里下河地区代表性浅水湖泊表层沉积物可转化态氮的赋存特征

里下河地区代表性浅水湖泊表层沉积物可转化态氮的赋存特征

燕文明1,2,刘凌1,2,周利3,梁朝荣2,黄列2,张志浩2

(1. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京210098;

2. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京210098; 3. 盐城市水利勘测设计研究院，江苏 盐城224002)

摘要：以受人类活动影响剧烈的小型富营养化湖泊为研究对象,研究湖泊表层沉积物可转化态氮的赋存特征,探索环境因子与各形态可转化态氮之间的关系。结果表明:①4个湖泊表层沉积物中各形态可转化态氮质量比次序为强氧化剂可提取态氮(SOEF-N)>离子交换态氮(IEF-N)>弱酸提取态氮(WAEF-N)>强碱可浸取态氮(SAEF-N)；②w(IEF-N)与黏粒、壤粒、砂粒、w(Ca)呈显著的相关性;w(WAEF-N)与含水率、w(有机质)、w(TP)、w(Ca)、w(Zn)呈显著相关性;w(SOEF-N)与黏粒、w(有机质)、w(TOC))、w(Mn)呈显著的相关性;w(SAEF-N)仅与w(TP)和w(Ca)存在一定的相关性。③受人类活动影响较大的湖泊w(IEF-N)和所占TN百分比最高;表层沉积物中的w(WAEF-N)与w(有机质)多寡一致。

关键词：里下河地区;浅水湖泊;表层沉积物;可转化态氮;赋存特征

基金项目:国家自然科学基金(41301531,51279060)

作者简介:燕文明(1982—),女,实验师,博士,主要从事水环境保护和生态修复研究。E-mail:ywm0815@163.com

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：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编辑：刘晓艳)

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

氮是湖泊生态系统中初级生产力的限制性生源要素之一。氮肥的广泛和过量施用、生活污水和动物粪便的大量排放以及长期的围网养殖,导致湖泊沉积物表面富含氮污染物,引起湖泊生态系统水体功能减退[1-3]。沉积物中的氮可以分为可转化态氮和非可转化态氮2种形态,其中,可转化态氮较为活跃,易在沉积物-水界面间发生迁移转化。马红波等[4]和王圣瑞等[5]将改进的Ruttenberg法应用于可转化态氮的连续分级浸取中。不同湖泊各形态可转化态氮的质量比、分布以及对富营养化的贡献不同[2,6-7]。马红波等[4]的研究指出，各形态可转化态氮对界面循环的贡献大小为强氧化剂可提取态氮(SOEF-N)>离子交换态氮(IEF-N)>强碱可浸取态氮(SAEF-N)>弱酸提取态氮(WAEF-N)。李辉[8]指出,滇池沉积物中4种可转化态氮的质量比大小顺序依次为SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N;WAEF-N是TN中对富营养化贡献最大的形态。东昌湖表层沉积物不同形态可转化态氮的释放顺序为:IEF-N>WAEF-N>SAEF-N>SOEF-N[9]。沉积物中各形态可转化态氮的质量比和分布受到了底质物理性状、粒径大小、氧化还原条件等环境因素的影响,需要进一步的详细研究。

图1　研究区典型湖泊位置与采样点布设示意图

1研究区概况与试验方法

1.1研究区概况

研究区域地处里下河腹部区,位于淮河中下游,区内沟、河、湖荡面积众多。由于围湖造田、围湖养殖,湖荡面积大举缩小,50年间里下河地区的湖荡面积缩小了近20倍。本文选择该地区的蜈蚣湖、得胜湖、九龙口和大纵湖4个不同污染物来源的典型湖泊为研究对象(图1)。得胜湖和蜈蚣湖为河道型湖泊,湖泊环境主要受周边生活污染、畜禽养殖污染的影响;大纵湖为草型湖泊,存在围网养殖现象;九龙口为景观性湖泊,采样前该湖泊刚经过疏浚。

1.2采样点布设

在4个湖泊中共布设8个采样点(图1),原位采集沉积物柱状样。由于蜈蚣湖和得胜湖为河道型湖泊,水面面积较小,分别在2个湖泊的湖心区布设1个采样点WG和DS。WG水深约2m,有较多近似腐烂的沉水植物的茎叶;DS水深约3.5m,湖面被围隔养殖,周边有味精厂、化肥厂、采沙场等,潜在污染源较多。在九龙口布设3个采样点,JLK1位于南部入湖口,水深1.5m,上游区域主要为渔业养殖和家畜类养殖;JLK3位于北部入湖口,水深2.5m;JLK4位于湖心,水深约3m,底泥较硬。在大纵湖布设了3个采样点,DZ位于北部的蟒蛇河出口,水深约2.1m,围网养殖严重;DZ3位于南部中庄河入口,水深约1.2m,挖螺作业严重;DZ5位于湖心区,水深约1m,水体清澈,浮萍、菱角类植物密布,表层底泥中黑色物质层较厚。

1.3样品采集与试验方法

2结果与讨论

2.1沉积物中可转化态氮的分布特征

沉积物中可转化态氮的质量比可以反映沉积物中能参与沉积物-水界面氮循环的最大量值。8个采样点处表层沉积物的各形态可转化态氮质量比及其所占比例如图2所示。各形态可转化态氮中IEF-N和SOEF-N是总可转化态氮的主要组成部分,其在沉积物中的质量比分别在49.4~152.8mg/kg(平均值为95.2mg/kg)和289.6~840.9mg/kg(平均值为545.0mg/kg)之间变化,分别占总量的6.62%～29.44%(平均值为13.8%)和55.83%～83.75%(平均值为73.4%)。而沉积物中WAEF-N和SAEF-N的质量比分别在51.3~68.2mg/kg(平均值为58.2mg/kg)和22.2~49.1mg/kg(平均值为32.7mg/kg)之间变化,分别占总量的5.63%～9.89%(平均值为8.2%)和2.41%～6.91%(平均值为4.6%)。沉积物中各形态可转化态氮的质量比分布次序为SOEF-N> IEF-N> WAEF-N> SAEF-N。

图2　表层沉积物中各形态可转化态氮的分布特征

由图2可知,DS采样点的IEF-N质量比最高,达到152.8mg/kg,该采样点位于得胜湖的主航道上,虽然采样点附近围网较少,但其养殖污染、农业面源污染、工业污染较为严重,人为扰动强烈,进而加快了IEF-N在沉积物-水界面间的交换,而使其质量比较高。WG采样点沉积物中的w(IEF-N)仅次于采样点DS,达到150.1mg/kg,采样时发现该采样点沉积物表层有较多的沉水植物茎叶,有机质质量比较高,而有机质质量比高的沉积物中存在较多的可吸附点位[12],因此有较多的IEF-N被吸附。DZ3采样点的w(IEF-N)也较高,为93.2mg/kg,这是因为该采样点具有较大的水生生物量,生物的腐烂增加了TN,挖螺作业的扰动增加了IEF-N。IEF-N百分比最高值出现在TN质量比最小的DS采样点,DS采样点周边含氮的工厂废水、养殖废水和生活污水的注入,使得氮污染物吸附在沉积物的表层,加上采样点位于得胜湖的主航道,人为扰动强烈,加快了IEF-N在沉积物-水界面的迁移转化,增加了表层沉积物中的IEF-N质量比。而WAEF-N、SAEF-N和SOEF-N这3种形态的可转化态氮较为稳定,其中,SOEF-N主要为有机结合形式的氮,是可转化态氮的主要赋存形式,是表层沉积物可转化态氮中质量比最高的部分。由图2(c)可见,各采样点的SOEF-N质量比均较高,占总可转化态氮的50%以上。

2.2沉积物中可转化态氮与环境因子相关性分析

不同的沉积环境,各形态可转化态氮的质量比和分布不同,各形态可转化态氮之间的相关关系见表1。

表1　沉积物中可转化态氮之间的相关关系( n=8)

注:*为P< 0.05,**为P< 0.01。

不同形态可转化态氮之间存在一定的相关性,影响着不同形态氮的分布。由表1可知,各形态的可转化态氮与TN之间存在着相关性,尤其是WAEF-N、SAEF-N均与TN间呈显著的正相关,表明它们可能具有相似的来源。SOEF-N与TN之间存在着正相关关系,表明沉积物中的氮主要是以有机形态存在。王梅等[7]对城市内河表层沉积物氮形态的研究表明,IEF-N与 TN 呈极显著相关。本文研究发现,IEF-N与TN之间的相关性较差,这是因为IEF-N除了受沉积物中有机质和pH的影响外,还受到了上覆水环境因素的影响,8个采样点表层沉积物中的有机质质量比差别较大,使得不同沉积物中的沉积物氮的吸附点位不同,引起了吸附能力和吸附容量差异,进而导致了对IEF-N吸附的差异。这也说明了沉积物中 TN质量比高的区域对上覆水体存在的污染潜力不一定大。IEF-N与WAEF-N、SAEF-N呈负相关。IEF-N与SOEF-N不存在相关性,这是因为污染较严重的湖泊其沉积物的营养水平也会较高,而IEF-N在沉积物-水界面交换过程中起着重要的作用;同时,WAEF-N、SAEF-N 和SOEF-N这3种形态可转化态氮之间存在相互转化。王梅等[7]指出较强的矿化作用和微生物作用使得 WAEF-N 转化为 SOEF-N 的趋势变得明显。

表2　沉积物中可转化态氮与环境条件相关性

注:*为P< 0.05,**为P< 0.01。

为了研究沉积物中各形态可转化态氮与环境条件之间的相互关系,应用SPSS 17分析了8个采样点表层沉积物中各形态可转化态氮与粒径分布、有机质、可交换态氮、金属质量比之间的相关性,见表2。

从表2可以看出,WAEF-N是可转化态氮中质量比较低的形态,其结合能力较弱,相当于碳酸盐的结合能力,稍高于IEF-N。w( WAEF-N)与表层沉积物中含水率、w(有机质)、w(TP)、w(Ca)、w(Zn)呈显著相关关系。另外,由于有机质的矿化过程会生成酸性物质,导致可交换态氮与碳酸盐结合形成WAEF-N[14],增加了表层沉积物中的WAEF-N。

SAEF-N主要为铁锰氧化物吸附的氮,结合能力的大小与铁锰氧化物的结合能力相近,比 WAEF-N的结合能力略高。从表2可以看出w(SAEF-N)与w(Fe)、w(Mn)之间并不存在明显的相关关系,这可能是因为随着有机质质量比的增加,竞争绑定位点相应增加,进而导致沉积物w(SAEF-N)降低。SAEF-N与环境因子的相关性较差,在19个环境因子中,仅与w(TP)和w(Ca)存在一定的相关性,说明SAEF-N的形成与自然条件、人类活动、污染源的远近和多寡等多种因素有关。因此,所采集的沉积物中SAEF-N的质量比不稳定,质量比变化并无规律,有待进一步研究。

3结论

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