香蒲次之年固碳量在3～5kg/m²的范圍，水生植物中黃花鳶尾、花菖蒲及沉水植物菹草、苦草年固碳量僅為0～0.5kg/m²。

在萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地項目中，濕地類型不同，植物群落層次不同，固碳量存在明顯差異，喬灌木沼澤年固碳量排序為淺沼澤＞開闊水域＞深沼澤。可以看出，隨著植物層次及數量的增多，固碳率有明顯的增加，喬木+灌木+地被+水生植物的喬灌木沼澤多層種植層次固碳量最高，只有沉水植物的深沼澤單一種植層次的固碳量最低。因此，在濕地建設中，可多運用喬灌草水生結合的復合多層次的植物群落提高濕地的碳匯量。

結論

以萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地為研究對象，探求其生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳匯價值，初步估算其各分區(qū)的固碳量及碳排量，并針對其各分區(qū)年凈碳匯量，進行濕地各分區(qū)的碳匯績效評價。①近自然人工濕地中以喬灌木、地被植物為主的喬灌木沼澤碳匯效益最高，單位面積凈碳匯速率約為4.163kg/（m2·a）。②近自然人工濕地中的開闊水域及深沼澤呈現(xiàn)為碳源，濕地CO2及CH4的排放量大于植物及土壤的固碳量。③潛流人工濕地呈現(xiàn)為碳源，濕地CO2及CH4的排放量大于植物及土壤的固碳量。④在人工濕地建設中，可通過運用喬灌草水生結合的復合多層次的植物群落提高濕地的碳匯量，以及充分利用立體空間，增加濕地單位面積的綠量。

參考文獻

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作者簡介

李文達（1971—），男，漢族，山東煙臺人，高級工程師，大學本科，主要研究方向為環(huán)境工程。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-26