构筑根孔湿地中物质迁移转化规律及其梯度净化效应
文献类型：学位论文
| 作者 | 王宇 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 王为东 |
| 关键词 | 构筑根孔湿地 梯度效应 热区 迁移转化 酶活性 constructed root channel wetland gradient effect hotspots transfer and transformation enzyme activity |
| 其他题名 | Transfer and Transformation of Substances and Their Gradient Purification Effects in the Constructed Root Channel Wetland |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 中文摘要 | 嘉兴石臼漾湿地是以白洋淀芦苇湿地为原型而修建的大型仿自然人工湿地。其充分兼顾宏观的景观结构和微观的人工构筑根孔结构的异质性与复杂性，结合水工微结构调控而形成规模化的湿地处理系统。作为国内人工构建的大规模水源净化湿地工程，湿地已稳定运行近五年，基本上已形成了稳定的水力梯度、水质净化梯度和沉积物理化因子梯度。由于湿地中各区域的时空异质性，导致了各种污染物质的去除途径与效率不同，促使其存在一定的差异，形成了不同的物质梯度水平。本论文研究工作旨在阐明石臼漾湿地的岸边带系统与植物床-沟壕系统中氮磷营养物质的梯度水平变化以及土壤酶活性对这种营养梯度及其限制状况的正响应反馈机制；揭示各类污染物质（有机质、重金属、多环芳烃等）在湿地中的迁移转化规律和梯级净化效应过程；证实湿地植物床-沟壕系统是物质迁移转化的“热区”。主要研究结果如下： 1. 氮素在湿地岸边带区域与植物床-沟壕系统中存在梯级变化效应。湿地表层沉积物中全氮（TN）为814.76 mg∙kg-1，低于我国其他研究区域的平均水平。其中湿地沉积物中可转化态氮（EFN）约为324.67 mg∙kg-1，占TN 的39.85%，四种形态氮中强氧化剂可提取态氮（SOEF-N）为可转化形态氮（EFN）的主体，平均占EFN 的51.32%，其次是强碱可提取态氮（SAEF-N）、离子交换态氮（IEF-N）、弱酸可提取态氮（WAEF-N），分别占到EFN 的33.19%、13.75%、1.73%。湿地岸边带植物床-沟壕系统区域已形成基本的梯度净化效应机制，对氮素有着强烈的持留作用，特别是植物床-沟壕系统中存在“热区”效应，能够较好地累积与去除各种形态的氮。 2. 磷素在湿地岸边带区域形成明显的梯度水平，而在植物床-沟壕系统中存在磷持留与去除的“热区”。湿地中表层沉积物中全磷（TP）平均含量为1.18 g∙kg-1，随着水力流程的延伸，基本上呈现逐渐降低趋势。其中铁铝结合态（NaOH-Pi）、钙镁结合态（Ca-P）、残渣态（Res-P）是TP的优势主体，分别占其17.93%、21.79%、55.79%。湿地岸边带区域和植物床-沟壕系统都是磷素去除的关键区域，在表层沉积物中已形成梯级净化水平。易解析态（KCl-P）、NaOH-Pi、NaOH-Po、Res-P均与TP 显著正相关，都对TP 有一定的贡献作用；而NaOH-Pi、Ca-P 与有机质关系密切，说明这两种形态磷与有机质存在共沉降过程。无论是岸边带区域还是植物床-沟壕系统，上覆水体呈现明显的P 限制状态（N:P=29.3>16），而底层的沉积物中却表现出明显的N 限制状态（N:P=1.6<16）。 3. 土壤酶活性对湿地中的营养梯度作出正响应，其中有机氮成为酶活性的 主要限制因子。研究湿地表层沉积物中β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶活性分布及其与营养梯度和限制的关系，发现沉积物中土壤酶活性对于营养梯度及其限制做出了积极的正向响应。沉积物中土壤酶活性与理化因子的典型相关系数高达0.8919，酶活性呈现随营养梯度而降低的趋势。沉积物呈现N 的极端限制，占全氮逾90%的有机氮成为沉积物氮的主要来源。酶活性对有机氮做出了积极正向响应，有机氮对酶活性的综合解释率约为65%~70%。在湿地岸边带区域，前1/3区域是沉积物理化因子和土壤酶活性变化的活跃区域，而后1/3 区域则是湿地水质和土壤酶活性的相对稳定地带。在植物床-沟壕系统中，高、低位小沟与植物床的纵横交错景观结构，形成了梯度净化效应，存在酶促反应的“热区”。 4. 经过湿地净化后，有机质性质发生了变化，其可生化性的增强主要是在 植物床-沟壕系统完成的。在冬季，石臼漾构筑根孔湿地对有机质的去除率不高。我们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，但会释放部分易生化的有机物质。为了验证这一假设，我们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/CODCr)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）。经过湿地净化后，水体中有机质的性质发生了显著的变化。湿地内部其r(CODCr/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以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，石臼漾湿地仍能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。 5. 石臼漾湿地的多级塘/植物床-沟壕系统协同净化机制能够有效地持留微 污染水源水体中金属特别是重金属。湿地表层沉积物中的金属（除Mg 以外）均发生了不同程度的富集和累积（富集系数EF∈(1.5, 10.5)>1.5）。湿地内大部分区域重金属的综合潜在生态风险指数相对较低（RI∈(24.7, 128.9)<150），处于轻微风险水平。重金属潜在生态风险最高点出现在湿地前端约1/8 处的预处理塘（RI=174.94>150）。但总体上，在湿地随着水力流程的变化，风险呈现逐渐降低趋势。在湿地前1/3 区的前端部分，即预处理河道与预处理塘内，重金属总沉积通量表现出相对较高的量：23.97~157.72 mg·m-2·d-1，而植物床-沟壕系统的沉积通量为38.80±16.17 mg·m-2·d-1。湿地预处理河道与预处理塘约占湿地总面积的11.35%，而其中沉积的重金属总量高达9,941.65 kg，约占整个湿地沉积量的37.90%，是重金属沉积的关键区域。而以人工湿地生态根孔技术为核心的植物床-沟壕系统约占湿地面积的57.23%，对重金属的截留量高达10,601.89 kg，约占整个湿地沉积量的40.41%，是重金属去除的重点区域。湿地对重金属的持留机制以沉积作用为主，在湿地中单位平均沉积通量高达32.19 mg∙m-2∙d-1；同时湿地兼具有植物吸收重金属的作用。据估算，湿地共可沉积重金属6,558.40 kg∙a-1，而植物共可吸收重金属约13.16 kg∙a-1。 6. 湿地中的植物床-沟壕系统是湿地中多环芳烃截留与去除的“热区”。湿地中多环芳烃含量范围为24.7~15,216.5 ng∙g-1，平均值为671.0 ng∙g-1。其中以2-3环低分子量的多环芳烃为主，占到74.13%；相对地，4-6 环占到25.87%。新塍塘与北郊河是湿地中多环芳烃的主要输入源，源水中的多环芳烃多半来源于上游街尘与上游的沉积物。湿地在大部分区域不存在严重的生态风险，而只是在小范围部分区域出现超过效应区间低值，可能会造成一定的潜在生态危害。湿地对多环芳烃的沉积与持留存在“热区”，与岸边带区域相比，植物床-沟壕系统是湿地中截留与去除多环芳烃的关键区域。 基于上述研究，本论文从多级缩放尺度、水土两相、多种物质等角度探究了已运行近五年的石臼漾湿地中各种类型物质的迁移转化规律及其梯度净化效应。其中，沉积物中氮、磷等营养物质的各形态随着水力流程的变化形成了梯度变化趋势，而土壤酶活性对此梯度变化以及营养底物的限制状况作出了积极的正响应；（重）金属与痕量持久性有机污染物——多环芳烃则均表现出明显的累积效应，而异质复杂的植物床-沟壕系统是去除二者以及水体有机质的关键“热区”。 |
| 公开日期 | 2014-09-15 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7678]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王宇. 构筑根孔湿地中物质迁移转化规律及其梯度净化效应[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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