巢湖湖濱帶生態修復濕地沉積物氮磷的時空分布特征

張祥霖， 黃百順， 蒯圣龍， 尹 程

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603)

湖濱帶作為水陸交錯帶[1],其底質與生態系統可大量吸收、過濾、攔截、降解水體氮磷等營養元素,湖濱帶生態濕地工程作為一種經濟、安全的修復措施,可有效的控制富營養化水體內外源污染[2],但目前研究大多集中于水體與沉積物現狀調查,對生態濕地工程建設后湖濱帶沉積物營養元素時空變化情況研究還較少。本研究以巢湖綜合治理項目之一的巢湖花塘河河口生態修復濕地區域為研究對象,對照河對岸的未修復濕地區域,對兩個區域內沉積物中的全氮、氨氮,硝態氮、總磷等污染元素進行了一周年的調查、采樣與分析,研究其不同位置、不同深度、不同時間的變化情況,以期為巢湖湖濱帶修復工程提供數據支撐,也為其它湖泊生態濕地建設積累資料。

1 研究方法

研究區位于花塘河入湖河口東西兩側,分為生態修復區與對照區。生態修復區位于花塘河入湖河口處西側,占地483畝,修復工程包括潛流濕地,表流濕地等,該區人工種植了大量蘆葦、美人蕉、香蒲等植物。對照區位于花塘河入湖河口處東側,以魚塘濕地為主,植物較少,主要種類為蘆葦、狗尾草,伴生少量梭魚草。生態濕地工程建設前兩側土地利用狀況、濕地類型、生態系統狀況基本一致。于2017-01、03、05、07、09、12月,選取沉積物較厚處,使用GPS定位后,在生態修復區和對照區的近水區、中水區和遠水區中,分別選擇3個具有代表性的點采樣,沉積物樣品使用柱狀采泥器采集,采樣深度20cm,每5cm分1層,每層樣品混勻后裝密封袋帶回實驗室后風干過篩備用。

凱式定氮法測定沉積物樣品全氮含量,紫外分光光度法測定沉積物樣品硝態氮含量,苯酚次氯酸鈉分光光度法測定沉積物樣品氨氮含量,SMT法測定沉積物樣品全磷含量,烘干法測定含水率,測定結果以沉積物干重計。

2 結果與討論

2.1 表層沉積物氮磷空間變異特征

研究區內各采樣點表層(0-10cm)沉積物氮磷含量如表1所列。對照區全氮、總磷平均含量分別為1391.37 mg/kg、395.02 mg/kg,這與安宗勝等2010年對巢湖水體表層沉積物的檢測結果1404.46 mg/kg、408.87 mg/kg近似[3],說明巢湖水體潛在污染與富營養化風險并未得到較好的改觀。生態修復區全氮、總磷平均含量分別為1118.07 mg/kg、278.63 mg/kg,在近似的外源輸入條件下,較對照區減少約19.7%和29.5%,說明生態修復工程的運行對基底沉積物氮磷類污染物的去除效果明顯。

表1 表層沉積物氮磷含量 mg/kg

由表1可知,生態修復區硝態氮相較于對照區削減約17.9%;生態修復區氨氮含量比對照區降低約41.2%,可見生態修復工程對氨氮的削減是巨大的,湖濱帶生態修復濕地良好的生態系統的對內外源污染的凈化功能是穩定水體,防治湖體富營養化的有效保證。

從水分梯度上看,生態修復區表層沉積物各形態氮磷含量均呈現近水端>中水端>遠水端的趨勢,對照區全氮與總磷含量為近水端≈中水端>遠水端,這是由于研究區內近水端受湖水水體輸移作用影響較大,輸入的顆粒污染物和藻類的沉降導致氮磷含量較高,而修復區中水端由于有植物的攔截、吸收等作用,使氮磷含量較對照區有明顯的降低[4],對區域內氮磷污染去除的效果在該段表現的最為突出,說明生態修復在水陸交界面對氮磷污染有很強的去除效果。對照區表層沉積物氨氮、硝態氮含量表現為近水端>中水端>遠水端,但對比修復區與對照區硝態氮含量可發現,在近水端二者的硝態氮含量水平差距很小,在中水端與遠水端則要大很多。這可能是湖體藻類爆發生長后高濃度的硝態氮進入沉積物[5],而修復區密集的植物對藻類起了一定的攔截作用。

2.2 表層沉積物氮磷時空動態變化

研究區表層沉積物中全氮含量不同月份動態變化表2所列,在2017 1年的時間內,研究區各點的全氮含量都遵循先上升后下降的趨勢,在7月到達峰值,隨后逐漸下降。01-3月修復區沉積物總氮含量偏低,這一方面由于溫度偏低以及面源污染減緩所致,另一方面3月修復區內植物開始恢復生長也是該月全氮偏低的重要因素[6]。值得注意的是,12月修復區全氮含量與01月相比明顯偏高,這可能是因為修復區內1年生植物沒有及時收割管理,植物殘渣進入沉積物并分解釋放出氮素的緣故[7]。

由表2可知,全年所有月份修復區沉積物中氨氮與硝態氮平均含量均小于對照區,且與總氮相比比例擴大。修復區氨氮含量1月最低,因為溫度很低,微生物活性減弱,有機氮轉換為無機氮速率降低,隨后隨著溫度的升高逐漸上升,在7-9月最高,之后緩慢下降,修復區沉積物7月、09月無機氮的高含量主要受在此區域內的堆積的藻類影響,夏季巢湖水流的將大量藻體移向岸帶輸移,隨后沉降于底質內,在微生物的作用下部分被分解轉換為氨氮[8]。

表2 表層沉積物氮磷不同月份平均含量 mg/kg

修復區沉積物中總磷的變化幅度相對較小,總的來說從01月-07月逐漸上升,隨后緩慢下降,所有月份對照區沉積物總磷含量均大于修復區,隨時間變化趨勢與修復區相同。

2.3 沉積物氮磷垂直分布特征

沉積物氮磷垂直分布特征如圖1～圖4所示。

由圖1可知,全氮含量在垂直距離上均隨深度的增加而下降,巢湖濕地沉積物這方面研究較少,但與太湖湖濱沉積物全氮的垂直分布類似[9],說明隨著深度的增加氮素污染的程度逐漸降低,如何降低沉積物表層氮素的量是減少其內源污染的關鍵。 氨氮含量則先升后降在5cm～10cm處達到峰值如圖2所示。隨后在10cm～15cm處出現較大幅度的降低,主要因為表層泥水交界面含氧量高,好氧微生物較活躍,對氨氮的分解較快,此外水生生物特別是藻類對氨氮的吸收也是表層氨氮含量低于亞表層的重要原因。硝氮的垂直分布規律如圖3所示。除修復區中水端外其它各點位硝氮的平均含量均隨深度的增加而下降,但降幅很小,這一方面由于隨著深度的增加沉積物中氧的含量逐漸減少,使得硝化反應被抑制,反硝化反應加速,導致硝氮的匯隨著深度的增加而增加,另一方面藻類等水生生物的衰亡與沉積導致的硝態氮釋放會使上層沉積物中硝氮含量減少[1],上述兩方面共同的作用導致了沉積物中硝氮含量的垂直分布特征。研究區各點沉積物總磷的平均含量均有自上而下減少的趨勢如圖4所示。雖然生態修復區內上層磷含量削減量大,但湖體中污染磷的沉積仍整個區域內磷負荷仍有有逐漸增加的趨勢。

圖1 研究區沉積物TN含量垂直分布

圖2 研究區沉積物NH4+-N含量垂直分布

圖3研究區沉積物NO3-N含量垂直分布

圖4 研究區沉積物TP含量垂直分布

3 結 論

根據研究得出的結論如下:① 研究區內巢湖湖濱濕地表層沉積物各形態氮磷含量生態修復區均小于對照區,相較于對照區,生態修復區表層沉積物中總磷含量降低了約29.5%,全氮含量減少了約19.7%,硝態氮減少了約17.9%,氨氮的降幅最大,為41.2%,反映了經修復后的湖濱帶濕地生態系統具有強大凈化能力,因此對巢湖濱帶生態系統保護和恢復是對于削減內(外)源污染負荷,降低湖體富營養化程度的重要手段。② 據湖體遠近的不同水分梯度點位沉積物中全氮和總磷平均含量排列為:生態修復區近水端>中水端>遠水端,對照區近水端≈中水端>遠水端;生態修復區和對照區中氨氮、硝態氮平均含量排列均為:生態修復區近水端>中水端>遠水端。③ 研究區湖濱濕地表層沉積物全氮、氨氮、硝態氮和總磷含量全年的時空分布為,01-03月從最低值開始緩慢上升,03-07月增速逐漸加快,在07月達到峰值,然后緩慢下降,在12月生態修復區內全氮、氨氮、硝態氮和總磷平均含量仍保存相對較高的值,這可能是衰亡的修復區植物釋放出的營養元素造成的,因此加強生態修復區管理,及時收割1年生植物是巢湖湖濱生態修復工程后續應關注的。④ 沉積物中全氮、總磷含量的垂向變化為隨著深度的增加而減少;氨氮含量垂向分布則為先上升,5cm～10cm處最大,隨后迅速下降;硝態氮修復區中水端垂向各層含量基本相同,其它各點均呈現自上而下減少的趨勢。