香溪河沉积物-水界面的营养盐交换特征

李 欣, 纪道斌, 宋林旭*, 苏青青, 陈秀秀, 刘德富

1.三峡大学水利与环境学院, 湖北 宜昌 443002 2.湖北工业大学, 河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068

香溪河沉积物-水界面的营养盐交换特征

李 欣1, 纪道斌1, 宋林旭1*, 苏青青1, 陈秀秀1, 刘德富2

1.三峡大学水利与环境学院, 湖北 宜昌 443002 2.湖北工业大学, 河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068

为研究香溪河库湾沉积物-水界面的营养盐交换特征，于2016年6月采集香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水样品，分析不同形态氮、磷的空间分布特征并进行相关性分析，计算沉积物-水界面氮、磷的释放通量. 结果表明：香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ(TP)的变化范围分别为0.484～0.927和0.511～2.220 mgL，ρ(TN)的变化范围分别为0.739～4.302和3.571～14.011 mgL；上覆水和沉积物间隙水中氮、磷质量浓度在沿程和垂向上具有一定的变化规律，上游区域沉积物间隙水中氮、磷质量浓度大于下游区域，沉积物间隙水中氮、磷质量浓度明显大于上覆水；香溪河沉积物总体上表现为PO43--P和NH4+-N的“源”，中下游区域沉积物表现为NO3--N的“源”，而中上游区域表现为NO3--N的“汇”；PO43--P的释放通量范围为0.129～0.339 mg(m2·d)，NH4+-N的释放通量范围为0.213～1.415 mg(m2·d)，NO3--N的释放通量范围为-1.109～3.446 mg(m2·d). 研究显示，上覆水的环境条件对于沉积物-水界面营养盐交换存在一定的影响，但影响程度各有不同.

香溪河; 营养盐; 沉积物-水界面; 释放通量

三峡水库蓄水后，水动力条件发生改变，水体营养盐浓度增加，部分支流每年暴发不同程度的水华，支流库湾富营养化和水华问题逐渐成为后三峡最突出的水环境问题之一，库湾水体营养盐来源广泛，其中点源、面源、底泥释放及倒灌异重流补给等问题已开展了相关的研究，但目前对于支流库湾底泥内源释放问题的研究较少，对于三峡水库典型支流沉积物氮、磷释放的研究重点大多集中在关键因子与沉积物氮、磷释放的响应关系. 如王颖等[1]调查研究了三峡水库小江、大宁河和香溪河等典型支流库湾沉积物磷形态及吸附-释放特性，分析了pH和温度对沉积物磷释放的影响；黄钰铃等[2]通过室内模拟研究动力扰动作用对沉积物氮、磷释放的影响. 但对于沉积物-水界面氮、磷释放通量的研究并不深入. 事实上，营养元素在沉积物-水界面的地球化学行为对水环境质量与生态系统有着极为重要的影响[3]. 蓄积在沉积物中的营养物质在一定条件下通过形态变化、改变界面特性和释放等途径影响上覆水的质量[4]. 在外源输入负荷得到控制的情况下，沉积物向上覆水中释放氮、磷等营养盐是水体富营养化的重要原因[5- 6].

该研究以三峡水库香溪河库湾为研究对象，分析香溪河库湾上覆水与沉积物间隙水不同氮、磷形态营养盐浓度的空间分布特征并进行相关性分析，计算沉积物-水界面氮、磷的释放通量，研究香溪河库湾沉积物-水界面的营养盐交换特征，以期为沉积物内源氮、磷负荷的计算及控制提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 香溪河概况

香溪河又名昭君溪，系长江三峡水库湖北省库区内第一大支流，发源于湖北省西北部神农架林区，干流长106 km，其中兴山段干流长78 km，秭归段干流长11.1 km，流域总面积为 3 099 km2. 由于地势高差大，地形复杂，气温垂直变化明显，年均气温为16.6 ℃，流域多年平均流量为40.18 m3s，年均降水量为 1 015.6 mm[7]. 香溪河流域拥有九冲河、古夫河、高岚河三大支流，于秭归县归州镇东侧注入长江，干支流汇流处距三峡大坝坝址31 km. 蓄水后，香溪河距离河口约24 km范围形成回水区，水体由河流水体转变为类似湖泊水体. 大量营养物质在库湾中富集，为香溪河库湾藻类生长提供了条件，出现了不同程度的水华[8- 10].

1.2 采样点布设

在香溪河从河口至156 m回水末端昭君镇沿河道中泓线每间隔约6 km布设1个采样点，共4个，采样点编号依次为1、2、3、4，另外在水库干支流交汇处设置一个采样点(CJ)，具体见表1和图1.

表1 采样点坐标及距河口的距离

图1 采样点分布Fig.1 Sites location

1.3 样品采集与处理

于2016年6月，利用中国水利水电科学研究院水环境研究所研制的柱状采样器(Φ60 mm×1 000 mm)采集5个采样点的上覆水和沉积物样品〔(0±20)cm〕，先将采泥器沉积物-水界面向上20 cm以外的水吸出，然后分别以2 cm的间隔用上覆水取样装置采集上覆水并倒入300 mL聚乙烯水样瓶中，将上覆水抽完之后，从沉积物-水界面向下开始以2 cm的间隔切取沉积物样品并分装入聚乙烯离心管中. 每个采样点的水样和沉积物样品均采集3次，将3次样品混合作为该采样点样品，水样和沉积物样品均放入冷藏箱中保存，带回实验室后立即分析.

1.4 分析方法

间隙水的获取：在室温条件下，采用DL- 5M型低速冷冻离心机在 2 000 rmin下离心30 min，将离心出的上清液倒入50 mL离心管中，放入冰箱冷藏. 沉积物样品用铝箔包裹，放入干燥箱中干燥3～5 d直至恒质量，分别称量湿质量和干质量，用以计算沉积物的孔隙度. 上覆水和间隙水样品中的ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(PO43--P)、ρ(NO3--N)、ρ(NH4+-N)按文献[11]测定. 上覆水的pH和Eh(氧化还原电位)采用ST300便携式pHORP计测定；ρ(DO)采用碘量法[12]在现场滴定. 数据采用Origin 8.5和SPSS 20.0进行统计分析和插图制作.

2 结果与分析

2.1 上覆水中ρ(DO)、pH和Eh沿程变化

香溪河上覆水中的ρ(DO)、pH和Eh的空间分布如图2所示. 由图2可知，ρ(DO)和pH从干支流交汇处到上游呈逐渐增加的趋势，上覆水pH变化范围为8.02～8.47，平均值为8.26，呈弱碱性；ρ(DO)变化范围为6.19～8.50 mgL，平均值为7.33 mgL；Eh的空间变化趋势从下游到上游总体上缓慢增加，变化范围为59.39～72.55 mV，上游4号采样点的Eh值最大，为109.95 mV.

图2 上覆水中ρ(DO)、pH和Eh的空间变化Fig.2 Spatial distribution of DO, pH and Eh in overlying water

图3 香溪河上覆水和沉积物间隙水中氮、磷营养盐沿程分布Fig.3 Distribution of nitrogen and phosphorus in the overlying water and the sediment pore water of Xiangxi Bay

对于水库支流库湾，不少学者认为其属于典型的湖泊型水体[13]. 但YANG等[14]通过常年现场监测后发现，长江干流水体在冬季、春夏季、秋季分别通过底层、中层和表层倒灌入香溪河库湾，上游来流大多时间主要从库湾底层流向水库干流，因此库湾底部的水体长期处于非静止状态，具有良好的沉积环境. 而各采样点上覆水中ρ(DO)均大于6 mgL，表明没有出现底层缺氧的现象，从沿程分布来看，自河口下游至上游沿程底层水体环境的氧化能力逐渐增强.

2.2 上覆水和沉积物间隙水中营养盐沿程变化

香溪河上覆水和沉积物间隙水中ρ(TN)、ρ(TP)沿程变化如图3所示，其中，上覆水和沉积物间隙水中ρ(TN)、ρ(TP)分别取沉积物-水界面上下0～10 cm的平均值. 由图3可见，从河口到上游，上覆水和沉积物间隙水中ρ(TN)、ρ(TP)总体上呈递增趋势，并且沉积物间隙水中营养盐质量浓度明显大于上覆水. 1号采样点的沉积物间隙水中ρ(TN)明显高于其余各断面且达到10 mgL，表明该断面沉积物中富集了大量的氮元素.

2.3 上覆水和沉积物间隙水中营养盐垂向分布特征

2.3.1ρ(TP)

香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(TP)的垂向变化如图4所示，香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ(TP)的变化范围分别为0.484～0.927和0.511～2.220 mgL. 在沉积物-水界面中，水和沉积物之间营养物质的交换受上覆水和沉积物间隙水间的营养物质浓度梯度影响，CJ采样点和1号采样点的上覆水和沉积物间隙水中ρ(TP)垂向上的变化趋势基本相同，上覆水和沉积物间隙水中ρ(TP)分别在0.450～0.980和0.897～1.110 mgL之间波动. 而中上游采样点上覆水中ρ(TP)在垂向上呈上下波动的趋势. 2号采样点的间隙水中ρ(TP)总体上呈递增趋势，但3号和4号采样点的沉积物间隙水中ρ(TP)垂向下先增加后降低. 各采样点沉积物间隙水中ρ(TP)均显著高于上覆水，表明沉积物间隙水中磷有向上覆水扩散的趋势.

图4 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(TP)的空间变化Fig.4 Spatial distribution of TP in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

2.3.2ρ(PO43--P)

图5 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(PO43--P)的空间变化Fig.5 Spatial distribution of PO43--P in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(PO43--P)的垂向变化如图5所示，CJ、1号和2号采样点的上覆水和沉积物间隙水中ρ(PO43--P)变化趋势与ρ(TP)基本相同，但1号采样点沉积物间隙水ρ(PO43--P)均明显大于CJ采样点，2号采样点沉积物间隙水ρ(PO43--P)最大值依旧是在沉积物-水界面向下10 cm 左右处取得，为1.154 mgL，同时也是各断面ρ(PO43--P)的最大值. 3号采样点上覆水中ρ(PO43--P)呈先降后升的趋势，而在沉积物间隙水中的沿程变化趋势则相反. 上游4号采样点ρ(PO43--P)沿程向下呈逐渐增加的趋势. 各断面表层沉积物10 cm左右的沉积物间隙水中ρ(PO43--P)最大，并且沉积物15 cm以下间隙水中ρ(PO43--P)有降低的趋势.

一般来说，沉积物间隙水中磷的浓度反映了沉积物的吸附特性[15]，2号采样点沉积物间隙水中ρ(PO43--P)约为上覆水的21.92倍，为各断面的最大值，可以推测中游2号采样点沉积物中磷的吸附量较其他断面更为饱和. 各采样点沉积物间隙水中ρ(PO43--P)远高于上覆水，正因为这种较大的浓度差异，必然存在一个由高浓度向低浓度进行的分子扩散作用.

2.3.3ρ(TN)

由6图可见，各采样点上覆水中ρ(TN)在垂向上无明显的变化趋势，ρ(TN)在0.739～4.302 mgL之间波动. 从沉积物-水界面垂直向下，各采样点的ρ(TN)呈逐渐上升的趋势，香溪河库湾沉积物间隙水中ρ(TN)的变化范围为3.571～14.011 mgL，并且1号采样点的ρ(TN)在各层中都最高，平均值为11.419 mgL，而干流CJ采样点的ρ(TN)平均值最低. 香溪河库湾各采样点沉积物间隙水中ρ(TN)至少是上覆水的2倍，因此，上覆水中较低的ρ(TN)有利于沉积物中N的释放.

图6 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(TN)的空间变化Fig.6 Spatial distribution of TN in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

2.3.4ρ(NO3--N)

图7 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(NO3--N)的空间变化Fig.7 Spatial distribution of NO3--N in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

由图7可见，各采样点上覆水中ρ(NO3--N)没有明显的变化趋势，呈上下波动的趋势，而沉积物间隙水中ρ(NO3--N)从沉积物-水界面向下呈先增后降的趋势，各采样点间隙水中ρ(NO3--N)略高于上覆水，浓度梯度差较小. 这可能是因为NO3--N进入还原性较强的深层沉积物(>10 cm)中，由于反硝化作用参与有机分解、矿化等所致，ρ(NO3--N)较沉积物含氧层明显降低，这与汪淼等[16]在研究滇池沉积物氮内源负荷得出的结论一致.

2.3.5ρ(NH4+-N)

由图8可见，ρ(NH4+-N)的空间变化与ρ(TN)的变化趋势大致相似. 干流CJ采样点的上覆水和沉积物间隙水中的ρ(NH4+-N)整体上相当，其余断面沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)随深度增加呈逐渐升高的趋势，上游4号采样点的间隙水中ρ(NH4+-N)平均值最大，为1.948 mgL，最大值为2.867 mgL. NH4+-N主要存在于还原性的沉积物间隙水中，由于上覆水和沉积物间隙水中的浓度梯度差，NH4+-N从沉积物间隙水扩散到上覆水中[17]，而从沉积物的还原层到含氧层，NH4+-N在硝化作用下氧化为NO3--N等.

图8 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)的空间变化Fig.8 Spatial distribution of NH4+-N in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

2.4 上覆水与沉积物间隙水中营养盐的交换

沉积物中营养物质对水体的影响与沉积物-水界面的营养物质交换密切相关[18]，沉积物间隙水中的营养盐向沉积物-水界面扩散进而向上覆水扩散的过程主要是由浓度差支配的[19]，由于上覆水和沉积物间隙水中营养盐存在浓度差异，必然存在一个由高浓度向低浓度进行的分子扩散作用，因此，研究沉积物-水界面营养物质的扩散通量具有重要的环境意义[20]. 根据二者之间的浓度梯度及其物理化学性质可以估算沉积物-水界面营养盐的扩散通量. 根据Fick第一扩散定律[21]及相关文献[22- 23]，其改进公式:

(1)

式中：Js为分子扩散通量，mg(m2·d)；φ为表层沉积物的孔隙度，%；Ds为表层沉积物中物质的扩散系数，cm2s；∂c∂x为沉积物-水界面的营养盐浓度梯度，mg(L·cm). 当φ≤0.7时，Ds=φ·D0；当φ>0.7时，Ds=φ2·D0. 其中，D0为无限稀释溶液中溶质的扩散系数，cm2s. 有国外学者通过试验得出稀释溶液中溶质的扩散系数(D0)和温度(T，上覆水)的经验公式，进一步校准温度和孔隙度的差异造成的误差. 该研究取样在6月进行，库湾平均水温约为25 ℃，故可取25 ℃时无限稀释溶液中溶质的扩散系数，25 ℃时PO42-、NH4+、NO3-无限稀释溶液中溶质的扩散系数分别为7.34×10-6、19.8×10- 6、19.0×10-6cm2s[24]. 孔隙度(φ)的计算公式[25]：

(2)

式中，Ww、Wd分别为沉积物的湿质量与干质量，g；2.5为沉积物湿密度与水浓度比值的平均值. 用表层沉积物(0～4 cm) 间隙水与界面向上覆水4 cm左右处的营养盐含量对深度进行指数拟合，根据拟合所得表达

式对深度(x)求导，进而求出沉积物-水界面∂c∂x的值，并运用Fick第一定律计算出相应点位PO43--P、NH4+-N和NO3--N的扩散通量Js，结果见表3.

表3 PO43--P、NH4+-N和NO3--N的扩散通量

注：表中扩散通量Js的负值表示沉积物吸收，正值则表示沉积物释放.

由表3可以看出，香溪河PO43--P和NH4+-N均是由沉积物间隙水向上覆水扩散，即香溪河沉积物总体上表现为PO43--P和NH4+-N的“源”，PO43--P扩散通量的范围为0.129～0.339 mg(m2·d)，NH4+-N的扩散通量范围为0.213～1.415 mg(m2·d). 进入到沉积物-水界面中的磷可能是通过有机质的矿化分解、铁氧化物解吸作用以及沉积物扰动等三种形式向水体释放[26]. 沉积物中的有机磷在一定条件下可矿化或降解成溶解态磷酸盐，具有潜在的生物有效性，对沉积物间隙水中正磷酸盐浓度及扩散起重要作用. 沉积物表现为NH4+-N“源”的角色，这一方面可能与水生植物、浮游植物在利用氮素时优先吸收利用NH4+-N有关[27]，另一方面与间隙水中NH4+-N很大一部分来自有机质的分解作用使NH4+-N得以再生有关[28].

NO3--N的扩散趋势不明显：香溪河库湾中下游区域沉积物表现为NO3--N的“源”，而中上游区域表现为NO3--N的“汇”. NO3--N的扩散通量范围为-1.109～3.446 mg(m2·d)，最大值较最小值高出一个数量级. 这是因为沉积物间隙水和上覆水存在较大的浓度梯度，从而促进NO3--N从沉积物间隙水向上覆水释放，而上游区域由于表层氧化层或沉积物-水界面附近在氨氧化细菌和亚硝态酸盐氧化菌的参与下，NH4-N经硝化作用转化为NO3--N，形成NO3--N的富集.

3 讨论

3.1 香溪河库湾上覆水与沉积物间隙水中营养盐含量的相关性

将香溪河库湾各采样点的上覆水中营养盐含量与沉积物间隙水中营养盐含量进行相关性分析(见表4)，可以看出，各营养盐并无显著的相关关系，相关水平低，这并不能说明香溪河沉积物间隙水中营养盐含量的高低对其上覆水营养盐含量没有影响，只能说明在间隙水营养盐含量远高于上覆水的状态下，充足的间隙水营养盐不是其上覆水营养盐含量的决定因素，产生这种现象的原因，可能是因为在香溪河库湾内沉积物-水界面营养盐的迁移并不是单纯的由浓度梯度扩散来控制的，还与其他因素有关，如营养盐在水体中的水平迁移扩散、风浪作用造成的紊流扩散、沉积物表面的直接释放等[29].

表4 香溪河上覆水和沉积物间隙水中不同氮、磷形态的相关性分析

3.2 香溪河库湾沉积物-水界面营养盐交换的影响因素分析

此次监测结果表明，各断面沉积物间隙水中ρ(TP) 与ρ(PO43--P)显著大于上覆水，沉积物间隙水中ρ(PO43--P)平均值为上覆水的7.58倍，造成这种现象的原因是湖泊水库底部存在的活性有机碎屑层在细菌等微生物的作用下释放出较高的ρ(PO43--P)，从而驱使PO43--P向沉积物中扩散迁移，在表层沉积物孔隙水中形成高于水体的ρ(PO43--P)[30]. 而上游区域各断面的氮、磷质量浓度明显高于下游区域，究其原因：①干流倒灌以及上游来流的输入，纪道斌等[31]在香溪河进行长期连续监测发现，在5—8月干流水体主要以中层倒灌的方式潜入香溪河库湾，由于河口处的流速较大，许多吸附在悬浮物中的颗粒态磷难以沉降，随倒灌进库湾的水体流向上游；而上游来流主要以底部顺坡异重流的形式为库湾上游底部输入大量的营养物质，故上游区域ρ(TP)明显高于下游区域. ②宋林旭等[32]在对香溪河流域内非点源氮、磷负荷的研究中发现，在丰水期香溪河上游支流面源污染严重，氮、磷输出负荷大，为香溪河库湾上游区域贡献了丰富的氮、磷营养盐. 香溪河库湾沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)随深度增加而升高，相对于上层，下层沉积物通常缺氧程度较高，适宜于高价态氮向低价态氮转化，并且下层受水动力扰动作用较小，比上层沉积物更有利于NH4+-N在沉积层中保存，因而表层沉积物间隙水中的ρ(NH4+-N)低于下层[33]. 沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)在0～10 cm范围内随沉积深度的增加而降低，10 cm以下变化较小，最后趋于稳定，可能说明香溪河库湾沉积物硝化与反硝化作用主要发生在0～10 cm深度范围内.

对香溪河库湾上覆水沉积环境〔ρ(DO)、pH、Eh〕与沉积物-水界面营养盐交换通量进行相关性分析，PO43--P、NH4+-N、NO3--N的交换通量与ρ(DO)的R2(相关系数)分别为-0.112、0.321、-0.205，与pH的R2分别为0.013、0.381、-0.132，与Eh的R2分别为-0.357、0.634、-0.200. NH4+-N和NO3--N的交换通量与ρ(DO)、pH、Eh均呈一定的相关性，而PO43--P交换通量与ρ(DO)、Eh均呈一定的负相关，与pH的相关性极差，说明在碱性环境和氧化条件下有利于NH4+-N和NO3--N在沉积物-水界面的交换，但是对PO43--P的交换影响很小.Eh水平对PO43--P交换通量的影响明显大于其他各项，并且底部水环境氧化性越差，更有利于PO43--P在沉积物-水界面的交换. 有研究[34- 35]表明，沉积物-水界面氧化还原环境能控制沉积物磷的释放，厌氧条件比好氧条件下更有利于沉积物磷的释放. 以上分析结果说明，上覆水的环境条件对于沉积物-水界面营养盐交换存在一定的影响，但影响程度各有不同.

4 结论

a) 香溪河库湾上覆水中ρ(DO)均大于6 mgL，沉积物-水界面处在良好的弱碱性氧化环境中，且自河口下游至上游沿程底层水体环境的氧化能力逐渐增强.

b) 香溪河沉积物总体上表现为PO43--P和NH4+-N的“源”，中下游区域沉积物表现为NO3-N的“源”，而中上游区域表现为NO3-N的“汇”：PO43--P的释放通量的范围为0.129～0.339 mg(m2·d)；NH4+-N的释放通量范围为0.213～1.415 mg(m2·d)；NO3-N的释放通量范围为-1.109～3.446 mg(m2·d).

c) 香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ(TP)的变化范围分别为0.484～0.927和0.511～2.220 mgL，ρ(TN)的变化范围分别为0.739～4.302和3.571～14.011 mgL. 上覆水和沉积物间隙水中氮、磷质量浓度在沿程和垂向上有一定的变化规律：上覆水和沉积物间隙水中的氮、磷质量浓度自下游至上游沿程呈逐渐递增的趋势；上游区域的沉积物间隙水中氮、磷质量浓度明显大于下游区域；沉积物间隙水中的氮、磷质量浓度明显大于上覆水，说明沉积物中氮、磷营养盐有从间隙水向上覆水迁移的趋势.

d) 上覆水的环境条件对于沉积物-水界面营养盐交换存在一定的影响，但影响程度各有不同.

致谢：肖尚斌教授在文章的修改和润色中给予了极大帮助，生态水工学课题组的吕林鹏、王雄、黄亚男、吴庆等在野外采样及试验分析中给予了大力支持，谨致谢忱!

[1] 王颖,沈珍瑶,呼丽娟,等.三峡水库主要支流沉积物的磷吸附/释放特性[J].环境科学学报,2008,28(8):1654- 1661. WANG Ying,SHEN Zhenyao,HU Lijuan,etal.Adsorption and release of phosphorus from sediments from the main branches of the Three-Gorges Reservoir[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2008,28(8):1654- 1661.

[2] 黄钰铃,刘德富,苏妍妹.香溪河库湾底泥营养盐释放规律初探[J].环境科学与技术,2009,32(5):9- 13. HUANG Yuling,LIU Defu,SU Yanmei.Nutrient release from the sediment in Xiangxi River Bay[J].Environmental Science & Technology,2009,32(5):9- 13.

[3] 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.

[4] ZHOU Qixing,GIBSON C E,ZHU Yinmei.Evaluation of phosphorus bioavailability in sediments of three contrasting lakes in China and the UK[J].Chemosphere,2001,42(2):221- 225.

[5] 李宝,丁士明,范成新,等.滇池福保湾底泥内源氮磷营养盐释放通量估算[J].环境科学,2008,29(1):114- 120. LI Bao,DING Shiming,FAN Chengxin,etal.Estimation of releasing fluxes of sediment nitrogen and phosphorus in Fubao Bayin Dianchi Lake[J].Environmental Science,2008,29(1):114- 120.

[6] 王海军,王洪铸.富营养化治理应放宽控氮、集中控磷[J].自然科学进展,2009,19(6):599- 604.

[7] 唐涛,黎道丰,潘文斌,等.香溪河河流连续统特征研究[J].应用生态学报,2004,15(1):141- 144. TANG Tao,LI Daofeng,PAN Wenbin,etal.River continuum characteristics of Xiangxi River[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(1):141- 144.

[8] 周广杰,况琪军,胡征宇,等.三峡库区四条支流藻类多样性评价及“水华”防治[J].中国环境科学,2006,26(3):337- 341. ZHOU Guangjie,KUANG Qijun,HU Zhengyu,etal.Assessment of algal diversity and water blooms prevention in four tributaries of Three Gorges Reservoir[J].China Environmental Science,2006,26(3):337- 341.

[9] 叶麟,徐耀阳,蔡庆华.香溪河库湾春季水华期间硝酸盐、磷酸盐的时空分布[J].水生生物学报,2006,30(1):75- 79. YE Lin,XU Yaoyang,CAI Qinghua.The spatial and temporal distribution of nitrate and phosphate in the Xiangxi Bay,Three Gorge Reservoir Region during the spring bloom period[J].Acta Hydrobiologica Sinica,2006,30(1):75- 79.

[10] 李崇明,黄真理,张晟,等.三峡水库藻类“水华”预测[J].长江流域资源与环境,2007,16(1):1- 6. LI Chongming,HUANG Zhenli,ZHANG Sheng,etal.Risk forecast of algal bloom in the Three Gorges Reservoir[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2007,16(1):1- 6.

[11] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[12] 国家海洋局.GB 17378—1998 海洋监测规范[S].北京:中国标准出版社,1999.

[13] 郑丙辉,张远,富国,等.三峡水库营养状态评价标准研究[J].环境科学学报,2006,26(6):1022- 1030. ZHENG Binghui,ZHANG Yuan,FU Guo,etal.On the assessment standards for nutrition status in the Three Gorge Reservoir[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2006,26(6):1022 - 1030.

[14] YANG Zhengjian,LIU Defu,JI Daobin,etal.Influence of the impounding process of the Three Gorges Reservoir up to water level 172.5 m on water eutrophication in the Xiangxi Bay[J].Since China Technological Sciences,2010,53(4):1114- 1125 .

[15] 胡俊,吴永红,刘永定,等.滇池典型区域磷与铁的形态分布规律[J].环境化学,2005,24(4):450- 453. HU Jun,WU Yonghong,LIU Yongding,etal.The Distribution regular of phosphorus and iron in the typical areas of Dianchi Lake[J].Environmental Chemistry,2005,24(4):450- 453.

[16] 汪淼,严红,焦立新,等.滇池沉积物氮内源负荷特征及影响因素[J].中国环境科学,2015,35(1):218- 226. WANG Miao,YAN Hong,JIAO Lixin,etal.Characteristics of internal nitrogen loading and influencing factors in Dianchi Lake sediment[J].China Environmental Science,2015,35(1):218- 226.

[17] 范成新,秦伯强.梅梁湖和五里湖水-沉积物界面的物质交换[J].湖泊科学,1998,10(1):73- 78. FAN Chengxin,QING Boqiang.Substance exchange across water-sediment interface in Meiliang Bay and Wuli Lake[J].Journal of Lake Sciences,1998,10(1):73- 78.

[18] SERRUYA C,EDELSTEIN M,POLLINGHER U,etal.Lake Kinneret sediments:nutrient composition of the pore water and mud water exchanges[J].Limnol Oceanogr,1974,19(3):489- 508.

[19] 叶曦雯,刘素美,张经.鸭绿江口潮滩沉积物间隙水中的营养盐[J].环境科学,2002,23(3):92- 96. YE Xiwen,LIU Sumei,ZHANG Jing.Nutrients in sediment pore water in tidal flat area in Yalujiang estuary[J].Environmental Science,2002,23(3):92- 96.

[20] 黄小平,郭芳,岳维忠.南海北部沉积物间隙水中营养盐研究[J].热带海洋学报,2006,25(5):43- 48. HUANG Xiaoping,GUO Fang,YUE Weizhong.Studies on nutrients in sediment interstitial water in northern South China Sea[J].Journal of Tropical Oceanography,2006,25(5):43- 48.

[21] 宋金明.中国近海沉积物-海水界面化学[M].北京:海洋出版社,1997:6- 8.

[22] MCCOMB A J,QIU S,LUKATELICH R J,etal.Spatial and temporal heterogeneity of sediment phosphorus in the Peel-Harvey estuarine system[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,1998,47(5):561- 577.

[23] ULLMAN W J,ALLER R C.Diffusion coefficients in nearshore marine sediments[J].Limnology and Oceanography,1982,27(3):552- 556.

[24] LI Yuanhui,GREGORY S.Diffusion of ions in sea water and in deep-sea sediments[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1974,38(5):703- 714.

[25] URBAN N R,DINKEL C,WEHRLI B.Solute transfer across the sediment surface of a eutrophic lake.pore water profiles from dialysis samplers[J].Aquatic Sciences,1997,59(1):1- 25.

[26] 王雨春,万国江.湖泊现代化沉积物中磷的地球化学作用及环境效应[J].重庆环境科学,2000,22(4):39- 41. WANG Yuchun,WAN Guojiang.Geochemistry and environmental effect of modern sediments in Lake Baihua[J].Chong Qing Environmental Science,2000,22(4):39- 41.

[27] SCHNEIDER S,MELZER A.Sediment and water nutrient characteristics in patches of submerged macrophytes in running waters[J].Hydrobiologia,2004,527(1):195- 207.

[28] 冯峰,方涛,刘剑彤.武汉东湖沉积物氮磷形态垂向分布研究[J].环境科学,2006,27(6):1078- 1082. FENG Feng,FANG Tao,LIU Jiantong.Vertical distribution of species of nitrogen and phosphorus in the sediments of Lake Donghu[J].Environmental Science,2006,27(6):1078- 1082.

[29] 张路,范成新,王建军,等.太湖水土界面氮磷交换通量的时空差异[J].环境科学,2006,27(8):1537- 1543. ZHANG Lu,FAN Chengxin,WANG Jianjun,etal.Space-time dependent variances of ammonia and phosphorus flux on sediment-water interface in Lake Taihu[J].Environmental Science,2006,27(8):1537- 1543.

[30] 李文朝,尹澄清,陈开宁,等.关于湖泊沉积物磷释放及其测定方法的雏议[J].湖泊科学,1999,11(4):296- 303. LI Wenchao,YIN Chengqing,CHEN Kainin,etal.Discussion on phosphorous release from lake sediment[J].Journal of Lake Sciences,1999,11(4):296- 303.

[31] 纪道斌,刘德富,杨正健,等.三峡水库香溪河库湾水动力特性分析[J].中国科学,2010,40(1):101- 112. JI Daobin,LIU Defu,YANG Zhengjian,etal.Hydrodynamic characteristics of Xiangxi Bay in Three Gorges Reservoir[J].Science China,2010,40(1):101- 112.

[32] 宋林旭,刘德富,肖尚斌,等.基于SWAT模型的三峡库区香溪河非点源氮磷负荷模拟[J].环境科学学报,2013,33(1):267- 275. SONG Linxu,LIU Defu,XIAO Shangbin,etal.Study on non-point nitrogen and phosphorus load from Xiangxi River in the Three Gorges Reservoir area basedon SWAT[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2013,33(1):267- 275.

[33] 范成新,杨龙元,张路.太湖底泥及其间隙水中氮磷垂直分布及相互关系分析[J].湖泊科学,2000,12(4):359- 366. FAN Chengxin,YANG Longyuan,ZHANG Lu.The vertical distributions of nitrogen and phosphorus in the sedimentand interstitial water in Taihu Lake and their interrelations[J].Journal of Lake Sciences,2000,12(4):359- 366.

[34] 王敬富,陈敬安,曾艳,等.贵州红枫湖沉积物磷赋存形态的空间变化特征[J].湖泊科学,2012,24(5):789- 796. WANG Jingfu,CHEN Jingan,ZENG Yan,etal.Spatial distribution characteristics of phosphorus forms in sediment of Lake Hongfeng[J].Journal of Lake Sciences,2012,24(5):789- 796.

[35] 徐洋,陈敬安,王敬富,等.氧化还原条件对红枫湖沉积物磷释放影响的微尺度分析[J].湖泊科学,2016,28(1):68- 74. XU Yang,CHEN Jing′an,WANG Jingfu,etal.The micro-scale investigation on the effect of redox condition on the release of the sediment phosphorus in Lake Hongfeng[J].Journal of Lake Sciences,2016,28(1):68- 74.

Characteristics of Nutrient Exchange at the Sediment-Water Interface in Xiangxi Bay

LI Xin1, JI Daobin1, SONG Linxu1*, SU Qingqing1, CHEN Xiuxiu1, LIU Defu2

1.College of Hydraulic and Environmental Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China 2.School of Civil Engineering, Architecture and Environment, Key laboratory of Hubei Province for Lake Ecological Restoration and Algae in the Laboratory, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China

Overlying and sediment interstitial water samples from Xiangxi Bay were collected in June 2016 to study the nutrient exchange between sediment and water interfaces. The spatial distribution of nitrogen and phosphorus in the sediment was investigated, and correlation analysis between them was conducted. The results showed that the phosphorus concentration in the overlying water and sediment interstitial water of Xiangxi Bay ranged from 0.484 to 0.927 mgL and 0.511 to 2.220 mgL, respectively, and the nitrogen concentration ranged from 0.739 to 4.302 mgL and 3.571 to 14.011 mgL. The nitrogen and phosphorus concentrations in the overlying and interstitial water of the sediments had a certain variation along the stream and vertically. The interstitial water nitrogen and phosphorus concentrations in the upstream area were higher than those in the downstream area. The interstitial water nitrogen and phosphorus concentrations in the sediment were significantly larger than those in the overlying water. Xiangxi Bay sediment acts as a source of PO43--P and NH4+-N; however, for NO3--N it is a source in the middle and lower reaches and a sink in the upstream region. The diffusive flux of PO43--P ranged from 0.129 to 0.339 mg(m2·d); the diffusive flux of NH4+-N ranged from 0.213 to 1.415 mg(m2·d); and the diffusive flux of NO3--N ranged from -1.109 to 3.446 mg(m2·d). The environmental conditions of the overlying water have some influence on the nutrient exchange of the sediment-water interface, but the degree of influence is different.

Xiangxi Bay; nutrient; sediment-water interface; diffusive flux

2016-11-06

2017-04-16

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2014CB460601)；国家科技合作与交流专项项目(2014DFE70070)；国家自然科学基金青年基金项目(51509086)

李欣(1993-)，男，安徽芜湖人，463659591@qq.com.

*责任作者，宋林旭(1980-)，女，湖北咸宁人，副教授，博士，主要从事生态水工方面研究,280825327@qq.com

X55

1001- 6929(2017)08- 1212- 09

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.02.47

李欣,纪道斌,宋林旭,等.香溪河沉积物-水界面的营养盐交换特征[J].环境科学研究,2017,30(8):1212- 1220.

LI Xin,JI Daobin,SONG Linxu,etal.Characteristics of nutrient exchange at the sediment-water interface in Xiangxi Bay [J].Research of Environmental Sciences,2017,30(8):1212- 1220.