發(fā)布時間：2020-06-02 04:51

【摘要】：人工濕地甲烷(CH_4)排放對于全球大氣中甲烷的濃度起著至關(guān)重要作用。是甲烷自然排放的主要來源。在人工濕地中,甲烷首先由基質(zhì)中的產(chǎn)甲烷菌厭氧條件下產(chǎn)生甲烷,經(jīng)甲烷氧化菌的氧化,通過植物傳輸、冒泡和擴(kuò)散傳輸三種途徑釋放到大氣,而植物傳輸為主要方式。因此,研究人工濕地中甲烷在植物中傳輸規(guī)律對于控制人工濕地甲烷排放的研究對保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。本文通過宏觀實(shí)驗(yàn)與微觀模擬結(jié)合探討風(fēng)車草垂直流人工濕地甲烷傳輸與排放規(guī)律。一方面,人工構(gòu)建垂直流人工濕地,利用單片機(jī)控制氣體檢測器在線監(jiān)測四組垂直流人工濕地甲烷排放情況。另一方面,在排放監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將單株風(fēng)車草作為研究對象,探究風(fēng)車草莖的高度分別在0-25 cm、25-60 cm和60-95 cm時的甲烷傳輸效率。在微觀實(shí)驗(yàn)上,利用電鏡掃描對風(fēng)車草的根、莖進(jìn)行解剖以構(gòu)建植物內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)。以監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)初始數(shù)據(jù),從微觀角度模擬甲烷在不規(guī)則植物根系、莖部導(dǎo)氣管中運(yùn)動過程以探索甲烷在植被體內(nèi)中的傳輸途徑,利用仿真模型與本文中的風(fēng)車草莖的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了模型的可靠性。通過在線監(jiān)測得出季節(jié)性變化對垂直流人工濕地甲烷排放量的影響顯著。自然狀況下,壯年3株和壯年9株從春季(3、4、5月)到冬季(12、1、2月)甲烷排放通量趨勢一致,且甲烷排放通量在10月(壯年3株)、11月(壯年9株)最大,分別為974.375、1033.125μg/m~2/day;幼年3株和幼年9株甲烷排放通量均在夏季最大,分別為527.083和917.708μg/m~2/day,而壯年3株和壯年9株甲烷排放通量在秋季最大,分別為939.167和1004.167μg/m~2/day。溶解氧、電導(dǎo)率、TC、TN是影響甲烷排放的因素。本研究選用多項(xiàng)式回歸模型,得出甲烷傳輸效率和氣溫(_1x)之間滿足關(guān)系式,其中:。同時得出甲烷傳輸效率和水溫(~x2)之間滿足關(guān)系式,其中:y(28)-0.012x_2 ~2(10)0.412x_2-3.24,(R~2(28)0.618,P(28)0.005)。氣溫和水溫是影響甲烷排放量的最重要的兩個因子,分別占百分比60%和19%。通過研究單株風(fēng)車草不同時期不同部位對甲烷的傳輸效率得到:風(fēng)車草甲烷釋放效率在莖的高度分別在0-25 cm、25-60 cm和60-95 cm時均差異顯著(p0.05),且發(fā)育期甲烷的平均傳輸量較大。發(fā)育期甲烷平均傳輸量在莖的25-60 cm部位最大為0.192μg/m~2/s。成熟期甲烷平均傳輸量在莖的0-25 cm部位最大為0.033μg/m~2/s。衰老期甲烷平均傳輸量在莖的25-60 cm部位最大為0.078μg/m~2/s。本研究考慮了多相流多孔介質(zhì)模型、小雷諾數(shù)層流運(yùn)動、瞬間交界面情況、相間力、壁面曳力、溫度變化對甲烷傳輸?shù)牡挠绊�。通過對風(fēng)車草根、莖中甲烷傳輸數(shù)學(xué)模型的建立與仿真,得到甲烷在根、莖中的運(yùn)動分布規(guī)律。根據(jù)全年平均甲烷排放作為進(jìn)口條件時,甲烷在主根間的傳輸與四層流域(C1、C2、C3、C4)孔隙率關(guān)系高度一致,甲烷主要沿導(dǎo)管方向傳輸,橫向傳輸存在但非常小。四層流域出口處從內(nèi)至外甲烷傳輸體積分布占整體值分別為24.3%、22.9%、31.3%和21.5%。根據(jù)甲烷日排放規(guī)律作為進(jìn)口條件時先后出現(xiàn)分層流-波動流-彈狀流的一系列的變化。風(fēng)車草莖的兩層流域(C5、C6)從內(nèi)至外分別為59.1%和40.9%。模擬結(jié)果的甲烷莖頂端出口排放效率為83%;甲烷表皮排放效率為16%。莖的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的頂端出口排放效率范圍為76%-82%;表皮逸散比例范圍為16%-20%,兩者保持一致趨勢。本研究通過前期對葉的結(jié)構(gòu)的解剖發(fā)現(xiàn)相對于根和莖,葉的微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、多樣,因此如何統(tǒng)一并簡化葉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬是下一步探討的難點(diǎn)。植物尺度嚴(yán)重影響內(nèi)部流場遵循的規(guī)律,微尺寸模擬是學(xué)術(shù)界的難點(diǎn)。而風(fēng)車草中甲烷的傳輸應(yīng)該經(jīng)歷完整從基質(zhì)層-根-莖-葉-大氣的完整生命歷程,且由于主根的物理尺寸過小,難以選取合理材料還原驗(yàn)證試驗(yàn)。以上將是下一步探究的重點(diǎn)。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

11圖 2.1 垂直流人工濕地在線監(jiān)測裝置（a、裝置實(shí)物圖； b、裝置設(shè)計圖）Fig. 2.1 On-line monitoring device for methane emission from vertical flow constructed wetland.（a、Device physical diagram; b、Device design drawing）
【學(xué)位授予單位】：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X171

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本文編號：2692632