肖利 高燦紅 陳芬 陳炳國

摘要：非點源污染是導(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，被認為是治理非點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源污染物。運用于非點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。非點源污染的治理應(yīng)當同點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)建工程濕地時應(yīng)保護好自然濕地并慎用外來物種，此外濕地的后續(xù)管理也需要進一步加強。

關(guān)鍵詞：非點源污染；人工濕地；反硝化；富營養(yǎng)化

中圖分類號：S71855文獻標識碼：A文章編號：1004-3020（2014）03-0044-04

非點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)動因子。以太湖、滇池和巢湖為例，非點源污染對入湖總氮的貢獻率分別為59%、33%、63%，對入湖總磷的貢獻率分別達到30%、41%和73% [3 ]。水體富營養(yǎng)化會導(dǎo)致藍藻爆發(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重的生態(tài)環(huán)境問題。

非點源污染具有分布面廣、排放量大、隨機性強等特征，因此治理的難度非常大。廣泛分布的濕地被認為是治理非點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現(xiàn)對非點源污染物的截留和降解。國內(nèi)對污染物濕地去除技術(shù)的研究則始于上世紀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重干擾 [5-6 ]。

1濕地控制非點源污染的機理

濕地去除污染物、凈化水體的功能很早就被認識到，但對其作用機理的認識則要晚了很多 [7 ]。濕地的物理、化學(xué)環(huán)境嚴重影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物過程，而同時濕地中發(fā)生的生物過程也反饋作用于濕地的物化環(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)同進行非點源污染的凈化作用。

1.1氮素去除機理

氮素在污水中的存在形態(tài)包括有機氮和無機氮。濕地去除非點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）等多個屬 [8 ]。

反硝化作用是一個厭氧過程，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余個屬的細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磷素去除機理

濕地去除非點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現(xiàn)，其中土壤吸附是最主要的過程。濕地去除無機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氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，據(jù)估計每平方米的香蒲、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制促進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)，從而為硝化細菌進行硝化作用提供好氧環(huán)境。當污水流經(jīng)植物的根區(qū)時，進入了微氧環(huán)境并發(fā)生硝化作用。植被向根系供氧可以促進硝化作用和硝酸鹽的形成，從而間接地加強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性 [12 ]。根系分泌物中的酶類可以對有機污染物進行直接降解，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。

濕地植物的殘體通過微生物、無脊椎動物的分解作用可以影響濕地土壤的有機質(zhì)總量，同時植物殘體的分解過程會消耗土壤中一定量的溶解氧。植物殘體的分解在一定程度上會造成植物殘體溶出氮、磷營養(yǎng)，增加水體的營養(yǎng)負荷。但是植物殘體形成的有機質(zhì)的增加可以為土壤微生物的反硝化作用提供碳源，從而促進土壤微生物的反硝化作用。

2非點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、人工濕地等三個大類，各大類下又分別包含了12、20、10個小類。大部分的濕地類型都可以應(yīng)用于非點源污染的防治，其中運用最廣的是江河、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帶是水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)的交錯區(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)化進程。尹澄清等于1995年對河北省白洋淀水陸交錯帶的研究表明：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)、運河和氧化塘等多種濕地類型。稻田等人工濕地同時也是非點源污染的主要來源。姜翠玲等對農(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 ]。王沛芳等對太湖流域水塘濕地的非點源污染截留能力進行了研究，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)同進行污水的處理 [16 ]。根據(jù)濕地內(nèi)污水的流動狀態(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)十萬個淺灘濕地，在上世紀70年代，當?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年開始運行，進水包括降雨、地表徑流、地下水以及經(jīng)二級處理過的城市污水。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都得到了有效降低，而且隨著負荷率增加，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 ]。

針對污水引入濕地是否會對天然濕地造成不良影響這個問題，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間，水塘對非點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。該小流域總面積為692 km2，共計有150個水塘，面積達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)場實驗發(fā)現(xiàn)多水塘系統(tǒng)能夠截留來自周邊農(nóng)田、村莊的94%以上的氮磷污染負荷，同時具有降低徑流速度、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較嚴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)濟植物，通過對植物的不斷收割從而移出部分氮、磷等污染物，同時水生植物發(fā)達的根系為微生物、原生動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135 mg·L-1和0187 mg·L-1，凈化率分別達到89%和81%。

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（責(zé)任編輯：唐 嵐）