洱海北部上游不同修復(fù)類型濕地氮磷分布及污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

蘇 倩 徐紅楓 劉云根# 梁帆帆 邵 晗 王 妍

(1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224)

濕地是內(nèi)陸最重要的水陸交錯(cuò)帶，具有入湖水質(zhì)凈化、穩(wěn)定湖泊岸線、遲滯洪水等多種生態(tài)功能，同時(shí)也是湖泊流域中受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度較高的區(qū)域[1]。圍湖造田、圍湖養(yǎng)魚、灘涂開發(fā)等人類活動(dòng)使湖濱濕地被侵占，濕地生物多樣性下降，生態(tài)環(huán)境承載力嚴(yán)重削弱，生態(tài)自凈能力大大降低。近年來，我國各種類型濕地均出現(xiàn)不同程度的退化，對濕地供水、流域整體生態(tài)安全、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展等功能造成很大影響[2]。洱海作為云南省第二大淡水湖泊，是當(dāng)?shù)刂匾幢Ｗo(hù)地和生存發(fā)展的基礎(chǔ)[3-4]。目前洱海流域水質(zhì)TN、TP污染日益嚴(yán)重[5]，不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人為干擾導(dǎo)致洱海流域濕地污染物濃度增高[6]，因此加強(qiáng)流域面源治理，控制污染擴(kuò)散遷移，提高入湖濕地的攔截凈化效率至關(guān)重要[7-8]。

我國許多學(xué)者對濕地水體氮磷污染進(jìn)行了大量研究，郭金強(qiáng)等[9]對長江水體營養(yǎng)鹽輸入進(jìn)行研究分析，得出營養(yǎng)鹽普遍在冬季濃度較低，營養(yǎng)鹽通量相比過去呈現(xiàn)增加趨勢；林佳等[10]通過采集溪源水庫多期水樣研究對比不同時(shí)期氮磷濃度和浮游植物特征，認(rèn)為建庫蓄水后浮游植物群落發(fā)生改變，水體氮磷濃度顯著增加；金春玲等[11]研究發(fā)現(xiàn)，對洱海西部地表徑流氮磷濃度影響最大的是城鎮(zhèn)用地和高施肥種植區(qū)。目前研究主要對不同流域內(nèi)濕地氮磷污染情況進(jìn)行研究，針對同一流域不同修復(fù)類型濕地水體氮磷分布差異及污染現(xiàn)狀比較的研究較少。洱海上游濕地重建設(shè)、輕管理、少評(píng)價(jià)現(xiàn)象較為突出，為此客觀評(píng)價(jià)洱海流域濕地水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀對于后期洱海水質(zhì)污染防控具有重要價(jià)值。本研究選取洱海北部上游為研究區(qū)域，比較4種不同修復(fù)類型濕地水體氮磷含量空間分布差異，并采用對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)基于TN、氨氮、TP、正磷、溶解氧(DO)5個(gè)指標(biāo)對水體進(jìn)行富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，旨在較全面地比較不同修復(fù)類型濕地水體的污染特征及富營養(yǎng)化差異，以期為洱海上游水資源保護(hù)中的濕地修復(fù)建設(shè)及污染物防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

洱海流域位于云南省大理自治州境內(nèi)(100°5′E ～100°17′E，25°36′N～25°58′N)，屬滄江—湄公河水系，流域面積2 565 km2，2017年開展了保護(hù)洱海“七大行動(dòng)”，實(shí)施環(huán)洱海流域湖濱緩沖帶生態(tài)修復(fù)與濕地建設(shè)項(xiàng)目，旨在削減污染量，保護(hù)入湖水質(zhì)，提升水源涵養(yǎng)功能。

研究選取洱海北部上游4種不同修復(fù)類型的濕地片區(qū)，由南到北分別為人工修復(fù)河口灘地(H)、原生沼澤濕地(Y)、低洼庫塘濕地(K)、人工修復(fù)湖濱濕地(B)，對應(yīng)濕地名稱分別為羅時(shí)江河口濕地、西湖濕地、大樹營濕地及茈碧湖濕地。洱海流域采樣濕地分布見圖1。羅時(shí)江河口濕地位于大理市上關(guān)鎮(zhèn)，為洱海主要入湖河流之一；西湖濕地位于洱源縣右所鎮(zhèn)，是洱海重要水源之一；大樹營濕地同樣位于洱源縣右所鎮(zhèn)，是東湖小流域恢復(fù)建設(shè)的生態(tài)庫塘濕地，是東湖濕地重要的組成部分；茈碧湖濕地位于洱源縣東北部，湖泊面積7.8 km2，是洱海的重要上游補(bǔ)水湖泊。4種濕地結(jié)構(gòu)以湖泊、河口灘地、庫塘為主，每個(gè)濕地中種有蘆葦(Phragmitesaustralis)、茭草(Zizanialatifolia)、香蒲(TyphaorientalisPresl)等挺水植物，羅時(shí)江河口濕地及大樹營濕地除挺水植物外還種有荷花(NelumboSP)、睡蓮(Nymphaeatetragona)等浮水植物，形成各自的濕地水質(zhì)凈化植物配置組合。

圖1 洱海流域采樣濕地分布Fig.1 Sampling wetland distribution in Erhai Lakewatershed landscape

2 研究方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)洱海流域各濕地人為干擾因素、水生植物分布、水域面積及水流分布情況，結(jié)合采樣點(diǎn)布設(shè)原理，在4種濕地較為平整的水域分別設(shè)置12個(gè)采樣點(diǎn)，樣品采集時(shí)間為2020年8月。每個(gè)采樣點(diǎn)均采用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位，采集3個(gè)水樣，共采集144個(gè)表層水樣，水樣均保存于550 mL的聚乙烯塑料瓶中，放置在冷藏箱中保存運(yùn)輸。

將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[12]中的方法進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)測定。其中，DO采用HQ40D便攜式哈希水質(zhì)分析儀(美國哈希)現(xiàn)場測定；TP采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法測定；正磷采用鉬銻抗分光光度法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑比色法測定。

2.2 水體富營養(yǎng)化狀態(tài)評(píng)價(jià)

采用對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)對研究區(qū)域水體進(jìn)行富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)，該方法廣泛應(yīng)用于我國湖泊、水庫及河流水體的富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)中。首先，選取水體TP、正磷、TN、氨氮、DO等指標(biāo)，各指標(biāo)的富營養(yǎng)化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1[13]666。根據(jù)各采樣點(diǎn)不同指標(biāo)實(shí)測值，利用式(1)計(jì)算各指標(biāo)規(guī)范值，利用式(2)計(jì)算水體富營養(yǎng)化綜合指數(shù)[13]667。

表1 水體富營養(yǎng)化指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of water body eutrophication indicators

(1)

(2)

式中：x為各指標(biāo)規(guī)范值；c0為各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L或μg/L；本研究以各指標(biāo)極貧狀態(tài)的限值為標(biāo)準(zhǔn)值；c為各指標(biāo)的實(shí)測值，mg/L或μg/L；EI為水體富營養(yǎng)化綜合指數(shù)；j為指標(biāo)序號(hào)；Wj為指標(biāo)j的歸一化權(quán)重，本研究對5個(gè)指標(biāo)做等權(quán)處理，各指標(biāo)權(quán)重均為0.2；xj為指標(biāo)j的規(guī)范值。

依照水體EI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，評(píng)價(jià)洱海北部上游不同修復(fù)類型濕地水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)。

表2 水體EI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 EI grading standard of water body

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 22.0對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)處理，比較不同濕地之間的差異性，利用Origin 2018制圖，并用ArcGIS 10.5中的反距離權(quán)重插值法對不同修復(fù)類型濕地的TN、TP空間分布進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同修復(fù)類型濕地水體TN、TP空間分布

對4種濕地水體氮磷含量空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同修復(fù)類型濕地TN、TP含量空間變化特征明顯。由圖2可見，4種濕地水體TN在0.44～3.28 mg/L波動(dòng)，介于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ～Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；由圖3可見，濕地水體TP在0.03～0.23 mg/L，介于Ⅰ～Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w看來，4種濕地水體TN、TP空間分布各有特點(diǎn)，TN含量表現(xiàn)為低洼庫塘濕地>人工修復(fù)河口灘地>原生沼澤濕地>人工修復(fù)湖濱濕地，TP含量表現(xiàn)為低洼庫塘濕地>原生沼澤濕地>人工修復(fù)河口灘地>人工修復(fù)湖濱濕地。4種濕地水體TN、TP均在人類活動(dòng)較多的湖邊、村落附近、入水口等區(qū)域含量較高。

圖2 不同修復(fù)類型濕地水體TN空間分布Fig.2 Spatial distribution of TN content in different remediation type wetlands

圖3 不同修復(fù)類型濕地水體TP空間分布Fig.3 Spatial distribution of TP content in different remediation type wetlands

3.2 不同修復(fù)類型濕地水體N/P(質(zhì)量比)的變化特征

N/P是考察水體營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)[14]，常被用作判定水體的營養(yǎng)狀態(tài)。根據(jù)湖泊水體營養(yǎng)鹽限制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15-17]：當(dāng)水體N/P<7時(shí)，水體中氮含量較少，為氮限制；當(dāng)水體7≤N/P<16時(shí)，水體氮磷含量基本適中，但總體仍屬于氮限制；當(dāng)水體16≤N/P<30時(shí)，水體開始表現(xiàn)為磷不足，為磷限制；當(dāng)水體N/P≥30時(shí)，水中氮含量較高，表現(xiàn)為磷限制。

洱海北部上游不同修復(fù)類型濕地水體N/P波動(dòng)較大，有著不同的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)。由圖4可見，4個(gè)濕地不同采樣點(diǎn)的N/P在3.57～18.93波動(dòng)，平均值為10.56，只有3個(gè)采樣點(diǎn)N/P大于16，水體屬于磷限制，其余采樣點(diǎn)N/P均小于16，屬于氮限制，說明洱海北部上游濕地大部分水體氮含量水平較磷低，處于氮限制狀態(tài)。通過N/P平均值比較，洱海北部上游區(qū)域濕地N/P為：人工修復(fù)河口灘地>低洼庫塘濕地>原生沼澤濕地>人工修復(fù)湖濱濕地。

圖4 不同修復(fù)類型濕地水體N/PFig.4 N/P of different remediation type wetlands

3.3 不同修復(fù)類型濕地水體富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2020年洱海北部上游不同修復(fù)類型濕地各采樣點(diǎn)的EI在45.26～66.32波動(dòng)，其中人工修復(fù)河口灘地水體富營養(yǎng)化狀態(tài)在中度營養(yǎng)化偏重富營養(yǎng)化之間，其他3種濕地水體在中度營養(yǎng)化偏富營養(yǎng)化狀態(tài)之間。綜上可知，洱海北部上游濕地水體富營養(yǎng)化狀態(tài)為人工修復(fù)河口灘地>低洼庫塘濕地>原生沼澤濕地>人工修復(fù)湖濱濕地，整體富營養(yǎng)化狀態(tài)為中度營養(yǎng)化偏富營養(yǎng)化狀態(tài)，水體富營養(yǎng)化程度較高。

圖5 洱海北部上游不同修復(fù)類型濕地水體EIFig.5 The EI of different remediation type wetlands in the upper reaches of Erhai Lake

4 討 論

4.1 不同修復(fù)類型濕地水體氮磷含量特征及成因

在4種濕地中，低洼庫塘濕地水體TN、TP含量最高，這是由于濕地本身區(qū)域面積較小，植物組合配置較復(fù)雜，水源是來自農(nóng)村面源污染的混合污水，導(dǎo)致水質(zhì)偏差，水體中營養(yǎng)鹽含量較高[18]。人工修復(fù)河口灘地位于4個(gè)濕地的最南部，是洱海入湖濕地之一，TN、TP為主要污染物，通過濕地對氮磷污染物去除，使得濕地水域TN、TP含量產(chǎn)生空間差異，北部區(qū)域污染物含量高于南部，這與梁啟斌等[19]研究結(jié)果相似。原生沼澤濕地位于洱海北部的西湖片區(qū)，濕地水域與村落相伴，還有污水處理廠相鄰，造成水體營養(yǎng)鹽含量較高，這是由于大量的農(nóng)村生活污水、污水處理廢水及農(nóng)田徑流排入湖中造成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[20]。而人工修復(fù)湖濱濕地位于洱海上游最北部，是洱源縣人民重要的水源庫，濕地水質(zhì)情況較好，采樣區(qū)屬濕地水域外圍，人類活動(dòng)及水生植物種類較多，旅游開發(fā)及植物釋放的營養(yǎng)鹽含量較高，造成湖濱帶區(qū)域水體TN、TP含量高于湖泊東部區(qū)域，湖濱修復(fù)帶對低污染水體具有很好的凈化截留效果[21]。農(nóng)業(yè)面源污染的復(fù)雜性也是造成濕地流域氮磷差異大、難去除的主要原因之一[22]。

4.2 不同修復(fù)類型濕地水體N/P對藻類的影響

洱海北部上游濕地N/P平均值都在30以下波動(dòng)，大部分在16以下，均為氮限制水體。不同濕地N/P的波動(dòng)趨勢不同，這與各濕地分區(qū)結(jié)構(gòu)、植物配置組合、水域面積及污染量等均有一定關(guān)系。此外，水體對藻類生長有嚴(yán)重影響，水華暴發(fā)與藻類密不可分。研究發(fā)現(xiàn)，適宜藻類生長的水體N/P為15～16[23]，可見本研究區(qū)水體營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)較適宜藻類生長，水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)較大。影響湖泊N/P的直接因素是湖泊營養(yǎng)鹽的污染源，綜合分析研究區(qū)觀測數(shù)據(jù)，外源TN、TP的輸入造成濕地水域微生物群落發(fā)生改變，從而進(jìn)一步導(dǎo)致濕地水質(zhì)變差，促進(jìn)藻類繁殖，加重濕地凈水負(fù)擔(dān)[24]，洱海北部上游應(yīng)聯(lián)合采取內(nèi)源外源污染控制工作，如提高廢水污染治理及底泥清淤等[25]。

4.3 修復(fù)方式對水體富營養(yǎng)化狀態(tài)及濕地凈化效果的影響

根據(jù)水體富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果，洱海上游濕地水體均為中度營養(yǎng)化以上水平，人工修復(fù)河口灘地EI最高，原因在于其處于洱海上游最下游位置，容易產(chǎn)生污染物累積及截留上游污染物的現(xiàn)象，人為干擾較為嚴(yán)重[26]。雖然低洼庫塘濕地對污染物氮磷具有沉淀、生物吸收等去除效果[27]，但此區(qū)域污染物含量較高，濕地凈化截留作用較弱是造成水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)較高的主要原因。不同地理位置、流速、水域面積、植物組合及面源污染受納面積等都會(huì)影響濕地水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)[28]，同樣濕地的修復(fù)方式也會(huì)不同程度地影響濕地水體污染物含量，從而使得不同濕地的富營養(yǎng)程度不同。從富營養(yǎng)化狀態(tài)結(jié)果來看，人工修復(fù)方式在一定程度上可以降低水質(zhì)污染物含量，而濕地自身具有的凈化截留效果在人為干擾較小的情況下會(huì)發(fā)揮最大的作用，人為治理方式不僅會(huì)為濕地生態(tài)修復(fù)帶來顯著效果，還會(huì)為社會(huì)帶來更多的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。

5 結(jié)論與建議

(1) 4種濕地水體TN在0.44～3.28 mg/L，介于GB 3838—2002中的Ⅲ～Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)； TP在0.03～0.23 mg/L，介于Ⅰ～Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，低洼庫塘濕地TN、TP含量最高，人工修復(fù)湖濱濕地TN、TP含量最低，4種濕地TN、TP均在人類活動(dòng)較多的湖邊、村落附近、入水口等區(qū)域含量較高。

(2) 洱海北部上游不同類型修復(fù)濕地水體N/P波動(dòng)較大，不同采樣點(diǎn)的N/P在3.57～18.93波動(dòng)，平均值為10.56，大部分采樣點(diǎn)N/P小于16，說明洱海北部上游濕地水體中氮含量水平較磷低，總體處于氮限制狀態(tài)。

(3) 水體富營養(yǎng)化綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)域大部分水體為中度營養(yǎng)化偏富營養(yǎng)化狀態(tài)，少數(shù)達(dá)到富營養(yǎng)化偏重富營養(yǎng)化狀態(tài)。4種濕地富營養(yǎng)化狀態(tài)為人工修復(fù)河口灘地>低洼庫塘濕地>原生沼澤濕地>人工修復(fù)湖濱濕地。

(4) 洱海北部上游濕地應(yīng)采取合理的土地利用方式，調(diào)整適宜的修復(fù)模式，對于生活污水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物排放進(jìn)行嚴(yán)格治理和管理。現(xiàn)存的濕地修復(fù)方式在應(yīng)用時(shí)應(yīng)定期檢測水體營養(yǎng)鹽等指標(biāo)，及時(shí)調(diào)整濕地凈化截留效果，控制污染物含量；同時(shí)進(jìn)一步關(guān)注人為干擾為濕地帶來的損害，保證洱海補(bǔ)水水源的水質(zhì)，這對洱海濕地水資源可持續(xù)利用具有非常重要的實(shí)踐意義。