洱海上覆水不同形態氮時空分布特征

趙海超,王圣瑞,焦立新,楊蘇文,徐圣友

(1.中國環境科學研究院,環境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；2.中國環境科學研究院,湖泊生態環境創新基地,國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室,北京100012；3.河北北方學院農林科技學院,河北 張家口 075131；4.黃山學院環境工程研究所,安徽 黃山 245041)

水體富營養化是當今世界湖泊生態系統面臨的主要問題,過量營養物質匯入水體引起藻類大量繁殖,水體渾濁,水質惡化.過量的氮素輸入到水體是誘發湖泊富營養化的主要原因之一[1-3].天然湖泊水體中氮的循環是一個極為復雜的過程,氮形態轉化中的生物化學過程包括固氮、同化以及脫氮等過程.當湖泊溶氧量充足時,氨在細菌硝化作用下首先被氧化成亞硝酸鹽,然后進一步氧化成硝酸鹽[4-6].在湖泊水體中氮素以不同的形態存在,不同氮形態間通過生物和化學等過程相互轉化,且不同氮形態的生物有效性也不盡相同.藻類主要吸收氨態氮[7],溶解性有機氮和顆粒態氮在微生物作用下可發生水解,轉化為氨態氮,是潛在的生物氮源[8].然而,同一湖泊不同時間,不同水深氮形態變化差異較大.因此,闡明湖泊水體氮形態特征與時空演變規律,對富營養化水體治理具有重要意義.

洱海位于云南省大理洲大理市北郊,呈由北向南方向狹長狀展布,長 42km,最大寬度 8.4km,屬瀾滄江水系,是云南省第二大淡水湖泊.該湖泊正常水位 1974m(海防高程),平均水深 10.5m,最大水深 20.9m[9-11].洱海是大理地區居民的生活用水、農業用水、旅游與發電及維護生態環境的重要水源地,在地區經濟發展中發揮著巨大的作用[12-14].近年來隨著洱海自身演化及開發利用等因素,入湖污染負荷增加,水質逐漸變差,水環境發生了較大變化,富營養化趨勢日益嚴重[9-14],已處于富營養化初期,且氮超標率較高.本研究通過對洱海上覆水 1992年以來的氮濃度數據,結合2010年現場調查各形態氮數據的分析,試圖揭示洱海上覆水各形態氮變化規律與富營養化發展的關系及其影響因素,探討處于富營養化初期的高原湖泊洱海水體氮濃度演變趨勢,旨在為有效控制洱海富營養化提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 數據收集及采樣點布置

圖1 洱海水體等高線及采樣點位示意Fig.1 Schematic geogranhic map of Lake Erhai showing the sampling sites

歷史數據參考韓濤等[13]數據和洱?！笆晃濉币巹潏蟾嬉约按罄碇蕲h境保護局月報.年度數據收集 1992～2009年統計年報的監測數據.于2010年1～12月每個月10日左右采集17個點位混合水樣和8個點位分層柱狀水樣(圖1).根據歷年水質變化情況、水底地形及區域環境條件,針對洱海不同區域,結合環境監測布點設定采樣點,用便攜式采水器采集水樣.混合水樣,在各樣點表層(0.5m)、中層和底層(離底泥0.5m)采集水樣現場混合.如圖 1所示,設置 19、21、84、105、117、142、209、221號 8個點位采集分層柱狀水樣,表層采0.5m,垂向每隔2m水深采1個水樣,各點位水深如表 1所示.水樣裝入樣品瓶中冰盒內保存,帶回實驗室,測定各項指標.

1.2 測定方法

水體中總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法測定[15];溶解性總氮(DTN),水樣過0.45μm濾膜,采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法測定;硝態氮(NO3--N)采用氨基磺酸紫外分光光度計法測定;氨態氮(NH4+-N)采用納氏試劑比色法測定;溶解性有機氮(DON)采用差減法,即 DON=DTN-NH4+-N-NO3--N;顆粒態氮(PN)采用差減法,即PN=TN-DTN;葉綠素a(Chla)采用丙酮萃取法/分光光度計分析法測定,經GF/F(0.7μm)的混合纖維微孔濾膜過濾,90%的丙酮萃取后,三色分光光度法進行測定[16].溶解氧(DO)、pH值、Eh指標采用多參數水質測定儀現場測定;風速,采用便攜式風速測定儀現場測定;水深采用重錘法現場測定.

表1 洱海上覆水分層采樣點位水深變化Table 1 The deep of different layered sampling sites in Erhai Lake

1.3 數據處理

數據分析采樣SPSS17.0和EXCEL2003軟件進行,數據圖采用Mapinfo professional軟件進行.

2 結果與討論

2.1 洱海上覆水TN濃度歷史變化趨勢

如圖2所示,洱海1992～2010年水體TN在0.20～0.67mg/L,總體呈上升趨勢,其中1992～2002年呈緩慢上升階段,總體呈Ⅱ類水質波動式上升,1998年出現波峰;2003～2006年氮濃度躍遷至Ⅲ類水,2003年出現TN濃度躍遷,2006年達到最大值;2007～2010年呈波動式變化,在Ⅱ類至Ⅲ類水之間波動.20世紀 90年代以來隨著流域經濟的發展及湖泊開發,網箱養魚面積大幅增加,旅游業快速發展,水生植被退化[17],入湖污染物增加,導致洱海水體 TN濃度呈上升趨勢,1998年和2003年水體TN濃度發生躍變,洱海大面積爆發水華,2006年洱海部分湖灣出現水華[17-18].2006年以來大理州加大流域綜合治理力度,采取的大量的洱海保護工程,入湖污染物減少,使水體 TN濃度有所降低.但近年來沉積物內源氮釋放量呈增加趨勢,對水體TN的貢獻比例升高,使洱海水體TN濃度呈波動式變化.

圖2 1992～2010年洱海上覆水總氮含量變化Fig.2 The content changes of TN in the overlying water of Lake Erhai from 1992 to 2010

2.2 2010年洱海上覆水不同氮形態空間分布 特征

圖3 2010年洱海上覆水不同氮形態空間分布(n=17)Fig.3 The spatial distribution for the contents of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai

如圖 3所示,2010年洱海水體 TN濃度在0.508～0.673mg/L,平均值為 0.57mg/L.高值區分布在南部湖心平臺(142號點)區域,根據洱海湖底地形可將洱海分為:北部(康廊～海舌以北),中部(挖色湖心為中心,龍龕～海舌)和南部(龍龕以南)[19].水體TN空間分布總體呈北部>南部>中部.水體 DTN濃度為 0.347～0.476mg/L,平均值為0.41mg/L,占TN的71%,高值區分布在西北部沙坪灣出口處(46號點),空間分布與 TN相同.水體NH4+-N濃度為 0.127～0.221mg/L,平均值為0.17mg/L,占TN的30%,高值區分布在中部東岸陡岸帶(121號點),空間分布總體呈中部>北部>南部.水體 NO3--N濃度為 0.0685～0.1022mg/L,平均值為 0.086mg/L,占 TN的 15%,高值區分布在下關出湖口(221號點),空間分布總體呈中部=南部>北部.水體 DON濃度為 0.089～0.237mg/L,平均值為0.15mg/L,占TN的26%,高值區分布在海舌灣口(73號點),空間分布與TN和DTN相同.水體 PN濃度為 0.108～0.273mg/L,平均值為0.16mg/L,占TN的29%,高值區分布在南部湖心平臺區(142號點),空間分布總體呈南部>中部>北部.蔡龍炎等[20]研究表明,我國湖泊TN的變化平均范圍為 0.11～29.2mg/L,鄧建才等[21]研究表明太湖水體TN變化范圍為0.6～6.1mg/L,可見洱海 TN含量顯著低于我國湖泊總氮平均水平,總體處于相對較低的水平.不同氮形態間相關性分析可見,TN與 PN呈極顯著正相關(r=0.7897,P<0.01),太湖水體也具有相同結果[21],DTN與DON呈顯著正相關(r=0.6152,P<0.01),NH4+-N與 DON 呈極顯著負相關(r=-0.6375,P<0.01).可見洱海NH4+-N、PN和DON是洱海水體氮素的主要形態,且NH4+-N濃度受DON轉化的影響.

水體中氮形態分布受外源氮的輸入、沉積物內源氮的釋放及湖泊生物消化和反硝化的多重作用影響.通過洱海水體氮形態的空間分布可見,洱海水體氮素主要受流域外源輸入影響,主要入湖河流分布在北部,水體總體呈由北向南流動[19].因此,北部TN、DTN和DON含量較高.南部主要有波羅江匯入,同時洱海流域主要城市下關市面源污染的輸入使南部氮素含量也較高.洱海南部風浪較大,同時水體較淺,從而使其PN含量較高,而北部水生植物分布較廣,水體擾動相對較小,使PN含量較低.水體中DON和PN可以通過生物化學作用轉化為NH4+-N和NO3--N,大量外源DON由北部輸入到達中部后,由于南部狹口湖底抬起,水流受阻使中部水流緩慢,DON向NH4+-N和NO3--N轉化,使中部NH4+-N和NO3--N含量較高.

2.3 洱海上覆水氮形態季節性變化

圖4 2010年洱海上覆水不同TN形態季節變化(n=17)Fig.4 Content variations of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai with seasons in 2010

如圖4所示,2010年1～12月洱海各氮形態總體呈先升后降的變化趨勢.洱海水體 TN濃度為0.20～0.95mg/L,最大值出現在7月,最小值出現在1月.DTN濃度為0.15～0.65mg/L,最大值出現在9月,最小值出現在 1月.NH4+-N濃度為 0.09～0.37mg/L,最大值出現在 6月,最小值出現在 2月.NO3--N濃度為0.04～0.16mg/L,最大值出現在9月,最小值出現在 7月.DON濃度為 0.002～0.28mg/L,最大值出現在 7月,最小值出現在 1月.PN濃度為0.04～0.38mg/L,最大值出現在7月,最小值出現在5月.

洱海流域屬于西南季風氣候,5～10月為雨季,11月至翌年4月為旱季[22].因此6～7月河流入湖氮負荷最高,使7月TN、DON和PN出現高峰且與溫度呈顯著正相關(表2),而外源PN進入水體后一部分沉積另一部分通過生物化學作用向溶解態轉化,從而使 DTN 和 NO3--N在 9月達到最高值.NH4+-N在6月達到最大值,主要是因為NH4+-N容易被雨水攜帶進入湖泊,雨季之初入湖水體中NH4+-N含量較高,另外6月洱海流域溫度高、光照強且水位低,有利于水體生物的氨化作用[8],相關性分析(表2)可見,NH4+-N與溫度呈顯著正相關,當溫度小于 20℃時水體固氮速率作用隨溫度的升高呈上升趨勢,超過20℃相反[23],6月洱海水體溫度為 20℃左右.7月之前 NH4+-N濃度明顯大于DON,7月起NH4+-N濃度明顯低于DON,主要是NH4+-N 被浮游植物吸收利用,變成 DON.而NO3--N變化較小,主要是因為NH4+-N是浮游植物主要利用的氮素形態[24].3、4月水體中氮濃度較高,主要是因為該月份洱海風浪較大,持續時間較長,沉積物再懸浮促進氮素的釋放[25].水體中氮形態的分布及轉化受外源、內源輸入和生物環境因素的共同影響,同時氮素的轉化帶動水體理化環境的變化.洱海水體TN和PN與Chla呈顯著正相關(表2),這與太湖的研究結果相同[21],表明TN是控制水體藻類生長的重要因子,同時藻類殘體是水體PN的重要來源.水體TN、DTN、DON和PN與pH值呈極顯著負相關(表1),表明外源氮的輸入使水體 pH值下降.主要是因為洱海流域外源有機氮含量較高,進入水體氨化作用過程中吸附H+所致.

表2 2010年1～12月洱海上覆水不同氮形態與理化因子的相關性分析Table 2 Correlation analysis of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai in 2010 within different months physical and chemical factors

2.4 2010年洱海上覆水氮形態垂向分布特征

如圖5所示,水體TN濃度為0.45～0.80mg/L,底層最高,表層次之,分別在4m和16m出現低谷,12m出現波峰;水體DTN濃度在0.30～0.51mg/L,底層最高,表層和12m處出現波峰,6m和16m處出現波谷;水體 NH4+-N濃度為 0.11～0.18mg/L,底層最低,最高值出現在2m;水體NO3--N濃度為0.05～0.14mg/L,底層最低,表層最高;水體DON濃度為0.04～0.35mg/L,變化趨勢與DTN基本相同;水體PN濃度為 0.11～0.29mg/L,變化趨勢與 TN基本相同.

圖5 2010年洱海上覆水氮形態垂向變化(n=8)Fig.5 The vertical variations of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai in 2010

可見洱海上覆水 TN受外源氮素輸入和沉積物內源釋放的雙重影響.上覆水TN在4m處出現低谷主要是21號點位和221號點位有沉水植物分布抑制沉積物氮素釋放,同時浮游植物主要分布在4～6m水層(數據待發表)使該水層氮素被吸收,從而使該層DON略有升高;水體在12m出現峰值主要是水體在該層出現溫躍層,溫躍層以下溫度較低,使水-沉積物界面處于耗氧的還原環境,從而促進84號、117號和209號點位內源營養鹽的釋放[26];水體16m出現低谷主要是105號點位在 15m 出現湖盆(圖 1),上層水體流動較快營養鹽受外源影響較大,下層水體受沉積物內源釋放影響,使該層TN濃度出現低谷.水體垂向分布上NH4+-N和NO3--N與DO和溫度呈顯著正相關(表 3),因此洱海水體底層 NH4+-N 和NO3--N含量較低,內源釋放量較小.DO與 DON呈顯著負相關關系,Capone等[27]研究表明,在相對厭氧的環境條將下,最有利于微生物對氮的固定.表明洱海沉積物內源釋放的氮素主要為 PN和 DON在受到水體擾動后再懸浮進入水體.垂向NH4+-N與Chla呈顯著正相關(表3),可見洱海水體垂向藻類生物量變化受氨氮的影響.

表3 2010年上覆水垂向不同氮形態與理化因子的相關性Table 3 The correlation analysis of vertical different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai in 2010 with physical and chemical factors

3 結論

3.1 洱海 1992～2010年水體 TN在 0.20～0.67mg/L之間,總體呈上升趨勢,2006年達到最高,2007年以來呈波動式變化,流域經濟發展和湖泊開發利用使入湖污染物的增加和水生植物的退化是湖泊水體 TN濃度升高的主要因素;近年來加大治理力度是其水質波動的主要原因.

3.2 洱海上覆水不同氮形態空間分布差異性較大,總體呈北部>南部>中部的趨勢,水體氮濃度空間分布受外源氮輸入的影響.洱海應加強北部河流的污染治理,控制其外源氮輸入.

3.3 洱海水體TN、DTN、DON和PN垂向分布底層最高,表層次之,溫躍層 12m 處出現峰值;水體 TN受外源輸入和內源釋放雙重影響,洱海沉積物內源氮素釋放主要受水體擾動影響,以DON和PN形態為主;洱海應加強水生植被修復減少沉積物擾動以控制內源氮釋放.

3.4 洱海水體各氮形態年內呈先升后降趨勢,TN、DON和 PN在 7月達到最高值,DTN和NO3--N在9月達到最高值,NH4+-N在6月達到最高值.水體氮素季節性變化主要受流域降雨引起的外源輸入氮負荷的影響.水體氮濃度增加使其Chla含量升高,pH值降低.洱?？刂仆庠摧斎胫饕獞訌娪昙局?、7月份的北部“三江”流域污染控制.

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