湖泊濕地系統地表水-地下水相互作用及“三氮”遷移轉化

劉春篁，董一慧，李佳樂，張書緣，孫謙一，周國芳，桑閃閃

(東華理工大學水資源與環境工程學院，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系統，是人類重要的生存環境和自然界最富生物多樣性的生態景觀之一，也是實現可持續發展進程中關系國家與區域生態安全的重要戰略資源[1]。我國擁有濕地面積6 600多萬hm2，約占世界濕地面積的10%，居世界第4位、亞洲第1位[2]。目前我國建立了602處濕地自然保護區、1 600余處濕地公園和濕地保護小區，濕地保護率高達52.65%[3]。自1971年《關于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約》[簡稱《濕地公約》或《拉姆薩公約》]正式簽署以來，全球目前共有2 334塊濕地被列入國際重要濕地名錄，我國已被認定國際重要濕地64塊[4]，其中內地63處，香港1處。我國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，本文以湖泊濕地生態系統為對象，對湖泊濕地系統的水文地質條件、地表水-地下水(Surface water - groundwater,簡稱SW-GW)相互作用及“三氮”遷移轉化過程進行整理總結。

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

1 湖泊濕地系統的水文地質條件

在湖泊濕地生態系統這一特殊的過渡型生態系統中，濕地在生長季的部分時間處于淺水淹覆狀態，且周期性地以水生植物為優勢。水是濕地中最活躍、最關鍵的因素之一，并處于不斷地循環、變化和更新之中,是一種可恢復、可更新的資源，使湖泊濕地具有調蓄水量、調節氣候、水產養殖、娛樂、城市景觀等功能[6]。在湖泊濕地的形成與演化過程中，水文地質條件對湖泊濕地生態恢復和重建具有關鍵的制約作用[7]，一方面是湖泊濕地生態系統區別于陸地生態系統和水生生態系統的典型特征，另一方面是影響湖泊濕地生態系統發展演化的重要條件。

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

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密集的區域[9]，部分濕地周邊興建有水庫[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，水分運輸伴隨著物質的循環(見圖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 水文地質條件

根據國內外學者對濕地的研究，認為地質構造的變遷是濕地形成的主要原因。部分學者依據濕地水與地下水之間的水文補給關系和濕地地貌形態將濕地劃分為：地下水補給型的洼地形濕地、補給地下水型的洼地形濕地、地下水穿過型的坡地洼地形濕地、地下水穿過型坡地形濕地、地下水滲流(泉)型的坡地形濕地[12-13]。我國擁有一些極具特色的湖泊濕地，例如鄱陽湖濕地和烏梁素海濕地。鄱陽湖是長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)和長江之間復雜的水量交換導致鄱陽湖水位呈現年內動態變化，該濕地系統河流-濕地-湖泊相互作用頻繁、季節性干濕交替顯著，是一個典型的高洪泛濕地系統[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系，地下水既是烏梁素海的主要補給源，也會接受烏梁素海的補給[16-17]。

1.3 濕地水文過程的影響因素

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氣候變化因素[18]。崔楨等人以莫莫格濕地為研究對象，分析了極端氣候條件下該濕地水文的變化情況，發現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洪泛濕地的消長有深刻影響[19]。全球變暖會引起極地地區冰雪消融，一方面，導致濕地蒸散發量急劇增加，造成地表水和地下水水位下降，進而導致濕地水文過程發生改變；另一方面，可能會促進極地地區濕地植被的生長，甚至增加降雨、增加濕地水分的補給來源，進而改變濕地的水文條件[20]。

1.3.2 人類活動 興建水利工程、濕地圍墾、水資源開發利用等對濕地水文的影響尤為突出[21]。范少英等人研究發現三峽水庫的運用改變了長江干流年內水文過程，對鄱陽湖的水文調蓄功能產生了重要影響，汛后蓄水期鄱陽湖水量減少較多，9月水量減小約49.4%，汛前增泄期鄱陽湖水量也有明顯增加，5月水量增加約47.7%[22]。人類將土壤條件良好的濕地作為農田，灌溉活動加劇了地表水和地下水開采，使濕地缺少補給來源，造成濕地面積縮小[23-25]。

2 湖泊濕地系統中SW-GW相互作用

SW-GW相互作用是自然界中的普遍現象，對水量和水質產生直接影響。SW-GW之間的補排關系深刻影響濕地的形成和演化[26-27]，且對于維持濕地水平衡和生態功能起重要作用。

2.1 SW-GW相互作用尺度與模式

SW-GW相互作用過程表現在不同的時間尺度和空間尺度上。時間尺度上，氣候變化、地表徑流、地下水位以及地下水開采、濕地補排水等活動影響濕地系統水文周期，使SW-GW相互作用呈現年際間、季節性甚至逐日變化特征[28]。空間尺度上，Boulton等學者提出了SW-GW相互作用的3種空間尺度(見圖3[29])：盆地/流域尺度、接觸帶尺度和沉積物尺度[29]。目前，關于接觸帶上的SW-GW相互作用研究較多。根據接觸帶尺度濕地SW-GW水力特征，Jolly等人將濕地劃分為4種模式(見圖4[30])：1)非飽和流-補給型濕地，多見于季節性濕地系統；2)飽和流-補給型濕地，濕地水體是周邊地下水的補給來源；3)飽和流-排泄型濕地，周邊地下水補給濕地；4)飽和流-貫穿型濕地，地下水流“貫穿”整個濕地[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

濕地系統的SW-GW相互作用及演變主要取決于外部環境因素的變化。SW-GW相互作用受氣候變化和人類活動影響發生改變，在水文周期內出現一定的時空差異。

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致SW-GW相互作用發生改變的主要氣候因素[28]。氣候變化往往會導致年內降水不均，甚至發生干旱或洪澇等極端水文事件，因而SW-GW相互作用在豐-平-枯水期產生顯著差異[31-33]。

2.2.2 人類活動 人類活動對濕地SW-GW相互作用的影響不容忽視，圍湖造田、地下水過度開采、水利工程的修建等人類活動通過影響水文過程進而改變SW-GW相互作用。其中，興建水庫和堤壩是導致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，保障濕地系統正常工作，但是水庫和堤壩會截斷水流，減少濕地系統對地下水的補給，可能導致SW-GW相互作用模式發生改變[34-36]。

2.3 SW-GW相互作用研究方法

為深刻揭示濕地生態系統中SW-GW轉化關系，國內外學者采用多種研究方法，開展數十年研究。目前，相關研究方法總體分為兩類，一種是直接法，即采用水文學方法測定濕地系統水文要素變化，評估濕地SW-GW水力聯系；另一種為間接法，主要包括水化學法、同位素法、溫度示蹤法和數值模型法等，通過間接證據論證濕地SW-GW轉化過程(見表1)，在實際研究中通常采用多種方法相結合的方式開展工作。

表1 國內外湖泊濕地系統SW-GW轉化關系研究方法

表1 (續)

湖泊濕地系統SW-GW相互作用有如下幾點規律：1)濕地地下水水位埋深越小，越有利于地表水與其進行交換[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換隨季節變化[42]；3)SW-GW相互作用在空間變化上一般有3種情況：①湖泊常年補給地下水；②枯水期地下水補給湖泊，豐水期湖泊補給地下水；③地下水常年補給湖泊[37,43]。

3 湖泊濕地系統中“三氮”的遷移轉化過程

氮是自然界的重要組成元素之一，對于各種生命體不可或缺，也是環境污染的重要因子之一，近年來我國部分地區地下水正受到硝態氮污染[1]，例如鄱陽湖流域近年來已發現流域內超過10%的地下水出現了“三氮”污染，硝態氮濃度最高達到46.6 mg/L[44-45]；太湖流域內地下水近年來污染嚴重，硝態氮含量近年來曾高達22 mg/L[46]。

3.1 “三氮”的遷移過程

氮的物化遷移過程主要包括：吸附解吸、離子交換、界面擴散等[47]。生物地球化學過程對氨氮的吸附解吸作用較明顯[48-50]，鹽度是影響其作用強度的主要因素[48]。Rysgaard等人模擬了鹽度對氨氮吸附容量的影響，當鹽度增加到10‰時，氨氮吸附容量顯著下降[51]。影響界面遷移擴散的因素包括鹽度、水動力條件、干濕交替過程、沉積物類型、沉積物中有機質的礦化程度等[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，模擬了硝態氮的水平移動，結果表明：2種濕地的硝態氮輸運通量均隨著移動距離的增加而減少；隨著水分擴散系數的增大而增大[52]。

3.2 “三氮”的轉化過程

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

在湖泊濕地生態系統中，氮的存在形式多種多樣且處于變化之中，因此，氮循環是一個非常復雜的過程，其循環過程如圖5所示。大氣中79%是氮氣，大氣中的氮氣通過固氮作用進入濕地系統，分別以有機氮、氨氮和硝態氮等主要形式存在，并在土壤、包氣帶以及含水層中擴散，有機氮一部分被土壤等物質吸收，一部分通過礦化作用形成氨氮，一部分氨氮在全程硝化菌作用或氨氧化菌和硝化細菌共同作用下形成硝態氮，一部分氨氮則通過揮發作用回到大氣中，還有部分氨氮則會被植物吸收利用以及吸附在土壤和水體中，硝態氮除了會被植物吸收利用以及吸附在土壤和水體中外，還會通過反硝化細菌生成N2和N2O，最終排放到大氣，至此形成完整的氮循環過程。特別的是，在富營養化的湖泊濕地系統中，當水體或沉積物中含有高濃度氨氮時，氨氮會在厭氧氨氧化菌的作用下轉化為氮氣排出水體[55]。

圖5 “三氮”形態及轉化示意圖

3.3 “三氮”遷移轉化的影響因素

在“三氮”遷移轉化過程中，易發生氧化還原反應。影響“三氮”遷移轉化的主要因素包括其在自然環境中發生的氧化還原過程，人類活動的影響也不容忽視。日本千葉市因濕地修復工程使SW-GW相互作用發生改變，從而導致地下水反硝化細菌數量急劇減少，進而引起該地區地下中水硝態氮污染[56]。抗生素具有廣譜抗菌作用，被大量應用于人體和動植物感染性疾病的治療[57]，大量的抗生素以多種途徑進入地下水系統中，抑制了反硝化過程，從而加劇地下水硝態氮污染，Ahmad[58]和Hou[59]等人發現磺胺甲嘧啶和金霉素對地下水中硝態氮的降解起抑制作用，降低了反硝化速率；陳淋鵬等人發現諾氟沙星濃度大于10 μg/L時可以抑制硝態氮降解，諾氟沙星初始濃度增大，對硝態氮降解抑制程度增強[57]。

3.4 氮氧同位素的應用

4 總結與展望

本文圍繞湖泊濕地系統的水文地質條件、SW-GW相互作用及“三氮”在湖泊濕地系統中的遷移轉化過程3個方面，回顧了近年來的研究進展。湖泊濕地系統作為自然界中較復雜的生態系統，其水文過程及SW-GW相互作用都受到自然和人為因素的顯著影響，目前關于這兩大問題的研究已取得了一定進展。我國自2015年起開始了國家地下水監測工程項目，通過完善地下水監測網絡，基本對全國的地下水動態進行了有效監控，其中部分湖泊等水體流量的監測信息，將為這兩類問題的研究提供基礎支撐。“三氮”在湖泊濕地生態系統中的遷移轉化過程一方面受自然因素和人類活動共同影響，另一方面在水文過程和SW-GW相互作用下發生改變。因此，以湖泊濕地系統作為研究對象，開展水文循環和物質循環研究，對保持濕地生態功能及生物多樣性，保障生態安全，促進生態文明建設，實現人與自然和諧共生，實現山水林田湖草生命共同體具有重要意義。