人工濕地作為一個(gè)多功能的特殊生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出的環(huán)境反饋?zhàn)饔靡彩嵌喾矫娴摹Ｄ壳?，溫室氣體（CO₂、CH₄和N₂O）引起的全球變暖已成為各國(guó)政府和科學(xué)家共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中，關(guān)于人工濕地污水處理過(guò)程中溫室氣體釋放的研究主要集中在人工濕地中的溫室氣體釋放機(jī)理、特征及其影響因素等方面。

當(dāng)前，全球氣候變暖已成為全球面臨的重大環(huán)境問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）指出，過(guò)去100年（1906-2005）間全球平均地表溫度升高了0.74℃，且監(jiān)測(cè)表明，全球氣候變暖很可能（90%）是由人為溫室氣體增加所引起的。溫室氣體是指能夠強(qiáng)烈地吸收地面和大氣散射的長(zhǎng)波紅外輻射的一些氣體，其中，CO₂、CH₄、N₂O為《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書(shū)》明確規(guī)定的強(qiáng)制減排的主要溫室氣體。

1溫室氣體的源與匯

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于大氣中CO₂、CH₄和N₂O的源與匯進(jìn)行了大量研究工作，但由于研究方法所限，或是低估了已知源的強(qiáng)度，或是某些釋放源尚未被發(fā)現(xiàn)，大氣中溫室氣體釋放源（吸收匯）的問(wèn)題尚未得到解決。世界氣象組織（WMO）指出，自18世紀(jì)晚期以來(lái)，大氣中增加的CO₂的濃度主要與人類活動(dòng)有關(guān)，40%的CH₄為自然源（主要來(lái)自于濕地中有機(jī)碳的厭氧分解），其余60%的來(lái)源于人類活動(dòng)，而釋放到大氣中的N₂O有1/3左右來(lái)源于人類活動(dòng)。CO₂、CH₄和N₂O釋放的人為源主要包括：化石燃料和生物質(zhì)燃燒，畜牧養(yǎng)殖，農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)，廢棄物處置（固體廢物填埋和污水處理)。

天然濕地生態(tài)系統(tǒng)作為碳源（匯）和N₂O源，在全球溫室氣體源匯轉(zhuǎn)化過(guò)程中有著重要的地位和作用。濕地作為碳匯是指將CO₂轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)，并形成穩(wěn)定的有機(jī)土壤復(fù)合物；據(jù)估計(jì)，全球濕地碳儲(chǔ)量可達(dá)450Pg，碳累積速率為8~480g-C/m2/y，占全球土壤總有機(jī)碳庫(kù)的三分之一。濕地作為碳源是指厭氧狀態(tài)下CH₄的排放及好氧狀態(tài)下有機(jī)物氧化作用而導(dǎo)致CO₂的排放；據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，濕地CH₄平均排放量為109~145Tp/y左右，占全球甲烷排放量總源的20~26%。濕地具有較高的N₂O排放速率，是N₂O的源或匯，其N(xiāo)2O平均通量為21~657Tmg/m2/y。

當(dāng)前，以去除有機(jī)物及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為主要目的的污水處理設(shè)施，在其去污過(guò)程中勢(shì)必產(chǎn)生CO₂、CH₄、N₂O，使其成為一個(gè)連續(xù)的溫室氣體發(fā)生器。據(jù)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》研究報(bào)道，污水處理過(guò)程中釋放的溫室氣體占全球人為溫室氣體總釋放量的0.18%。由此可見(jiàn)，人工濕地作為模擬天然濕地的特殊污水處理系統(tǒng)，其去污過(guò)程中溫室氣體釋放問(wèn)題不容忽視。

2人工濕地溫室氣體的釋放研究

（1）人工濕地溫室氣體的釋放機(jī)制

①CO₂和CH₄釋放機(jī)制

人工濕地可通過(guò)植物光合作用固定大氣中的CO₂，但人工濕地植物固定的部分有機(jī)物又通過(guò)自身呼吸作用和微生物的氧化分解作用以CO₂的形式進(jìn)入大氣。此外，在好氧環(huán)境下，一方面，系統(tǒng)微生物對(duì)有機(jī)物的分解代謝過(guò)程生成CO₂，并提供微生物生命活動(dòng)所需要的能量。另一方面，微生物合成代謝過(guò)程中的內(nèi)源呼吸過(guò)程也將一部分細(xì)胞質(zhì)氧化分解，產(chǎn)生CO₂。濕地系統(tǒng)生成的最終通過(guò)水大氣、植物大氣及基質(zhì)大氣等傳輸途徑釋放向大氣。

人工濕地中CO₂和CH₄的釋放機(jī)制

人工濕地釋放是系統(tǒng)中生成、氧化和傳輸釋放三個(gè)過(guò)程相互作用的結(jié)果。CH₄的生成主要有兩條途徑：厭氧發(fā)酵和還原，其中起作用的主要是以下4種微生物:1)水解微生物區(qū)系:將聚合物水解成單體(如：葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等），這類微生物包括好氧細(xì)菌、厭氧細(xì)菌和兼性細(xì)菌；2)發(fā)酵微生物：將單體化合物以及在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的中間態(tài)化合物酸化，該類群的微生物包括兼性細(xì)菌和嚴(yán)格的厭氧菌；3)綜合營(yíng)養(yǎng)型和專性產(chǎn)醋酸的微生物區(qū)系：將以往的代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成醋酸；產(chǎn)甲焼菌將簡(jiǎn)單的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷。CH₄的氧化途徑主要有兩種，1）高親和力氧化，這類氧化在CH4濃度接近大氣甲烷濃度時(shí)即可發(fā)生；2）低親和力氧化，這類氧化在CH4濃度高于40*106時(shí)才會(huì)發(fā)生。由濕地系統(tǒng)向大氣的傳輸途徑也包括水-大氣、植物-大氣及基質(zhì)-大氣等三個(gè)階段：甲燒傳輸過(guò)程主要是分子擴(kuò)散過(guò)程和氣泡擴(kuò)散過(guò)程；甲院由植物到大氣的傳輸主要包括簡(jiǎn)單分子擴(kuò)散過(guò)程，在通氣組織中氣體對(duì)流過(guò)程以及滲流過(guò)程。

②N₂O釋放機(jī)制

人工濕地中N₂O主要是通過(guò)微生物的摘化和反硝化作用釋放向大氣。目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為N₂O是不完全硝化作用和不完全反硝化作用的產(chǎn)物。

下圖為人工濕地中N₂O的主要釋放過(guò)程。摘化過(guò)程是指NH₄⁺在好氧條件下被氧化NO₃^-為的過(guò)程，包括亞硝化和確化兩步，分別由氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌完成。過(guò)程中參與反應(yīng)的酶主要有氨單加氧酶、經(jīng)氨氧化還原酶和亞硝酸氧化還原酶。由圖可看出，既不是硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物也不是最終產(chǎn)物，因此推測(cè)它應(yīng)該是這一過(guò)程的副產(chǎn)物，且的生成主要集中在亞硝化過(guò)程。

人工濕地中N₂O的釋放機(jī)制

生物反硝化過(guò)程是在缺氧或厭氧條件下，將NO₃^--N和NO₂^--N還原為N₂的生物反應(yīng)過(guò)程。反硝化過(guò)程分四個(gè)階段進(jìn)行，參與催化的酶包括：硝酸鹽還原酶、亞確酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和氧化亞氮還原酶。由圖可見(jiàn)，與N₂O硝化過(guò)程不同，是反硝化過(guò)程的中間產(chǎn)物。在上述反硝化過(guò)程中，NO₂^--N、NO、與N₂O等中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)物都有可能出現(xiàn)。