青藏高原天然湿地水环境特征和水质净化能力分析

刘 倩 赵 娥 王克焕 熊 雄 吴辰熙

(1.西藏大学理学院, 拉萨 850000; 2.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072;3.中国科学院大学, 北京 100049)

湿地是介于陆地和水生生态系统之间的特殊生态系统, 在拦截污染物、净化水质等方面发挥着重要作用。湿地可以通过一系列的物理、化学和生物作用实现对水体中氮磷营养盐、重金属等污染物的有效净化[1,2]。大量的研究表明, 湿地对氮、磷等营养物质的去除率可达到50%以上[3—5]。由于湿地的强纳污能力, 湿地已经被广泛应用于城市生活污水的处理。然而, 研究表明气候变化和人类活动等在不同程度地威胁着湿地生态系统, 导致湿地生态系统的结构破坏和功能退化[6,7]。青藏高原自然条件复杂, 湿地生态系统多样。但高原湿地特有的海拔高、缺氧、寒冷干燥的自然条件, 使得高原湿地生态系统非常脆弱, 湿地结构和功能相对简单, 环境容量十分有限, 受外界干扰时自身的调节和恢复能力差[8—10]。在自然因素和人类活动的影响下, 高原湿地开始出现湿地退化萎缩、物种多样性改变等问题, 影响了当地社会和经济的可持续发展[8]。对高原城市湿地水质净化功能的研究, 可以为更好地保护高原湿地, 确保城市湿地生态系统服务功能的正常发挥提供科学指导。

拉萨河下游区域湿地众多, 其中拉鲁湿地是我国海拔最高的城市天然湿地, 在美化拉萨市环境、增加湿度和含氧量、净化污水等方面都有着极其重要的作用[8]。虽然目前拉萨市城市生活污水主要由污水处理厂处理, 但由于雨污分流不彻底, 老城区仍有部分污水和初期雨水进入拉鲁湿地流域。拉鲁湿地不仅能截留住污水中大量的悬浮颗粒物和有毒有害重金属离子, 湿地内丰富的微生物群落又能有效分解水中大部分有机污染物[9]。然而随着拉萨市城市化建设, 拉鲁湿地面积逐渐缩小, 严重影响了拉鲁湿地生态功能[8,9]。拉鲁湿地土壤、微生物和水生植物在净化水质功能的发挥中起着关键作用, 李家伶等[9]的研究表明拉鲁湿地对水中硝酸根和硫酸根的去除率分别可达到42%和59%, 周会东等[11]发现湿地芦苇对重金属元素具有较强的富集作用, 对铁、铜、铅和锌等重金属元素的去除率均达60%以上。但对于整个拉鲁湿地流域水环境变化的持续监测和水质净化功能的评估仍是科学管理拉鲁湿地的迫切需要。茶巴朗湿地是位于拉萨市郊一处位于农耕区的天然湿地, 受到农村生活和农业污染源的影响。农业生产活动导致的面源污染所带来的氮磷等营养元素可造成水体富营养化[7,12]。但目前对于茶巴朗湿地的研究多集中在外来鱼类的研究[13,14], 对湿地水质的研究较少。

本研究通过对拉鲁湿地流域和茶巴朗湿地在不同季节的水质特征进行监测分析, 揭示不同污染来源下高原天然湿地水环境特征的季节差异及其对水质的净化功能, 为青藏高原天然湿地水环境保护和生态安全保障提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域

拉鲁湿地位于我国西藏自治区拉萨市的西北部, 地理坐标介于东经91°03′41″—91°06′48″, 北纬29°39′25″—29°42′08″, 平均海拔高度为3645 m, 湿地保护区总面积为6.2 km2, 是我国海拔最高、面积最大的城市天然湿地, 属于高原温带半干旱季风气候, 是典型的高寒草甸沼泽湿地, 主要水生植物有金鱼藻、杉叶藻、水蓼和菖蒲等[15]。拉鲁湿地总体呈东西带状分布, 地势东北高西南低, 湿地水流整体以东北-西南的方向穿过湿地系统, 从西南方向流出。拉鲁湿地的补给水源主要来自流沙河、北干渠、中干渠及南干渠。北干渠、中干渠及南干渠引自拉萨河上的献多水电站尾水。拉萨市部分城市生活污水随这些干渠排入拉鲁湿地,湿地每年可净化拉萨市污水约1×107kg[8]。拉鲁湿地的进水量约为5.8—9.31 m3/s, 其中3月最低, 8月最高[16]。

茶巴朗湿地位于拉萨市曲水县茶巴朗村, 距离拉萨市50 km左右, 地理位置为北纬29°22′30″—29°22′59″, 东经90°49′20″—90°50′30″, 平均海拔为3600 m, 总面积0.2 km2, 属于高原温带半干旱季风气候区, 是典型的芦苇坑塘型湿地, 以芦苇、香蒲和水葱为优势种[13]。茶巴朗湿地的补给水源主要来自拉萨河, 湿地位于拉萨河右岸呈带状分布, 湿地与拉萨河之间通过水渠相连。

1.2 采样点布设

根据湿地的地势、水文特点及其水系分布情况, 本研究在拉鲁湿地流域和茶巴朗湿地内部分别设置 17 个采样点和5个采样点(图1a), 其中拉鲁湿地流域内的城市干渠样点10个(C1—C10, 图1b), 包括拉鲁湿地进水上游(C1—C5)和出水下游(C6—C10)干渠样点各5个; 拉鲁湿地内部7个样点(W1—W7,图1c), 其中W1号采样点为北干渠进入湿地的入水口, W2号采样点为中干渠进入湿地的入水口, W7号采样点是拉鲁湿地中干渠出水口; 茶巴朗湿地采样点5个(S1—S5, 图1d), 其中S1号采样点为茶巴朗湿地的入水口, S5号为湿地出水口。

图1 研究区域和采样点布设Fig.1 Layout of sampling points in the channels

1.3 样品采集与分析

于2020年8月(夏季)和2021年4月(春季)分别进行采样, 每个样点用聚乙烯样品瓶采集水样500 mL。现场采用便携式多参数分析仪(Hach, HQ40D, 美国)监测水体的温度、溶解氧(DO)、pH、电导率(EC)和浊度等指标。样品低温避光保存带回实验室分析。根据《水和废水监测分析方法》(第四版)测定总氮(TN)、氨氮(NH3-N), 硝酸盐氮(NO3-N)、总磷(TP)、溶解性磷(SRP)和高锰酸盐指数(CODMn)等水质指标[17]。

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件和Origin 2021软件对实验数据进行计算和绘图, 利用 SPSS 21.0软件对数据进行统计分析, 采用独立样本t检验分析不同区域水质的季节差异, 统计检验的显著性水平为P<0.05。根据湿地入水口与出水口污染物浓度计算湿地对污染物的去除率, 选择污染物的最大去除率来表示湿地的水质净化能力, 污染物去除率的计算公式如下:

式中,R为去除率(%);C0为湿地入水口处污染物浓度(mg/L);C1为湿地出水口处污染物浓度(mg/L)。

2 结果

2.1 水体理化指标分布特征

本研究中湿地水体pH在7.50—10.21, 总体呈弱碱性, 个别样点pH大于9。夏季pH总体高于春季(图2a)。拉鲁湿地内pH在春夏两季均表现出从入水口向出水口降低趋势, 而茶巴朗湿地内pH变化不明显。水体DO含量为1.71—9.29 mg/L, 拉鲁湿地春季水体DO明显高于夏季, 拉鲁湿地出水DO较湿地入水明显降低, 而茶巴朗湿地夏季水体DO普遍高于春季, 湿地出水DO明显高于湿地入水(图2b)。水体浊度为0.90—46 NTU, 拉鲁湿地水体浊度夏季明显高于春季, 在春夏两季也都沿湿地水流方向呈降低趋势, 而茶巴朗湿地春季浊度总体高于夏季(图2c)。水体EC为135.8—405.0 μs/cm, 春季水体EC普遍略高于夏季, 但夏季拉鲁湿地内样点间EC差异大于春季(图2d)。

图2 不同区域各采样点表层水理化指标Fig.2 Physical and chemical indexes of surface water at different sampling points in different regions

2.2 水体营养指标分布特征

如图3所示, 夏季, 拉鲁湿地流域水体TN、NH3-N和NO3-N浓度分别为0.34—3.25、0.10—2.06和0.05—1.02 mg/L, TP和SRP浓度分别为0.045—0.481和0.001—0.087 mg/L, CODMn为1.08—4.21 mg/L。拉鲁湿地上游干渠各营养指标浓度均不高, 空间差异不大, 但干渠入湿地处营养盐含量普遍较高。在上游干渠流入拉鲁湿地后, 中干渠进入湿地的进水TP超过《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质标准,NH3-N和CODMn分别满足地表水Ⅲ类和Ⅱ类水质标准。湿地内大部分营养盐浓度呈下降趋势, 湿地出水营养盐浓度明显低于进水, TP和CODMn满足地表水Ⅱ类水质标准, NH3-N可达地表水Ⅰ类水质标准。在湿地出水进入下游干渠后, 各营养盐指标又明显升高。夏季茶巴朗湿地水体TN、NH3-N和NO3-N浓度分别为0.63—1.59、0.22—0.83和0.05—0.09 mg/L, TP和SRP浓度分别为0.069—0.360和0.008—0.014 mg/L, CODMn为3.67—7.18 mg/L,湿地内TN、NH3-N和TP浓度总体表现出从入水到出水下降的趋势, 湿地进水NH3-N和TP满足Ⅲ类水质标准, CODMn满足Ⅱ类水质标准, 流经湿地后湿地出水NH3-N、TP和CODMn均达Ⅱ类水标准。

图3 不同区域各采样点表层水营养指标Fig.3 Nutrient indexes of surface water at different sampling points in different regions

拉鲁湿地流域水体春季TN、NH3-N和NO3-N浓度分别为0.61—3.24、0.11—1.14和0.43—2.20 mg/L,TP和SRP浓度分别为0.010—0.679和0.006—0.079 mg/L, CODMn为0.16—7.14 mg/L。拉鲁湿地上游干渠和湿地进水氮浓度普遍高于夏季, 磷浓度和CODMn略有降低。湿地进水NH3-N和TP满足Ⅲ类水质标准, CODMn满足Ⅱ类水质标准。流经拉鲁湿地后出水氮磷浓度较入水有所降低, NH3-N和TP满足Ⅱ类水质标准, CODMn达Ⅰ类水质标准。下游干渠各项营养指标浓度明显上升, 但总体低于夏季。春季茶巴朗湿地水体各项营养指标波动变化, TN、NH3-N和NO3-N浓度分别为0.52—0.92、0.27—0.65和0.07—0.15 mg/L, TP和SRP浓度分别为0.045—0.145和0.007—0.010 mg/L, CODMn为3.29—7.84 mg/L。湿地进水NH3-N和TP分别符合Ⅱ类和Ⅲ类水质标准, CODMn符合Ⅳ类水质标准, 进入湿地后湿地内TN、NH3-N、TP和CODMn浓度均有表现出逐渐下降的趋势, 但春季各营养盐浓度变化不如夏季明显,湿地出水NH3-N和TP达Ⅱ类水质标准, CODMn符合Ⅲ类水质标准。

从图4可以看出, 拉鲁湿地上游干渠水体春季TN和NO3-N浓度显著高于夏季(P<0.05), 夏季TP浓度和CODMn显著高于春季(P<0.05), NH3-N和SRP浓度无显著季节变化(P>0.05)。拉鲁湿地内春季TN和NO3-N浓度显著高于夏季(P<0.05), 夏季CODMn显著高于春季(P<0.05), NH3-N、TP和SRP浓度无显著季节变化(P>0.05)。下游干渠各营养盐均无显著季节变化(P>0.05)。茶巴朗湿地内春季水体NO3-N浓度显著高于夏季(P<0.05), 夏季SRP浓度显著高于春季(P<0.05), 其他营养盐季节变化均不显著(P>0.05)。

图4 不同区域水体营养盐季节变化Fig.4 Seasonal variation of nutrient concentrations in water bodies in different regions

2.3 湿地对污染物的去除率

拉鲁湿地和茶巴朗湿地都具有一定的水质净化功能, 但不同季节不同污染物的去除效果存在差异(图5)。夏季, 拉鲁湿地对TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分别可以达到75.0%、65.2%和89.5%,对TP和SRP的最大去除率分别可以达到85.2%和35.3%, 但湿地对CODMn没有表现出去除作用, 出水相对进水增加14.5%(图5a)。春季, 拉鲁湿地对TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分别为35.2%、65.9%和56.8%, 对TP、SRP和CODMn的最大去除率分别为59.5%、62.3%和17.9%(图5b)。夏季, 茶巴朗湿地对TN、NH3-N和NO3-N的去除率分别为60.7%、73.5%和12.7%, 对TP和SRP的去除率分别为35.9%和5.0%, 对CODMn同样没有表现出去除作用, 出水相对进水增加9.3%(图5a)。春季, 茶巴朗湿地对TN、NH3-N和NO3-N的去除率分别为2.2%、10.2%和11.3%, 对TP、SRP和CODMn的去除率分别为11.3%、9.0%和26.0%(图5b)。

拉鲁湿地和茶巴朗湿地都具有一定的水质净化功能, 但不同季节不同污染物的去除效果存在差异(图5)。夏季, 拉鲁湿地对TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分别可以达到75.0%、65.2%和89.5%,对TP和SRP的最大去除率分别可以达到85.2%和35.3%, 但湿地对CODMn没有表现出去除作用, 出水相对进水增加14.5%(图5a)。春季, 拉鲁湿地对TN、NH3-N和NO3-N的最大去除率分别为35.2%、65.9%和56.8%, 对TP、SRP和CODMn的最大去除率分别为59.5%、62.3%和17.9%(图5b)。夏季, 茶巴朗湿地对TN、NH3-N和NO3-N的去除率分别为60.7%、73.5%和12.7%, 对TP和SRP的去除率分别为35.9%和5.0%, 对CODMn同样没有表现出去除作用, 出水相对进水增加9.3%(图5a)。春季, 茶巴朗湿地对TN、NH3-N和NO3-N的去除率分别为2.2%、10.2%和11.3%, 对TP、SRP和CODMn的去除率分别为11.3%、9.0%和26.0%(图5b)。

图5 夏季(a)和春季(b)湿地对污染物的去除效果Fig.5 Removal rate of pollutants in wetlands in summer (a)and spring (b)

3 讨论

3.1 湿地水环境特征分析

拉鲁湿地和茶巴朗湿地水质的差异主要受污染来源的影响。拉鲁湿地流域污染来源主要是拉萨市居民的生产生活污染排放。拉鲁湿地下游干渠位于拉萨市主城区水污染最为严重, 其次为位于拉萨市东部的上游干渠, 这可能与附近人类活动水平和污水排放量有关。茶巴朗湿地位于以农业和畜牧业为主的茶巴朗村, 湿地污染来源可能更多的来自农药化肥的使用以及牲畜养殖, 随干渠和地表径流流入湿地。本研究结果显示, 茶巴朗湿地水体部分氮磷营养盐浓度和高锰酸盐指数普遍高于拉鲁湿地, 这可能反映了茶巴朗湿地较小的集水面积对农业生产导致的面源污染的汇聚作用, 并给湿地水体带来更为严重的环境压力。

本研究不同区域夏季和春季水质特征显示, 水体DO、EC、TN和NO3-N浓度夏季普遍低于春季,但pH、浊度、TP、SRP和CODMn夏季普遍高于春季。夏季拉萨河进入丰水期, 拉鲁湿地流域上游来水量大, 对污染物可能具有一定的稀释作用[18,19],导致水体EC和污染物浓度降低。但夏季拉萨市旅游人数增加, 人类活动影响增大, 在一定程度上可能增加了拉鲁湿地流域干渠中磷含量和CODMn。夏季降水量增加, 流域内人为活动产生的污染物也可能随地表径流流入干渠和湿地, 导致水体的浊度和磷含量增大。对于茶巴朗湿地, 降雨可以将农田中大量养分和农药化肥随地表径流流入湿地中, 这可能是其水体氮磷污染物浓度在夏季偏高的主要原因。湿地具有一定自净能力, 湿地植物和微生物在其中起着关键作用[2,20—22]。夏季拉鲁湿地和茶巴朗湿地植物生长旺盛, 促进湿地自净能力, 氮磷营养盐浓度降低[20], 浮游植物强烈的光合作用消耗大量CO2导致水体pH升高[23]。夏季两湿地水生植物的生长代谢也会向水体中释放有机物, 使湿地水体中CODMn增加。微生物活动能够促进湿地水质净化, 夏季水温高有利于微生物活动, 好氧微生物消耗大量氧气导致水体DO降低, 而春季水温低不利于微生物活动, 湿地水质净化能力减弱, 水质明显下降[21,24]。

3.2 湿地水质净化功能分析

夏季拉鲁湿地和茶巴朗湿地对氮的去除效果优于春季。一般来说, 湿地对氮的去除主要依靠湿地植物的吸收作用和微生物的硝化、反硝化作用[2,25,26]。夏季湿地植物生物量大, 可以大量吸收水体中的氮素, 从而降低湿地出水的氮浓度。微生物的硝化作用是在好氧体条件下亚硝化细菌和硝化细菌将铵盐转化为硝酸盐; 反硝化作用是通过反硝化细菌将硝酸盐还原成N2或者N2O, 从而实现水体中氮元素的去除[25,27]。环境因子, 如水温、DO和pH等, 会影响湿地中微生物的硝化和反硝化过程, 从而影响湿地中氮化合物的去除[4,25,28]。夏季水温高, 微生物的硝化和反硝化作用加强, 促进水体中氮化合物的相互转化[24]。本研究中夏季湿地水体氮的组成以NH3-N为主, NO3-N浓度一直较低, 湿地对TN和NH3-N的去除率也都很高, 说明由硝化反应产生的NO3-N很快能被反硝化细菌利用而不易积累。春季湿地植物生物生长不如夏季旺盛, 植物对氮的吸收减少, 同时较低的水温会抑制微生物的硝化和反硝化作用, 导致春季氮的去除率降低。本研究发现春季拉鲁湿地对NH3-N仍有较高的去除率, 但对NO3-N的去除率降低, 这可能与水体中DO含量有关。好氧环境会促进微生物的硝化作用, 但会抑制反硝化作用[4], 因此春季拉鲁湿地NO3-N成为水体中氮的主要组分。

拉鲁湿地和茶巴朗湿地对磷元素都有一定的去除效果, 夏季对TP的去除率高于春季, 而夏季对SRP的去除率低于春季。对于磷来说, 湿地对磷的去除途径包括化学和物理吸附沉降、植物吸收和微生物作用等[4,25]。可溶性无机磷容易与湿地中的悬浮颗粒物、黏土矿物和无机金属离子如Fe3+、Al3+和Ca2+等发生吸附和沉淀反应[7], 因此拉鲁湿地水体浊度和磷含量均沿水流逐渐降低。湿地植物可以通过根系直接吸收水体中的无机磷用于自身生长[1,2]。夏季植物生长旺盛, 可以吸收水体中大量的无机磷, 磷的去除率增加。春季大部分植物开始萌芽, 对磷的吸收也增加。本研究结果显示春季湿地对溶解性磷的去除率明显高于夏季, 这可能与春季水流量小, 流速慢, 水力停留时间长有关, 水体中的磷在湿地内有更长的时间进行吸附沉降和植物吸收。

夏季湿地对CODMn均未表现出去除作用, 而春季对CODMn表现出一定的去除作用。湿地对有机污染物的去除主要通过物理的截留沉淀和微生物的分解作用[29,30]。不溶性有机物在湿地内随水流逐渐沉淀或被截留, 可溶性有机物可以被湿地植物上附着的生物膜吸附, 从而被微生物分解去除[29]。本研究中季节对有机物的去除影响较大, 春季水力停留时间更长有利于水中不溶性有机物的去除, 夏季温度升高生物膜的作用增加, 有利于可溶性有机物的去除。但本研究结果显示夏季湿地出水CODMn均比进水高, 这可能说明夏季湿地内生长旺盛的水生植物释放的有机物更多。

不同湿地对水体污染物的净化效果不同。天然湿地的自身特征会影响湿地的水质净化功能, 包括湿地面积、湿地类型、污染物负荷、湿地水文、湿地所在地区的地形和气候条件等[2,21,31]。拉鲁湿地和茶巴朗湿地的海拔和气候条件接近, 因此湿地结构、水文水动力特征和污染物负荷可能是影响水质净化能力的主要因素。虽然拉鲁湿地来水量比茶巴朗湿地更大, 但拉鲁湿地面积是茶巴朗湿地面积的30多倍, 水域面积更广, 植物覆盖率更高, 这增加了污染物在湿地中的停留时间, 湿地植物为微生物活动提供充足的场所和良好的附着条件, 因此拉鲁湿地的水质净化能力更强。

4 结论

(1)本研究不同区域水质特征结果表明, 拉鲁湿地和茶巴朗湿地由于污染来源不同, 各营养盐含量存在差异。拉鲁湿地上游干渠和下游干渠由于直接受拉萨市人为活动的影响污染物含量较高, 拉鲁湿地进水水质最差可达劣Ⅴ类, 主要超标因子为TP, 而拉鲁湿地对上游干渠来水中的污染物具有一定的去除作用, 出水水质可达Ⅱ类。茶巴朗湿地流域主要受农业生产活动影响, 进水水质较拉鲁湿地进水水质好, 为Ⅲ—Ⅳ类水, 主要污染因子为CODMn,出水水质也能满足Ⅱ类水要求。(2)比较夏季和春季湿地水质特征发现, 湿地水体TN和NO3-N浓度夏季普遍低于春季, 这可能与湿地季节性水量、植物和微生物活性有关, 但TP、SRP和CODMn夏季普遍高于春季, 这可能与夏季流域人为活动增加有关。(3)拉鲁湿地和茶巴朗湿地均具有净化水质作用, 拉鲁湿地对氮、磷污染物的去除率更高, 且去除效果季节差异明显, 夏季去除效果普遍优于春季。春季湿地对有机污染物表现出较低的净化作用, 而夏季未表现出对有机污染物的净化。本研究结果表明,高原湿地对净化流域内人为来源的污染物具有重要作用, 但这一作用会受到来水水质、水位、季节、湿地面积和植被覆盖等多重因素影响。有必要对湿地来水进行合理的调控, 以发挥高原天然湿地净水功能的最大作用。