高原湖泊及周邊濕地總含氮量特征分析和污染評(píng)價(jià)研究

馬林轉(zhuǎn),秦朝淇,肖本瑞

(1.云南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院, 云南 昆明，650500;2.云南民族大學(xué) 云南省高校民族地區(qū)資源清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明，650500;3.云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南 昆明，650034)

高原湖泊及周邊濕地對(duì)生態(tài)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用，總含氮量作為衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)，常被用來(lái)表示水體受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染的程度，對(duì)研究湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化有著重要作用[1].隨著人們的生活質(zhì)量的提高，越來(lái)越多的含氮物質(zhì)被排入廢水中，隨后流入湖泊，導(dǎo)致水中微生物大量繁殖，水生浮游植物生長(zhǎng)迅速，水體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)水生生物構(gòu)成威脅，湖內(nèi)養(yǎng)分減少，有毒物質(zhì)增加，造成魚(yú)類(lèi)的大量死亡，同時(shí)破壞了水體的生態(tài)平衡，加速湖泊的衰退[2].濕地可為水體輸送氧氣，在控制水質(zhì)污染上有重要作用[3].因此，對(duì)于高原湖泊及周邊濕地中總氮在時(shí)間和空間分布的研究，在該湖泊的管理和治理上都有重要意義.

通過(guò)對(duì)某高原湖泊及周邊濕地中總氮質(zhì)量濃度的時(shí)間和空間分布情況的分析，了解湖泊及周邊濕地總氮質(zhì)量濃度，并且進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理提供理論依據(jù).

1 研究?jī)?nèi)容

選取云南省某高原湖泊及周邊濕地為研究對(duì)象，對(duì)該湖泊的地理位置、周邊環(huán)境和湖泊概況及其歷史進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查，同時(shí)從時(shí)間和空間2個(gè)角度對(duì)湖泊總氮進(jìn)行研究，對(duì)濕地進(jìn)水口與出水口進(jìn)行檢測(cè)，觀(guān)察濕地對(duì)總氮的去除作用.于2018年7—12月長(zhǎng)達(dá)半年時(shí)間對(duì)該湖泊及周邊濕地總氮進(jìn)行了采樣分析并檢測(cè)，得出總氮的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù).通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)后，得出各個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，并將不同類(lèi)型數(shù)據(jù)間進(jìn)行對(duì)比，從時(shí)間和空間2個(gè)方面得出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，研究總氮質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)，并進(jìn)行湖泊污染評(píng)價(jià)分析，給出高原湖泊的保護(hù)建議.

1.1 湖泊概況

云貴高原地區(qū)的湖泊水深岸陡，進(jìn)湖的支流水系比較多，而湖泊的出流水系卻比較較少，因此此處的高原湖泊換水周期長(zhǎng)，自?xún)裟芰^弱，除此之外，該湖泊所處氣候類(lèi)型為具有高原特性的亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季炎熱，同時(shí)還受到來(lái)自太平洋和印度洋的東南風(fēng)、西南風(fēng)的影響，降水偏多.該湖泊在云南省內(nèi)，水面面積約 39 km2，呈現(xiàn)東西方向條帶狀，湖內(nèi)部地勢(shì)平坦向東南方向微傾斜，湖面海拔 1 414 m，水深平均為 4 m.出水河主要在東端，進(jìn)水河大多為季節(jié)河，東岸的淺灘是細(xì)砂底質(zhì)，其余都是淤泥底質(zhì)，淤泥厚約 2 m，呈灰黑色，腐殖質(zhì)含量較多并同時(shí)有大量螺類(lèi)外殼，屬于湖有機(jī)沉淀物；總氮是導(dǎo)致該湖富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素之一.該湖泊與周?chē)鷿竦毓餐饔茫谡{(diào)節(jié)氣候、控制美化、環(huán)境土壤侵蝕、促淤造陸、調(diào)蓄洪水、降解污染物等方面有著重要意義[4-6].

1.2 樣品的采集

湖泊呈現(xiàn)東西條帶狀，且該湖泊于上世紀(jì)80年代曾將湖泊出水口從湖中段遷往湖東段，湖中段可能殘留有大量的沉積物，沉積物在受到雨水以及溫度等的影響下，也可能會(huì)對(duì)水體總氮質(zhì)量濃度造成影響，因此湖中也作為1個(gè)重要檢測(cè)點(diǎn)，而湖西、湖東分別作為該湖泊的進(jìn)水口處與出水口處，湖西側(cè)分布有進(jìn)水人工濕地，湖東側(cè)有部分農(nóng)業(yè)用地，這些因素均是影響該湖泊總氮質(zhì)量濃度的重要因素，綜合考慮在東西方向上湖泊內(nèi)共設(shè)置了3個(gè)采樣點(diǎn)[7-8].

該湖泊所處氣候是具有高原特性的亞熱帶季風(fēng)氣候，根據(jù)其氣候特點(diǎn)，湖內(nèi)總氮質(zhì)量濃度可能會(huì)受到雨水以及風(fēng)浪的影響而發(fā)生變化，選取7～12月，包含了一年中的雨季與旱季.雨季湖泊及周邊水系流量增加伴隨著雨季風(fēng)向，會(huì)對(duì)湖泊造成波動(dòng)等影響，進(jìn)而影響總氮質(zhì)量濃度，故可以研究不同季節(jié)對(duì)該湖泊總氮的含量影響[9].在空間上選取的3個(gè)采樣點(diǎn)分別位于湖西，湖中以及湖東；濕地共設(shè)置了6個(gè)采樣點(diǎn)，分別位于入水河濕地與出水河濕地各3個(gè)點(diǎn)，對(duì)該湖泊周邊濕地進(jìn)行了水樣的采集與分析.

濕地采樣點(diǎn)共分為進(jìn)水口、出水口和濕地各3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，人工濕地在去除含氮物質(zhì)時(shí)，可以與濕地植物與微生物發(fā)生同化作用、或進(jìn)行硝化及反硝化作用，對(duì)總氮有1個(gè)良好的去除作用.為了更科學(xué)全面的研究湖泊系統(tǒng)的總氮質(zhì)量濃度，濕地也是非常重要的因素之一.同時(shí)為了使數(shù)據(jù)更加科學(xué)，分別于進(jìn)水口與出水口均選取了具有代表性的3組采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣.

1.3 樣品的測(cè)定

總氮質(zhì)量濃度的測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定.原理是強(qiáng)氧化劑過(guò)硫酸鉀在 60 ℃ 以上水溶液中可發(fā)生反應(yīng)分解出原子態(tài)氧，原子態(tài)氧于120～124 ℃ 的高壓水蒸氣下，可以將大部分含氮化合物氧化成硝酸鹽.采用紫外分光光度法，分別于波長(zhǎng)220和 275 nm 處，硝酸根離子有最大吸收和基本沒(méi)有吸收值處測(cè)定吸光度A220和A275，按照以下式子計(jì)算吸光度A，總氮質(zhì)量濃度與A成正比.計(jì)算公式為:A=A220-2A275.

1.4 主要實(shí)驗(yàn)試劑與設(shè)備

氫氧化鈉(濟(jì)南科潔化工有限公司)；過(guò)硫酸鉀(吳江市南風(fēng)精細(xì)化工有限公司)；1+9鹽酸(上?；茖?shí)驗(yàn)器材有限公司)；1+35硫酸(上?；茖?shí)驗(yàn)器材有限公司)；硝酸鉀(云南疊展貿(mào)易有限公司)；dr-4000紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(美國(guó)HACH公司).

醫(yī)用手提蒸汽滅菌鍋(上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 湖泊總氮質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)及相關(guān)分析

表2為湖泊各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度，湖泊數(shù)據(jù)的采集共分為湖西，湖中，湖東3個(gè)采樣點(diǎn)，故由表2可得，該湖泊的總氮質(zhì)量濃度介于1.02～ 2.89 mg/L 之間，湖西、湖中和湖東的平均值分別為1.85，2.1和2.3 mg/L；其中最低值為11月22號(hào)湖西點(diǎn)位的總氮質(zhì)量濃度值，最高值為12月2號(hào)湖東總氮質(zhì)量濃度值，湖東數(shù)據(jù)基本大于 2 mg/L,且每天的數(shù)據(jù)中，總氮質(zhì)量濃度排序基本為：湖東>湖中>湖西.部分湖中的點(diǎn)位總氮質(zhì)量濃度也較高.可能是由于上世紀(jì)80年代該湖泊出水口由湖中遷向湖東的原因.

表2 湖泊各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度 (mg·L-1)

續(xù)表2

2.2 湖泊各個(gè)不同點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度隨日期變化趨勢(shì)分析

依據(jù)檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，可以得出湖泊各定位總氮質(zhì)量濃度隨日期變化的趨勢(shì).圖1中所表示的是湖西點(diǎn)位的總氮質(zhì)量濃度，可以看出，湖西的總氮質(zhì)量濃度在9月中旬以后有明顯的下降趨勢(shì)，是受到了雨季的影響，原因可能是湖底的沉積物釋放出含氮物質(zhì)，在雨季來(lái)臨時(shí)，伴隨著雨季風(fēng)向造成湖泊水體浪動(dòng)，而湖西流動(dòng)性相對(duì)較好，故湖底的含氮物質(zhì)隨水流的流動(dòng)擴(kuò)散到湖西位置使總氮質(zhì)量濃度升高[10]，雨季過(guò)后，總氮質(zhì)量濃度下降明顯；7～9月初之間總氮質(zhì)量濃度的波動(dòng)較大，是由于雨季時(shí)雨水量不夠穩(wěn)定，且湖西位于進(jìn)水口處，故其總氮質(zhì)量濃度相對(duì)波動(dòng)也較大.

圖1 湖西總氮質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

圖2所示是湖中點(diǎn)位的總氮質(zhì)量濃度，湖中數(shù)據(jù)均位于1.5～ 2.5 mg/L 之間,總氮質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定，波動(dòng)不大，而數(shù)值相對(duì)偏高，首先可能是因?yàn)樵摵闯尸F(xiàn)東西條帶狀，湖西為進(jìn)水口，湖東為出水口處，因此靠近湖西點(diǎn)位的水流流動(dòng)性相對(duì)較好，而湖中部分流動(dòng)性相對(duì)弱，雨水對(duì)總氮的稀釋作用與湖中沉積物所擴(kuò)散出來(lái)的總氮濃度相互抵消，故總氮的質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定，趨勢(shì)也相對(duì)平緩.

圖2 湖中總氮質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖3所示是湖東點(diǎn)位的總氮質(zhì)量濃度，數(shù)據(jù)位于1.7～3 mg/L 之間，由曲線(xiàn)可以看出湖東點(diǎn)位波動(dòng)相對(duì)較少，且九月份以后有略微的上升趨勢(shì)，其原因可能是由于，湖東雖為該湖泊的出水口處，但由于高原湖泊的特點(diǎn)，流出水系別較少，故湖東的流動(dòng)性較湖西也相對(duì)較弱，此處雨水的稀釋作用相對(duì)較強(qiáng)，雨季過(guò)后,總氮質(zhì)量濃度略有上升.

2.3 湖泊不同點(diǎn)位總氮質(zhì)量濃度隨空間特征變化分析

圖4所表示的是湖泊各點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)匯總，其中總氮質(zhì)量濃度的空間分布較為明顯.湖中與湖東數(shù)據(jù)較為接近，但湖東較湖西略微偏高；在7～9月這個(gè)時(shí)間段，3個(gè)采樣點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度無(wú)明顯差別；在最后1個(gè)季度，湖東>湖中>湖西趨勢(shì)明顯；結(jié)合圖2可知，該湖泊中總氮質(zhì)量濃度由湖西向湖東逐漸升高，說(shuō)明湖東的污染相對(duì)較嚴(yán)重而湖西相對(duì)較輕.

圖4 湖泊各點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度變化匯總圖

分析其原因可能是，首先湖西側(cè)有入水口，水流的流動(dòng)性相對(duì)較好，且湖西為進(jìn)水口，湖西側(cè)有人工濕地，剛流入湖泊的水源是經(jīng)過(guò)濕地處理后的水，總氮質(zhì)量濃度相對(duì)較低，湖東部分為出水口處，但出水量較少，故湖中與湖東水流的流動(dòng)性都相對(duì)較弱，且湖東附近農(nóng)業(yè)用地相對(duì)較多，地方污染相對(duì)較高，且上世紀(jì)80年代，曾將湖泊的出水口由湖中向湖東遷移，在湖中與湖東之間由于出水口的遷移作用，湖泊底部沉積了大量的沉積物，沉積物在溫度、微生物等的作用下釋放氮，從而隨水流進(jìn)入湖泊的污染物相對(duì)偏高.

2.4 濕地總氮質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)及相關(guān)分析

濕地采樣點(diǎn)共分為進(jìn)水口、出水口和濕地各3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，人工濕地在去除含氮物質(zhì)時(shí)，可以與濕地植物與微生物發(fā)生同化作用、或進(jìn)行硝化以及反硝化的作用，對(duì)總氮有1個(gè)良好的去除作用.為了更科學(xué)全面的研究湖泊系統(tǒng)的總氮質(zhì)量濃度，濕地也是非常重要的因素之一.為了使數(shù)據(jù)更加科學(xué)，我們分別于進(jìn)水口與出水口均選取了具有代表性的3組數(shù)據(jù)，并求取平均值.由表3所示數(shù)據(jù)，可以看出：其中，進(jìn)水口的總氮質(zhì)量濃度平均值高于出水口，其中進(jìn)水口值位于1.38～4.81 mg/L 之間，出水口值位于0.79～ 3.57 mg/L 之間.

表3 湖泊濕地各采樣點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)及其平均值 (mg·L-1)

2.5 濕地不同點(diǎn)位總氮質(zhì)量濃度特征

由圖5可得，進(jìn)水口含量平均高于出水口且兩組數(shù)據(jù)變動(dòng)趨勢(shì)基本一致，其中7—9月總氮質(zhì)量濃度較10—11月高，波動(dòng)較大，分析原因，是由于隨著雨水的增加以及河流徑流量的增多，雨水增加，地表徑流量增加，會(huì)導(dǎo)致土壤中的氮肥隨著雨水流入水體.另外，高溫會(huì)導(dǎo)致沉積物中氮的礦化速率加快,隨著夏季溫度的升高，沉積物在微生物的作用下釋放出含氮物質(zhì),在雨季雨水的干擾下會(huì)導(dǎo)致水體中總氮質(zhì)量濃度升高.

圖5 濕地進(jìn)水口與出水口總氮質(zhì)量濃度平均值變化趨勢(shì)圖

進(jìn)水口較出水口總氮質(zhì)量濃度相對(duì)要高，說(shuō)明進(jìn)水口的水經(jīng)過(guò)人工濕地后，人工濕地對(duì)總氮的作用較為明顯，對(duì)總氮有顯著的脫除效果，可以顯著的控制水體污染程度.分析原因認(rèn)為濕地中的植物與微生物發(fā)生同化作用或者進(jìn)行硝化以及反硝化作用，將含氮物質(zhì)脫除，使得水體進(jìn)入湖泊時(shí)的濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，避免了對(duì)湖泊的進(jìn)一步污染.

3 湖泊污染評(píng)價(jià)分析

湖泊水體的富營(yíng)養(yǎng)化，就是指氮、磷等物質(zhì)進(jìn)入水體，使水體中微生物大量繁殖，水生浮游植物生長(zhǎng)迅速，消耗了水中的溶解氧，影響水中植物光合作用，使水體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)水生生物構(gòu)成威脅，破壞水體的生態(tài)平衡. 表4給出了地表水富營(yíng)養(yǎng)化總氮分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10].該湖泊單從含氮量來(lái)看，依據(jù)地表水富營(yíng)養(yǎng)化總氮分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出湖西屬于中度富營(yíng)養(yǎng)化，湖中和湖東屬于重度富營(yíng)養(yǎng)化，說(shuō)明該湖泊整體處于較為嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài).

表4 地表水富營(yíng)養(yǎng)化總氮分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語(yǔ)

高原湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)比較嚴(yán)重，但是濕地對(duì)于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理稍有成效，應(yīng)該充分利用濕地的作用[11]，在湖西側(cè)入水口處修建更為合理的人工濕地，使得流入湖泊的水體總氮質(zhì)量濃度得到有效控制[12]，另外，也應(yīng)該對(duì)周邊的農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行合理的管控，從而降低水體富營(yíng)養(yǎng)化.

高原湖泊的典型特點(diǎn)就是出水難，除了對(duì)湖泊本身的總氮質(zhì)量濃度進(jìn)行治理外，更應(yīng)該降低流入湖體污染物的濃度，人工濕地作為人工生態(tài)系統(tǒng)之一，在控制總氮質(zhì)量濃度上效果顯著，且符合可持續(xù)發(fā)展的原則，能夠保護(hù)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)，可以在湖泊的進(jìn)水區(qū)設(shè)置人工濕地，并作適當(dāng)?shù)穆糜伍_(kāi)發(fā)與利用，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展從而為湖泊治理提供更多的資金，同時(shí)也可以讓更多的人意識(shí)到保護(hù)湖泊的重要性；高原湖泊的另一個(gè)特點(diǎn)就是附近工、農(nóng)業(yè)用地較多，這對(duì)于湖泊總氮質(zhì)量濃度的影響也是不容小覷，應(yīng)該適當(dāng)將湖泊附近的工農(nóng)業(yè)用地外遷，或者在源頭上加大對(duì)廢水排放的監(jiān)察力度，保證排入水體的總氮質(zhì)量濃度濃度更低；最后，除去對(duì)于水源的單方面治理，也應(yīng)該重視對(duì)湖底沉積物的治理，防止微生物等的作用使得湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化加重.