東北典型湖庫水體中可溶性氮的分異規(guī)律研究

宣鵬里，許其功，魏自民*，毛玉梅，趙國鵬，李玉華，熊善高

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

近年來，由于湖庫周邊人類活動(dòng)的增多，致使湖庫發(fā)生富營養(yǎng)化的幾率越來越高，并帶來一系列問題，如環(huán)境惡化、經(jīng)濟(jì)損失等[1－2]。我國的東部和南部地區(qū)為富營養(yǎng)化較重的地區(qū)，常暴發(fā)藍(lán)藻水華等[3]，國外對(duì)此也有報(bào)道[4]。東北地區(qū)由于氣溫等環(huán)境因素限制了藻類在湖庫中的暴發(fā)[5]，水華現(xiàn)象相對(duì)較輕。氮素是湖庫發(fā)生富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制性因子之一，同時(shí)也是影響水體初級(jí)生產(chǎn)力的重要因素[6]，其中可溶性氮是生物利用氮的最直接形式，如大型水生植物直接吸收硝態(tài)氮，藻類直接利用氨態(tài)氮[7]，微生物將可溶性有機(jī)氮礦化為氨態(tài)氮等。目前文獻(xiàn)報(bào)道多針對(duì)我國東部、南部富營養(yǎng)化湖庫水體中的總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮分布規(guī)律進(jìn)行研究[8－10]，而對(duì)東北典型湖庫可溶性總氮及賦存形態(tài)的湖庫間差異的研究鮮有報(bào)道。本研究通過對(duì)東北典型湖庫水體中可溶性總氮及其組分分異規(guī)律進(jìn)行分析，以期為預(yù)防和控制東北湖庫富營養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣品的采集及分析方法

1.1 采樣點(diǎn)及采樣方法

2010年10月份對(duì)東北典型湖庫的水樣進(jìn)行采集，湖庫的基本信息見表1。首先利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位，用有機(jī)玻璃采水器對(duì)水樣進(jìn)行采集，裝入聚乙烯塑料瓶，現(xiàn)場(chǎng)加入固定劑后冷藏，及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

表1 湖庫的基本信息Table 1 Basic information of lakes and reservoirs

圖1 湖庫分布Fig.1 Distribution of lakes and reservoirs

1.2 分析指標(biāo)及方法

1.2.1 測(cè)定方法

采集的樣品可溶性總氮TDN經(jīng)0.45 μm醋酸纖維素濾膜過濾后，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度計(jì)法測(cè)定；氨態(tài)氮NH4+－N和硝態(tài)氮NO3－－N測(cè)定之前水樣因渾濁或有機(jī)質(zhì)顯顏色而干擾測(cè)定結(jié)果，經(jīng)絮凝沉淀將其除去，NH4+－N采用納氏試劑光度法測(cè)定，NO3－－N采用紫外分光光度法測(cè)定；水體中可溶性無機(jī)氮DIN 為 NH4+－N 與NO3－－N 之和；可溶性有機(jī)氮DON為TDN與DIN的差值[11－12]。

1.2.2 數(shù)據(jù)及分析方法

對(duì)每個(gè)湖庫進(jìn)行樣品采集時(shí)，設(shè)立多個(gè)采樣點(diǎn)（五大連池6個(gè)、興凱湖6個(gè)、鏡泊湖6個(gè)、紅旗泡8個(gè)、連環(huán)湖5個(gè)、桃山水庫8個(gè)、大伙房水庫5個(gè)、松花湖7個(gè)），樣品檢測(cè)后各湖庫均取平均值進(jìn)行比較。利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 18.0對(duì)湖庫水體 TDN、NH4+－N、NO3－－N、DIN、DON 五項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 可溶性總氮及各賦存形態(tài)含量在不同湖庫水體間的差異

2.1.1 可溶性總氮在不同湖庫水體間的分布

由圖2可知，各湖泊間TDN含量差異較明顯。大伙房水庫和松花湖的TDN含量最高，分別為2.66和2.40 mg·L－1，其次為鏡泊湖（1.66 mg·L－1），而TDN含量最低的紅旗泡（0.35 mg·L－1）僅有大伙房水庫含量的13.2%。這可能由于大伙房水庫和松花湖在采樣時(shí)由于多日連續(xù)降大到暴雨，形成的地表徑流攜帶大量氮素匯入湖中，導(dǎo)致氮水平偏高。

圖2 可溶性總氮在不同湖庫水體間的分布Fig.2 TDN of different lakes and reservoirs

2.1.2 無機(jī)態(tài)氮和硝態(tài)氮在不同湖庫水體間的分布

結(jié)合DIN與NO3－－N（見圖3）可知，兩者在各湖庫之間的差異變化極為相似，DIN含量較高者NO3－－N含量也相對(duì)較高。DIN的兩個(gè)最高值比較接近，分別是大伙房水庫的2.54 mg·L－1和松花湖的2.37 mg·L－1；處于中間水平的為連環(huán)湖的0.70 mg·L－1和鏡泊湖的0.83 mg·L－1；其余4個(gè)湖庫在0.17～0.39 mg·L－1范圍內(nèi)變化。同時(shí)各湖庫水體NO3－－N變化差異十分明顯，最低值五大連池僅為0.10 mg·L－1，最高值大伙房水庫為2.50 mg·L－1，兩者間相差25.0倍，但多數(shù)湖庫NO3－－N水平較低，在0.10～0.70 mg·L－1范圍之內(nèi)。其中五大連池、興凱湖、紅旗泡、連環(huán)湖、桃山水庫淺水部分水域有大面積的沉水植物及浮葉植物分布，這些水生植物從環(huán)境介質(zhì)中吸收營養(yǎng)鹽合成自身物質(zhì)，尤其是優(yōu)先吸收NO3－－N，可能是這些湖庫NO3－－N含量較低直接原因。

圖3 無機(jī)態(tài)氮和硝態(tài)氮在不同湖庫水體間的分布Fig.3 DIN and NO3 --N of different lakes and reservoirs

2.1.3 可溶性有機(jī)態(tài)氮和氨態(tài)氮在不同湖庫水體間的分布

前人研究表明，沉積物中的氮素主要是有機(jī)態(tài)氮，同時(shí)有機(jī)態(tài)氮礦化的第一產(chǎn)物是NH4+－N[13]，沉積物中氮主要以NH4+－N的形式釋放到水體中[7]，水體中微生物也將有機(jī)態(tài)氮礦化為NH4+－N，故將水體TDN組成成分中的DON和NH4+－N分為一組進(jìn)行比較。

圖4 有機(jī)態(tài)氮和氨態(tài)氮在不同湖庫水體間的分布Fig.4 DON and NH4 +-N of different lakes and reservoirs

由圖4可知，NH4+－N與DON各湖庫之間的差異相似，均為大伙房水庫和松花湖含量最低。DON在各湖庫之間含量均有明顯分異，已達(dá)27.7倍，最低值松花湖僅為0.03 mg·L－1，鏡泊湖含量最高，達(dá)到0.83 mg·L－1。NH4+－N濃度在湖庫之間最大相差約 7 倍，大部分在 0.05～0.15 mg·L－1的范圍波動(dòng)，連環(huán)湖的NH4+－N含量最大（0.21 mg·L－1）。造成這種分布規(guī)律的原因主要是連環(huán)湖和興凱湖平均采樣深度最淺，分別為0.9和2.3 m，且在風(fēng)力作用下水體劇烈擾動(dòng)，致使沉積物中DON及吸附態(tài)的NH4+－N釋放加??；相反大伙房水庫和松花湖兩者深度都超過20.0 m，水體擾動(dòng)對(duì)沉積物影響很小且水樣清澈，沉積物中DON及吸附態(tài)的NH4+－N釋放并不明顯；鏡泊湖雖平均深度較大（17.1 m），但可觀測(cè)到DON值較高，可能與采樣時(shí)水體十分渾濁導(dǎo)致沉積物中DON的釋放有關(guān)。

2.2 湖庫水體可溶性總氮組份比例差異性分析

結(jié)合圖5，對(duì)比鏡泊湖、大伙房水庫和松花湖三個(gè)深水湖庫，大伙房水庫和松花湖NO3－－N是DIN和TDN的主要組成部分，其中NO3－－N占TDN的比例分別為94.0%、97.5%，NO3－－N含量占DIN的比例分別為98.9%、98.5%。鏡泊湖雖然也是深水湖，但TDN的主要組成部分是DON，其次為NH4+－N，DON、NH4+－N的所占TDN比例較前兩個(gè)湖庫均有很大提高。鏡泊湖的DON為49.9%，分別是大伙房水庫的11.0倍和松花湖的35.7倍，同時(shí)NH4+－N占TDN的6.8%，分別是大伙房水庫的3.1倍和松花湖的4.2倍。

圖5 湖庫水體可溶性總氮各組分組成比例差異Fig.5 Proportion of TDN of different lakes and reservoirs

除此三者之外，五大連池、興凱湖、紅旗泡水體中TDN的主要組成部分為DON，所占TDN比例均超過50.0%，最高的五大連池已達(dá)到60.7%；DIN的比例為NO3－－N與NH4+－N之和，在39.3%～49.0%范圍內(nèi)變化，差距并不大；三者NH4+－N的比例浮動(dòng)范圍在14.4%～21.5%，較深水湖庫（松花湖、大伙房水庫）提高了約10倍以上。對(duì)比8個(gè)湖庫，桃山水庫NH4+－N含量最高，達(dá)到22.9%。

結(jié)合湖庫地理位置來看（見表1），TDN組分中以DON和NH4+－N為主的六個(gè)湖庫（五大連池、興凱湖、鏡泊湖、桃山水庫、連環(huán)湖、紅旗泡）均位于黑龍江省境內(nèi)，且DON與NH4+－N的比例之和均超過50.0%，而以NO3－－N為主的大伙房水庫和松花湖分別位于遼寧省和吉林省境內(nèi)。

2.3 湖庫水體可溶性總氮及各賦存形態(tài)相關(guān)性

利用 SPSS 18.0 對(duì)湖庫水體 TDN、NH4+－N、NO3－－N、DIN、DON五項(xiàng)指標(biāo)的50組數(shù)值Pearson相關(guān)系數(shù)的雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)分析結(jié)果如下：

表2結(jié)果表明，①結(jié)合TDN、DIN與NO3－－N三者比較，TDN與DIN呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（r=0.961，P＜0.01，n=50），說明水體中的DIN是TDN變化的主要因素；DIN與NO3－－N相關(guān)性在這三者中最顯著，在P＜0.01的水平上達(dá)到了最高的r=0.997，這兩者呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，表示NO3－－N與DIN在水體中含量變化趨勢(shì)近似相同，這與圖3中兩者相比較的結(jié)果一致；同時(shí)TDN與NO3－－N又呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.951，P＜0.01，r=50）。綜合此三項(xiàng)結(jié)果可以初步判斷NO3－－N是水體可溶性總氮的最主要因素。②DIN與NH4+－N、DON均在P＜0.01水平呈極顯著性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為r=－0.42和r=－0.39，進(jìn)一步證明DIN與NO3－－N是TDN的決定性因素。③NH4+－N與DON呈顯著正相關(guān)，說明水體中DON能被較好地礦化為無機(jī)的NH4+－N；NH4+－N 與 NO3－－N 之間呈顯著負(fù)相關(guān)（r=－0.486，P＜0.01，r=50），表明NO3－－N與NH4+－N在湖庫中分布趨勢(shì)大體相反。④TDN與NH4+－N在P＜0.05水平上為較顯著負(fù)相關(guān)。⑤TDN與DON未呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。

2.4 湖庫水體富營養(yǎng)化的控制

綜合分析結(jié)果可以看出，東北典型湖庫水體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，為使水體恢復(fù)較好水質(zhì)，應(yīng)降低湖庫營養(yǎng)鹽的輸入量，對(duì)湖庫周邊生態(tài)功能等進(jìn)行規(guī)劃并采取相應(yīng)的措施。例如種殖業(yè)中合理施用化肥及農(nóng)藥、更新耕種方式；養(yǎng)殖業(yè)中尤其是水生養(yǎng)殖捕撈量的控制，以防止食物鏈的失衡；生活污水盡量集中并采用無動(dòng)力處理技術(shù)進(jìn)行處理，垃圾無害化處理；工業(yè)污染的治理；保護(hù)天然水源涵養(yǎng)林，以防止植被類型退化，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)致生態(tài)功能下降，水土流失等。造成東北湖庫水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境問題的機(jī)制仍需要進(jìn)一步的理論研究。

表2 各賦存形態(tài)可溶性總氮之間的相關(guān)性Table 2 Correlation of different forms of TDN

3 結(jié)論

a.三個(gè)深水湖庫（鏡泊湖、大伙房水庫和松花湖）TDN含量均較高，連環(huán)湖NH4+－N含量最高，而鏡泊湖DON含量最高。

b.由成分組成比例差異可以看出，位于黑龍江省境內(nèi)的六個(gè)湖庫（五大連池、興凱湖、鏡泊湖、紅旗泡、連環(huán)湖、桃山水庫），都以DON和NH4+－N為主要成分；而位于遼寧省的大伙房水庫和吉林省的松花湖兩個(gè)深水湖庫水體TDN組分則以NO3－－N為主。

c.通過統(tǒng)計(jì)分析證實(shí)東北8個(gè)典型湖庫中，水體中TDN的關(guān)鍵指標(biāo)是DIN，而DIN決定性因素是NO3－－N；同時(shí)DON含量高的湖庫NH4+－N含量也相應(yīng)較高。

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