東北典型湖庫水體中可溶性氮的分異規律研究

宣鵬里，許其功，魏自民*，毛玉梅，趙國鵬，李玉華，熊善高

（1.東北農業大學生命科學學院，哈爾濱 150030；2.中國環境科學研究院，北京 100012）

近年來，由于湖庫周邊人類活動的增多，致使湖庫發生富營養化的幾率越來越高，并帶來一系列問題，如環境惡化、經濟損失等[1－2]。我國的東部和南部地區為富營養化較重的地區，常暴發藍藻水華等[3]，國外對此也有報道[4]。東北地區由于氣溫等環境因素限制了藻類在湖庫中的暴發[5]，水華現象相對較輕。氮素是湖庫發生富營養化的關鍵限制性因子之一，同時也是影響水體初級生產力的重要因素[6]，其中可溶性氮是生物利用氮的最直接形式，如大型水生植物直接吸收硝態氮，藻類直接利用氨態氮[7]，微生物將可溶性有機氮礦化為氨態氮等。目前文獻報道多針對我國東部、南部富營養化湖庫水體中的總氮、氨態氮和硝態氮分布規律進行研究[8－10]，而對東北典型湖庫可溶性總氮及賦存形態的湖庫間差異的研究鮮有報道。本研究通過對東北典型湖庫水體中可溶性總氮及其組分分異規律進行分析，以期為預防和控制東北湖庫富營養化提供科學依據。

1 樣品的采集及分析方法

1.1 采樣點及采樣方法

2010年10月份對東北典型湖庫的水樣進行采集，湖庫的基本信息見表1。首先利用GPS導航系統進行定位，用有機玻璃采水器對水樣進行采集，裝入聚乙烯塑料瓶，現場加入固定劑后冷藏，及時帶回實驗室分析。

表1 湖庫的基本信息Table 1 Basic information of lakes and reservoirs

圖1 湖庫分布Fig.1 Distribution of lakes and reservoirs

1.2 分析指標及方法

1.2.1 測定方法

采集的樣品可溶性總氮TDN經0.45 μm醋酸纖維素濾膜過濾后，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度計法測定；氨態氮NH4+－N和硝態氮NO3－－N測定之前水樣因渾濁或有機質顯顏色而干擾測定結果，經絮凝沉淀將其除去，NH4+－N采用納氏試劑光度法測定，NO3－－N采用紫外分光光度法測定；水體中可溶性無機氮DIN 為 NH4+－N 與NO3－－N 之和；可溶性有機氮DON為TDN與DIN的差值[11－12]。

1.2.2 數據及分析方法

對每個湖庫進行樣品采集時，設立多個采樣點（五大連池6個、興凱湖6個、鏡泊湖6個、紅旗泡8個、連環湖5個、桃山水庫8個、大伙房水庫5個、松花湖7個），樣品檢測后各湖庫均取平均值進行比較。利用統計分析軟件SPSS 18.0對湖庫水體 TDN、NH4+－N、NO3－－N、DIN、DON 五項指標的相關性進行分析。

2 結果與分析

2.1 可溶性總氮及各賦存形態含量在不同湖庫水體間的差異

2.1.1 可溶性總氮在不同湖庫水體間的分布

由圖2可知，各湖泊間TDN含量差異較明顯。大伙房水庫和松花湖的TDN含量最高，分別為2.66和2.40 mg·L－1，其次為鏡泊湖（1.66 mg·L－1），而TDN含量最低的紅旗泡（0.35 mg·L－1）僅有大伙房水庫含量的13.2%。這可能由于大伙房水庫和松花湖在采樣時由于多日連續降大到暴雨，形成的地表徑流攜帶大量氮素匯入湖中，導致氮水平偏高。

圖2 可溶性總氮在不同湖庫水體間的分布Fig.2 TDN of different lakes and reservoirs

2.1.2 無機態氮和硝態氮在不同湖庫水體間的分布

結合DIN與NO3－－N（見圖3）可知，兩者在各湖庫之間的差異變化極為相似，DIN含量較高者NO3－－N含量也相對較高。DIN的兩個最高值比較接近，分別是大伙房水庫的2.54 mg·L－1和松花湖的2.37 mg·L－1；處于中間水平的為連環湖的0.70 mg·L－1和鏡泊湖的0.83 mg·L－1；其余4個湖庫在0.17～0.39 mg·L－1范圍內變化。同時各湖庫水體NO3－－N變化差異十分明顯，最低值五大連池僅為0.10 mg·L－1，最高值大伙房水庫為2.50 mg·L－1，兩者間相差25.0倍，但多數湖庫NO3－－N水平較低，在0.10～0.70 mg·L－1范圍之內。其中五大連池、興凱湖、紅旗泡、連環湖、桃山水庫淺水部分水域有大面積的沉水植物及浮葉植物分布，這些水生植物從環境介質中吸收營養鹽合成自身物質，尤其是優先吸收NO3－－N，可能是這些湖庫NO3－－N含量較低直接原因。

圖3 無機態氮和硝態氮在不同湖庫水體間的分布Fig.3 DIN and NO3 --N of different lakes and reservoirs

2.1.3 可溶性有機態氮和氨態氮在不同湖庫水體間的分布

前人研究表明，沉積物中的氮素主要是有機態氮，同時有機態氮礦化的第一產物是NH4+－N[13]，沉積物中氮主要以NH4+－N的形式釋放到水體中[7]，水體中微生物也將有機態氮礦化為NH4+－N，故將水體TDN組成成分中的DON和NH4+－N分為一組進行比較。

圖4 有機態氮和氨態氮在不同湖庫水體間的分布Fig.4 DON and NH4 +-N of different lakes and reservoirs

由圖4可知，NH4+－N與DON各湖庫之間的差異相似，均為大伙房水庫和松花湖含量最低。DON在各湖庫之間含量均有明顯分異，已達27.7倍，最低值松花湖僅為0.03 mg·L－1，鏡泊湖含量最高，達到0.83 mg·L－1。NH4+－N濃度在湖庫之間最大相差約 7 倍，大部分在 0.05～0.15 mg·L－1的范圍波動，連環湖的NH4+－N含量最大（0.21 mg·L－1）。造成這種分布規律的原因主要是連環湖和興凱湖平均采樣深度最淺，分別為0.9和2.3 m，且在風力作用下水體劇烈擾動，致使沉積物中DON及吸附態的NH4+－N釋放加劇；相反大伙房水庫和松花湖兩者深度都超過20.0 m，水體擾動對沉積物影響很小且水樣清澈，沉積物中DON及吸附態的NH4+－N釋放并不明顯；鏡泊湖雖平均深度較大（17.1 m），但可觀測到DON值較高，可能與采樣時水體十分渾濁導致沉積物中DON的釋放有關。

2.2 湖庫水體可溶性總氮組份比例差異性分析

結合圖5，對比鏡泊湖、大伙房水庫和松花湖三個深水湖庫，大伙房水庫和松花湖NO3－－N是DIN和TDN的主要組成部分，其中NO3－－N占TDN的比例分別為94.0%、97.5%，NO3－－N含量占DIN的比例分別為98.9%、98.5%。鏡泊湖雖然也是深水湖，但TDN的主要組成部分是DON，其次為NH4+－N，DON、NH4+－N的所占TDN比例較前兩個湖庫均有很大提高。鏡泊湖的DON為49.9%，分別是大伙房水庫的11.0倍和松花湖的35.7倍，同時NH4+－N占TDN的6.8%，分別是大伙房水庫的3.1倍和松花湖的4.2倍。

圖5 湖庫水體可溶性總氮各組分組成比例差異Fig.5 Proportion of TDN of different lakes and reservoirs

除此三者之外，五大連池、興凱湖、紅旗泡水體中TDN的主要組成部分為DON，所占TDN比例均超過50.0%，最高的五大連池已達到60.7%；DIN的比例為NO3－－N與NH4+－N之和，在39.3%～49.0%范圍內變化，差距并不大；三者NH4+－N的比例浮動范圍在14.4%～21.5%，較深水湖庫（松花湖、大伙房水庫）提高了約10倍以上。對比8個湖庫，桃山水庫NH4+－N含量最高，達到22.9%。

結合湖庫地理位置來看（見表1），TDN組分中以DON和NH4+－N為主的六個湖庫（五大連池、興凱湖、鏡泊湖、桃山水庫、連環湖、紅旗泡）均位于黑龍江省境內，且DON與NH4+－N的比例之和均超過50.0%，而以NO3－－N為主的大伙房水庫和松花湖分別位于遼寧省和吉林省境內。

2.3 湖庫水體可溶性總氮及各賦存形態相關性

利用 SPSS 18.0 對湖庫水體 TDN、NH4+－N、NO3－－N、DIN、DON五項指標的50組數值Pearson相關系數的雙側顯著性檢驗分析結果如下：

表2結果表明，①結合TDN、DIN與NO3－－N三者比較，TDN與DIN呈現極顯著正相關（r=0.961，P＜0.01，n=50），說明水體中的DIN是TDN變化的主要因素；DIN與NO3－－N相關性在這三者中最顯著，在P＜0.01的水平上達到了最高的r=0.997，這兩者呈極顯著的正相關關系，表示NO3－－N與DIN在水體中含量變化趨勢近似相同，這與圖3中兩者相比較的結果一致；同時TDN與NO3－－N又呈極顯著正相關關系（r=0.951，P＜0.01，r=50）。綜合此三項結果可以初步判斷NO3－－N是水體可溶性總氮的最主要因素。②DIN與NH4+－N、DON均在P＜0.01水平呈極顯著性負相關，相關系數分別為r=－0.42和r=－0.39，進一步證明DIN與NO3－－N是TDN的決定性因素。③NH4+－N與DON呈顯著正相關，說明水體中DON能被較好地礦化為無機的NH4+－N；NH4+－N 與 NO3－－N 之間呈顯著負相關（r=－0.486，P＜0.01，r=50），表明NO3－－N與NH4+－N在湖庫中分布趨勢大體相反。④TDN與NH4+－N在P＜0.05水平上為較顯著負相關。⑤TDN與DON未呈現顯著相關性。

2.4 湖庫水體富營養化的控制

綜合分析結果可以看出，東北典型湖庫水體處于富營養化狀態，為使水體恢復較好水質，應降低湖庫營養鹽的輸入量，對湖庫周邊生態功能等進行規劃并采取相應的措施。例如種殖業中合理施用化肥及農藥、更新耕種方式；養殖業中尤其是水生養殖捕撈量的控制，以防止食物鏈的失衡；生活污水盡量集中并采用無動力處理技術進行處理，垃圾無害化處理；工業污染的治理；保護天然水源涵養林，以防止植被類型退化，群落結構簡單，導致生態功能下降，水土流失等。造成東北湖庫水質和生態環境問題的機制仍需要進一步的理論研究。

表2 各賦存形態可溶性總氮之間的相關性Table 2 Correlation of different forms of TDN

3 結論

a.三個深水湖庫（鏡泊湖、大伙房水庫和松花湖）TDN含量均較高，連環湖NH4+－N含量最高，而鏡泊湖DON含量最高。

b.由成分組成比例差異可以看出，位于黑龍江省境內的六個湖庫（五大連池、興凱湖、鏡泊湖、紅旗泡、連環湖、桃山水庫），都以DON和NH4+－N為主要成分；而位于遼寧省的大伙房水庫和吉林省的松花湖兩個深水湖庫水體TDN組分則以NO3－－N為主。

c.通過統計分析證實東北8個典型湖庫中，水體中TDN的關鍵指標是DIN，而DIN決定性因素是NO3－－N；同時DON含量高的湖庫NH4+－N含量也相應較高。

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