鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園氮污染負(fù)荷通量估算及修復(fù)策略

李仰征, 游 萍, 鄧芳芳, 任金銅, 雷興慶, 柯西祥

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 生態(tài)工程學(xué)院, 貴州 畢節(jié) 551700)

濕地是自然界生物多樣性最為集中的生態(tài)景觀之一,人類活動(dòng)容易造成濕地環(huán)境污染和生態(tài)破壞.鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園(試點(diǎn))位于貴州省威寧縣草海國(guó)家自然保護(hù)區(qū)下游,公園內(nèi)生物資源豐富,僅脊椎動(dòng)物就有24目165種,其中鳥類17目130種,含黑頸鶴(Grusnigricollis,瀕危種)等國(guó)家保護(hù)動(dòng)物10余種.為保護(hù)珍稀鳥類賴以生存的高原濕地生態(tài)系統(tǒng),當(dāng)?shù)卣?010年啟動(dòng)了該濕地公園的規(guī)劃與建設(shè)工作.經(jīng)過近十年的建設(shè),仍未通過國(guó)家相關(guān)部門的驗(yàn)收,主要原因是水體污染嚴(yán)重,水資源保護(hù)與修復(fù)工程沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展.水是濕地的靈魂,水環(huán)境質(zhì)量是評(píng)判濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)成效的根本環(huán)節(jié).因此,識(shí)別濕地最主要的致污因子是濕地保護(hù)的出發(fā)點(diǎn).

國(guó)內(nèi)外關(guān)于水體污染源識(shí)別的報(bào)道也較多[1-6],主成分方法和矩陣因子法是主要的研究手段,文獻(xiàn)[2，4]運(yùn)用主成分方法分別對(duì)非洲加納Densu delta濕地和我國(guó)溫州市某河道進(jìn)行研究，揭示了水體潛在污染來(lái)源.王顏紅等[5]在沈陽(yáng)細(xì)河流域采用矩陣因子法分析了水域周邊土壤重金屬各污染來(lái)源及其污染貢獻(xiàn)率.氮素是環(huán)境中廣布的元素,并參與地球各圈層的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng).水體和土壤等環(huán)境載體中相關(guān)氮的檢測(cè)方法成熟、成本低廉,因此氮素視角下的環(huán)境污染研究得到了學(xué)者的普遍關(guān)注.相關(guān)涉氮研究主要集中在污染負(fù)荷通量估算和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面,如Liu等[7]對(duì)我國(guó)大氣氮沉降通量做了全國(guó)尺度的估算,Jung等[8]從流域微尺度角度研究了農(nóng)業(yè)活動(dòng)和大氣氮沉降對(duì)韓國(guó)Chung水庫(kù)水質(zhì)的影響.濕地是復(fù)雜而開放的生態(tài)系統(tǒng),前人主要從河流補(bǔ)給[9]、大氣沉降[8,10-11]、農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響下的坡面徑流[12]和壤中流[13]等角度分析一兩類致污因子對(duì)濕地氮素污染負(fù)荷輸入的貢獻(xiàn),而系統(tǒng)地對(duì)各污染源進(jìn)行通量估算和比較的研究還罕有報(bào)道.因此,以鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園為研究對(duì)象,精準(zhǔn)揭示各污染源負(fù)荷貢獻(xiàn)的主次關(guān)系,可為我國(guó)高原濕地環(huán)境保護(hù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況威寧縣為滇東高原向黔中山原過渡地帶,平均海拔2 200 m,出露巖石以石灰?guī)r為主,巖溶地貌發(fā)育充分.全縣屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候控制區(qū),年日照時(shí)數(shù)1 800 h、年均氣溫10.5 ℃、降水量890 mm,見圖1.鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園位于威寧縣城西南,距主城區(qū)約3 km,其上游的草海地表徑流及威寧城郊居民生活污水(北門河)為其重要的地表水補(bǔ)給來(lái)源.

圖 1 氣溫和降水的逐月分布

Fig.1Monthlydistributionoftheregionaltemperatureandprecipitation

1.2 樣點(diǎn)設(shè)計(jì)與采樣為科學(xué)評(píng)價(jià)濕地水環(huán)境質(zhì)量狀況,參照地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[14]對(duì)主體水域采取網(wǎng)格法均勻布設(shè)樣點(diǎn)14個(gè).由于水域深度有限,根據(jù)該規(guī)范要求只采集上覆水體：置洗涮過的采樣瓶于0.5 m處啟封瓶塞充滿水樣后密封取出,并設(shè)3次平行.采樣瓶敷冰冷藏迅速送回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè).初次采樣GPS定點(diǎn)時(shí)投置重墜并懸系標(biāo)識(shí)物浮于水面,確保各季采樣點(diǎn)空間位置不變,于2018年全年按季度進(jìn)行采樣.鑒于北門河與草海來(lái)水為其地表主要補(bǔ)給水源,在兩者的濕地入口附近布置第15和16號(hào)樣點(diǎn)(見圖2),同時(shí)測(cè)量補(bǔ)給水源過水?dāng)嗝婷娣e和流速.

1.3 檢測(cè)指標(biāo)與方法采樣現(xiàn)場(chǎng)使用溶解氧儀和酸度計(jì)檢測(cè)DO與pH值,室內(nèi)分別采用堿性過硫酸鉀光度法、納氏比色法、鉬酸氨光度法、吡啶比色法、螯合萃取光度法、冷原子熒光法、原子吸收光度法、螯合萃取光度法、重鉻酸鉀氧化法、紅外光度法、

圖 2 樣點(diǎn)分布圖

草酸鈉還原法、多管發(fā)酵法和稀釋培養(yǎng)法檢測(cè)了水體總氮、氨氮、總磷、總氰化物、銅、砷、鋅、鎘、COD、石油類、高錳酸鹽指數(shù)、糞大腸菌群和BOD指標(biāo)[14].

為兼顧其他渠道污染負(fù)荷通量,在濕地公園管理局平房頂部(相對(duì)高度約3 m)布設(shè)大氣濕沉降采集裝置[15]，如圖3所示.

圖 3 大氣濕沉降采集器結(jié)構(gòu)圖

漏斗頂部有紗布封口,PVC內(nèi)管用已活化的陰陽(yáng)離子交換樹脂填充,外管包裹反光隔熱膜,內(nèi)管底部安置脫脂棉并用紗布抄底,由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單輕巧不易被察覺和損壞,因此得到普遍使用.沉降通量的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

其中,Mi為某季度沉降通量(每季度均以90 d計(jì)),Ci和V分別為定容后浸提液的濃度和體積,Ti為該季度采集器戶外布置天數(shù)(每季度不低于60 d),S為漏斗口水平面匯集面積,再結(jié)合水域總面積Sw可計(jì)算全年大氣沉降直接匯入濕地的總氮通量N,如(2)式所示.此外,濕地周邊集水坡土地利用方式幾乎均為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地,大氣降水造成的坡面徑流及壤中流也會(huì)導(dǎo)致污染物質(zhì)的輸入.因此,選擇典型耕地坡面,安置坡面流和壤中流的收集裝置[13].如圖4所示在傾斜坡面劃定邊長(zhǎng)為1 m的正方形區(qū)域,左右上3邊用PVC板插入土體約30 cm,并保持出露地表15 cm,下方邊長(zhǎng)處垂直開挖土體至基巖(土層深度約40～80 cm不等),修整巖體并在巖土交界面以下約10 cm處開鑿石縫以固定集水槽,水槽匯水口下接容積為2.5 L收集器,先行加入少量硫酸以杜絕微生物對(duì)氮素的利用和流轉(zhuǎn),待大氣降水結(jié)束和壤中流停止后取回收集液過濾、定容備檢.再依據(jù)本次降水總量可估算單位面積坡面流和壤中流的氮匯集總量,進(jìn)而依據(jù)該季節(jié)降水總量和集水區(qū)域陸地總面積可估算氮的匯入總量.

圖 4 坡面流與壤中流收集示意圖

綜上,該濕地公園各污染源總氮污染負(fù)荷通量Q的計(jì)算公式為：

Q=N+F+R，

(3)

(4)

(5)

R=rSb,

(6)

其中,N為全年大氣沉降直接匯入的總氮通量(kg),F是地表徑流北門河和草海補(bǔ)給水各自匯入的全年總氮通量fi之和,f為某補(bǔ)給水體各季節(jié)水體總氮質(zhì)量濃度ρi(mg/L)與該季節(jié)過水?dāng)嗝婷娣eSs(m2)、水體流速V(m/s)和季節(jié)總時(shí)長(zhǎng)(s)乘積的累加值.R為由坡面流和壤中流造成的全年總氮匯入通量(kg),r為單位坡面面積坡面流和壤中流的氮匯集總量(kg/hm2),Sb為濕地周邊集水區(qū)域陸地總面積(hm2).借助ArcGIS軟件從精度為30 m的DEM中提取Sb為67.3 hm2,略低于濕地水域總面積Sw為77.0 hm2.由于地表徑流、大氣沉降及坡面和壤中流等渠道的顆粒態(tài)氮均懸移或自然沉降于濕地底部,短時(shí)無(wú)法直接溶入濕地水體并參與氮素循環(huán),因此估算氮素通量時(shí)只檢測(cè)各渠道匯入的可溶態(tài)總氮含量(TDN).數(shù)據(jù)處理與計(jì)算使用Excel 2003完成,圖件制作借助CorelDraw 12完成.

2 鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果與污染源識(shí)別

2.1 濕地水質(zhì)評(píng)價(jià)由于該濕地建設(shè)目的主要是為黑頸鶴等珍禽提供越冬場(chǎng)所和覓食水域,與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16]Ⅲ類水域規(guī)定的“魚蝦類洄游通道、越冬場(chǎng)所”較為接近.因此,以Ⅲ類限值為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算單因子污染指數(shù)Pi,進(jìn)而求得綜合污染指數(shù)I,相關(guān)計(jì)算公式為：

(7)

(8)

其中，ρi為水體某樣點(diǎn)指標(biāo)i的實(shí)測(cè)濃度,未檢出的相關(guān)指標(biāo)濃度以零計(jì),Si為水體指標(biāo)i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).n為被評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù).

利用除DO和pH以外的13種指標(biāo)算可得該樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)I,進(jìn)而對(duì)所有14個(gè)樣點(diǎn)I值求均值即得平均綜合污染指數(shù)以表征該濕地公園水環(huán)境總體質(zhì)量狀況,同時(shí)也計(jì)算了該濕地地表補(bǔ)給水體(第15和16號(hào)樣點(diǎn))的I值,如圖5所示.

圖 5 濕地公園及其主要補(bǔ)給水體綜合污染指數(shù)季節(jié)變異

從全年平均來(lái)看,草海補(bǔ)給水質(zhì)量較好,全年綜合污染指數(shù)為1.17,表明其水質(zhì)基本符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).這與蔡國(guó)俊等[17]對(duì)草海研究結(jié)果是基本一致的.

北門河是周邊城鎮(zhèn)生活污水匯入濕地的直排渠道,污染指數(shù)達(dá)到了4.42,為3個(gè)水體的最大值,采樣時(shí)也發(fā)現(xiàn)該水體全年均有不同程度的刺鼻腥臭味.

鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園該指數(shù)為2.31,水質(zhì)明顯劣于草海但要優(yōu)于北門河.

雙因素方差分析顯示,不同水體綜合污染指數(shù)差異性已達(dá)顯著水平(F=25.08,P=0.001<0.05),而不同季節(jié)間差異性總體不顯著(F=1.54,P=0.298>0.05).但從鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園和與草海補(bǔ)給水來(lái)看,兩者均在夏季為其水質(zhì)最好時(shí)段,DO檢測(cè)值亦說明同一情況.

3個(gè)水體不同季節(jié)污染指數(shù)最小值出現(xiàn)在夏季的草海補(bǔ)給水,綜合污染指數(shù)僅為0.57,屬于輕污染級(jí)別.這很可能與夏季強(qiáng)降水的稀釋作用有關(guān).因?yàn)楫?dāng)?shù)卦?—8月降水量已達(dá)到了501.3 mm(見圖1),占全年總量的56.31 %.鎖黃倉(cāng)濕地水體與草海補(bǔ)給水污染指數(shù)的季節(jié)變異系數(shù)分別為0.32和0.39,而北門河則更低僅為0.11.這可能是后者主要來(lái)源于生活排污,污染物來(lái)源各季節(jié)相對(duì)穩(wěn)定所致.但北門河污染指數(shù)最低值并沒有出現(xiàn)在夏季,反而在此季節(jié)出現(xiàn)了全年最高值,達(dá)到了5.10.究其原因,發(fā)現(xiàn)該季節(jié)其水體糞大腸菌群達(dá)到了3.96×105CFU·mL-1,約為Ⅲ類限值的40倍.因此,此單因子嚴(yán)重超標(biāo)是I值偏大的重要影響因素.而其他季節(jié)北門河糞大腸菌群超標(biāo)倍數(shù)均處于較低水準(zhǔn),如冬季僅為Ⅲ類限值的3.23倍.這主要因?yàn)榧S大腸菌群等微生物對(duì)環(huán)境溫度普遍敏感,35 ℃范圍以下溫度越高增殖速度也越快.當(dāng)?shù)叵募揪鶞貫槿曜罡?月均溫已超過15 ℃,冬季則相反,這致使冬夏二季該菌群出現(xiàn)了全年的極值.類似現(xiàn)象在其他水域也有報(bào)道[18].

相關(guān)水體單因子污染方面,3個(gè)水體總氮含量均超出地表水環(huán)境質(zhì)量的Ⅲ類限值,且污染程度最為嚴(yán)重的也是北門河,Pi全年均值為13.04,其次是鎖黃倉(cāng)濕地水體(Pi值為4.93),污染程度最低的為草海補(bǔ)給水(Pi值為3.49),3個(gè)水體總氮Pi值排序與綜合污染指數(shù)順序完全一致.

季節(jié)變異方面,3個(gè)水體均是夏季最低,冬季最高,北門河在冬季總氮Pi值為27.80.其他污染指標(biāo)Pi值較低的均集中在重金屬方面,其中最低的為Cu元素,全年P(guān)i均值僅為0.004 2,最大的則為As元素Pi均值也只有0.31.這與該濕地周邊及威寧縣工業(yè)發(fā)展遲緩、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)有密切關(guān)聯(lián).但重金屬以外的其他多數(shù)指標(biāo)均不滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限值,這表明該濕地水體的污染源很可能來(lái)自于周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活等.

2.2 濕地污染源識(shí)別濕地是一個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng),不同地域自然和社會(huì)環(huán)境條件迥異,污染負(fù)荷來(lái)源渠道的正確辨識(shí)是濕地水資源保護(hù)與生態(tài)修復(fù)等工作的前提.

除地表河流以外,近些年大氣沉降則被認(rèn)為是增長(zhǎng)較快的外源負(fù)荷之一[19].Morales等[20]對(duì)委內(nèi)瑞拉某湖泊研究表明大氣沉降造成的氮輸入甚至超過地表污水的污染負(fù)荷通量.此外,大氣降水導(dǎo)致的坡面流和壤中流,尤其是產(chǎn)流于農(nóng)業(yè)用地匯水中的污染物濃度較大,如周林飛等[13]和聶小飛等[21]研究顯示渾河流域坡耕地坡面流和太湖流域丘陵茶園壤中流總氮濃度已接近30 mg/L,遠(yuǎn)超出地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類限值,這將對(duì)集水區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生顯著影響.那么,理順鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園各渠道污染負(fù)荷通量貢獻(xiàn)大小關(guān)系就顯得尤為重要,根據(jù)(1)～(6)式,計(jì)算了該濕地公園各污染源總氮污染負(fù)荷通量,見表1.

表 1 不同季節(jié)鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園各污染源總氮污染負(fù)荷通量

雖然北門河各季節(jié)徑流量均低于草海補(bǔ)給水,全年總徑流量為2.64×107m3,僅為草海的57.14%.但前者水體污染嚴(yán)重,導(dǎo)致其氮素負(fù)荷通量反而為最大(2.16×105kg/a),是草海的1.72倍,占所有污染源氮素總通量Q的62.78%.此外,濕地公園東北側(cè)內(nèi)六鐵路附近有地下污水管網(wǎng)向下游的污水處理廠輸送污水,但由于年久失修導(dǎo)致污水漏排嚴(yán)重,冬季濕地水位下降時(shí)可見污水涌出直接匯入濕地公園.因此,濕地地勢(shì)低洼導(dǎo)致周邊污水匯入是其水環(huán)境惡化的根本原因.第二個(gè)污染來(lái)源渠道是草海補(bǔ)給和坡面(壤中)徑流.前者氮素污染負(fù)荷通量占總通量Q的36.62%,與北門河通量的比率之和已達(dá)99.40%.而坡面流(壤中流)通量占比僅為0.53%.第三個(gè)污染來(lái)源渠道是大氣沉降,沉降中的氮按其輸入途徑差異可分為干沉降和濕沉降.本研究收集裝置只能接收大氣濕沉降,其氮素負(fù)荷通量N值僅占總通量Q的0.07%.因此,該區(qū)域大氣面源沉降不是造成鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園水體污染的主要因素.

3 討論

鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園水體超標(biāo)較為嚴(yán)重的指標(biāo)主要集中在總氮、總磷、生化需氧量和糞大腸菌群等,而反映工業(yè)污染源貢獻(xiàn)的重金屬污染年均值都符合Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),這表明生活污水就是該濕地最主要的污染物來(lái)源道.坡面流與壤中流方面,雖然坡面產(chǎn)流導(dǎo)致的集水量有限,但由于肥料施加會(huì)導(dǎo)致面源污染,且肥料利用率低下會(huì)導(dǎo)致氮素流失量較大,朱波等[22]的研究表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮素全年流失量巨大,可占肥料輸入總量的10%以上.本案例坡面(壤中)全年流氮污染負(fù)荷通量已達(dá)27.30 kg/hm2,這與朱波等[22]對(duì)四川盆地周邊的研究結(jié)果較為接近.該濕地周邊坡度有限導(dǎo)致集水面積較大,致使氮污染負(fù)荷通量可觀,達(dá)1.83×104kg/a.夏品華等[23]對(duì)該濕地上游草海保護(hù)區(qū)周邊土地研究也表明農(nóng)業(yè)利用造成的面源污染對(duì)草海水質(zhì)污染影響潛力為所有土地類型中的最大值.因此,農(nóng)業(yè)面源污染已成為濕地污染負(fù)荷通量估算中不可忽視的因素之一.大氣沉降方面,雖然本研究收集裝置只能接收大氣濕沉降,但許多研究表明濕沉降占總沉降量的40%～80%不等[24-25],即使依最低比率估算,理論上該研究案例大氣總氮沉降通量可能最大值也僅為4.45×102kg/a,約占各渠道總通量的0.13%.因此,該研究區(qū)域大氣面源沉降導(dǎo)致的氮污染負(fù)荷通量可基本忽略.本案例全年大氣濕沉降通量為2.32 kg/hm2,這與余功友[10]和黃鑠淇等[26]在同處于云貴高原的云南陽(yáng)宗海和昆明東郊的研究結(jié)果是比較接近的.但云貴高原等經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)氮沉降通量都是顯著低于重慶[27](54 kg/hm2)等我國(guó)其他大城市區(qū)域.且總體上城市經(jīng)濟(jì)規(guī)模越大氮沉降通量也越大,這充分表明人類活動(dòng)是影響大氣沉降污染物通量增大的根本原因.

因此,為保護(hù)鎖黃倉(cāng)濕地水環(huán)境和促進(jìn)濕地生態(tài)修復(fù),必須從源頭上減少污染負(fù)荷通量.保護(hù)措施為：一是攔截北門河上游的生活污水,鋪設(shè)管道直接引流至下游的污水處理廠,將會(huì)減少近一半的總氮輸入；二是盡可能提高草海補(bǔ)給流量,縮短鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園水體循環(huán)周期,其Ⅲ類質(zhì)量的補(bǔ)給水能高效促進(jìn)濕地水體更替、減輕基質(zhì)等污物載體的環(huán)境負(fù)荷；三是改變目前濕地集水區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,減輕面源污染造成的影響，在對(duì)水生蔬菜(如茭白、水芹等)采取整株采收提高生物除污效果的同時(shí),應(yīng)幫扶和引導(dǎo)農(nóng)民以無(wú)公害方式種植荊三棱、胡蘿卜和馬鈴薯等珍禽喜好的塊莖植物,收割時(shí)節(jié)并預(yù)留部分以供其越冬覓食所需.

4 結(jié)論

鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園及其草海補(bǔ)給水水質(zhì)季節(jié)變異明顯,主要影響因素為降水分布的季節(jié)性差異所致.以Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為參考,該濕地水體污染嚴(yán)重,除重金屬以外的多數(shù)指標(biāo)均不滿足國(guó)家濕地公園水環(huán)境建設(shè)最低要求.

北門河為該濕地最主要的污染物輸入渠道,氮素污染負(fù)荷通量為2.16×105kg/a,占總通量的62.78%.其次是草海補(bǔ)給和坡面匯流,通量占比分別為36.62%和0.53 %.大氣最大可能沉降量占比極低不足以從根本上影響到濕地水環(huán)境.坡面與壤中流的污染負(fù)荷通量不容忽視,這與周邊農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)烈、集水區(qū)域廣布有關(guān).鑒于北門河年徑流總量相對(duì)較少且總氮污染負(fù)荷通量較大,因此工程建設(shè)可考慮切斷北門河補(bǔ)給,鋪設(shè)管網(wǎng)直接將其引流至污水處理廠.同時(shí)協(xié)調(diào)其上游的草海保護(hù)區(qū)主管部門為鎖黃倉(cāng)濕地爭(zhēng)取更多的濕地景觀用水.

鎖黃倉(cāng)國(guó)家濕地公園在云貴高原具有一定的代表性,其水質(zhì)污染評(píng)價(jià)及污染源識(shí)別研究結(jié)果對(duì)周邊其他濕地水環(huán)境研究及生態(tài)恢復(fù)等方面具有一定的借鑒和參考意義.但是,不同濕地自然與社會(huì)環(huán)境迥異,污染物來(lái)源復(fù)雜,其污染負(fù)荷輸入貢獻(xiàn)順序也不盡一致,本研究結(jié)果能否適用于我國(guó)云貴高原以外的其他水域,有待于進(jìn)一步的比對(duì)研究.