摘要：為了探討人工濕地的碳匯能力，采用排放因子法，對山東省萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地的碳匯能力進(jìn)行研究，計算了不同類型濕地的碳匯、碳排放能力，分析了不同類型的優(yōu)劣。研究表明，在人工濕地建設(shè)中通過增加淺沼澤及喬灌木沼澤濕地類型面積、喬灌草水生結(jié)合的多層次植物群落，不僅能提高濕地的碳匯量，還能充分利用立體空間增加人工濕地單位面積的綠量，為今后的人工濕地相關(guān)工程提供濕地碳匯能力參考。

關(guān)鍵詞：潛流人工濕地；近自然人工濕地；碳匯；植物

引言

濕地具有巨大的環(huán)境效益和生態(tài)功能，被譽為“自然之腎”及“物種基因庫”，通過微生物菌群、生物鏈、微生物群體之間相互耦合達(dá)到水質(zhì)凈化作用。濕地在碳循環(huán)中扮演著重要的碳匯角色。根據(jù)不同的定義與估計，濕地面積僅占全球陸地表面的5%～8%，其碳儲量占世界碳儲存庫的20%～30%。人工濕地通過模擬自然濕地建設(shè)，人為的將尾水或低污染河水投配到由填料與水生植物、微生物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)中，通過物理、化學(xué)和生物等協(xié)同作用，提高水質(zhì)，是一種能耗極低、碳排放少、生態(tài)環(huán)境效益良好的污水處理系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于各類污水處理領(lǐng)域，具有良好的污水處理效果[1]。

本文通過對山東省萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地碳匯能力的研究，以及對潛流人工濕地及近自然人工濕地的碳匯能力進(jìn)行評估分析，發(fā)現(xiàn)在今后的人工濕地設(shè)計及建設(shè)過程中可適當(dāng)引入碳匯效益規(guī)劃。如，在采用潛流人工濕地+近自然人工濕地技術(shù)時，可在滿足污染物凈化效率、河道行洪需求的基礎(chǔ)上，加強對近自然人工濕地的修復(fù)與保護；通過增加淺沼澤及喬灌木沼澤濕地面積、運用喬灌草水生結(jié)合的復(fù)合多層次植物群落系統(tǒng)等，增強人工濕地的碳匯效益。

1研究區(qū)域概況

萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠位于山東省萊陽市城區(qū)東部，東祝家廟村以南，處理規(guī)模3萬m3/d，設(shè)計出水按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放。從水環(huán)境質(zhì)量安全角度分析，污水處理廠雖然滿足GB 18918-2002一級A的標(biāo)準(zhǔn)，但對于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）而言，仍屬于劣V類水，仍會對流域水生態(tài)環(huán)境造成污染脅迫。從水生態(tài)角度分析，項目建設(shè)區(qū)域河道為季節(jié)性雨源型河流，河道水量豐枯懸殊；原建設(shè)范圍內(nèi)植物覆蓋率低，水土流失較為嚴(yán)重，灘地生態(tài)基礎(chǔ)條件差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出河道環(huán)境承載能力，導(dǎo)致建設(shè)區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，自凈能力下降；河道兩側(cè)河岸受河水沖刷侵蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，河道邊坡落差較大，部分河段河道邊坡較陡，局部坡度接近90°；建設(shè)區(qū)域內(nèi)河道生境單一，水生植物生長雜亂無章，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。

為有效改善流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，萊陽市啟動建設(shè)了萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地項目，將該污水處理廠的尾水由一級A凈化達(dá)到地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，同時修復(fù)項目建設(shè)區(qū)域河道的受損生境和生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)植被等生態(tài)系統(tǒng)多樣性，構(gòu)建一條健康的河流。

2調(diào)查研究方法

本研究以萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地為研究對象，以濕地建設(shè)過程調(diào)查、現(xiàn)場測量統(tǒng)計、衛(wèi)片數(shù)據(jù)分析為調(diào)查研究手段，測算萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水濕地內(nèi)的植物、土壤、水體等要素的碳匯能力。

2.1 調(diào)查成果

結(jié)合豎向高程和植被現(xiàn)況，依據(jù)水文、植物種植面積、土壤面積等基本指示特征和濕地演替過程，將尾水人工濕地分為潛流人工濕地和近自然人工濕地2類。

2.1.1潛流人工濕地

研究區(qū)域內(nèi)潛流人工濕地面積為2萬m2。根據(jù)實地勘測統(tǒng)計，潛流人工濕地上植物主要為千屈菜、花菖蒲及黃花鳶尾，共計2萬m2。

2.1.2近自然人工濕地

研究區(qū)域內(nèi)近自然人工濕地分為開闊水域（水深1m以上）、深沼澤（水深0.5～1m）、淺沼澤（水深0～0.5m）、喬灌木沼澤4種類型。根據(jù)實地勘測，近自然人工濕地植物品種較多，共有喬木9種，包括毛白楊、欒樹、國槐等；灌木4種，包括紫荊、華北紫丁香等；地被植物7種，包括馬藺、紫穗狼尾草、鳶尾、三七景天等；挺水植物7種，包括水生美人蕉、千屈菜、香蒲等；沉水植物3種，包括菹草、苦草等。

2.2 濕地碳匯計算方法

2.2.1" 碳匯計算方法

2.2.1.1潛流人工濕地碳匯計算

根據(jù)文獻(xiàn)資料潛流人工濕地碳收支按式（1）、式（2）進(jìn)行估算[2]，植物混合種植潛流人工濕地植物年固碳量為0.55kgC/m²，土壤固碳量為1.05kgC/m2。

ΔC=C_input-C_output （１）

式中 ΔC——碳含量變化；C_input——物質(zhì)輸入的量；C_output——物質(zhì)輸出的量。

ΔC=ΔC_plant+ΔC_soil+ΔC_wastewater-C_GHG（CH4） （２）

式中 ΔC_plant——單位面積植被有機碳含量，gC/（yr/m²）； ΔC_soil——單位面積土壤有機碳含量，gC/（yr/m²）； ΔCwastewater——單位面積水體碳含量，gC/（yr/m²）； C_GHG（CH4）——單位面積CH4排放通量，gC/（yr/m²）。

2.2.1.2近自然人工濕地碳匯計算

在不同分區(qū)的樣方內(nèi)，按式（3）分別計算樣方內(nèi)植被W、土壤、水體等因素的碳匯能力。

W_灌草 =M_灌草 ×A_灌草" （３）

式中 W灌草——不同灌木、地被及水生植物的平均碳匯量，kg/a；M灌草——不同灌木、地被及水生植物的年均單位面積碳匯速率，kg/（m2·a）；A灌草——樣方內(nèi)不同植物的種植面積，m²。

單株喬木的年固碳量數(shù)據(jù)參考王華祥[3]關(guān)于不同類型喬木的碳儲量的研究成果；灌木的單位面積固碳量數(shù)據(jù)參考于寧等[4]關(guān)于灌木樹種生態(tài)效益評價的研究成果，地被的單位面積固碳量數(shù)據(jù)參考張青云等[5]關(guān)于華北地區(qū)城市綠地固碳能力的研究成果；水生植被的單位面積固碳量數(shù)據(jù)參考潘寶寶[6]關(guān)于水生植物群落碳儲量的研究成果，確定植物的年固碳量。

根據(jù)葉辰等[7]關(guān)于北京翠湖國家城市濕地公園碳匯的研究成果 ，整理得到近自然人工濕地中淺沼澤、喬灌木沼澤的土壤年固碳量分別為2.01kgC/m²、2.59kgC/m²；開闊水域及深沼澤中水體、底泥及沉積物的年固碳量分別為0.6kgC/m²、0.38kgC/m²。

2.2.2" 碳排放量計算方法

2.2.2.1潛流人工濕地碳排放量計算

潛流人工濕地內(nèi)碳排放主體為植物、土壤呼吸作用釋放的CO2及植物根莖和微生物厭氧活動釋放的CH₄。依據(jù)呼斯樂[2]關(guān)于水平潛流人工濕地溫室氣體排放影響因素及碳收支的研究成果，確定潛流人工濕地年均碳排放量為7.74kg/（m²·a）。

2.2.2.2近自然人工濕地碳排放量計算

近自然人工濕地內(nèi)碳排放主體為濕地水生植物、陸生植物、濕地土壤及微生物。依據(jù)葉辰等[7]關(guān)于北京翠湖國家城市濕地公園碳匯的研究成果，確定喬灌木沼澤、淺沼澤、深沼澤、開闊水域的單位面積碳排放速率分別為1.06kgC/m²、

3.49kgC/m²、3.09kgC/m²、2.16kgC/m²。

3研究區(qū)碳匯估算

3.1" 潛流人工濕地碳匯估算

萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地中潛流人工濕地面積為2萬m²。根據(jù)各要素的年固碳量計算得到濕地的碳匯能力，如表1所示。

3.2" 近自然人工濕地碳匯估算

萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地中近自然人工濕地面積為9.9萬m²，碳匯主體為濕地水生植物、濕地陸生植物及濕地土壤等，根據(jù)文獻(xiàn)資料確定不同植物的碳匯能力，并根據(jù)各因素的年固碳量計算得出濕地的碳匯能力，如表1所示。

4研究區(qū)碳匯能力評價與分析

4.1" 濕地碳匯能力評價與分析

經(jīng)各分區(qū)計算，萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地具有58.4t的年凈碳匯量，單位面積凈碳匯速率能夠達(dá)到0.5kg/（m2·a），具有較好的碳匯效果。但各分區(qū)單位面積固碳速率、碳排放速率與年凈碳匯速率仍存在一定的差異。根據(jù)表2得出，①近自然人工濕地各分區(qū)碳匯效益優(yōu)于潛流人工濕地；②近自然人工濕地中各分區(qū)年凈碳匯量排序為喬灌木沼澤＞淺沼澤＞深沼澤＞開闊水域；凈碳匯速率排序為喬灌木沼澤＞淺沼澤＞開闊水域＞深沼澤。其中，喬灌木沼澤碳匯效益最高，主要原因為喬灌木沼澤中選用的植物品種最為豐富、植被覆蓋率較高、生物量較為豐富，其碳匯效益最好。開闊水域及深沼澤呈現(xiàn)為碳源，主要原因是開闊水域及深沼澤主要為河流濕地，受其光照強度及水深影響，可選用的植物品種較少，植被覆蓋率較低，其碳匯效益較差。

4.2濕地植物碳匯能力評價與分析

濕地碳匯能力與植物品種有關(guān)，不同植物種類對污染物截污及濕地碳匯能力的影響也有所區(qū)別。根據(jù)不同植物的年固碳量的計算，落葉喬木固碳量最高，高大的落葉闊葉喬木，如毛白楊、欒樹、國槐等，年固碳量可達(dá)93.34kg/株，山杏、碧桃、紫葉李等落葉小喬木年固碳量為43.68kg/株，常綠針葉喬木云杉年固碳量較低，僅為9.29kg/株；灌木中，植株較為高大的紫荊、華北紫丁香年固碳量≥30kg/m²，珍珠梅、棣棠等次之，年固碳量范圍在2～14kg/m²；地被植物年固碳量明顯較少為0～3kg/m2，不同植物品種之間具有明顯差異，馬藺、紫穗狼尾草年固碳量＞3kg/m²，鳶尾、三七景天年固碳量為0.51kg/m²、0.17kg/m²；水生植物中，水生美人蕉具有明顯的固碳優(yōu)勢，年固碳量13.15kg/m²，遠(yuǎn)高于其他水生植物，千屈菜和香蒲次之年固碳量在3～5kg/m²的范圍，水生植物中黃花鳶尾、花菖蒲及沉水植物菹草、苦草年固碳量僅為0～0.5kg/m²。

在萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地項目中，濕地類型不同，植物群落層次不同，固碳量存在明顯差異，喬灌木沼澤年固碳量排序為淺沼澤＞開闊水域＞深沼澤?？梢钥闯?，隨著植物層次及數(shù)量的增多，固碳率有明顯的增加，喬木+灌木+地被+水生植物的喬灌木沼澤多層種植層次固碳量最高，只有沉水植物的深沼澤單一種植層次的固碳量最低。因此，在濕地建設(shè)中，可多運用喬灌草水生結(jié)合的復(fù)合多層次的植物群落提高濕地的碳匯量。

結(jié)論

以萊陽市食品工業(yè)園污水處理廠尾水人工濕地為研究對象，探求其生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳匯價值，初步估算其各分區(qū)的固碳量及碳排量，并針對其各分區(qū)年凈碳匯量，進(jìn)行濕地各分區(qū)的碳匯績效評價。①近自然人工濕地中以喬灌木、地被植物為主的喬灌木沼澤碳匯效益最高，單位面積凈碳匯速率約為4.163kg/（m2·a）。②近自然人工濕地中的開闊水域及深沼澤呈現(xiàn)為碳源，濕地CO2及CH4的排放量大于植物及土壤的固碳量。③潛流人工濕地呈現(xiàn)為碳源，濕地CO2及CH4的排放量大于植物及土壤的固碳量。④在人工濕地建設(shè)中，可通過運用喬灌草水生結(jié)合的復(fù)合多層次的植物群落提高濕地的碳匯量，以及充分利用立體空間，增加濕地單位面積的綠量。

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作者簡介

李文達(dá)（1971—），男，漢族，山東煙臺人，高級工程師，大學(xué)本科，主要研究方向為環(huán)境工程。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-26