| 标题 | 东平湖湿地水质动态及其净化功能分析 |
| 范文 | 刘加珍+陈永金+陈诗越+朱海勇+王成祥+徐梦辰 基金项目:国家自然科学基金(40901276;41072258;40772209)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(2011BSB01256) 作者简介:刘加珍（1974），女，四川遂宁人，副教授，博士，从事陆面生态过程与水资源保护研究。Email:liujiazhen@lcu.edu.cnDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk. 摘要：以2009年-2011年的实地监测资料和前人的研究资料为基础，分析了东平湖湿地水型、湖水营养盐的时空变化特征以及湿地植物、土壤、水文的净化功能，并探讨了水质变化原因和净化机理。结果表明：人为干扰作用下，东平湖水型已由20世纪80年代的碳酸盐型转变为硫酸盐型；由于入湖河流污染，湖泊入湖口比出湖口总氮、总磷含量明显要高；经过治理，21世纪比20世纪90年代总氮、总磷的含量分别降低了16%与48%；菹草对总氮、总磷的去除率分别达85%与54%；丰水期与枯水期的总氮、总磷含量均比平水期少，因此东平湖湿地净化功能与土壤、植物、水文状况以及人为干扰有着密切的关系。 关键词：东平湖;湿地;水质;净化功能;水过程线;总氮;总磷 中图分类号：X524;Q178文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04005705 Analysis of Water Quality and Its Purified Function of Wetland Ecosystem in the Dongping Lake LIU Jiazhen1,CHEN Yongjin1,CHEN Shiyue1,ZHU Haiyong2,WANG Chengxiang1,XU Mengchen1 (1.School of Environment and Planning,Liaocheng University,Liaocheng 252059,China; 2.Qingdao Technological University (Linyi),Linyi 273400,China) Abstract:Based on the monitoring data of the wetland ecosystem of the Dongping Lake from 2009 to 2011 and previous studies,the spatial and temporal variation of wetland water type and water nutrients and the purified function of wetland plants,soil,and hydrology were analyzed,and the reason of water quality variation and purified mechanism were discussed.The results showed that (1) the water type in the Dongping Lake has changed from carbonatetype in the 1980s to sulfatetype due to human activities;(2) the contents of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the lake inlet are higher than those in the lake outlet as a result of pollution in the river flowing into the lake;(3) the contents of TN and TP in the 2000s decrease by 12% and 55% compared with those in the 1990s after pollution control;(4) the removal rates of potamogeton crispus on TN and TP in the wetland reach 85% and 54%,respectively;and (5) the contents of TN and TP are lower in both flood and dry periods than those in the normal period.Therefore,the purified function of wetland ecosystem in the Dongping Lake is related to the soil,plant,and hydrology and human activities. Key words:Dongping Lake;wetland;water quality;purification function;water course line;total nitrogen;total phosphorus 湿地是水体到陆地的自然过渡地带［13］，可以通过拦截与沉积作用、过滤作用、化学沉降和吸附、微生物及植物吸收等过程，降低各种污染物的浓度如氮、磷、悬浮物、重金属和有机污染物，所以，湿地又被称作自然界的“肾脏”［45］。已有研究表明［612］，湿地消除污染物的能力与植物、土壤动物、微生物以及土壤特性等非生物因素有密切关系：湿地植物通过对周围水体及沉积物中营养物质的吸收，来降低污染物浓度，比如植物根系对氮的固定能力要高于沉积物［13］；土壤动物的活动可以促进土壤微生物的繁衍,对消除污染物起到极大的协助作用［14］；湿地土壤在垂直方向上对氮和磷具有很强的滤过截留作用［15］，入河污染物的浓度和毒性借助水体的自净作用可逐渐降低［16］，从而使入水口和出水水质的色度、浊度等存在明显差异［17］，这些过程可通过截留模型［15，18］来诠释湿地对营养物质的降解、去除。 东平湖是南水北调重要的水库调蓄区，也是鲁北输水干线和东西输水干线的枢纽，位于黄河、京杭运河、汶河三大水系交汇地。该湖泊不仅是黄河下游仅存的天然湖泊和最大的滞洪区，还承担着随时分滞黄河洪水和接纳大汶河河水的重任［19］，在国家水资源配置战略中地位突出。因此，从维护东平湖湿地功能、保护湿地生态系统健康、促进当地经济的快速发展与水资源的合理利用等方面来说，研究东平湖湿地水质及净化功能具有重要意义。 1研究区概况 东平湖位于我国山东省东平县的西部，平均水深约2.5 m，是我国东部地区典型的浅水型湖泊，也是山东省第二大淡水湖泊。流域范围内，山区、丘陵、平原、湖泊交错分布。研究区属于暖温带大陆性季风气候：土壤类型主要为潮土［20］，降水分布不均匀，多年平均年降雨量为624.4 mm，多集中在7月-9月［21］；四季分明，夏季高温、高湿，冬季干冷少风雪；平均气温13.6 ℃，气温年较差4.5 ℃左右，无霜期200 a，年日照时数2 401.1 h，年平均风速2.8 m/s［22］。近年来，由于富营养化加剧，菹草（Potamogeton crispus L.）已成为初春至初夏东平湖中沉水植物的优势种。2材料与方法 2.1数据采集 土壤样品采集：分别在王台（A）、展营（B）、老湖（C）、陈山口（D）、八里湾（E）与稻屯洼（F）选择了湖边代表性植被生长带，设置监测断面（见图1）；每个监测断面布设3个监测点，用GPS定位，于2011年5月进行了土壤样品的分层采样。 水样采集：在湖区设置水样采样点，用GPS定位（以H0至H10表示，见图1）。先后于2009年11月、2010年8月、2011年5月、7月、10月进行水质观测与采样。采样时在相应采样点从水面以下0.5 m 处采集3个上覆水水样，再混合均匀成混合水样，移入预先洗净的500 mL 聚乙烯瓶中。所取水样在现场用20 %的H2SO4酸化至pH<2.0，低温保存带回实验室分析。 图1东平湖湿地采样点 Fig.1Sampling stations and monitoring sections in Dongpinghu wetlands 2.2分析方法 水样测定指标包括pH、矿化度、水温、盐度、总氮、总磷、氨态氮、硝态氮、亚硝态氮等。其中，现场测定的指标包括：矿化度、盐度与水温（采用美国M316P型便携式电导率仪）、pH（采用国产SX620型便携式酸度计）；实验室测定的指标包括：总氮（采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法）、氨态氮（采用纳氏比色法）、硝态氮（采用酚二磺酸分光光度法）、亚硝态氮（采用盐酸萘乙二胺光度法）、总磷（采用钼锑抗分光光度法）。 3结果与分析 3.1湖泊水质动态 3.1.1湖泊水型的变化 矿化度是水化学成分测定的重要指标，用于评价水中总含盐量。根据图2可知东平湖大湖区矿化度变幅在为300～500 mg/L，均值为38016 mg/L，湖区的pH变幅范围在753-1035之间，属于碱性或微碱性。从5月、7月至10月湖水pH值有减小趋势。将六个监测区的矿化度做成柱状图见图2，可以看出，展营、入湖口、老湖镇、陈山口与湖心区相差不大，5月、7月与10月的最大矿化度区都在老湖镇分别为499 mg/L、447.5 mg/L、372 mg/L。而作为东平湖配套滞洪区的稻屯洼，现成为浅水的富营养型的湿地，其矿化度明显要比大湖区高的多。 图2东平湖湿地不同湖区酸碱度与矿化度差异 Fig.2Different pH and TDS of different districts in Dongpinghe wetland 从表1可以看出，东平湖湖水中主要阳离子Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量差别较大，含量高低顺序为［Ca2+］>［Na+］>［Mg2+］>［K+］，湖水按阳离子分类为钙组；而稻屯洼湿地为［ Na+］>［Ca2+］>［ Mg2+］>［ K+］，滞洪湿地为钠组。东平湖水中主要阴离子HCO-3、Cl-、 SO42-含量差别也较大，大湖区阴离子含量高低为［SO42-］>［HCO-3］>［Cl-］，稻屯洼为［HCO-3］>［ Cl-］>［ SO42-］。据水型分类标准可知，东平湖大湖区水型为SⅡCa，其滞洪湿地稻屯洼为ClⅢNa。 资料显示，20世纪80年代初，东平湖水型为碳酸盐型（CⅡCa与CⅢCa）［20,23］，2004年其水型发生了一定变化［23］，至2009年其水型变为硫酸盐型（SⅡCa与SⅢCa型）［20］，此结果与本文的检测结果相一致。究其原因，主要是人类活动带来的有机污染物所致。研究表明［20］，一方面，东平湖COD平均含量由1980年的3.07 mg/Ｌ上升到2009年的4.93 mg/Ｌ，湖水的有机污染越来越严重；另一方面是由于湖中发展“三网”养殖，且大量投饵［23］，这些含硫氨基酸的蛋白质、碳水化合物等经过氧化分解，产生了大量硫酸根；第三方面，大汶河的造纸、饮食、化工、冶金等企业的污水排放［24］,使含硫酸根的无机配位体与重金属结合形成络合物，进入东平湖，致使湖水硫酸根和湖底沉积物中重金属的含量均有增加［25］。 3.1.2湖水营养盐状况 从前人研究［2022］结合近两年监测资料可知，自1990年开始，东平湖的氮、磷含量见图3，湖水氮、磷指标尚属Ⅲ类，1991年开始在Ⅳ、Ⅴ类、劣Ⅴ类之间变动，1991年-1998年一直处于Ⅴ类水，2000年-2003年略有好转，但2004年总氮含量严重超标，2005年-2009年总氮含量出现下降趋势。表1东平湖湿地不同地区水样主要离子含量 Table 1Main ion content of different district in Dongpinghu wetland 采样点可溶性盐离子含量/（g·L1）CO32-HCO-3Cl-SO42-Ca2+Mg2+Na+K+王台00.1480.1010.2350.0970.0390.0450.007展营00.1520.1070.2550.0970.0310.0750.007老湖镇00.1500.0900.2200.1000.0300.0600.008稻屯洼00.3920.2910.0810.0890.0620.1510.008总磷在1990年-1998年含量都较高，2000年-2004年有所降低，稳定在0.05 mg/L左右， 2005年-2007年又下降到0.03 mg/L，2008年之后有所增加。 从总氮变化来看，90年代多年平均含量达3.00 mg/L，2000年-2011年多年平均含量达2.51 mg/L，降低了16%；总磷在90年代的多年平均含量达0.11 mg/L，而2000年-2011年的多年平均含量达0.06 mg/L，降低了48%。这与2000年之后开始实行的水污染治理措施有关。2010年与2011年监测资料显示，王台大桥和稻屯洼的总氮、总磷含量较高，表明大汶河是东平湖总氮和总磷含量的主要来源［24,26］。 3.2湖泊湿地的净化能力 3.2.1水文过程与净化功能 东平湖湿地生态系统净化功能可以从水流路径上的水质变化表现出来。由图4可知，2011年5月与7月从东平湖入湖口到出湖口（采样点H0-H9）的总氮、总磷、硝态氮与亚硝态氮的含量整体均呈现出逐渐降低的趋势。其中，5月份见图4a1、图4a2，图中氮、磷含量的降低更为明显，总氮由入湖口的2.56 mg/L,降低为0.39 mg/L,去除率达85%；总磷由入湖口的0.10 mg/L,降低为0.05 mg/L,去除率达54%；而7月份（图4b1、图4b2）的总氮与总磷的去除率分别达 图3东平湖2000年-2009年总氮、总磷含量 Fig.3Content of TN and TP in Dongping Lake in 2000-2011 51%和36%。从图5可以看出，在湖泊西南各监测点（H10、H3、H4、H7），5月、7月总氮的平均值分别为086 mg/L、091 mg/L,总磷的平均值分别为0080 mg/L、0061 mg/L，入湖至出湖水过程线上也表现出减少的趋势见图5a、图5b。 污染物浓度沿水流路径逐渐降低的原因是由于水流进入东平湖湿地后流速降低，有利于吸附着污染物质的悬浮颗粒的沉积，而水流过湖区沉水植物和根系较密集的地方时，吸附有污染物的悬浮固体被滤过，然后粘附到植被或其它过滤媒介上或参与絮凝作用等进一步去除污染物。另一方面，由于作用力的不平衡,溶解颗粒将自身吸附到表面区域，污染物粘附到泥炭土壤和植物上并通过延长和吸附媒介的接触时间提高污染物质去除率。再者，湖泊湿地中以微生物为媒介的厌氧、好氧过程能促进水体中的化学物质沉淀或挥发［17,27］。图4入湖至出湖水过程线上的氮磷含量差异 |
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