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富营养化湿地景观水体污染生态监测方法研究

来源:抵帆知识网
第44卷第11期2019年11月

环境科学与管理

ENVIRONMENTALSCIENCEANDMANAGEMENT

Vol􀆰44No􀆰11

Nov.2019

文章编号:1674-6139(2019)11-0112-06

富营养化湿地景观水体污染生态监测方法研究

白玉

(吉林农业大学ꎬ吉林长春130118)

摘 要:使用浮游藻类和附生苔藓植物作为生态监测样本ꎬ具体内容为:首先使用生态调查法对湿地景观进行调查ꎬ绘制出湿地景观的水体污染图分布状况ꎬ再分析其水体污染的影响指数ꎬ然后根据清洁指数对湿地景观水体污染分布值计算ꎬ得出水体污染的程度ꎬ并对污染程度进行评级ꎬ首先通过附生苔藓测定仪对污染进行评测ꎬ并使用移植比较法校正水体污染的分布图ꎮ最后通过浮游藻类进行二次监测ꎬ并对污染情况测评ꎬ通过污染测评证明方法在富营养化湿地景观中水体污染监测中有着误差小、监测效率高的优点ꎮ关键词:湿地景观ꎻ生态监测ꎻ水体污染ꎻ生态调查中图分类号:X835

文献标志码:A

StudyonEcologicalMonitoringMethodofWaterPollutioninEutrophicWetlandLandscape

(JilinAgriculturalUniversityꎬChangchun130118ꎬChina)

BaiYu

Abstract:Therearemanykindsoftargetmonitoringmethodsinecologicalmonitoring.Inthispaperꎬphytoplanktonandepi ̄phyticbryophytesareusedasmonitoringmethods.Firstlyꎬthewetlandlandscapeisinvestigatedbyecologicalinvestigationmeth ̄odꎬandthedistributionofwaterpollutionmapofwetlandlandscapeisdrawn.Thenꎬtheimpactindexofwaterpollutionisana ̄lyzed.Accordingtothecleanindexmethodꎬthewetlandlandscapeissurveyed.Thedistributionvalueofwaterpollutioninwet ̄landlandscapewascalculatedꎬandthedistributiondegreeofwaterpollutionwasobtainedꎬandthepollutiondegreewasgraded.Finallyꎬthewaterpollutionwasevaluatedbytheepiphyticmosstesterꎬandthewaterpollutionpointsinthemonitoringareaweresuchassmallerrorandhighefficiencyinmonitoringwaterpollutionineutrophicwetlandlandscape.

drawnbytransplantationcomparisonmethod.Layout.Thesimulationexperimentprovesthatthismethodhassomeadvantages

Keywords:wetlandlandscapeꎻecologicalmonitoringꎻwaterpollutionꎻecologicalinvestigation

前言

富营养化湿地景观中水体污染问题逐渐恶化ꎬ为了精准并及时地了解湿地景观的质量情况和变化原因ꎬ避免富营养化湿地的进一步恶化与生态环境保护措施ꎬ建立正确保护、管理和认识湿地景观理论基础ꎬ需要对湿地景观中的水体

收稿日期:2019-08-22

作者简介:白玉(1988-)ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向:生态学ꎮ

污染进行监测ꎮ通过使用原型法对湿地景观进行需求分析ꎬ从而构建湿地景观生态监测信息系统模型ꎮ该方法主要基于WindowsDNA框架ꎬ开发出一整套富营养化湿地景观监测系统ꎮ但其中存在一定弊端ꎬ因其在构建湿地景观生态监测系统模型时ꎬ会受到大量的外界因素影响ꎬ导致监测不准确ꎮ针对上述问题ꎬ通过对富营养化湿地和水体污染的成因进行分析ꎬ然后使用生态学中的动植物(浮游生物、附生苔藓)进行监测ꎬ从而达到富

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营养化湿地景观水体污染监测的目的ꎮ

物的淋溶污染和城市地表径流[3]等ꎬ而点源污染主要是从城市排泄口、工业废水或生活污水ꎮ1.2.1 磷和湿地富营养化

自然界中的磷大多源自于磷酸盐矿、动物粪便或化石等天然的磷酸盐沉淀物ꎮ自然界中的磷循环就是一种单向流动的过程(见图2)ꎬ

1 富营养化湿地景观水体污染成因分析

1.1 营养化湿地

营养化湿地是指在人类活动引导下ꎬ使生物需要的氮、磷等营养物质大量进入河流、湖泊或海湾所以形成的静止景观ꎬ会引起其他生物与藻类的大量繁殖ꎬ容易导致水体溶解氧出现下滑ꎬ水质恶化[1]ꎬ鱼类生物与其他生物出现大面积死亡状况ꎮ国际经济和合作开发组织将富营养化湿地定义为湿地营养盐增加从而发生的一系列变化(见图1)ꎬ工厂垃圾排泄和化学农药生产力的增加ꎬ引起富营养化湿地的恶化ꎬ破坏了富营养湿地的价值ꎮ

图1 富营养化湿地的基本过程

在自然条件下ꎬ湿地也会从没营养状态渐变成富营养状态ꎬ不过其过程较为缓慢ꎬ通常需要几千年甚至上万年ꎮ而放置含营养物质[2]的工业废水或生活污水引起的湿地富营养化显现ꎬ能够在短时间内出现ꎮ因此ꎬ湿地富营养化分为人为营养化和天然富营养化ꎮ

1.2 湿地富营养化的成因

湿地富营养化的主要原因是外源性富营养物质的大量输入ꎬ导致湿地中水生生物大量繁殖ꎬ引起的湿地生态系统失衡ꎮ进入湿地的营养物质依据其来源能够分为非点源与点源两种ꎬ非点源污染主要是由大范围的污染造成的ꎬ其主要来源是化学农业非点源污染、草地的养分流失、固体废弃

图2 自然界磷循环演示图

主要是因为过度开采矿山ꎬ大量存储在地球表面的磷被开采出来当做原料制作成化肥[4]ꎬ这些化肥在世界范围内大量地使用ꎮ此外ꎬ还有大量的磷是以动物粪便的形式融入土地中ꎮ在很多地区ꎬ这些动物粪便和化肥形式夹杂到土地中的磷要超过土

地中产出的磷ꎬ所以ꎬ这些剩余的磷堆积到土地中ꎬ然后在通过地表面流入到地表水中ꎮ磷是动植物必要的营养元素ꎬ大量的磷进入湿地中能够导致湿地富营养化ꎮ

1.2.2 氮和湿地富营养化

图3 自然界氮循环示意图

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营养元素氮同样是动植物生产的表要元素ꎮ因为氮的惰性ꎬ它主要以氮气的状态存在于大气圈中ꎬ从其它圈层融入到动植物圈[5]的途径是较为有限的ꎮ大气圈里的氮气是含有固氮能力的ꎬ其为植物和藻类提供了大量的丰富供给源ꎮ湿地中的大多数藻类因为含有固氮能力ꎬ能够将大气中的氮转换成能被湿地水生植物吸收与使用的盐形式ꎬ使得水生植物能够取得大量的氮营养声生产率降低89%的最低温度ꎬGmax代表相同营养33℃ꎬTmin=0℃ꎬTopt=28℃ꎮ1.3.2 温度分层

与光照条件下T=Topt时的生产率ꎮ经常取:Tmax=

在恒温气候地区的湿地ꎬ因为受到季节变化的影响从而引发的湿地分层与对流的现象ꎬ对湿地富营养化也有着不能忽视的影响ꎮ因为热分层效应ꎬ使得湿地的表层水在夏季时光照充足ꎬ温度较高ꎮ物质(见图3)ꎮ

同磷一样ꎬ人类的行为一样在改变自然界中的氮循环ꎮ工业的快速发展导致了化肥与农药的增加ꎬ庞大数量的化肥都源于合成胺工业利用大气中的氮气[6]所制造的ꎮ大气中的氮被融入到陆地生物系统中的速度大大增加ꎬ并且这个速度还在不断增加ꎮ

1.3 湿地富营养化影响因素

同河流相比ꎬ湿地中的水流处于相对静止状态ꎬ水流替换周期较长ꎬ属于静水状态ꎮ湿地的生态系统相对较为封闭ꎬ不受人为干扰的湿地生态系统结构和特征大多取决于湿地和湖泊的地理位置、周围的土壤质量、植物类型和气候、水温条件ꎮ1.3.1 水温

浮游植物就是藻类的生产量在很大的程度上会受到水温的干扰ꎮ温度与光辐射是藻类植物进行光合作用的重要条件ꎬ前者判定细胞内酶促反应的效率ꎬ后者供给代谢的能源ꎬ两种因素的协同作用是判定生产力的水平ꎮ温度对藻类生产力的干扰通常用下列公式表示ꎮ

GT=Gmaxe

-2.3

æç

T-TToptöèT÷

opt-minø

 T<T

opt

(1)GT=Gmaxe-2.3ç

æT-ToptèT÷

ö

max-Toptø

 T>Topt

(2)

式中ꎬTopt代表藻类生产的最佳环境温度ꎬTmax

代表藻类生产率降低89%的最高温度ꎬT􀅰114􀅰

min代表噪如果在这时充分提供湿地的营养物质ꎬ藻类光合作用会随之增强ꎬ因而生长旺盛ꎬ所以在夏季富营养化湿地经常产生水华的现象ꎮ同时ꎬ湿地底层经常存在缺氧的情况ꎬ很容易加快底泥的释放ꎬ从而导致湿度湖水磷[7]含量增高ꎮ到了秋季ꎬ湿地中湖水对流ꎬ底层的磷被冲到表面ꎬ增高了湖面水中的磷含量ꎬ为第二年藻类的大量生产提供了充分的营养物质ꎬ使得湿地继续保持富营养状态ꎮ1.4 景观水体污染的成因

景观中的水体污染ꎬ从不同角度能够划分为各种污染类别ꎬ从污染源划分ꎬ能够分为面污染源与点污染源ꎬ而环境污染物的来源被叫做污染源ꎮ表面污染是指污染物来源于集水面积的地面上ꎬ比如农用化肥或农药ꎬ经过灌溉后常含其化学成分ꎮ而点污染是指污染物从集中的地点ꎬ例如工业废水或生活污水的排放口排入的水体ꎬ其特点是经常排污ꎬ它的量能够直接测定或定量化ꎬ并且影响能够直接测评ꎮ再从污染的性质上划分ꎬ能够分为物理污染和化学污染ꎮ其主要来源有以下几个方面:工业废水、生活污水、农业污水和固体废弃物受雨水冲刷后造

成的水体污染ꎮ

2 景观水体污染生态监测

生态监测基本概念就是监测环境的深入与发展ꎬ然而生态系统的本身含有很多类型ꎬ所以导致其本身具有较高的复杂性ꎬ想要完整的把生态系统的

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功能、结构和组成进行全方位的监测较为困难ꎮ而随着生态学理论的快速发展ꎬ尤其是景观生态学的发展ꎬ其对生态监测的指标确立、、管理和质量评价提供了基础的结构ꎮ

在景观生态学中的等级理论、空间异质性[8]

原理和基本理论是代表监测的基础指导思想ꎮ其目的是为了研究生态系统的功能、演替、发展与结构ꎬ还有人为影响与机制的生态系统ꎮ生态越靠近污染源和市中心ꎬ其出现的种类越少且覆盖度越低ꎬ其污染程度越重ꎬ污染严重时会出现附生苔藓植物灭绝的状况ꎮ依据上述资料ꎬ就能够将整个调查的湿地景观划分为不同的污染带ꎬ从而绘制出水体污染分布图ꎬ比如ꎬ通过对某一湿地景观和周围地区的附生苔藓植物的充分不调查ꎬ把发现的22种苔藓植物分别深入景观中ꎬ发展到偏僻区域中、在多尘地区特别丰富与仅在树林区才见分布的四种生态系统的研究领域已经覆盖了自然生态系统的保护和使用ꎬ生态系统的机制ꎬ生态系统的修复技术、恢复模型与退化机制ꎬ是生态系统能够发现问题与全球生态问题的关键ꎮ一些理论科研从大局观上展现了外围环境与生物中间的关系和作用规律ꎬ为了能够保护自然中的资源与环境ꎬ也为生态监测提供了理论知识ꎮ因此ꎬ生态监测与传统的物理监测、化学监测方法存在很大的差别ꎬ去掉传统的监测方法ꎬ所接收的信息都不太完善ꎬ因为生态监测中包含较大的地理信息、全球定位、空间性与遥感性ꎬ所以生态监测是开展景观水体污染监测的不可或缺的方法ꎮ

生态监测中存在多种监测方法ꎬ使用附生苔藓植物和浮游生物作为监测目标ꎬ从而完成监测富营养化湿地景观水体污染的目的ꎮ2.1 生态检测调查处理

生态调查是以测定污染区及其周围区域内不是高层建筑和其他植物所蔽阴而充分出现在空气中植物附生苔藓的情况ꎮ其具体方法为:调查景观内树干根部到树高6米处每一个附生苔藓植物ꎬ包括种类组成ꎬ苔藓覆盖度ꎬ种的频度和生长情况等ꎬ所有调查点需取样11~16种树木ꎮ依据取得的资料ꎬ判定所有附生苔藓植物的覆盖度级数ꎬ并计算出平均百分比ꎬ综合全部调查点的资料ꎬ就能够清晰的显示出所有区域内附生苔藓植物的分布情况ꎮ丰盛苔藓种类较为丰富且覆盖面积较大ꎬ其水体污染程度低ꎬ

类型组ꎬ然后依据附生动植物的分布情况ꎬ把景观中心区分为五个带ꎬ所有地带的水体污染程度各有不同ꎮ如果把这些结果绘制到图上ꎬ就能够得到湿地景观水体污染图ꎮ2.2.2 2.1 植物监测

在生态调查的基础上水体污染影响指数

ꎬ把调查结果进行定量化ꎬ就能够获得污染影响指数ꎬ其公式如下所示:

IA=W0/Wm

其中IA代表污染影响指数ꎬW(3)

0代表清洁区水体污染的存在数量ꎬWm代表附生苔藓植物的生长量ꎮ污染影响指数越大ꎬ表示富营养化湿地景观污染程度越高ꎮ

因为附生苔藓的个体较小ꎬ其生物量也小ꎬ采集与定量较为简单ꎬ因而这一方法含有较强的实用性ꎮ2.2.2 

这是以使用附生苔藓对富营养化湿地景观污染

富营养化湿地清洁指数

的敏感性为基础ꎬ从而计算富营养化湿地景观水体污染的清洁指数的方法ꎬ计算公式如下所示:

IAP=

∑m

i=1

(Q×f)/10(4)

其中IAP代表景观清洁度ꎬn代表监测区水体污染种类数ꎬQ代表附生苔藓的生态指数ꎬ就是测试点共同存在附生苔藓的平均值ꎬf代表苔藓的优势度ꎬ即目测盖度和频度的总和ꎬ通常使用1~5极值(见表1)ꎮ和IA指数不同ꎬIAP指数越大ꎬ就代表监测区湿地清洁度越高ꎬ水体污染越小ꎬ把每个调查点上的IAP计算出来ꎬ再标识在地图上ꎬ然后依据IAP􀅰1的值15􀅰

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将其划分为4个区域就能够得到直观的计算出湿地景观水体污染分布值ꎮ

以此来评测水体污染的状况ꎮ

该方法使用从非污染区中的植物上取下长有表1 附生苔藓覆盖度

F极值1覆盖率较低或不常见的水体污染源

覆盖度

0%出现概率

~20%2常见或在某些区域含有高覆盖度的水体污染源22%~41%3稀少而覆盖度很低的水体污染源42%~61%4不常见或在某些区域含有中

覆盖度的水体污染源62%~81%5

很产检并且在大多数区域都含有高覆盖度的水体污染源

82%~100%2.2.3 污染量指数法就是分析湿地中污染物含量为基污染量指数

础监测景观污染的一种方法ꎬ其计算公式为:

IPC=Cm/Cc

(5)

式中ꎬCm代表监测样点附生苔藓在湿地中的污染物含量ꎬCe代表对照点同样在湿地中的附生苔藓中水体污染的含量ꎮ依据IPC值能够对监测景观水体污染程度进行评级:

(1):(2):轻度污染(1.22~(3):中度污染重度污染(2.(02~2.3.1)1)(><3.1.1)2.2.4 (4):附生苔藓测定仪

清洁景观3)

该方法使用的装置具有两种分离透明的密闭小

室ꎬ室中安放等量的脱脂棉与蒸馏水ꎬ其中一个进入流量为0􀆰6升/分钟ꎬ或1􀆰1升/分钟的污染水体ꎬ而另一个进入等量的活性碳精华湿地景观中ꎮ试验时将选取的附生苔藓掉老旧的部分和顶端幼嫩的部分ꎬ留下发展良好的区域ꎬ等量分别装置于两室中的脱脂棉上ꎬ然后分别融入等量的离子水ꎬ好水体流量ꎮ一般经过2~3周后ꎬ再进入污染水体的室内ꎬ附生苔藓会出现死亡状态ꎬ而进入净化水体污染的室内时ꎬ苔藓植物没变化ꎬ甚至部分植物会出现生长ꎮ这时ꎬ附生苔藓的绿色部分为99%ꎬ在和前者所剩的绿色进行比较ꎬ计算出附生苔藓的受害率ꎬ并􀅰116􀅰

附生苔藓的表皮ꎬ再将取下的表皮移植到污染区中做测定实验ꎮ通常的方法是取下直径为6厘米左右的树皮作为材料ꎬ再拍照存档ꎬ当做日后比较用ꎬ然后把这些长有附生苔藓的树皮等高(9~11米高)固定到树干或者架子上ꎬ并将附生苔藓植物面朝污染源ꎬ通过一段时间的移植后ꎬ取下各树皮拍照ꎬ再和移植前存档的树皮进行对比ꎬ以了解所有移植树皮上的附生苔藓[9]受害状况ꎬ并以此判断污染区的水体污染程度ꎮ此外ꎬ也能够取受害前后附生苔藓进行解刨观察或化学分析ꎬ以此来确定各种附生苔藓对水体污染的敏感性与抗性ꎮ移植对比结果表明ꎬ随着污染程度的加大ꎬ附生苔藓的受害程度也随之增大ꎬ其存活率下降ꎮ

除去附生苔藓外ꎬ其他别的苔藓植物也能够用在水体污染生态监测上ꎬ比如苔藓吊球技术ꎬ就是使用泥碳藓属的某些种来监测景观中的水体污染情况ꎬ其方法就是将泥碳藓以2%的液去除其冗余ꎬ再使用离子水洗掉酸液ꎬ晾干后把泥碳藓放到容积在11立方厘米的尼龙网中ꎬ再将这些网球放在监测区域的监测点上ꎬ4~6个月之后把所有泥碳藓收回到实验室做水体污染含量测试分析ꎬ把结果和没有被污染的泥碳藓进行数据对比ꎬ并以此来绘制出监测区水体污染的分布图ꎮ2.3 生物监测

初始动物是含有生物中的绝对优势种ꎬ非生态区与生态区仍将其标识为优势种ꎬ但在生态区中其优势种正在大量减少ꎬ大多数生态区的浮游生物以藻类作为优势种ꎮ这说明ꎬ目前湿地景观总体上还是重富营养化ꎬ但是其生态区中的湿地富营养化地区已经出现较大的减少ꎮ

浮游生物在生态区与非生态区的数量相差较小ꎮ但值得研究的是藻类的数目在富营养化湿地景观中已经远远大于非生态区ꎬ并且在浮游生物中所

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占有的比例较大ꎬ这说明生态区的水质有所好转ꎮ

因为浮游造粒对水体污染较为敏感ꎬ在污染的压迫下ꎬ浮游藻类种群会产生改变ꎮ所以ꎬ通过采取样本分析浮游藻类的种群组成ꎬ就能够对富营养化湿地景观做出评价ꎬ以此弥补传统检测法的不足ꎮ以Lloyd-Ghelardi均匀度来检测该富营养化湿地景观的水体污染程度ꎬ计算公式如下:

必要的ꎮ富营养化中存在多种地形ꎬ例如水库、浅滩ꎬ而只是针对富营养化的湿地景观进行监测ꎬ需进一步研究的课题就是针对所有类型的富营养化地区ꎬ设计出一种能够统一监测多种类型地区的污染监测体系ꎮ

参考文献:

e=Si/S

(6)

式中ꎬSi代表第一个采样点的藻类种数ꎬS代表藻类总的种数ꎮ测评标准:0􀆰3~0􀆰4代表重污染地区ꎬ0􀆰4~0􀆰5代表中污染地区ꎬ0􀆰5~0􀆰6为轻污染带ꎬ>0􀆰6代表寡污染带ꎮ

根据上述污染指数等级划分ꎬ能够看出采样点中属于重污染的地区ꎬ进而监测出富营养化湿地景观中的水体污染ꎮ

3 结语

针对富营养化湿地景观水体污染监测时ꎬ出现监测不完整ꎬ监测效率较低等问题ꎬ提出了一种生态监测方法对湿地景观进行监测:富营养化湿地景观中ꎬ出现的不仅仅是水体污染ꎬ还存在大量的空气污染ꎬ污染源的类型有很多ꎬ仅只针对水体污染进行监测ꎮ对于富营养化湿地景观的污染情况ꎬ研究的主要内容是监测水体污染ꎬ其中有很多的富营养化地区都能够监测出大量的水体污染ꎮ对于湿地景观中含有的富营养化地区的研究也是

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