人工湿地甲烷与二氧化碳通量的时空动态特征及其对全球变暖潜势的影响研究

为评估人工湿地(CWs)作为废水处理绿色技术的可持续性，研究人员首次对英国Ingoldisthorpe人工湿地及邻近自然池塘的CH4和CO2通量进行全年观测。采用漂浮室-气相色谱法揭示：春季-夏季CH4通量(20.52±45.01 mg m?2 h?1)中冒泡通量占比25-93%，年均全球变暖潜势(GWP)达3.76 kg CO2-eq m?2 year?1。该研究为人工湿地碳平衡评估提供了关键数据支撑。

　　

在全球气候变化背景下，人工湿地(CWs)作为低能耗的废水处理技术被广泛推广，但其高有机负荷和水淹环境可能引发显著的温室气体排放。目前关于CWs中甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)通量的时空动态研究存在明显空白，特别是缺乏全年尺度的实地观测数据。英国诺福克郡的Ingoldisthorpe人工湿地系统为此提供了理想的研究场所，该系统由四个串联的浅水池塘组成，接收污水处理厂出水，具有典型的植被覆盖和水文特征。

为揭示CWs的温室气体排放规律，研究团队采用漂浮室结合气相色谱技术，在2023-2024年间进行了六次季节性采样。通过建立温度校正模型和线性回归分析，量化了CH₄的扩散与冒泡通量，并计算CO₂当量排放。同时监测了水体理化参数、流速及气象数据，采用Spearman秩相关分析环境驱动因子。

季节性变异分析显示，CH₄通量呈现显著季节波动，春季最高达492.68 mg m^?2 day^?1，其中冒泡通量贡献56%年排放量。温度被证实是冒泡通量的关键驱动因子，当水温超过20°C时始现冒泡现象。空间分布上，进水口(C_1.I)表现出最高CH₄通量(1050±1443 mg m^?2 day^?1)，而CO₂通量在出水口区域更显著。水文参数分析表明，水深和流速与扩散通量呈正相关(r_s=0.33-0.61)，这解释了高流速区域排放增强的现象。

研究首次报道了英国全尺寸人工湿地的全年温室气体通量，其3.76 kg CO₂-eq m^?2 year^?1的GWP值显著高于芬兰暴雨湿地系统。值得注意的是，虽然CWs的CH₄排放高于自然池塘，但统计学上无显著差异(p>0.05)，这挑战了关于人工系统必然产生更高排放的假设。

该研究的创新性在于同步捕捉了冒泡与扩散通量的时空动态，为优化人工湿地设计提供了科学依据：通过调控水深(0.16-0.2 m)和流速可有效调节气体交换效率；在温暖季节需特别关注进水口区域的冒泡排放。这些发现对完善湿地碳核算模型、指导低碳型人工湿地建设具有重要实践价值，也为评估自然解决方案的气候效益提供了新视角。未来研究需结合植被通量测量和微生物分析，以全面评估人工湿地的净碳平衡。