滇池北部示范区水体和沉积物中氮的分布特征研究

(云南省环境科学研究院，云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室，云南 昆明 650034)

滇池北部示范区水体和沉积物中氮的分布特征研究

宋迪
(云南省环境科学研究院，云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室，云南 昆明 650034)

根据对滇池北部示范区水体中总氮、氨氮和硝氮及沉积物中总氮和离子交换态氮的分析，阐述了研究区水体和沉积物中氮的时空分布特征和来源。得出近河口处受盘龙江汇入滇池北部的外源输入营养盐的影响更大，而相对远离河口的区域则受湖泊沉积物内源和湖体流场导致的水体中营养盐的空间交换影响更为显著。

沉积物；氮；时空分布；特征；滇池

随着城市化和工业化的逐步发展，城市水体的富营养化状况成为日益严重的问题[1]，该特征在近年来的滇池表现十分显著[2]。湖泊中的氮对于水生生物生命活动具有重要意义，是水生生态系统所必须的关键元素，同时也是引起湖泊富营养化重要的限制性营养物质[3]。湖泊中氮的主要来源是诸如降雨、径流、工业排放和生活污水等外部来源；此外，在特定的环境条件下，也有如沉积物和水生生物的物理化学及生物反应所产生的内源。

针对滇池外流域补水工程实施后湖泊水体区域水资源利用系统边界条件发生重大变化的特征，本研究从整体上研究了滇池北部示范区内氮营养物质在水体和沉积物中的时间和空间分布特征，为开展补水工程的湖内水质改善技术研究及提出有利于滇池水质改善的分配利用方案提供基础数据和科学借鉴。

1 材料与方法

1.1 采样点位

本项目的研究区域为滇池北岸已建成示范区向西延伸至盘龙江河口，共布点3个。其中示范区内布点1个(S1)；已建成示范区外至盘龙江口2 km2范围内布点2个，分别为S2和S3(见图1)[4]。

1.2 样品采集

采集水质样品的时间为2014年4月—2016年1月，在风浪较小的晴天进行，每个采样点采集表层水样品。

采集沉积物样品在2013年5月风浪较小的时候进行，在每个采样点采集原状低扰动柱状沉积物样品。用GPS定位采样点的实际坐标，样品采用柱状沉积物采样器采集。将现场采集的柱状沉积物从表层至10 cm深度每1 cm分割为一份样品，其余每2 cm分隔为一份样品。干燥充分后，研磨过100目筛。

1.3 研究区域

研究区域毗邻滇池北岸和盘龙江河口，平均深度约3 m，水深范围2～4 m。与此同时，研究区域毗邻的湖岸由石坝构成，有效防止了水土流失所产生的外源营养盐的输入。因此该研究区域内所受的外源营养相对较为简单。该研究区域面积约为2 km2，需水量约为6×106m3。1999—2008年，由盘龙江直接汇入研究区域的水量约为0.11～77.30 m3/s。

1.4 分析方法

本研究分析了研究区域内水质中总氮(TN)、氨氮(NH4-N)和硝氮(NO3-N)，以及沉积物中的总氮(TN)和离子交换态氮(IEF-N)。其中沉积物中TN采用了Hansen和Koroleff提出的分光光度法[5]；IEF采用了宋金明等人提出的氮分级浸取法[6]。

2 结果与讨论

各点位表层水中高锰酸盐指数、悬浮物(SS)、pH、溶解氧(DO)和叶绿素a见表1。

表1 各点位的高锰酸盐指数、SS、pH、DO和叶绿素a浓度 (mg/L)

2.1 研究区域水体中氮的分布特征

已建成示范区的S1点表层水中TN、NH4-N和NO3-N变化范围分别为1.502～11.447 mg/L、0.080～0.995 mg/L、0.281～1.676 mg/L(图2)。TN含量最高值出现在2015年6月，最低值出现在2015年1月，研究时段内除2014年5月和2015年1月外，其余时间TN含量都超过Ⅴ类水质标准。2015年TN含量相对于2014年有所上升，且该点位时间变化相对比较明显，2014年和2015年S1点TN皆分别呈现出随时间变化先增加后减小的趋势。NH4-N含量优于Ⅲ类水质标准，相对于NH4-N，NO3-N含量更高，对TN的贡献更大。

S2点表层水中TN、NH4-N和NO3-N变化范围分别为1.482～11.272 mg/L、0.067～0.839 mg/L和0.260～2.636 mg/L(图3)。TN含量最高值出现在2015年7月，最低值出现在2015年1月。2015年TN 含量与2014年有所升高。研究时段内除2015年1月外，其余时间TN含量都超过Ⅴ类水质标准。与S1点相似，2015年TN含量相对于2014年有所上升，且2015年S2点TN呈现出随时间变化先增加后减小的显著趋势。NH4-N含量优于Ⅲ类水质标准，相对于NH4-N，NO3-N含量更高，对TN的贡献更大。

S3点表层水中TN、NH4-N、NO3-N变化范围分别为1.901～12.012 mg/L、0.132～11.347 mg/L和0.281～3.849 mg/L(图4)。TN含量最高值出现在2014年10月，最低值出现在2014年4月。与S1和S2不同，S3点TN和NH3-N含量从2014年10月开始整体呈随时间变化而降低，最终于2015年趋于平稳。研究时段内除2014年4月外，其余时间TN含量都超过Ⅴ类水质标准。NH4-N含量相对较高。

从空间分布来看，各点位TN含量总体相差不大，但相对远离河口的S1和S2点位与位于盘龙江口S3点的TN和NH4-N的时间分布变化差异明显，这可能是由于近河口的S3点受盘龙江汇入滇池北部的诸如生活污水等外源输入营养盐的影响更大，而相对远离河口的S1和S2则受湖泊沉积物内源和湖体流场导致的水体中营养盐的空间交换影响更为显著，其中S1点所在的已建成示范区位置位于湖湾处，因此可能导致了其水体中TN含量受不同季节湖流的影响呈现出相对于其他点位更显著的周期性变化。

2.2 研究区域沉积物中氮的分布特征

沉积物中的TN可以衡量湖泊的潜在生产力[7]。S1、S2和S3点位沉积物中TN含量分别为1379.37～2503.28 mg/kg、1706.53～3076.24 mg/kg和1893.93～4310.27 mg/kg(图5)。各点位沉积物中TN平均含量呈S3>S2>S1，其中最大值出现在S3点的表层。从垂向分布来看，各点位沉积物中TN基本都呈现出相对复杂的变化趋势，其中S2和S3点位的TN含量随深度增加整体上呈现不同程度的下降。同时从水平分布来看，研究结果表明从盘龙江河口向湖体延伸，沉积物中TN负荷逐渐降低。

IEF-N是沉积物氮中稳定性相对最弱且最易参与沉积物-水界面循环的组分[6]。IEF-N含量通常相对较低，S1、S2和S3点位沉积物中IEF-N含量分别为85.65～318.43 mg/kg、154.29～338.23 mg/kg和112.11～195.46 mg/kg(图6)。各点位沉积物中TN平均含量呈S2>S3>S1。从垂向分布看，各点位沉积物中TN含量随深度的增加皆呈现出不同程度的下降，其中S2点的变化趋势相对更为显著。这是由于沉积物中有机质的矿化作用主要发生在含氧层，而随着深度的增加，矿化作用呈逐渐减弱的趋势，从而导致各点位沉积物中IEF-N含量随深度下降。然而S1点沉积物深度超过17 cm后IEF-N的含量显著上升，这可能是由于S1所在的湖湾处沉积过程相对复杂所导致的。

3 结论

本研究通过调查分析滇池北部示范区水体和沉积物中氮的分布特征，得出以下结论：

研究区域内各点位水体中TN含量总体差别较小，但各季节基本均超过Ⅴ类水质标准。滇池北部示范区所处湖体相对于盘龙江河口水体中TN含量随时间变化趋势差异较大。除盘龙江河口处，各点位水体中NH4-N含量在不同季节均优于Ⅲ类水质标准。

各点位沉积物中TN含量随着深度增加整体上呈现不同程度的减少，同时，从盘龙江河口向湖体延伸，沉积物中TN负荷逐渐降低。各点位沉积物中IEF-N含量相对较低，但变化趋势整体上与TN相似，呈现随深度增加而下降的趋势，表明研究区内沉积物中氮可能存在一定的释放风险。

[1]余先旭，孙石，朱宝平，胡永康.磷与湖泊富营养化[J].环境科学导刊,2005,24(1):36-38.

[2]AV Gray, L Wang. Case study on water quality modelling of Dianchi lake, Yunnan province, South West China[J]. Water Science & Technology, 1999, 40(2):35-43.

[3]Thirunavukkarasu, O.S.,Viraraghavan, T,and Selvapathy, P. A comparative account of phosphorus release from sediments of a lake and a reservoir: Laboratory experiments[J]. Fresenius Environmental Bulletin, 2000, 9(7): 461-467.

[4] 宋迪，武孔焕. 滇池北部示范区沉积物磷的分布特征研究[J]. 环境科学导刊，2014，33(6): 1-5.

[5]Hansen, H. P.Koroleff, F.Determination of nutrients. In: Grasshoff K, Kremling K, Ehrhardt M (eds) Methods of seawater analysis, 3rd edn[M]. VerlagChemieGmbh, Weinheim, 1999:159-228.

[6] Song,J.M., Ma,H.B. and Lü, X.X. Nitrogen forms anddecomposition of organic carbon in the southern Bohai Sea coresediments[J].Acta.Oceanologica.Sinica, 2002(21)：87-95.

[7]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, 166-170.

SpatiotemporalDistributionofNitrogeninWaterandSedimentofDemonstrationZoneinNorthBayofDianchiLake

SONG Di
(Yunnan Institute of Environmental Science, Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake-watershed, Kunming Yunnan 650034, China)

Total nitrogen, ammonia nitrogen and nitrate nitrogen of water samples and total nitrogen, exchangeable nitrogen of sediment samples collected from the northern bay in Dianchi Lake were analyzed. The spatiotemporal distribution and source of nitrogen were discussed. The results showed that the nutrient load of estuary was influenced observably by external source, beside with the distance of the estuary, the effect of internal source and water exchange by flow field were more significant.

sediment; nitrogen; spatiotemporal distribution; Dianchi Lake

2017-01-16

水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07102-006-02)。

X52

A

1673-9655(2017)06-0027-04