湖泊濕地系統(tǒng)地表水-地下水相互作用及“三氮”遷移轉(zhuǎn)化

劉春篁，董一慧，李佳樂(lè)，張書(shū)緣，孫謙一，周?chē)?guó)芳，桑閃閃

(東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

濕地被稱為“地球之腎”，與森林、海洋并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)，是人類(lèi)重要的生存環(huán)境和自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中關(guān)系國(guó)家與區(qū)域生態(tài)安全的重要戰(zhàn)略資源[1]。我國(guó)擁有濕地面積6 600多萬(wàn)hm2，約占世界濕地面積的10%，居世界第4位、亞洲第1位[2]。目前我國(guó)建立了602處濕地自然保護(hù)區(qū)、1 600余處濕地公園和濕地保護(hù)小區(qū)，濕地保護(hù)率高達(dá)52.65%[3]。自1971年《關(guān)于特別是作為水禽棲息地的國(guó)際重要濕地公約》[簡(jiǎn)稱《濕地公約》或《拉姆薩公約》]正式簽署以來(lái)，全球目前共有2 334塊濕地被列入國(guó)際重要濕地名錄，我國(guó)已被認(rèn)定國(guó)際重要濕地64塊[4]，其中內(nèi)地63處，香港1處。我國(guó)的濕地包括沼澤濕地、河流濕地、湖泊濕地、濱海濕地和人工濕地五大類(lèi)，本文以湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)湖泊濕地系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、地表水-地下水(Surface water - groundwater,簡(jiǎn)稱SW-GW)相互作用及“三氮”遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行整理總結(jié)。

湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)是世界上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，也是最容易受到威脅的水生生態(tài)系統(tǒng)之一。劇烈的氣候變化、不斷增加的人口以及越來(lái)越頻繁的旱澇災(zāi)害，使生態(tài)系統(tǒng)的平衡受到威脅[5]。在自然因素和人為因素作用下，湖泊濕地的水文過(guò)程、SW-GW相互作用發(fā)生巨大變化，二者的變化必然造成湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中“三氮”存在形式與遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的改變。

1 湖泊濕地系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件

在湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)這一特殊的過(guò)渡型生態(tài)系統(tǒng)中，濕地在生長(zhǎng)季的部分時(shí)間處于淺水淹覆狀態(tài)，且周期性地以水生植物為優(yōu)勢(shì)。水是濕地中最活躍、最關(guān)鍵的因素之一，并處于不斷地循環(huán)、變化和更新之中,是一種可恢復(fù)、可更新的資源，使湖泊濕地具有調(diào)蓄水量、調(diào)節(jié)氣候、水產(chǎn)養(yǎng)殖、娛樂(lè)、城市景觀等功能[6]。在湖泊濕地的形成與演化過(guò)程中，水文地質(zhì)條件對(duì)湖泊濕地生態(tài)恢復(fù)和重建具有關(guān)鍵的制約作用[7]，一方面是湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)別于陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的典型特征，另一方面是影響湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演化的重要條件。

(由北到南依次為：1大興安嶺汗馬自然保護(hù)區(qū)、2南甕自然保護(hù)區(qū)、3畢拉河自然保護(hù)區(qū)、4達(dá)賚湖自然保護(hù)區(qū)、5友好自然保護(hù)區(qū)、6三江自然保護(hù)區(qū)、7洪河自然保護(hù)區(qū)、8扎龍自然保護(hù)區(qū)、9七星河自然保護(hù)區(qū)、10東方紅濕地自然保護(hù)區(qū)、11珍寶島自然保護(hù)區(qū)、12哈東沿江濕地自然保護(hù)區(qū)、13莫莫格自然保護(hù)區(qū)、14興凱湖自然保護(hù)區(qū)、15向海自然保護(hù)區(qū)、16哈泥自然保護(hù)區(qū)、17雙臺(tái)河口濕地、18鄂爾多斯遺鷗保護(hù)區(qū)、19大連斑海豹自然保護(hù)區(qū)、20張掖黑河濕地自然保護(hù)區(qū)、21天津北大港濕地、22鹽池自然保護(hù)區(qū)、23山東黃河三角洲濕地、24青海湖自然保護(hù)區(qū)、25鄂陵湖濕地、26扎陵湖濕地、27河南民權(quán)黃河故道自然保護(hù)區(qū)、28山東南四湖自然保護(hù)區(qū)、29甘肅尕海-則岔自然保護(hù)區(qū)、30鹽城沿海灘涂保護(hù)區(qū)、31若爾蓋濕地、32甘肅黃河首曲自然保護(hù)區(qū)、33四川長(zhǎng)沙貢瑪自然保護(hù)區(qū)、34大豐麋鹿自然保護(hù)區(qū)、35崇明東灘自然保護(hù)區(qū)、36神農(nóng)架大九湖濕地、37長(zhǎng)江口中華鱘自然保護(hù)區(qū)、38麥地卡濕地、39西藏扎日南木錯(cuò)、40瑪旁雍錯(cuò)濕地、41杭州西溪濕地公園、42安徽升金湖自然保護(hù)區(qū)、43武漢沉湖濕地自然保護(hù)區(qū)、44西藏色林錯(cuò)自然保護(hù)區(qū)、45網(wǎng)湖濕地自然保護(hù)區(qū)、46洪湖濕地、47東洞庭湖自然保護(hù)區(qū)、48鄱陽(yáng)湖自然保護(hù)區(qū)、49西洞庭湖自然保護(hù)區(qū)、50鄱陽(yáng)湖南磯濕地自然保護(hù)區(qū)、51南洞庭湖濕地和水禽自然保護(hù)區(qū)、52納帕海濕地、53碧塔海濕地、54大山包濕地、55拉市海濕地、56漳江口紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)、57廣東南澎列島海洋生態(tài)自然保護(hù)區(qū)、58海豐公平大湖自然保護(hù)區(qū)、59惠東港口海龜自然保護(hù)區(qū)、60香港米浦-后海灣濕地、61北侖河口自然保護(hù)區(qū)、62山口紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)、63湛江紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)、64海南東寨港紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū))

1.1 水文條件

濕地水文通常包括濕地的入流與出流、與其它生境因素的相互作用等[8]。湖泊濕地大多處于河網(wǎng)密集的區(qū)域[9]，部分濕地周邊興建有水庫(kù)[10]，濕地水量在豐水期和枯水期變化較為明顯。湖泊濕地中水的輸入主要來(lái)自于降水、地表徑流、地下水徑流等，水的輸出包括蒸散作用、地表徑流與地下徑流，水分運(yùn)輸伴隨著物質(zhì)的循環(huán)(見(jiàn)圖2[11])。

1.固氮作用；2.硝化作用；3.反硝化作用；4.消耗；5.死亡；6.分解作用；7.光合作用；8.呼吸作用

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕地的研究，認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造的變遷是濕地形成的主要原因。部分學(xué)者依據(jù)濕地水與地下水之間的水文補(bǔ)給關(guān)系和濕地地貌形態(tài)將濕地劃分為：地下水補(bǔ)給型的洼地形濕地、補(bǔ)給地下水型的洼地形濕地、地下水穿過(guò)型的坡地洼地形濕地、地下水穿過(guò)型坡地形濕地、地下水滲流(泉)型的坡地形濕地[12-13]。我國(guó)擁有一些極具特色的湖泊濕地，例如鄱陽(yáng)湖濕地和烏梁素海濕地。鄱陽(yáng)湖是長(zhǎng)江中下游典型的通江湖泊，湖水與五河(贛江、撫河、信江、饒河、修河)和長(zhǎng)江之間復(fù)雜的水量交換導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖水位呈現(xiàn)年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，該濕地系統(tǒng)河流-濕地-湖泊相互作用頻繁、季節(jié)性干濕交替顯著，是一個(gè)典型的高洪泛濕地系統(tǒng)[14-15]。烏梁素海是因黃河改道而形成的河跡湖，也是全球荒漠半荒漠地區(qū)極少存在的大型草原湖泊濕地，烏梁素海與其周邊地下水之間存在密切的水力聯(lián)系，地下水既是烏梁素海的主要補(bǔ)給源，也會(huì)接受烏梁素海的補(bǔ)給[16-17]。

1.3 濕地水文過(guò)程的影響因素

1.3.1 自然因素 氣溫升高、降水量變化、海平面上升是影響濕地水文的主要?dú)夂蜃兓蛩豙18]。崔楨等人以莫莫格濕地為研究對(duì)象，分析了極端氣候條件下該濕地水文的變化情況，發(fā)現(xiàn)干旱年和洪水年濕地水域覆蓋面積變化明顯，徑流量和水位變化對(duì)洪泛濕地的消長(zhǎng)有深刻影響[19]。全球變暖會(huì)引起極地地區(qū)冰雪消融，一方面，導(dǎo)致濕地蒸散發(fā)量急劇增加，造成地表水和地下水水位下降，進(jìn)而導(dǎo)致濕地水文過(guò)程發(fā)生改變；另一方面，可能會(huì)促進(jìn)極地地區(qū)濕地植被的生長(zhǎng)，甚至增加降雨、增加濕地水分的補(bǔ)給來(lái)源，進(jìn)而改變濕地的水文條件[20]。

1.3.2 人類(lèi)活動(dòng) 興建水利工程、濕地圍墾、水資源開(kāi)發(fā)利用等對(duì)濕地水文的影響尤為突出[21]。范少英等人研究發(fā)現(xiàn)三峽水庫(kù)的運(yùn)用改變了長(zhǎng)江干流年內(nèi)水文過(guò)程，對(duì)鄱陽(yáng)湖的水文調(diào)蓄功能產(chǎn)生了重要影響，汛后蓄水期鄱陽(yáng)湖水量減少較多，9月水量減小約49.4%，汛前增泄期鄱陽(yáng)湖水量也有明顯增加，5月水量增加約47.7%[22]。人類(lèi)將土壤條件良好的濕地作為農(nóng)田，灌溉活動(dòng)加劇了地表水和地下水開(kāi)采，使?jié)竦厝鄙傺a(bǔ)給來(lái)源，造成濕地面積縮小[23-25]。

2 湖泊濕地系統(tǒng)中SW-GW相互作用

SW-GW相互作用是自然界中的普遍現(xiàn)象，對(duì)水量和水質(zhì)產(chǎn)生直接影響。SW-GW之間的補(bǔ)排關(guān)系深刻影響濕地的形成和演化[26-27]，且對(duì)于維持濕地水平衡和生態(tài)功能起重要作用。

2.1 SW-GW相互作用尺度與模式

SW-GW相互作用過(guò)程表現(xiàn)在不同的時(shí)間尺度和空間尺度上。時(shí)間尺度上，氣候變化、地表徑流、地下水位以及地下水開(kāi)采、濕地補(bǔ)排水等活動(dòng)影響濕地系統(tǒng)水文周期，使SW-GW相互作用呈現(xiàn)年際間、季節(jié)性甚至逐日變化特征[28]。空間尺度上，Boulton等學(xué)者提出了SW-GW相互作用的3種空間尺度(見(jiàn)圖3[29])：盆地/流域尺度、接觸帶尺度和沉積物尺度[29]。目前，關(guān)于接觸帶上的SW-GW相互作用研究較多。根據(jù)接觸帶尺度濕地SW-GW水力特征，Jolly等人將濕地劃分為4種模式(見(jiàn)圖4[30])：1)非飽和流-補(bǔ)給型濕地，多見(jiàn)于季節(jié)性濕地系統(tǒng)；2)飽和流-補(bǔ)給型濕地，濕地水體是周邊地下水的補(bǔ)給來(lái)源；3)飽和流-排泄型濕地，周邊地下水補(bǔ)給濕地；4)飽和流-貫穿型濕地，地下水流“貫穿”整個(gè)濕地[30]。

圖3 SW-GW相互作用的空間尺度

圖4 濕地SW-GW相互作用的4種模式

2.2 SW-GW相互作用影響因素

濕地系統(tǒng)的SW-GW相互作用及演變主要取決于外部環(huán)境因素的變化。SW-GW相互作用受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響發(fā)生改變，在水文周期內(nèi)出現(xiàn)一定的時(shí)空差異。

2.2.1 氣候變化 氣候變化是影響濕地SW-GW相互作用的主要因素，氣溫和降水量的巨大變化是導(dǎo)致SW-GW相互作用發(fā)生改變的主要?dú)夂蛞蛩豙28]。氣候變化往往會(huì)導(dǎo)致年內(nèi)降水不均，甚至發(fā)生干旱或洪澇等極端水文事件，因而SW-GW相互作用在豐-平-枯水期產(chǎn)生顯著差異[31-33]。

2.2.2 人類(lèi)活動(dòng) 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)濕地SW-GW相互作用的影響不容忽視，圍湖造田、地下水過(guò)度開(kāi)采、水利工程的修建等人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)影響水文過(guò)程進(jìn)而改變SW-GW相互作用。其中，興建水庫(kù)和堤壩是導(dǎo)致SW-GW相互作用改變的主要因素。雖然可在一定程度上為濕地供水，保障濕地系統(tǒng)正常工作，但是水庫(kù)和堤壩會(huì)截?cái)嗨鳎瑴p少濕地系統(tǒng)對(duì)地下水的補(bǔ)給，可能導(dǎo)致SW-GW相互作用模式發(fā)生改變[34-36]。

2.3 SW-GW相互作用研究方法

為深刻揭示濕地生態(tài)系統(tǒng)中SW-GW轉(zhuǎn)化關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用多種研究方法，開(kāi)展數(shù)十年研究。目前，相關(guān)研究方法總體分為兩類(lèi)，一種是直接法，即采用水文學(xué)方法測(cè)定濕地系統(tǒng)水文要素變化，評(píng)估濕地SW-GW水力聯(lián)系；另一種為間接法，主要包括水化學(xué)法、同位素法、溫度示蹤法和數(shù)值模型法等，通過(guò)間接證據(jù)論證濕地SW-GW轉(zhuǎn)化過(guò)程(見(jiàn)表1)，在實(shí)際研究中通常采用多種方法相結(jié)合的方式開(kāi)展工作。

表1 國(guó)內(nèi)外湖泊濕地系統(tǒng)SW-GW轉(zhuǎn)化關(guān)系研究方法

表1 (續(xù))

湖泊濕地系統(tǒng)SW-GW相互作用有如下幾點(diǎn)規(guī)律：1)濕地地下水水位埋深越小，越有利于地表水與其進(jìn)行交換[41]；2)在豐水期、平水期和枯水期SW-GW交互量明顯不同，且地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)換隨季節(jié)變化[42]；3)SW-GW相互作用在空間變化上一般有3種情況：①湖泊常年補(bǔ)給地下水；②枯水期地下水補(bǔ)給湖泊，豐水期湖泊補(bǔ)給地下水；③地下水常年補(bǔ)給湖泊[37,43]。

3 湖泊濕地系統(tǒng)中“三氮”的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程

氮是自然界的重要組成元素之一，對(duì)于各種生命體不可或缺，也是環(huán)境污染的重要因子之一，近年來(lái)我國(guó)部分地區(qū)地下水正受到硝態(tài)氮污染[1]，例如鄱陽(yáng)湖流域近年來(lái)已發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)超過(guò)10%的地下水出現(xiàn)了“三氮”污染，硝態(tài)氮濃度最高達(dá)到46.6 mg/L[44-45]；太湖流域內(nèi)地下水近年來(lái)污染嚴(yán)重，硝態(tài)氮含量近年來(lái)曾高達(dá)22 mg/L[46]。

3.1 “三氮”的遷移過(guò)程

氮的物化遷移過(guò)程主要包括：吸附解吸、離子交換、界面擴(kuò)散等[47]。生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)氨氮的吸附解吸作用較明顯[48-50]，鹽度是影響其作用強(qiáng)度的主要因素[48]。Rysgaard等人模擬了鹽度對(duì)氨氮吸附容量的影響，當(dāng)鹽度增加到10‰時(shí)，氨氮吸附容量顯著下降[51]。影響界面遷移擴(kuò)散的因素包括鹽度、水動(dòng)力條件、干濕交替過(guò)程、沉積物類(lèi)型、沉積物中有機(jī)質(zhì)的礦化程度等[49]，Bai Junhong等人以黃河三角洲典型潮汐洪泛濕地和短期洪泛濕地為例，模擬了硝態(tài)氮的水平移動(dòng)，結(jié)果表明：2種濕地的硝態(tài)氮輸運(yùn)通量均隨著移動(dòng)距離的增加而減少；隨著水分?jǐn)U散系數(shù)的增大而增大[52]。

3.2 “三氮”的轉(zhuǎn)化過(guò)程

自然界中的氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程是基于同位素分餾現(xiàn)象發(fā)生的[53-54]，分餾作用較明顯的為硝化作用、反硝化作用與揮發(fā)作用，而氨化作用、固氮作用等過(guò)程的同位素分餾較弱。

在湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)中，氮的存在形式多種多樣且處于變化之中，因此，氮循環(huán)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，其循環(huán)過(guò)程如圖5所示。大氣中79%是氮?dú)?，大氣中的氮?dú)馔ㄟ^(guò)固氮作用進(jìn)入濕地系統(tǒng)，分別以有機(jī)氮、氨氮和硝態(tài)氮等主要形式存在，并在土壤、包氣帶以及含水層中擴(kuò)散，有機(jī)氮一部分被土壤等物質(zhì)吸收，一部分通過(guò)礦化作用形成氨氮，一部分氨氮在全程硝化菌作用或氨氧化菌和硝化細(xì)菌共同作用下形成硝態(tài)氮，一部分氨氮?jiǎng)t通過(guò)揮發(fā)作用回到大氣中，還有部分氨氮?jiǎng)t會(huì)被植物吸收利用以及吸附在土壤和水體中，硝態(tài)氮除了會(huì)被植物吸收利用以及吸附在土壤和水體中外，還會(huì)通過(guò)反硝化細(xì)菌生成N2和N2O，最終排放到大氣，至此形成完整的氮循環(huán)過(guò)程。特別的是，在富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊濕地系統(tǒng)中，當(dāng)水體或沉積物中含有高濃度氨氮時(shí)，氨氮會(huì)在厭氧氨氧化菌的作用下轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦鏊w[55]。

圖5 “三氮”形態(tài)及轉(zhuǎn)化示意圖

3.3 “三氮”遷移轉(zhuǎn)化的影響因素

在“三氮”遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中，易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。影響“三氮”遷移轉(zhuǎn)化的主要因素包括其在自然環(huán)境中發(fā)生的氧化還原過(guò)程，人類(lèi)活動(dòng)的影響也不容忽視。日本千葉市因濕地修復(fù)工程使SW-GW相互作用發(fā)生改變，從而導(dǎo)致地下水反硝化細(xì)菌數(shù)量急劇減少，進(jìn)而引起該地區(qū)地下中水硝態(tài)氮污染[56]?？股鼐哂袕V譜抗菌作用，被大量應(yīng)用于人體和動(dòng)植物感染性疾病的治療[57]，大量的抗生素以多種途徑進(jìn)入地下水系統(tǒng)中，抑制了反硝化過(guò)程，從而加劇地下水硝態(tài)氮污染，Ahmad[58]和Hou[59]等人發(fā)現(xiàn)磺胺甲嘧啶和金霉素對(duì)地下水中硝態(tài)氮的降解起抑制作用，降低了反硝化速率；陳淋鵬等人發(fā)現(xiàn)諾氟沙星濃度大于10 μg/L時(shí)可以抑制硝態(tài)氮降解，諾氟沙星初始濃度增大，對(duì)硝態(tài)氮降解抑制程度增強(qiáng)[57]。

3.4 氮氧同位素的應(yīng)用

4 總結(jié)與展望

本文圍繞湖泊濕地系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、SW-GW相互作用及“三氮”在湖泊濕地系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程3個(gè)方面，回顧了近年來(lái)的研究進(jìn)展。湖泊濕地系統(tǒng)作為自然界中較復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其水文過(guò)程及SW-GW相互作用都受到自然和人為因素的顯著影響，目前關(guān)于這兩大問(wèn)題的研究已取得了一定進(jìn)展。我國(guó)自2015年起開(kāi)始了國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目，通過(guò)完善地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，基本對(duì)全國(guó)的地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行了有效監(jiān)控，其中部分湖泊等水體流量的監(jiān)測(cè)信息，將為這兩類(lèi)問(wèn)題的研究提供基礎(chǔ)支撐?！叭痹诤礉竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程一方面受自然因素和人類(lèi)活動(dòng)共同影響，另一方面在水文過(guò)程和SW-GW相互作用下發(fā)生改變。因此，以湖泊濕地系統(tǒng)作為研究對(duì)象，開(kāi)展水文循環(huán)和物質(zhì)循環(huán)研究，對(duì)保持濕地生態(tài)功能及生物多樣性，保障生態(tài)安全，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生，實(shí)現(xiàn)山水林田湖草生命共同體具有重要意義。