洱海上覆水不同形態(tài)氮時空分布特征

趙海超,王圣瑞,焦立新,楊蘇文,徐圣友

(1.中國環(huán)境科學研究院,環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；2.中國環(huán)境科學研究院,湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地,國家環(huán)境保護湖泊污染控制重點實驗室,北京100012；3.河北北方學院農(nóng)林科技學院,河北 張家口 075131；4.黃山學院環(huán)境工程研究所,安徽 黃山 245041)

水體富營養(yǎng)化是當今世界湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨的主要問題,過量營養(yǎng)物質(zhì)匯入水體引起藻類大量繁殖,水體渾濁,水質(zhì)惡化.過量的氮素輸入到水體是誘發(fā)湖泊富營養(yǎng)化的主要原因之一[1-3].天然湖泊水體中氮的循環(huán)是一個極為復雜的過程,氮形態(tài)轉(zhuǎn)化中的生物化學過程包括固氮、同化以及脫氮等過程.當湖泊溶氧量充足時,氨在細菌硝化作用下首先被氧化成亞硝酸鹽,然后進一步氧化成硝酸鹽[4-6].在湖泊水體中氮素以不同的形態(tài)存在,不同氮形態(tài)間通過生物和化學等過程相互轉(zhuǎn)化,且不同氮形態(tài)的生物有效性也不盡相同.藻類主要吸收氨態(tài)氮[7],溶解性有機氮和顆粒態(tài)氮在微生物作用下可發(fā)生水解,轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮,是潛在的生物氮源[8].然而,同一湖泊不同時間,不同水深氮形態(tài)變化差異較大.因此,闡明湖泊水體氮形態(tài)特征與時空演變規(guī)律,對富營養(yǎng)化水體治理具有重要意義.

洱海位于云南省大理洲大理市北郊,呈由北向南方向狹長狀展布,長 42km,最大寬度 8.4km,屬瀾滄江水系,是云南省第二大淡水湖泊.該湖泊正常水位 1974m(海防高程),平均水深 10.5m,最大水深 20.9m[9-11].洱海是大理地區(qū)居民的生活用水、農(nóng)業(yè)用水、旅游與發(fā)電及維護生態(tài)環(huán)境的重要水源地,在地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著巨大的作用[12-14].近年來隨著洱海自身演化及開發(fā)利用等因素,入湖污染負荷增加,水質(zhì)逐漸變差,水環(huán)境發(fā)生了較大變化,富營養(yǎng)化趨勢日益嚴重[9-14],已處于富營養(yǎng)化初期,且氮超標率較高.本研究通過對洱海上覆水 1992年以來的氮濃度數(shù)據(jù),結(jié)合2010年現(xiàn)場調(diào)查各形態(tài)氮數(shù)據(jù)的分析,試圖揭示洱海上覆水各形態(tài)氮變化規(guī)律與富營養(yǎng)化發(fā)展的關(guān)系及其影響因素,探討處于富營養(yǎng)化初期的高原湖泊洱海水體氮濃度演變趨勢,旨在為有效控制洱海富營養(yǎng)化提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集及采樣點布置

圖1 洱海水體等高線及采樣點位示意Fig.1 Schematic geogranhic map of Lake Erhai showing the sampling sites

歷史數(shù)據(jù)參考韓濤等[13]數(shù)據(jù)和洱?！笆晃濉币?guī)劃報告以及大理洲環(huán)境保護局月報.年度數(shù)據(jù)收集 1992～2009年統(tǒng)計年報的監(jiān)測數(shù)據(jù).于2010年1～12月每個月10日左右采集17個點位混合水樣和8個點位分層柱狀水樣(圖1).根據(jù)歷年水質(zhì)變化情況、水底地形及區(qū)域環(huán)境條件,針對洱海不同區(qū)域,結(jié)合環(huán)境監(jiān)測布點設(shè)定采樣點,用便攜式采水器采集水樣.混合水樣,在各樣點表層(0.5m)、中層和底層(離底泥0.5m)采集水樣現(xiàn)場混合.如圖 1所示,設(shè)置 19、21、84、105、117、142、209、221號 8個點位采集分層柱狀水樣,表層采0.5m,垂向每隔2m水深采1個水樣,各點位水深如表 1所示.水樣裝入樣品瓶中冰盒內(nèi)保存,帶回實驗室,測定各項指標.

1.2 測定方法

水體中總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法測定[15];溶解性總氮(DTN),水樣過0.45μm濾膜,采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法測定;硝態(tài)氮(NO3--N)采用氨基磺酸紫外分光光度計法測定;氨態(tài)氮(NH4+-N)采用納氏試劑比色法測定;溶解性有機氮(DON)采用差減法,即 DON=DTN-NH4+-N-NO3--N;顆粒態(tài)氮(PN)采用差減法,即PN=TN-DTN;葉綠素a(Chla)采用丙酮萃取法/分光光度計分析法測定,經(jīng)GF/F(0.7μm)的混合纖維微孔濾膜過濾,90%的丙酮萃取后,三色分光光度法進行測定[16].溶解氧(DO)、pH值、Eh指標采用多參數(shù)水質(zhì)測定儀現(xiàn)場測定;風速,采用便攜式風速測定儀現(xiàn)場測定;水深采用重錘法現(xiàn)場測定.

表1 洱海上覆水分層采樣點位水深變化Table 1 The deep of different layered sampling sites in Erhai Lake

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采樣SPSS17.0和EXCEL2003軟件進行,數(shù)據(jù)圖采用Mapinfo professional軟件進行.

2 結(jié)果與討論

2.1 洱海上覆水TN濃度歷史變化趨勢

如圖2所示,洱海1992～2010年水體TN在0.20～0.67mg/L,總體呈上升趨勢,其中1992～2002年呈緩慢上升階段,總體呈Ⅱ類水質(zhì)波動式上升,1998年出現(xiàn)波峰;2003～2006年氮濃度躍遷至Ⅲ類水,2003年出現(xiàn)TN濃度躍遷,2006年達到最大值;2007～2010年呈波動式變化,在Ⅱ類至Ⅲ類水之間波動.20世紀 90年代以來隨著流域經(jīng)濟的發(fā)展及湖泊開發(fā),網(wǎng)箱養(yǎng)魚面積大幅增加,旅游業(yè)快速發(fā)展,水生植被退化[17],入湖污染物增加,導致洱海水體 TN濃度呈上升趨勢,1998年和2003年水體TN濃度發(fā)生躍變,洱海大面積爆發(fā)水華,2006年洱海部分湖灣出現(xiàn)水華[17-18].2006年以來大理州加大流域綜合治理力度,采取的大量的洱海保護工程,入湖污染物減少,使水體 TN濃度有所降低.但近年來沉積物內(nèi)源氮釋放量呈增加趨勢,對水體TN的貢獻比例升高,使洱海水體TN濃度呈波動式變化.

圖2 1992～2010年洱海上覆水總氮含量變化Fig.2 The content changes of TN in the overlying water of Lake Erhai from 1992 to 2010

2.2 2010年洱海上覆水不同氮形態(tài)空間分布 特征

圖3 2010年洱海上覆水不同氮形態(tài)空間分布(n=17)Fig.3 The spatial distribution for the contents of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai

如圖 3所示,2010年洱海水體 TN濃度在0.508～0.673mg/L,平均值為 0.57mg/L.高值區(qū)分布在南部湖心平臺(142號點)區(qū)域,根據(jù)洱海湖底地形可將洱海分為:北部(康廊～海舌以北),中部(挖色湖心為中心,龍龕～海舌)和南部(龍龕以南)[19].水體TN空間分布總體呈北部>南部>中部.水體 DTN濃度為 0.347～0.476mg/L,平均值為0.41mg/L,占TN的71%,高值區(qū)分布在西北部沙坪灣出口處(46號點),空間分布與 TN相同.水體NH4+-N濃度為 0.127～0.221mg/L,平均值為0.17mg/L,占TN的30%,高值區(qū)分布在中部東岸陡岸帶(121號點),空間分布總體呈中部>北部>南部.水體 NO3--N濃度為 0.0685～0.1022mg/L,平均值為 0.086mg/L,占 TN的 15%,高值區(qū)分布在下關(guān)出湖口(221號點),空間分布總體呈中部=南部>北部.水體 DON濃度為 0.089～0.237mg/L,平均值為0.15mg/L,占TN的26%,高值區(qū)分布在海舌灣口(73號點),空間分布與TN和DTN相同.水體 PN濃度為 0.108～0.273mg/L,平均值為0.16mg/L,占TN的29%,高值區(qū)分布在南部湖心平臺區(qū)(142號點),空間分布總體呈南部>中部>北部.蔡龍炎等[20]研究表明,我國湖泊TN的變化平均范圍為 0.11～29.2mg/L,鄧建才等[21]研究表明太湖水體TN變化范圍為0.6～6.1mg/L,可見洱海 TN含量顯著低于我國湖泊總氮平均水平,總體處于相對較低的水平.不同氮形態(tài)間相關(guān)性分析可見,TN與 PN呈極顯著正相關(guān)(r=0.7897,P<0.01),太湖水體也具有相同結(jié)果[21],DTN與DON呈顯著正相關(guān)(r=0.6152,P<0.01),NH4+-N與 DON 呈極顯著負相關(guān)(r=-0.6375,P<0.01).可見洱海NH4+-N、PN和DON是洱海水體氮素的主要形態(tài),且NH4+-N濃度受DON轉(zhuǎn)化的影響.

水體中氮形態(tài)分布受外源氮的輸入、沉積物內(nèi)源氮的釋放及湖泊生物消化和反硝化的多重作用影響.通過洱海水體氮形態(tài)的空間分布可見,洱海水體氮素主要受流域外源輸入影響,主要入湖河流分布在北部,水體總體呈由北向南流動[19].因此,北部TN、DTN和DON含量較高.南部主要有波羅江匯入,同時洱海流域主要城市下關(guān)市面源污染的輸入使南部氮素含量也較高.洱海南部風浪較大,同時水體較淺,從而使其PN含量較高,而北部水生植物分布較廣,水體擾動相對較小,使PN含量較低.水體中DON和PN可以通過生物化學作用轉(zhuǎn)化為NH4+-N和NO3--N,大量外源DON由北部輸入到達中部后,由于南部狹口湖底抬起,水流受阻使中部水流緩慢,DON向NH4+-N和NO3--N轉(zhuǎn)化,使中部NH4+-N和NO3--N含量較高.

2.3 洱海上覆水氮形態(tài)季節(jié)性變化

圖4 2010年洱海上覆水不同TN形態(tài)季節(jié)變化(n=17)Fig.4 Content variations of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai with seasons in 2010

如圖4所示,2010年1～12月洱海各氮形態(tài)總體呈先升后降的變化趨勢.洱海水體 TN濃度為0.20～0.95mg/L,最大值出現(xiàn)在7月,最小值出現(xiàn)在1月.DTN濃度為0.15～0.65mg/L,最大值出現(xiàn)在9月,最小值出現(xiàn)在 1月.NH4+-N濃度為 0.09～0.37mg/L,最大值出現(xiàn)在 6月,最小值出現(xiàn)在 2月.NO3--N濃度為0.04～0.16mg/L,最大值出現(xiàn)在9月,最小值出現(xiàn)在 7月.DON濃度為 0.002～0.28mg/L,最大值出現(xiàn)在 7月,最小值出現(xiàn)在 1月.PN濃度為0.04～0.38mg/L,最大值出現(xiàn)在7月,最小值出現(xiàn)在5月.

洱海流域?qū)儆谖髂霞撅L氣候,5～10月為雨季,11月至翌年4月為旱季[22].因此6～7月河流入湖氮負荷最高,使7月TN、DON和PN出現(xiàn)高峰且與溫度呈顯著正相關(guān)(表2),而外源PN進入水體后一部分沉積另一部分通過生物化學作用向溶解態(tài)轉(zhuǎn)化,從而使 DTN 和 NO3--N在 9月達到最高值.NH4+-N在6月達到最大值,主要是因為NH4+-N容易被雨水攜帶進入湖泊,雨季之初入湖水體中NH4+-N含量較高,另外6月洱海流域溫度高、光照強且水位低,有利于水體生物的氨化作用[8],相關(guān)性分析(表2)可見,NH4+-N與溫度呈顯著正相關(guān),當溫度小于 20℃時水體固氮速率作用隨溫度的升高呈上升趨勢,超過20℃相反[23],6月洱海水體溫度為 20℃左右.7月之前 NH4+-N濃度明顯大于DON,7月起NH4+-N濃度明顯低于DON,主要是NH4+-N 被浮游植物吸收利用,變成 DON.而NO3--N變化較小,主要是因為NH4+-N是浮游植物主要利用的氮素形態(tài)[24].3、4月水體中氮濃度較高,主要是因為該月份洱海風浪較大,持續(xù)時間較長,沉積物再懸浮促進氮素的釋放[25].水體中氮形態(tài)的分布及轉(zhuǎn)化受外源、內(nèi)源輸入和生物環(huán)境因素的共同影響,同時氮素的轉(zhuǎn)化帶動水體理化環(huán)境的變化.洱海水體TN和PN與Chla呈顯著正相關(guān)(表2),這與太湖的研究結(jié)果相同[21],表明TN是控制水體藻類生長的重要因子,同時藻類殘體是水體PN的重要來源.水體TN、DTN、DON和PN與pH值呈極顯著負相關(guān)(表1),表明外源氮的輸入使水體 pH值下降.主要是因為洱海流域外源有機氮含量較高,進入水體氨化作用過程中吸附H+所致.

表2 2010年1～12月洱海上覆水不同氮形態(tài)與理化因子的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai in 2010 within different months physical and chemical factors

2.4 2010年洱海上覆水氮形態(tài)垂向分布特征

如圖5所示,水體TN濃度為0.45～0.80mg/L,底層最高,表層次之,分別在4m和16m出現(xiàn)低谷,12m出現(xiàn)波峰;水體DTN濃度在0.30～0.51mg/L,底層最高,表層和12m處出現(xiàn)波峰,6m和16m處出現(xiàn)波谷;水體 NH4+-N濃度為 0.11～0.18mg/L,底層最低,最高值出現(xiàn)在2m;水體NO3--N濃度為0.05～0.14mg/L,底層最低,表層最高;水體DON濃度為0.04～0.35mg/L,變化趨勢與DTN基本相同;水體PN濃度為 0.11～0.29mg/L,變化趨勢與 TN基本相同.

圖5 2010年洱海上覆水氮形態(tài)垂向變化(n=8)Fig.5 The vertical variations of different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai in 2010

可見洱海上覆水 TN受外源氮素輸入和沉積物內(nèi)源釋放的雙重影響.上覆水TN在4m處出現(xiàn)低谷主要是21號點位和221號點位有沉水植物分布抑制沉積物氮素釋放,同時浮游植物主要分布在4～6m水層(數(shù)據(jù)待發(fā)表)使該水層氮素被吸收,從而使該層DON略有升高;水體在12m出現(xiàn)峰值主要是水體在該層出現(xiàn)溫躍層,溫躍層以下溫度較低,使水-沉積物界面處于耗氧的還原環(huán)境,從而促進84號、117號和209號點位內(nèi)源營養(yǎng)鹽的釋放[26];水體16m出現(xiàn)低谷主要是105號點位在 15m 出現(xiàn)湖盆(圖 1),上層水體流動較快營養(yǎng)鹽受外源影響較大,下層水體受沉積物內(nèi)源釋放影響,使該層TN濃度出現(xiàn)低谷.水體垂向分布上NH4+-N和NO3--N與DO和溫度呈顯著正相關(guān)(表 3),因此洱海水體底層 NH4+-N 和NO3--N含量較低,內(nèi)源釋放量較小.DO與 DON呈顯著負相關(guān)關(guān)系,Capone等[27]研究表明,在相對厭氧的環(huán)境條將下,最有利于微生物對氮的固定.表明洱海沉積物內(nèi)源釋放的氮素主要為 PN和 DON在受到水體擾動后再懸浮進入水體.垂向NH4+-N與Chla呈顯著正相關(guān)(表3),可見洱海水體垂向藻類生物量變化受氨氮的影響.

表3 2010年上覆水垂向不同氮形態(tài)與理化因子的相關(guān)性Table 3 The correlation analysis of vertical different nitrogen forms in the overlying water of Lake Erhai in 2010 with physical and chemical factors

3 結(jié)論

3.1 洱海 1992～2010年水體 TN在 0.20～0.67mg/L之間,總體呈上升趨勢,2006年達到最高,2007年以來呈波動式變化,流域經(jīng)濟發(fā)展和湖泊開發(fā)利用使入湖污染物的增加和水生植物的退化是湖泊水體 TN濃度升高的主要因素;近年來加大治理力度是其水質(zhì)波動的主要原因.

3.2 洱海上覆水不同氮形態(tài)空間分布差異性較大,總體呈北部>南部>中部的趨勢,水體氮濃度空間分布受外源氮輸入的影響.洱海應加強北部河流的污染治理,控制其外源氮輸入.

3.3 洱海水體TN、DTN、DON和PN垂向分布底層最高,表層次之,溫躍層 12m 處出現(xiàn)峰值;水體 TN受外源輸入和內(nèi)源釋放雙重影響,洱海沉積物內(nèi)源氮素釋放主要受水體擾動影響,以DON和PN形態(tài)為主;洱海應加強水生植被修復減少沉積物擾動以控制內(nèi)源氮釋放.

3.4 洱海水體各氮形態(tài)年內(nèi)呈先升后降趨勢,TN、DON和 PN在 7月達到最高值,DTN和NO3--N在9月達到最高值,NH4+-N在6月達到最高值.水體氮素季節(jié)性變化主要受流域降雨引起的外源輸入氮負荷的影響.水體氮濃度增加使其Chla含量升高,pH值降低.洱海控制外源輸入主要應加強雨季之初6、7月份的北部“三江”流域污染控制.

[1] Cunha D G F. Trophic state evolution in a subtropical reservoir over 34 years in response to different management procedures[J].Water Sci. Technol., 2011, 64(12):2338-2344.

[2] Cunha D G R, Gru U D, Damato M, et al. On site flotation for recovering polluted aquatic systems: is it a feasible solution for a Brazilian urban river [J]. Water Sci. Technol., 2010,62(7):1603-1613.

[3] 金相燦.湖泊富營養(yǎng)化研究中的主要科學問題 [J]. 環(huán)境科學學報, 2008,28(1):21-23.

[4] 曲麗梅,姚 德,叢丕福.遼東灣氮磷營養(yǎng)鹽變化特征及潛在性富營養(yǎng)化評價 [J]. 環(huán)境科學, 2006,27(2):263-267.

[5] Cunha D G R, Calijuri M C. Limiting factors for phytoplankton growth in subtropical reservoirs: the effect of light and nutrient availability in different longitudinal compartments [J]. Lake Res.Manage, 2011,27(2),162-172.

[6] Welch E B. Should nitrogen be reduced to manage eutrophication if it is growth limiting? Evidence from Moses Lake [J]. Lake Res.Manage, 2009,25(4),401-409.

[7] 楊頂田,陳偉民,江 晶,等.藻類爆發(fā)對太湖梅梁灣水體中 NPK含量的影響[J].應用生態(tài)學報, 2003,14(6):969-972.

[8] Herbert R A. Nitrogen cycling in coastal marine ecosystems [J].FEMS Microbiology Review, 1999,23:563-590.

[9] 趙海超,王圣瑞,趙 明,等.洱海水體溶解氧及其與環(huán)境因子的關(guān)系 [J]. 環(huán)境科學, 2011,24(7):1952-1959.

[10] 孫 靜,王圣瑞,曾清如,等.洱海表層沉積物有機磷形態(tài)分布特征及其影響因素 [J]. 環(huán)境科學研究, 2011,24(11):1226-1232.

[11] 趙海超,王圣瑞,焦立新,等.洱海沉積物中不同形態(tài)磷的時空分布特征 [J]. 環(huán)境科學研究, 2013,26(3):227-234.

[12] 顏昌宙,金相燦,趙景柱,等.云南洱海的生態(tài)保護及可持續(xù)利用對策 [J]. 環(huán)境科學, 2005,26(5):38-42.

[13] 韓 濤,彭文啟,李懷恩,等.洱海水體富營養(yǎng)化的演變及其研究進展 [J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2005,3(1):71-73,78.

[14] 胡小貞,金相燦,杜寶漢,等.云南洱海沉水植被現(xiàn)狀及其動態(tài)變化 [J]. 環(huán)境科學研究, 2005,18(1):1-4.

[15] 國家環(huán)境保護總局《水和廢水水質(zhì)監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水水質(zhì)監(jiān)測分析方法 [M]. 4版.北京:中國環(huán)境科學出版社, 2002:223-671.

[16] Parsons T R, Maita Y, Lalli C M. A manual of chermical and biological methods for seawater analysis [M]. London: Pergamon Press, 1984.

[17] 李杰君.洱海富營養(yǎng)化探析及防治建議 [J]. 湖泊科學, 2001,13(2):187-192.

[18] 董云仙,李杰君,左永福,等.洱海水環(huán)境現(xiàn)狀與治理對策 [J]. 云南環(huán)境科學, 2004,23(增刊):101-103.

[19] 李 原,李任偉,尚榆民,等.云南洱海的環(huán)境沉積學研究 [J]. 沉積學報, 1999,17(增刊):769-774.

[20] 蔡龍炎,李 穎,鄭子航.我國湖泊系統(tǒng)氮磷時空變化及對富營養(yǎng)化影響研究 [J]. 地球與環(huán)境, 2010,38(2):235-241.

[21] 鄧建才,陳 橋,翟水晶,等.太湖水體中氮、磷空間分布特征及環(huán)境效應 [J]. 環(huán)境科學, 2008,29(12):3382-3386.

[22] 沈 吉,楊麗原,羊向東,等.全性世以來云南洱海流域氣候變化與人類活動的湖泊沉積記錄 [J]. 中國科學 D輯,地球科學,2004,34(2):130-138.

[23] Jones K. Nitrogen fixation in the temperate estuarine intertidal sediments of the River Lune [J]. Limnology and Oceanography,1982,27:455-460.

[24] 鄭 杰,黃顯懷,尚 巍,等.不同氮磷比對藻類生長及水環(huán)境因子的影響 [J]. 工業(yè)用水與廢水, 2011,42(1):12-16.

[25] Reddy K R, Fisher M M, Ivanoff D. Resuspension and diffusive flux of nitrogen and phosphorus in a hypereutrophic lake [J].Journal of Environmental Quality, 1996,25:363-371.

[26] 梁秀娟,肖長來,楊天行,等.密云水庫中氮分布及遷移影響因素研究 [J]. 中國科學D輯,地球科學, 2005,35S:272-280.

[27] Capone D G, Budin J M. Nitrogen fixation associated with rinsed roots and rhizomes of the eelgrass zostera marina [J]. Plant Physiology, 1982,70:1601-1604.