鳴翠湖間隙水與上覆水中氮、磷的分布特征研究*

梁 東 鐘艷霞 楊麗芳 李小宇 田 欣

(寧夏大學資源環境學院，寧夏 銀川 750021)

湖泊富營養化是一個極為復雜的生態過程，導致湖泊富營養化的因素很多，從根本上講是由于水體中氮、磷等營養元素的過度增加。沉積物-水界面的地球化學行為對湖泊生態系統有著極為重要的影響[1]。即便外源污染物得到有效控制，當湖泊生態系統的某些條件發生變化時，湖泊沉積物就會變為內源，以間隙水為介質，通過擴散、對流以及再懸浮等過程向上覆水釋放營養元素[2-3]，造成湖泊二次污染[4]，降低湖泊水質[5]。目前，國內外對湖泊間隙水和上覆水中氮、磷等營養元素的研究主要集中在東部地區，如太湖[6-7]、鄱陽湖[8-9]、洞庭湖[10-11]、南四湖[12-13]等湖泊，西部地區的湖泊在此方面的研究相對缺乏；但隨著西部地區經濟社會的不斷發展，再加上全球氣候變化的疊加影響，脆弱生態環境背景下的湖泊生態系統面臨嚴重威脅[14]，湖泊富營養化現象日益嚴重，直接影響該地區水資源的可持續利用和水生態系統健康[15]。本研究以銀川平原典型湖泊濕地——鳴翠湖為研究對象，分析其間隙水和上覆水中氮、磷等營養元素的濃度和空間分布，探討其內源污染特征。本研究為鳴翠湖水資源管理和保護提供科學、可靠的依據，并為河套地區乃至西部地區湖泊富營養化的治理提供借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鳴翠湖位于寧夏回族自治區銀川市興慶區掌政鎮，距黃河3 km，東邊是惠農渠，西邊是紅旗排水溝，南邊是永寧縣中心排水溝，北邊是銀橫公路。鳴翠湖是歷史上黃河古道改道而成的自然湖泊，為七十二連湖中長湖的核心部分，是銀川市東部最重要的濕地生態系統。湖區面積為666.7 hm2，其中濕地面積為548.0 hm2，年平均氣溫8～9 ℃，年平均水深1.6 m，屬黃河水系。湖區水源較穩定，主要以黃河水、農田退水補給為主。湖區是典型的中溫帶半干旱荒漠氣候區，冬春少雨，夏秋多雨，年降水量120～150 mm，年蒸發量1 500～1 800 mm，年平均相對濕度58.7%。

1.2 樣品采集

依據鳴翠湖湖面功能區劃分及補水入口分布等情況，于2015年4月底分別在蘆葦迷宮中心(1#)、蘆葦迷宮沿岸(2#)、開闊水域(3#)、荷花池(4#)和景區大門東邊(5#)，利用抓斗式采樣器采集沉積物混合樣5個。采樣點分布見圖1。同時采集上覆水水樣，帶回實驗室分析測定。現場測試指標包括溫度、水深、電導率、透明度(SD)和pH等，并根據觀測記錄沉積物性狀，同時記錄采樣點環境。采樣點的基本特征見表1。

1.3 樣品處理與測定方法

上覆水水樣：樣品取回后測定TP、TN、氨氮、葉綠素a(Chla)、懸浮物和COD。TP采用堿性過硫酸鉀消解/鉬酸銨分光光度法測定；TN采用過硫酸鉀氧化/紫外分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；Chla采用分光光度法測定；懸浮物采用重量法測定；COD采用重鉻酸鹽法測定。

間隙水水樣：將沉積物樣品在4 000 r/min下離心20 min，取上清液，用0.45 μm的濾膜過濾，得到間隙水水樣，測定TP、TN、氨氮、COD濃度。測定方法同上覆水水樣。

圖1 鳴翠湖采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Mingcui Lake

2 結果與分析

2.1 氮、磷分布特征

2.1.1 TN的分布特征

表1 鳴翠湖采樣點基本特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中TN的分布見圖2。從圖2可以看出，間隙水中TN質量濃度為2.55～5.70 mg/L，平均值為3.83 mg/L。上覆水中TN質量濃度為0.81～2.53 mg/L，平均值為2.17 mg/L。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，2#、3#、4#和5#的上覆水中TN質量濃度超過2.0 mg/L，均屬于Ⅴ類水；1#的上覆水中TN質量濃度符合0.5～1.0 mg/L，屬于Ⅲ類水。TN濃度呈現出從間隙水到上覆水遞減的趨勢，濃度梯度顯著，具備了氮從沉積物通過間隙水向上覆水中釋放的條件。

圖2 鳴翠湖間隙水與上覆水中TN的分布Fig.2 Distribution of TN concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，各個采樣點的間隙水和上覆水中TN變化趨勢存在差異。從間隙水看，3#的TN濃度最低，可能與該采樣點位于開闊水域，且經過清淤，沉積物中的TN濃度較低有關；4#的TN濃度最高，可能與該采樣點處于補水口位置有關。從上覆水看，TN濃度在1#最低；其他采樣點的TN濃度差異不明顯，但TN濃度總體上較低，其原因可能是由于采樣期間鳴翠湖平均溫度較低，沉積物中的氮分解緩慢，向水體釋放的氮也較少[16]。

2.1.2 氨氮的分布特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中氨氮的分布見圖3。由圖3可以看出，間隙水中氨氮質量濃度為1.22～2.99 mg/L，平均值為2.23 mg/L。上覆水中氨氮質量濃度為0.19～0.31 mg/L，平均值為0.24 mg/L。根據GB 3838—2002，各采樣點上覆水中氨氮符合0.15～0.50 mg/L，均屬于Ⅱ類水。鳴翠湖間隙水和上覆水中的氨氮濃度均較低，相比之下間隙水中的氨氮濃度遠高于上覆水。這可能是由于湖泊通過農田進行補水的過程還未開始，外源污染物未進入湖泊，沉積物的氨氮濃度成為影響鳴翠湖水質的主要因素；另一方面，采樣期間鳴翠湖平均溫度較低，沉積物中有機氮的氨化作用緩慢，導致蓄積在間隙水中的氨氮濃度較低，通過擴散作用釋放到上覆水中的氨氮濃度更低[17]。

圖3 鳴翠湖間隙水與上覆水中氨氮的分布Fig.3 Distribution of ammonium nitrogen concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，間隙水中的氨氮濃度表現為3#最低，4#最高。上覆水各采樣點的氨氮濃度均較低，且不同采樣點的差異不大。其可能原因如下：一方面，經過冬、春季節的氨氮沉積，各采樣點上覆水中的氨氮轉移到沉積物或間隙水中；另一方面，采樣期間鳴翠湖溫度較低，微生物活動較少，導致有機物的礦化分解量少，進而降低了間隙水中氨氮向上覆水的擴散[18]；此外，風浪、水流等因素導致上覆水中氨氮充分混合，降低了各采樣點上覆水中氨氮濃度的差異。

2.1.3 TP的分布特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中TP的分布見圖4。由圖4可以看出，間隙水中TP質量濃度為0.10～0.18 mg/L，平均值為0.15 mg/L。上覆水中TP質量濃度為0.04～0.11 mg/L，平均值為0.07 mg/L。根據 GB 3838—2002，5#上覆水中的TP質量濃度超過0.1 mg/L，屬于Ⅴ類水；2#、3#、4#上覆水中的TP質量濃度符合0.05～0.10 mg/L，均屬于Ⅳ類水；1#上覆水中的TP質量低于0.05 mg/L，屬于Ⅲ類水。從整體上看，鳴翠湖水體的TP濃度表現為間隙水大于上覆水。

圖4 鳴翠湖間隙水和上覆水中TP的分布Fig.4 Distribution of TP concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，間隙水中的TP濃度在1#最低，其原因可能是采樣期間蘆葦等大量水生植物開始生長，對于磷的吸附作用逐漸增強，一定程度延緩了磷的釋放[19]。3#間隙水中的TP濃度也較低，可能是由于3#無蘆葦等大型植物的生長，植物殘體分解帶來的磷較少，僅靠水體懸浮物的沉積蓄積部分磷，但3#經過清淤，沉積的磷被部分清除，現有的沉積物沉積時間較短，沉積層薄，TP濃度不高，因而導致間隙水中TP濃度較低[20]。上覆水中TP濃度表現為從1#到5#逐漸遞增。

2.2 相關性比較

為分析鳴翠湖間隙水和上覆水中氮、磷的相關性，用SPSS 17.0軟件，分別計算間隙水和上覆水中TP、TN、氨氮、有機質等營養物質之間的相關性，結果分別見表2和表3。

表2 鳴翠湖間隙水中營養物質的相關性分析1)

注：1)*表示在α=0.05水平上顯著相關，**表示在α=0.01水平上極顯著相關。

表3 鳴翠湖上覆水中營養物質的相關性分析

從表2可以看出，間隙水中TN與氨氮的相關系數達到0.899，具有顯著相關性，說明間隙水中的氨氮是TN的重要組成部分，TN的變化會受到氨氮的影響[21]。間隙水中的有機質與TN的相關系數為0.983，呈現極顯著的相關性，說明間隙水中有機質與TN可能存在密切的關系。相關研究表明，有機質在礦化過程中會釋放出大量的無機營養物質，一定程度上造成TN濃度升高[22]。從表3可以看出，上覆水中營養物質之間無顯著相關性。

從總體上看，間隙水中營養物質之間的相關性較高，而上覆水中營養物質之間的相關性較低，但并不能因此說明間隙水和上覆水中的營養物質沒有相互影響[23]。結合間隙水和上覆水中氮、磷的分布特征及相關性分析得出，在間隙水中的氮、磷濃度遠高于上覆水的情況下，間隙水中的氮、磷濃度并不是上覆水中氮、磷濃度的決定因素。這是因為沉積物-水界面的氮、磷遷移會受到諸多因素的影響，如外源輸入、吸附/解吸、溶解，底棲生物活動，風浪造成的紊流擴散及沉積物表面的直接釋放等，并不是單純受濃度梯度控制[24]。

2.3 富營養化評價

在湖泊富營養化的評價方法中營養狀態指數法[25]是目前應用最多的一種方法，主要包括卡爾森營養狀態指數法、修正的營養狀態指數法、綜合營養狀態指數法。本研究依據鳴翠湖四季水質監測數據，運用綜合營養狀態指數法，選取Chla作為基準參數，綜合TP、TN、SD、COD等參數，對鳴翠湖進行富營養化評價。

綜合營養狀態指數法的計算公式如下：

TLI=∑LIj×Wj

(1)

(2)

式中：TLI為綜合營養狀態指數；LIj為參數j的營養狀態指數；Wj為參數j的營養狀態指數的權重，WChla、WTP、WTN、WSD和WCOD分別為0.266 3、0.187 9、0.179 0、0.183 4、0.183 4；rj為參數j與Chla的相關系數，rChla、rTP、rTN、rSD和rCOD分別為1.00、0.84、0.82、-0.83、0.83；j為參數，包括Chla、TP、TN、SD和COD；m為參數總數，m=5。

LIChla、LITP、LITN、LISD和LICOD的計算公式如下：

LIChla=10×(2.500+1.086lncChla)

(3)

LITP=10×(9.436+1.624lncTP)

(4)

LITN=10×(5.453+1.694lncTN)

(5)

LISD=10×(5.118-1.94lnd)

(6)

LICOD=10×(0.109+2.661lncCOD)

(7)

式中：cChla為Chla質量濃度，mg/m3；cTP、cTN和cCOD分別為TP、TN和COD質量濃度，mg/L；d為SD，m。

根據綜合營養指數法進行計算，再對照湖泊(水庫)營養狀態分級(見表4)，得出鳴翠湖富營養化評價結果，如表5所示。

由表5可以看出，富營養狀態嚴重程度排序為5#>2#>1#>4#>3#。富營養化程度最低的為3#，營養級別為中營養，主要是由于3#處于開闊水域，無蘆葦等高等植物的生長，且經過清淤，水體中氮、磷濃度低。其他采樣點的營養級別均為輕度富營養。5#富營養化程度最高，主要是由于5#水體中TN、TP濃度均較高(見圖2和圖4)，水體透明度明顯偏低，且靠近公路，受外源污染物影響較大。1#、2#的大型水生植物為蘆葦，蘆葦的生長對氮、磷具有一定的吸收和吸附作用，使水體得到一定的凈化；但由于蘆葦的密集分布使該區域相對封閉，水體流動性差，加之蘆葦殘體的長期積累，可能會使TN和Chla濃度增大[26]。

表4 湖泊(水庫)營養狀態分級標準

表5 鳴翠湖營養狀況評價結果

3 結 論

鳴翠湖間隙水中TP、TN、氨氮的平均質量濃度分別為0.15、3.83、2.23 mg/L；上覆水中TP、TN、氨氮的平均質量濃度分別為0.07、2.17、0.24 mg/L。間隙水中氮、磷濃度明顯高于上覆水，濃度梯度顯著，富營養化的內源污染作用已經非常明顯。間隙水中氮、磷的濃度受沉積物的影響較大。上覆水中氮、磷的空間分布規律不明顯，說明上覆水中的氮、磷在受到外界復雜環境因素的影響下吸附與釋放過程緩慢，同時上覆水氮、磷濃度受外源污染的多元化影響。相關性分析表明，間隙水中TN與氨氮的相關系數為0.899，具有顯著相關性，有機質與TN的相關系數為0.983，具有極顯著相關性；而上覆水中營養物質之間的相關性較弱。鳴翠湖水體已呈現富營養化狀態，在控制外源污染物進入的同時要考慮到沉積物中的氮、磷通過間隙水向上覆水中的釋放。

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