古夫河上覆水和表层沉积物中总氮和总磷空间分布特征及其相关性

曾 露，葛继稳，王自业，冉桂花，吴述园，唐 佳

（中国地质大学湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室生态环境研究所，湖北 武汉430074）

古夫河发源于湖北省神农架林区新华乡处，在响滩汇入香溪河，是位于香溪河上游的三大支流之一。古夫河流域水资源丰富，干流全长64.5km，流经兴山境内41km。自三峡水库建成以来，三峡库区的水环境由典型的河流水体转变为类似湖泊水体，水流减缓，对污染物质的扩散和自净能力大大降低，水环境发生了根本性变化［1］。尤其三峡水库蓄水后，香溪河水体富营养化速度不断加快，已多次暴发水华［2］。目前，香溪河上游的古夫河流域水环境整体上较好，但是居民生活、农业生产、小水电站建设、磷矿生产等产生的污水外源输入造成水环境营养元素氮、磷含量偏高［3］。有关研究表明，表层沉积物在水体污染中扮演着“双重”角色：既作为污染汇不断接纳水体中沉积下来的颗粒物质，又作为污染源向水体中释放营养物质［4—5］。河流表层沉积物作为河流上覆水的重要物质源和营养物质氮、磷的重要蓄积库对河流上覆水物质循环迁移起着很重要的作用［6—7］。沉积物在适当条件下释放营养物质进入水环境中，成为富营养化的主导因子［8］。

目前，对三峡库区香溪河干流沉积物中总氮和总磷的形态、时空分布特征［9—10］和吸附特征［11］有较多的研究，但对源头河流的研究相对较少。古夫河作为香溪河一级支流，其水质变化将对该河流乃至香溪河水域生态系统产生一系列的影响［12］。为此，本文对古夫河从源头追踪到库湾分析其上覆水和表层沉积物中总氮和总磷含量的空间分布特征及其相关性，了解古夫河河流上覆水和表层沉积物中氮、磷营养盐的状况，以为古夫河水资源管理和保护提供科学、可靠的依据，并为分析香溪河水域近年生态变化、进一步开展源头预防和控制水体富营养化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点设置

在古夫河干流上采用GPS定位，按海拔50m间隔共设置20个采样点，从2010年8月至2011年6月（1月份由于冰冻封山未采样）对此20个采样点进行了频度为每月一次的监测调查。本文根据数据的完整性、可靠性与可比性的需要选择了具有代表性的采样点进行分析，即选取了17个采样点，详见图1。

图1 古夫河流域采样点布设图Fig.1 Sample sites distribution of Gufu River

1.2 样品采集与分析

（1）上覆水水样的采集与处理：对于浅水河段水样的采集，在深度允许的情况下，在水下30cm左右处取表层水样；对于深水河段水样的采集，使用采水器采集水下3～5m处水样。选择河流中间或者混合均匀且人为破坏小处采集水样，并将采集的水样存放在500mL容量的聚乙烯瓶中，现场加浓硫酸使水样pH值小于2，带回实验室进行分析。水体中总氮含量采用碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法（GB 11894—89）测定；水体中总磷含量采用过硫酸钾消解－钼酸铵分光光度法（GB 11893—89）测定。

（2）表层沉积物的采集与处理：用改良彼得生采泥器采集表层底泥样品，装入保鲜袋带回实验室分析。样品经自然风干后去除动植物残体及砂石等杂质，碾碎过100目筛，装入聚乙烯封口袋备用。采用万分之一精度的电子称称取沉积物。表层沉积物中总氮采用碱性过硫酸钾消解后取上清液，采用紫外分光光度法［13］测定其含量；表层沉积物中总磷的提取参照《湖泊富营养化调查规范》［14］中方法，采用钼锑抗分光光度法测定其含量。

1.3 数据处理

采用Excel对上覆水和表层沉积物中的总氮和总磷含量空间分布进行统计分析；使用SPSS19.0统计软件对上覆水中氮、磷含量与表层沉积物中氮、磷含量进行相关性分析。

2 结果与讨论

古夫河是一条典型的山区河流，流域大部分区域处于崇山峻岭中，古夫河下游临近古夫镇流域兴建有水库、水电站等水利设施，不仅明显改变了河流的水文状况，也破坏了河流的连续性和生态系统的完整性。根据古夫河在不同空间的水质特点，将该河流划分为古夫—神农架河段（GF01～GF13样点）和古夫—库湾河段（GF14～GF18样点）两部分，以此来对比分析人为活动影响下古夫河上覆水和表层沉积物中氮、磷营养元素含量的空间变化特征。

2.1 古夫河上覆水中总氮和总磷含量的空间分布

图2为古夫河上覆水中总氮和总磷含量的空间分布图。

由图2（a）可以看出：古夫河上覆水中总氮的含量变化范围为0.721～1.435mg/L，平均值为1.137 mg/L；上覆水中总氮含量年均值从源头向下游总体呈现先递减后增加的趋势，不同样点空间分布差异较显著，其中源头GF01样点总氮含量最高（1.435 mg/L），最小值出现在 GF12样点（0.721mg/L）。分析原因认为，古夫河流经森林、耕地、水库和城镇，根据相关研究表明［15—16］，森林河流中含氮量要低于农田、村镇，而本研究与之相反，说明水体中的氮与所处区域的自然环境条件有着很大的关系。GF01样点处于河流源头处的陡峭山体，雨水形成的地表径流冲刷强度大，降雨淋溶形成的径流携带富含营养的土壤和岩石碎屑进入河流，使水体中总氮含量增高；此外，森林地区富含养分的土壤随降雨形成的地表径流进入河流也将使水体中的总氮含量增加。富含氮的水流沿河向下，随着支流的汇入，汇水面积增加水量增多，水体中的氮通过稀释、水生生物利用等自净作用，使下游水体中的总氮含量降低，如GF12（支流汇入）、GF13（水势较缓）点位明显低于其他各样点，这种突变性可能受河道所处地势较缓和支流的汇入影响。在古夫—库湾河段，水库蓄水淹没的耕地中残留化肥的释放，以及库区内土质疏松，降雨时水力冲蚀作用强烈，极易发生水土流失，致使河水中总氮含量增高，而GF15样点出现的低值是否与古洞口引水式水电站蓄水放水有关，尚待进一步研究。GF18样点位于古洞口二级水库减水河段区，紧靠古夫镇（兴山县城）下游，人类生产生活活动频繁，产生较多的农业污水和生产废水，水体中总氮含量较高可能受人为污染的影响较大。

图2 古夫河上覆水中总氮和总磷含量的空间分布图Fig.2 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus in overlying water in Gufu River

由图2（b）可以看出：古夫河上覆水中总磷的含量变化范围为0.013～0.076mg/L，平均值为0.030 mg/L；上覆水中总磷含量空间分布在古夫—神农架河段差异较大：在GF01～GF09河段内的总磷含量变化并不显著，且处于较低含量（年均值约为0.016 mg/L），但在GF10～GF11样点处异常突起，然后呈递减趋势，最小值出现在GF13样点（0.014mg/L）。水体中总磷含量在GF10、GF11样点偏高的原因可能是源于点源污染，GF10样点附近是上游磷矿运输检测站点，GF11样点左岸有磷矿堆放点，雨水的冲刷作用导致河水总磷含量偏高，但经河流自净和稀释作用后，到GF13样点处，恢复到上游较低水平。在古夫—库湾河段，由于水库的拦截作用使水体交换受阻，对磷的扩散和自净能力大大降低；此外，临近城镇居民增多，生活生产和农业活动逐渐频繁，总磷含量均值升高，与古夫—库湾河段总氮的变化趋势类似。大量的研究表明，当水体中磷的供应量充足时，藻类可以得到充分的繁殖；反之，如果磷的供应量受到限制，藻类的生产量随之受到限制［17］。目前，国际上一般认为，磷浓度为0.02mg/L是湖泊水库富营养化的临界浓度［18］。由图2可以看出，古夫河下游上覆水GF10～GF12、GF14、GF18样点总磷含量超过了富营养化的临界值。可见，古夫河下游上覆水中的磷具有一定的生态风险效应，在不利影响显现出来之前，相关部门应给予足够的重视。

2.2 古夫河表层沉积物中总氮和总磷含量的空间分布

图3为古夫河表层沉积物中总氮和总磷含量的空间分布图。

由图3（a）可以看出：古夫河表层沉积物中总氮含量变化范围为0.255～1.703mg/g，平均值为0.927mg/g；表层沉积物中总氮含量空间分布差异显著，在古夫—神农架河段，从源头GF01～GF05样点总氮含量年均值呈现先增加后减少的趋势，下游无明显的变化规律，在GF10和GF13样点出现两次低谷（分别为0.255mg/g和0.259mg/g），后再呈递增趋势。在古夫—库湾河段，水库区域内水体相对稳定、沉积率较高，沉积物中物质受上层水中悬浮颗粒物含量以及沉积过程影响［19］，总氮含量偏高。GF15样点受上游引水式水电站取水影响，水文特征变化较大，水动力的扰动削弱了氮的沉积作用。GF18样点位于古洞口二级水库减水河段区，紧靠古夫镇下游，所处区域土地利用程度较高，水土流失携带较多氮营养盐进入河流，使沉积物中总氮含量在GF18样点达到峰值（1.703mg/g）。

图3 古夫河表层沉积物中总氮和总磷含量的空间分布图Fig.3 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus in sediments in Gufu River

由图3（b）可以看出：古夫河表层沉积物中总磷含量变化范围为0.132～0.366mg/g，平均值为0.245mg/g；整条河流表层沉积物中总磷含量总体变幅不大，无明显的变化规律；表层沉积物中总磷含量最高值位于GF05样点（0.366mg/g），可能是局部河岸带侵蚀强烈所致；表层沉积物中总磷含量最低值出现在GF15A样点，是由于古夫—神农架河段居民分散，生产和生活产生的废水有限，人为活动对古夫河表层沉积物中磷的贡献较小。本文推测表层沉积物中的磷主要是内源性磷，这与古夫河流域地貌类型为岩溶地貌、地层岩性以碳酸盐分布广泛、磷矿资源丰富等有关：早期成岩作用过程中形成的天然磷块岩风化产生的固体碎片经物理、化学和生物过程综合作用后形成沉积物沉积在河道中。但沉积物中磷的积累和分布随着沉积环境的变化而发生变化［19］，影响沉积物中磷含量的因素还有：有机质的含量与类型，沉积物及底层水的氧化还原环境，沉积物类型，Ca、Al、Fe在沉积物及底层水中的含量，沉积物有机质的矿化度［20］。在古夫—库湾河段，当受到的人为干扰增多、环境条件的变化时，如温度、pH值、水动力条件等物理化学条件的改变，可能使沉积物中不同形态的磷容易释放进入水体［21］。

2.3 上覆水中氮磷含量与表层沉积物中氮磷含量的相关性分析

沉积物在氮、磷等营养元素的生物地球化学循环中扮演着重要角色：不仅接纳上覆水体中的氮、磷，而且在一定条件下，沉积物中大量的氮、磷等营养物质在浓度梯度的作用下释放到上覆水体中［22］。古夫河干流各个采样点上覆水中总氮和总磷含量（W上覆水TN、W上覆水TP）与其对应的表层沉积物中总氮和总磷含量（ρ表层TN、ρ表层TP）列于表1。

表1 古夫河上覆水和表层沉积物中总氮和总磷含量Table 1 Concentrations of total nitrogen and total phosphorus in overlying water and surface sediments in Gufu River

在上游古夫—神农架河段，上覆水中的总氮含量分布与表层沉积物中截然不同，各采样点上覆水中总氮含量的高低并不与对应的表层沉积物中总氮含量高低相对应；而在下游古夫—库湾河段，上覆水中与表层沉积物中的总氮动态变化趋势则大体一致。通过对古夫河17个采样点的上覆水中总氮含量与表层沉积物中总氮含量进行相关系数显著性检验，结果表明：古夫河上游古夫—神农架河段上覆水中总氮含量与表层沉积物中总氮含量无相关性，而在下游古夫—库湾河段上覆水中总氮含量与表层沉积物中总氮含量成显著正相关（y＝2.466x－1.296，p＝0.014＜0.05）。分析原因认为：古夫河属于高山源头河流，天然河流的流动性影响上覆水中悬浮颗粒物质的沉积，使得上覆水中的营养物质含量不会在短期内影响到表层沉积物［3］；下游水库蓄水期土地被淹没，农业生产中使用的农药化肥的残留物质随土壤汇入河道，水库改变了河流自然流态，水库化后的河流水流缓慢，水动力条件差，水体稳定，沉积率较高，使表层沉积物富集了大量营养物质。表层沉积物和上覆水间的总氮存在着一个明显的浓度梯度，两者间氮的平衡和转化主要是通过发生在沉积物－水体界面的硝化和反硝化作用进行调节的［23］，氮营养盐含量低的上覆水体有利于沉积物中氮特别是氨氮的释放［24］。

氮在沉积物－水体界面的迁移和交换是一个复杂的生物化学过程，沉积物和水体中各种形态氮的含量会受到多方面条件的影响［25］，如温度和氧化还原条件引起的各种形态氮素之间的相互转化，水动力变化引起的沉积和再悬浮过程导致的氮素累积和释放［26］。因此，古夫河下游河段小水库以及居民人口排入的污水，带来的水体pH值、溶解氧、温度等因素的改变，从而引起下游河段沉积物中氮的释放规律对上覆水的影响值得关注。

沉积物磷作为水体磷的储存库和重要磷源，在水体环境中起着重要作用。对古夫河流域上覆水中总磷含量与表层沉积物总磷含量进行相关系数显著性检验，结果表明：古夫河上覆水中总磷含量与表层沉积物总磷含量无相关性，说明磷在沉积物－水体界面的迁移较小，古夫河上覆水中的总磷可能是由小水电站建设、磷矿资源、生产生活中磷的流失和农田磷径流带来的；表层沉积物中总磷含量较高与其所处的地理位置的自然环境有关，外源磷的输入并不是古夫河表层沉积物中磷的主要来源。此外，本课题其他研究表明，沉积物磷形态中钙磷（Ca－P）和闭蓄态磷（O－P）在沉积物总磷中占有很大比例，沉积物中生物有效性磷的含量低，说明仅有很少一部分沉积物磷可能被生物体利用，进而说明磷的释放风险较小（待发表）。鉴于古夫河上覆水水质和表层沉积物中生物有效性磷的现状可知，影响古夫河水体富营养化的主要因素为水体中外源磷的输入，而前面的研究表明，人为影响产生的外源磷对古夫河表层沉积物中磷的贡献较小，因此可以认为就目前来说古夫河表层沉积物对其上覆水体的富营养化没有构成威胁。

但是值得注意的是，当外源磷输入量过多会导致水体的富营养化，而人为干扰过多可能会导致古夫河水体的水质发生变化，从原来的碱性变成酸性，使占据大部分沉积物磷的钙磷很有可能释放到水体中，将对上覆水体的富营养化构成很大的威胁。由于水域生态系统具有复杂性，因此对于古夫河水质的保护亟需管理部门采取相应的保护措施，一方面要加强管理，减少人为活动产生的磷污染物进入水体，控制外源磷的输入；另一方面要考虑环境酸化引起的磷释放风险，预防水体的酸化，控制沉积物中钙磷的释放。

3 结 论

（1）古夫河上覆水中总氮含量变化范围为0.721～1.435mg/L，平均值为1.137mg/L，不同样点空间分布差异较显著；表层沉积物中总氮含量变化范围为0.255～1.703mg/g，平均值为0.927 mg/g。总体上，在古夫河上游古夫—神农架河段，上覆水中总氮含量与表层沉积物总氮含量无相关性，而在下游古夫—库湾段，上覆水中总氮含量与表层沉积物总氮含量成显著正相关（y＝2.466x－1.296，p＝0.014＜0.05）。

（2）古夫河上覆水中总磷的含量变化范围为0.013～0.076mg/L，平均值为0.030mg/L；表层沉积物中总磷的含量变化范围为0.132～0.366 mg/g，平均值为0.245mg/g。古夫河上覆水中总磷含量与表层沉积物中总磷含量无相关性，说明磷在沉积物－水体界面的迁移较小，磷的释放风险较小，但仍需加强环境管理，警惕缺氧条件下酸性物质积累造成沉积物中钙磷的溶解释放。

（3）通过本文研究得出，古夫河上、下游氮、磷含量存在显著的变化差异，因此在日后的水资源开发利用中，管理者和开发者应重视外源输入氮、磷的生态风险效应，加强对古夫河流域的农田管理，降低水土流失，同时在库湾河段加强城镇生产生活污水的有效处理，防止污水直接排入古夫河中，此外还要防止因磷矿开采可能引起的水质污染和水土流失，以便对河流环境开展科学有效的管理。

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