鎖黃倉國家濕地公園氮污染負荷通量估算及修復策略

李仰征, 游 萍, 鄧芳芳, 任金銅, 雷興慶, 柯西祥

(貴州工程應用技術學院 生態工程學院, 貴州 畢節 551700)

濕地是自然界生物多樣性最為集中的生態景觀之一,人類活動容易造成濕地環境污染和生態破壞.鎖黃倉國家濕地公園(試點)位于貴州省威寧縣草海國家自然保護區下游,公園內生物資源豐富,僅脊椎動物就有24目165種,其中鳥類17目130種,含黑頸鶴(Grusnigricollis,瀕危種)等國家保護動物10余種.為保護珍稀鳥類賴以生存的高原濕地生態系統,當地政府于2010年啟動了該濕地公園的規劃與建設工作.經過近十年的建設,仍未通過國家相關部門的驗收,主要原因是水體污染嚴重,水資源保護與修復工程沒有實質性進展.水是濕地的靈魂,水環境質量是評判濕地生態系統保護成效的根本環節.因此,識別濕地最主要的致污因子是濕地保護的出發點.

國內外關于水體污染源識別的報道也較多[1-6],主成分方法和矩陣因子法是主要的研究手段,文獻[2，4]運用主成分方法分別對非洲加納Densu delta濕地和我國溫州市某河道進行研究，揭示了水體潛在污染來源.王顏紅等[5]在沈陽細河流域采用矩陣因子法分析了水域周邊土壤重金屬各污染來源及其污染貢獻率.氮素是環境中廣布的元素,并參與地球各圈層的物質循環和能量流動.水體和土壤等環境載體中相關氮的檢測方法成熟、成本低廉,因此氮素視角下的環境污染研究得到了學者的普遍關注.相關涉氮研究主要集中在污染負荷通量估算和生態風險評估等方面,如Liu等[7]對我國大氣氮沉降通量做了全國尺度的估算,Jung等[8]從流域微尺度角度研究了農業活動和大氣氮沉降對韓國Chung水庫水質的影響.濕地是復雜而開放的生態系統,前人主要從河流補給[9]、大氣沉降[8,10-11]、農業活動影響下的坡面徑流[12]和壤中流[13]等角度分析一兩類致污因子對濕地氮素污染負荷輸入的貢獻,而系統地對各污染源進行通量估算和比較的研究還罕有報道.因此,以鎖黃倉國家濕地公園為研究對象,精準揭示各污染源負荷貢獻的主次關系,可為我國高原濕地環境保護提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況威寧縣為滇東高原向黔中山原過渡地帶,平均海拔2 200 m,出露巖石以石灰巖為主,巖溶地貌發育充分.全縣屬亞熱帶濕潤性季風氣候控制區,年日照時數1 800 h、年均氣溫10.5 ℃、降水量890 mm,見圖1.鎖黃倉國家濕地公園位于威寧縣城西南,距主城區約3 km,其上游的草海地表徑流及威寧城郊居民生活污水(北門河)為其重要的地表水補給來源.

圖 1 氣溫和降水的逐月分布

Fig.1Monthlydistributionoftheregionaltemperatureandprecipitation

1.2 樣點設計與采樣為科學評價濕地水環境質量狀況,參照地表水和污水監測技術規范[14]對主體水域采取網格法均勻布設樣點14個.由于水域深度有限,根據該規范要求只采集上覆水體：置洗涮過的采樣瓶于0.5 m處啟封瓶塞充滿水樣后密封取出,并設3次平行.采樣瓶敷冰冷藏迅速送回實驗室檢測.初次采樣GPS定點時投置重墜并懸系標識物浮于水面,確保各季采樣點空間位置不變,于2018年全年按季度進行采樣.鑒于北門河與草海來水為其地表主要補給水源,在兩者的濕地入口附近布置第15和16號樣點(見圖2),同時測量補給水源過水斷面面積和流速.

1.3 檢測指標與方法采樣現場使用溶解氧儀和酸度計檢測DO與pH值,室內分別采用堿性過硫酸鉀光度法、納氏比色法、鉬酸氨光度法、吡啶比色法、螯合萃取光度法、冷原子熒光法、原子吸收光度法、螯合萃取光度法、重鉻酸鉀氧化法、紅外光度法、

圖 2 樣點分布圖

草酸鈉還原法、多管發酵法和稀釋培養法檢測了水體總氮、氨氮、總磷、總氰化物、銅、砷、鋅、鎘、COD、石油類、高錳酸鹽指數、糞大腸菌群和BOD指標[14].

為兼顧其他渠道污染負荷通量,在濕地公園管理局平房頂部(相對高度約3 m)布設大氣濕沉降采集裝置[15]，如圖3所示.

圖 3 大氣濕沉降采集器結構圖

漏斗頂部有紗布封口,PVC內管用已活化的陰陽離子交換樹脂填充,外管包裹反光隔熱膜,內管底部安置脫脂棉并用紗布抄底,由于其構造簡單輕巧不易被察覺和損壞,因此得到普遍使用.沉降通量的計算公式為：

(1)

(2)

其中,Mi為某季度沉降通量(每季度均以90 d計),Ci和V分別為定容后浸提液的濃度和體積,Ti為該季度采集器戶外布置天數(每季度不低于60 d),S為漏斗口水平面匯集面積,再結合水域總面積Sw可計算全年大氣沉降直接匯入濕地的總氮通量N,如(2)式所示.此外,濕地周邊集水坡土地利用方式幾乎均為農業生產用地,大氣降水造成的坡面徑流及壤中流也會導致污染物質的輸入.因此,選擇典型耕地坡面,安置坡面流和壤中流的收集裝置[13].如圖4所示在傾斜坡面劃定邊長為1 m的正方形區域,左右上3邊用PVC板插入土體約30 cm,并保持出露地表15 cm,下方邊長處垂直開挖土體至基巖(土層深度約40～80 cm不等),修整巖體并在巖土交界面以下約10 cm處開鑿石縫以固定集水槽,水槽匯水口下接容積為2.5 L收集器,先行加入少量硫酸以杜絕微生物對氮素的利用和流轉,待大氣降水結束和壤中流停止后取回收集液過濾、定容備檢.再依據本次降水總量可估算單位面積坡面流和壤中流的氮匯集總量,進而依據該季節降水總量和集水區域陸地總面積可估算氮的匯入總量.

圖 4 坡面流與壤中流收集示意圖

綜上,該濕地公園各污染源總氮污染負荷通量Q的計算公式為：

Q=N+F+R，

(3)

(4)

(5)

R=rSb,

(6)

其中,N為全年大氣沉降直接匯入的總氮通量(kg),F是地表徑流北門河和草海補給水各自匯入的全年總氮通量fi之和,f為某補給水體各季節水體總氮質量濃度ρi(mg/L)與該季節過水斷面面積Ss(m2)、水體流速V(m/s)和季節總時長(s)乘積的累加值.R為由坡面流和壤中流造成的全年總氮匯入通量(kg),r為單位坡面面積坡面流和壤中流的氮匯集總量(kg/hm2),Sb為濕地周邊集水區域陸地總面積(hm2).借助ArcGIS軟件從精度為30 m的DEM中提取Sb為67.3 hm2,略低于濕地水域總面積Sw為77.0 hm2.由于地表徑流、大氣沉降及坡面和壤中流等渠道的顆粒態氮均懸移或自然沉降于濕地底部,短時無法直接溶入濕地水體并參與氮素循環,因此估算氮素通量時只檢測各渠道匯入的可溶態總氮含量(TDN).數據處理與計算使用Excel 2003完成,圖件制作借助CorelDraw 12完成.

2 鎖黃倉國家濕地公園水質監測結果與污染源識別

2.1 濕地水質評價由于該濕地建設目的主要是為黑頸鶴等珍禽提供越冬場所和覓食水域,與地表水環境質量標準[16]Ⅲ類水域規定的“魚蝦類洄游通道、越冬場所”較為接近.因此,以Ⅲ類限值為標準計算單因子污染指數Pi,進而求得綜合污染指數I,相關計算公式為：

(7)

(8)

其中，ρi為水體某樣點指標i的實測濃度,未檢出的相關指標濃度以零計,Si為水體指標i的評價標準.n為被評價指標總數.

利用除DO和pH以外的13種指標算可得該樣點綜合污染指數I,進而對所有14個樣點I值求均值即得平均綜合污染指數以表征該濕地公園水環境總體質量狀況,同時也計算了該濕地地表補給水體(第15和16號樣點)的I值,如圖5所示.

圖 5 濕地公園及其主要補給水體綜合污染指數季節變異

從全年平均來看,草海補給水質量較好,全年綜合污染指數為1.17,表明其水質基本符合Ⅲ類水質標準.這與蔡國俊等[17]對草海研究結果是基本一致的.

北門河是周邊城鎮生活污水匯入濕地的直排渠道,污染指數達到了4.42,為3個水體的最大值,采樣時也發現該水體全年均有不同程度的刺鼻腥臭味.

鎖黃倉國家濕地公園該指數為2.31,水質明顯劣于草海但要優于北門河.

雙因素方差分析顯示,不同水體綜合污染指數差異性已達顯著水平(F=25.08,P=0.001<0.05),而不同季節間差異性總體不顯著(F=1.54,P=0.298>0.05).但從鎖黃倉國家濕地公園和與草海補給水來看,兩者均在夏季為其水質最好時段,DO檢測值亦說明同一情況.

3個水體不同季節污染指數最小值出現在夏季的草海補給水,綜合污染指數僅為0.57,屬于輕污染級別.這很可能與夏季強降水的稀釋作用有關.因為當地在6—8月降水量已達到了501.3 mm(見圖1),占全年總量的56.31 %.鎖黃倉濕地水體與草海補給水污染指數的季節變異系數分別為0.32和0.39,而北門河則更低僅為0.11.這可能是后者主要來源于生活排污,污染物來源各季節相對穩定所致.但北門河污染指數最低值并沒有出現在夏季,反而在此季節出現了全年最高值,達到了5.10.究其原因,發現該季節其水體糞大腸菌群達到了3.96×105CFU·mL-1,約為Ⅲ類限值的40倍.因此,此單因子嚴重超標是I值偏大的重要影響因素.而其他季節北門河糞大腸菌群超標倍數均處于較低水準,如冬季僅為Ⅲ類限值的3.23倍.這主要因為糞大腸菌群等微生物對環境溫度普遍敏感,35 ℃范圍以下溫度越高增殖速度也越快.當地夏季均溫為全年最高,月均溫已超過15 ℃,冬季則相反,這致使冬夏二季該菌群出現了全年的極值.類似現象在其他水域也有報道[18].

相關水體單因子污染方面,3個水體總氮含量均超出地表水環境質量的Ⅲ類限值,且污染程度最為嚴重的也是北門河,Pi全年均值為13.04,其次是鎖黃倉濕地水體(Pi值為4.93),污染程度最低的為草海補給水(Pi值為3.49),3個水體總氮Pi值排序與綜合污染指數順序完全一致.

季節變異方面,3個水體均是夏季最低,冬季最高,北門河在冬季總氮Pi值為27.80.其他污染指標Pi值較低的均集中在重金屬方面,其中最低的為Cu元素,全年Pi均值僅為0.004 2,最大的則為As元素Pi均值也只有0.31.這與該濕地周邊及威寧縣工業發展遲緩、經濟欠發達有密切關聯.但重金屬以外的其他多數指標均不滿足Ⅲ類水質標準的限值,這表明該濕地水體的污染源很可能來自于周邊農業生產及居民生活等.

2.2 濕地污染源識別濕地是一個開放的復雜系統,不同地域自然和社會環境條件迥異,污染負荷來源渠道的正確辨識是濕地水資源保護與生態修復等工作的前提.

除地表河流以外,近些年大氣沉降則被認為是增長較快的外源負荷之一[19].Morales等[20]對委內瑞拉某湖泊研究表明大氣沉降造成的氮輸入甚至超過地表污水的污染負荷通量.此外,大氣降水導致的坡面流和壤中流,尤其是產流于農業用地匯水中的污染物濃度較大,如周林飛等[13]和聶小飛等[21]研究顯示渾河流域坡耕地坡面流和太湖流域丘陵茶園壤中流總氮濃度已接近30 mg/L,遠超出地表水環境質量標準Ⅴ類限值,這將對集水區水質產生顯著影響.那么,理順鎖黃倉國家濕地公園各渠道污染負荷通量貢獻大小關系就顯得尤為重要,根據(1)～(6)式,計算了該濕地公園各污染源總氮污染負荷通量,見表1.

表 1 不同季節鎖黃倉國家濕地公園各污染源總氮污染負荷通量

雖然北門河各季節徑流量均低于草海補給水,全年總徑流量為2.64×107m3,僅為草海的57.14%.但前者水體污染嚴重,導致其氮素負荷通量反而為最大(2.16×105kg/a),是草海的1.72倍,占所有污染源氮素總通量Q的62.78%.此外,濕地公園東北側內六鐵路附近有地下污水管網向下游的污水處理廠輸送污水,但由于年久失修導致污水漏排嚴重,冬季濕地水位下降時可見污水涌出直接匯入濕地公園.因此,濕地地勢低洼導致周邊污水匯入是其水環境惡化的根本原因.第二個污染來源渠道是草海補給和坡面(壤中)徑流.前者氮素污染負荷通量占總通量Q的36.62%,與北門河通量的比率之和已達99.40%.而坡面流(壤中流)通量占比僅為0.53%.第三個污染來源渠道是大氣沉降,沉降中的氮按其輸入途徑差異可分為干沉降和濕沉降.本研究收集裝置只能接收大氣濕沉降,其氮素負荷通量N值僅占總通量Q的0.07%.因此,該區域大氣面源沉降不是造成鎖黃倉國家濕地公園水體污染的主要因素.

3 討論

鎖黃倉國家濕地公園水體超標較為嚴重的指標主要集中在總氮、總磷、生化需氧量和糞大腸菌群等,而反映工業污染源貢獻的重金屬污染年均值都符合Ⅰ類水質標準,這表明生活污水就是該濕地最主要的污染物來源道.坡面流與壤中流方面,雖然坡面產流導致的集水量有限,但由于肥料施加會導致面源污染,且肥料利用率低下會導致氮素流失量較大,朱波等[22]的研究表明農業生產氮素全年流失量巨大,可占肥料輸入總量的10%以上.本案例坡面(壤中)全年流氮污染負荷通量已達27.30 kg/hm2,這與朱波等[22]對四川盆地周邊的研究結果較為接近.該濕地周邊坡度有限導致集水面積較大,致使氮污染負荷通量可觀,達1.83×104kg/a.夏品華等[23]對該濕地上游草海保護區周邊土地研究也表明農業利用造成的面源污染對草海水質污染影響潛力為所有土地類型中的最大值.因此,農業面源污染已成為濕地污染負荷通量估算中不可忽視的因素之一.大氣沉降方面,雖然本研究收集裝置只能接收大氣濕沉降,但許多研究表明濕沉降占總沉降量的40%～80%不等[24-25],即使依最低比率估算,理論上該研究案例大氣總氮沉降通量可能最大值也僅為4.45×102kg/a,約占各渠道總通量的0.13%.因此,該研究區域大氣面源沉降導致的氮污染負荷通量可基本忽略.本案例全年大氣濕沉降通量為2.32 kg/hm2,這與余功友[10]和黃鑠淇等[26]在同處于云貴高原的云南陽宗海和昆明東郊的研究結果是比較接近的.但云貴高原等經濟欠發達地區氮沉降通量都是顯著低于重慶[27](54 kg/hm2)等我國其他大城市區域.且總體上城市經濟規模越大氮沉降通量也越大,這充分表明人類活動是影響大氣沉降污染物通量增大的根本原因.

因此,為保護鎖黃倉濕地水環境和促進濕地生態修復,必須從源頭上減少污染負荷通量.保護措施為：一是攔截北門河上游的生活污水,鋪設管道直接引流至下游的污水處理廠,將會減少近一半的總氮輸入；二是盡可能提高草海補給流量,縮短鎖黃倉國家濕地公園水體循環周期,其Ⅲ類質量的補給水能高效促進濕地水體更替、減輕基質等污物載體的環境負荷；三是改變目前濕地集水區域農業生產方式,減輕面源污染造成的影響，在對水生蔬菜(如茭白、水芹等)采取整株采收提高生物除污效果的同時,應幫扶和引導農民以無公害方式種植荊三棱、胡蘿卜和馬鈴薯等珍禽喜好的塊莖植物,收割時節并預留部分以供其越冬覓食所需.

4 結論

鎖黃倉國家濕地公園及其草海補給水水質季節變異明顯,主要影響因素為降水分布的季節性差異所致.以Ⅲ類水質標準為參考,該濕地水體污染嚴重,除重金屬以外的多數指標均不滿足國家濕地公園水環境建設最低要求.

北門河為該濕地最主要的污染物輸入渠道,氮素污染負荷通量為2.16×105kg/a,占總通量的62.78%.其次是草海補給和坡面匯流,通量占比分別為36.62%和0.53 %.大氣最大可能沉降量占比極低不足以從根本上影響到濕地水環境.坡面與壤中流的污染負荷通量不容忽視,這與周邊農業活動強烈、集水區域廣布有關.鑒于北門河年徑流總量相對較少且總氮污染負荷通量較大,因此工程建設可考慮切斷北門河補給,鋪設管網直接將其引流至污水處理廠.同時協調其上游的草海保護區主管部門為鎖黃倉濕地爭取更多的濕地景觀用水.

鎖黃倉國家濕地公園在云貴高原具有一定的代表性,其水質污染評價及污染源識別研究結果對周邊其他濕地水環境研究及生態恢復等方面具有一定的借鑒和參考意義.但是,不同濕地自然與社會環境迥異,污染物來源復雜,其污染負荷輸入貢獻順序也不盡一致,本研究結果能否適用于我國云貴高原以外的其他水域,有待于進一步的比對研究.