高原湖泊及周边湿地总含氮量特征分析和污染评价研究

马林转,秦朝淇,肖本瑞

(1.云南民族大学 化学与环境学院, 云南 昆明，650500;2.云南民族大学 云南省高校民族地区资源清洁转化重点实验室，云南 昆明，650500;3.云南省环境科学研究院，云南 昆明，650034)

高原湖泊及周边湿地对生态环境起着至关重要的作用，总含氮量作为衡量水质的重要指标，常被用来表示水体受营养物质污染的程度，对研究湖泊的富营养化有着重要作用[1].随着人们的生活质量的提高，越来越多的含氮物质被排入废水中，随后流入湖泊，导致水中微生物大量繁殖，水生浮游植物生长迅速，水体呈现富营养化，对水生生物构成威胁，湖内养分减少，有毒物质增加，造成鱼类的大量死亡，同时破坏了水体的生态平衡，加速湖泊的衰退[2].湿地可为水体输送氧气，在控制水质污染上有重要作用[3].因此，对于高原湖泊及周边湿地中总氮在时间和空间分布的研究，在该湖泊的管理和治理上都有重要意义.

通过对某高原湖泊及周边湿地中总氮质量浓度的时间和空间分布情况的分析，了解湖泊及周边湿地总氮质量浓度，并且进行科学的数据分析，为湖泊富营养化治理提供理论依据.

1 研究内容

选取云南省某高原湖泊及周边湿地为研究对象，对该湖泊的地理位置、周边环境和湖泊概况及其历史进行了相关调查，同时从时间和空间2个角度对湖泊总氮进行研究，对湿地进水口与出水口进行检测，观察湿地对总氮的去除作用.于2018年7—12月长达半年时间对该湖泊及周边湿地总氮进行了采样分析并检测，得出总氮的质量浓度数据.通过实验室分析检测后，得出各个点位的数据，并将不同类型数据间进行对比，从时间和空间2个方面得出实验的结论，研究总氮质量浓度变化趋势，并进行湖泊污染评价分析，给出高原湖泊的保护建议.

1.1 湖泊概况

云贵高原地区的湖泊水深岸陡，进湖的支流水系比较多，而湖泊的出流水系却比较较少，因此此处的高原湖泊换水周期长，自净能力较弱，除此之外，该湖泊所处气候类型为具有高原特性的亚热带季风性气候，夏季炎热，同时还受到来自太平洋和印度洋的东南风、西南风的影响，降水偏多.该湖泊在云南省内，水面面积约 39 km2，呈现东西方向条带状，湖内部地势平坦向东南方向微倾斜，湖面海拔 1 414 m，水深平均为 4 m.出水河主要在东端，进水河大多为季节河，东岸的浅滩是细砂底质，其余都是淤泥底质，淤泥厚约 2 m，呈灰黑色，腐殖质含量较多并同时有大量螺类外壳，属于湖有机沉淀物；总氮是导致该湖富营养化的主要因素之一.该湖泊与周围湿地共同作用，在调节气候、控制美化、环境土壤侵蚀、促淤造陆、调蓄洪水、降解污染物等方面有着重要意义[4-6].

1.2 样品的采集

湖泊呈现东西条带状，且该湖泊于上世纪80年代曾将湖泊出水口从湖中段迁往湖东段，湖中段可能残留有大量的沉积物，沉积物在受到雨水以及温度等的影响下，也可能会对水体总氮质量浓度造成影响，因此湖中也作为1个重要检测点，而湖西、湖东分别作为该湖泊的进水口处与出水口处，湖西侧分布有进水人工湿地，湖东侧有部分农业用地，这些因素均是影响该湖泊总氮质量浓度的重要因素，综合考虑在东西方向上湖泊内共设置了3个采样点[7-8].

该湖泊所处气候是具有高原特性的亚热带季风气候，根据其气候特点，湖内总氮质量浓度可能会受到雨水以及风浪的影响而发生变化，选取7～12月，包含了一年中的雨季与旱季.雨季湖泊及周边水系流量增加伴随着雨季风向，会对湖泊造成波动等影响，进而影响总氮质量浓度，故可以研究不同季节对该湖泊总氮的含量影响[9].在空间上选取的3个采样点分别位于湖西，湖中以及湖东；湿地共设置了6个采样点，分别位于入水河湿地与出水河湿地各3个点，对该湖泊周边湿地进行了水样的采集与分析.

湿地采样点共分为进水口、出水口和湿地各3个监测点，人工湿地在去除含氮物质时，可以与湿地植物与微生物发生同化作用、或进行硝化及反硝化作用，对总氮有1个良好的去除作用.为了更科学全面的研究湖泊系统的总氮质量浓度，湿地也是非常重要的因素之一.同时为了使数据更加科学，分别于进水口与出水口均选取了具有代表性的3组采样点进行采样.

1.3 样品的测定

总氮质量浓度的测定采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法进行测定.原理是强氧化剂过硫酸钾在 60 ℃ 以上水溶液中可发生反应分解出原子态氧，原子态氧于120～124 ℃ 的高压水蒸气下，可以将大部分含氮化合物氧化成硝酸盐.采用紫外分光光度法，分别于波长220和 275 nm 处，硝酸根离子有最大吸收和基本没有吸收值处测定吸光度A220和A275，按照以下式子计算吸光度A，总氮质量浓度与A成正比.计算公式为:A=A220-2A275.

1.4 主要实验试剂与设备

氢氧化钠(济南科洁化工有限公司)；过硫酸钾(吴江市南风精细化工有限公司)；1+9盐酸(上海化科实验器材有限公司)；1+35硫酸(上海化科实验器材有限公司)；硝酸钾(云南叠展贸易有限公司)；dr-4000紫外可见分光光度计(美国HACH公司).

医用手提蒸汽灭菌锅(上海博迅医疗生物仪器股份有限公司).

2 实验结果与数据分析

2.1 湖泊总氮质量浓度数据及相关分析

表2为湖泊各监测点总氮质量浓度，湖泊数据的采集共分为湖西，湖中，湖东3个采样点，故由表2可得，该湖泊的总氮质量浓度介于1.02～ 2.89 mg/L 之间，湖西、湖中和湖东的平均值分别为1.85，2.1和2.3 mg/L；其中最低值为11月22号湖西点位的总氮质量浓度值，最高值为12月2号湖东总氮质量浓度值，湖东数据基本大于 2 mg/L,且每天的数据中，总氮质量浓度排序基本为：湖东>湖中>湖西.部分湖中的点位总氮质量浓度也较高.可能是由于上世纪80年代该湖泊出水口由湖中迁向湖东的原因.

表2 湖泊各监测点总氮质量浓度 (mg·L-1)

续表2

2.2 湖泊各个不同点总氮质量浓度随日期变化趋势分析

依据检测所得数据，可以得出湖泊各定位总氮质量浓度随日期变化的趋势.图1中所表示的是湖西点位的总氮质量浓度，可以看出，湖西的总氮质量浓度在9月中旬以后有明显的下降趋势，是受到了雨季的影响，原因可能是湖底的沉积物释放出含氮物质，在雨季来临时，伴随着雨季风向造成湖泊水体浪动，而湖西流动性相对较好，故湖底的含氮物质随水流的流动扩散到湖西位置使总氮质量浓度升高[10]，雨季过后，总氮质量浓度下降明显；7～9月初之间总氮质量浓度的波动较大，是由于雨季时雨水量不够稳定，且湖西位于进水口处，故其总氮质量浓度相对波动也较大.

图1 湖西总氮质量浓度随时间的变化

图2所示是湖中点位的总氮质量浓度，湖中数据均位于1.5～ 2.5 mg/L 之间,总氮质量浓度较为稳定，波动不大，而数值相对偏高，首先可能是因为该湖泊呈现东西条带状，湖西为进水口，湖东为出水口处，因此靠近湖西点位的水流流动性相对较好，而湖中部分流动性相对弱，雨水对总氮的稀释作用与湖中沉积物所扩散出来的总氮浓度相互抵消，故总氮的质量浓度较为稳定，趋势也相对平缓.

图2 湖中总氮质量浓度随时间变化趋势

图3所示是湖东点位的总氮质量浓度，数据位于1.7～3 mg/L 之间，由曲线可以看出湖东点位波动相对较少，且九月份以后有略微的上升趋势，其原因可能是由于，湖东虽为该湖泊的出水口处，但由于高原湖泊的特点，流出水系别较少，故湖东的流动性较湖西也相对较弱，此处雨水的稀释作用相对较强，雨季过后,总氮质量浓度略有上升.

2.3 湖泊不同点位总氮质量浓度随空间特征变化分析

图4所表示的是湖泊各点总氮质量浓度随时间变化的趋势汇总，其中总氮质量浓度的空间分布较为明显.湖中与湖东数据较为接近，但湖东较湖西略微偏高；在7～9月这个时间段，3个采样点总氮质量浓度无明显差别；在最后1个季度，湖东>湖中>湖西趋势明显；结合图2可知，该湖泊中总氮质量浓度由湖西向湖东逐渐升高，说明湖东的污染相对较严重而湖西相对较轻.

图4 湖泊各点总氮质量浓度变化汇总图

分析其原因可能是，首先湖西侧有入水口，水流的流动性相对较好，且湖西为进水口，湖西侧有人工湿地，刚流入湖泊的水源是经过湿地处理后的水，总氮质量浓度相对较低，湖东部分为出水口处，但出水量较少，故湖中与湖东水流的流动性都相对较弱，且湖东附近农业用地相对较多，地方污染相对较高，且上世纪80年代，曾将湖泊的出水口由湖中向湖东迁移，在湖中与湖东之间由于出水口的迁移作用，湖泊底部沉积了大量的沉积物，沉积物在温度、微生物等的作用下释放氮，从而随水流进入湖泊的污染物相对偏高.

2.4 湿地总氮质量浓度数据及相关分析

湿地采样点共分为进水口、出水口和湿地各3个监测点，人工湿地在去除含氮物质时，可以与湿地植物与微生物发生同化作用、或进行硝化以及反硝化的作用，对总氮有1个良好的去除作用.为了更科学全面的研究湖泊系统的总氮质量浓度，湿地也是非常重要的因素之一.为了使数据更加科学，我们分别于进水口与出水口均选取了具有代表性的3组数据，并求取平均值.由表3所示数据，可以看出：其中，进水口的总氮质量浓度平均值高于出水口，其中进水口值位于1.38～4.81 mg/L 之间，出水口值位于0.79～ 3.57 mg/L 之间.

表3 湖泊湿地各采样点总氮质量浓度数据及其平均值 (mg·L-1)

2.5 湿地不同点位总氮质量浓度特征

由图5可得，进水口含量平均高于出水口且两组数据变动趋势基本一致，其中7—9月总氮质量浓度较10—11月高，波动较大，分析原因，是由于随着雨水的增加以及河流径流量的增多，雨水增加，地表径流量增加，会导致土壤中的氮肥随着雨水流入水体.另外，高温会导致沉积物中氮的矿化速率加快,随着夏季温度的升高，沉积物在微生物的作用下释放出含氮物质,在雨季雨水的干扰下会导致水体中总氮质量浓度升高.

图5 湿地进水口与出水口总氮质量浓度平均值变化趋势图

进水口较出水口总氮质量浓度相对要高，说明进水口的水经过人工湿地后，人工湿地对总氮的作用较为明显，对总氮有显著的脱除效果，可以显著的控制水体污染程度.分析原因认为湿地中的植物与微生物发生同化作用或者进行硝化以及反硝化作用，将含氮物质脱除，使得水体进入湖泊时的浓度达到标准，避免了对湖泊的进一步污染.

3 湖泊污染评价分析

湖泊水体的富营养化，就是指氮、磷等物质进入水体，使水体中微生物大量繁殖，水生浮游植物生长迅速，消耗了水中的溶解氧，影响水中植物光合作用，使水体呈现富营养化，对水生生物构成威胁，破坏水体的生态平衡. 表4给出了地表水富营养化总氮分级评价标准[10].该湖泊单从含氮量来看，依据地表水富营养化总氮分级评价标准，得出湖西属于中度富营养化，湖中和湖东属于重度富营养化，说明该湖泊整体处于较为严重的富营养化状态.

表4 地表水富营养化总氮分级评价标准

4 结语

高原湖泊富营养化状态比较严重，但是湿地对于湖泊富营养化治理稍有成效，应该充分利用湿地的作用[11]，在湖西侧入水口处修建更为合理的人工湿地，使得流入湖泊的水体总氮质量浓度得到有效控制[12]，另外，也应该对周边的农业用地进行合理的管控，从而降低水体富营养化.

高原湖泊的典型特点就是出水难，除了对湖泊本身的总氮质量浓度进行治理外，更应该降低流入湖体污染物的浓度，人工湿地作为人工生态系统之一，在控制总氮质量浓度上效果显著，且符合可持续发展的原则，能够保护湖泊的生态系统，可以在湖泊的进水区设置人工湿地，并作适当的旅游开发与利用，带动经济发展从而为湖泊治理提供更多的资金，同时也可以让更多的人意识到保护湖泊的重要性；高原湖泊的另一个特点就是附近工、农业用地较多，这对于湖泊总氮质量浓度的影响也是不容小觑，应该适当将湖泊附近的工农业用地外迁，或者在源头上加大对废水排放的监察力度，保证排入水体的总氮质量浓度浓度更低；最后，除去对于水源的单方面治理，也应该重视对湖底沉积物的治理，防止微生物等的作用使得湖泊的富营养化加重.