浅水湖泊沉积物-水界面可交换态氮赋存特征

燕文明,黄 列,,刘 凌,吴挺峰,王 汗,

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点试验室,江苏南京210098；2.南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008)

浅水湖泊沉积物-水界面可交换态氮赋存特征

燕文明1,黄 列1,2,刘 凌1,吴挺峰2,王 汗1,2

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点试验室,江苏南京210098；2.南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008)

以可交换态氮(EN)为主的负荷是湖泊水质的决定参数之一。以里下河地区受到不同人类活动方式影响的九龙口、大纵湖、蜈蚣湖和得胜湖4个浅水湖泊为研究对象,通过现场调查采样与实验测试方法,分析其沉积物-水界面中总氮(TN)和EN的分布特征。结果表明,EN的分布受人类活动方式影响明显；沉积物中的生物和微生物活动频繁,上覆水、间隙水和沉积物中的EN含量较低。另外,沉积物-水界面处的氧化还原条件对表层沉积物中EN的分布也有影响。

赋存特征；可交换态氮(EN)；沉积物-水界面；浅水湖

浅水湖泊是沉积物-水-生物等多介质相互作用的典型生态系统,具有水浅面阔、易受人类活动影响、易污染等特点。近年来,富营养化已成为浅水湖泊严重的水环境问题之一。据研究报道,氮不仅是水体初级生产力和食物链重要的生源要素,也是控制湖泊富营养化的关键营养盐之一[1]。在外源受到控制的情况下,沉积物中氮素以上覆水与间隙水为介质通过沉积物-水界面向湖泊水体释放是决定浅水湖营养状态的重要因素[2-3]。而沉积物中能直接释放到上覆水的氮形态是有所选择的,各形态氮含量及其占总氮(TN)的比例直接影响其在沉积物-水界面的释放过程[4]。研究表明,沉积物中可交换态氮(EN)是最易释放到水体中的氮形态,其含量在沉积物-水界面氮交换过程中起着重要作用[5]。因此,研究EN在沉积物-水界面的赋存特征和分布规律对湖泊富营养化的治理和控制有着积极作用。

表1 四个典型湖泊基本情况

表2 采样点位基本情况

里下河地区地处淮河流域,区内湖泊湖荡众多,湖泊生态环境复杂。由于近年来人类活动干扰的加剧,湖泊水环境遭受严重破坏[6]。本文选择该区内4个典型浅水湖泊为研究对象,通过实地采样、实验分析,进一步研究不同人类活动影响下浅水湖泊沉积物-水界面间EN垂向分布特征,探究上覆水、间隙水以及沉积物中各形态氮素的含量及分布规律,以期为浅水湖泊氮素污染控制和富营养化的治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于淮河中下游的里下河腹部区,区内沟、河、湖荡纵横,水网交错。受到人类活动的影响,近年来里下河地区的湖荡面积和水环境特征变化巨大。本研究选择该区域内的蜈蚣湖、得胜湖、九龙口和大纵湖4个典型浅水湖泊为研究对象,研究不同人类活动影响方式下浅水湖泊沉积物-水界面中的磷素赋存特征及垂向分布规律。四个湖泊的基本情况描述详见表1。

1.2 采样点布设

本文在4个浅水湖泊中设置8个采样点,采集上覆水和沉积物柱状样。8个采样点的具体情况见表2。

1.3 样品采集与处理

用有机玻璃采水器(ETC-1A)采集水面下0.5 m深处的水样,0～4 ℃保存,在48 h内完成相关指标的测定。间隙水使用原位底泥重力采样器(Rigo,Φ=9.0 cm)采集约20 cm深度的沉积物柱状样,分层后保存在便携式冰箱中运回实验室。用高速离心机(DZ6005- 49A, Beckman Coulter, USA) 6 000 r/min常温下离心20 min,得到沉积物间隙水。沉积物的采集方法与间隙水离心前的方法相同。沉积物样放入-80 ℃超低温冰箱(DW-HL388,中国,中科美菱)预冷3 h后,置于冻干机(ALPHA 1-2,德国CHRIST)中冻干,碾磨过100目筛,4 ℃保存。

实验室水样指标的测定方法主要参照国家环保局编写的《水和废水监测分析方法(第四版)》[7]。沉积物样品的分析方法参照《土壤农业化学分析方法》[8]。具体方法见表3。

表3 样品指标测定方法

2 结果与讨论

2.1 上覆水TN、EN分布特征

表4 上覆水中的TN和EN的含量 mg/L

图1 间隙水分布特征

2.2 间隙水TN、EN垂向分布特征

沉积物孔隙水所含的N能够在浓度梯度的作用下通过扩散作用或者风浪扰动产生悬浮,直接和上覆水进行物质交换,故而间隙水中的物质赋存和含量变化对上覆水体具有重要影响。本研究中沉积物间隙水中各形态N垂向分布特征如图1所示。

从图1可看出,总体上九龙口处3个采样点间隙水中的TN随深度增加呈现先增加后减小的趋势。以JLK4处最为明显,该点间隙水TN较高,转折点在3 cm处,且表层沉积物间隙水中TN明显高于其他采样点。WG和DZ的8 cm到20 cm沉积物间隙水中TN的分布特征呈现幅度较大的锯齿状变化,随深度的加深先增加而后呈现锯齿状波动趋势。DS、DZ5的TN分布随着深度增加,DZ5采样点0～3 cm增加较快,3 cm往下缓慢增加,在18 cm处突然减少。DS则从8 cm往下呈现缓慢增加的趋势。DZ5处于大纵湖的湖心区,水生植被较为旺盛,死亡后腐烂沉积于湖底,加上养殖污染等因素,沉积物中TN很高,由于浓度差的存在,部分TN释放到间隙水中导致间隙水浓度增大。

图2 湖泊沉积物垂向分布示意

2.3 沉积物TN、EN垂向分布特征

沉积物是水体内源负荷的重要来源。TN含量可反映沉积物营养水平；EN是湖泊沉积物N中最为活跃的部分。由图2可知,里下河地区的4个浅水湖泊,8个采样点的表层20 cm以上TN含量变化在139.8～4 623 mg/kg之间,平均为1 494.3 mg/kg,其中,DZ3采样点表层0.5 cm处的沉积物中TN含量最高,DS采样点3 cm处沉积物中的TN含量最低。四个湖泊采样点沉积物中的EN的垂向分布表现各异。

受湖区环境不同,各湖采样点TN分布表现不一。蜈蚣湖和大纵湖表层2 cm以上的沉积物中TN明显高于其他4个采样点,可能是由于大型水生植物死亡残体的多年聚集；而DS表层7 cm以上沉积物中的TN较低,从8 cm开始增加,而后随深度增加变化缓慢；DZ5表层7 cm以上沉积物中的TN含量较大,8 cm以下基本上呈现随深度增加而缓慢降低的趋势。WG、DZ则是随深度的加深先增加而后呈现锯齿状波动趋势。DS则从8 cm往下呈现缓慢增加的趋势。九龙口3个采样点沉积物中的TN较低,是因为沉积物N的主要蓄积层位主要位于沉积物的表层,而该处表层底泥刚经过疏浚。

3 结 论

通过对里下河地区的九龙口、大纵湖、蜈蚣湖和得胜湖4个受到不同方式人类活动影响的浅水湖泊沉积物-水界面可交换态氮的分布特征进行研究分析,可得出如下结论:

[1]王少梅. 武汉东湖沉积物中氮和磷释放试验[J]. 水生生物学报, 1991(4)： 379- 380．

[2]姜霞, 钟立香, 王书航, 等. 巢湖水华暴发期水-沉积物界面溶解性氮形态的变化[J]. 中国环境科学, 2009, 29(11)： 1158- 1163．

[3]FELLMAN J B, D’AMORE D V. Nitrogen and phosphorus mineralization in three wetland types in southeast Alaska, USA[J]. Wetlands, 2007, 27(1)： 44- 53．

[4]ATHITHAN S, RAMANATHAN N, RAMADHAS V. Chemical speciation of sedimentary nitrogen and phosphorous in integrated fish/pig farming system[J]. Indian Journal of Fisheries, 2009, 56(2)： 107- 114．

[5]王书航, 姜霞, 钟立香,等. 巢湖沉积物不同形态氮季节性赋存特征[J]. 环境科学, 2010, 31(4)： 946- 953．

[6]钱明海, 张有松, 黎静. 里下河腹部地区湖泊湖荡保护与管理思路探索[J]. 江苏水利, 2011(8)： 31- 31．

[7]国家环境保护总局编. 水和废水监测分析方法(第四版)[M]. 北京： 中国环境科学出版社, 2002．

[8]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京： 中国农业科技出版社, 2000．

[9]吴文成, 任露陆. 珠江广州段上覆水及间隙水中氮的分布特征[J]. 环境科学与技术, 2013(7)： 39- 43．

[10]高效江, 张念礼, 陈振楼, 等. 上海滨岸潮滩水沉积物中无机氮的季节性变化[J]. 地理学报, 2002(04)： 407- 412．

[11]LIVINGSTONE M W, SMITH R V, LAUGHLIN R J. A spatial study of denitrification potential of sediments in Belfast and Strangford Loughs and its significance[J]. Science of the Total Environment, 2000, 251: 369- 380．

(责任编辑 陈 萍)

溧阳抽水蓄能电站第3台机组顺利投产发电

2017年4月5日，由中国水利水电第五工程局有限公司承建的江苏溧阳抽水蓄能电站第3台(4号)机组一次性顺利通过15天考核试运行，正式投入商业运行。4号机组的顺利投产发电是继1月9日首台(6号)机组投产发电和2月25日5号机组投产发电实现的的又一重大节点目标。

江苏溧阳抽水蓄能电站地处江苏省溧阳市，由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成，电站安装6台单机容量25万kW的可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量150万kW，是江苏省迄今为止规模最大的抽水蓄能电站工程，被列入国家首批拉动内需项目。水电五局承建了全部6台机组安装、上下库及尾闸室的金属结构安装，上水库库盆等施工任务。

4号机组自春节期间开始分部工程调试，项目部精心组织、精细调试。在15天考核试运行期间，机组共开机36次，每天启动次数不少于2次。其中：发电工况启动21次，成功21次，启动成功率均为100%；水泵工况启动15次，成功15次，启动成功率为100%。

通过前面2台机组的调试和试运行，4号机组调试工期较首台(6号)和5号机组分别缩短了10天和7天，机组各导轴瓦处摆度均小于100 μm，机组振动均小于20 μm，导轴瓦之间的相互温差小于7 ℃。机组安全、稳定、可靠地完成了试运行，得到了业主、设计、监理及设备厂家的一致好评。

溧阳抽水蓄能电站3号机组目前已完成抽水及发电试运行，1号、2号机组于3月29日通过质量监督总站的检查验收具备启动条件，上水库在3月30日达到正常蓄水位，为顺利完成后续机组的调试发电任务，实现“一年六投”的重大节点目标创造了条件，也为水电五局市场开发树立了良好的品牌形象。

(郝盟盟)

Characteristics of Exchangeable Nitrogen Occurrence in Sediment-water Interface of Shallow Lakes

YAN Wenming1, HUANG Lie1,2, LIU Ling1, WU Tingfeng2, WANG Han1,2
(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China; 2. Nanjing Institute of Geography & Limnology, Nanjing 210008, Jiangsu, China)

The Nitrogen load, which is mainly composed of exchangeable nitrogen, is one of the determinants of lake water quality. Four shallow lakes of Jiulong Kou, Dazong Lake, Wugong Lake and Desheng Lake, which are affected by different human activities in Lixiahe area, are selected as study objects, the distribution characteristics of total nitrogen and exchangeable nitrogen in sediment-water interface are analyzed by field investigation and experiment. The results show that, (a) the distribution of exchangeable nitrogen is significantly affected by human activities; and (b) as the biological and microbial activities in sediments are frequent, the content of exchangeable nitrogen in overlying water, interstitial water and sediments are low. In addition, the redox conditions at sediment-water interface also influence the distribution of exchangeable nitrogen in surface sediments．

occurrence characteristic; exchangeable nitrogen; interface of sediment and water; shallow lake

2016- 10- 14

国家自然科学基金资助项目(41301531；41471021)

燕文明(1982—),女,江苏沛县人,高级实验师,博士,主要从事环境水文及水环境保护研究；吴挺峰(通讯作者)．

X524

A

0559- 9342(2017)05- 0005- 05