滴水湖水体中各形态氮的时空分布特征

张焕焕 毕春娟 陈振楼

（华东师范大学资源与环境科学学院，地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241）お

摘要 ［目的］ 探讨滴水湖各形态氮的时空分布特征。［方法］ 从2012年冬季至2013年秋季，采集上海市最大人工湖表层水样品55个、沉积物样品49个，测定其各形态氮及总氮含量。［结果］ 滴水湖水体TN污染水平较高， TN浓度在夏季最高；底泥中TN浓度在整个采样期间呈现上升趋势，在秋季达到最大值。表层水中NH3睳在夏季最高，NO-3睳在春秋季节比较高，NO-2睳在冬季最高；底泥中NH3睳在冬季达到最高，NO-3睳在秋季达到最高，NO-2睳在春季最高。［结论］ 滴水湖底泥中各形态无机氮在4个季节空间差异性均大于上覆水体中的无机氮的空间差异性。

关键词 滴水湖；表层水体；底泥；氮形态；时空分布特征

中图分类号 SB181.3文献标识码 A文章编号 0517-6611（2014）19-06330-04

お

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Nitrogen in Water and Sediments of Dishui Lake

ZHANG Huan瞙uan, BI Chun瞛uan et al

（Key Laboratory of Geographic Information Science of Ministry of Education, College of Resources and Environmental Science, East China Normal University, Shanghai 200241）

Abstract［Objective］ The research aimed to investigate the spatial and temporal distribution characteristics of nitrogen in Dishui Lake. ［Method］ Fifty瞗ive surface water and forty瞡ine sediment samples were collected from the largest man瞞ade lake in Shanghai from the winter of 2012 to the fall of 2013. The contents of nitrogen of these samples were examined then.［Result］ The results showed that the average content of nitrogen in Dishui Lake system was high. The concentration of TN in the water was highest in summer. The concentration of TN in sediments was rising during the whole sampling and reached the highest in autumn. In water, the concentration of NH3睳 was highest in summer, the concentration of NO-3睳 was higher in spring and autumn, and the concentration of NO-2睳 was highest in winter. In sediments, the concentration of NH3睳 was highest in winter, the concentration of NO-3睳 was highest in autumn, and the concentration of NO-2睳 was highest in spring.［Conclusion］ The spatial difference of nitrogen in the surface water was smaller than that in the sediments.

Key wordsDishui Lake；Overlying water；Sediments；Nitrogen form；Spatial and temporal distribution characteristics

お

基金项目 上海市科委社会发展重点项目（12231201900）；国家自然科学基金项目（41271472）；上海市自然科学基金项目（12ZR1409000）。

作者简介 张焕焕（1988-），女，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：城市资源与水环境。*通讯作者。

收稿日期 20140526

湖泊水体污染是热点的环境问题［1］，尤其是浅水湖泊污染日益成为主要的环境问题，目前已有很多关于湖泊污染的研究［2-5］。作为中国最大人工湖，滴水湖扮演着上海郊区水域景观和生态缓压区的双重角色，对上海生态系统具有很大意义，随着附近大量人口迁入，城市的建设以及游客的增加，向滴水湖排放的污染物增多，滴水湖水体污染问题加重。田华等已指出近几年滴水湖中N/P在持续下降，而N/P持续下降将会造成湖泊的营养状态由磷限制转化为氮限制［6］。湖泊底泥是湖泊系统的重要组成部分，是营养物的主要蓄积地［7］，内源释放［8-11］是上覆水体中氮的主要来源之一［12-15］。关于滴水湖的研究，王延洋［16］、李晓波等［17］、刘水芹等［18］和朱梦洁等［19］曾对其水质生态系统及动植物结构进行研究；何玮等对滴水湖水体的理化指标进行过探讨［20］。这些研究多于几年前进行并且仅限于对滴水湖表层水体水质问题的研究，对底泥-水中各形态氮的含量、时空分布特征等研究鲜有报道。为此，笔者对滴水湖水体中氮的含量及时空分布特征进行探究，研究了滴水湖水体沉积物-表层水体中的氮赋存形态特征及其时空分布特征。这不仅可为滴水湖氮循环研究提供基础数据，而且还对合理控制湖泊生态系统具有指导意义［21-23］。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滴水湖位于上海市东南方，是上海浦东临港新城主城区的中心人工湖。滴水湖属于城市景观湖泊，承担着上海临港新城主城区生态、排涝、防汛和景观等重要功能［6］。滴水湖呈圆形，中心在30.896° N、121.934° E，面积为5.56 km2。平均水深3.7 m，最深处6.2 m。湖中有3个小岛，周边水系呈“三链、七射”的网状格局，滴水湖湖水源于大治河引黄浦江水，引水周期不规律，近几年引水周期一年两次，水体补给主要靠降水和周边径流。滴水湖水源本身富营养化程度较高，背景底质是河口海滩滩涂，具有较高的土壤盐化程度，水质一直呈现富营养化趋势［24］。

图1 滴水湖采样点分布示意

1.2 样品采集

于2012年冬季至2013年秋季，对滴水湖水体进行季度性采集沉积物样和表层水样（图1）。每处设置3个平行样，水样采集方法为用2 L有机玻璃采水器（永安有机玻璃有限公司）采取表层水样，装于聚乙烯瓶中，各样点的3个平行样在实验室经过0.45 μm微孔滤膜过滤取得水样混合样品，于-4 ℃下冷冻保存，用于测定水体中溶解性总氮（TN）以及NH3睳、NO-3睳和NO-2睳浓度。底泥样采用采泥器（Ekman睟rige，德国HYDRO-BIOS公司）采集，采集的沉积物样品均装入聚乙烯密封袋中，带回实验室，用冷冻干燥机（CHRIST，Germany）冻干，冻干后除杂、混匀后进行研磨，最后过60目的尼龙筛取沉积物样品，用于测定各形态氮。采样过程中手持GPS定位。现场用便携式仪器测定水样理化指标pH、水温玊、溶解氧DO、盐度、总悬浮物颗粒TSS等，以及沉积物的温度T、pH等。

1.3 分析方法

水中溶解性总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，沉积物中总氮（TN）采用元素分析仪测定，氨氮（NH3睳）水样采用纳氏试剂分光光度法，底泥样采用次溴酸钠氧化分光光度法，硝酸盐氮（NO3-睳）水样及底泥样均采用紫外（双波）分光光度法，亚硝酸盐氮（NO2-睳）水样及底泥样均采用N玻1草粱）惨叶胺分光光度法［25-26］。沉积物样测定前的预处理方法：用1 mol/L的KCl溶液将筛得沉积物样按土液比1∶5混合，在25 ℃恒温下水浴振荡2 h，取出离心管在4 000 r/min条件下离心10 min，用0.45 mm滤膜过滤，取上清液分析底泥中的上述各形态氮含量。

1.4 数据处理

数据处理采用SPSS 19.0、Excel 2013和Origin 8.0软件处理，运用ArcGIS10.0作采样点图。

1.5 质量控制

采样和试验过程中所用容器均经10%的盐酸溶液浸泡24 h，用自来水冲洗干净，最后用一级水清洗3遍以上，每个指标于24 h内完成测定。测定过程中使用万分位天平，所用试剂均为优级纯，每批试验均设1个平行样，3个空白样，8个标准样进行同步试验。数据分析显示，各指标标准曲线的玆2值均达0.999 6以上，平行样误差均在2%┮阅凇＊

2 结果与分析

2.1 滴水湖水体各项理化指标

滴水湖水体主要理化指标季节变化的监测结果（表1）显示，滴水湖表层水中溶解氧DO含量范围为6.47～10.58 mg/L，各季节DO浓度表现为2012年冬季>2013年春季>2013年秋季>2013年夏季。这是由于水体溶解氧和温度有关系，温度越高溶解氧含量越低［20］，夏季温度较高，水体中的氧气会大量向空气逸出，导致DO降低。pH变化范围7.70～8.55，显示滴水湖水体呈现出弱碱性，此环境比较适合藻类繁殖。温度玊变化范围为8.13～31.98 ℃。总悬浮物颗粒（TSS）变化范围为141.69～462.77 mg/L，其中2012年冬季<2013年秋季<2013年春季<2013年夏季，总悬浮颗粒物在一定程度上反映水体的浊度。盐度变化范围为1.50～2.96，显示滴水湖并非是淡水湖，这可能是由于滴水湖受到东海海水的影响。沉积物pH变化范围7.23～7.85，较表层水体小，但也均呈现弱碱性，温度玊变化范围为7.85～31.48 ℃。

表1 滴水湖水体TN及各项理化指标含量变化

水样 样品来源 DO∥mg/L pH 玊∥℃ TSS∥mg/L 盐度 TN∥mg/L

表层水样 2012冬季 10.58 8.25 8.13 141.69 1.60 0.94

2013春季 9.19 7.70 16.95 238.78 1.50 3.34

2013夏季 6.47 8.55 31.98 462.77 2.96 3.59

2013秋季 9.17 8.16 19.35 237.60 2.68 1.36

沉积物样 2012冬季 / 7.85 7.85 / / 427.71

2013春季 / 7.53 19.36 / / 579.28

2013夏季 / 7.32 31.48 / / 3 368.17

2013秋季 / 7.23 18.87 / / 26 334.37

2.2 滴水湖水体中TN的含量水平

滴水湖2012年冬季、2013年春季、夏季和秋季水体中各形态氮含量分析（表1）显示，滴水湖表层水中TN浓度在0.94～3.59 mg/L。根据我国地表水环境质量标准，滴水湖水体含氮量属劣Ⅴ类水体。沉积物TN含量在427.71～26 334.37 mg/kg。结合美国EPA［27］中沉积物TN污染的评价标准，滴水湖沉积物TN属中轻度污染水平，这可能是由于滴水湖为浅水湖泊，底泥容易受到风浪或游艇等动力扰动作用，在沉积物悬浮过程中沉积物中氮会向水体中释放［11，28-31］，另外，城市湖泊可能会定期清淤使得沉积物氮积累时间较短，累积量较少［13］。

2.3 滴水湖表层水中各形态氮的季节变化特征

滴水湖表层水中各形态氮每个季度的含量分析（图2）显示，表层水体中TN浓度由高到低依次出现在夏季、春季、秋季和冬季，这可能与温度有关。NH3睳浓度变化范围为0.36～1.03 ﹎g/L，表层水中NH3睳浓度由高到低依次出现在夏季、秋季、春季、冬季，这可能是由于底泥随温度升高向上覆水体中释放氨氮强度逐渐增强［12］。NH3睳在各个季节（除了春季）

图2 滴水湖表层水中各形态氮的季节变化

均显示出高于NO-3睳浓度，且在夏季最明显（近2倍）。这可能是因为一方面夏季水中溶解氧最低，氨化作用逐渐强于硝化作用［32］；另一方面夏季湖水对流比较强，水中氨氮向空气逸出，致使表面水体NH3睳浓度明显比NO-3睳浓度高。表层水体中NO-3睳浓度变化范围为0.19~0.53 mg/L，在春秋季节相对比较高，冬季最低。NO-2睳作为硝化作用的中间产物，含量特别低，浓度范围在0.008～0.030 mg/L，在冬季浓度最大，各样点间的差异性也比最大。

2.4 滴水湖底泥中各形态氮的季节变化特征

滴水湖底泥中各形态氮每个季度的含量分析（图3）显示，底泥中TN浓度在整个采样期间呈现上升趋势，在秋季达到最大值，这可能是由于秋季滴水湖中的大量动植物遗体在沉积物中富集，使得底泥TN浓度明显高于其他3个季节。底泥中NH3睳浓度在3.76～10.80 mg/L之间，在冬季达到最高，在春季达最低。可能由于冬季温度较低，底泥向上覆水体中释放的较少，使得底泥中富集的氨氮较高于其他季节；而在春季随着温度升高，释放氨氮增多，且水体溶解氧的增多，氨化作用减弱，使得底泥NH3睳在春季浓度最低。底泥NO-3睳浓度在2.54～4.76 mg/L，在秋季时达到最高，秋季由于动植物的遗体在底泥富集，底泥中的硝化作用明显，使得NO-3睳在底泥中的富集达到最大值。NO-2睳作为硝化和氨化作用的中间产物，浓度与水体中表现一致较低，浓度在0.024～0.086 mg/L，其中在春季达到最大值，其余3个季节差别不大。

2.5 滴水湖表层水中各形态氮的空间分布特征

滴水湖表层水中各形态氮的空间分布特征（图4）显示，滴水湖表层水样中TN在秋冬季节较低，在春夏季较高，这可能是由于春夏季温度相对较高，滴水湖中动植物的活性较大，底泥向上覆

水体中释放氮能力较强等原因使得表层水中TN浓度较高。

图3 滴水湖底泥中各形态氮的季节变化

注：a.2012年冬季表层水样；b.2012年春季表层水样；c.2012年夏季表层水样；d.2012年秋季表层水样。

图4 滴水湖表层水样中各形态氮的空间变化特征

无机氮在冬季NH3睳和NO-2睳的空间差异性大于NO-3睳

和TN的空间差异性，冬季NH3睳在B港、F港及C港附近

的样点14中浓度较高，冬季表层水中无机氮以NH3睳为主。在春季表层水体中无机氮NO-3睳空间差异性最大，其他形态氮在表层水中分布比较均匀，表层水中无机氮以NO-3睳为主，其中在C港和D港附近的样点9处明显高于其他处表层水样。夏季表层水中NO-2睳空间差异性较大，NH3睳浓度明显高于所有形态氮浓度，这可能是由于夏季温度较高，底泥向上覆水体中释放NH3睳量增多。在秋季滴水湖表层水中各形态无机氮的空间差异性均较小，NH3睳和NO-3睳浓度亦相近。

2.6 滴水湖底泥中各形态氮的空间分布特征

滴水湖底泥中各形态氮的空间分布特征（图5）显示，滴水湖底泥中TN在秋季空间差异性最大，在A港浓度最高，在B港和G港附近的样点11处含量最低，其余3个季节空间差异性较小，其中在夏季A港底泥TN明显高于其他样点。冬季滴水湖底泥中NH3睳的空间差异性较大，其中在B、C、F、G港底泥中含量很高，底泥无机氮以NH3睳为主；春季滴水湖底泥中NO-3睳含量略高于NH3睳，可能是由于春季温度升高底泥向上覆水释放量增加，而且底泥微生物活性随春季到来增强，硝化作用增强；夏季底泥无机氮在A、C港较高，各无机氮的空间差异性也较大；秋季在C港无机氮含量较高。滴水湖底泥无机氮在4个季节均显示出空间差异性较大于上覆水体中的无机氮空间差异性，这是由于底泥中的物质相对于水体中的物质不易扩散

注：a.2012年冬季底泥样；b.2013年春季底泥样；c.2013年夏季底泥样；d.2013年秋季底泥样。图5中含量未显示值的样点是由于采样过程中风力以及底泥厚度的影响未采集到底泥样品。

图5 滴水湖底泥中各形态氮的空间变化特征

3 结论

（1）滴水湖表层水体TN浓度在0.94～3.59 mg/L，属劣Ⅴ类水体；沉积物TN含量在427.71～26 334.37 mg/kg。表层水体中TN浓度在夏季最高；底泥中TN浓度在整个采样期间呈现上升趋势，在秋季达到最大值。

（2）表层水中NH3睳在夏季浓度最高，NO-3睳在春秋季节相对比较高，NO-2睳在冬季浓度最高；底泥中NH3睳在冬季达到最高，在春季浓度最低；底泥NO-3睳在秋季时达到最高，NO-2睳在春季浓度最高，其余3个季节差别不大。

（3）

滴水湖表层水中无机氮在冬季NH3睳和NO-2睳的空间差异性较大于NO-3睳和TN；在春季NO-3睳空间差异性最大，其他形态氮在表层水中分布比较均匀；在夏秋季各形态氮分布相对均匀。滴水湖底泥中各形态无机氮在4个季节空间差异性均较大于上覆水体中的无机氮的空间差┮煨浴＊

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