里下河地區代表性淺水湖泊表層沉積物可轉化態氮的賦存特征

里下河地區代表性淺水湖泊表層沉積物可轉化態氮的賦存特征

燕文明1,2,劉凌1,2,周利3,梁朝榮2,黃列2,張志浩2

(1. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京210098;

2. 河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 3. 鹽城市水利勘測設計研究院，江蘇 鹽城224002)

摘要：以受人類活動影響劇烈的小型富營養化湖泊為研究對象,研究湖泊表層沉積物可轉化態氮的賦存特征,探索環境因子與各形態可轉化態氮之間的關系。結果表明:①4個湖泊表層沉積物中各形態可轉化態氮質量比次序為強氧化劑可提取態氮(SOEF-N)>離子交換態氮(IEF-N)>弱酸提取態氮(WAEF-N)>強堿可浸取態氮(SAEF-N)；②w(IEF-N)與黏粒、壤粒、砂粒、w(Ca)呈顯著的相關性;w(WAEF-N)與含水率、w(有機質)、w(TP)、w(Ca)、w(Zn)呈顯著相關性;w(SOEF-N)與黏粒、w(有機質)、w(TOC))、w(Mn)呈顯著的相關性;w(SAEF-N)僅與w(TP)和w(Ca)存在一定的相關性。③受人類活動影響較大的湖泊w(IEF-N)和所占TN百分比最高;表層沉積物中的w(WAEF-N)與w(有機質)多寡一致。

關鍵詞：里下河地區;淺水湖泊;表層沉積物;可轉化態氮;賦存特征

基金項目:國家自然科學基金(41301531,51279060)

作者簡介:燕文明(1982—),女,實驗師,博士,主要從事水環境保護和生態修復研究。E-mail:ywm0815@163.com

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0030-05

Abstract：Taking the small eutrophic lake,which is seriously affected by human activities,as the research object,the occurrence characteristic of transferable nitrogen forms in the sediments on the surface of the lake is studied and the relationship between environmental factors and various forms of transferable nitrogen is explored. and w(Mn); There is only certain relevance between w(SAEF-N) and w(TP) and w(Ca). (3) w(IEF-N) hold the dominance percentage in TN in big lakes significantly affected by human activity; while the content of WAEF-N is consistent with the amount of organic matter content in the surface sediments.

收稿日期：(2014-12-19編輯：劉曉艷)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.007

Occurrence characteristic of transferable nitrogen forms in sediments on

surface of representative shallow lakes of Lixiahe Region

YAN Wenming1，2,LIU Ling1，2,ZHOU Li3,LIANG Chaorong2,HUANG Lie2,ZHANG Zhihao2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,Nanjing210098,China;

2.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

3.WaterConservancySurveyandDesignInstituteofYanchengCity,Yancheng224002,China)

Key words： Lixiahe region; shallow lake; surface sediment; transferable nitrogen; occurrence characteristic

氮是湖泊生態系統中初級生產力的限制性生源要素之一。氮肥的廣泛和過量施用、生活污水和動物糞便的大量排放以及長期的圍網養殖,導致湖泊沉積物表面富含氮污染物,引起湖泊生態系統水體功能減退[1-3]。沉積物中的氮可以分為可轉化態氮和非可轉化態氮2種形態,其中,可轉化態氮較為活躍,易在沉積物-水界面間發生遷移轉化。馬紅波等[4]和王圣瑞等[5]將改進的Ruttenberg法應用于可轉化態氮的連續分級浸取中。不同湖泊各形態可轉化態氮的質量比、分布以及對富營養化的貢獻不同[2,6-7]。馬紅波等[4]的研究指出，各形態可轉化態氮對界面循環的貢獻大小為強氧化劑可提取態氮(SOEF-N)>離子交換態氮(IEF-N)>強堿可浸取態氮(SAEF-N)>弱酸提取態氮(WAEF-N)。李輝[8]指出,滇池沉積物中4種可轉化態氮的質量比大小順序依次為SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N;WAEF-N是TN中對富營養化貢獻最大的形態。東昌湖表層沉積物不同形態可轉化態氮的釋放順序為:IEF-N>WAEF-N>SAEF-N>SOEF-N[9]。沉積物中各形態可轉化態氮的質量比和分布受到了底質物理性狀、粒徑大小、氧化還原條件等環境因素的影響,需要進一步的詳細研究。

圖1　研究區典型湖泊位置與采樣點布設示意圖

1研究區概況與試驗方法

1.1研究區概況

研究區域地處里下河腹部區,位于淮河中下游,區內溝、河、湖蕩面積眾多。由于圍湖造田、圍湖養殖,湖蕩面積大舉縮小,50年間里下河地區的湖蕩面積縮小了近20倍。本文選擇該地區的蜈蚣湖、得勝湖、九龍口和大縱湖4個不同污染物來源的典型湖泊為研究對象(圖1)。得勝湖和蜈蚣湖為河道型湖泊,湖泊環境主要受周邊生活污染、畜禽養殖污染的影響;大縱湖為草型湖泊,存在圍網養殖現象;九龍口為景觀性湖泊,采樣前該湖泊剛經過疏浚。

1.2采樣點布設

在4個湖泊中共布設8個采樣點(圖1),原位采集沉積物柱狀樣。由于蜈蚣湖和得勝湖為河道型湖泊,水面面積較小,分別在2個湖泊的湖心區布設1個采樣點WG和DS。WG水深約2m,有較多近似腐爛的沉水植物的莖葉;DS水深約3.5m,湖面被圍隔養殖,周邊有味精廠、化肥廠、采沙場等,潛在污染源較多。在九龍口布設3個采樣點,JLK1位于南部入湖口,水深1.5m,上游區域主要為漁業養殖和家畜類養殖;JLK3位于北部入湖口,水深2.5m;JLK4位于湖心,水深約3m,底泥較硬。在大縱湖布設了3個采樣點,DZ位于北部的蟒蛇河出口,水深約2.1m,圍網養殖嚴重;DZ3位于南部中莊河入口,水深約1.2m,挖螺作業嚴重;DZ5位于湖心區,水深約1m,水體清澈,浮萍、菱角類植物密布,表層底泥中黑色物質層較厚。

1.3樣品采集與試驗方法

2結果與討論

2.1沉積物中可轉化態氮的分布特征

沉積物中可轉化態氮的質量比可以反映沉積物中能參與沉積物-水界面氮循環的最大量值。8個采樣點處表層沉積物的各形態可轉化態氮質量比及其所占比例如圖2所示。各形態可轉化態氮中IEF-N和SOEF-N是總可轉化態氮的主要組成部分,其在沉積物中的質量比分別在49.4~152.8mg/kg(平均值為95.2mg/kg)和289.6~840.9mg/kg(平均值為545.0mg/kg)之間變化,分別占總量的6.62%～29.44%(平均值為13.8%)和55.83%～83.75%(平均值為73.4%)。而沉積物中WAEF-N和SAEF-N的質量比分別在51.3~68.2mg/kg(平均值為58.2mg/kg)和22.2~49.1mg/kg(平均值為32.7mg/kg)之間變化,分別占總量的5.63%～9.89%(平均值為8.2%)和2.41%～6.91%(平均值為4.6%)。沉積物中各形態可轉化態氮的質量比分布次序為SOEF-N> IEF-N> WAEF-N> SAEF-N。

圖2　表層沉積物中各形態可轉化態氮的分布特征

由圖2可知,DS采樣點的IEF-N質量比最高,達到152.8mg/kg,該采樣點位于得勝湖的主航道上,雖然采樣點附近圍網較少,但其養殖污染、農業面源污染、工業污染較為嚴重,人為擾動強烈,進而加快了IEF-N在沉積物-水界面間的交換,而使其質量比較高。WG采樣點沉積物中的w(IEF-N)僅次于采樣點DS,達到150.1mg/kg,采樣時發現該采樣點沉積物表層有較多的沉水植物莖葉,有機質質量比較高,而有機質質量比高的沉積物中存在較多的可吸附點位[12],因此有較多的IEF-N被吸附。DZ3采樣點的w(IEF-N)也較高,為93.2mg/kg,這是因為該采樣點具有較大的水生生物量,生物的腐爛增加了TN,挖螺作業的擾動增加了IEF-N。IEF-N百分比最高值出現在TN質量比最小的DS采樣點,DS采樣點周邊含氮的工廠廢水、養殖廢水和生活污水的注入,使得氮污染物吸附在沉積物的表層,加上采樣點位于得勝湖的主航道,人為擾動強烈,加快了IEF-N在沉積物-水界面的遷移轉化,增加了表層沉積物中的IEF-N質量比。而WAEF-N、SAEF-N和SOEF-N這3種形態的可轉化態氮較為穩定,其中,SOEF-N主要為有機結合形式的氮,是可轉化態氮的主要賦存形式,是表層沉積物可轉化態氮中質量比最高的部分。由圖2(c)可見,各采樣點的SOEF-N質量比均較高,占總可轉化態氮的50%以上。

2.2沉積物中可轉化態氮與環境因子相關性分析

不同的沉積環境,各形態可轉化態氮的質量比和分布不同,各形態可轉化態氮之間的相關關系見表1。

表1　沉積物中可轉化態氮之間的相關關系( n=8)

注:*為P< 0.05,**為P< 0.01。

不同形態可轉化態氮之間存在一定的相關性,影響著不同形態氮的分布。由表1可知,各形態的可轉化態氮與TN之間存在著相關性,尤其是WAEF-N、SAEF-N均與TN間呈顯著的正相關,表明它們可能具有相似的來源。SOEF-N與TN之間存在著正相關關系,表明沉積物中的氮主要是以有機形態存在。王梅等[7]對城市內河表層沉積物氮形態的研究表明,IEF-N與 TN 呈極顯著相關。本文研究發現,IEF-N與TN之間的相關性較差,這是因為IEF-N除了受沉積物中有機質和pH的影響外,還受到了上覆水環境因素的影響,8個采樣點表層沉積物中的有機質質量比差別較大,使得不同沉積物中的沉積物氮的吸附點位不同,引起了吸附能力和吸附容量差異,進而導致了對IEF-N吸附的差異。這也說明了沉積物中 TN質量比高的區域對上覆水體存在的污染潛力不一定大。IEF-N與WAEF-N、SAEF-N呈負相關。IEF-N與SOEF-N不存在相關性,這是因為污染較嚴重的湖泊其沉積物的營養水平也會較高,而IEF-N在沉積物-水界面交換過程中起著重要的作用;同時,WAEF-N、SAEF-N 和SOEF-N這3種形態可轉化態氮之間存在相互轉化。王梅等[7]指出較強的礦化作用和微生物作用使得 WAEF-N 轉化為 SOEF-N 的趨勢變得明顯。

表2　沉積物中可轉化態氮與環境條件相關性

注:*為P< 0.05,**為P< 0.01。

為了研究沉積物中各形態可轉化態氮與環境條件之間的相互關系,應用SPSS 17分析了8個采樣點表層沉積物中各形態可轉化態氮與粒徑分布、有機質、可交換態氮、金屬質量比之間的相關性,見表2。

從表2可以看出,WAEF-N是可轉化態氮中質量比較低的形態,其結合能力較弱,相當于碳酸鹽的結合能力,稍高于IEF-N。w( WAEF-N)與表層沉積物中含水率、w(有機質)、w(TP)、w(Ca)、w(Zn)呈顯著相關關系。另外,由于有機質的礦化過程會生成酸性物質,導致可交換態氮與碳酸鹽結合形成WAEF-N[14],增加了表層沉積物中的WAEF-N。

SAEF-N主要為鐵錳氧化物吸附的氮,結合能力的大小與鐵錳氧化物的結合能力相近,比 WAEF-N的結合能力略高。從表2可以看出w(SAEF-N)與w(Fe)、w(Mn)之間并不存在明顯的相關關系,這可能是因為隨著有機質質量比的增加,競爭綁定位點相應增加,進而導致沉積物w(SAEF-N)降低。SAEF-N與環境因子的相關性較差,在19個環境因子中,僅與w(TP)和w(Ca)存在一定的相關性,說明SAEF-N的形成與自然條件、人類活動、污染源的遠近和多寡等多種因素有關。因此,所采集的沉積物中SAEF-N的質量比不穩定,質量比變化并無規律,有待進一步研究。

3結論

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