里下河地區(qū)代表性淺水湖泊表層沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的賦存特征

里下河地區(qū)代表性淺水湖泊表層沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)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(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098;

2. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 3. 鹽城市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鹽城224002)

摘要：以受人類活動(dòng)影響劇烈的小型富營養(yǎng)化湖泊為研究對象,研究湖泊表層沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的賦存特征,探索環(huán)境因子與各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮之間的關(guān)系。結(jié)果表明:①4個(gè)湖泊表層沉積物中各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮質(zhì)量比次序?yàn)閺?qiáng)氧化劑可提取態(tài)氮(SOEF-N)>離子交換態(tài)氮(IEF-N)>弱酸提取態(tài)氮(WAEF-N)>強(qiáng)堿可浸取態(tài)氮(SAEF-N)；②w(IEF-N)與黏粒、壤粒、砂粒、w(Ca)呈顯著的相關(guān)性;w(WAEF-N)與含水率、w(有機(jī)質(zhì))、w(TP)、w(Ca)、w(Zn)呈顯著相關(guān)性;w(SOEF-N)與黏粒、w(有機(jī)質(zhì))、w(TOC))、w(Mn)呈顯著的相關(guān)性;w(SAEF-N)僅與w(TP)和w(Ca)存在一定的相關(guān)性。③受人類活動(dòng)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(jī)質(zhì))多寡一致。

關(guān)鍵詞：里下河地區(qū);淺水湖泊;表層沉積物;可轉(zhuǎn)化態(tài)氮;賦存特征

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(41301531,51279060)

作者簡介:燕文明(1982—),女,實(shí)驗(yàn)師,博士,主要從事水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:ywm0815@163.com

中圖分類號：X524

文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)系統(tǒng)中初級生產(chǎn)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(dòng)物糞便的大量排放以及長期的圍網(wǎng)養(yǎng)殖,導(dǎo)致湖泊沉積物表面富含氮污染物,引起湖泊生態(tài)系統(tǒng)水體功能減退[1-3]。沉積物中的氮可以分為可轉(zhuǎn)化態(tài)氮和非可轉(zhuǎn)化態(tài)氮2種形態(tài),其中,可轉(zhuǎn)化態(tài)氮較為活躍,易在沉積物-水界面間發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化。馬紅波等[4]和王圣瑞等[5]將改進(jìn)的Ruttenberg法應(yīng)用于可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的連續(xù)分級浸取中。不同湖泊各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的質(zhì)量比、分布以及對富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)不同[2,6-7]。馬紅波等[4]的研究指出，各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮對界面循環(huán)的貢獻(xiàn)大小為強(qiáng)氧化劑可提取態(tài)氮(SOEF-N)>離子交換態(tài)氮(IEF-N)>強(qiáng)堿可浸取態(tài)氮(SAEF-N)>弱酸提取態(tài)氮(WAEF-N)。李輝[8]指出,滇池沉積物中4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的質(zhì)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(yǎng)化貢獻(xiàn)最大的形態(tài)。東昌湖表層沉積物不同形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的釋放順序?yàn)?IEF-N>WAEF-N>SAEF-N>SOEF-N[9]。沉積物中各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的質(zhì)量比和分布受到了底質(zhì)物理性狀、粒徑大小、氧化還原條件等環(huán)境因素的影響,需要進(jìn)一步的詳細(xì)研究。

圖1　研究區(qū)典型湖泊位置與采樣點(diǎn)布設(shè)示意圖

1研究區(qū)概況與試驗(yàn)方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處里下河腹部區(qū),位于淮河中下游,區(qū)內(nèi)溝、河、湖蕩面積眾多。由于圍湖造田、圍湖養(yǎng)殖,湖蕩面積大舉縮小,50年間里下河地區(qū)的湖蕩面積縮小了近20倍。本文選擇該地區(qū)的蜈蚣湖、得勝湖、九龍口和大縱湖4個(gè)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(huán)境主要受周邊生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染的影響;大縱湖為草型湖泊,存在圍網(wǎng)養(yǎng)殖現(xiàn)象;九龍口為景觀性湖泊,采樣前該湖泊剛經(jīng)過疏浚。

1.2采樣點(diǎn)布設(shè)

在4個(gè)湖泊中共布設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)(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(gè)湖泊的湖心區(qū)布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)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(yǎng)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(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),JLK1位于南部入湖口,水深1.5m,上游區(qū)域主要為漁業(yè)養(yǎng)殖和家畜類養(yǎng)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(shè)了3個(gè)采樣點(diǎn),DZ位于北部的蟒蛇河出口,水深約2.1m,圍網(wǎng)養(yǎng)殖嚴(yán)重;DZ3位于南部中莊河入口,水深約1.2m,挖螺作業(yè)嚴(yán)重;DZ5位于湖心區(qū),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(zhì)層較厚。

1.3樣品采集與試驗(yàn)方法

2結(jié)果與討論

2.1沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的分布特征

沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的質(zhì)量比可以反映沉積物中能參與沉積物-水界面氮循環(huán)的最大量值。8個(gè)采樣點(diǎn)處表層沉積物的各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮質(zhì)量比及其所占比例如圖2所示。各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中IEF-N和SOEF-N是總可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的主要組成部分,其在沉積物中的質(zhì)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(zhì)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(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的質(zhì)量比分布次序?yàn)镾OEF-N> IEF-N> WAEF-N> SAEF-N。

圖2　表層沉積物中各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的分布特征

由圖2可知,DS采樣點(diǎn)的IEF-N質(zhì)量比最高,達(dá)到152.8mg/kg,該采樣點(diǎn)位于得勝湖的主航道上,雖然采樣點(diǎn)附近圍網(wǎng)較少,但其養(yǎng)殖污染、農(nóng)業(yè)面源污染、工業(yè)污染較為嚴(yán)重,人為擾動(dòng)強(qiáng)烈,進(jìn)而加快了IEF-N在沉積物-水界面間的交換,而使其質(zhì)量比較高。WG采樣點(diǎn)沉積物中的w(IEF-N)僅次于采樣點(diǎn)DS,達(dá)到150.1mg/kg,采樣時(shí)發(fā)現(xiàn)該采樣點(diǎn)沉積物表層有較多的沉水植物莖葉,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比較高,而有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比高的沉積物中存在較多的可吸附點(diǎn)位[12],因此有較多的IEF-N被吸附。DZ3采樣點(diǎn)的w(IEF-N)也較高,為93.2mg/kg,這是因?yàn)樵摬蓸狱c(diǎn)具有較大的水生生物量,生物的腐爛增加了TN,挖螺作業(yè)的擾動(dòng)增加了IEF-N。IEF-N百分比最高值出現(xiàn)在TN質(zhì)量比最小的DS采樣點(diǎn),DS采樣點(diǎn)周邊含氮的工廠廢水、養(yǎng)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(diǎn)位于得勝湖的主航道,人為擾動(dòng)強(qiáng)烈,加快了IEF-N在沉積物-水界面的遷移轉(zhuǎn)化,增加了表層沉積物中的IEF-N質(zhì)量比。而WAEF-N、SAEF-N和SOEF-N這3種形態(tài)的可轉(zhuǎn)化態(tài)氮較為穩(wěn)定,其中,SOEF-N主要為有機(jī)結(jié)合形式的氮,是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的主要賦存形式,是表層沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中質(zhì)量比最高的部分。由圖2(c)可見,各采樣點(diǎn)的SOEF-N質(zhì)量比均較高,占總可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的50%以上。

2.2沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮與環(huán)境因子相關(guān)性分析

不同的沉積環(huán)境,各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的質(zhì)量比和分布不同,各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮之間的相關(guān)關(guān)系見表1。

表1　沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮之間的相關(guān)關(guān)系( n=8)

注:*為P< 0.05,**為P< 0.01。

不同形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮之間存在一定的相關(guān)性,影響著不同形態(tài)氮的分布。由表1可知,各形態(tài)的可轉(zhuǎn)化態(tài)氮與TN之間存在著相關(guān)性,尤其是WAEF-N、SAEF-N均與TN間呈顯著的正相關(guān),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(guān)關(guān)系,表明沉積物中的氮主要是以有機(jī)形態(tài)存在。王梅等[7]對城市內(nèi)河表層沉積物氮形態(tài)的研究表明,IEF-N與 TN 呈極顯著相關(guān)。本文研究發(fā)現(xiàn),IEF-N與TN之間的相關(guān)性較差,這是因?yàn)镮EF-N除了受沉積物中有機(jī)質(zhì)和pH的影響外,還受到了上覆水環(huán)境因素的影響,8個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比差別較大,使得不同沉積物中的沉積物氮的吸附點(diǎn)位不同,引起了吸附能力和吸附容量差異,進(jìn)而導(dǎo)致了對IEF-N吸附的差異。這也說明了沉積物中 TN質(zhì)量比高的區(qū)域?qū)ι细菜w存在的污染潛力不一定大。IEF-N與WAEF-N、SAEF-N呈負(fù)相關(guān)。IEF-N與SOEF-N不存在相關(guān)性,這是因?yàn)槲廴据^嚴(yán)重的湖泊其沉積物的營養(yǎng)水平也會(huì)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(shí),WAEF-N、SAEF-N 和SOEF-N這3種形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮之間存在相互轉(zhuǎn)化。王梅等[7]指出較強(qiáng)的礦化作用和微生物作用使得 WAEF-N 轉(zhuǎn)化為 SOEF-N 的趨勢變得明顯。

表2　沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮與環(huán)境條件相關(guān)性

注:*為P< 0.05,**為P< 0.01。

為了研究沉積物中各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮與環(huán)境條件之間的相互關(guān)系,應(yīng)用SPSS 17分析了8個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中各形態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮與粒徑分布、有機(jī)質(zhì)、可交換態(tài)氮、金屬質(zhì)量比之間的相關(guān)性,見表2。

從表2可以看出,WAEF-N是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中質(zhì)量比較低的形態(tài),其結(jié)合能力較弱,相當(dāng)于碳酸鹽的結(jié)合能力,稍高于IEF-N。w( WAEF-N)與表層沉積物中含水率、w(有機(jī)質(zhì))、w(TP)、w(Ca)、w(Zn)呈顯著相關(guān)關(guān)系。另外,由于有機(jī)質(zhì)的礦化過程會(huì)生成酸性物質(zhì),導(dǎo)致可交換態(tài)氮與碳酸鹽結(jié)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(jié)合能力的大小與鐵錳氧化物的結(jié)合能力相近,比 WAEF-N的結(jié)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(guān)關(guān)系,這可能是因?yàn)殡S著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比的增加,競爭綁定位點(diǎn)相應(yīng)增加,進(jìn)而導(dǎo)致沉積物w(SAEF-N)降低。SAEF-N與環(huán)境因子的相關(guān)性較差,在19個(gè)環(huán)境因子中,僅與w(TP)和w(Ca)存在一定的相關(guān)性,說明SAEF-N的形成與自然條件、人類活動(dòng)、污染源的遠(yuǎn)近和多寡等多種因素有關(guān)。因此,所采集的沉積物中SAEF-N的質(zhì)量比不穩(wěn)定,質(zhì)量比變化并無規(guī)律,有待進(jìn)一步研究。

3結(jié)論

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