巢湖湖滨带生态修复湿地沉积物氮磷的时空分布特征

张祥霖， 黄百顺， 蒯圣龙， 尹 程

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

湖滨带作为水陆交错带[1],其底质与生态系统可大量吸收、过滤、拦截、降解水体氮磷等营养元素,湖滨带生态湿地工程作为一种经济、安全的修复措施,可有效的控制富营养化水体内外源污染[2],但目前研究大多集中于水体与沉积物现状调查,对生态湿地工程建设后湖滨带沉积物营养元素时空变化情况研究还较少。本研究以巢湖综合治理项目之一的巢湖花塘河河口生态修复湿地区域为研究对象,对照河对岸的未修复湿地区域,对两个区域内沉积物中的全氮、氨氮,硝态氮、总磷等污染元素进行了一周年的调查、采样与分析,研究其不同位置、不同深度、不同时间的变化情况,以期为巢湖湖滨带修复工程提供数据支撑,也为其它湖泊生态湿地建设积累资料。

1 研究方法

研究区位于花塘河入湖河口东西两侧,分为生态修复区与对照区。生态修复区位于花塘河入湖河口处西侧,占地483亩,修复工程包括潜流湿地,表流湿地等,该区人工种植了大量芦苇、美人蕉、香蒲等植物。对照区位于花塘河入湖河口处东侧,以鱼塘湿地为主,植物较少,主要种类为芦苇、狗尾草,伴生少量梭鱼草。生态湿地工程建设前两侧土地利用状况、湿地类型、生态系统状况基本一致。于2017-01、03、05、07、09、12月,选取沉积物较厚处,使用GPS定位后,在生态修复区和对照区的近水区、中水区和远水区中,分别选择3个具有代表性的点采样,沉积物样品使用柱状采泥器采集,采样深度20cm,每5cm分1层,每层样品混匀后装密封袋带回实验室后风干过筛备用。

凯式定氮法测定沉积物样品全氮含量,紫外分光光度法测定沉积物样品硝态氮含量,苯酚次氯酸钠分光光度法测定沉积物样品氨氮含量,SMT法测定沉积物样品全磷含量,烘干法测定含水率,测定结果以沉积物干重计。

2 结果与讨论

2.1 表层沉积物氮磷空间变异特征

研究区内各采样点表层(0-10cm)沉积物氮磷含量如表1所列。对照区全氮、总磷平均含量分别为1391.37 mg/kg、395.02 mg/kg,这与安宗胜等2010年对巢湖水体表层沉积物的检测结果1404.46 mg/kg、408.87 mg/kg近似[3],说明巢湖水体潜在污染与富营养化风险并未得到较好的改观。生态修复区全氮、总磷平均含量分别为1118.07 mg/kg、278.63 mg/kg,在近似的外源输入条件下,较对照区减少约19.7%和29.5%,说明生态修复工程的运行对基底沉积物氮磷类污染物的去除效果明显。

表1 表层沉积物氮磷含量 mg/kg

由表1可知,生态修复区硝态氮相较于对照区削减约17.9%;生态修复区氨氮含量比对照区降低约41.2%,可见生态修复工程对氨氮的削减是巨大的,湖滨带生态修复湿地良好的生态系统的对内外源污染的净化功能是稳定水体,防治湖体富营养化的有效保证。

从水分梯度上看,生态修复区表层沉积物各形态氮磷含量均呈现近水端>中水端>远水端的趋势,对照区全氮与总磷含量为近水端≈中水端>远水端,这是由于研究区内近水端受湖水水体输移作用影响较大,输入的颗粒污染物和藻类的沉降导致氮磷含量较高,而修复区中水端由于有植物的拦截、吸收等作用,使氮磷含量较对照区有明显的降低[4],对区域内氮磷污染去除的效果在该段表现的最为突出,说明生态修复在水陆交界面对氮磷污染有很强的去除效果。对照区表层沉积物氨氮、硝态氮含量表现为近水端>中水端>远水端,但对比修复区与对照区硝态氮含量可发现,在近水端二者的硝态氮含量水平差距很小,在中水端与远水端则要大很多。这可能是湖体藻类爆发生长后高浓度的硝态氮进入沉积物[5],而修复区密集的植物对藻类起了一定的拦截作用。

2.2 表层沉积物氮磷时空动态变化

研究区表层沉积物中全氮含量不同月份动态变化表2所列,在2017 1年的时间内,研究区各点的全氮含量都遵循先上升后下降的趋势,在7月到达峰值,随后逐渐下降。01-3月修复区沉积物总氮含量偏低,这一方面由于温度偏低以及面源污染减缓所致,另一方面3月修复区内植物开始恢复生长也是该月全氮偏低的重要因素[6]。值得注意的是,12月修复区全氮含量与01月相比明显偏高,这可能是因为修复区内1年生植物没有及时收割管理,植物残渣进入沉积物并分解释放出氮素的缘故[7]。

由表2可知,全年所有月份修复区沉积物中氨氮与硝态氮平均含量均小于对照区,且与总氮相比比例扩大。修复区氨氮含量1月最低,因为温度很低,微生物活性减弱,有机氮转换为无机氮速率降低,随后随着温度的升高逐渐上升,在7-9月最高,之后缓慢下降,修复区沉积物7月、09月无机氮的高含量主要受在此区域内的堆积的藻类影响,夏季巢湖水流的将大量藻体移向岸带输移,随后沉降于底质内,在微生物的作用下部分被分解转换为氨氮[8]。

表2 表层沉积物氮磷不同月份平均含量 mg/kg

修复区沉积物中总磷的变化幅度相对较小,总的来说从01月-07月逐渐上升,随后缓慢下降,所有月份对照区沉积物总磷含量均大于修复区,随时间变化趋势与修复区相同。

2.3 沉积物氮磷垂直分布特征

沉积物氮磷垂直分布特征如图1～图4所示。

由图1可知,全氮含量在垂直距离上均随深度的增加而下降,巢湖湿地沉积物这方面研究较少,但与太湖湖滨沉积物全氮的垂直分布类似[9],说明随着深度的增加氮素污染的程度逐渐降低,如何降低沉积物表层氮素的量是减少其内源污染的关键。 氨氮含量则先升后降在5cm～10cm处达到峰值如图2所示。随后在10cm～15cm处出现较大幅度的降低,主要因为表层泥水交界面含氧量高,好氧微生物较活跃,对氨氮的分解较快,此外水生生物特别是藻类对氨氮的吸收也是表层氨氮含量低于亚表层的重要原因。硝氮的垂直分布规律如图3所示。除修复区中水端外其它各点位硝氮的平均含量均随深度的增加而下降,但降幅很小,这一方面由于随着深度的增加沉积物中氧的含量逐渐减少,使得硝化反应被抑制,反硝化反应加速,导致硝氮的汇随着深度的增加而增加,另一方面藻类等水生生物的衰亡与沉积导致的硝态氮释放会使上层沉积物中硝氮含量减少[1],上述两方面共同的作用导致了沉积物中硝氮含量的垂直分布特征。研究区各点沉积物总磷的平均含量均有自上而下减少的趋势如图4所示。虽然生态修复区内上层磷含量削减量大,但湖体中污染磷的沉积仍整个区域内磷负荷仍有有逐渐增加的趋势。

图1 研究区沉积物TN含量垂直分布

图2 研究区沉积物NH4+-N含量垂直分布

图3研究区沉积物NO3-N含量垂直分布

图4 研究区沉积物TP含量垂直分布

3 结 论

根据研究得出的结论如下:① 研究区内巢湖湖滨湿地表层沉积物各形态氮磷含量生态修复区均小于对照区,相较于对照区,生态修复区表层沉积物中总磷含量降低了约29.5%,全氮含量减少了约19.7%,硝态氮减少了约17.9%,氨氮的降幅最大,为41.2%,反映了经修复后的湖滨带湿地生态系统具有强大净化能力,因此对巢湖滨带生态系统保护和恢复是对于削减内(外)源污染负荷,降低湖体富营养化程度的重要手段。② 据湖体远近的不同水分梯度点位沉积物中全氮和总磷平均含量排列为:生态修复区近水端>中水端>远水端,对照区近水端≈中水端>远水端;生态修复区和对照区中氨氮、硝态氮平均含量排列均为:生态修复区近水端>中水端>远水端。③ 研究区湖滨湿地表层沉积物全氮、氨氮、硝态氮和总磷含量全年的时空分布为,01-03月从最低值开始缓慢上升,03-07月增速逐渐加快,在07月达到峰值,然后缓慢下降,在12月生态修复区内全氮、氨氮、硝态氮和总磷平均含量仍保存相对较高的值,这可能是衰亡的修复区植物释放出的营养元素造成的,因此加强生态修复区管理,及时收割1年生植物是巢湖湖滨生态修复工程后续应关注的。④ 沉积物中全氮、总磷含量的垂向变化为随着深度的增加而减少;氨氮含量垂向分布则为先上升,5cm～10cm处最大,随后迅速下降;硝态氮修复区中水端垂向各层含量基本相同,其它各点均呈现自上而下减少的趋势。