國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07501-01，2012ZX07506-01)和水利部太湖流域管理局項(xiàng)目聯(lián)合資助.2015-02-04 收稿；2015-05-29

收修改稿.王雁(1983～)，女，博士；E-mail: ywang@niglas.ac.cn。

王　雁，黃佳聰，閆人華，高俊峰

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湖泊濕地的水質(zhì)凈化效應(yīng)——以太湖三山濕地為例*

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07501-01，2012ZX07506-01)和水利部太湖流域管理局項(xiàng)目聯(lián)合資助.2015-02-04 收稿；2015-05-29

收修改稿.王雁(1983～)，女，博士；E-mail: ywang@niglas.ac.cn。

王雁，黃佳聰，閆人華，高俊峰

(中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

摘要：為了解湖泊濕地的水質(zhì)凈化效果，以太湖三山濕地為研究對(duì)象，綜合利用遙感、GIS技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室分析和模型模擬等方法，分析三山濕地對(duì)污染物的攔截凈化效果，進(jìn)而探討湖泊濕地對(duì)水體氮、磷污染物的削減渠道及其貢獻(xiàn)率.結(jié)果表明三山濕地對(duì)太湖水體和三山島生活污水均有明顯凈化效果.2014年三山濕地的總氮(TN)、總磷(TP)輸入通量分別為549.45和19.4t，通過(guò)水草打撈/收割分別去除20.99和4.52t，濕地水體內(nèi)TN、TP變化量分別為528.46和14.88t，這部分營(yíng)養(yǎng)鹽輸出途徑包括沉積到底泥、降解轉(zhuǎn)化、水體交換等.濕地的TN、TP攔截能力分別為2723.56和102.48kg/(hm2·a).水生植物收割打撈與底泥疏浚是提高濕地水質(zhì)凈化能力的有效措施.水動(dòng)力模擬結(jié)果顯示，三山濕地建成后使附近水域水體流向發(fā)生變化，流速減小，對(duì)濕地內(nèi)水質(zhì)產(chǎn)生多方面的作用。

關(guān)鍵詞：湖泊濕地；三山濕地；太湖；水質(zhì)凈化；氮；磷；水動(dòng)力

湖泊是濕地的一種類型，包括湖泊水體本身和濱岸帶周期性淹水區(qū)域，也稱湖泊濕地[1].湖泊濕地的水質(zhì)凈化是指濕地生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)自然生態(tài)過(guò)程及物質(zhì)循環(huán)作用，將水體中氮、磷等富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)予以吸收、轉(zhuǎn)化、再分配，使水體得以凈化[2].以湖泊濕地對(duì)陸源物質(zhì)的截留作用為例，當(dāng)河流攜帶的物質(zhì)進(jìn)入湖泊濕地后，由于水動(dòng)力減弱，加之水生植物的攔截，重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽和泥沙等在此匯聚，受到機(jī)械吸附、過(guò)濾和沉積作用，并發(fā)生離子交換、絡(luò)合、水解和微生物分解及植物根系吸收等生物化學(xué)作用，通過(guò)生物沉積和生物同化輸出，保護(hù)自身水體，并對(duì)過(guò)往的水體進(jìn)行水質(zhì)凈化[3].近年來(lái)，由于水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，濕地生態(tài)系統(tǒng)在維持氮、磷等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)、凈化水質(zhì)等方面的作用越來(lái)越受到關(guān)注[4-5].國(guó)內(nèi)外在人工濕地污水處理技術(shù)[6]、溝塘濕地控制農(nóng)田面源污染[7]、流域濕地養(yǎng)分截留[8]和重金屬攔截功能[9]等方面開(kāi)展了大量工作，結(jié)果表明流域內(nèi)一定面積和數(shù)量的濕地能夠通過(guò)沉積、過(guò)濾、吸附、生物化學(xué)轉(zhuǎn)化等過(guò)程減少污染物，從而達(dá)到改善水質(zhì)的目標(biāo)[10-12].對(duì)天目湖濕地[8]、龍感湖濕地[9]、銀川黃河濕地公園[12]等湖泊濕地研究表明，濕地對(duì)入湖污染具有明顯的攔截和凈化作用.然而隨著富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，湖泊水體可能逐漸由氮、磷的匯轉(zhuǎn)變成向周圍濕地輸出的源.目前對(duì)衡量湖泊濕地水質(zhì)凈化功能的研究，多采用通過(guò)比較進(jìn)水?dāng)嗝婧统鏊當(dāng)嗝嫠w氮、磷濃度差來(lái)表述濕地的水質(zhì)凈化功能.對(duì)于開(kāi)放性、無(wú)明顯邊界的天然湖泊濕地與水體之間氮、磷生物地化過(guò)程的研究相對(duì)較少，有關(guān)濕地對(duì)水質(zhì)凈化功能的有效性還需進(jìn)一步加強(qiáng)[13].開(kāi)展氮、磷元素在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水體與湖泊濕地間的遷移規(guī)律研究有助于闡明湖泊濕地對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的生態(tài)效應(yīng)，為湖泊濕地優(yōu)化管理提供參考數(shù)據(jù)。

近年來(lái)太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度日益嚴(yán)重，濕地的凈化效果也受到廣泛關(guān)注[14].三山島是位于太湖西南的湖中島，島上將天然灘涂改造為人工濕地，建成三山島國(guó)家濕地公園，發(fā)揮了三山島的生態(tài)屏障和太湖水源涵養(yǎng)作用，為湖中島嶼濕地公園建設(shè)起到示范作用，但目前關(guān)于三山島具體的凈化能力還尚未研究.如何定量評(píng)估三山濕地的截留凈化效果？對(duì)其他大型淡水湖泊濕地工程有何借鑒？基于以上科學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，本文擬通過(guò)計(jì)算三山濕地氮、磷輸入輸出通量，分析湖泊濕地對(duì)不同來(lái)源的氮、磷污染物的攔截凈化效果，為太湖三山濕地污染控制管理提供依據(jù)，也為其他淡水湖泊濕地工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理提供參考。

1 研究區(qū)域概況

三山濕地(31°1′～31°2′N，120°15′～120°18′E)位于蘇州市西南50km的太湖之中，是由島嶼及毗鄰水域構(gòu)成的一個(gè)濕地公園，面積2.8km2.多年平均氣溫15.7～16.0℃，降雨量1100～1400mm.常水位3.10m，年變幅1m 左右，平均水深約2.5m。

圖1 三山濕地的位置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Location of Sanshan Wetland and sampling sites

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)與采樣分析

三山濕地按建設(shè)時(shí)間分為濕地一區(qū)和濕地二區(qū)2個(gè)區(qū)域(圖1、表1).根據(jù)三山濕地建設(shè)周期和水生植物分布特征，按照濕地凈化能力評(píng)估要求，在濕地水體內(nèi)從沿岸到開(kāi)敞湖面的方向，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#～6#，同時(shí)為試驗(yàn)深水對(duì)污染物的凈化能力，在濕地一區(qū)西南部相對(duì)封閉的區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)7#，該區(qū)域水深為5m左右，水草分布較少，無(wú)污染源排入(表2)。

為反映三山濕地不同季節(jié)的水質(zhì)變化過(guò)程，2014年選擇不同的水生植物生長(zhǎng)期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與采樣，分別為春季生長(zhǎng)初期(5月20日)、夏季生長(zhǎng)旺盛期(8月20日)、秋季衰敗期(10月16日).為避免降雨對(duì)濕地水質(zhì)的影響，現(xiàn)場(chǎng)工作均在晴天進(jìn)行.根據(jù)氮、磷在水體中的存在形式，監(jiān)測(cè)指標(biāo)分為溶解性和顆粒態(tài)兩類，即：總氮(TN)包括溶解性氮(DN)和顆粒態(tài)氮(PN)(PN=TN-DN)，總磷(TP)包括溶解性磷(DP)和顆粒態(tài)磷(PP)(PP=TP-DP).現(xiàn)場(chǎng)采集水樣和底泥帶回實(shí)驗(yàn)室分析，水樣一部分直接用于測(cè)定TN和TP，另一部分經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后測(cè)定DN和DP.底泥樣品經(jīng)離心處理(4200轉(zhuǎn)/min，20min)，取上清液過(guò)濾后測(cè)定底泥間隙水DN和DP濃度.DP和TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(HJ 670-2013)測(cè)定，DN和TN濃度采用鹽酸萘乙二胺分光光度法(HJ 668-2013)測(cè)定.用水草定量夾采集1 m2內(nèi)的水生高等植物，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行種類鑒定及生物量測(cè)定.三山濕地的水生高等植物類型多樣，濕地中水生植物多為本地水生生物物種，可以較好地體現(xiàn)天然湖泊濕地的狀態(tài).包括挺水植物、浮葉植物與沉水植物，其中挺水植物以茭草(Zizanialatifolia)、荷花(Nelumbonucifera)、香蒲(TyphaorientalisPresl)與蘆葦(PhragmitescommunisTrin)分布最為廣泛，沉水植物與浮葉植物主要分布在濕地內(nèi)部水體，以野菱(Trapaincisa)、杏菜(Nymphoidespeltata)、輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)和狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)為主.水生植物生長(zhǎng)期為春、夏、初秋3季，生長(zhǎng)過(guò)程受人為干擾較小，采用2014年5月21日的調(diào)查結(jié)果代表春季的生物量水平。

2.2 三山濕地TN、TP攔截效應(yīng)評(píng)估方法

三山濕地的水體主要來(lái)自太湖和三山島，濕地TN、TP攔截效應(yīng)包括對(duì)太湖水體和三山島上污水的攔截.2013年濕地二區(qū)建成，與太湖水體之間被大量堤岸隔離，濕地內(nèi)部形成相對(duì)封閉的水域，僅有少量水體可以通過(guò)堤岸開(kāi)口與外部的太湖交換，這部分經(jīng)過(guò)濕地凈化后輸出的水體選取距離堤岸出口最近的5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表，濕地外部未經(jīng)凈化的太湖水體用堤岸外的6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表.三山島上污水通過(guò)管網(wǎng)收集后進(jìn)入島上污水處理廠，處理后排入濕地，排污口位于島上南部1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近。

表1 三山濕地工程狀況

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)及水體植被特征

2.2.1 三山濕地對(duì)太湖水體TN、TP的攔截效應(yīng)濕地對(duì)太湖水體年度TN、TP的攔截作用由太湖水體與濕地TN、TP的差來(lái)計(jì)算：

φN(P)_Tai=VW(CN(P)_Tai-CN(P)_W)

(1)

三山濕地對(duì)太湖水體TN(TP)的攔截率RN(P)_Tai可根據(jù)式(2)計(jì)算求得：

RN(P)_Tai=[φN(P)_Tai/(VW·CN(P)_Tai)]×100%

(2)

式中，φN(P)_Tai為t時(shí)間內(nèi)濕地吸收太湖水體的TN(TP)總量，VW為濕地總水量，CN(P)_Tai、CN(P)_W分別為濕地外圍、濕地內(nèi)部水體的TN(TP)濃度。

VW可通過(guò)GIS地形分析，由式(3)計(jì)算獲得：

(3)

式中，S為劃分濕地網(wǎng)格單元的面積，hi為網(wǎng)格i的水深。

2.2.2 三山濕地對(duì)三山島污水TN、TP的攔截效應(yīng)濕地對(duì)三山島污水的TN(TP)攔截總量計(jì)算公式為：

φN(P)_Sew=VS(CN(P)_Sew-CN(P)_W)

(4)

三山濕地對(duì)三山島污水TN(TP)的攔截率RN(P)_Sew為：

RN(P)_Sew=[φN(P)_Sew/(VW·CN(P)_Sew)]×100%

(5)

式中，VS為三山島的年度污水處理量，φN(P)_Sew為濕地年度吸收污水的TN(TP)；CN(P)_W為濕地內(nèi)部水體的TN(TP)濃度，CN(P)_Sew為污水出水口水體的TN(TP)濃度，通過(guò)對(duì)污水出水口樣品分析獲取。

2.3 水動(dòng)力條件模擬

水動(dòng)力條件是水體物質(zhì)輸移與顆粒物沉降的重要影響因素，模擬濕地建設(shè)對(duì)水動(dòng)力條件的影響是濕地水質(zhì)凈化能力評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié).本研究采用準(zhǔn)三維湖泊水動(dòng)力模型模擬三山濕地水動(dòng)力狀況，模型以二維水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，假定水平流速在垂直方向上的分布曲線呈近似二次拋物線，并根據(jù)這一分布曲線，結(jié)合二維水動(dòng)力模型獲得的平均流速，計(jì)算不同深度的水平流速[15].該模型已應(yīng)用于工程建設(shè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)、湖泊藍(lán)藻水華模擬、湖泊水環(huán)境過(guò)程模擬、通江湖泊水環(huán)境模擬等研究和工程生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)領(lǐng)域，模型原理及參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16-20]。

水動(dòng)力模型的模擬條件設(shè)置詳細(xì)說(shuō)明如下：

初始條件：湖體網(wǎng)格單元的初始流速為0m/s，初始水位為3m。

邊界條件：太湖平均水域面積2338km2，現(xiàn)有進(jìn)出口河道228條，據(jù)2010年資料，環(huán)太湖河流入湖水量為118.81×108m3，出湖水量為110.06×108m3[21].與太湖的湖體面積相比，出入河流對(duì)流場(chǎng)的影響較小，本研究區(qū)域集中在三山濕地周邊水域，與出入湖河流距離較遠(yuǎn)，因此不考慮出入湖河流的邊界條件。

時(shí)間步長(zhǎng)：時(shí)間步長(zhǎng)為2s。

模擬時(shí)長(zhǎng)：因在連續(xù)3d的定常風(fēng)作用下，湖體流場(chǎng)可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，模擬時(shí)長(zhǎng)為3d。

模擬情景：太湖自然條件復(fù)雜，風(fēng)力和風(fēng)向組合很多，本研究只考慮盛行風(fēng)向下的情景[22-23].根據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站多年觀測(cè)資料，太湖的年平均風(fēng)速為3.6m/s，冬季盛行西北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng).為模擬濕地建設(shè)前后周圍水域的水動(dòng)力條件變化，按照有無(wú)濕地分布和盛行風(fēng)向的組合設(shè)置4種模擬情景(表3).濕地建設(shè)前后的基礎(chǔ)信息根據(jù)遙感衛(wèi)星影像解譯獲得。

3 結(jié)果與討論

3.1 三山濕地水體TN、TP分布的空間和季節(jié)特征

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體TN組成以DN為主，PN在TN中所占比重不大，TN濃度在空間分布上沿1#～6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)微弱上升趨勢(shì).監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#～3#的TN濃度年內(nèi)平均值差異不大(0.91～1.09mg/L)，6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TN濃度(1.57mg/L)略高于其它監(jiān)測(cè)點(diǎn).1#～6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水深較淺，監(jiān)測(cè)表明分層水體的N、P濃度差異很小，本研究各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均作為垂向均勻水體處理.深水區(qū)7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PN濃度(0.09mg/L)顯著低于其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)(0.21～0.39mg/L)，由于深水區(qū)7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于相對(duì)封閉水域，水動(dòng)力環(huán)境較穩(wěn)定，相對(duì)于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)為PN提供了良好的沉降條件.從季節(jié)上看，春、夏兩季水體中TN濃度較低，由于夏季溫度較高，水生植物生長(zhǎng)快，可促進(jìn)有機(jī)氮降解，水體中TN濃度處于一年中最低值，特別是PN濃度極低.秋季氣溫下降，植物生長(zhǎng)停滯，微生物活性降低，水生植物衰敗分解過(guò)程分泌的代謝產(chǎn)物及殘枝敗葉的腐爛物質(zhì)也會(huì)增加水體中的TN濃度，所以導(dǎo)致秋季PN和DN濃度均顯著高于春、夏2季(圖2a)。

表3 水動(dòng)力條件變化模擬情景設(shè)置

1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TP、PP濃度年內(nèi)平均值略高于3#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)DP濃度無(wú)顯著差異，6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的DP(0.03mg/L)及PP(0.04mg/L)濃度均高于其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)(<0.02mg/L)，深水區(qū)7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PP與DP濃度均較低(0.01mg/L).這是由生活污水排放與水生植物吸收TP共同作用的結(jié)果，盡管1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)離島上污水排放口較近，但水生植物的密度較高，能夠吸收吸附水體的DP，因此DP濃度在1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)與3#、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異不大.而深水區(qū)7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離污水排放口較遠(yuǎn)，TP濃度相對(duì)較低.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的DP和PP濃度均表現(xiàn)出季節(jié)差異，各點(diǎn)秋季PP濃度均顯著高于春季和夏季，特別是1#、2#和6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而DP濃度的季節(jié)變化相對(duì)較小.水生植物的分布和生長(zhǎng)狀況對(duì)磷的去除效果影響很大，春、夏兩季，水生植物生長(zhǎng)迅速，生物量大量增加，需要從濕地系統(tǒng)中吸收利用一部分氮、磷營(yíng)養(yǎng)物.到秋季，氣溫下降，生物活性降低，生物吸收過(guò)程相對(duì)減緩，加之水生植物枯萎凋零，經(jīng)微生物分解釋放植物體內(nèi)的磷等有機(jī)物，分解的磷以PP為主[22].因此秋季PP濃度較高，特別是在水生植物大量分布的區(qū)域，如1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn).6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)秋季TP濃度偏高可能與進(jìn)水TP濃度變化和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的偶然性有關(guān)(圖2b)。

圖2 2014年實(shí)測(cè)三山濕地TN(a)和TP(b)的空間和季節(jié)變化特征Fig.2 Spatial and seasonal variations of TN(a)and TP(b)concentrations in Sanshan Wetland in 2014

3.2 三山濕地的TN、TP攔截效應(yīng)

3.2.1 三山濕地對(duì)太湖水體TN、TP的攔截效應(yīng)假設(shè)濕地建設(shè)前內(nèi)外的氮、磷濃度是一樣的，通常采用計(jì)算時(shí)段輸入和輸出氮、磷通量比較的方法來(lái)評(píng)估濕地氮、磷的凈化效應(yīng)[12,24-26].濕地一區(qū)建成后與太湖水體的連通區(qū)域極小，且與濕地二區(qū)的水量交換極少，因此濕地對(duì)太湖水體的氮、磷攔截作用主要通過(guò)濕地二區(qū)與太湖水體的濃度差計(jì)算，分別用濕地二區(qū)堤岸附近的5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)和濕地外圍的6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的TN、TP濃度年內(nèi)平均值表示，已知濕地二區(qū)面積(119.62×104m2)、平均水深(2.5m)、總水量(299.05×104m3)，根據(jù)公式(1)公式(3)可獲得2014年度三山濕地對(duì)太湖水體的TN、TP攔截總量分別為1.18和0.12t，攔截率分別為25.2%和56.5%.按TN、TP的形態(tài)分，攔截的DN 和DP分別為0.78和0.03t，攔截率分別為22%和34%.攔截的PN和PP分別為0.41和0.09t，攔截率分別為36%和72.2%，PP的攔截率最高。

3.2.2 三山濕地對(duì)三山島污水TN、TP的攔截效應(yīng)三山島上的污染源主要來(lái)自生活污水，來(lái)源包括島上常年定居的居民和旅游旺季的游客，根據(jù)污水處理廠提供的資料，島上生活污水處理量在旅游旺季和淡季分別約為500和100 m3/d.每年旅游淡季4個(gè)月，旺季8個(gè)月，則三山島的年度污水處理量(VS)約為8.65×104m3.通過(guò)污水出水口水樣分析獲取三山島生活污水TN(6.26mg/L)與TP(0.22mg/L)，經(jīng)濕地凈化的水質(zhì)用距離濕地與太湖連通處最近的5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)表示.根據(jù)式(4)、(5)計(jì)算三山濕地對(duì)三山島污水廠出水的年度TN、TP攔截總量分別為439.77和16.44t，攔截率分別為81.2%和86.4%.2014年三山濕地?cái)r截的來(lái)自太湖水體和三山島上污水TN、TP分別為440.95和16.55t。

3.2.3 TN、TP輸入與輸出通量三山濕地TN、TP輸入來(lái)源包括太湖水體輸入、島上生活污水排放和大氣沉降.據(jù)文獻(xiàn)[27-28]采用太湖流域TN、TP大氣沉降的經(jīng)驗(yàn)值，分別取值20和1kg/(hm2·a)，按照三山濕地總面積161.1×104m2計(jì)算獲得。

水草打撈與挺水植物收割是氮、磷的輸出渠道之一，輸出量計(jì)算公式為：

由表4可知，試驗(yàn)組的生長(zhǎng)性能包括產(chǎn)蛋率、平均蛋重、平均采食量、料蛋比和不合格蛋率，與對(duì)照組相比均為差異極顯著（P＜0.01），產(chǎn)蛋率提高2.53%，平均蛋重提高5.44%。

φN(P)_Plant=(pSPlant1Sw1+pSPlant2Sw2)(1-wSwater)wSN(P)+pEPlantSEPlant(1-wEwater)wEN(P)

(6)

式中，φN(P)_Plant代表沉水植物打撈與挺水植物收割的TN(TP)輸出通量，pSPlant1和pSPlant2分別為濕地一區(qū)和濕地二區(qū)的沉水植物密度，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分別為5.9和3kg/m2，pEPlant為挺水植物的密度，監(jiān)測(cè)為5.87kg/m2.Sw1和Sw2分別為濕地一區(qū)和濕地二區(qū)的面積，SEPlant為挺水植物的面積，wSwater和wEwater分別為沉水植物和挺水植物的含水率，根據(jù)文獻(xiàn) [29]分別取90%和60%，wSN(P)為烘干后沉水植物含N(P)率，取2%(0.5%)，wEN(P)為烘干后挺水植物的含N(P)率，取3%(0.5%)[28]，含N(P)率取值為近似值，實(shí)際條件下不同區(qū)域的水生植物有所差異.得到通過(guò)沉水植物打撈輸出的TN、TP總量分別為12.31和3.08t.通過(guò)挺水植物收割輸出的TN、TP總量分別為8.69 和1.45t.TN、TP輸入總量減去水生植物輸出的TN、TP總量，得到濕地內(nèi)部氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的變化量，這部分營(yíng)養(yǎng)鹽輸出途徑包括沉降到底泥、被降解或生物轉(zhuǎn)化或留在濕地內(nèi)部水體中通過(guò)水量交換逐漸輸出，三山濕地的TN和TP輸入、輸出總量如表4所示。

表4 2014年TN和TP輸入、輸出三山濕地的總量、途徑及比例

圖3 2014年實(shí)測(cè)三山濕地底泥間隙水DN和DP的空間凈化特征Fig.3 Average dissolved nitrogen and phosphorus in Sanshan Wetland interstitial water in 2014

2014年通過(guò)三山濕地外部的太湖、島內(nèi)生活污水和大氣沉降輸入濕地的TN和TP量分別為549.45和19.4t.其中通過(guò)水生植物打撈/收割攔截的TN和TP量分別為20.99和4.52t，濕地內(nèi)TN和TP變化量分別為528.46和14.88t，三山濕地對(duì)TN的攔截能力為2723.56kg/(hm2·a)，TP攔截能力為102.48kg/(hm2·a).三山濕地的TN、TP主要來(lái)自島上生活污水排放，通過(guò)沉降、水生植物吸收、降解轉(zhuǎn)化等過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)TN、TP的攔截.自然沉降是凈化氮、磷污染物的重要方式，大量氮、磷物質(zhì)沉積在底泥中，底泥氮、磷是水生植物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，因其循環(huán)過(guò)程相對(duì)緩慢，年內(nèi)變化不大，采用2014年5月20日的監(jiān)測(cè)結(jié)果代表全年底泥氮、磷含量狀況，6#和7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)因水體擾動(dòng)較大和位于深水區(qū)，無(wú)法采集到底泥，對(duì)1#～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果分析顯示，1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的底泥間隙水DN濃度(12.1mg/L)最高，而DP濃度(0.02mg/L)最低，這與1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近分布的大量水生高等植物對(duì)DP吸收能力較強(qiáng)有關(guān)，DN、DP濃度沿2#～4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在空間分布上表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)(圖3).濕地建設(shè)中構(gòu)建的生態(tài)圍堰防浪區(qū)有效避免了外圍風(fēng)浪沖刷，為水體顆粒物沉降創(chuàng)建了良好的環(huán)境，底泥疏?？商岣邼竦氐?、磷去除能力.濕地內(nèi)水生高等植物能夠吸收水體中DN、DP，降低水體TN、TP濃度，從而發(fā)揮水質(zhì)凈化作用。

本文只研究了在垂向上水體均勻情況下濕地對(duì)TN、TP的凈化效應(yīng).但由于物質(zhì)來(lái)源組成、水動(dòng)力環(huán)境、生物化學(xué)條件等不同，其含量可能在垂直分布變化上出現(xiàn)波動(dòng)，未來(lái)研究中還需要增加監(jiān)測(cè)位點(diǎn)和不同深度水質(zhì)，對(duì)TN、TP在水體不同深度條件下的分布對(duì)凈化效果的影響還需要進(jìn)一步探討.另外由于采樣點(diǎn)數(shù)有限，數(shù)據(jù)時(shí)間系列較短，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法反映濕地氮、磷攔截作用存在較大的不確定性，后期將在進(jìn)一步監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析工作。

3.3 三山濕地建設(shè)對(duì)水動(dòng)力條件的影響

三山濕地建設(shè)改變了濕地周圍的水動(dòng)力條件，進(jìn)而影響水質(zhì)凈化效果.濕地建成對(duì)沿岸的太湖風(fēng)浪起到了一定的削弱作用，表現(xiàn)為對(duì)濕地周圍水體流向與流速的改變.與無(wú)濕地分布情景下的模擬結(jié)果比較，濕地建成后，三山島與澤山島之間、三山島西南部的水域水流速度顯著減慢，從6～8cm/s下降到1cm/s.三山島南部湖灣區(qū)域沒(méi)有明顯的流動(dòng)現(xiàn)象，原先湖灣內(nèi)部的小型環(huán)流消失.在3.6m/s東南風(fēng)或西北風(fēng)條件下，濕地范圍內(nèi)的水平流速均值從大于3cm/s 下降到0.44cm/s。

水體流向變化能夠減少氮、磷污染物和藻類等物質(zhì)向三山島南部沿岸區(qū)域輸移通量，降低藻類在沿岸堆積的風(fēng)險(xiǎn).修筑堤岸和種植水生植物改變了濕地內(nèi)部的水動(dòng)力條件，封閉的水域內(nèi)水力停留時(shí)間延長(zhǎng)，在氮、磷輸入濃度不變的情況下，濕地內(nèi)部的懸浮物濃度降低，同時(shí)水生植物抑制水動(dòng)力因素對(duì)沉積物的擾動(dòng)，抑制底泥再懸浮[30]，降低了營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，抑制了藻類的生長(zhǎng)，為三山濕地的水生植物生長(zhǎng)、水質(zhì)改善提供有利環(huán)境.但水體流速的變小也為藻類生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的環(huán)境，為防止藻類的大量繁殖，還需要加強(qiáng)控制水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度。

4 結(jié)論

1) 三山濕地可有效攔截來(lái)自太湖水體和三山島上生活污水的氮、磷污染物，TN攔截能力為2723.56kg/(hm2·a)，TP攔截能力為102.48kg/(hm2·a).2014年度濕地對(duì)太湖水體TN、TP的攔截總量分別為1.18和0.12t，攔截率分別為25.2%和56.5%；濕地對(duì)生活污水的TN、TP攔截總量分別為439.77和16.44t，攔截率分別為81.2%和86.4%。

2) 三山濕地對(duì)污染物的攔截凈化方式主要為沉降和水生植物打撈/收割.2014年輸入的TN、TP通量分別為549.45和19.40t，通過(guò)水生植物打撈/收割輸出的約占3.8%和23.3%，其余輸入濕地的TN、TP反映為水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化量，去向包括沉降進(jìn)入底泥、降解轉(zhuǎn)化、通過(guò)水體交換輸出等。

3) 三山濕地的建設(shè)顯著改變了周圍水域的水動(dòng)力條件.流向變化降低了氮、磷污染物和藻類在三山島南岸堆積的風(fēng)險(xiǎn)，流速減小加快了污染物的沉降進(jìn)程，但同時(shí)也為藻類生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定的環(huán)境，需要加強(qiáng)控制水體的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度以防止藻類大量繁殖，合理恢復(fù)一定數(shù)量的湖泊濕地面積，并通過(guò)底泥疏浚和打撈收割水生植物，可以充分發(fā)揮濕地凈化入湖水質(zhì)和湖泊水質(zhì)、減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入湖泊的作用。

致謝：本研究野外調(diào)查得到蘇州市東山鎮(zhèn)三山村吳惠生書記、朱崇福先生大力支持，特此致謝。

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?2016 byJournalofLakeSciences

Nutrient removal efficiency of lake wetlands: A case study of Sanshan Wetland in Lake Taihu, eastern China

WANG Yan, HUANG Jiacong, YAN Renhua & GAO Junfeng**

(KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008,P.R.China)

Abstract：To understand the function of lake wetlands in nutrient removal efficiency, Sanshan Wetland in Lake Taihu was selected as the study region. Remote sensing, GIS techniques, field investigation, chemical analysis and hydro-dynamical simulation were integrated to analyze the effects of nitrogen and phosphorus nutrient retention of wetland in this study. Various forms of nitrogen and phosphorus in the Sanshan Wetland were analyzed. In 2014, the input of total nitrogen(TN)and total phosphorus(TP)were 549.45t and 19.4t, respectively. About 20.99t TN and 4.52t TP were removed by emerged plants harvest and floating plants salvages. Changes of TN and TP in Sanshan Wetland were 528.46 and 14.88t during the year, respectively. Ways of the nutrients output included several processes of phosphorus sunking, depositing, degradating and exchanging between the Sanshan Wetland and Lake Taihu. The wetland captures of TN and TP were 2723.56 and 102.48kg/(ha·a), respectively. The sediment dredging and plant harvesting and refloating are good ways to improve the water quality in Sanshan Wetland. Hydrodynamic simulation results show that due to the construction of Sanshan Wetland, the flow directions have changed and the velocity currents reduced。

Keywords：Lake wetlands; Sanshan Wetland; Lake Taihu; nutrient removal; nitrogen; phosphorus; hydrodynamic

通信作者*；E-mail: gaojunf@niglas.ac.cn。

DOI10.18307/2016.0114