武汉市菱角湖沉积物中营养元素的分布特征

吴来燕，薛怀军，何文豪，杜小康，黄乐琦，杨安平

(1 中南民族大学 化学与材料科学学院 武汉 430074； 2 湖北省环境监测中心站 中心分析室 武汉 430072)

武汉市菱角湖沉积物中营养元素的分布特征

吴来燕1，薛怀军1，何文豪1，杜小康1，黄乐琦1，杨安平2，*

(1 中南民族大学 化学与材料科学学院 武汉 430074； 2 湖北省环境监测中心站 中心分析室 武汉 430072)

研究了武汉菱角湖沉积物中N、P元素的水平和垂向分布特征，采集并分析了3个深达0.5～1.0 m的沉积柱.结果表明：全湖沉积物中平均P含量为(0.76±0.23)～(1.32±0.35) g/kg.湖心点沉积物总氮含量最高，高达(10.96±0.83) g/kg，沿岸两个点总磷含量分别为(8.34±0.12) g/kg和(9.26±1.21) g/kg. 在垂向呈阶段性变化，N、P呈现阶段性变化，垂向分布上40 cm以内的中表层沉积物的营养元素含量高于稳定层，但表层含量(0～20 cm)反而低于中层(20～40 cm).说明对营养元素的外源控制达到了一定效果，沉积物中氮磷元素均有所降低，但沉积物中的高含量的N、P元素仍是湖泊的主要来源.

菱角湖； 沉积物；氮磷；垂直分布

工农业生产和人类活动排放的大量营养元素，导致严重的湖泊富营养化.已有的研究指出，N、P元素元素是限制湖泊浮游植物生长主要因素[1].而沉积物是湖泊营养物质的主要内源负荷[2,3].其存储的N、P易因分解或解析作用等过程释放，从而加重水体营养化程度[4,5].通过研究沉积物中营养元素的分布对湖泊的富营养化评价和治理具有重要意义.

菱角湖生态公园占地9.15万m2，以天然水、周边湖泊等水系补充水源.20世纪90年代以来，居民生产和城市建设对菱角湖自然来水产生重大影响，菱角湖水体的自净能力基本被破坏，水质连年逐年恶化直至劣5类.随着市政府倡导的“一湖一景”工程实施，治理后2008年水质有所提升.本文调查了外源截污后沉积物中N、P的现状，以期为进一步的降低内源负荷提供理论数据.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

盐酸、氢氧化钠、钼酸盐、抗坏血酸(分析纯, 国药集团)，精密pH计(PHS-3C型, 上海雷磁仪器厂)，元素分析仪(Vario EL III, 德国 ELEMENTAR公司)，分析天平(FA-2004型, 上海精科天平).

1.2 样品采集

为研究沉积物N、P元素的水平及垂直分布特征，从南至北采集3个50～100 cm的沉积柱，按每隔5 cm (0～50 cm)和10 cm 分层(50～100 cm).样品现场分层，实验室冷冻干燥研磨、过筛备用.图1为样点布置图.

图1 菱角湖取样点分布图Fig.1 Distribution of Sampling sites in Lingjiao Lake

1.3 实验方法

采用元素分析仪测定总氮，采用SMT法提取后通过钼酸盐分光光度法测定总磷.

2 结果与讨论

2.1 沉积物中氮磷元素的水平分布

菱角湖3个取样点的N、P元素含量见表1，菱角湖沉积物中总磷含量为(0.76±0.23)～(1.32±0.35)g /kg .依次是北边沿岸(1#)点，湖心点(2#)及南边沿岸(3#)，菱角湖周边以居民生活区和大型商业广场为主，东接医疗机构.因此，磷元素的主要来源可能是生活用水.沉积物中氮的分布前者不同，湖心点高达(10.96±0.83) g/kg，最低值为(8.34±1.24) g/kg，相较于国内其他湖泊[6-8]，菱角湖沉积物中氮元素较高.

表1 菱角湖沉积柱中的总P和总N含量

Tab.1 The content of total phosphorus and nitrogen in the sediments of Lingjiao Lake

采集位点w(P)/(g·kg-1)w(N)/(g·kg-1)1#1.32±0.358.34±0.122#1.04±0.4210.96±0.833#0.76±0.239.26±1.21

2.2 沉积物中氮磷元素的垂直分布

图2为沉积物中磷含量的垂直分布情况.沉积柱的总磷含量分布在0.43～1.85 g/ kg之间，且呈阶梯型， P含量较高的是0～40 cm层，即活动层，该沉积层是水体营养元素的主要内源贡献者.表层(0～20 cm),尤其是10 cm以内的浅表层沉积物的P含量显著低于中层(20～40cm)沉积物，N元素的分布较P为平缓，浅表层略低，约在10～15 cm沉积物中达到最高值，但所有样品均高于6.32 g /kg. 以一般湖泊的沉积速率<1 cm/a计算，这种分布趋势可能与外源截污治理有一定关系，表层N、P元素的沉降有所缓解导致含量其低于中深层沉积物.

总体而言，菱角湖沉积物营养元素(N、P)含量偏高，表层(0～20 cm)总P含量高于1.04 g/kg，总N含量超过在9.79 g/kg.在垂直分布有一定特征，N含量在约10～15cm的沉积物中最高，在中底层(20 cm以下)的沉积物中，N水平随深度增加而降低.P可能由于外源减少，表层含量反而低于中层，40 cm以内的表层沉积物的营养元素含量略高于40 cm以下的稳定层，P的降低率明显高于N元素，这受湖泊中N、P元素循环影响[9]，水中氮可通过固定大气中氮分子得到补充[10]，部分N可能会进入沉积物，导致表层N含量仍较高.由于P会经地球化学循环而沉积[10]，外源截污后，表层沉积物中磷水平明显降低.而在水平方向上，由于受湖泊沉积物形成的周边环境和动力学影响，湖心点的N含量高于沿岸两个点.菱角湖周边以居民生活区和商业区为主，且受其他水系影响较小，水文动力学变化较弱.由于人为影响导致毗邻生活居民区的1#点位磷含量较高.

湖泊沉积物是水体中污染物的“汇”和“源”，作为水体营养化的重要指标，沉积物中N、P元素的释放是影响水体状态的重要因素.已有的研究发现[11]，沉积物中的结合态的N、P可通过各种物化及生物作用释放，也可与有机质、铁等多种矿物质结合而沉降. 沉积物中营养元素的释放，促进水体中藻类的繁殖，并进一步加剧水体富营养化的程度[12].因此，后期我们将进一步探讨沉积物中营养元素来源及其主要影响因素，为了解沉积物中氮磷释放和沉降规律提供背景.

图2 菱角湖氮磷元素的垂直分布Fig.2 The vertical variations of total phosphorus and nitrogen in the sediments

3 结论

(1) 外源控制后菱角湖营养元素的水平分布属于重度富营养化状态，其N、P元素的含量与菱角湖周边环境有关.

(2) 沉积物中营养元素的垂向分布发现中表层沉积物中(0～40 cm)的N、P含量高于稳定层，而中层(20～40 cm)高于浅表层(0～10 cm)的含量，说明湖泊截污治理对N、P的沉积有一定减缓效果.

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The Dstribution of Nitrogen and Posphorus in the Sediment of Lingjiaohu Lake in Wuhan

WuLaiyan1,XueHuaijun1,HeWenhao1,DuXiaokang1,HuangLeqi1,YangAnping2

(1 College of Chemistry and Material Science, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China;2 Department of Testing and Analysis, Hubei Provincial Environmental Monitoring Center Station, Wuhan 430072, China)

To investigate the spatial distribution of nitrogen(N) and phosphorus(P) in the sediments of Lingjiaohu Lake, three sedimentary columns up to 0.5～1.0m were acquired and analyzed. The results indicated that the average P contents was (0.76±0.23)～(1.32±0.35) g/kg. The total N content in the sediments of the middle of the lake was the highest, up to (10.96±0.83) g/kg ; while in two of the offshore sampling points, it was(8.34±0.12)g/kg and(9.26±1.21)g/kg respectively. The distribution of nutritive elements also varies vertically, the N, P content in the 0～ 40 cm surface layer was higher than that in the deeper section. However, the N,P content in the 0～20 cm surface region was lower than that in 20～40 cm the middle layer, suggesting that the measures for the control of nutritive elements in recent years have achieved some effect. The N, P content in the sediments have reduced, but are still in a high level and remain the major endogenous load of the lake.

Lingjiao lake , sediment, nitrogen and phosphorus, vertical distribution

2014-06-25 *通讯作者：杨安平(1981-)，男，工程师，研究方向：持久性有机污染物的分析和检测， E-mail: anpingyang07@gmail.com

吴来燕(1983-)，女，讲师，博士，研究方向：水体富营养化，E-mail：wulaiyan@163.com

国家自然科学青年基金资助项目(21307164); 中南民族大学大学生创新创业训练资助项目(KYCX140211, KYCX120208Z); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CZQ11023)

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1672-4321(2015)03-0022-03