洱海北部上游不同修復(fù)類型濕地氮磷分布及污染風(fēng)險評價*

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，同時也是湖泊流域中受人類活動干擾強(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、少評價現(xiàn)象較為突出，為此客觀評價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個指標(biāo)對水體進(jìn)行富營養(yǎng)化評價，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”，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，每個濕地中種有蘆葦(Phragmitesaustralis)、茭草(Zizanialatifolia)、香蒲(TyphaorientalisPresl)等挺水植物，羅時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個采樣點(diǎn)，樣品采集時間為2020年8月。每個采樣點(diǎn)均采用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位，采集3個水樣，共采集144個表層水樣，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)評價

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)化評價，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)化評價中。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)化評級標(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)計算各指標(biāo)規(guī)范值，利用式(2)計算水體富營養(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；Wj為指標(biāo)j的歸一化權(quán)重，本研究對5個指標(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分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，評價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，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)。總體看來，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)鹽限制分級標(biāo)準(zhǔn)[15-17]：當(dāng)水體N/P<7時，水體中氮含量較少，為氮限制；當(dāng)水體7≤N/P<16時，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，水體開始表現(xiàn)為磷不足，為磷限制；當(dāng)水體N/P≥30時，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波動較大，有著不同的營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)。由圖4可見，4個濕地不同采樣點(diǎn)的N/P在3.57～18.93波動，平均值為10.56，只有3個采樣點(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)化評價

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，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，大部分在16以下，均為氮限制水體。不同濕地N/P的波動趨勢不同，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)化評價結(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發(fā)揮最大的作用，人為治理方式不僅會為濕地生態(tài)修復(fù)帶來顯著效果，還會為社會帶來更多的經(jīng)濟(jì)利用價值。

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波動較大，不同采樣點(diǎn)的N/P在3.57～18.93波動，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)評價結(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)用時應(yīng)定期檢測水體營養(yǎng)鹽等指標(biāo)，及時調(diào)整濕地凈化截留效果，控制污染物含量；同時進(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。