摘 要：人工濕地以生態(tài)、低耗、經濟、穩(wěn)定等優(yōu)點，被廣泛應用于污水處理和生態(tài)修復等領域。人工濕地在去除污染物的同時，也伴隨著CO2、CH4和N2O等溫室氣體的產生和釋放，可能導致其生態(tài)環(huán)境效益降低。介紹了不同類型人工濕地溫室氣體的排放特征及其機制，總結了植物、基質、構型、進水負荷、運行方式和季節(jié)等對溫室氣體排放通量的影響，最后提出了人工濕地溫室氣體減排措施及未來研究方向。

關鍵詞：人工濕地；溫室氣體；影響因素；減排措施

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：A

doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2024.0404

0 引 言

人工濕地是模擬天然濕地的結構和功能，人為設計、建造的污水處理工藝，通過基質、植物和微生物的協(xié)同作用降解污水中的有機物和氮、磷等物質[1]，與傳統(tǒng)水處理方式相比，具有投運費用少、穩(wěn)定低耗、易管理、景觀效果好等優(yōu)點。人工濕地在我國污水處理和水生態(tài)修復領域應用廣泛，截至2020年底，全國人工濕地數量已達到1 171個[2]。在人工濕地處理污染物的過程中，會有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）等溫室氣體的產生、釋放。CO2是大氣中含量最高的溫室氣體，CH4和N2O盡管在大氣中含量較低，但增溫潛勢分別是CO2的25倍、296倍[3]，對溫室效應的貢獻不容忽視。研究表明，人工濕地的單位面積溫室氣體排放量是天然濕地的2～10倍[4]，盡管目前全球人工濕地面積顯著低于自然濕地面積，但人工濕地的建造面積增長迅速[2]，存在增加溫室氣體和碳排放的風險。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC） 指出，溫室氣體排放已成為全球氣候變暖的主要原因之一，全球氣候變暖是全人類共同面對的一道難題。為達成《巴黎協(xié)定》制定的控制全球氣溫目標，完成我國2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的“雙碳”目標，亟需對溫室氣體排放進行更嚴格的約束管理。在此背景下，有必要探究人工濕地運行過程中溫室氣體排放的影響因素及其影響機制，并有針對性地提出人工濕地溫室氣體排放削減措施。本文對近年來人工濕地溫室氣體排放相關研究進行了總結，闡述了不同類型人工濕地溫室氣體排放特征、排放機制及其影響因素，并基于此提出了減排措施，以期從碳減排角度為未來人工濕地的設計、建造提供參考。

1 人工濕地溫室氣體釋放機制

1.1 CO2

人工濕地中CO2是生物代謝和生化反應的產物，主要來源于植物的呼吸作用和微生物的氧化分解，植物和微生物氧化分解污水和基質中的有機質，通過植物直接排放，由水體和基質逃逸等途徑釋放進入大氣中[5]。研究認為，人工濕地釋放的CO2是有機物的自然歸宿，不應被計入溫室氣體排放目錄[6-7]。因此，促進人工濕地中CH4向CO2轉化的氧化反應效率，能夠有效地減弱人工濕地的溫室效應。

1.2 CH4

CH4是人工濕地中排放的另一種溫室氣體，有機物向CH4轉化的比例是決定碳基溫室氣體最終排放效應（即碳源還是碳匯）的重要指標[7-8]。人工濕地中CH4的排放需要經過3個基本過程——生成、氧化和運輸，其產生機理如圖1所示[9]。有機物向CH4的轉化與厭氧消化途徑相似[8]，復雜有機物經水解，厭氧發(fā)酵生成脂肪酸和醇類等簡單有機物，然后在產酸菌作用下產酸、產氫并生成CO2，最后在產甲烷菌的作用下利用乙酸或 CO2/H2生成CH4[10]。生成的CH4一部分被氧化菌氧化為CO2，另一部分經運輸排放進入大氣。CH4的氧化可分為好氧氧化和厭氧氧化兩種形式。好氧氧化發(fā)生在含氧環(huán)境中，CH4被甲烷好氧氧化菌氧化成CO2；厭氧氧化發(fā)生在反硝化過程中，被反硝化厭氧甲烷氧化古生菌和反硝化厭氧甲烷氧化細菌氧化為 CO2[11]。

1.3 N2O

人工濕地主要依靠微生物的硝化和反硝化作用去除含氮污染物，這兩個反應的過程中伴隨了N2O的產生。硝化和反硝化過程中產生N2O的機理[8]如圖2所示。在硝化過程中，反應中間產物羥胺（NH2OH）的氧化會產生 N2O，硝化菌對NO2--N的反硝化作用也會導致N2O的產生，NH2OH 及 NO2--N 濃度的增加會直接導致硝化過程中 N2O 的釋放[12]。而反硝化是將 NO3--N還原為 NO2--N，進而還原為NO、N2O 和N2，其對 N2O 排放總量的貢獻率占 60%以上[13]。反硝化細菌為兼性厭氧菌，當碳源供應不足時，反應無法充分進行，導致N2O作為中間產物被釋放。此外，亓鵬玉[14]研究表明，當N2O還原酶的活性受到抑制時（如好氧環(huán)境），生成N2的還原反應難以正常進行，NO3--N 和 NO2--N 無法正常還原為N2，導致大量N2O作為中間產物釋放進入大氣。

2 人工濕地溫室氣體排放特征及影響因素

人工濕地排放的溫室氣體主要包括CO2、CH4和N2O，受到不同結構和運行條件的影響，各種溫室氣體的排放通量也不相同，影響人工濕地溫室氣體排放通量的影響因素包括植物、基質、構型、進水負荷、運行方式和季節(jié)等。

2.1 植 物

植物對人工濕地溫室氣體排放的影響主要來源于不同植物的輸氧能力、根系的發(fā)達程度和自身呼吸作用。通氣組織不僅為植物輸氧，同時也是溫室氣體釋放的運輸組織。以CH4為例，植物的通氣組織為CH4的釋放提供了通道，使CH4避免被氧化而直接排放到大氣中[15]。植物的根系周圍存在大量微生物，好氧環(huán)境可以為微生物提供更多生存環(huán)境，增加根系周圍好氧微生物的數量[16]。Fau?er等[17]測量了人工濕地內南胡楊根莖的氧分壓，并表征了根相關的甲烷氧化細菌，發(fā)現根部表面存在密集的細菌，其中34%～37%是潛在的甲烷氧化菌。植物根部的分泌物為微生物的活動提供了碳源，促進了溫室氣體的排放[18]，但也有研究認為，分泌物提供的碳源使反硝化作用反應更加充分，減少了N2O的釋放[19]。植物種類的差異導致其結構、輸氧能力、根系發(fā)達程度和分泌物等均有所區(qū)別，對人工濕地溫室氣體排放的影響也不盡相同?，F有研究普遍認為，在人工濕地中種植大型水生植物有利于減少溫室氣體排放[18]，但也有研究發(fā)現，有無漂浮植物加入的表面流人工濕地的CH4排放通量沒有顯著差異[20]。De La Varga等[21]的研究也表明，種植植物的水平潛流人工濕地和未種植植物的水平潛流人工濕地的CH4排放通量無顯著差異。

綜上所述，現有研究關于植物對人工濕地溫室氣體排放的影響存在一定爭議，原因是植物的存在對溫室氣體的排放具有顯著的物種特異性，不同的植物種類對溫室氣體排放的影響不盡相同。因此，在構建人工濕地時選擇適當的植物物種可以有效降低溫室氣體的排放。

除此之外，植物的混合栽種、種植密度和生長周期等也會對溫室氣體排放產生影響。有學者對人工濕地中植物多樣性對溫室氣體排放的影響進行研究發(fā)現，植物的混合栽種比單一栽種具有更好的污水處理效果，溫室氣體的排放量也更低[22-24]。

2.2 基 質

基質是人工濕地的重要組成部分，是人工濕地的環(huán)境主體，常由礫石、沙子、土壤等構成。不同基質由于自身特性（如比表面積、孔隙率、導電性、物質組成、電子交換能力等）的差異，在去除有機質和脫氮除磷的過程中發(fā)揮的作用也不盡相同[25]。因此，人工濕地基質主要通過基質特性差異改變內部環(huán)境，優(yōu)化植物生長和微生物群落結構與酶活性，影響有機質降解和脫氮過程，進而改變溫室氣體排放通量[26]。

研究表明，在人工濕地基質中加入生物炭可以顯著增加甲烷氧化菌和反硝化菌屬的豐度，降低CH4和N2O的排放通量，促進溫室氣體減排[27]。Ji等[28]比較了普通陶?；|和生物炭改良基質對表面流人工濕地溫室氣體排放的影響，結果發(fā)現生物炭改良基質通過提高相關基因豐度，顯著降低了人工濕地CH4和N2O的排放通量。鐵錳氧化物由于具有較大表面積和孔隙率、良好的氧化還原特性，近年來被廣泛應用于人工濕地基質中[29-30]。趙仲婧等[31]研究鐵碳微電解填料對人工濕地溫室氣體排放的影響時發(fā)現，鐵碳微電解填料大大降低了N2O排放通量，沸石則對CH4的排放有較強的抑制效果，鐵碳微電解和沸石復合使用可有效減少溫室氣體排放。程施藝[11]研究發(fā)現，含錳基質完全抑制了CH4排放，并略微降低了N2O的排放通量，含鐵基質降低了CH4的排放通量，但N2O的排放通量有所提高，綜合來看，含錳基質降低了全球變暖潛能值（GWP），含鐵基質則提高了GWP?；|還會影響人工濕地系統(tǒng)內的pH值，較高或較低的pH值都會影響有關反應酶的活性，繼而影響溫室氣體的產生。Kasak等[32]比較了不同填料對人工濕地出水pH值的影響，發(fā)現人工濕地出水pH值大于10.7時，CH4和N2O的排放量都明顯減少。此外，不同種類基質組合配置也對溫室氣體的排放存在影響。許光明[26]對不同基質類型（普通礫石、核桃殼、錳礦石和活性氧化鋁）及其組合進行研究，發(fā)現基質組合顯著影響 N2O 和 CH4 排放通量，核桃殼基質與錳礦石基質組合時，人工濕地的CH4和N2O的排放通量均明顯降低。

2.3 構 型

常見的人工濕地構型包括表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地等。不同構型人工濕地的溫室氣體排放特征也存在差異。表面流人工濕地水流在床體表面流動，大部分區(qū)域處于厭氧狀態(tài)。水平潛流人工濕地水流在床體內部水平流動，大部分區(qū)域處于缺氧和厭氧狀態(tài)，復氧能力較差。垂直潛流人工濕地水流在床體內部垂直流動，復氧能力則相對較強[16]。由于不同構型人工濕地的構造和水流方式不同，人工濕地內部的溶解氧含量和微生物群落結構都有所差異，并會導致硝化、反硝化作用反應速率不同，從而影響溫室氣體的產生和排放[33]。Mander等[18]對不同構型的人工濕地溫室氣體排放通量進行了整理分析，結果如表1所示。在CH4排放通量平均值方面，水平潛流人工濕地（7.4 mg/（m2·h））略高于表面流人工濕地（5.9 mg/（m2·h）），二者顯著高于垂直潛流人工濕地（2.9 mg/（m2·h））；在N2O排放通量平均值方面，水平潛流人工濕地（0.24 mg/（m2·h））較高，但與垂直潛流人工濕地（0.14 mg/（m2·h））和表面流人工濕地（0.13 mg/（m2·h））無顯著差異；將CH4和N2O排放通量按照100 a全球變暖潛能值（GWP） 系數轉換為總排放通量，垂直潛流人工濕地的總排放通量最低，水平潛流人工濕地的總排放通量最高。

Bateganya等[34]的研究也得到了類似的結果，即水平潛流人工濕地的CH4排放通量（30.5 mg/（m2·h））顯著高于垂直潛流人工濕地的CH4排放通量（8.5 mg/（m2·h）），水平潛流人工濕地的N2O排放通量（0.22 mg/（m2·h））也高于垂直潛流人工濕地（0.08 mg/（m2·h））。S?vik等[35]也比較了不同構型人工濕地的溫室氣體排放特征，發(fā)現水平潛流人工濕地的N2O排放通量（9.3 mg/（m2·h））略高于垂直潛流人工濕地（8.2 mg/（m2·h）），而二者均顯著高于表面流人工濕地（1.7 mg/（m2·h））。Wu等[36]比較了不同水流方向的潛流人工濕地N2O 排放通量，發(fā)現水平潛流人工濕地 N2O 的平均排放通量是表面流人工濕地的 10 倍以上。Jia等[37]的研究也表明，在人工濕地間歇運行時，水平流人工濕地N2O的排放通量比表面流人工濕地更高。然而，有學者的研究卻得出了不同的結論。Vanderzaag等[38]的研究發(fā)現，在處理牛奶場廢水的過程中，表面流人工濕地 N2O 的排放通量顯著高于水平流人工濕地，此外，S?vik 等[39]的研究也發(fā)現，垂直潛流人工濕地的 N2O 排放量高于水平流和表面流人工濕地。綜上，現有研究關于構型對人工濕地溫室氣體排放的影響存在一定爭議，有待開展進一步研究。

2.4 進水污染負荷

過高的進水污染負荷（包括有機質和氮、磷等污染物）是導致人工濕地溫室氣體排放增加的主要原因之一[8]。有機質會導致溶解氧的快速消耗、系統(tǒng)內氧化還原電位降低，同時還可能形成堵塞，進一步削弱人工濕地的復氧能力，從而導致CH4的排放增加。Corbella等[40]研究發(fā)現，高濃度的有機碳負荷是影響CH4排放的重要因素。高TN負荷則會導致硝化反應供氧不足，反應速率下降，造成亞硝化反應速率高于硝化反應速率，使得 NO2-累積，從而誘導 NH4OH 氧化、硝化菌反硝化等產生N2O 的過程發(fā)生[41-42]。此外，進水的碳源類型也會對人工濕地溫室氣體排放產生影響。Chen等[43]對比了葡萄糖和醋酸鈉作為碳源時人工濕地的溫室氣體排放情況，結果表明醋酸鈉作為碳源在促進反硝化和GWP方面優(yōu)于葡萄糖。

進水碳氮比也是影響溫室氣體排放的重要因素。陳欣[7]研究發(fā)現碳氮比為10時，人工濕地系統(tǒng)的N2O排放通量和GWP值最低，這一結論與吳娟[44]的研究結論一致。在碳氮比較低時，反硝化反應進行不完全，導致NO2-的積累，N2O還原酶活性下降，導致N2O釋放量增加[42，44]。

2.5 運行方式

人工濕地的運行方式可分為連續(xù)運行和間歇運行。連續(xù)運行的人工濕地通常處于飽和狀態(tài)，復氧能力較差，床體多為厭氧環(huán)境，N2O的排放量較低，但CH4排放量較高[8]。間歇運行的人工濕地復氧能力強，可提高污染物凈化效率，降低CH4的排放，但會增加N2O的排放[18]。Mander等[45]研究發(fā)現，潛流人工濕地間歇運行顯著增加了N2O排放，Kasak等[46]對表面流人工濕地的研究也取得了類似的結果。

此外，間歇運行的人工濕地排水期會使氣體擴散不再受液面的阻礙，溫室氣體直接釋放進入大氣，也會增加溫室氣體的排放量[47]。Ji等[28]對比研究了間歇曝氣的人工濕地和潮汐流人工濕地，發(fā)現大量的溫室氣體從排空后的人工濕地基質中逸出，使溫室氣體排放通量顯著增加。不恰當的運行方式還可能會增加人工濕地堵塞的風險，人工濕地堵塞會導致系統(tǒng)內水力傳導系數下降，厭氧和缺氧區(qū)域增加，CH4排放顯著增加[48-49]。美國環(huán)保署對100多個人工濕地的調查顯示，近50%的人工濕地在運行前期出現堵塞問題，這一問題不僅會導致污水處理效率下降，還會增加CH4的排放[50]。

2.6 季 節(jié)

季節(jié)變化會改變溫度和氣候，影響植物的生長狀態(tài)和人工濕地系統(tǒng)生化反應速率，從而影響溫室氣體的排放。溫度對硝化作用釋放的N2O具有顯著影響，當溫度大于 30 ℃時，亞硝化反應速率高于硝化反應速率，造成亞硝酸鹽的積累，大量產N2O 反應得以進行，導致 N2O 的大量排放[43]。S?vik等[35]對比了夏冬兩季垂直潛流人工濕地的N2O排放通量，發(fā)現夏季的排放通量顯著高于冬季。Chuersuwan等[51]比較潛流和表面流人工濕地的溫室氣體排放通量，結果顯示溫室氣體排放通量具有明顯的季節(jié)性波動，夏季的CO2和N2O排放量高于冬季。CH4的釋放同樣受到季節(jié)的影響，在氣溫較高的春夏季釋放量較多，氣溫較低的冬季釋放量較少[8，44]。此外，Groh等[52]的研究顯示，水溫也是影響溫室氣體排放通量的重要因素。水溫低于18 ℃時，CH4和N2O的排放通量顯著減少。

3 人工濕地溫室氣體減排措施

人工濕地作為常見的污水處理工藝，理想的運行狀態(tài)是在保持較高污染物去除率的同時，降低溫室氣體排放量，以求獲取最高的生態(tài)環(huán)境效益?，F有人工濕地設計時往往只考慮污染物的去除效果，忽略了如何減少溫室氣體排放量。基于上述關于溫室氣體排放影響因素的分析，在設計人工濕地時可以從以下幾個方面考慮溫室氣體減排。

（1）合理搭配選擇植物種。植物對溫室氣體排放的影響具有物種特異性，在運行條件允許的情況下，優(yōu)化植物物種的選擇，適當組合植物物種，增加植物多樣性，進而降低人工濕地的溫室氣體排放量。

（2）合理選擇基質類型?？蓛?yōu)先考慮鐵錳類基質，同時在基質中添加部分生物炭，以減少人工濕地溫室氣體的排放通量，并可根據實際情況適當考慮多種基質組合。

（3）在設計成本和運行條件允許的情況下，優(yōu)先選擇溫室氣體排放通量較低的垂直潛流人工濕地和表面流人工濕地，優(yōu)先選用溫室氣體排放通量較低的優(yōu)質碳源，并控制進水碳氮比。

（4）優(yōu)化調整運行方式，妥善權衡污水凈化率和溫室氣體排放量，保證污水凈化率的同時降低溫室氣體排放。提高運行維護管理水平，定期處理系統(tǒng)內堵塞問題，降低堵塞對污水處理和溫室氣體排放的影響。

（5）在設計成本和運行條件允許的情況下，可考慮為人工濕地系統(tǒng)設置恒溫環(huán)境，使氣溫和水溫始終保持在溫室氣體排放量低的閾值。

4 結論與展望

人工濕地在處理污水的過程中，伴隨大量溫室氣體的產生和排放。影響溫室氣體排放的主要因素有植物、基質、構型、進水負荷、運行方式和季節(jié)等，通過改變酶活性、微生物活性、溶氧量和溫度等影響溫室氣體的排放。隨著“雙碳”目標不斷接近，降低人工濕地溫室氣體排放通量也越發(fā)值得關注。為了保持人工濕地的污染物去除率，同時降低溫室氣體排放量，提高濕地的生態(tài)環(huán)境效益，在設計時可考慮選擇適當的構型、基質和植物，調整濕地運行方式和進水負荷等。

現有研究關于植物對人工濕地溫室氣體排放的具體影響機制尚不明朗，人工濕地堵塞對溫室氣體排放的影響研究也較為欠缺。同時，現有研究主要關注不同影響因素對人工濕地的污水凈化率或溫室氣體排放通量的影響，缺乏不同影響因素對人工濕地的污水凈化率和溫室氣體排放通量影響的綜合評價。建議未來強化植物和人工濕地堵塞等因素對溫室氣體排放影響機制的研究，并開展植物、構型、基質等影響因素對人工濕地的污水凈化率和溫室氣體排放通量影響的綜合評價，尋找同時具備高污水凈化率和低溫室氣體排放通量的人工濕地運行配置組合，獲取更高的生態(tài)環(huán)境效益。

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收稿日期：2023-10-11

基金項目：國家自然科學基金項目（520090091）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目（CKSF2021481+SH）

作者簡介：吳嘉彬，男，碩士研究生，主要研究方向為水生態(tài)修復。E-mail：1053219402@qq.com

2024，8（4）：21-29

Research Progresses of the Characteristics and Influencing Factors of Greenhouse Gas Emissions from Artificial Wetlands

WU Jiabin1，2，GUO Weijie1，2，ZHAO Weihua1，2

（1. Basin Water Environmental Research Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Hubei Provincial Key Laboratory of River Basin Water Resources and Eco-environmental Sciences，Wuhan 430010，China）

Abstract：Artificial wetlands are widely used in sewage treatment and ecological restoration due to their ecological benefits，low resource consumption，cost-effectiveness，and stability. While removing pollutants，artificial wetlands also produce and release greenhouse gases such as CO2，CH4 and N2O，which may reduce their ecological and environmental benefits. This paper introduces the characteristics and mechanism of greenhouse gas emissions from different types of artificial wetlands，and summarizes the effects of various factors such as plant types，substrates，configuration，influent loads，operation modes and seasonal variations on emission fluxes. Additionally，we offer emission reduction measures and propose future research directions.

Key words：artificial wetland；greenhouse gases；influencing factors；emission reduction measures