青藏高原天然濕地水環境特征和水質凈化能力分析

劉 倩 趙 娥 王克煥 熊 雄 吳辰熙

(1.西藏大學理學院, 拉薩 850000; 2.中國科學院水生生物研究所淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072;3.中國科學院大學, 北京 100049)

濕地是介于陸地和水生生態系統之間的特殊生態系統, 在攔截污染物、凈化水質等方面發揮著重要作用。濕地可以通過一系列的物理、化學和生物作用實現對水體中氮磷營養鹽、重金屬等污染物的有效凈化[1,2]。大量的研究表明, 濕地對氮、磷等營養物質的去除率可達到50%以上[3—5]。由于濕地的強納污能力, 濕地已經被廣泛應用于城市生活污水的處理。然而, 研究表明氣候變化和人類活動等在不同程度地威脅著濕地生態系統, 導致濕地生態系統的結構破壞和功能退化[6,7]。青藏高原自然條件復雜, 濕地生態系統多樣。但高原濕地特有的海拔高、缺氧、寒冷干燥的自然條件, 使得高原濕地生態系統非常脆弱, 濕地結構和功能相對簡單, 環境容量十分有限, 受外界干擾時自身的調節和恢復能力差[8—10]。在自然因素和人類活動的影響下, 高原濕地開始出現濕地退化萎縮、物種多樣性改變等問題, 影響了當地社會和經濟的可持續發展[8]。對高原城市濕地水質凈化功能的研究, 可以為更好地保護高原濕地, 確保城市濕地生態系統服務功能的正常發揮提供科學指導。

拉薩河下游區域濕地眾多, 其中拉魯濕地是我國海拔最高的城市天然濕地, 在美化拉薩市環境、增加濕度和含氧量、凈化污水等方面都有著極其重要的作用[8]。雖然目前拉薩市城市生活污水主要由污水處理廠處理, 但由于雨污分流不徹底, 老城區仍有部分污水和初期雨水進入拉魯濕地流域。拉魯濕地不僅能截留住污水中大量的懸浮顆粒物和有毒有害重金屬離子, 濕地內豐富的微生物群落又能有效分解水中大部分有機污染物[9]。然而隨著拉薩市城市化建設, 拉魯濕地面積逐漸縮小, 嚴重影響了拉魯濕地生態功能[8,9]。拉魯濕地土壤、微生物和水生植物在凈化水質功能的發揮中起著關鍵作用, 李家伶等[9]的研究表明拉魯濕地對水中硝酸根和硫酸根的去除率分別可達到42%和59%, 周會東等[11]發現濕地蘆葦對重金屬元素具有較強的富集作用, 對鐵、銅、鉛和鋅等重金屬元素的去除率均達60%以上。但對于整個拉魯濕地流域水環境變化的持續監測和水質凈化功能的評估仍是科學管理拉魯濕地的迫切需要。茶巴朗濕地是位于拉薩市郊一處位于農耕區的天然濕地, 受到農村生活和農業污染源的影響。農業生產活動導致的面源污染所帶來的氮磷等營養元素可造成水體富營養化[7,12]。但目前對于茶巴朗濕地的研究多集中在外來魚類的研究[13,14], 對濕地水質的研究較少。

本研究通過對拉魯濕地流域和茶巴朗濕地在不同季節的水質特征進行監測分析, 揭示不同污染來源下高原天然濕地水環境特征的季節差異及其對水質的凈化功能, 為青藏高原天然濕地水環境保護和生態安全保障提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域

拉魯濕地位于我國西藏自治區拉薩市的西北部, 地理坐標介于東經91°03′41″—91°06′48″, 北緯29°39′25″—29°42′08″, 平均海拔高度為3645 m, 濕地保護區總面積為6.2 km2, 是我國海拔最高、面積最大的城市天然濕地, 屬于高原溫帶半干旱季風氣候, 是典型的高寒草甸沼澤濕地, 主要水生植物有金魚藻、杉葉藻、水蓼和菖蒲等[15]。拉魯濕地總體呈東西帶狀分布, 地勢東北高西南低, 濕地水流整體以東北-西南的方向穿過濕地系統, 從西南方向流出。拉魯濕地的補給水源主要來自流沙河、北干渠、中干渠及南干渠。北干渠、中干渠及南干渠引自拉薩河上的獻多水電站尾水。拉薩市部分城市生活污水隨這些干渠排入拉魯濕地,濕地每年可凈化拉薩市污水約1×107kg[8]。拉魯濕地的進水量約為5.8—9.31 m3/s, 其中3月最低, 8月最高[16]。

茶巴朗濕地位于拉薩市曲水縣茶巴朗村, 距離拉薩市50 km左右, 地理位置為北緯29°22′30″—29°22′59″, 東經90°49′20″—90°50′30″, 平均海拔為3600 m, 總面積0.2 km2, 屬于高原溫帶半干旱季風氣候區, 是典型的蘆葦坑塘型濕地, 以蘆葦、香蒲和水蔥為優勢種[13]。茶巴朗濕地的補給水源主要來自拉薩河, 濕地位于拉薩河右岸呈帶狀分布, 濕地與拉薩河之間通過水渠相連。

1.2 采樣點布設

根據濕地的地勢、水文特點及其水系分布情況, 本研究在拉魯濕地流域和茶巴朗濕地內部分別設置 17 個采樣點和5個采樣點(圖1a), 其中拉魯濕地流域內的城市干渠樣點10個(C1—C10, 圖1b), 包括拉魯濕地進水上游(C1—C5)和出水下游(C6—C10)干渠樣點各5個; 拉魯濕地內部7個樣點(W1—W7,圖1c), 其中W1號采樣點為北干渠進入濕地的入水口, W2號采樣點為中干渠進入濕地的入水口, W7號采樣點是拉魯濕地中干渠出水口; 茶巴朗濕地采樣點5個(S1—S5, 圖1d), 其中S1號采樣點為茶巴朗濕地的入水口, S5號為濕地出水口。

圖1 研究區域和采樣點布設Fig.1 Layout of sampling points in the channels

1.3 樣品采集與分析

于2020年8月(夏季)和2021年4月(春季)分別進行采樣, 每個樣點用聚乙烯樣品瓶采集水樣500 mL?，F場采用便攜式多參數分析儀(Hach, HQ40D, 美國)監測水體的溫度、溶解氧(DO)、pH、電導率(EC)和濁度等指標。樣品低溫避光保存帶回實驗室分析。根據《水和廢水監測分析方法》(第四版)測定總氮(TN)、氨氮(NH3-N), 硝酸鹽氮(NO3-N)、總磷(TP)、溶解性磷(SRP)和高錳酸鹽指數(CODMn)等水質指標[17]。

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件和Origin 2021軟件對實驗數據進行計算和繪圖, 利用 SPSS 21.0軟件對數據進行統計分析, 采用獨立樣本t檢驗分析不同區域水質的季節差異, 統計檢驗的顯著性水平為P<0.05。根據濕地入水口與出水口污染物濃度計算濕地對污染物的去除率, 選擇污染物的最大去除率來表示濕地的水質凈化能力, 污染物去除率的計算公式如下:

式中,R為去除率(%);C0為濕地入水口處污染物濃度(mg/L);C1為濕地出水口處污染物濃度(mg/L)。

2 結果

2.1 水體理化指標分布特征

本研究中濕地水體pH在7.50—10.21, 總體呈弱堿性, 個別樣點pH大于9。夏季pH總體高于春季(圖2a)。拉魯濕地內pH在春夏兩季均表現出從入水口向出水口降低趨勢, 而茶巴朗濕地內pH變化不明顯。水體DO含量為1.71—9.29 mg/L, 拉魯濕地春季水體DO明顯高于夏季, 拉魯濕地出水DO較濕地入水明顯降低, 而茶巴朗濕地夏季水體DO普遍高于春季, 濕地出水DO明顯高于濕地入水(圖2b)。水體濁度為0.90—46 NTU, 拉魯濕地水體濁度夏季明顯高于春季, 在春夏兩季也都沿濕地水流方向呈降低趨勢, 而茶巴朗濕地春季濁度總體高于夏季(圖2c)。水體EC為135.8—405.0 μs/cm, 春季水體EC普遍略高于夏季, 但夏季拉魯濕地內樣點間EC差異大于春季(圖2d)。

圖2 不同區域各采樣點表層水理化指標Fig.2 Physical and chemical indexes of surface water at different sampling points in different regions

2.2 水體營養指標分布特征

如圖3所示, 夏季, 拉魯濕地流域水體TN、NH3-N和NO3-N濃度分別為0.34—3.25、0.10—2.06和0.05—1.02 mg/L, TP和SRP濃度分別為0.045—0.481和0.001—0.087 mg/L, CODMn為1.08—4.21 mg/L。拉魯濕地上游干渠各營養指標濃度均不高, 空間差異不大, 但干渠入濕地處營養鹽含量普遍較高。在上游干渠流入拉魯濕地后, 中干渠進入濕地的進水TP超過《地表水環境質量標準》Ⅴ類水質標準,NH3-N和CODMn分別滿足地表水Ⅲ類和Ⅱ類水質標準。濕地內大部分營養鹽濃度呈下降趨勢, 濕地出水營養鹽濃度明顯低于進水, TP和CODMn滿足地表水Ⅱ類水質標準, NH3-N可達地表水Ⅰ類水質標準。在濕地出水進入下游干渠后, 各營養鹽指標又明顯升高。夏季茶巴朗濕地水體TN、NH3-N和NO3-N濃度分別為0.63—1.59、0.22—0.83和0.05—0.09 mg/L, TP和SRP濃度分別為0.069—0.360和0.008—0.014 mg/L, CODMn為3.67—7.18 mg/L,濕地內TN、NH3-N和TP濃度總體表現出從入水到出水下降的趨勢, 濕地進水NH3-N和TP滿足Ⅲ類水質標準, CODMn滿足Ⅱ類水質標準, 流經濕地后濕地出水NH3-N、TP和CODMn均達Ⅱ類水標準。

圖3 不同區域各采樣點表層水營養指標Fig.3 Nutrient indexes of surface water at different sampling points in different regions

拉魯濕地流域水體春季TN、NH3-N和NO3-N濃度分別為0.61—3.24、0.11—1.14和0.43—2.20 mg/L,TP和SRP濃度分別為0.010—0.679和0.006—0.079 mg/L, CODMn為0.16—7.14 mg/L。拉魯濕地上游干渠和濕地進水氮濃度普遍高于夏季, 磷濃度和CODMn略有降低。濕地進水NH3-N和TP滿足Ⅲ類水質標準, CODMn滿足Ⅱ類水質標準。流經拉魯濕地后出水氮磷濃度較入水有所降低, NH3-N和TP滿足Ⅱ類水質標準, CODMn達Ⅰ類水質標準。下游干渠各項營養指標濃度明顯上升, 但總體低于夏季。春季茶巴朗濕地水體各項營養指標波動變化, TN、NH3-N和NO3-N濃度分別為0.52—0.92、0.27—0.65和0.07—0.15 mg/L, TP和SRP濃度分別為0.045—0.145和0.007—0.010 mg/L, CODMn為3.29—7.84 mg/L。濕地進水NH3-N和TP分別符合Ⅱ類和Ⅲ類水質標準, CODMn符合Ⅳ類水質標準, 進入濕地后濕地內TN、NH3-N、TP和CODMn濃度均有表現出逐漸下降的趨勢, 但春季各營養鹽濃度變化不如夏季明顯,濕地出水NH3-N和TP達Ⅱ類水質標準, CODMn符合Ⅲ類水質標準。

從圖4可以看出, 拉魯濕地上游干渠水體春季TN和NO3-N濃度顯著高于夏季(P<0.05), 夏季TP濃度和CODMn顯著高于春季(P<0.05), NH3-N和SRP濃度無顯著季節變化(P>0.05)。拉魯濕地內春季TN和NO3-N濃度顯著高于夏季(P<0.05), 夏季CODMn顯著高于春季(P<0.05), NH3-N、TP和SRP濃度無顯著季節變化(P>0.05)。下游干渠各營養鹽均無顯著季節變化(P>0.05)。茶巴朗濕地內春季水體NO3-N濃度顯著高于夏季(P<0.05), 夏季SRP濃度顯著高于春季(P<0.05), 其他營養鹽季節變化均不顯著(P>0.05)。

圖4 不同區域水體營養鹽季節變化Fig.4 Seasonal variation of nutrient concentrations in water bodies in different regions

2.3 濕地對污染物的去除率

拉魯濕地和茶巴朗濕地都具有一定的水質凈化功能, 但不同季節不同污染物的去除效果存在差異(圖5)。夏季, 拉魯濕地對TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分別可以達到75.0%、65.2%和89.5%,對TP和SRP的最大去除率分別可以達到85.2%和35.3%, 但濕地對CODMn沒有表現出去除作用, 出水相對進水增加14.5%(圖5a)。春季, 拉魯濕地對TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分別為35.2%、65.9%和56.8%, 對TP、SRP和CODMn的最大去除率分別為59.5%、62.3%和17.9%(圖5b)。夏季, 茶巴朗濕地對TN、NH3-N和NO3-N的去除率分別為60.7%、73.5%和12.7%, 對TP和SRP的去除率分別為35.9%和5.0%, 對CODMn同樣沒有表現出去除作用, 出水相對進水增加9.3%(圖5a)。春季, 茶巴朗濕地對TN、NH3-N和NO3-N的去除率分別為2.2%、10.2%和11.3%, 對TP、SRP和CODMn的去除率分別為11.3%、9.0%和26.0%(圖5b)。

拉魯濕地和茶巴朗濕地都具有一定的水質凈化功能, 但不同季節不同污染物的去除效果存在差異(圖5)。夏季, 拉魯濕地對TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分別可以達到75.0%、65.2%和89.5%,對TP和SRP的最大去除率分別可以達到85.2%和35.3%, 但濕地對CODMn沒有表現出去除作用, 出水相對進水增加14.5%(圖5a)。春季, 拉魯濕地對TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分別為35.2%、65.9%和56.8%, 對TP、SRP和CODMn的最大去除率分別為59.5%、62.3%和17.9%(圖5b)。夏季, 茶巴朗濕地對TN、NH3-N和NO3-N的去除率分別為60.7%、73.5%和12.7%, 對TP和SRP的去除率分別為35.9%和5.0%, 對CODMn同樣沒有表現出去除作用, 出水相對進水增加9.3%(圖5a)。春季, 茶巴朗濕地對TN、NH3-N和NO3-N的去除率分別為2.2%、10.2%和11.3%, 對TP、SRP和CODMn的去除率分別為11.3%、9.0%和26.0%(圖5b)。

圖5 夏季(a)和春季(b)濕地對污染物的去除效果Fig.5 Removal rate of pollutants in wetlands in summer (a)and spring (b)

3 討論

3.1 濕地水環境特征分析

拉魯濕地和茶巴朗濕地水質的差異主要受污染來源的影響。拉魯濕地流域污染來源主要是拉薩市居民的生產生活污染排放。拉魯濕地下游干渠位于拉薩市主城區水污染最為嚴重, 其次為位于拉薩市東部的上游干渠, 這可能與附近人類活動水平和污水排放量有關。茶巴朗濕地位于以農業和畜牧業為主的茶巴朗村, 濕地污染來源可能更多的來自農藥化肥的使用以及牲畜養殖, 隨干渠和地表徑流流入濕地。本研究結果顯示, 茶巴朗濕地水體部分氮磷營養鹽濃度和高錳酸鹽指數普遍高于拉魯濕地, 這可能反映了茶巴朗濕地較小的集水面積對農業生產導致的面源污染的匯聚作用, 并給濕地水體帶來更為嚴重的環境壓力。

本研究不同區域夏季和春季水質特征顯示, 水體DO、EC、TN和NO3-N濃度夏季普遍低于春季,但pH、濁度、TP、SRP和CODMn夏季普遍高于春季。夏季拉薩河進入豐水期, 拉魯濕地流域上游來水量大, 對污染物可能具有一定的稀釋作用[18,19],導致水體EC和污染物濃度降低。但夏季拉薩市旅游人數增加, 人類活動影響增大, 在一定程度上可能增加了拉魯濕地流域干渠中磷含量和CODMn。夏季降水量增加, 流域內人為活動產生的污染物也可能隨地表徑流流入干渠和濕地, 導致水體的濁度和磷含量增大。對于茶巴朗濕地, 降雨可以將農田中大量養分和農藥化肥隨地表徑流流入濕地中, 這可能是其水體氮磷污染物濃度在夏季偏高的主要原因。濕地具有一定自凈能力, 濕地植物和微生物在其中起著關鍵作用[2,20—22]。夏季拉魯濕地和茶巴朗濕地植物生長旺盛, 促進濕地自凈能力, 氮磷營養鹽濃度降低[20], 浮游植物強烈的光合作用消耗大量CO2導致水體pH升高[23]。夏季兩濕地水生植物的生長代謝也會向水體中釋放有機物, 使濕地水體中CODMn增加。微生物活動能夠促進濕地水質凈化, 夏季水溫高有利于微生物活動, 好氧微生物消耗大量氧氣導致水體DO降低, 而春季水溫低不利于微生物活動, 濕地水質凈化能力減弱, 水質明顯下降[21,24]。

3.2 濕地水質凈化功能分析

夏季拉魯濕地和茶巴朗濕地對氮的去除效果優于春季。一般來說, 濕地對氮的去除主要依靠濕地植物的吸收作用和微生物的硝化、反硝化作用[2,25,26]。夏季濕地植物生物量大, 可以大量吸收水體中的氮素, 從而降低濕地出水的氮濃度。微生物的硝化作用是在好氧體條件下亞硝化細菌和硝化細菌將銨鹽轉化為硝酸鹽; 反硝化作用是通過反硝化細菌將硝酸鹽還原成N2或者N2O, 從而實現水體中氮元素的去除[25,27]。環境因子, 如水溫、DO和pH等, 會影響濕地中微生物的硝化和反硝化過程, 從而影響濕地中氮化合物的去除[4,25,28]。夏季水溫高, 微生物的硝化和反硝化作用加強, 促進水體中氮化合物的相互轉化[24]。本研究中夏季濕地水體氮的組成以NH3-N為主, NO3-N濃度一直較低, 濕地對TN和NH3-N的去除率也都很高, 說明由硝化反應產生的NO3-N很快能被反硝化細菌利用而不易積累。春季濕地植物生物生長不如夏季旺盛, 植物對氮的吸收減少, 同時較低的水溫會抑制微生物的硝化和反硝化作用, 導致春季氮的去除率降低。本研究發現春季拉魯濕地對NH3-N仍有較高的去除率, 但對NO3-N的去除率降低, 這可能與水體中DO含量有關。好氧環境會促進微生物的硝化作用, 但會抑制反硝化作用[4], 因此春季拉魯濕地NO3-N成為水體中氮的主要組分。

拉魯濕地和茶巴朗濕地對磷元素都有一定的去除效果, 夏季對TP的去除率高于春季, 而夏季對SRP的去除率低于春季。對于磷來說, 濕地對磷的去除途徑包括化學和物理吸附沉降、植物吸收和微生物作用等[4,25]。可溶性無機磷容易與濕地中的懸浮顆粒物、黏土礦物和無機金屬離子如Fe3+、Al3+和Ca2+等發生吸附和沉淀反應[7], 因此拉魯濕地水體濁度和磷含量均沿水流逐漸降低。濕地植物可以通過根系直接吸收水體中的無機磷用于自身生長[1,2]。夏季植物生長旺盛, 可以吸收水體中大量的無機磷, 磷的去除率增加。春季大部分植物開始萌芽, 對磷的吸收也增加。本研究結果顯示春季濕地對溶解性磷的去除率明顯高于夏季, 這可能與春季水流量小, 流速慢, 水力停留時間長有關, 水體中的磷在濕地內有更長的時間進行吸附沉降和植物吸收。

夏季濕地對CODMn均未表現出去除作用, 而春季對CODMn表現出一定的去除作用。濕地對有機污染物的去除主要通過物理的截留沉淀和微生物的分解作用[29,30]。不溶性有機物在濕地內隨水流逐漸沉淀或被截留, 可溶性有機物可以被濕地植物上附著的生物膜吸附, 從而被微生物分解去除[29]。本研究中季節對有機物的去除影響較大, 春季水力停留時間更長有利于水中不溶性有機物的去除, 夏季溫度升高生物膜的作用增加, 有利于可溶性有機物的去除。但本研究結果顯示夏季濕地出水CODMn均比進水高, 這可能說明夏季濕地內生長旺盛的水生植物釋放的有機物更多。

不同濕地對水體污染物的凈化效果不同。天然濕地的自身特征會影響濕地的水質凈化功能, 包括濕地面積、濕地類型、污染物負荷、濕地水文、濕地所在地區的地形和氣候條件等[2,21,31]。拉魯濕地和茶巴朗濕地的海拔和氣候條件接近, 因此濕地結構、水文水動力特征和污染物負荷可能是影響水質凈化能力的主要因素。雖然拉魯濕地來水量比茶巴朗濕地更大, 但拉魯濕地面積是茶巴朗濕地面積的30多倍, 水域面積更廣, 植物覆蓋率更高, 這增加了污染物在濕地中的停留時間, 濕地植物為微生物活動提供充足的場所和良好的附著條件, 因此拉魯濕地的水質凈化能力更強。

4 結論

(1)本研究不同區域水質特征結果表明, 拉魯濕地和茶巴朗濕地由于污染來源不同, 各營養鹽含量存在差異。拉魯濕地上游干渠和下游干渠由于直接受拉薩市人為活動的影響污染物含量較高, 拉魯濕地進水水質最差可達劣Ⅴ類, 主要超標因子為TP, 而拉魯濕地對上游干渠來水中的污染物具有一定的去除作用, 出水水質可達Ⅱ類。茶巴朗濕地流域主要受農業生產活動影響, 進水水質較拉魯濕地進水水質好, 為Ⅲ—Ⅳ類水, 主要污染因子為CODMn,出水水質也能滿足Ⅱ類水要求。(2)比較夏季和春季濕地水質特征發現, 濕地水體TN和NO3-N濃度夏季普遍低于春季, 這可能與濕地季節性水量、植物和微生物活性有關, 但TP、SRP和CODMn夏季普遍高于春季, 這可能與夏季流域人為活動增加有關。(3)拉魯濕地和茶巴朗濕地均具有凈化水質作用, 拉魯濕地對氮、磷污染物的去除率更高, 且去除效果季節差異明顯, 夏季去除效果普遍優于春季。春季濕地對有機污染物表現出較低的凈化作用, 而夏季未表現出對有機污染物的凈化。本研究結果表明,高原濕地對凈化流域內人為來源的污染物具有重要作用, 但這一作用會受到來水水質、水位、季節、濕地面積和植被覆蓋等多重因素影響。有必要對濕地來水進行合理的調控, 以發揮高原天然濕地凈水功能的最大作用。