人工湿地具有污染物去除效率高、建设和运行成本低、管理维护简单等优点，在全球范围内被广泛应用于污水处理。人工湿地对氮和有机物的去除主要依赖于这些元素的生物地球化学过程，其不可避免地会释放一定量的温室气体，因此往往被认定为碳的排放源。但在植物和微生物的作用下，人工湿地也具有不容忽视的碳储存能力，是潜在的碳汇。然而，目前关于人工湿地碳源/汇的研究主要聚焦在温室气体排放方面，对其碳储量的研究极为薄弱，判定人工湿地是碳源还是碳汇尚缺乏足够的科学数据支撑。为此，东北地理所水环境污染与防治研究团队通过大量连续实验，揭示了人工湿地的碳排放与碳储存过程，同步量化了不同植物人工湿地的温室气体排放量及固碳量，发现实验条件下人工湿地是具有强大碳汇功能的生态系统。 研究分别构建了种植单一植物风车草(Cyperus alternifolius)、香蒲(Typhae latifolia)、菖蒲(Acorus calamus)，以及三种植物混合种植的四种处理的水平潜流人工湿地。研究发现，四种处理的人工湿地对COD、NH4+-N、NO3--N和TP的去除效率均大于60%，其中混合种植处理的人工湿地对COD、NH4+-N、NO3--N和TP的去除效率较高，分别达到86.79%、97.41%、98.55%、98.48%;同时，混合种植处理组的CH4和N2O排放量也在四个处理组中最低，因此其全球增温潜势(GWP)最低。微生物分析结果表明，对反硝化作用至关重要的Pseudogulbenkiania属的丰度在混合种植人工湿地中最高，表明反硝化作用在脱氮中占主导地位;种植风车草的人工湿地中nosZ拷贝数最高，说明其对反硝化相关微生物具有促进作用。四种处理人工湿地的碳储存主要来源于植物的光合作用，其次为土壤固碳，其年均固碳量分别为4.90±1.50、3.31±2.01、1.78±1.30和2.12±0.88 kg C/m2/yr。通过综合估算人工湿地的碳排放和碳储存，发现四种处理的人工湿地在本实验条件下均表现为碳的汇，该结论为估算人工湿地在水处理领域的碳中和潜力提供了科学支撑。
图1人工湿地温室气体排放机制与碳固定路径概念图
相关成果发表在《Science of the Total Environment》上，硕士研究生呼斯乐为第一作者，祝惠研究员为通讯作者。该研究得到中国科学院创新交叉团队项目、中国科学院青年创新促进会项目和国家自然科学基金等项目的资助。
论文信息及链接如下：
Sile Hu, Weidong Feng, Yuting Shen, Xiaoling Jin, Yaqin Miao, Shengnan Hou, Hu Cui, Hui Zhu*. Greenhouse gases emissions and carbon budget estimation in horizontal subsurface flow constructed wetlands with different plant species, Science of the total environment. 2024. 927. 172296. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.172296
