馬林轉(zhuǎn),秦朝淇,肖本瑞

(1.云南民族大學 化學與環(huán)境學院, 云南 昆明，650500;2.云南民族大學 云南省高校民族地區(qū)資源清潔轉(zhuǎn)化重點實驗室，云南 昆明，650500;3.云南省環(huán)境科學研究院，云南 昆明，650034)

高原湖泊及周邊濕地對生態(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，常被用來表示水體受營養(yǎng)物質(zhì)污染的程度，對研究湖泊的富營養(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，水生浮游植物生長迅速，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化，對水生生物構(gòu)成威脅，湖內(nèi)養(yǎng)分減少，有毒物質(zhì)增加，造成魚類的大量死亡，同時破壞了水體的生態(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，對于高原湖泊及周邊濕地中總氮在時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.

通過對某高原湖泊及周邊濕地中總氮質(zhì)量濃度的時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，并且進行科學的數(shù)據(jù)分析，為湖泊富營養(yǎng)化治理提供理論依據(jù).

1 研究內(nèi)容

選取云南省某高原湖泊及周邊濕地為研究對象，對該湖泊的地理位置、周邊環(huán)境和湖泊概況及其歷史進行了相關(guān)調(diào)查，同時從時間和空間2個角度對湖泊總氮進行研究，對濕地進水口與出水口進行檢測，觀察濕地對總氮的去除作用.于2018年7—12月長達半年時間對該湖泊及周邊濕地總氮進行了采樣分析并檢測，得出總氮的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù).通過實驗室分析檢測后，得出各個點位的數(shù)據(jù)，并將不同類型數(shù)據(jù)間進行對比，從時間和空間2個方面得出實驗的結(jié)論，研究總氮質(zhì)量濃度變化趨勢，并進行湖泊污染評價分析，給出高原湖泊的保護建議.

1.1 湖泊概況

云貴高原地區(qū)的湖泊水深岸陡，進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，自凈能力較弱，除此之外，該湖泊所處氣候類型為具有高原特性的亞熱帶季風性氣候，夏季炎熱，同時還受到來自太平洋和印度洋的東南風、西南風的影響，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，進水河大多為季節(jié)河，東岸的淺灘是細砂底質(zhì)，其余都是淤泥底質(zhì)，淤泥厚約 2 m，呈灰黑色，腐殖質(zhì)含量較多并同時有大量螺類外殼，屬于湖有機沉淀物；總氮是導(dǎo)致該湖富營養(yǎng)化的主要因素之一.該湖泊與周圍濕地共同作用，在調(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，也可能會對水體總氮質(zhì)量濃度造成影響，因此湖中也作為1個重要檢測點，而湖西、湖東分別作為該湖泊的進水口處與出水口處，湖西側(cè)分布有進水人工濕地，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個采樣點[7-8].

該湖泊所處氣候是具有高原特性的亞熱帶季風氣候，根據(jù)其氣候特點，湖內(nèi)總氮質(zhì)量濃度可能會受到雨水以及風浪的影響而發(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向，會對湖泊造成波動等影響，進而影響總氮質(zhì)量濃度，故可以研究不同季節(jié)對該湖泊總氮的含量影響[9].在空間上選取的3個采樣點分別位于湖西，湖中以及湖東；濕地共設(shè)置了6個采樣點，分別位于入水河濕地與出水河濕地各3個點，對該湖泊周邊濕地進行了水樣的采集與分析.

濕地采樣點共分為進水口、出水口和濕地各3個監(jiān)測點，人工濕地在去除含氮物質(zhì)時，可以與濕地植物與微生物發(fā)生同化作用、或進行硝化及反硝化作用，對總氮有1個良好的去除作用.為了更科學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.同時為了使數(shù)據(jù)更加科學，分別于進水口與出水口均選取了具有代表性的3組采樣點進行采樣.

1.3 樣品的測定

總氮質(zhì)量濃度的測定采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法進行測定.原理是強氧化劑過硫酸鉀在 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220和 275 nm 處，硝酸根離子有最大吸收和基本沒有吸收值處測定吸光度A220和A275，按照以下式子計算吸光度A，總氮質(zhì)量濃度與A成正比.計算公式為:A=A220-2A275.

1.4 主要實驗試劑與設(shè)備

氫氧化鈉(濟南科潔化工有限公司)；過硫酸鉀(吳江市南風精細化工有限公司)；1+9鹽酸(上?；茖嶒炂鞑挠邢薰?；1+35硫酸(上海化科實驗器材有限公司)；硝酸鉀(云南疊展貿(mào)易有限公司)；dr-4000紫外可見分光光度計(美國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 實驗結(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)測點總氮質(zhì)量濃度，湖泊數(shù)據(jù)的采集共分為湖西，湖中，湖東3個采樣點，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號湖西點位的總氮質(zhì)量濃度值，最高值為12月2號湖東總氮質(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.部分湖中的點位總氮質(zhì)量濃度也較高.可能是由于上世紀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)測點總氮質(zhì)量濃度 (mg·L-1)

續(xù)表2

2.2 湖泊各個不同點總氮質(zhì)量濃度隨日期變化趨勢分析

依據(jù)檢測所得數(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.圖1中所表示的是湖西點位的總氮質(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，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)，在雨季來臨時，伴隨著雨季風向造成湖泊水體浪動，而湖西流動性相對較好，故湖底的含氮物質(zhì)隨水流的流動擴散到湖西位置使總氮質(zhì)量濃度升高[10]，雨季過后，總氮質(zhì)量濃度下降明顯；7～9月初之間總氮質(zhì)量濃度的波動較大，是由于雨季時雨水量不夠穩(wěn)定，且湖西位于進水口處，故其總氮質(zhì)量濃度相對波動也較大.

圖1 湖西總氮質(zhì)量濃度隨時間的變化

圖2所示是湖中點位的總氮質(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，波動不大，而數(shù)值相對偏高，首先可能是因為該湖泊呈現(xiàn)東西條帶狀，湖西為進水口，湖東為出水口處，因此靠近湖西點位的水流流動性相對較好，而湖中部分流動性相對弱，雨水對總氮的稀釋作用與湖中沉積物所擴散出來的總氮濃度相互抵消，故總氮的質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定，趨勢也相對平緩.

圖2 湖中總氮質(zhì)量濃度隨時間變化趨勢

圖3所示是湖東點位的總氮質(zhì)量濃度，數(shù)據(jù)位于1.7～3 mg/L 之間，由曲線可以看出湖東點位波動相對較少，且九月份以后有略微的上升趨勢，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，流出水系別較少，故湖東的流動性較湖西也相對較弱，此處雨水的稀釋作用相對較強，雨季過后,總氮質(zhì)量濃度略有上升.

2.3 湖泊不同點位總氮質(zhì)量濃度隨空間特征變化分析

圖4所表示的是湖泊各點總氮質(zhì)量濃度隨時間變化的趨勢匯總，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月這個時間段，3個采樣點總氮質(zhì)量濃度無明顯差別；在最后1個季度，湖東>湖中>湖西趨勢明顯；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，說明湖東的污染相對較嚴重而湖西相對較輕.

圖4 湖泊各點總氮質(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，水流的流動性相對較好，且湖西為進水口，湖西側(cè)有人工濕地，剛流入湖泊的水源是經(jīng)過濕地處理后的水，總氮質(zhì)量濃度相對較低，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性都相對較弱，且湖東附近農(nóng)業(yè)用地相對較多，地方污染相對較高，且上世紀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，從而隨水流進入湖泊的污染物相對偏高.

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

濕地采樣點共分為進水口、出水口和濕地各3個監(jiān)測點，人工濕地在去除含氮物質(zhì)時，可以與濕地植物與微生物發(fā)生同化作用、或進行硝化以及反硝化的作用，對總氮有1個良好的去除作用.為了更科學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，我們分別于進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，進水口的總氮質(zhì)量濃度平均值高于出水口，其中進水口值位于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 濕地不同點位總氮質(zhì)量濃度特征

由圖5可得，進水口含量平均高于出水口且兩組數(shù)據(jù)變動趨勢基本一致，其中7—9月總氮質(zhì)量濃度較10—11月高，波動較大，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，會導(dǎo)致土壤中的氮肥隨著雨水流入水體.另外，高溫會導(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導(dǎo)致水體中總氮質(zhì)量濃度升高.

圖5 濕地進水口與出水口總氮質(zhì)量濃度平均值變化趨勢圖

進水口較出水口總氮質(zhì)量濃度相對要高，說明進水口的水經(jīng)過人工濕地后，人工濕地對總氮的作用較為明顯，對總氮有顯著的脫除效果，可以顯著的控制水體污染程度.分析原因認為濕地中的植物與微生物發(fā)生同化作用或者進行硝化以及反硝化作用，將含氮物質(zhì)脫除，使得水體進入湖泊時的濃度達到標準，避免了對湖泊的進一步污染.

3 湖泊污染評價分析

湖泊水體的富營養(yǎng)化，就是指氮、磷等物質(zhì)進入水體，使水體中微生物大量繁殖，水生浮游植物生長迅速，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)富營養(yǎng)化，對水生生物構(gòu)成威脅，破壞水體的生態(tài)平衡. 表4給出了地表水富營養(yǎng)化總氮分級評價標準[10].該湖泊單從含氮量來看，依據(jù)地表水富營養(yǎng)化總氮分級評價標準，得出湖西屬于中度富營養(yǎng)化，湖中和湖東屬于重度富營養(yǎng)化，說明該湖泊整體處于較為嚴重的富營養(yǎng)化狀態(tài).

表4 地表水富營養(yǎng)化總氮分級評價標準

4 結(jié)語

高原湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)比較嚴重，但是濕地對于湖泊富營養(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)該對周邊的農(nóng)業(yè)用地進行合理的管控，從而降低水體富營養(yǎng)化.

高原湖泊的典型特點就是出水難，除了對湖泊本身的總氮質(zhì)量濃度進行治理外，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，能夠保護湖泊的生態(tài)系統(tǒng)，可以在湖泊的進水區(qū)設(shè)置人工濕地，并作適當?shù)穆糜伍_發(fā)與利用，帶動經(jīng)濟發(fā)展從而為湖泊治理提供更多的資金，同時也可以讓更多的人意識到保護湖泊的重要性；高原湖泊的另一個特點就是附近工、農(nóng)業(yè)用地較多，這對于湖泊總氮質(zhì)量濃度的影響也是不容小覷，應(yīng)該適當將湖泊附近的工農(nóng)業(yè)用地外遷，或者在源頭上加大對廢水排放的監(jiān)察力度，保證排入水體的總氮質(zhì)量濃度濃度更低；最后，除去對于水源的單方面治理，也應(yīng)該重視對湖底沉積物的治理，防止微生物等的作用使得湖泊的富營養(yǎng)化加重.