人工湿地季节性动态缓解水体褐变效应的优化策略与机制研究

本研究通过季节性对比实验，揭示人工湿地深度和水力停留时间(WRT)对缓解水体褐变(brownification)的关键作用。实验证明夏季1-2天、秋季2天的WRT能实现最大40-65%的吸光度(Abs420 )降低和25%的总有机碳(TOC)降解，同时保持脱氮功能，为湿地设计提供了重要参数。

　　

季节性动态下人工湿地缓解水体褐变的机制研究

引言
湿地作为仅占陆地面积6%的生态系统，在碳氮循环中发挥关键作用。近年来北方淡水区普遍出现因溶解性有机碳(DOC)和铁(Fe)复合物增加导致的水体褐变(brownification)现象，严重影响渔业、饮用水安全和生态服务功能。人工湿地通过微生物降解、光氧化和絮凝等过程干预碳循环，但其季节性优化策略尚不明确。

研究方法
实验在瑞典南部18个小型人工湿地开展，设置深褐变(0.6m)、浅褐变(0.35m)和浅对照三组处理，分别在2023年6月(夏季)和11月(秋季)进行11天静态实验。通过添加泥炭提取物模拟高碳输入，监测吸光度(Abs₄₂₀
)、总有机碳(TOC)和总氮(TN)的动态变化。采用EXO2多参数探头现场测定水温、pH和溶解氧，实验室通过TOC-L分析仪和紫外分光光度计进行样品分析。

关键发现

1. 碳去除效率：夏季2天和秋季1天的WRT可实现25%的TOC降解，DOC占总TOC的93%。深水湿地(0.6m)在夏季表现出更稳定的褐变缓解效果。
2. 水色改善：夏季1天WRT使Abs₄₂₀
   降低40%，秋季2天可达65%。但浅水湿地夏季超过4天后出现Fe(II)释放导致的二次褐变。
3. 脱氮协同：TN浓度从初始7 mg/L降至0.8 mg/L，碳添加未显著影响脱氮效率(p>0.05)，证实褐变治理与脱氮功能的兼容性。

机制探讨
夏季高温促进微生物降解但伴随溶解氧下降(<20%)，导致沉积物中Fe-OC复合物释放。深水湿地因体积缓冲作用减缓了这种效应。UV降解在夏季浅水区更显著，但被内源有机碳(autochthonous OC)生产部分抵消。秋季低温条件下，延长的WRT增强了光化学降解效率。

应用价值
研究建议人工湿地设计采用0.6-1m深度配合1-2天WRT，既可避免夏季内部碳生产导致的二次污染，又能维持脱氮功能。该成果为多目标湿地设计提供了量化参数，特别适用于受森林径流影响的北方水域治理。

未来方向
需进一步探究：1)Fe-OC耦合机制在湿地沉积物-水界面的动态；2)挺水植物对Fe循环的调控作用；3)不同DOC分子量组分的降解优先级。这些发现将完善湿地作为"碳中和-水质净化"双功能系统的理论基础。