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选取三门峡库区作为研究对象,在时间和空间上研究中国北方河流湿地退化过程和影响因素。利用库区鱼类种群和数量历史变化,以及植被群落现状从时间和空间上分别表征湿地退化整体状态;在同一尺度下,分析时间和空间尺度上沉积物质量(营养盐,重金属)变化。通过参数计算和相关分析,提出和揭示污染条件下,河流湿地退化过程表征方法和水体恶化,水质污染,沉积物污染驱动。通过室内模拟研究大坝蓄水后淹水条件下,物理化学条件(DO,ORP,pH)变化导致沉积物中典型污染物(重金属)向水体释放的过程和强度,探讨大坝蓄水条件下沉积物重金属赋存形态变化所带来的释放风险变化,估算其最大通量,为河流流域污染控制、湿地管理提供依据和参照。
(1)水量,水质恶化和污染过程
三门峡大坝修建后,库区入库径流量减少1/2。水质严重恶化,在1980s年代后期出现明显恶化趋势,水质量系数(WQI)从1976的83减少到2005年的44.1,其中TSS,EC和NH3-N含量较高。在汛期,从龙门至三门峡坝前,水体恶化;在非汛期,水体总体质量改善,但NH3-N污染在库区内持续增加,浓度达到最大值。另一方面,水体污染在70年代末开始增加,1980s年代后期达到最大污染浓度,而后于1990s年代降低,但仍处于严重恶化状态。直到2000年后,水污染才得到明显改善,但仍处于中度污染,污染物以重金属Cd,Pb,Hg和As为主。在汛期,水体中重金属浓度从龙门到三门峡大坝迅速增加;在非汛期,潼关监测断面浓度最高,坝前水体反而呈现低或无污染健康状态。库区水质恶化和污染加剧与社会发展和工业繁荣产生显著相关。NH3-N在库区水体中持续多年增加,在2003年达到峰值3.14mg/L。在汛期,水质从龙门大坝前恶化,TSS由9.6 g/L增加到49.6 g/L:大肠杆菌检测值为130.9万个/L。非汛期坝前TSS仅为2300个/L,氨氮浓度由0.23 mg/L增加到坝前的1.58 mg/L。Cd,Pb,Hg和As是水体中主要污染物,年均最高浓度分别为0.354,0.309,0.0018,0.233mg/L。在汛期,由龙门到坝前,As从0.14 mg/L增加到0.69 mg/L,Hg增加到0.0012mg/L,Pb增加到坝前0.96 mg/L,Cd增加0.041mg/L。非汛期,坝前Cd,Pb,Hg和As分别为0.0005,0.037,0.0004 mg/L和未检出。
(2)河流湿地退化评估与诊断
利用生物完整性变化评价湿地退化。在时间尺度上,鱼类完整性评价发现三门峡库区湿地从良好退化到严重恶化状态,退化时间出现在1980s,1990s持续退化,而后保持严重恶化状态。空间尺度上利用植被完整性发现其主要退化发生在在污染支流河口,自然保护区处于健康状态。三门峡库区鱼类完整性指数从1950s年代的46减少到2005s年代的20。耐受物种比例在时间尺度上显著增加,土著和敏感鱼种同时间完全消失。植被生物完整性评价发现其湿地状态介于一般和退化状态之间,宏农涧河口湿地是退化最为严重地区,其PIBI=30。自然保护区王官地区由于人类活动限制和政策保护,仍保持较高生态完整性PIBI=50,处于健康状态,这为湿地恢复提供参考。
(3)沉积物质量变化和影响
时间尺度上,多年沉积物重金属调查发现库区沉积物重金属逐渐累积,达到轻度风险(SPI=2.14),以Zn,Hg,Cd和Cu为主。空间尺度上,沉积物中营养盐含量比河南土壤背景值含量高,平均浓度分别为C16.2 g/kg,N0.47 g/kg,S292.2 mg/kg,P500.9 mg/kg和OM12.3 g/kg。重金属生态风险自龙门往三门峡坝前增加,渭河入黄口沉积物生态风险高于上游,宏农涧河河口显著增加(SPI=6.33),处于中等风险。大坝淹水带来水体缺氧,酸化,ORP降低(DO=1.38mg/L,ORP=125 mV,pH=7.5),引起沉积物中重金属Pb,Zn,Mn释放,释放强度分别为0.23g/m2/天,0.65 g/m2/天和0.71g/m2/天。沉积物重金属释放有可能成为污染排放得到控制后,水体重金属浓度升高的重要来源。淹水后,沉积物中As,Zn,Pb碳酸盐结合态增加,释放风险达到极度危险的程度;Cu和Cr释放风险低,赋存形态由铁锰氧化物和有机结合态向残余态变化;Ni碳酸盐结合态降低,释放风险降低;Cd活性增加,向铁锰氧化物结合态和有机结合态变化。
(4)水体和沉积物质量对湿地退化的驱动
关联分析发现,库区降雨量的减少使饵料减少,导致食虫鱼类数量和高等级肉食鱼类减少,降低了湿地鱼类完整性(R=0.816,p＜0.05)。水中NH3-N,TSS和P浓度上升导致湿地水质的恶化(R=-0.897,p＜0.01),主要出现在1980s年代后期和1990s年代初期(WQI从82减少到64),与河流湿地生物完整性显著相关(R=0.926,p＜0.05),驱动了湿地退化。沉积物中C,N,P的增加导致生物完整性参数的下降,间接引起湿地退化;重金属元素的Cu和Ni污染加剧间接驱动湿地植被完整性下降,然而Zn浓度上升却提高其生态完整性。