（生态学专业论文）长江口潮滩湿地底质对水体氮、磷营养盐含量的影响.pdf

牛东师范大学2 0 0 5 届博 ：学位论史 摘要 摘要 本文以长江口潮滩湿地底质与水体氮、磷营养盐含量互动变化为研究对象， 采用实验室模拟的方法研究了长江口潮滩湿地底质与上覆水氮、磷含量互动变化 的关系和底质渗滤液氮、磷含量与污染负荷互动变化的特征。 在研究底质与上覆水氮、磷含量互动变化的关系中，主要研究了沉积物、污 染负荷以及水力负荷、滞留时间等因素对氮、磷去除率的影响以及当输入水体浓 度较小时，底质对氮、磷的释放；并对基质净化机理，去除能力以及影响净化的 因素，如滞留时间、温度等进行了探讨。 在研究底质渗滤液氮、磷含量与污染负荷互动变化特征中，研究了不同底质， 底质随污染负荷以及随时间对氮、磷含量的影响，同时探讨了不同底质对渗滤液 氮、磷去除的差异以及底质对上覆水和渗滤液氮、磷去除的差异。 主要研究结果如下： 6 1 不同底质对上覆水氮、磷含量的去除率 不同底质对生活污水总磷均具有较高的去除率且底质不同去除效率不同，而 对无机磷的去除率远低于总磷，但不同底质问存在显著差异，而对氮的去除率均 较低，且不同底质问存在差异。 6 2 同一底质随污染负荷、水力负荷、滞留时间等对上覆水氮、磷的影响 污染负荷对底质上覆水氮、磷含量产生重要影响。一定范围，随污染负荷增 加，对氨氮、总磷的去除率均增大，但对上覆水氨氮、总磷的去除并不是无限的， 当输入浓度过大时，去除能力反会下降。其去除率和污染负荷之间遵循不同的二 次曲线方程；另外，水中的氮、磷只是被吸附、沉淀停留在沉积物的表面，如果 水体中磷的浓度较低，底质里就会有部分磷被重新释放到水中，如本研究中总磷 的释放净化的平衡点浓度在0 4 6 9 m g l 附近。 水力负荷对水体氮、磷的去除有直接的关系。随着水力负荷的增加，去除率 迅速降低，而后降低幅度变慢。总磷、氨氮的去除率随水力负荷均遵循单调递减 伥东师范人学2 0 0 5 届博卜学位论史摘要 的曲线方程。 滞留时间也直接影响到底质对上覆水水体氮、磷的去除。对总磷和无机磷的 去除率随滞留时间的延长而增大，但去除率的增加与时间的延长并不成比例，对 氨氮去除率随滞留时间的延长略微增加；随滞留时间，氨氮的减少主要是由于水 体自净作用引起的。 6 3 不同底质对渗滤液水体氮、磷含量的影响 底质对渗滤液氮、磷含量具有重要影响。长江口典型潮滩湿地不同底质对总 磷均具有较高的去除率，且底质间差异不明显；而对氨氮的去除率也相对较高， 去除率变化幅度较大，且底质间差异显著。当输入水体浓度较小时，底质对总磷 的释放程度较大，可使水质达到劣v 类，但各底质问对磷的释放程度相差不大， 而对氨氮的释放程度较轻。 6 4 同一底质随污染负荷、进水时间对渗滤液氮、磷的去除 污染负荷大小对渗滤液和去除率产生重要影响，一定条件下，总氮、氨氮和 总磷的污染负荷越高，去除率越大，但渗滤液中的含量也越高；因此，这并不能 说明底质对渗滤液中氮、磷的净化功能随污染负荷的增大而增强，因为，随着污 染负荷的增大，虽然去除率是增大的，但渗滤液中的氮、磷台量也在不断增大。 水体的自净作用对总磷的去除产生较大影响，而对氨氮和总氮的影响相对较 小。总氮随时间变化遵循单调递减的线性方程，总磷和无机磷随时间变化均遵循 不同的对数方程，也单调递减，但与总氮不同的是总磷的下降幅度较大。 渗滤液总氮含量随时间变化遵循单调缓慢增加的直线方程；总磷、无机磷均 呈小幅震荡增加趋势；总氮的去除率随时间逐步降低，而总磷和无机磷的则震荡 降低，其中总磷日均降低1 4 。 关键词：长江口潮滩底质水体污染氮磷营养盐 4 # 东师范大学2 0 0 5 屑博| 学位论文 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rt o o kt i d a lf l a ts e d i m e n t si ny a n g t z er i v e re s t u a r yw e t l a n da n d n i t r o g e n & p h o s p h o r u si nw a t e ra ss t u d yo b j e c tt h e ni tw a ss i m u l a t e di nt h el a b o r a t o r y o fr e c i p r o c i t yb e t w e e nt h es e d i m e n t sa n dc o n t e n to fn i t r o g e n & p h o s p h o r u si n o v e r l y i n gw a t e ra n dt h e nt h ei n t e r a c tc h a r a c t e ro fn i t r o g e n & p h o s p h o m si nt h e s e d i m e n t sl e a c h a t ea n d p o l l u t a n tl o a dw a ss i m u l a t e d ，t o o d u r i n gt h ee x p e r i m e n to fr e c i p r o c i t yb e t w e e nt h es e d i m e n t sa n dn i t r o g e n p h o s p h o r u si no v e r l y i n gw a t e r , t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c e do nt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fn i t r o g e n & p h o s p h o r u s ，s u c ha ss e d i m e n t ，p o l l u t a n tl o a d ，h y d r a u l i c c a p a c i t y , d e t e n t i o nt i m e e t a l , w e r es t u d i e da n d t h er e l e a s eo fn i t r o g e n & p h o s p h o r u s f r o ms e d i m e n t st ot h eo v e r l y i n gw a t e rw h e nt h ec o n c e n t r a t i o nw a sm u c hl o w e ri nt h e i n p u t t i n gw a t e r , w a ss t u d i e d ，t o o ，a n dt h e nt h ep u f f l y i n gm e c h a n i s m ，r e m o v a la b i l i t y o ft h es e d i m e n t sa n ds o m ef a c t st h a ta f f e c t e do nt h ep u r i f i c a t i o n ，s u c ha s ，d e t e n t i o n t i m e ，t e m p e r a t u r e ，e t a l ，w e r ed i s c u s s e d ，t o o d u r i n gt h ee x p e r i m e n to ft h ei n t e r a c tc h a r a c t e ro fn i t r o g e n & p h o s p h o r u si nt h e s e d i m e n tl e a c h a t ea n dp o l l u t a n tl o a d ，t h ee f f e c t so fs e d i m e n t s ，p o l l u t a n tl o a d ，r n n t i m e ， e t a l ，o nt h en i 2 0 9 e n & p h o s p h o r u si nt h el e a c h a t ew e r es t u d i e d ，a n da tt h es a n l et i m e ， t h ed i f f e r e n c eo fr e m o v ee f f i c i e n c yo fn i 仃o g e n & p h o s p h o r u sb yd i f f e r e n ts e d i m e n t s a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h es a n l es e d i m e n tt ot h eo v e r l y i n gw a t e ra n dl e a c h a t e w e r ed i s c u s s e d ，t o o 1 # 东师范大学2 0 0 5 届博1 学位论文 摘要 t h em a j o rr e s u l t sd r e w0 1 1t h i ss t u d i e sa r e ： 6 1r e m o v a le f f i c i e n c yo fd i f f e r e n ts e d i m e n t st ot h ec o n t e n to fn i t r o g e n p h o s p h o r u si no v e r l y i n gw a t e r w h e ns e w a g ew a sp u ti n ，a l lt h es e d i m e n t sh a dh i 曲r e m o v a le f f i c i e n c yt ot h e t o t a lp h o s p h o r u sa n df o rd i f f e r e n ts e d i m e n t s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a sn o tt h es a m e ， w h i l ef o ri n o r g a n i cp h o s p h o r u s ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a sf a rl o w e rt h a nt h et o t a l p h o s p h o r u sa n di t 、, v a sw i d e l yd i f f e r e n tb e t w e e ns e d i m e n t s ，b u tf o rn i t r o g e n ，w h e n s e w a g ew a sp u ti n ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fd i f f e r e n ts e d i m e n t sf o rt nw a sd i f f e r e n t a n dv e r yl o w 6 2e f f e c t so fp o l l u t a n tl o a d ，h y d r a u l i cc a p a c i t y , d e t e n t i o nt i m e ，o nt h en i t r o g e n & p h o s p h o r u sc o n t e n ti no v e r l y i n gw a t e rf o r t h es a m es e d i m e n t p o l l u t a n tl o a de x e r e da ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nn i t r o g e n & p h o s p h o r u si n o v e r l y i n gw a t e r i nc e r t a i nr a n g ，a sp o l l u t a n tl o a di n c r e a s e d ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yf o r a m m o n i a & t o t a lp h o s p h o r u si n c r e a s e d ，t o o ，b u tt h er e m o v a le f f i c i e n c yf o ra m m o n i a & t o t a lp h o s p h o r u si nt h eo v e r l y i n gw a t e rw a sn o tl i m i t l e s s b e c a u s ew h e nt h e c o n c e n t r a t i o nw a st o ot h i c k ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yw o u l dd r o pi n s t e a d t h er e m o v a l e f f i c i e n c ya n dp o l l u t a n tl o a df o l l o w e dd i f f e r e n tc o n i ce q u a t i o n s i na d d i t i o n ，t h e n i t r o g e n & p h o s p h o r u so fw a t e rj u s tt ob ea b s o r b e d ，p r e c i p i t a t e da n ds t a y e di nt h e s u r f a c eo ft h es e d i m e n t ，i ft h ec o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u sw a sl o we n o u g hi nt h e w a t e rb o d y , s o m ep h o s p h o r u sw o u l db er e l e a s e dt ow a t e ra g a i nf r o mt h es e d i m e n t ， t a k e ，t h ee q u a l i z a t i o np o i n to fr e l e a s e a b s o r bo ft h et o t a lp h o s p h o m si nt h es t u d y f o re x a m p l e ，w a sa b o u t0 4 6 9 m g l h y d r a u l i cc a p a c i t yh a dt h ed i r e c tr e l a t i o nf o rr e m o v a le f f i c i e n c yo fn i t r o g e n p h o s p h o r u si no v e r l y i n gw a t e r w i t ht h ei n c r e a s eo fh y d r a u l i cc a p a c i t y , r e m o v a l e f f i c i e n c yw a sr e d u c e dr a p i d l y , a n dt h e nd r o p p e ds l o w l y t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f t o t a lp h o s p h o r u s & a m m o n i af o l l o w e dc u r v ee q u a t i o nt h a td e c r e a s e dp r o g r e s s i v e l y w h e nh y d r a u l i cc a p a c i t yi n c r e a s e d d e t e n t i o nt i m ea l s oh a dt h ed i r e c tr e l a t i o nf o rr e m o v a le f f i c i e n c yo fn i t r o g e n & v 华东师范人学2 0 0 5 屑博i ：学位论文 摘爱 p h o s p h o r u si no v e r l y i n gw a t e r t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u si n c r e a s e dw i t h t h ed e t e n t i o nt i m eb e c a m el o n g e r , b u ti tw a sn o tp r o p o r t i o n a lt ot h er e m o v a l e f f i c i e n c ya n dt h ee x t e n s i o no ft i m e ，w h i l ef o ra m m o n i a ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yj u s ! i n c r e a s es l i g h t l yw h e nt h ed e t e n t i o nt i m eb e c a m el o n g e r , a n dt h er e d u c t i o no ft h e a m m o n i aw a sm a i n l yc a u s e db ys e l f - p u r i f i c a t i o nf u n c t i o no ft h ew a t e rb o d yw i t ht h e t j m e 6 3e f f e c t so fd i f f e r e n ts e d i m e n t so nt h ec o n t e n to fn i t r o g e n p h o s p h o r u si n s e d i m e n tl e a e h a t e d i f f e r e n ts e d i m e n t sw o u l dh a v eaf u l li m p a c to nt h er e m o v ee f f i c i e n c yo f n i t r o g e n & p h o s p h o r u si ns e d i m e n tl e a c h a t e t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a sf i n ef o rt o t a l p h o s p h o r u si nl e a c h a t eo fd i f f e r e n ts e d i m e n t sw h e nw a s t ew a t e rw a si n t r o d u c e di n a n di tw a sa l m o s ts a m ef o rd i f f e r e n ts e d i m e n t ；w h i l ef o ra m m o n i a ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yw a sa l s or e l a t i v e l yh i g h ，b u ti tw a sw i d e l yd i f f e r e n tb e t w e e ns e d i m e n t s w h i l et h ec o n c e n t r a t i o nw a sl o w , t h ep h o s p h o r u si nt h es e d i m e n tw o u l dr e l e a s et o w a t e ra n dm a k et h el e a c h a t ei n f e r i o rt ov t y p eo fw a t e rq u a l i t ya n dt h e r ew a sa l m o s t n od i f f e r e n c ef o rd i f f e r e n ts e d i m e n t s ，b u tf o ra m m o n i a , t h er e l e a s ed e g r e ew a s r e l a t i v e l ys l i g h t 6 4e f f e c t so fp o l l u t a n tl o a d ，t i m e ，o nt h en i t r o g e n p h o s p h o r u sc o n t e n ti n l e a c h a t ef o r t h es a m es e d i m e n t p o l l u t a n tl o a dw o u l de x e r tag r e a ti n f l u e n c eo nn i t r o g e n & p h o s p h o r u si n l e a c h a t ea n dt h er e m o v a le f f i c i e n c y , t o o u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n ，t h eh i g h e rt h e p o l l u t a n tl o a do ft o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i aa n dt o t a lp h o s p h o r u si nt h ew a t e rw a s ，t h e b e r e rt h er e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h eh i g h e rc o n t e n ti nt h el e a c h a t e ，s o ，i tw a sn o tt o s a yt h a tt h ep u r i f i c a t i o nf u n c t i o no ft h es e d i m e n tt ot h el e a c h a t ew o u l di n c r e a s ew h e n t h ep o l l u t a n tl o a di n c r e a s e d ，b e c a u s e ，w i t ht h ei n c r e a s e do fp o l l u t a n tl o a d ，t h o u g ht h e r e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s e d t h ec o n t e n to fn i t r o g e n & p h o s p h o r u sw a sa l s o i n c r e a s i n gc o n s t a n t l y 华东师范大学2 0 0 5 届博j 学位论史摘要 s e l f - p u r i f i c a t i o no ft h ew a t e r , a l s ow o u l dh a v eag r e a ti m p a c to nt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft o t a lp h o s p h o r u s ，w h i l ef o rn i t r o g e n ，t h ei n f l u e n c ew a sr e l a t i v e l ys l i g h t t h el a w so ft h ew a t e rs e l f - p u r i f i c a t i o n ：t o t a ln i t r o g e nf o l l o w e dl i n e a re q u a t i o n ，w h i l e t o t a lp h o s p h o r u sa n d i n o r g a n i cp h o s p h o r u sf o l l o w e dd i f f e r e n tl o g a r i t h me q u a t i o n s t h ec o n t e n to ft o t a ln i t r o g e ni nt h el e a c h a t ef o l l o w e dt h el i n e a re q u a t i o na n d i n c r e a s e ds l o w l yw h i l et o t a lp h o s p h o r u s ，i n o r g a n i cp h o s p h o r u si n c r e a s e dc o n c u s s i v e l y a n ds l o w l yw i t ht i m ea n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yf o rt o t a ln i t r o g e nd r o p p e dg r a d u a l l y w h i l ef o rt o t a lp h o s p h o r u s ，i n o r g a n i cp h o s p h o r u s ，i td e c r e a s e dc o n c u s s i v e l yw i t ht i m e ， a m o n gt h e mt h et o t a lp h o s p h o r u sr e d u c e d1 4 d a i l y k e y w o r d s ：y a n g t z er i v e re s t u a r y , t i d a lf l a ts e d i m e n t ，w a t e rp o l l u t i o n ，n i t r o g e n p h o s p h o r u sn u t r i t i v es a l t 华东师范大学 张修峰博士学位论文答辩委员会成员表 姓名职称上作单位是否博导备注 陈桂珠教授中山大学是主席 许世远教授华东师范大学是 周秀佳教授上海中医药大学是 王仁卿教授山东大学 是 崔志兴研究员上海科技馆否 童春富博士华东师范大学 秘书 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：罐日期：甚趔 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名秀修哞导师签名：弋嚏：h 之 日期： 盘煎：笸：j 魄型 ：f 、 华东师范大学2 0 0 5 届博十学位论文 第章研究综述 第一章研究综述 1 1 科学背景和研究意义 湿地生态系统具有多种功能和价值。美国生态学家c o s t a n z a 将全球生态系 统服务功能划分为1 7 项：气体调节、干扰调节、水分调节、水分供给、侵蚀控 制和沉积物保持、土壤形成、养分循环、废弃物处理、授粉、生物控制、庇护、 食物生产、原材料、遗传资源、体闲、文化等( c o s t a n z a ，e t a l ，1 9 9 7 ) 。在各生态系 统的服务中，湿地，特别是沿海湿地的生态服务异常显著，其单位面积生念服务 价值在各类生态系统中居于首位。并且其主要功能是水质净化，典型的河口盐沼 和红树林湿地，其环境净化价值可达$ 6 7 0 0 ( h m 2 a ) ，约占该类型湿地生态服务 价值的6 7 ( c o s t a n z a ，e t a l ，1 9 9 7 ) 。 湿地生态系统具有很高的净化能力，其净化受多种环境因子影响，沉积物、 微生物、温度以及污水在湿地沉积物中的滞留时间等都是影响处理效果的因子 ( m o r r i s ma n d h e r b e r t r ，1 9 9 7 ；t h u t r n ，1 9 9 3 ) 。因此其净化能力也不是无限的。 如美国学者提出湿地生态系统对p 的吸收是一种短期效应，其最大吸收能力一般 为每年不超过l g m 。，即所谓的“1 克规则”( r i c h a r d s o n c j ，q i a ns s ，1 9 9 9 ) 。 长江口潮滩湿地是我国一块重要的滨海湿地，是连接河口与陆地的重要生态 系统，具有丰富的湿地资源，不仅是大批野生动植物资源的栖息场所，而且还为 河口和近海鱼类提供繁殖场所和饵料，并且能够过滤和净化水体，具有巨大的生 态服务功能。长江口潮滩湿地主要包括崇明岛东滩、长兴岛头部岸滩、南汇东滩、 横沙东滩、九段沙，南支各沙洲和外海拦门沙洲以及邻近的沿江沿海部分湿地( 陆 健健，1 9 9 0 ) 。这些湿地根据其露出水面的情况又可细分为潮下带湿地、潮问带 湿地、潮上带湿地及河口沙洲湿地( 孙平跃，陆健健，1 9 9 8 ) 。河口湿地可对流 经此地的水流及其携带的营养物质起到过滤净化作用，这种功能可用来削减入海 河流对近海的污染，起到保护近海和防止近海富营养化的作用( 曲向荣等，2 0 0 0 ) 。 参考c o s t a n z a 等人对湿地生态系统服务功能的研究对长江口湿地生态系统的服 务功能价值进行的研究表明，长江口湿地单位面积服务价值为￥1 ，8 6 1 0 4 华东师范大学2 0 0 5 届博士学位论文 第一章研究综述 ( h m 2 a ) ，远远大于全国生态系统单位面积服务价值j f 0 5 4 1 0 4 ( h m 2 a ) ( 吴玲玲， 陆健健，童春富等，2 0 0 3 ) ；并且水质净化价值 成陆造地价值 生物栖息地价值 物质生产价值 大气调节价值，其中水质净化价值占总价值的9 0 以上( 壹春 富，陆健健，2 0 0 4 ) 。 目前，氮超负荷已是一个全球性的环境问题( m u n nt ，w h y t e a ，t i m m e r a n p ， 1 9 9 9 ) ，磷是水体富营养化的最重要的营养盐之一。长江口作为长江流域的主要 物质汇集区，长江河口水环境污染问题也日趋严重，主要氮、磷营养盐输入呈逐 年上升的趋势。早在2 0 世纪8 0 年代初期，长江口硝酸盐的含量高达6 5 1 a m o l l ( e d m o n dj m ，1 9 8 5 ) ；1 9 6 3 1 9 8 4 年问，n 0 3 。、n 0 2 、n h 4 + 、d i n 和p 0 4 的年 平均浓度分别为1 7 1 、o 4 3 、7 1 、2 4 7 、o 1 9 i _ t m o l l ；平均年通量分别为1 0 4 4 4 、 1 ，6 1 、1 1 5 6 、3 3 ，1 和1 7 0 x 1 0 4 t ；特别是硝酸盐氮输入增加尤为明显，1 9 7 2 年输 入量为0 9 5 1 0 5 t ；n 0 3 和n 0 2 - 的浓度在1 9 7 41 9 8 4 年间增加了近一倍，n 0 3 - 1 9 8 2 年为4 5 7 1 0 5 t ；1 9 9 8 年n 0 3 。、n h 4 + 、n 0 2 和p o ? 的年通量分别为4 7 7 3 、3 0 9 7 、 1 3 5 6 和2 2 9 6 x 1 0 4 t ( 傅瑞标，沈焕庭，2 0 0 2 ) 。 长江口湖滩湿地是复杂的陆海交错系统，结构复杂，功能独特。同时也是典 型的环境脆弱带，极易受到人类的干扰，任何物理、化学、生物因子的变化都会 给潮滩湿地生态系统的功能带来影响。河口水体氮、磷营养盐含量的升高使潮滩 湿地生态系统受到不同程度的破坏；大量氮、磷营养盐输入到长江口外，导致门 外水域赤潮频发，邻近水域出现严重氧亏( 李道季，2 0 0 2 ) 。 围垦也一直是长江口湿地利用的主要方式，近5 0 年来上海市围垦的滩涂面 积就达7 3 0 k i n 2 ( 陈吉余，2 0 0 0 ) ，而且随着工程技术的发展，已经从高滩围垦发 展到中低潮潍围垦，围垦强度日益增大，使得长江口湿地面积锐减，功能退化。 如何保护和合理开发利用长江口潮滩湿地是摆在人们面前的重要问题。 湿地生态系统具有巨大的生态服务功能和价值，而水质净化又是湿地生态系 统最为重要的功能。目前情况下，湿地面积锐减，功能退化，水资源短缺，水体 污染严重( 钱易，唐孝炎，2 0 0 0 ) ，赤潮频发，河口水域富营养化f 1 渐突出，因 此，研究长江口湿地潮滩底质对水体氮、磷营养盐含量的影响，对于进一步认识 长江口潮滩湿地的功能，合理开发利用、保护长江口湿地以及治理水体富营养化， 防止赤潮发生等都具有现实意义和长远意义。 华东师范人学2 0 0 5 届博士学位论文 第一章研究练述 1 2 国内外研究进展 1 2 1 湿地水质净化研究 湿地被认为是“天然的污水净化器”，用于污水净化始于2 0 世纪5 0 年代 ( v e r h o e v e n ，1 9 9 9 ) 。用于污水净化的自然湿地主要指湖滨湿地，沼泽湿地，滨海 盐沼湿地等。而用人工湿地净化污水始于1 9 5 3 年德国的m a x p l a n c k 研究所( h o u s e ， t 9 9 9 ) ，该研究所的s e i d e l 博士在研究中发现芦苇能去除大量有机和无机物。2 0 世纪6 0 年代末德国学者s e i d e l 与k i e k u t h 合作并由k i c k u t h 于1 9 7 2 年提出根区 法( t h er o o t z o n e m e t h o d ) ( b r i x ，19 9 4 ) 理论，之后掀起了人工湿地治理污水的研 究与应用的“热潮”( b r i x ，1 9 8 6 ；r e d d y , d e b u c k ，1 9 8 7 ；f e t t e re t a l ，1 9 7 6 ；杜巾典， 崔理华等，2 0 0 2 ) ，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式 进入水污染控制领域。 美国是世界上拥有人工湿地污水处理系统最多的国家。目前全美有6 0 0 多处 人工湿地用于处理市政、工业和农业废水。其中4 0 0 多处湿地用于处理煤矿废水， 5 0 多处人工湿地用于处理生物污泥，约4 0 处的人工湿地用于处理暴雨径流，3 0 多处人工湿地用于处理奶产品废水( u se p a 2 0 0 0 ) 。在处理规模上，美国7 0 的 自由表面流湿地和9 0 的潜流湿地系统处理能力小于3 8 0 0 m 3 d 。潜流湿地的规 模倾向于更小，一般处理能力5 - - 1 1 4 0 m 3 d ，中等规模的潜流湿地处理能力为2 1 0 m 3 d ，平均处理能力为1 1 5 0 1 m 3 d 。北美的自由表面流湿地中一半是自然湿地( 1 1 0 0 0 h m 2 ) ，其余为人工自由表面流湿地( 通常比较小，6 0 d , 于1 0 h r a 2 ) 。自然湿 地水力负荷小于人工湿地，系统水深范围一般为3 0 4 0 c m 。自由表面流湿地规 模趋于较大，处理能力为2 0 0 7 6 0 0 0m 3 d ，中等规模能力1 7 7 0m 3 d ，平均处理 能力7 3 5 0m 3 d 。 在欧洲一些国家，如丹麦、德国、英国各国至少有2 0 0 处人工湿地f 主要为 地下潜流湿地) 系统在运行，新西兰也有8 0 多处人工湿地系统被投入使用( 白晓 慧，1 9 9 9 ；吴亚英，2 0 0 0 ) 。 在欧洲应用较多的则是地下潜流系统，特别是在一些东欧国家应用较广泛。 在系统中种植有芦苇、菖蒲、香蒲等湿地植物，为了保证潜流，绝大多数系统还 采用砾石作为填料。此类系统趋向于对近1 0 0 0 人口当量的乡村级社区进行二级 处理，北美则趋向对人口较多的地区进行高级处理，在澳大利亚、日本以及一些 华东师范大学2 0 0 5 届博士学位论文 第一章研究综述 非洲国家，也得到了广泛的应用，用于处理各类废水( 白晓慧，1 9 9 9 ) 。 人工湿地处理污水在我国的应用始于“七五”期间。1 9 8 8 年1 9 9 0 年，在 北京昌平进行了自由表面流人工湿地处理系统的研究。处理量为5 0 0 m 3 d 的工业 污水和生活废水，占地2h m 2 ，水力负荷4 7c m d 。1 9 9 0 年7 月，国家环保局华 南环境科学研究所在深圳市郊白泥坑设计、建成了白泥坑人工湿地污水处理场试 验工程。占地面积1 2 6h m 2 ，实际应用面积7 4 6h m 2 。设计处理规模3 1 0 0 m 3 d ， 后因城市污水量增加而增加到4 5 0 0m 3 d 。1 9 8 0 年1 9 9 0 年，天津市环保科研所 建立了1 1 个实验单元研究芦苇湿地对城市污水的处理能力并进行了研究，结果 得出，此处理优于二级处理，有较好的脱氮除磷效果。1 9 9 4 年6 月到1 9 9 5 年8 月，中国环境科学研究院采用由漂浮植物、沉水植物、挺水植物以及草滤带组成 的人工湿地对控制农田径流污染进行了研究。此系统占地1 2 5 7 m 2 ，利用低洼弃 耕地改造而成。设计停留时间l 5 d 。另外，深圳市河流综合治理重点工程之一 的沙田人工湿地污水厂于2 0 0 0 年1 2 月开始建设并于2 0 0 1 年7 月建成运行，处 理规模5 0 0 0m 3 d ，占地2 00 0 0 m 2 。 另外，“九五”期间对人工湿地也进行了大量研究，如中科院水生生物研究 所与德国科隆大学、奥地利维也纳农业大学等共同承担的欧洲联盟国际合作项目 中提出的复合垂直流构建湿地，运行效果良好( 付贵萍。吴振斌，2 0 0 2 ) 。 湿地通过基质过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现 对废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植 物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。关于湿地净化功能已有很多研 究( d e n n y , 1 9 9 7 ；b r i s ，1 9 9 4 ；c o o p e r , 1 9 9 5 ；l u e d e r i t zv e c k e r te ，l a n g ew e b e rm ，e t a l ， 2 0 0 1 ) ：其主要原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作用， 通过一系列复杂的物理、化学以及生物学途径净化污水，其中微生物和湿地基质 在污水净化中起重要作用。 华东师范大学2 0 0 5 届博士学位论文 第一章研究综述 1 2 2 湿地底质 湿地底质实际上是土壤生物，特别是土壤微生物与沉积物之间的一个综合 体。它们以最紧密的方式和各种微生物的生命活动联系在一起，进行着物质循环 和能量流动，其对水体氮磷营养盐的含量的影响就是物质循环的重要过程，这一 过程是由基质与微生物共同作用的结果。 1 2 2 1 基质 基质往往被看成是高效的“活过滤器”( e l l i o t tet ；c o l e m a ndc ，1 9 8 8 ) ， 它的净化功能主要由下列要素组成：( 1 ) 绿色植物根系的吸收、转化、降解和生 物合成作用；( 2 ) 基质中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物的 固定作用：( 3 ) 基质的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用；( 4 ) 基质的离子交换作用；( 5 ) 基质和植物的机械阻留作用；( 6 ) 基质的气体扩散作 用。当污水与基质接触时，除通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物外， 基质还能通过一系列物理的和化学的途径来除去污水中的氮、磷等营养物质 ( r e d d ykr1 9 8 3 ) 。 在净化污水过程中，基质起到了极其重要的作用( 吴振斌，2 0 0 2 ；s h a l l ag 2 0 0 0 ；r e d d ykr 1 9 8 3 ) ，其去污过程包括离子交换、专性与非专性吸附、螯合作 用、沉降反应等，特别是对磷的去除可能主要是由基质来完成的。在国外，利用 基质处理生活废水、工业废水、养殖废水等的例子很多( h ok ，h o n gs ，k i m c ，1 9 9 0 ；r u s s e l ljm ，c o o p e rrn ，l i n d s e ysb ，1 9 9 3 ；l a mkc ，n gs ，n e l l e rr f , 1 9 9 3 ；r i t t e rwf ，e a s t b u r nr p , 1 9 7 8 ；z e l e e h w s k a a ，r y b i n s k ij ，1 9 8 5 ) 。 n g u y e nl & s u k i a sj 的研究表明不管是表层沉积物还是亚表层沉积物对磷 均具有很强的贮存能力，表层沉积物和亚表层沉积物的截留能力分别为：每公斤 沉积物可达2 4 6 7 - 4 1 9 7m g p 和2 2 2 5 3 8 9 1i n 妒，截留能力与沉积物的化学性质， 特别是沉积物的有机质含量密切相关；同时，沉积物中截留的磷可能只是暂时储 存在其中，有可能释放到水体中去( n g u y e nl & s u k i a sj ，2 0 0 2 ) 。 c i u p a 研究了土壤基质对磷的去除随时间的变化规律，得出磷的去除率开始 时