自由水面流人工湿地气体排放的季节性变化规律及多参数耦合调控机制研究

针对人工湿地温室气体排放抵消环境效益的科学难题，研究人员通过正交试验揭示了自由水面流人工湿地(FWS CWs)中NH3、CO2、CH4和N2O排放通量与设计参数、水力性能及微生物群落的关联规律，发现水深和进水总氮(TN)浓度是关键调控因子，为湿地多目标优化设计提供了重要依据。

　　

在全球气候变化背景下，湿地作为"地球之肾"却暗藏生态悖论——仅占陆地面积5%的湿地贡献了超过20%的全球甲烷(CH₄)排放。自由水面流人工湿地(FWS CWs)因其卓越的污水处理能力被广泛应用，但其温室气体排放通量可达自然湿地的2-10倍，这种"治水增气"的现象严重抵消了环境效益。更棘手的是，CH₄的百年尺度全球增温潜势(GWP)是二氧化碳(CO₂)的34倍，而氧化亚氮(N₂O)的温室效应更为惊人。面对水污染治理与碳中和的双重压力，如何破解人工湿地"减排"与"净化"的博弈困局，成为环境工程领域的重大科学命题。

江西省灌溉试验中心站的研究团队在《Ecological Engineering》发表的研究，通过创新的正交试验设计，首次系统揭示了FWS CWs气体排放的时空变异规律及其驱动机制。研究团队在亚热带季风气候区建立了混凝土结构试验场，采用L₉(3⁴)正交表控制水深、长宽比、植物密度和进水TN浓度四个参数，运用静态箱-气相色谱法监测NH₃、CO₂、CH₄和N₂O排放通量，结合高通量测序分析微生物群落结构，通过Pearson相关性分析揭示多因素耦合作用机制。

季节性变化特征
数据显示温暖季节CH₄排放通量可达寒冷季节的10倍，NH₃和CO₂也呈现显著季节差异。这种变异主要源于温度驱动的微生物代谢活性变化：温暖季节硝化螺旋菌门(Nitrospirota)相对丰度与CH₄排放呈负相关，而浮霉菌门(Planctomycetota)在初冬与NH₃排放显著正相关。

设计参数调控效应
水深被证实是最关键的控制因子：增加水深可同时抑制CO₂、N₂O排放和NH₃挥发，但对CH₄排放具有"双刃剑"效应——浅水区好氧环境抑制产甲烷菌，深水区厌氧条件却促进CH₄生成。进水TN浓度则通过改变系统碳氮比(C/N)显著影响N₂O排放，最佳TN负荷区间可实现脱氮效率与减排的协同。

多目标优化启示
研究建立了气体排放与水力效率的量化关系模型，发现高长宽比设计能同步降低CO₂、N₂O排放并提升水力效率。土壤C/N比在寒冷季节与CO₂/CH₄排放显著正相关，这为基质改良提供了新思路。

这项研究突破了传统单因素分析的局限，构建了"参数-性能-排放"的响应网络，为人工湿地的低碳设计提供了理论基石。其创新性体现在三个方面：首次阐明Nitrospirota菌门对CH₄排放的季节性抑制规律；建立水深梯度与多气体排放的非线性关系模型；提出基于正交试验的多目标优化框架。这些发现对实现"双碳"目标下的生态工程设计具有重要指导价值，特别是在处理农业面源污染时，可通过调节水深(0.3-0.5m)和TN负荷(<15mg/L)的组合，在保证脱氮效率(>60%)前提下将CH₄排放降低40%以上。未来研究可进一步探索植物-微生物互作机制，开发基于生物调控的湿地碳中和关键技术。