东平湖湿地水质动态及其净化功能分析

来源:http://www.shuizhifenxi.com/ 作者:余氯检测仪 时间:2019-07-22

  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

  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。

  图5东平湖西南区水过程线上的氮磷差异季节变化与净化能力

  东平湖洪水期发生在7月-9月,2月-6月是枯水期,其它月份为平水期。根据各月10个采样点的水化学成分的平均值做图(图6)可知,东平湖的总氮、总磷存在明显的季节性变化,近两年总氮、总磷最低的月份是在5月、7月、8月,氮、磷含量平水期大于丰水期,丰水期大于枯水期的现象。

  由此可见,东平湖水量的变化也会引起氮、磷污染物的去除效果。究其原因,洪水期间入湖水量大,受蓄水能力的限制,必然会提闸泄洪,许多上浮的污染物随出湖水流排出,加之丰水期水温较高见图6,为微生物和水生生物的生长活动提供了良好的条件,促进了水生生物对营养物质的吸收,加速了东平湖污染物质的降解,提高了湖泊的净化能力;另一方面,洪水使流速场中的流速相对加大,水中的溶解氧增加,为土壤表面提供了好氧界面,促进了化学和微生物反应,一些污染物被降解[21];第三,洪水淹没区土壤的通气性差,而嫌气性细菌如反硝化细菌等活动性增强,有利于总磷和氨的去除[2829]。而在平水期,由于关闸蓄水,出湖水量减少,气温度较低,动物、植物及微生物降解活动减弱,而地面径流、河流通畅,氮、磷营养物质能够顺利进人湖泊[30,31],并有所蓄积。此消彼长,自然造成洪水期东平湖湖中氮、磷含量低于平水期。图6东平湖不同季节水化学成分的差异

  Fig.6Content of chemical composition of water in different seasons in Dongping但是从图6看出,不是丰水期的5月份湖水总氮、总磷的含量也相对较低。进一步分析发现,5月份东平湖pH值平均值达9.3左右(图6(c)),明显高于其它月份,这是菹草生长对CO2和CO-3的大量利用所致[32]。研究表明,氮磷养分含量高的湖泥更有利于菹草植株的生长[33],5月份浅型湖泊的东平湖具有菹草生长的适宜条件。菹草的根、茎、叶会对不同污染物进行选择性吸收:菹草根部主要从底泥中吸收正磷酸盐[34];在pH为8.0~9.5、水温为19 ℃~28 ℃的条件下[34],菹草的茎叶会据氨态氮与硝态氮的浓度不同进行选择性吸收,从而明显降低湖水营养盐分。这也是5月份上覆水中总氮相对含量要低于总磷的主要原因。另外,枯水期河流流量极小,氮、磷进入湖泊的机会减少[3031];可能也是东平湖枯水期氮、磷含量相对要低的原因之一。

  4结论

  (1)东平湖大湖区属于碱性或微碱性水,从盐分的空间分布可以看出,展营、入湖口、老湖镇、陈山口与湖心区相差不大,而其滞洪湿地稻屯洼与大湖区相比盐分含量较高。在人类活动的影响下,东平湖水型已由20世纪80年代的碳酸盐型转硫酸盐型,稻屯洼湿地则为氯化镁型水。

  (2)从氮磷含量的年际变化来看,20世纪90年代至今东平湖的总氮、总磷含量较为丰富,2000年之后采取了治理措施,总氮与90年代相比降低了16%,总磷降低了48%。但大汶河仍然是东平湖总氮和总磷含量的主要来源。

  (3)从湖泊水文过程的净化能力来看,沿水过程线湖泊表显出明显的净化功能,不同季节,净化能力的强弱不同。5月份水过程线的中氮、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月份水过程线中总氮与总磷的去除率分别达51%和36%。

  (4)从不同季节湖泊净化功能的变化可以得出,近两年总氮、总磷最低值出现丰水期,以及5月份菹草生长季节,表明地面径流量、河流载体氮、磷含量、动物、植物及微生物降解能力等对东平湖湿地净化功能的发挥具有重要影响作用。

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