滴水湖水系中氮的污染特征及其影響因子

張煥煥,畢春娟,陳振樓,王薛平

(華東師范大學地理科學學院,地理信息科學教育部重點實驗室,上海 200241)

滴水湖水系中氮的污染特征及其影響因子

張煥煥,畢春娟*,陳振樓,王薛平

(華東師范大學地理科學學院,地理信息科學教育部重點實驗室,上海 200241)

為探討滴水湖水系各形態氮的污染特征、不同水體間的各形態氮對比特征、滴水湖水體各形態氮與環境因子的關系, 2013年春季,在上海市最大人工湖水系采集表層水樣品28個、沉積物樣品22個,測定各形態氮及總氮含量,并通過模擬實驗著重探討滴水湖水體鹽度對沉積物向上覆水體釋放 NH3-N、NO3--N的影響.結果顯示,滴水湖水體各氮污染水平較高,表層水體氮的空間差異性相對沉積物中氮的差異性較小.滴水湖水體無機氮以NO3--N為主,沉積物中氮以有機氮為主.周圍水系含氮量較高,其中引入水源氮是滴水湖水體中氮的主要來源之一.鹽度模擬實驗顯示,隨著上覆水體鹽度的增大,底泥中NO3--N的釋放量會增加并趨于平衡,NH3-N的釋放量則有降低并趨于穩定的趨勢.

滴水湖；氮；氮形態；鹽度；表層水；沉積物

湖泊水體富營養化是當今世界面臨的一個嚴重的環境問題[1].尤其是淺水湖泊的富營養化日益成為各國的主要環境問題.目前已有很多關于湖泊富營養化因子的研究[2].現有研究表明氮磷是淡水湖泊富營養化的主要因子[3-4],田華等[5]指出近來滴水湖湖泊中N/P在持續下降,而 N/P持續下降將會造成湖泊的營養狀態由磷限制轉化為氮限制.湖泊底泥是湖泊系統的重要組成部分,是營養物的主要蓄積地[6],內源釋放[7-8]是上覆水體中氮的主要來源之一,是維持湖泊富營養化的主要原因之一[9-10].在適宜的條件下底泥向上覆水體中釋放各種營養物質,但不是所有形態氮都可以直接釋放到水體中,各形態氮含量及所占比例直接影響其參與地球化學過程以及對氮循環貢獻的大小[11].因此研究湖泊底泥和水中各形態氮污染特征對理解水體氮循環過程以及合理控制湖泊富營養化具有指導意義.

滴水湖作為中國在海灘上開挖的最大人工湖,扮演著上海郊區生態緩壓區和水域景觀的雙重角色,隨著附近人口的遷入、城市的建設以及游客的增加,向滴水湖水系排放的污染物增多,滴水湖水體污染問題加重.王延洋等[12]、李曉波等[13]、劉水芹[14]和朱夢潔等[15]曾對滴水湖水質生態系統及動植物結構進行研究.何瑋等[16]對滴水湖水體理化指標進行探討.這些研究多于幾年前進行并且限于對滴水湖表層水體水質問題的研究,對其底泥—水中氮的污染特征鮮有報道.本文對滴水湖水系氮污染特征進行探究,研究了滴水湖水域沉積物—表層水體中的氮賦存形態特征及其影響因素,以期為后期生態修復和綜合防治滴水湖富營養化提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

滴水湖(30.896°N, 121.934°E)位于上海市東南方,是上海浦東臨港新城主城區的中心人工湖.滴水湖屬于城市景觀湖泊,承擔著上海臨港新城主城區生態、排澇、防汛和景觀等重要功能[5].滴水湖呈圓形,面積為5.56km2,平均水深3.7m,最深處6.2m.湖中有三個小島,周邊水系呈“三鏈、七射”的網狀格局,滴水湖湖水源于大治河引黃浦江水,引水周期不規律,近幾年引水周期一年兩次,水體補給主要靠降水和周邊徑流.滴水湖水源本身富營養化程度較高,背景底質是河口海灘灘涂,具有較高的土壤鹽化程度,水質一直呈現富營養化趨勢[17].

1.2 樣品采集

圖1 滴水湖水系采樣點分布Fig.1 Location of sampling sites in the Dishui Lake System

2013年春季,對滴水湖湖區及其引河河流(ST1、ST2)、入湖河流進行沉積物樣和表層水樣采集(圖1).每個樣點設置3個平行樣,用2L有機玻璃采水器(永安有機玻璃有限公司)采取表層水樣,裝于聚乙烯瓶中,各樣點的3個平行樣在實驗室經過0.45μm微孔濾膜過濾取得水樣混合樣品,于-4℃下冷凍保存,用于測定水體中溶解性總氮(TN)以及 NH3-N、NO3--N和 NO2--N濃度.底泥樣采用采泥器(Ekman-Brige,德國HYDROBIOS公司)采集,采集的沉積物樣品均裝入聚乙烯密封袋中,帶回實驗室,用冷凍干燥機(CHRIST, Germany)凍干,凍干后除雜、混勻后進行研磨,最后過60目的尼龍篩,用于測定各形態氮和有機碳(TOC).采樣過程中手持GPS定位.現場用便攜式儀器測定水樣理化指標pH值、水溫(T)、溶解氧(DO)、鹽度、總懸浮物顆粒TSS等,以及沉積物的溫度T、pH值等.

1.3 分析方法

水中溶解性總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,氨氮(NH3-N)采用納氏試劑分光光度法,硝酸鹽氮(NO3--N)采用紫外(雙波)分光光度法,亞硝酸鹽氮(NO2--N)采用 N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法[18],水中TOC用TOC儀(liqulTOCⅡ, Germany)測定.

沉積物中總氮(TN)采用元素分析儀測定,氨氮(NH3-N)采用次溴酸鈉氧化分光光度法,硝酸鹽氮(NO3--N)采用紫外(雙波)分光光度法,亞硝酸鹽氮(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法(GB7857-87)測定[19].沉積物樣測定前的預處理方法:用1mol/L的KCl溶液將篩得沉積物樣按土液比1:5混合,在25℃恒溫下水浴振蕩2h,取出離心管于4000r/min離心10min,用0.45μm濾膜過濾,取上清液分析底泥中的上述氮含量.

1.4 數據處理

數據處理采用SPSS 19.0、Excel 2013和Origin 8.0軟件處理,運用ArcGIS10.0作采樣點圖.

1.5 質量控制

采樣和實驗過程中所用容器均經 10%鹽酸溶液浸泡 24h,用自來水沖洗干凈,最后用超純水清洗3遍以上,每個指標于24h內完成測定.測定過程中使用萬分位天平,所用試劑均為優級純,每批實驗均設1個平行樣,3個空白樣,8個標準樣進行同步實驗.數據分析顯示,各指標標準曲線的R2值均達0.9996以上,平行樣誤差均在2%以內.

2 結果與討論

2.1 滴水湖水體中總氮與無機氮含量水平

由表 1可知,目前滴水湖水體 TN濃度在2.045～4.601mg/L,平均值為 3.271mg/L.根據我國地表水環境質量標準,滴水湖水體含氮量屬劣Ⅴ類 水 體 .沉 積 物 TN 含 量 在 399.602～1234.690mg/kg,平均值為 581.356mg/kg,各采樣點沉積物 TN含量差異比較大.表層水體中各形態氮在各采樣點空間差異性比沉積物中各形態氮的空間差異性要小,這是由于水體中污染物更容易擴散,使得各采樣點含量差異性不大.而沉積物中各氮空間差異性較大與沉積物中物質擴散較慢,且各樣點質地[17]及生物水體環境的差異性有關.滴水湖背景底質是河口海灘灘涂,沉積物樣有泥質和粉砂質型,而且有的沉積物樣中發現有海螺或貝殼,這些均會對沉積物中氮的含量分布產生影響.

表1 滴水湖水體及沉積物中各形態氮的含量Table 1 The contents of different nitrogen forms in the water and the sediment of the Dishui Lake

將滴水湖表層水體中 TN濃度和近幾年研究[16-17,20]比較可知,滴水湖表層水體中 TN 濃度近幾年表現出增加的趨勢,這主要與入湖水體氮濃度較高(本研究中入湖水體氮濃度為 4.665mg/L)、水體更換周期縮短、附近居民大批遷入及生活污水的排放增加等有關.和國內主要湖泊[21-24]相比,滴水湖水體中TN濃度比南湖和太湖水體TN低,比其余湖泊水體 TN 濃度要高.與國內主要湖泊[7,9,25-27]沉積物對比顯示,滴水湖沉積物TN含量并不是很高;結合美國EPA[28]中沉積物TN污染的評價標準,滴水湖沉積物TN(除港口B1濃度為1234.690mg/kg屬中污染水平以外)屬輕度污染水平,這可能是由于滴水湖為淺水湖泊,底泥容易受到風浪或游艇等動力擾動作用,在沉積物懸浮過程中沉積物中氮會向水體中釋放[8,29],另外,溫度升高也促進了沉積物氮向上層水體中釋放[8];而且城市湖泊可能會定期清淤使得沉積物氮積累時間較短,累積量較少[9].

2.2 滴水湖水體中氮的空間分布特征

由圖2可知,滴水湖表層水中NH3-N濃度變化范圍比較小且在各個樣點分布較為均勻,其中DS3和DS14處較高(樣點DS7是由于實驗原因沒測得).NO3--N濃度分布亦較為均勻,在 C2、DS4和 DS14處濃度明顯較高.NO2--N作為NH3-N和NO3--N轉化的中間產物,濃度很低.從形態來看,多數采樣點 NO3--N濃度均略高于NH3-N濃度,水體無機氮以NO3--N為主.水體溶解性 TN整體分布差異性較小,在湖區西北部和港口個別采樣點 TN濃度較高.可能是由于西北部是主要居民區,各港口游客停留較多,生活污水及周圍徑流排放對湖區水體氮影響較大.

滴水湖沉積物中NH3-N含量在DS7、DS16樣點處明顯較高,NO3--N含量在 DS19處最高,NO2--N含量特低,三形態氮在各采樣處差異性均很大.從形態來看,在B港、F港及它們附近樣點和湖區中心及東南區多數采樣點表現無機氮以NH3-N為主,而在各個港口(除了 B1)均表現出無機氮以NO3--N為主.這主要是由于港口沉積物受游艇擾動影響比較大,沉積物表層溶解氧較多,硝化反應強于氨化作用,而且沉積物中NH3-N會伴隨懸浮顆粒向上層水體發生釋放[30].TN在B港明顯較高,其他樣點也具有明顯差異性.總體比較可知,沉積物中氮主要是以有機氮為主.

圖2 滴水湖水體中TN和不同形態氮的含量及分布Fig.2 Distribution of the contents of TN and different nitrogen forms in the water and the sediment of Dishui Lake

2.3 不同水體氮污染特征對比

由圖3(a)顯示,引河河流(ST1、ST2)和入湖河流(C1、C2)TN濃度較高,南匯嘴TN濃度較低.TN濃度在各水體間呈現出沿引河河流-入湖河流-湖區-出湖河流-潮灘方向逐漸降低的趨勢,表明水體中氮沿水流流動向底泥發生沉積富集現象,而且引入水體含氮量較高,是滴水湖水體中氮的來源之一.從形態氮特征來看,潮灘NO3--N濃度明顯要高.在其他水體中NO3--N濃度呈現沿水流流動方向:引河河流-入湖河流-湖區-出湖河流方向依次降低的趨勢.NH3-N濃度呈現相反變化趨勢,沿水流流動方向:引河河流-入湖河流-湖區-出湖河流方向依次升高趨勢,在潮灘處出現降低現象.但NO3--N濃度降低的幅度較NH3-N濃度升高的幅度要小.不同水體中各形態氮對比顯示,除出湖河流以外,各水體中NO3--N濃度均高于NH3-N濃度,NO2--N濃度在各水體中均最低.圖 3(b)顯示,滴水湖沉積物中 NH3-N、NO3--N以及TN含量均呈現沿引河河流-入湖河流-湖區-出湖河流-潮灘方向依次降低的趨勢.主要原因可能是隨水流流動方向,河流沉積越來越弱,各形態無機氮和總氮在沉積物中的附著量也逐漸降低;春季溫度回升,底泥微生物作用增強,加上各區沉積物(除湖區)受水流流動影響明顯,沉積物向上層水體中釋放氮較多,也會使沉積物含氮量降低.不同水體沉積物形態氮對比顯示,除出湖河流以外,各水體沉積物中NH3-N含量均高于NO3--N,水體沉積物為NH3-N的蓄積庫.

圖3 不同水體氮的含量分布Fig.3 Distribution of nitrogen contents in different water and sediments of the Dishui Lake system

表2 滴水湖水體各形態氮與理化指標相關性關系Table 2 The correlation between different nitrogen forms and other indexes in Dishui lake water

2.4 水體與沉積物中氮濃度與環境因子的關系 Pearson相關性分析結果(表 2)表明,水體中各氮之間呈現出相關性,NO3--N與TSS、DO、TOC、T及鹽度均呈現顯著相關性.NH3-N與DO、T呈現顯著相關性.NO2--N與TSS、DO、鹽度及溫度呈現顯著相關性.主要是由于水體TSS影響水體氮的附著量,同時還可以通過影響水體的透明度、光照投射度、水生動植物的生長吸氮的遷移轉化,間接得影響水體各形態氮含量;水體溶解氧DO通過影響微生物活性、而微生物活性影響有機質

分解,產物NH3含量將影響水體氮含量[8,31],同時硝化反應和氨化作用的強度受水體DO的影響,對水體氮的形態分布產生影響;溫度通過影響水生動植物的活性以及沉積物氮的釋放量對上層水體氮產生影響[31].由于各氮會受到水體環境因子影響,在修復滴水湖生態系統的時候應考慮相關理化指標的控制.滴水湖沉積物各指標進行相關性分析顯示,NH3-N與 TOC的含量表現出顯著的正相關性(圖4),這是由于有機質經微生物分解產物中含有NH3-N[31],而且沉積物中有機質含量反過來影響沉積物中微生物的活性,進而影響沉積物中氮的存在形態.

圖4 滴水湖沉積物中NH3-N與TOC相關性分析Fig.4 The correlation between contents of NH3-N and TOC in the sediment of the Dishui Lake

考慮到鹽度與水體形態氮具有相關性,設置了不同鹽度容液和滴水湖沉積物進行混合振蕩提取,分析提取液中的NO3--N和NH3-N的含量.由圖5可知,上覆水體的鹽度對沉積物向上覆水體中釋放NO3--N和NH3-N呈現不同的影響.隨著上覆水體鹽度的增大,底泥中 NO3--N的釋放量會增加并趨于平衡,NH3-N的釋放量有降低并趨于穩定的趨勢.上覆水體中的鹽度會影響湖泊沉積物和上覆水體之間氮的交換.另外,河流沉積物(ST1、ST2)和湖泊沉積物(DS20、DS21、DS22、DS23)表現出明顯的差異性,上覆水體的鹽度對河流沉積物的影響較湖泊沉積物明顯,這主要是因為滴水湖為潮灘上人工開挖的大型湖泊,湖水鹽度較高,沉積物中的NO3--N和NH3-N經長期作用后已經發生了交換,所以鹽度浸提實驗中沒有河流沉積物表現明顯.

圖5 滴水湖沉積物在不同鹽度下釋放NH3-N和NO3--N含量特征Fig.5 The NH3-N and NO3--N releasing characteristics in Dishui Lake sediment under different salinity levels

3 結論

3.1 滴水湖表層水體 TN 濃度在 2.045～4.601mg/L,平均值為3.271mg/L,沉積物TN含量在399.602～1234.690mg/kg,平均值為581.356mg/ kg.滴水湖湖區表層水體中各形態氮的空間差異性均比沉積物中的小,而滴水湖湖區各形態氮的差異性小于不同水體單元間的差異性.近年來,滴水湖水體 TN濃度呈現增加趨勢,與國內主要湖泊水體中 TN進行比較,滴水湖表層水體中氮污染比較嚴重,沉積物中氮污染比較輕.

3.2 滴水湖表層水體中的無機氮以 NO3--N為主,沉積物中氮以有機氮為主,而無機氮在港口(除B港)主要以NO3--N為主,在B、F港及它們附近樣點和湖區中心及東南區多數采樣點以NH3-N為主.氮形態空間差異性在沉積物中比表層水體中表現明顯.不同水體中氮污染特征對比顯示滴水湖水體中氮濃度較高的原因之一是引水水體中各氮含量較高.

3.3 針對相關性分析結果中鹽度和水體中NO3--N、NO2--N有顯著負相關性展開鹽度浸取實驗,結果顯示上覆水體中的鹽度會影響到沉積物與上覆水體之間的氮交換作用,隨著上覆水體鹽度的增大,底泥中 NO3--N的釋放量會增加并趨于平衡, NH3-N的釋放量有降低并趨于穩定的趨勢.水體鹽度對河流沉積物影響較明顯于對湖泊沉積物.

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Pollution characteristics of nitrogen and its influence factors in water and sediments of Dishui Lake water system.

ZHANG Huan-huan, BI Chun-juan*, CHEN Zhen-lou, WANG Xue-ping
(Key Laboratory of Geographic Information Science, Ministry of Education, School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China). China Environmental Science, 2014,34(10)：2646～2652

To investigate the characteristics of nitrogen, compare different nitrogen forms in different systems and analyze the relations of nitrogen and environmental factors, twenty-eight surface water samples and twenty-two sediment samples were collected from the largest man-made lake system in Shanghai in spring of 2013 to examine the contents of nitrogen. By simulating experiments on the effect of salinity in the overlying water, the exchange of ammonia and nitrate in the sediment-water was analyzed. The results indicated that average level of nitrogen in Dishui Lake system was high. The spatial differences of nitrogen in the surface water were smaller than that in the sediment. Nitrate was the main form of inorganic nitrogen in the water and organic nitrogen was the main nitrogen form in the sediment. The contents of nitrogen in rivers around the Dishui Lake were higher, suggesting that this river water was one of the main nitrogen sources of the Dishui Lake. The simulated experiments showed when the salinity in the overlying water was increased, the content of nitrate released from the sediments to the water would increase and tend to balance out with each other. but the content of ammonia released from the sediments to the water would decrease then reach a stable staye.

t：Dishui Lake；nitrogen；the nitrogen form；salinity；overlying water；sediments

X142

：A

：1000-6923(2014)10-2646-07

張煥煥(1988-),女,河南新鄉人,華東師范大學資源與環境科學學院碩士研究生,主要研究方向為城市資源與水環境.

2014-02-15

上海市科委社會發展重點項目(12231201900);國家自然科學基金(41271472);上海市自然科學基金(12ZR140900)

* 責任作者, 副教授, cjbi@geo.ecnu.edu.cn