高寒地區(qū)濕地公園不同深度地溫變化規(guī)律研究＊

李含雄，張高軍，董亮亮，王永軍，魏玉朝，魏 征，陸海軍，袁月祥

（1.中國科學院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.蘭州新區(qū)城建工程有限公司，甘肅 蘭州 730300）

當今城市化發(fā)展的今天，生活污水和工業(yè)污水的排放與無害化處理需求的矛盾日益劇增[1]，建造人工濕地不僅恢復生態(tài)[2]，同時也能應用于污水治理[3]，尤其是可應用于小型鄉(xiāng)村生活污水處理和城市污水處理廠尾水的深度凈化[4]。將污水導入人工濕地填料層，利用填料層中的微生物降解廢水的有機成分[5]，同時通過地表種植的植物吸收其重金屬[6]，二者協(xié)同的方式構建生態(tài)濕地模式具有巨大的經(jīng)濟價值和生態(tài)效益[7]。由于生物生存受環(huán)境因素限制，而高寒地區(qū)的低溫環(huán)境是限制生物生長的主要因素，因此準確了解濕地公園的地表與地下溫度對濕地公園的建設與后期運行管理具有重要意義[8]。有關高寒地區(qū)寒冷季節(jié)地溫研究文獻較少。

本文以蘭州新區(qū)秦王川濕地公園為例，連續(xù)監(jiān)測冬春季地表與不同深度地下溫度，分析蘭州濕地公園冬春季節(jié)溫度變化規(guī)律，為蘭州新區(qū)及相似地區(qū)人工濕地的設計與運行管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗條件

1.1.1 實驗器材

實驗器材如下：一體式PT100熱電阻溫度傳感器15支，wecon可編程控制器1臺。

1.1.2 試驗地點

試驗地點為甘肅省蘭州新區(qū)秦王川濕地公園內。

1.2 地溫監(jiān)測設計

在秦王川濕地公園內選取一塊地面平坦、離水面約10 cm的區(qū)域，設置﹣120 cm、﹣90 cm、﹣60 cm、﹣30 cm，4個不同的地下深度，將溫度傳感器豎直插入地下，使溫度傳感器的探頭分別位于地下120 cm、90 cm、60 cm和30 cm。每個深度設置3個溫度傳感器，3個重復間隔20～30 cm。地面設1個未完全封閉的箱子，里面放置控制器，在箱子內放置3個溫度傳感器測定地表氣溫（探頭露出箱子5～10 cm，離地約30 cm）。將各傳感器的數(shù)據(jù)線、電源線分別接入控制器內，每2 min記錄1次數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測記錄每個傳感器當前溫度。

1.3 地溫數(shù)據(jù)分析

地溫監(jiān)測系統(tǒng)正式運行于2020-01-19T18：00，連續(xù)監(jiān)測至04-30。將測得的數(shù)據(jù)運用數(shù)據(jù)處理軟件整理成表，刪除其中的錯誤數(shù)據(jù)，計算有效數(shù)據(jù)的平均值作為當前時間對應深度的地溫。

選擇連續(xù)一段時間內的不同深度地溫進行對比分析，研究不同深度之間地溫日變化之間的關系，并分析不同深度溫度的日間規(guī)律；然后選擇試驗期間（103 d）地表溫度數(shù)據(jù)單獨匯總分析，討論冬季和春季地表氣侯變化規(guī)律；最后將試驗期間地下不同深度地溫進行匯總分析，討論不同深度地溫對氣候回暖的響應。

2 試驗結果與分析

2.1 2月不同深度地溫變化分析

由于試驗時間太長，數(shù)據(jù)量大，因此僅以最寒冷的2月前半月測量數(shù)據(jù)作圖詳細分析不同深度地溫的變化規(guī)律，按每間隔1 h的溫度數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖1所示。

由圖1發(fā)現(xiàn)垂直方向上，地表氣溫受到光照而波動巨大，溫度整體集中在夜間段（低溫段），到了地下30 cm處晝夜溫差僅有1℃左右，并且2月上半旬地下30 cm溫度達到最高值平均在22∶20左右，與日最高溫度平均相位差約7.5 h，此時地表地溫平均為﹣4℃左右；而深層60 cm及以下深度地溫基本不受晝夜溫度變化影響。從數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)濕地公園土壤具有很強保溫能力。

圖1 2020-02（前半月）不同深度地溫變化圖

2.2 地表氣溫變化分析

由于地表溫差較大，整理01-19—04-30的地表氣溫，按每間隔1 h的溫度數(shù)據(jù)繪制曲線，地表氣溫隨時間的變化情況如圖2所示。

分析圖2發(fā)現(xiàn)，地表氣溫隨著晝夜交替，晝夜溫差最高超40℃，同時晝夜溫差變化隨時間的推移，并沒有明顯增加的趨勢。另外，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)濕地公園在02-25之后地表夜間溫度才能基本維持在0℃以上，地表氣溫對植物影響巨大，反復凍融使得植物無法正常生長，且對表層土壤微生物代謝繁殖威脅巨大。而02-25后試驗期間，溫度并沒有上升趨勢，而且夜間溫度也很低，但基本都維持在0～5℃。

圖2 表層地溫變化圖

2.3 不同深度地下地溫整體規(guī)律探討

建設濕地公園旨在打造綠色環(huán)境的同時利用地下生態(tài)環(huán)境，使用功能菌劑和濕地植物對廢水進行生態(tài)凈化，因此環(huán)境溫度成為了影響植物根系和細菌繁殖的主要因素，全方位了解冬季和春季地下溫度情況對濕地建設與運營管理具有重要的參考意義。試驗選取了地下30 cm、60 cm、90 cm和120 cm深度地溫數(shù)據(jù)，按每隔1 h的數(shù)據(jù)分析匯總，結果如圖3所示。從圖3可知，﹣30 cm和﹣60 cm地溫從實驗開始便緩慢上升，日均溫度分別從最初2.97℃、7.83℃逐步上升到13.4℃、12.23℃，日均溫差最大分別為10.43℃、4.42℃，濕地公園地下30 cm以下的土壤全年溫度都維持在0℃之上，確保人工濕地中、下層土壤微生物生長的氣溫條件，也保證了多年生植物根系的正常代謝；﹣120 cm、﹣90 cm的地溫分別從11.03℃、10.27℃下降到10.72℃、10.14℃后再回升到11.47℃、11.42℃。深層地溫的最低溫延后于淺層地溫是因為外界低溫向地下傳導需要一定的時間，地表最低溫與地下120 cm深度最低溫時間相位差約1個月，說明土壤具有較好的保溫能力。

圖3 不同深度地下地溫變化圖

實驗統(tǒng)計了每次檢測數(shù)據(jù)中的歷史最低與最高溫度，各地下層的最低溫、最高溫和溫差如表1所示，從表1可知，隨著地下深度增加，最低地溫在逐漸提高，最低氣溫從﹣30 cm的2.93℃逐步增加到﹣120 cm的10.67℃；實驗期間的溫差則隨著地下深度的增加而減少，溫差從﹣30 cm的11℃逐步減少到0.9℃，說明冬季深層地下地溫基本能保持恒定，人工濕地項目中處理輕度污染廢水的功能菌生存環(huán)境條件可控。

表1 實驗期不同深度最高/最低地溫與溫差

3 結論

本次試驗研究了蘭州濕地公園地表與不同深度地下氣溫變化規(guī)律。該地區(qū)研究結果表明，地表晝夜溫差大且升溫緩慢，溫度主要集中在低溫段，冬季夜間地表氣溫長期低于0℃；隨著深度增加，最低地溫在逐漸提高，溫差則逐步減少。﹣90 cm及以下區(qū)域地溫能穩(wěn)定維持在10℃以上，確保脫氮除磷等功能微生物的正常生長繁殖的溫度，這也說明蘭州新區(qū)的人工濕地在冬季也具有污水處理能力。

4 討論

本次試驗以蘭州新區(qū)秦王川濕地公園為例探究了冬季地溫的規(guī)律，由于采樣地點在水源附近區(qū)域，地溫主要受地下水的影響，因此能最大限度地客觀反映出濕地公園完全建成并通水運行后的實際地下地溫。本實驗數(shù)據(jù)將為高寒地區(qū)人工濕地的建設與冬季運行管理提供基礎數(shù)據(jù)，有助于高寒地區(qū)人工濕地的推廣應用。目前人工濕地在城市污水處理廠尾水的深度凈化和小型鄉(xiāng)村污水處理中發(fā)揮了較大的作用，但在高寒地區(qū)普遍擔心冬季能否正常運行。從實驗結果可知，冬季，地下60 cm處也基本維持在7.5℃以上，通過實驗證明了西北高寒地區(qū)人工濕地仍然能滿足污水處理的基本溫度條件。這將進一步促進人工濕地在高寒地區(qū)微污染水體處理的應用，經(jīng)過人工濕地處理后的水可以回用于農(nóng)灌用水、景觀用水等，促進水體的循環(huán)利用，尤其是西北地區(qū)普遍缺水的情況下，有助于緩解西北地區(qū)的缺水問題。

雖然濕地公園的優(yōu)勢很大，但也有其局限性，由于本次試驗地點屬于西北高寒地區(qū)，冬季夜間地表長期處于凍土狀態(tài)，植物枯萎，雖然深層地下溫度能保持在10℃以上，但依然影響到微生物的代謝速率，因此急需研發(fā)并篩選出更適用于低溫強效的微生物菌劑，添加高效耐低溫微生物工程菌劑才能在冬季依然達到較好的凈化水源效果。