長壽湖表層沉積物中氮的賦存形態(tài)及污染評(píng)價(jià)

胡鵬飛，何太蓉

（重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶400047）

內(nèi)源污染引起的水質(zhì)惡化是我國湖泊水域生態(tài)系統(tǒng)面臨的重大環(huán)境問題之一[1－5]。水體富營養(yǎng)化過程由外源污染和內(nèi)源污染共同控制[6]，沉積物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中最主要的內(nèi)源，影響著營養(yǎng)物質(zhì)的積累和間歇性再生[7]，當(dāng)外源污染得到一定控制后，作為內(nèi)源負(fù)荷的沉積物將對(duì)水體產(chǎn)生顯著影響。沉積物是湖泊的重要氮儲(chǔ)庫[8－9]，對(duì)氮的地球化學(xué)行為具有重要意義。氮的循環(huán)過程較為復(fù)雜，作為水生生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程中的重要控制因子，不同形態(tài)氮對(duì)水生藻類的生長及行為具有不同的影響[10－11]。研究沉積物中氮的賦存形態(tài)及其環(huán)境意義，是準(zhǔn)確理解沉積物—水體系統(tǒng)氮循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)具有重要意義[12]。

長壽湖是由“一五”期間重點(diǎn)工程（修建于1956年）的獅子灘水電站大壩攔截長江一級(jí)支流龍溪河而形成的人工淡水湖，是重慶市境內(nèi)最大的人工湖。關(guān)于長壽湖水體富營養(yǎng)化的研究較多[13－16]，但是關(guān)于沉積物中氮的賦存形態(tài)的研究尚未見報(bào)道。本文基于對(duì)長壽湖污染較嚴(yán)重的中西部湖區(qū)（東部湖區(qū)為自然保護(hù)區(qū)）表層沉積物中氮的賦存形態(tài)及其污染程度的分析，以期獲得氮的詳細(xì)地球化學(xué)行為信息，為合理開發(fā)及治理長壽湖提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

長壽湖位于重慶市長壽區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯29°50′—30°04′，東經(jīng)107°15′—107°25′。長壽湖的主要水源為龍溪河，其流域面積3 248km2，多年徑流量為54.0m3／s，是重慶市轄區(qū)內(nèi)流入長江的主要次級(jí)河流。長壽湖內(nèi)港汊縱橫交錯(cuò)，200多個(gè)大小島嶼星羅棋布，水域面積約6 667hm2，平均水深15m，最大水深50m，為重慶市境內(nèi)最大的淡水湖。長壽湖的最初功能為發(fā)電和蓄水灌溉，隨著養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已成為集飲用、灌溉、旅游、養(yǎng)殖、發(fā)電為一體的多功能水體。近年來，由于養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)以及龍溪河流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，長壽湖水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，龍溪河流域綜合治理已經(jīng)引起重慶市的重點(diǎn)關(guān)注。

2 材料與方法

2.1 樣品采集及預(yù)處理

2009年4月在長壽湖布設(shè)了15個(gè)沉積物采樣點(diǎn)。用抓斗式采樣器采集表層沉積物（0—5cm），具體情況見表1，封存于聚乙烯袋中，冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)研磨，過80目篩，封存后供分析。

2.2 分析方法

沉積物樣品中的總氮（TN）測定采用杜馬斯燃燒法，氨態(tài)氮（NH＋4—N）測定采用氯化鉀浸提—靛酚藍(lán)比色法，硝態(tài)氮（NO－3—N）測定采用紫外分光光度法。由于杜馬斯燃燒法測定總氮的精度很高[17－18]，并且沉積物中亞硝態(tài)氮（NO－2—N）含量通常可以忽略不計(jì)[19]，因此有機(jī)氮（ON）的含量可由總氮與氨態(tài)氮和硝態(tài)氮二者之和的差值粗略得出。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件。所有實(shí)驗(yàn)測試在重慶市出入境檢驗(yàn)檢疫局化礦金中心實(shí)驗(yàn)室完成。

表1 各采樣點(diǎn)采樣情況

3 結(jié)果與分析

3.1 不同形態(tài)氮的含量特征

長壽湖各采樣點(diǎn)表層沉積物中不同形態(tài)氮的含量存在差異。總氮含量在1 240.0～5 110.0mg／kg之間，平均含量為3 198.0mg／kg；有機(jī)氮是總氮的主要組成部分，平均占總氮的97.16%，無機(jī)氮只占極微小的比例，平均占2.84%；無機(jī)氮中氨態(tài)氮與硝態(tài)氮的含量相差較大，氨態(tài)氮為無機(jī)氮的主要部分，平均占無機(jī)氮的78.1%，硝態(tài)氮只占21.9%。根據(jù)戎靜等[20]的研究，變異系數(shù)的大小可以反映底泥氮的空間變異強(qiáng)度，通過長壽湖各形態(tài)氮的變異系數(shù)值可以確定其變異強(qiáng)度。長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮的變異系數(shù)均為35%～43%，為中等強(qiáng)度變異（表2）。

表2 長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮的含量

與長江流域重要水體相比，長壽湖表層沉積物中總氮的平均含量高于滇池[1]、鄱陽湖[8]、洞庭湖[8]、巢湖[9]以及太湖北部3個(gè)湖區(qū)[21]，低于武漢月湖[8]，可以推斷長壽湖表層沉積物中總氮含量水平相對(duì)較高。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因可能是長壽湖為山區(qū)深水湖泊，湖水來源廣泛，并且底泥受到擾動(dòng)作用較弱，而長江中下游湖泊多為淺水湖泊，底泥受到的擾動(dòng)作用較強(qiáng)，部分氮釋放到水體中，導(dǎo)致底泥中氮的含量低于長壽湖。武漢月湖為城市湖泊，受到強(qiáng)烈的人為因素影響，氮的含量偏高。

3.2 不同形態(tài)氮的空間分布特征及影響因子

以長壽湖大壩附近的1號(hào)采樣點(diǎn)氮的含量作為基準(zhǔn)，利用各采樣點(diǎn)氮的含量與基準(zhǔn)之間的差值來反映長壽湖表層沉積物中不同形態(tài)氮的水平空間變化（圖1）。圖中縱坐標(biāo)負(fù)值方向離橫坐標(biāo)越遠(yuǎn)的點(diǎn)表明其含量越低，而正值方向離橫坐標(biāo)越遠(yuǎn)，則表示含量越高?？偟陀袡C(jī)氮含量變化的總體趨勢為其余采樣點(diǎn)均低于大壩附近的三星島側(cè)，氨態(tài)氮的含量則為人頭山島（2號(hào)）、桃花蕩（3號(hào)）和竹子灘渡口（4號(hào)）3個(gè)采樣點(diǎn)高于三星島側(cè)，而硝態(tài)氮?jiǎng)t為除壽島／三臺(tái)（6號(hào)）外其余采樣點(diǎn)的含量均高于三星島側(cè)，與前三者差異較大（圖1）。

總氮含量的最大值出現(xiàn)在下游長壽湖大壩附近的三星島側(cè)，說明該區(qū)域已沉積大量氮。離長壽湖大壩最近的幾個(gè)采樣點(diǎn)中除了桃花蕩（3號(hào)）總氮含量較低外，其余均較高，并且竹子灘渡口（4號(hào)）出現(xiàn)總氮含量的次高值，湖區(qū)的總氮隨著水流遷移到了長壽湖下游湖區(qū)，由此可見水流對(duì)總氮的遷移具有明顯的控制作用，同時(shí)有機(jī)氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮也表現(xiàn)出類似的趨勢，更加有力地的說明了水流在氮遷移中的重要作用。

總氮和無機(jī)氮的含量在位于高山（15號(hào)）的采樣點(diǎn)中出現(xiàn)高值，高山（15號(hào)）離長壽湖入水口即龍溪河最近，此地出現(xiàn)高值，說明大量外源輸入的氮在此沉積。高山（15號(hào)）、老槽口錢3km（11號(hào)）、二蹬巖（13號(hào)）和李家寨（14號(hào)）4個(gè)采樣點(diǎn)位于長壽湖的生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)，總氮、有機(jī)氮和硝態(tài)氮含量在該區(qū)域變化較大，含量較低，可以推斷出養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)長壽湖沉積物中氮的影響并不顯著。運(yùn)河中（8號(hào)）、高峰島后萬金山（9號(hào)）和高峰島（10號(hào)）等采樣點(diǎn)的總氮、有機(jī)氮和硝態(tài)氮的含量變化相對(duì)較穩(wěn)定，氨態(tài)氮含量存在起伏但并不明顯。說明長壽湖中游表層沉積物中氮的沉積相對(duì)較均衡。

除了位于離長壽湖出水口、入水口最近的三星島側(cè)（1號(hào)）和高山（15號(hào)）外，其余水位較低的采樣點(diǎn)如桃花蕩（3號(hào)）、老槽口（12號(hào)）和李家寨（14號(hào)）的總氮和有機(jī)氮的含量相對(duì)較低，運(yùn)河中（8號(hào)）、高峰島后萬金山（9號(hào)）含量相對(duì)也不高，其中運(yùn)河中（8號(hào)）的氨態(tài)氮含量相對(duì)最低（表2、圖1）。由此可以認(rèn)為水位高低對(duì)長壽湖表層沉積物中氮的沉積具有一定的影響。

圖1 長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮的空間變化

3.3 不同形態(tài)氮的相關(guān)性分析

長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮含量水平之間的相關(guān)系數(shù)矩陣見表3?？梢钥闯?，總氮和有機(jī)氮之間的相關(guān)關(guān)系非常顯著（R2＝1.000），說明總氮的含量和空間分布幾乎完全受到有機(jī)氮的控制，并且二者在來源上保持高度的一致性，無機(jī)氮幾乎對(duì)總氮的含量和分布不產(chǎn)生影響；無機(jī)氮和氨態(tài)氮具有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且顯著性水平很高（R2＝0.981），說明無機(jī)氮的含量和空間分布主要受到氨態(tài)氮的影響。硝態(tài)氮與無機(jī)氮的相關(guān)性也較高，但顯著性水平不高，可以認(rèn)為隨機(jī)性較大。

3.4 長壽湖表層沉積物中氮的污染情況評(píng)價(jià)

3.4.1 以總氮為主的表層沉積物污染評(píng)價(jià) 采用加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的指南中能引起最低級(jí)別生態(tài)毒性效應(yīng)的總氮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污染狀況評(píng)價(jià)[22－23]。此標(biāo)準(zhǔn)分為3級(jí)：（1）安全級(jí)，此時(shí)在水生生物中未發(fā)現(xiàn)中毒效應(yīng)；（2）最低級(jí)，此時(shí)沉積物雖已污染，但多數(shù)底棲生物仍可承受；（3）嚴(yán)重級(jí)，此時(shí)底棲生物群落已遭明顯損害。各級(jí)別之間的臨界值分別為550mg／kg和4 800mg／kg。長壽湖表層沉積物中總氮的含量為1 240.0～5 110.0mg／kg，均已超過最低級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說明湖區(qū)表層沉積物已經(jīng)對(duì)底棲生物具有一定的生態(tài)毒性效應(yīng)，其中三星島側(cè)和竹子灘渡口兩處表層沉積物的含量超過嚴(yán)重級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別為5 110mg／kg和4 870mg／kg，可以推斷其底棲生物群落已經(jīng)遭受明顯損害。壽島北和高山等處表層沉積物中氮的含量已經(jīng)接近嚴(yán)重級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如繼續(xù)遭受污染，則可能迅速達(dá)到嚴(yán)重級(jí)水平，將對(duì)底棲生物群落及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此要加快對(duì)長壽湖的治理。

表3 長壽湖沉積物中各形態(tài)氮的相關(guān)關(guān)系矩陣（n＝15）

3.4.2 以有機(jī)氮為主的表層沉積物污染評(píng)價(jià) 有機(jī)氮常用來衡量湖泊表層沉積物是否遭受氮污染的重要指標(biāo)[24－25]，其標(biāo)準(zhǔn)見表4。將長壽湖表層沉積物中有機(jī)氮的含量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與表4進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)表層沉積物有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)除了桃花蕩（0.110%）和老槽口（0.117%）兩處為Ⅲ類水平外，其余皆為Ⅳ類水平，并且介于有機(jī)氮污染臨界值的1.5～3.8倍。桃花蕩和老槽口有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖然屬于Ⅲ類水平，但已經(jīng)非常接近Ⅳ類水平的臨界值，極易過渡到Ⅳ類水平，形勢不容樂觀?？梢姀?qiáng)化長壽湖的治理工作已迫在眉睫。

表4 表層沉積物有機(jī)氮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.5 長壽湖表層沉積物中氮的來源分析

長壽湖的主要水源是龍溪河，位于龍溪河上游的墊江、梁平兩縣的生產(chǎn)生活污水排放是導(dǎo)致長壽湖表層沉積物中氮含量過高的一個(gè)重要原因。兩縣工業(yè)發(fā)展迅速，但廢水處理工作卻相對(duì)滯后，排放的工業(yè)污水經(jīng)龍溪河進(jìn)入長壽湖，造成湖區(qū)的污染。龍溪河上游兩岸分布著大面積的果園，同時(shí)也分布著較多村鎮(zhèn)，農(nóng)藥、化肥的使用和生活污水的排放也對(duì)長壽湖形成污染。據(jù)報(bào)道，長壽湖周邊10個(gè)場鎮(zhèn)，日產(chǎn)生活廢水約8 000t、生活垃圾約32t，并且均未修建生活污水處理場和生活垃圾處理場，生活廢水通過小溪直接排入長壽湖[26]，數(shù)字觸目驚心。長壽湖中部湖區(qū)為旅游區(qū)，經(jīng)過大力開發(fā)，旅游業(yè)比較發(fā)達(dá)，但由此產(chǎn)生的污染治理問題卻權(quán)責(zé)不清，處理相對(duì)滯后，同時(shí)該區(qū)北部的島嶼上分布著大片果園，對(duì)湖區(qū)造成面源污染。長壽湖東部湖區(qū)為自然保護(hù)區(qū)，受到周邊的污染較小。

長壽湖的污染亦具有歷史原因，發(fā)達(dá)的漁業(yè)生產(chǎn)是長壽湖長期污染的一個(gè)重要因素?！熬盼濉逼陂g引進(jìn)并推廣的以動(dòng)物糞便、飼料和化肥為餌料的大面積肥水性網(wǎng)欄養(yǎng)殖技術(shù)，是長壽湖水質(zhì)進(jìn)一步惡化的直接原因，同時(shí)造成大量氮沉積于沉積物中，成為湖區(qū)污染的內(nèi)源。

4 結(jié)論

長壽湖表層沉積物中總氮含量為1 240.0～5 110.0mg／kg，平均含量為3 198.00mg／kg；有機(jī)氮是總氮的主要組成部分，無機(jī)氮只占極微小的比例；氨態(tài)氮為無機(jī)氮的主要組成部分，平均占無機(jī)氮的78.10%，硝態(tài)氮只占較小部分；各形態(tài)氮的變異系數(shù)均為0.1～1.0，屬于中等強(qiáng)度變異。水流作用在長壽湖表層沉積物氮的分布和遷移中扮演重要角色，養(yǎng)殖活動(dòng)的影響并不顯著，水位高低對(duì)氮的分布也有一定影響。相關(guān)性分析表明，總氮的含量和空間分布幾乎完全受到有機(jī)氮的控制，無機(jī)氮的變化主要受到氨態(tài)氮的影響。長壽湖表層沉積物呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的污染，對(duì)底棲生物群落及生態(tài)環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生不利影響，應(yīng)該加強(qiáng)治理。長壽湖表層沉積物中氮的主要來源為龍溪河上游墊江、梁平兩縣的生產(chǎn)生活污水排放，旅游業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)也是湖區(qū)沉積性氮的重要來源。分析結(jié)果可為研究和治理長壽湖提供一定的理論依據(jù)，但尚未探討氮含量的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，這將成為后續(xù)研究工作的主要方向。

致謝：本研究野外采樣工作得到劉存東碩士、張陽陽碩士和莊紅娟碩士的幫助，實(shí)驗(yàn)測試得到了重慶市出入境檢驗(yàn)檢疫局化礦金中心實(shí)驗(yàn)室全體工作人員的大力支持，匿名審稿專家給出了建設(shè)性的修改建議，在此謹(jǐn)致謝忱。

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