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湖蕩濕地對輸水河道磷的截留凈化作用王沛芳;胡斌;王超;常虹;李麗娜;錢進(jìn);侯俊【摘要】TheinterceptionanddecontaminationofTP,TDP,PP,andPO3-4andtheirimpactfactorswereanalyzedinEzhenLakeandCaohuLake,whicharelocatedinthewaterwayoftheWangyuRiverintheTaihuBasin.Themainresultsareasfollows:(1)Thetwolakewetlandscanremovephosphorus,especiallyPPandPO3-4,fromtheinputwatercoursebyinterceptionanddecontamination.(2)Factorsliketheareaandspatialshapeofthelake,thelocationofsitesofwaterinputandoutput,andthedistributionofhydrophytesinwetlandsaffecttheremovalrateofphosphorus.(3)Significantlynegativecorrelationswerefoundbetweenwatertemperature,pH,DOconcentration,Chl-aconcentration,andphosphorus,whilethecorrelationsbetweenwatertemperature,pH,DOconcentration,andChl-aconcentrationweresignificantlypositive.Therefore,algaeareakeyfactorinfluencingphosphorusremoval.%選取太湖流域望虞河沿線的鵝真蕩和漕湖兩個(gè)湖蕩濕地分析湖蕩濕地對水體中總磷、總?cè)芙饬?、顆粒磷以及正磷酸鹽的截留凈化作用和影響因子.結(jié)果表明:①湖蕩濕地對輸水河道中磷有不同程度的截留凈化作用,對顆粒態(tài)磷和正磷酸鹽的截留凈化作用最為顯著.②湖蕩的面積、空間結(jié)構(gòu)、河水在湖蕩輸入、輸出點(diǎn)的位置以及水生植物分布在一定程度上影響濕地對磷的截留凈化作用;③水溫、pH、DO濃度和Chl-a濃度與水體中的磷濃度均呈極顯著負(fù)相關(guān),水溫、pH、DO濃度與Chl-a濃度均呈極顯著正相關(guān),因此藻類是影響湖蕩凈化磷的重要因子.【期刊名稱】《水資源保護(hù)》【年(勤期】2013(000)001【總頁數(shù)】6頁(P1-5,9)【關(guān)鍵詞】濕地;輸水河道;磷;截留凈化;影響因子;鵝真蕩漕湖【作者】王沛芳湖斌;王超;常虹;李麗娜;錢進(jìn);侯俊【作者單位】河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210098;河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210098;河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210098;江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室,江蘇南京210029;河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210098;河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210098;河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210098【正文語種】中文【中圖分類】X171.4近年來我國水體富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重,水華的頻繁暴發(fā)給人們的生產(chǎn)和生活帶來不利影響,尤其是太湖等大型淡水湖泊的富營養(yǎng)化問題[1]。磷是水體生態(tài)系統(tǒng)中初級生產(chǎn)力的主要影響因子之一,且是控制水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵營養(yǎng)元素,其濃度與水體的營養(yǎng)程度密切相關(guān)。為緩解水體的富營養(yǎng)化狀況,國內(nèi)外展開了一系列的研究,其中濕地生態(tài)系統(tǒng)由于具有對磷進(jìn)行物理、化學(xué)和生物的處理能力,已被廣泛采用。濕地生態(tài)系統(tǒng)分為人工濕地和自然濕地,研究表明,人工濕地在對生活污水、廢水、入湖徑流的處理以及河道生態(tài)的修復(fù)中具有一定的效果[2-5],自然濕地如溝渠濕地、水塘濕地對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物有凈化作用[6-7]。濕地對河流污染物都有一定的截留作用[8],然而針對湖蕩濕地對天然輸水河道中污染物的截留去除研究較少。筆者選取太湖〃引江濟(jì)太”工程主要輸水河流望虞河的鵝真蕩、漕湖兩個(gè)湖蕩濕地作為研究對象,分析湖蕩濕地對天然輸水河道中磷的截留凈化作用,旨在為〃引江濟(jì)太”工程提供理論和技術(shù)支持。1材料與方法1.1研究區(qū)域概況鵝真蕩位于無錫市和蘇州市接合部,南北長約3.0km,東西寬約2.9km,面積約為5.4km2。5月份水生植物分布較為廣泛,湖蕩周邊有蘆葦、菖蒲以及菹草,主輸水河道無水生植物生長;12月份無大型水生植物生長。望虞河穿過鵝真蕩中心。漕湖位于江蘇省蘇州市相城區(qū),平均水深2.2m,面積約為4.5km2,北部有大面積的圍網(wǎng)養(yǎng)殖。5月份漕湖周邊有少量蘆葦、菖蒲,主輸水河道無水生植物生長;12月份無大型水生植物生長。望虞河從漕湖西側(cè)穿過漕湖,是主要的入湖、出湖河流。1.2采樣點(diǎn)分布選取太湖流域望虞河的鵝真蕩、漕湖兩個(gè)典型湖蕩濕地作為研究對象,在2011年5月8—9日和12月29日采集了湖蕩主輸水河道的3層水樣,由于5月9日風(fēng)浪較大,采樣點(diǎn)5和6只采集了表層水,采樣點(diǎn)位置如圖1所示。圖1湖蕩采樣點(diǎn)分布示意圖1.3樣品的采集與分析方法使用自制5L玻璃采水器采集水樣,每個(gè)采樣點(diǎn)采集兩瓶水,置于保溫箱內(nèi),當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室置于4C下冷藏?,F(xiàn)場測定了水溫、濁度、DO、pH、電導(dǎo)率等理化指標(biāo)。理化指標(biāo)的測定采用HACH便攜式測定儀,水中懸浮物(SS)的測定采用重量法[9],葉綠素a(Chl-a)采用丙酮萃取-紫外光分光光度法[9]測定濃度,總磷(TP)和總?cè)芙饬?TDP)的濃度測定采用GB11893—89《鉬酸銨分光光度法》,顆粒態(tài)磷(PP)濃度是TP濃度和TDP濃度之差,正磷酸鹽(PO3-4)的濃度測定采用德國Seal公司生產(chǎn)的連續(xù)流動分析儀,利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀測定輸水河道橫斷面的流速、流量。對樣品做空白試驗(yàn)以及平行樣分析,因此水體中磷形態(tài)測定結(jié)果具有較高的精度和穩(wěn)定性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel2003和SPSS分析軟件。2結(jié)果和討論2.1理化指標(biāo)5月份鵝真蕩不同水深的理化因子變化不大,其中水溫在24.2C左右;pH在8.2左右;電導(dǎo)率在456pS/cm左右;DO質(zhì)量濃度在7.4mg/L左右;水體中SS濃度隨著水深的增加而增加;Chl-a的濃度中層水體最高,表層和中層水體高于底層水體。漕湖表層水SS和Chl-a的濃度明顯低于鵝真蕩表層水,其他理化因子相差不大。12月份湖蕩不同水深的理化因子變化不大,其中水溫在8.3C左右,鵝真蕩的水溫略高于漕湖;漕湖的電導(dǎo)率略高于鵝真蕩;pH在7.8左右;DO質(zhì)量濃度在6.0mg/L左右。湖蕩不同水深SS濃度分布較均勻,沿主輸水河道SS濃度沿程逐漸降低,且12月份的SS濃度高于5月份的湖蕩水體。湖蕩不同水深Chl-a的濃度相差不大,且濃度明顯低于5月份。2.2磷在湖蕩中的形態(tài)和分布為了解湖蕩中磷的主要賦存形態(tài)以及不同形態(tài)磷在湖蕩中的分布規(guī)律,分析了5月份和12月份湖蕩水體各層水體不同形態(tài)磷的濃度分布,如圖2所示。由圖2可見,5月份鵝真蕩水體中主要以TDP和PP為主,其中TDP的質(zhì)量濃度變化不大,大多在0.06~0.07mg/L之間;表層、中層水體TDP和PP濃度相近,底層水體磷以PP為主,且PP濃度明顯高于表層和中層;PO3-4在鵝真蕩濃度較低,沒有明顯的分布規(guī)律。漕湖水體中磷主要以TDP為主,磷形態(tài)分布沒有明顯規(guī)律。相比較而言,漕湖表層水體TDP濃度明顯高于鵝真蕩表層水體,PP和濃度低于鵝真蕩。圖22011年5月、12月磷在湖蕩各層水體中的形態(tài)和分布12月份湖蕩水體中主要以PP為主,TDP主要以為主。湖蕩不同水深的PP濃度變化不大,其中在湖蕩出入湖口的表、中層水體PP濃度較低,底層PP分布較均勻。湖蕩水體中TDP和的濃度相近,各層水體TDP和的分布波動不大。對比來看,12月份湖蕩各層水體中的磷的濃度基本高于5月份湖蕩水體,尤其是水體中的濃度。2.3湖蕩濕地對河道磷的截留效果為了研究湖蕩濕地對輸水河道磷的截留作用,對湖蕩濕地出入湖口3點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)(1、4、6)的各形態(tài)磷的質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測,取采樣點(diǎn)表層、中層、底層水體平均濃度作為濃度數(shù)據(jù),如表1、表2所示。表15月份湖蕩出入湖口磷的質(zhì)量濃度mg/L采樣點(diǎn)p(TP)p(TDP)p(PP)p(PO3-4)10.1427±0.0090.0655±0.00040.0771±0.0090.0318±0.000540.151±0.0030.0724±0.0060.0786±0.0060.0119±0.000760.1537±0.0280.0855±0.00010.0682±0.0280.0133±0.0012表212月份湖蕩出入湖口磷的質(zhì)量濃度mg/L采樣點(diǎn)p(TP)p(TDP)p(PP)p(PO3-4)10.1768±0.01180.1139±0.00870.0629±0.00360.0447±0.000740.1756±0.01520.0897±0.00870.0859±0.00440.0515±0.002660.1700±0.0360.0988±0.0160.0712±0.01350.0462±0.0007再根據(jù)湖蕩入湖口和出湖口橫斷面的流量數(shù)據(jù)(表3),結(jié)合表1和表2中湖蕩入湖、出湖口的各形態(tài)磷的濃度,估算出采樣當(dāng)天各形態(tài)磷的入湖量、出湖量和截留量,如表4和表5所示。由表4可知,5月份鵝真蕩對不同形態(tài)磷均有一定截留作用,其中對PP、有較高的截留能力。這是由于水體中大部分PP沉降,小部分PP被降解轉(zhuǎn)變?yōu)門DP;湖蕩濕地中水生生物對的吸收利用導(dǎo)致。然而TDP的截留量相對來說較低,猜測為湖蕩濕地岸邊區(qū)域圍網(wǎng)養(yǎng)殖以及生活污水的排放,增加了水體中溶解態(tài)有機(jī)磷的濃度。表3湖蕩入湖、出湖口橫斷面流量m3/s月份采樣點(diǎn)1采樣點(diǎn)4采樣點(diǎn)65175.40141.70135.101287.9731.4778.95表45月份磷的出入湖量和截留量kg/d磷鵝真蕩漕湖總截形態(tài)26369.12TDP993.16886.55106.61886.55998.1-111.55-4.94PP1169.11962.69206.42962.69796.04166.65373.06留量TP2162.271836.41325.861836.411793.1543.入湖量出湖量截留量入湖量出湖量截留量PO3-4481.58145.55336.03145.55213.49-67.94268.09表512月份磷的出入湖量和截留量kg/d磷鵝真蕩漕湖總截形態(tài)入湖量出湖量截留量入湖量出湖量截留量92208.41PP865.71243.90621.81243.90659.86-415.96205.85TDP478.08233.56244.52233.56475.52-241.962.56留量TP1343.79477.46866.33477.461135.38-657.PO3-4339.75140.03199.72140.03308.56-168.5331.195月份漕湖對水體中的PP有一定的截留凈化作用。漕湖水體中TDP和濃度增加,—方面是由于漕湖湖區(qū)周邊有大面積的圍網(wǎng)養(yǎng)殖使水體中、TDP、PP濃度較高,同時(shí)部分PP被微生物以及水生植物等水生生物降解為和TDP,使水體中和TDP濃度上升。由表5可知,12月份鵝真蕩對磷有顯著的截留凈化作用,尤其是沉降作用對PP的截留。漕湖由于圍網(wǎng)養(yǎng)殖、含磷河水(廢水)流入等因素,磷的出湖量遠(yuǎn)高于入湖量。總體而言,經(jīng)過鵝真蕩和漕湖兩個(gè)湖蕩后,湖蕩對水體的磷有一定的截留凈化,特別是對PP的截留作用最為顯著。對比5月份和12月份的出入湖量和截留量發(fā)現(xiàn),12月份鵝真蕩對磷的截留凈化作用明顯好于5月份,尤其是沉降作用對PP的截留。這可能是由于5月份主輸水河道輸水量較大,流速較快,PP不易沉降。由于5月份湖蕩中的水生植物、藻類、微生物較活躍,吸收利用,以及12月份水體中磷負(fù)荷較高,因此5月份湖蕩對的凈化作用明顯好于12月份。總體而言,經(jīng)過鵝真蕩和漕湖兩個(gè)湖蕩后,5月份湖蕩對磷的截留作用比12月份略強(qiáng)。對比發(fā)現(xiàn),鵝真蕩對磷的截留能力明顯高于漕湖。結(jié)合湖蕩的實(shí)際情況可以知道:①望虞河穿過鵝真蕩中心,鵝真蕩水體交換周期短,部分地區(qū)水力停留時(shí)間相對較長,便于磷的去除。而輸水河道位于漕湖西側(cè),水體交換周期長,東部地區(qū)水力停留時(shí)間過長,不利于磷的去除,這與王世和等[10]的人工濕地模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。②鵝真蕩相對于漕湖,空間結(jié)構(gòu)更緊湊、多端。LI等[11]的研究表明這有利于濕地對磷的去除,而且鵝真蕩的面積大于漕湖的面積,研究表明面積與去除率呈幕函數(shù)關(guān)系[12],面積較大的濕地具有更高的去除能力。③漕湖東側(cè)地區(qū)有大面積的圍網(wǎng)養(yǎng)殖,人類活動量大,外界含磷營養(yǎng)鹽水流匯入漕湖,使進(jìn)入漕湖的磷負(fù)荷增加,不利于磷的去除[13]。④鵝真蕩水生植物分布面積比漕湖廣,有利于TDP和的去除。2.4湖蕩濕地不同水深對河道磷的凈化作用湖蕩濕地在不同水深水體中,由于理化因子等環(huán)境因素的不同,對磷的凈化效果也大不同。因此進(jìn)一步分析5月和12月鵝真蕩3層水體對河道中磷的凈化作用,結(jié)果如圖3所示。圖3分析表明,5月份鵝真蕩表層水體中PP濃度降低了8.4%,濃度降低了66.7%。鵝真蕩中層水體中TDP濃度降低了14.2%,PP濃度升高了59.5%,濃度降低了76.9%。鵝真蕩底層水體中TP濃度降低了10.6%,PP濃度降低了18.7%濃度降低了33.3%。12月份鵝真蕩表層水體中PP濃度降低了30.1%濃度升高了5.2%。鵝真蕩中層水體中TP濃度降低了13.89%,PP濃度降低了38.6%,濃度降低了8.4%。鵝真蕩底層水體中TDP濃度降低了11.8%,PP濃度升高27.2%,濃度升高了69.2%。對比3層水體對不同形態(tài)磷的影響作用,可以發(fā)現(xiàn),5月份鵝真蕩表層、中層水體對都有明顯的凈化作用,底層對也有較高的凈化作用,這是因?yàn)樗参铩⒃孱?、微生物吸收利用的結(jié)果;底層對PP有著顯著的凈化作用。這是因?yàn)榈讓恿魉贉p緩導(dǎo)致懸浮顆粒沉降,從而使得PP在沉降作用下積累到沉積物中。由于12月份主輸水河道輸水量相對較少,流速減緩,PP易隨懸浮物質(zhì)沉降,12月份鵝真蕩表層、中層水體對PP有明顯的凈化作用;12月份湖蕩各層水體對均沒有較好的凈化作用,這是由于12月份水體中無水生植物以及藻類、微生物不活躍導(dǎo)致。2.5環(huán)境因子與磷的相關(guān)性分析圖32011年5月、12月鵝真蕩各層水體中磷的形態(tài)和分布表6上覆水磷與環(huán)境因子之間相關(guān)性分析(n=94)注:*表示在0.05水平上顯著相關(guān),**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。水溫p(TP)因子p(TP)p(PP)p(TDP)p(P03-4)p(D0)pHp(SS)p(Chl-a)1p(PP)0.837**1p(TDP)0.243*-0.327**1p(P03-4)0.350**0.233*0.1941p(DO)-0.364**-0.290**-0.114-0.757**1pH-0.359**-0.284**-0.117-0.819**0.852**1p(SS)0.348**0.251*0.1570.182-0.228*-0.0741p(Chl-a)-0.359**-0.313**-0.068-0.769**0.823**0.891**-0.345**1水溫-0.405**-0.292**-0.181-0.856**0.805**0.878**-0.1230.799**1水體中磷的變化受水溫、pH、SS、Chl-a、DO等多種因素的影響,水體中的SS變化會導(dǎo)致光在水下的輻射變化,進(jìn)而影響藻類的生長;水溫、pH、DO能夠影響水體中藻類和微生物的生長狀況。下面用Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法對5月和12月不同形態(tài)的磷與環(huán)境因素進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表6-0.313**0.405**水體中磷以PP為主,所以TP與PP呈極顯著正相關(guān)。研究表明,水體中的懸浮物質(zhì)能夠吸附或者釋放磷[14],因此PP與SS呈顯著正相關(guān)。水體中SS的變化會導(dǎo)致水下輻射的變化,進(jìn)而影響藻類的生長,故SS濃度與Chl-a濃度呈顯著負(fù)相關(guān)。水體中DO濃度和Chl-a濃度均與不同形態(tài)的磷濃度呈負(fù)相關(guān),其中均與PO3-4濃度呈極顯著負(fù)相關(guān),主要是因?yàn)镈O能夠影響水體中藻類、微生物的生長,而藻類、微生物能夠利用水體中的磷,尤其是PO3-4。水體中的生物在生化過程中會消耗DO,但是藻類的光合作用會提高水體中的DO濃度,故Chl-a濃度與DO濃度呈極顯著正相關(guān)。pH與水體的酸堿度有關(guān),能夠影響水體中磷的賦存形態(tài),也會影響沉積物和懸浮物對磷的吸附和釋放,因此pH與不同形態(tài)磷濃度均呈負(fù)相關(guān)。研究表明,pH在偏堿性條件下,更利于藻類的生長[15],而且藻類光合作用大量消耗CO2會使水體pH有一定比例增加,故pH與Chl-a濃度呈極顯著正相關(guān)。水溫對水體中的磷有著直接或者間接的影響,水溫較高,水體的富氧能力弱,生物化學(xué)耗氧反應(yīng)速率加快,但是水溫較高導(dǎo)致水體中的生物活性高,因此水溫與DO濃度和Chl-a濃度均呈極顯著正相關(guān),與不同形態(tài)的磷濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)。3結(jié)論湖蕩濕地對輸水河道中磷有一定的截留凈化作用,主要是通過對PP和PO3-4的截留,且湖蕩對PO3-4的凈化有季節(jié)性差異。由于人類活動等影響對TDP的去除效果不明顯。湖蕩濕地的面積、空間結(jié)構(gòu)、水生植物分布以及輸水河道經(jīng)過湖蕩的位置在一定程度上影響了濕地對磷的截留凈化作用。5月份湖蕩濕地各層水體對PO3-4有明顯凈化作用,底層對PP有較高的凈化作用。12月份湖蕩濕地表層、中層水體對PP有明顯凈化作用。水溫、pH、DO濃度和Chl-a濃度與水體中的磷濃度呈極顯著負(fù)相關(guān),水溫、pH、DO濃度與Chl-a濃度均呈極顯著正相關(guān)。藻類是影響湖蕩凈化磷的重要因子。參考文獻(xiàn):LEC,ZHAY,LIY,etal.Eutrophicationoflakewaterinchina:cost,cause,andcontrol[J].EnvironmentManagement,2010,45:662-668.吳振斌,陳輝蓉,賀鋒,等.人工濕地系統(tǒng)對污水磷的凈化效果[J].水生生物學(xué)報(bào),2001,25(1):28-36.(WUZhenbin,CHENHuirong,HEFeng,etal.Primarystudiesonthepurificationefficiencyofphosphorusbymeansofconstructedwetlandsystem[J].ActaHydribiologicaSinica,2001,25(1):28-36.(inChinese))KADLECRH.Phosphorusremovalinemergentfreesurfacewetlands[J].EnvironmentalScienceandHealth,2005,40:1293-1306.高海鷹,劉佳,徐進(jìn).湖濱帶復(fù)合型人工濕地氮磷的去除效果[J].生態(tài)環(huán)境,2007,16(4):1160-1165.(GAOHaiying,LIUJia,XUJin.Removalefficiencyofnitrogenandphosphorusinintegratedconstructedlake-sidewetlands[J].EcologyandEnvironment,2007,16(4):1160-1165.(inChinese))陳世朋,姜夕奎,張景來.人工濕地在河道生態(tài)修復(fù)應(yīng)用中的進(jìn)展及優(yōu)化[J].污染防治技術(shù),2009,22(5):63-68.(CHENShipeng,JIANGXikui,ZHANGJinglai.Developmentandoptimizationofconstructedwetlandappliedtoecologicalremediationofrivercourse[J].PollutionControlTechnology,2009,22(5):63-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