中国北方湖泊营养盐的迁移转化及富营养化风险分析

【摘要】：湖泊是指陆地上洼地积水形成的水域宽阔、水量交换相对缓慢的水体,其作为抗洪、灌溉、航运、给水和游憩的用途为人们所熟知。近年来,社会经济的发展以及人为活动的增强,湖泊接纳了过量的工业废水和生活污水,大大加速其富营养化的进程。对于湖泊常温期内富营养化问题已有大量的研究。但对于包含低温(10℃)及冰封条件下湖泊富营养化的研究相对较少。我国除云贵地区湖泊由于水温常年在0℃以上不出现冰情外,其他地区的湖泊均有不同程度的冰情出现。特别是东北平原-山地湖区,冬季尤其漫长,冰封期可达4～6个月。近年来,东北地区湖泊污染日趋严重,富营养化发展迅速。由于平原湖泊既浅又小,流速缓慢,人为污染严重,富营养化甚至“水华”现象时有发生,严重影响了湖泊系统功能稳定与生态健康。为此,对于我国北方,尤其是东北地区低温及冰封环境下湖泊的富营养化研究十分必要。论文以长春市南湖为例,开展“中国北方湖泊营养盐的迁移转化及富营养化风险分析”研究。 论文以氮、磷等营养盐的分布—富集、迁移—转化以及富营养化的评价与潜在风险分析为主线,运用湖泊学、环境工程、环境科学、环境水化学、化学动力学及统计学等学科理论与方法为指导,于2007年～2009年间采集水样130个、冰样39个、底泥样品30个,在野外调查与分析测试的基础上,开展了吸附、释放等一系列针对性室内模拟实验,研究了氮、磷等营养盐在常温期、冰封期的迁移转化与富营养化发生的潜在风险,取得如下研究成果: (1)南湖水体的基本水化学特征总体为:低矿化,弱碱性水,水环境特征为偏还原环境。水化学类型具有明显的季节性变化特点,即由丰水期向平水期和冰封期转变时,水化学类型由HCO_3·Cl-Ca(Ca·Mg)型水转变为HCO_3·SO_4~-Ca(Mg/Na)型水,成分变得复杂。特别是SO_4~(2-)含量的升高,进一步证明湖水环境特征为偏还原的。 (2)湖水中各形态氮含量总体上呈现丰水期冰封期平水期;各形态磷、叶绿素a和藻类含量总体上呈现丰水期平水期冰封期的规律。常温期内,湖水表层磷的含量要高于底层;冰封期内,水相中营养盐、叶绿素a和藻类含量要明显高于冰相。保护区内各形态氮含量总体较高,其次为人为活动区,荷花池区各形态氮含量相对较小;荷花池区在冰封期内的磷含量相对较高,人为活动区在平水期内的磷含量相对较高,保护区在丰水期内的磷含量相对较高;叶绿素a和藻类含量在保护区相对较高,荷花池区次之,人为活动区含量相对较小。 (3)在结冻期,上部冰层隔绝了水与大气的接触,使得水体处于偏还原环境中,减少了生物固氮作用;水中的营养盐随着颗粒物以及动植物残体沉积于底部淤泥中,冰水中营养盐含量逐渐降低。在融冻期,随着温度的升高,上层冰雪融化水与冰下水相混合的稀释作用与浮游植物等动植物生长的复苏消耗营养盐,都将导致营养盐含量逐渐降低。湖水和单质溶液中,NO3-和PO43-的冰水分配系数均要高于NH4+。分析得出,结冻—融冻期,水相中氮、磷含量均高于富营养化发生的临界值,表明湖泊富含营养盐。营养盐在冰—水相间的变化虽是水相高于冰相,但仅限于物理变化,且其总量不变。这也使得之后的平水期有发生富营养化的潜在风险。实验得出20℃～25℃为适宜藻类复苏的温度。 (4)南湖底泥中氮的含量以有机氮为主,而无机氮以铵态氮为主;磷含量以无机磷为主,而无机磷则以铁铝磷为主。从时间上看,总氮含量有丰水期冰封期平水期的规律,除铵态氮外,其余形态氮的规律与总氮类似;各形态磷含量总体上有丰水期冰封期平水期的规律。从空间上,氮、磷均在从荷花池一带沿湖西到西南角的沿岸地区有较高的含量,明显高于人为活动区湖心区域以及南湖大桥以北的湖东沿岸。 (5)南湖底泥对于氮、磷吸附的动力学过程符合准二级反应动力学方程;热力学方程以Langmuir拟合效果较好。计算获得NH4-N理论最大吸附量分别为1000mg/kg和1111.11mg/kg,对PO43-则分别为500mg/kg和476.19mg/kg。表明底泥对于氮、磷有巨大的吸附潜力,即底泥可以成为营养盐氮、磷最终汇的理论依据。参照质量衡算法对全湖营养盐的年度累积量进行估算可得,全湖底泥总氮年累积量为4.59t,总磷为1.47t。由洗脱释放模拟实验可知,单位体积底泥TN释放量在37.22～133.26mg/kg之间,占样品本底值的3.30%～11.66%,平均值为5.56%;单位体积NH4+的释放量在15.12～116.41mg/kg之间,占样品本底值的5.31%～29.62%,平均值为10.96%。即NH4+要比TN更易从底泥中释放出来。TDP的最终累积释放量在459.4～1149.8μg/kg之间,PO43-的最终累积释放量在130.7～524.2μg/kg之间,要比样品TP本底值低3个数量级。因此只要底泥中极少量的磷释放到湖泊中,就会显著增大湖泊水体中磷酸盐的浓度。故底泥中大量储积的营养盐是湖泊富营养化发生的物质基础。底泥对氮、磷释放影响的模拟实验表明,温度、pH值影响明显,结果为丰水期、平水期底泥营养盐向水体释放提供了理论依据。 (6)计算表明,综合营养状态指数依次为丰水期平水期冰封期,但融冻期后,随着温度升高,生物复苏,导致平水期发生富营养化潜在风险不容忽视。常温期不同功能区的营养级别均属轻度富营养。基于贝叶斯多元统计模型原理,采用主成分分析法获得与Chl-a最相关的因子为TP、SP、TDP和ON,据此建立了贝叶斯多元统计风险预测模型,利用WinBUGS软件对拟合方程求解。计算表明:TP、TDP和SP对Chl-a的影响要高于ON。在丰水期内Chl-a含量的变化范围较大,证明在丰水期更易发生富营养化,这为我国北方湖泊富营养化的管理与控制提供了科学依据。