鸣翠湖间隙水与上覆水中氮、磷的分布特征研究*

梁 东 钟艳霞 杨丽芳 李小宇 田 欣

(宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川 750021)

湖泊富营养化是一个极为复杂的生态过程，导致湖泊富营养化的因素很多，从根本上讲是由于水体中氮、磷等营养元素的过度增加。沉积物-水界面的地球化学行为对湖泊生态系统有着极为重要的影响[1]。即便外源污染物得到有效控制，当湖泊生态系统的某些条件发生变化时，湖泊沉积物就会变为内源，以间隙水为介质，通过扩散、对流以及再悬浮等过程向上覆水释放营养元素[2-3]，造成湖泊二次污染[4]，降低湖泊水质[5]。目前，国内外对湖泊间隙水和上覆水中氮、磷等营养元素的研究主要集中在东部地区，如太湖[6-7]、鄱阳湖[8-9]、洞庭湖[10-11]、南四湖[12-13]等湖泊，西部地区的湖泊在此方面的研究相对缺乏；但随着西部地区经济社会的不断发展，再加上全球气候变化的叠加影响，脆弱生态环境背景下的湖泊生态系统面临严重威胁[14]，湖泊富营养化现象日益严重，直接影响该地区水资源的可持续利用和水生态系统健康[15]。本研究以银川平原典型湖泊湿地——鸣翠湖为研究对象，分析其间隙水和上覆水中氮、磷等营养元素的浓度和空间分布，探讨其内源污染特征。本研究为鸣翠湖水资源管理和保护提供科学、可靠的依据，并为河套地区乃至西部地区湖泊富营养化的治理提供借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鸣翠湖位于宁夏回族自治区银川市兴庆区掌政镇，距黄河3 km，东边是惠农渠，西边是红旗排水沟，南边是永宁县中心排水沟，北边是银横公路。鸣翠湖是历史上黄河古道改道而成的自然湖泊，为七十二连湖中长湖的核心部分，是银川市东部最重要的湿地生态系统。湖区面积为666.7 hm2，其中湿地面积为548.0 hm2，年平均气温8～9 ℃，年平均水深1.6 m，属黄河水系。湖区水源较稳定，主要以黄河水、农田退水补给为主。湖区是典型的中温带半干旱荒漠气候区，冬春少雨，夏秋多雨，年降水量120～150 mm，年蒸发量1 500～1 800 mm，年平均相对湿度58.7%。

1.2 样品采集

依据鸣翠湖湖面功能区划分及补水入口分布等情况，于2015年4月底分别在芦苇迷宫中心(1#)、芦苇迷宫沿岸(2#)、开阔水域(3#)、荷花池(4#)和景区大门东边(5#)，利用抓斗式采样器采集沉积物混合样5个。采样点分布见图1。同时采集上覆水水样，带回实验室分析测定。现场测试指标包括温度、水深、电导率、透明度(SD)和pH等，并根据观测记录沉积物性状，同时记录采样点环境。采样点的基本特征见表1。

1.3 样品处理与测定方法

上覆水水样：样品取回后测定TP、TN、氨氮、叶绿素a(Chla)、悬浮物和COD。TP采用碱性过硫酸钾消解/钼酸铵分光光度法测定；TN采用过硫酸钾氧化/紫外分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；Chla采用分光光度法测定；悬浮物采用重量法测定；COD采用重铬酸盐法测定。

间隙水水样：将沉积物样品在4 000 r/min下离心20 min，取上清液，用0.45 μm的滤膜过滤，得到间隙水水样，测定TP、TN、氨氮、COD浓度。测定方法同上覆水水样。

图1 鸣翠湖采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Mingcui Lake

2 结果与分析

2.1 氮、磷分布特征

2.1.1 TN的分布特征

表1 鸣翠湖采样点基本特征

鸣翠湖间隙水和上覆水中TN的分布见图2。从图2可以看出，间隙水中TN质量浓度为2.55～5.70 mg/L，平均值为3.83 mg/L。上覆水中TN质量浓度为0.81～2.53 mg/L，平均值为2.17 mg/L。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，2#、3#、4#和5#的上覆水中TN质量浓度超过2.0 mg/L，均属于Ⅴ类水；1#的上覆水中TN质量浓度符合0.5～1.0 mg/L，属于Ⅲ类水。TN浓度呈现出从间隙水到上覆水递减的趋势，浓度梯度显著，具备了氮从沉积物通过间隙水向上覆水中释放的条件。

图2 鸣翠湖间隙水与上覆水中TN的分布Fig.2 Distribution of TN concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空间分布上，各个采样点的间隙水和上覆水中TN变化趋势存在差异。从间隙水看，3#的TN浓度最低，可能与该采样点位于开阔水域，且经过清淤，沉积物中的TN浓度较低有关；4#的TN浓度最高，可能与该采样点处于补水口位置有关。从上覆水看，TN浓度在1#最低；其他采样点的TN浓度差异不明显，但TN浓度总体上较低，其原因可能是由于采样期间鸣翠湖平均温度较低，沉积物中的氮分解缓慢，向水体释放的氮也较少[16]。

2.1.2 氨氮的分布特征

鸣翠湖间隙水和上覆水中氨氮的分布见图3。由图3可以看出，间隙水中氨氮质量浓度为1.22～2.99 mg/L，平均值为2.23 mg/L。上覆水中氨氮质量浓度为0.19～0.31 mg/L，平均值为0.24 mg/L。根据GB 3838—2002，各采样点上覆水中氨氮符合0.15～0.50 mg/L，均属于Ⅱ类水。鸣翠湖间隙水和上覆水中的氨氮浓度均较低，相比之下间隙水中的氨氮浓度远高于上覆水。这可能是由于湖泊通过农田进行补水的过程还未开始，外源污染物未进入湖泊，沉积物的氨氮浓度成为影响鸣翠湖水质的主要因素；另一方面，采样期间鸣翠湖平均温度较低，沉积物中有机氮的氨化作用缓慢，导致蓄积在间隙水中的氨氮浓度较低，通过扩散作用释放到上覆水中的氨氮浓度更低[17]。

图3 鸣翠湖间隙水与上覆水中氨氮的分布Fig.3 Distribution of ammonium nitrogen concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空间分布上，间隙水中的氨氮浓度表现为3#最低，4#最高。上覆水各采样点的氨氮浓度均较低，且不同采样点的差异不大。其可能原因如下：一方面，经过冬、春季节的氨氮沉积，各采样点上覆水中的氨氮转移到沉积物或间隙水中；另一方面，采样期间鸣翠湖温度较低，微生物活动较少，导致有机物的矿化分解量少，进而降低了间隙水中氨氮向上覆水的扩散[18]；此外，风浪、水流等因素导致上覆水中氨氮充分混合，降低了各采样点上覆水中氨氮浓度的差异。

2.1.3 TP的分布特征

鸣翠湖间隙水和上覆水中TP的分布见图4。由图4可以看出，间隙水中TP质量浓度为0.10～0.18 mg/L，平均值为0.15 mg/L。上覆水中TP质量浓度为0.04～0.11 mg/L，平均值为0.07 mg/L。根据 GB 3838—2002，5#上覆水中的TP质量浓度超过0.1 mg/L，属于Ⅴ类水；2#、3#、4#上覆水中的TP质量浓度符合0.05～0.10 mg/L，均属于Ⅳ类水；1#上覆水中的TP质量低于0.05 mg/L，属于Ⅲ类水。从整体上看，鸣翠湖水体的TP浓度表现为间隙水大于上覆水。

图4 鸣翠湖间隙水和上覆水中TP的分布Fig.4 Distribution of TP concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空间分布上，间隙水中的TP浓度在1#最低，其原因可能是采样期间芦苇等大量水生植物开始生长，对于磷的吸附作用逐渐增强，一定程度延缓了磷的释放[19]。3#间隙水中的TP浓度也较低，可能是由于3#无芦苇等大型植物的生长，植物残体分解带来的磷较少，仅靠水体悬浮物的沉积蓄积部分磷，但3#经过清淤，沉积的磷被部分清除，现有的沉积物沉积时间较短，沉积层薄，TP浓度不高，因而导致间隙水中TP浓度较低[20]。上覆水中TP浓度表现为从1#到5#逐渐递增。

2.2 相关性比较

为分析鸣翠湖间隙水和上覆水中氮、磷的相关性，用SPSS 17.0软件，分别计算间隙水和上覆水中TP、TN、氨氮、有机质等营养物质之间的相关性，结果分别见表2和表3。

表2 鸣翠湖间隙水中营养物质的相关性分析1)

注：1)*表示在α=0.05水平上显著相关，**表示在α=0.01水平上极显著相关。

表3 鸣翠湖上覆水中营养物质的相关性分析

从表2可以看出，间隙水中TN与氨氮的相关系数达到0.899，具有显著相关性，说明间隙水中的氨氮是TN的重要组成部分，TN的变化会受到氨氮的影响[21]。间隙水中的有机质与TN的相关系数为0.983，呈现极显著的相关性，说明间隙水中有机质与TN可能存在密切的关系。相关研究表明，有机质在矿化过程中会释放出大量的无机营养物质，一定程度上造成TN浓度升高[22]。从表3可以看出，上覆水中营养物质之间无显著相关性。

从总体上看，间隙水中营养物质之间的相关性较高，而上覆水中营养物质之间的相关性较低，但并不能因此说明间隙水和上覆水中的营养物质没有相互影响[23]。结合间隙水和上覆水中氮、磷的分布特征及相关性分析得出，在间隙水中的氮、磷浓度远高于上覆水的情况下，间隙水中的氮、磷浓度并不是上覆水中氮、磷浓度的决定因素。这是因为沉积物-水界面的氮、磷迁移会受到诸多因素的影响，如外源输入、吸附/解吸、溶解，底栖生物活动，风浪造成的紊流扩散及沉积物表面的直接释放等，并不是单纯受浓度梯度控制[24]。

2.3 富营养化评价

在湖泊富营养化的评价方法中营养状态指数法[25]是目前应用最多的一种方法，主要包括卡尔森营养状态指数法、修正的营养状态指数法、综合营养状态指数法。本研究依据鸣翠湖四季水质监测数据，运用综合营养状态指数法，选取Chla作为基准参数，综合TP、TN、SD、COD等参数，对鸣翠湖进行富营养化评价。

综合营养状态指数法的计算公式如下：

TLI=∑LIj×Wj

(1)

(2)

式中：TLI为综合营养状态指数；LIj为参数j的营养状态指数；Wj为参数j的营养状态指数的权重，WChla、WTP、WTN、WSD和WCOD分别为0.266 3、0.187 9、0.179 0、0.183 4、0.183 4；rj为参数j与Chla的相关系数，rChla、rTP、rTN、rSD和rCOD分别为1.00、0.84、0.82、-0.83、0.83；j为参数，包括Chla、TP、TN、SD和COD；m为参数总数，m=5。

LIChla、LITP、LITN、LISD和LICOD的计算公式如下：

LIChla=10×(2.500+1.086lncChla)

(3)

LITP=10×(9.436+1.624lncTP)

(4)

LITN=10×(5.453+1.694lncTN)

(5)

LISD=10×(5.118-1.94lnd)

(6)

LICOD=10×(0.109+2.661lncCOD)

(7)

式中：cChla为Chla质量浓度，mg/m3；cTP、cTN和cCOD分别为TP、TN和COD质量浓度，mg/L；d为SD，m。

根据综合营养指数法进行计算，再对照湖泊(水库)营养状态分级(见表4)，得出鸣翠湖富营养化评价结果，如表5所示。

由表5可以看出，富营养状态严重程度排序为5#>2#>1#>4#>3#。富营养化程度最低的为3#，营养级别为中营养，主要是由于3#处于开阔水域，无芦苇等高等植物的生长，且经过清淤，水体中氮、磷浓度低。其他采样点的营养级别均为轻度富营养。5#富营养化程度最高，主要是由于5#水体中TN、TP浓度均较高(见图2和图4)，水体透明度明显偏低，且靠近公路，受外源污染物影响较大。1#、2#的大型水生植物为芦苇，芦苇的生长对氮、磷具有一定的吸收和吸附作用，使水体得到一定的净化；但由于芦苇的密集分布使该区域相对封闭，水体流动性差，加之芦苇残体的长期积累，可能会使TN和Chla浓度增大[26]。

表4 湖泊(水库)营养状态分级标准

表5 鸣翠湖营养状况评价结果

3 结 论

鸣翠湖间隙水中TP、TN、氨氮的平均质量浓度分别为0.15、3.83、2.23 mg/L；上覆水中TP、TN、氨氮的平均质量浓度分别为0.07、2.17、0.24 mg/L。间隙水中氮、磷浓度明显高于上覆水，浓度梯度显著，富营养化的内源污染作用已经非常明显。间隙水中氮、磷的浓度受沉积物的影响较大。上覆水中氮、磷的空间分布规律不明显，说明上覆水中的氮、磷在受到外界复杂环境因素的影响下吸附与释放过程缓慢，同时上覆水氮、磷浓度受外源污染的多元化影响。相关性分析表明，间隙水中TN与氨氮的相关系数为0.899，具有显著相关性，有机质与TN的相关系数为0.983，具有极显著相关性；而上覆水中营养物质之间的相关性较弱。鸣翠湖水体已呈现富营养化状态，在控制外源污染物进入的同时要考虑到沉积物中的氮、磷通过间隙水向上覆水中的释放。

[1] KIM L H, CHOI E, STENSTROM M K.Sediment characteristics, phosphorus types and phosphorus release rates between river and lake sediments[J].Chemosphere,2003,50(1):53-61.

[2] ZHANG Xiufeng, MEI Xueying.Effects of benthic algae on release of soluble reactive phosphorus from sediments:a radioisotope tracing study[J].Water Science and Engineering,2015,8(2):127-131.

[3] MOSS B, KOSTEN S, MEERHOFF M, et al.Allied attack:climate change and eutrophication[J].Inland Waters,2011,1(2):101-105.

[4] 李剑超,朱光灿,刘伟生,等.沉积时间和温度对底泥间隙水有机污染物的影响[J].农业环境科学学报,2004,23(4):723-726.

[5] 秦伯强,张运林,高光,等.湖泊生态恢复的关键因子分析[J].地理科学进展,2014,33(7):918-924.

[6] 王莹,胡维平.太湖湖滨湿地沉积物营养元素分布特征及其环境意义[J].中国环境科学,2015,35(1):204-210.

[7] 王秋娟,李永峰,姜霞,等.太湖北部三个湖区各形态氮的空间分布特征[J].中国环境科学,2010,30(11):1537-1542.

[8] 张媛,望志方,张琍,等.鄱阳湖丰水期不同底质类型下氮、磷含量分析[J].长江流域资源与环境,2015,24(1):135-142.

[9] 沈洪艳,张绵绵,倪兆奎,等.鄱阳湖沉积物可转化态氮分布特征及其对江湖关系变化的响应[J].环境科学,2015,36(1):87-94.

[10] 王岩,姜霞,李永峰,等.洞庭湖氮磷时空分布与水体营养状态特征[J].环境科学研究,2014,27(5):484-491.

[11] 王雯雯,王书航,姜霞,等.洞庭湖沉积物不同形态氮赋存特征及其释放风险[J].环境科学研究,2013,26(6):598-605.

[12] 王志齐,李宝,梁仁君,等.南四湖沉积物磷形态及其与间隙水磷的相关性分析[J].环境科学学报,2013,33(1):139-146.

[13] 李爽,张祖陆,孙媛媛.南四湖沉积物对上覆水氮磷负荷的时空响应[J].环境科学学报,2013,33(1):133-138.

[14] 李静,孙虎,邢东兴,等.西北干旱半干旱区湿地特征与保护[J].中国沙漠,2003,23(6):670-674.

[15] 缑倩倩,屈建军,王国华,等.中国干旱半干旱地区湿地研究进展[J].干旱区研究,2015,32(2):213-220.

[16] 朱永青.淀山湖底泥氮磷营养盐释放及其影响因素研究[J].环境污染与防治,2014,36(5):70-77.

[17] CONLEY D J, PAERL H W, HOWARTH R W,et al.Controlling eutrophication:nitrogen and phosphorus[J].Science,2009,323(5917):1014-1015.

[18] 陈朱虹,陈能汪,吴殷琪,等.河流库区沉积物-水界面营养盐及气态氮的释放过程和通量[J].环境科学,2014,35(9):3325-3335.

[19] GAO Li,ZHANG Luhua,HOU Jinzhi,et al.Decomposition of macroalgal blooms influences phosphorus release from the sediments and implications for coastal restoration in Swan Lake, Shandong, China[J].Ecological Engineering,2013,60:19-28.

[20] SKORDAS K, KELEPERTZIS E, KOSMIDIS D,et al.Assessment of nutrients and heavy metals in the surface sediments of the artificially lake water reservoir Karla, Thessaly, Greece[J].2015,73(8):4483-4493.

[21] 张彦,张远,于涛,等.太湖沉积物及孔隙水中氮的时空分布特征[J].环境科学研究,2010,23(11):1333-1342.

[22] 秦伯强,范成新.大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨[J].中国环境科学,2002,22(2):150-153.

[23] WETZEL M A,WAHRENDORF D S,VONDEROHE P C.Sediment pollution in the Elbe estuary and its potential toxicity at different trophic levels[J].Science of the Total Environment,2013,449(1):199-207.

[24] 刘碧波,丰民义,刘剑彤.东湖典型区域间隙水中营养盐的时空分布[J].长江流域资源与环境,2012,21(8):979-986.

[25] 孙顺才,黄漪平.太湖[M].北京:海洋出版社,1993:224-228.

[26] 杨楠,于会彬,宋永会,等.白塔堡河上覆水与沉积物间隙水N、P分布特征[J].环境科学研究,2013,26(7):728-735.