植物床-沟壕系统的藻类捕获功能

采用原位实验验证植物床-沟壕系统的藻类捕获功能。结果表明:该系统能够有效拦截和捕获源水藻类。在水力梯度驱动下,约35%源水进入高位小沟流经植物床内部根孔结构而汇至低位小沟。低位小沟内叶绿素a(Chl-a)浓度显著低于高位小沟(P=0.0239),其降低比例为11.1%。以植物床-沟壕系统为结构形式的根孔净化区其出水Chl-a浓度较源水整体下降了27.0%。估算该片根孔净化区捕获藻类鲜生物量约122 kg/d。石臼漾湿地共含根孔净化区11片,按供水25万t/d计,估算捕获藻类鲜生物量约1 100 kg/d。

人工湿地植物床-沟壕系统水质净化效果

嘉兴市石臼漾湿地以仿拟自然界的植物床-沟壕系统为主要结构单元,以人工湿地生态根孔技术为核心净化技术,将河网源水主要水质指标提高了一个类别.为探索该系统以及根孔净化技术的优化途径,于2010年5～10月在湿地内构建了16个并联的植物床-沟壕单元,以正交设计手段研究根孔构筑方式、植物组合和强化介质3种因素对人工湿地植物床-沟壕系统水质净化效果的影响.综合考虑水质净化效果、工程施工难易程度、建设及运行维护成本等情况,推荐人工湿地植物床-沟壕系统的优化途径为:根孔构筑方式采用上、下两层秸秆填埋方式,植物组合优选芦苇+菰,在植物床局部采用适量方解石作为强化介质.比较了中试强化区和大工程区的水质净化效率,结果显示:强化后的植物床-沟壕系统具有进一步提升湿地水质净化效果的潜能,对总氮、总磷、氨氮等水质指标去除率提高幅度约为20%～40%.因此在保证湿地处理水量的前提下,控制大渠过水量、增加植物床-沟壕系统内根孔区的过流量可以发挥该系统更好的水质净化效果.

人工湿地沟壕系统中硝酸盐异化还原成铵细菌群落特征研究

硝酸盐异化还原成铵(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA)过程,是将易损失的NO-3-N转化为NH+4-N,而被植物或微生物重新吸收利用,从而有助于湿地沉积物的氮保留.本研究选取石臼漾人工湿地冬、夏两季沟壕中心、边缘表层沉积物,采用高通量测序等分析方法,研究了DNRA细菌群落结构特征.研究结果表明:在空间尺度上,沟壕中心DNRA细菌丰度高于沟壕边缘,分别为(2.26±1.19)×109和(1.22±1.46)×109 copies·g^-1.在时间尺度上,冬夏两季样品中DNRA细菌丰度具有显著性差异(p<0.05).多样性分析表明,沟壕中心沉积物的DNRA群落丰富度高于沟壕边缘.所有样品中占比最高的DNRA属为Caldilinea(69.75%±3.64%)、Anaeromyxobacter(66.41%±1.19%).Caldilinea属在夏季样品的占比(39.78%±5.15%)高于冬季样品(29.98%±0.57%),而Anaeromyxobacter属在沟壕中心的占比(35.14%±0.83%)高于沟壕边缘(31.28%±0.76%),且小沟(34.33%±1.40%)高于大沟(32.08%±1.33%).主坐标分析(PcoA)结果表明,DNRA细菌群落结构具有明显的时间异质性.DNRA细菌丰度与有机质(TOM)、碳氮比(C/N)和含水率(MC)显著相关.本研究揭示了人工湿地沉积物中DNRA细菌的丰度、群落组成、多样性及其与环境因子的关系.

石臼漾湿地冬季有机质的可生化性

在冬季,石臼漾构筑根孔湿地对有机质的去除率不高.若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,但释放部分易生化的有机物质.为了验证这一假设,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/COD Cr）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,水体中有机质的性质发生了显著的变化.湿地内部其r（COD Cr/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.

构筑根孔湿地夏季浮游植物群落结构特征

湿地通过复杂的物理、化学、生物过程改变水质状态,而浮游植物能够快速、准确地反映环境变化并广泛应用于水质评价。2013年夏季对嘉兴市石臼漾构筑根孔湿地（运行5年）与贯泾港构筑根孔湿地（运行初期）的浮游植物群落结构进行了调查,分析了湿地内部浮游植物变化特征,识别其主要影响因素。结果表明,贯泾港湿地分布浮游植物5门70种（含变种）,石臼漾湿地浮游植物6门68种（含变种）。绿藻门是贯泾港和石臼漾湿地浮游植物种类最主要的构成类群,分别占总种类数的46%和49%。贯泾港湿地浮游植物细胞数量在1 478.43×10^4～18 544.24×10^4cells/L之间变化,均值为9 374.69×10^4cells/L,变化幅度较大;石臼漾湿地浮游植物细胞数量整体低于贯泾港湿地,在598.58×10^4～3 587.71×10^4cells/L之间变化,均值为2 526.36×10^4 cells/L。贯泾港湿地和石臼漾湿地水体水质处于β-中污型到α-中污型,整体上呈现出石臼漾湿地水质优于贯泾港湿地。研究表明,湿地不同的运行时期对浮游植物群落结构产生了影响。

构筑根孔湿地中金属元素的来源、分布及其累积效应

石臼漾湿地是我国最大的饮用水源处理湿地，成为微污染水源水质改善的典范案例，已运行超过4年，主要运用人工湿地生态根孔技术、多级塘/植物床-沟壕系统协同净化技术来净化微污染水源.为了探明多级塘/植物床-沟壕系统对源水中常规金属K、Na、Ca、Mg、Al、Fe与重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb的累积效应，研究了嘉兴石臼漾湿地岸边带与植物床-沟壕系统中沉积物/土壤的金属分布与累积量.结果表明，沉积物中的金属（Mg除外）均发生了富集和累积（富集系数EF∈（1.5，10.5）〉1.5）.湿地内重金属潜在生态风险指数（RI∈（24.7，128.9）〈150）基本处于轻微风险水平，其最高值出现在湿地前端约1/8处的预处理塘（RI=174.94〉150）.总体而言，重金属风险指数随水力流程而逐步降低.在湿地前端的预处理河道、预处理塘内，重金属沉积通量（23.97-157.72 mg·m^-2·d^-1）较高，而植物床-沟壕系统的沉积通量（（38.80±16.17）mg·m^-2·d^-1）相对较低.占湿地面积11.35%的预处理河道、预处理塘中沉积的重金属高达9941.65 kg，占全湿地沉积量的37.90%，是重金属沉积的关键区域.而占湿地面积57.23%的植物床-沟壕系统中截留的重金属高达10601.89 kg，占全湿地沉积量的40.41%，是重金属去除的重点区域.湿地对重金属的主要持留机制是沉积作用，在湿地中单位平均沉积通量高达32.19 mg·m^-2·d^-1.据估算石臼漾湿地可沉积重金属6558.40 kg·a^-1，植物吸收重金属约13.16 kg·a^-1.本研究证明，多级塘/植物床-沟壕系统协同净化机制能够有效持留微污染水源中的金属特别是重金属，从而有效降低石臼漾湿地净化后源水的潜在生态风险.

河网水源生态湿地水氢氧同位素分异特征

为揭示河网水源生态湿地中水力流程沿途和植物床-沟壕系统内部水同位素分异特征,于2019年8月夏季湿雨期,沿水力流程梯度采集嘉兴市石臼漾湿地、贯泾港湿地、海宁市长水塘湿地和泰山港湿地这4个根孔型水源生态湿地上层水样,于2020年1月冬季干冷期采集泰山港湿地植物床-沟壕系统内部沟壕上层水样和植物床潜水样品.测定氘(δD)和δ18O丰度,运用同位素技术和数理统计方法解析湿地水体水同位素分布和组成特征,并探明植物床-沟壕系统对水同位素分异的影响.结果表明:(1)河网水同位素时空变化很大程度上受到不同水源补给和蒸发富集作用的影响,湿地敞水区水线与邻近区域大气降水线相比,湿地区水氢氧同位素呈现富集特征;(2)通过多种数理统计手段结合散点图并做模型假设诊断分析,发现在4个湿地的区域尺度和每个湿地内部的局域尺度,水氢氧同位素丰度及组成在垂向维度和水平维度大多呈现复杂的非线性变化,在区域尺度上,垂向维度的水位高程较水平维度的水力流程长度对水同位素的分布影响更大,而在局域尺度内,水力流程驱动的影响往往更大;(3)异质性较强的湿地根孔生态净化区相较于其他功能区其水同位素相对更加富集;(4)由芦苇等根系发达的植物所形成的地下大孔隙网络、富含粘土的基质土壤和植物床上的植物对湿地水氢氧同位素丰度具有显著影响,因此,在植物床-沟壕系统内部,出水侧的低位小沟相较于进水侧的高位小沟其水同位素偏轻;(5)植物床-沟壕系统中水同位素丰度的突变点可能预示着水体净化的拐点;(6)植物床-沟壕系统潜水中氘盈余(d-excess)明显高于沟水相应值,且潜水变异系数远大于沟水,湿地根孔生态净化区的氘盈余呈现夏季湿热雨季偏负、冬季干冷旱季偏正的季节性差异,反映了湿地水汽来源的季节性差异和内部同位素分馏行为的空间差异.研究结果为人们认识人工湿地中水同位素分布特征、水力流态及提升湿地运行效果提供参考依据,并为探索湿地水质提升关键技术提供新思路.本研究表明水同位素技术在剖析湿地水文学方面具有可靠的巨大潜力.