巢湖湖濱帶生態(tài)修復(fù)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(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

湖濱帶作為水陸交錯帶[1],其底質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)可大量吸收、過濾、攔截、降解水體氮磷等營養(yǎng)元素,湖濱帶生態(tài)濕地工程作為一種經(jīng)濟(jì)、安全的修復(fù)措施,可有效的控制富營養(yǎng)化水體內(nèi)外源污染[2],但目前研究大多集中于水體與沉積物現(xiàn)狀調(diào)查,對生態(tài)濕地工程建設(shè)后湖濱帶沉積物營養(yǎng)元素時空變化情況研究還較少。本研究以巢湖綜合治理項(xiàng)目之一的巢湖花塘河河口生態(tài)修復(fù)濕地區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?對照河對岸的未修復(fù)濕地區(qū)域,對兩個區(qū)域內(nèi)沉積物中的全氮、氨氮,硝態(tài)氮、總磷等污染元素進(jìn)行了一周年的調(diào)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(fù)工程提供數(shù)據(jù)支撐,也為其它湖泊生態(tài)濕地建設(shè)積累資料。

1 研究方法

研究區(qū)位于花塘河入湖河口東西兩側(cè),分為生態(tài)修復(fù)區(qū)與對照區(qū)。生態(tài)修復(fù)區(qū)位于花塘河入湖河口處西側(cè),占地483畝,修復(fù)工程包括潛流濕地,表流濕地等,該區(qū)人工種植了大量蘆葦、美人蕉、香蒲等植物。對照區(qū)位于花塘河入湖河口處東側(cè),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(tài)濕地工程建設(shè)前兩側(cè)土地利用狀況、濕地類型、生態(tài)系統(tǒng)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(tài)修復(fù)區(qū)和對照區(qū)的近水區(qū)、中水區(qū)和遠(yuǎn)水區(qū)中,分別選擇3個具有代表性的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室后風(fēng)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(tài)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(jié)果以沉積物干重計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物氮磷空間變異特征

研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)表層(0-10cm)沉積物氮磷含量如表1所列。對照區(qū)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(jié)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(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)并未得到較好的改觀。生態(tài)修復(fù)區(qū)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(qū)減少約19.7%和29.5%,說明生態(tài)修復(fù)工程的運(yùn)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(tài)修復(fù)區(qū)硝態(tài)氮相較于對照區(qū)削減約17.9%;生態(tài)修復(fù)區(qū)氨氮含量比對照區(qū)降低約41.2%,可見生態(tài)修復(fù)工程對氨氮的削減是巨大的,湖濱帶生態(tài)修復(fù)濕地良好的生態(tài)系統(tǒng)的對內(nèi)外源污染的凈化功能是穩(wěn)定水體,防治湖體富營養(yǎng)化的有效保證。

從水分梯度上看,生態(tài)修復(fù)區(qū)表層沉積物各形態(tài)氮磷含量均呈現(xiàn)近水端>中水端>遠(yuǎn)水端的趨勢,對照區(qū)全氮與總磷含量為近水端≈中水端>遠(yuǎn)水端,這是由于研究區(qū)內(nèi)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(dǎo)致氮磷含量較高,而修復(fù)區(qū)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(qū)有明顯的降低[4],對區(qū)域內(nèi)氮磷污染去除的效果在該段表現(xiàn)的最為突出,說明生態(tài)修復(fù)在水陸交界面對氮磷污染有很強(qiáng)的去除效果。對照區(qū)表層沉積物氨氮、硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為近水端>中水端>遠(yuǎn)水端,但對比修復(fù)區(qū)與對照區(qū)硝態(tài)氮含量可發(fā)現(xiàn),在近水端二者的硝態(tài)氮含量水平差距很小,在中水端與遠(yuǎn)水端則要大很多。這可能是湖體藻類爆發(fā)生長后高濃度的硝態(tài)氮進(jìn)入沉積物[5],而修復(fù)區(qū)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(tài)變化

研究區(qū)表層沉積物中全氮含量不同月份動態(tài)變化表2所列,在2017 1年的時間內(nèi),研究區(qū)各點(diǎn)的全氮含量都遵循先上升后下降的趨勢,在7月到達(dá)峰值,隨后逐漸下降。01-3月修復(fù)區(qū)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(fù)區(qū)內(nèi)植物開始恢復(fù)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(fù)區(qū)全氮含量與01月相比明顯偏高,這可能是因?yàn)樾迯?fù)區(qū)內(nèi)1年生植物沒有及時收割管理,植物殘?jiān)M(jìn)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(fù)區(qū)沉積物中氨氮與硝態(tài)氮平均含量均小于對照區(qū),且與總氮相比比例擴(kuò)大。修復(fù)區(qū)氨氮含量1月最低,因?yàn)闇囟群艿?微生物活性減弱,有機(jī)氮轉(zhuǎn)換為無機(jī)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(fù)區(qū)沉積物7月、09月無機(jī)氮的高含量主要受在此區(qū)域內(nèi)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(zhì)內(nèi),在微生物的作用下部分被分解轉(zhuǎn)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(fù)區(qū)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(qū)沉積物總磷含量均大于修復(fù)區(qū),隨時間變化趨勢與修復(fù)區(qū)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(nèi)源污染的關(guān)鍵。 氨氮含量則先升后降在5cm～10cm處達(dá)到峰值如圖2所示。隨后在10cm～15cm處出現(xiàn)較大幅度的降低,主要因?yàn)楸韺幽嗨唤缑婧趿扛?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(guī)律如圖3所示。除修復(fù)區(qū)中水端外其它各點(diǎn)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(yīng)被抑制,反硝化反應(yīng)加速,導(dǎo)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(dǎo)致的硝態(tài)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(dǎo)致了沉積物中硝氮含量的垂直分布特征。研究區(qū)各點(diǎn)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(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)上層磷含量削減量大,但湖體中污染磷的沉積仍整個區(qū)域內(nèi)磷負(fù)荷仍有有逐漸增加的趨勢。

圖1 研究區(qū)沉積物TN含量垂直分布

圖2 研究區(qū)沉積物NH4+-N含量垂直分布

圖3研究區(qū)沉積物NO3-N含量垂直分布

圖4 研究區(qū)沉積物TP含量垂直分布

3 結(jié) 論

根據(jù)研究得出的結(jié)論如下:① 研究區(qū)內(nèi)巢湖湖濱濕地表層沉積物各形態(tài)氮磷含量生態(tài)修復(fù)區(qū)均小于對照區(qū),相較于對照區(qū),生態(tài)修復(fù)區(qū)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(tài)氮減少了約17.9%,氨氮的降幅最大,為41.2%,反映了經(jīng)修復(fù)后的湖濱帶濕地生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)大凈化能力,因此對巢湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)是對于削減內(nèi)(外)源污染負(fù)荷,降低湖體富營養(yǎng)化程度的重要手段。② 據(jù)湖體遠(yuǎn)近的不同水分梯度點(diǎn)位沉積物中全氮和總磷平均含量排列為:生態(tài)修復(fù)區(qū)近水端>中水端>遠(yuǎn)水端,對照區(qū)近水端≈中水端>遠(yuǎn)水端;生態(tài)修復(fù)區(qū)和對照區(qū)中氨氮、硝態(tài)氮平均含量排列均為:生態(tài)修復(fù)區(qū)近水端>中水端>遠(yuǎn)水端。③ 研究區(qū)湖濱濕地表層沉積物全氮、氨氮、硝態(tài)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(dá)到峰值,然后緩慢下降,在12月生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)全氮、氨氮、硝態(tài)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(fù)區(qū)植物釋放出的營養(yǎng)元素造成的,因此加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)區(qū)管理,及時收割1年生植物是巢湖湖濱生態(tài)修復(fù)工程后續(xù)應(yīng)關(guān)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(tài)氮修復(fù)區(qū)中水端垂向各層含量基本相同,其它各點(diǎn)均呈現(xiàn)自上而下減少的趨勢。