滴水湖水體中各形態(tài)氮的時空分布特征

張煥煥 畢春娟 陳振樓

（華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室，上海 200241）お

摘要 ［目的］ 探討滴水湖各形態(tài)氮的時空分布特征。［方法］ 從2012年冬季至2013年秋季，采集上海市最大人工湖表層水樣品55個、沉積物樣品49個，測定其各形態(tài)氮及總氮含量。［結(jié)果］ 滴水湖水體TN污染水平較高， TN濃度在夏季最高；底泥中TN濃度在整個采樣期間呈現(xiàn)上升趨勢，在秋季達(dá)到最大值。表層水中NH3睳在夏季最高，NO-3睳在春秋季節(jié)比較高，NO-2睳在冬季最高；底泥中NH3睳在冬季達(dá)到最高，NO-3睳在秋季達(dá)到最高，NO-2睳在春季最高。［結(jié)論］ 滴水湖底泥中各形態(tài)無機(jī)氮在4個季節(jié)空間差異性均大于上覆水體中的無機(jī)氮的空間差異性。

關(guān)鍵詞 滴水湖；表層水體；底泥；氮形態(tài)；時空分布特征

中圖分類號 SB181.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06330-04

お

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Nitrogen in Water and Sediments of Dishui Lake

ZHANG Huan瞙uan, BI Chun瞛uan et al

（Key Laboratory of Geographic Information Science of Ministry of Education, College of Resources and Environmental Science, East China Normal University, Shanghai 200241）

Abstract［Objective］ The research aimed to investigate the spatial and temporal distribution characteristics of nitrogen in Dishui Lake. ［Method］ Fifty瞗ive surface water and forty瞡ine sediment samples were collected from the largest man瞞ade lake in Shanghai from the winter of 2012 to the fall of 2013. The contents of nitrogen of these samples were examined then.［Result］ The results showed that the average content of nitrogen in Dishui Lake system was high. The concentration of TN in the water was highest in summer. The concentration of TN in sediments was rising during the whole sampling and reached the highest in autumn. In water, the concentration of NH3睳 was highest in summer, the concentration of NO-3睳 was higher in spring and autumn, and the concentration of NO-2睳 was highest in winter. In sediments, the concentration of NH3睳 was highest in winter, the concentration of NO-3睳 was highest in autumn, and the concentration of NO-2睳 was highest in spring.［Conclusion］ The spatial difference of nitrogen in the surface water was smaller than that in the sediments.

Key wordsDishui Lake；Overlying water；Sediments；Nitrogen form；Spatial and temporal distribution characteristics

お

基金項目 上海市科委社會發(fā)展重點(diǎn)項目（12231201900）；國家自然科學(xué)基金項目（41271472）；上海市自然科學(xué)基金項目（12ZR1409000）。

作者簡介 張煥煥（1988-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：城市資源與水環(huán)境。*通訊作者。

收稿日期 20140526

湖泊水體污染是熱點(diǎn)的環(huán)境問題［1］，尤其是淺水湖泊污染日益成為主要的環(huán)境問題，目前已有很多關(guān)于湖泊污染的研究［2-5］。作為中國最大人工湖，滴水湖扮演著上海郊區(qū)水域景觀和生態(tài)緩壓區(qū)的雙重角色，對上海生態(tài)系統(tǒng)具有很大意義，隨著附近大量人口遷入，城市的建設(shè)以及游客的增加，向滴水湖排放的污染物增多，滴水湖水體污染問題加重。田華等已指出近幾年滴水湖中N/P在持續(xù)下降，而N/P持續(xù)下降將會造成湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)由磷限制轉(zhuǎn)化為氮限制［6］。湖泊底泥是湖泊系統(tǒng)的重要組成部分，是營養(yǎng)物的主要蓄積地［7］，內(nèi)源釋放［8-11］是上覆水體中氮的主要來源之一［12-15］。關(guān)于滴水湖的研究，王延洋［16］、李曉波等［17］、劉水芹等［18］和朱夢潔等［19］曾對其水質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)及動植物結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；何瑋等對滴水湖水體的理化指標(biāo)進(jìn)行過探討［20］。這些研究多于幾年前進(jìn)行并且僅限于對滴水湖表層水體水質(zhì)問題的研究，對底泥-水中各形態(tài)氮的含量、時空分布特征等研究鮮有報道。為此，筆者對滴水湖水體中氮的含量及時空分布特征進(jìn)行探究，研究了滴水湖水體沉積物-表層水體中的氮賦存形態(tài)特征及其時空分布特征。這不僅可為滴水湖氮循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且還對合理控制湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義［21-23］。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滴水湖位于上海市東南方，是上海浦東臨港新城主城區(qū)的中心人工湖。滴水湖屬于城市景觀湖泊，承擔(dān)著上海臨港新城主城區(qū)生態(tài)、排澇、防汛和景觀等重要功能［6］。滴水湖呈圓形，中心在30.896° N、121.934° E，面積為5.56 km2。平均水深3.7 m，最深處6.2 m。湖中有3個小島，周邊水系呈“三鏈、七射”的網(wǎng)狀格局，滴水湖湖水源于大治河引黃浦江水，引水周期不規(guī)律，近幾年引水周期一年兩次，水體補(bǔ)給主要靠降水和周邊徑流。滴水湖水源本身富營養(yǎng)化程度較高，背景底質(zhì)是河口海灘灘涂，具有較高的土壤鹽化程度，水質(zhì)一直呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢［24］。

圖1 滴水湖采樣點(diǎn)分布示意

1.2 樣品采集

于2012年冬季至2013年秋季，對滴水湖水體進(jìn)行季度性采集沉積物樣和表層水樣（圖1）。每處設(shè)置3個平行樣，水樣采集方法為用2 L有機(jī)玻璃采水器（永安有機(jī)玻璃有限公司）采取表層水樣，裝于聚乙烯瓶中，各樣點(diǎn)的3個平行樣在實驗室經(jīng)過0.45 μm微孔濾膜過濾取得水樣混合樣品，于-4 ℃下冷凍保存，用于測定水體中溶解性總氮（TN）以及NH3睳、NO-3睳和NO-2睳濃度。底泥樣采用采泥器（Ekman睟rige，德國HYDRO-BIOS公司）采集，采集的沉積物樣品均裝入聚乙烯密封袋中，帶回實驗室，用冷凍干燥機(jī)（CHRIST，Germany）凍干，凍干后除雜、混勻后進(jìn)行研磨，最后過60目的尼龍篩取沉積物樣品，用于測定各形態(tài)氮。采樣過程中手持GPS定位?，F(xiàn)場用便攜式儀器測定水樣理化指標(biāo)pH、水溫玊、溶解氧DO、鹽度、總懸浮物顆粒TSS等，以及沉積物的溫度T、pH等。

1.3 分析方法

水中溶解性總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，沉積物中總氮（TN）采用元素分析儀測定，氨氮（NH3睳）水樣采用納氏試劑分光光度法，底泥樣采用次溴酸鈉氧化分光光度法，硝酸鹽氮（NO3-睳）水樣及底泥樣均采用紫外（雙波）分光光度法，亞硝酸鹽氮（NO2-睳）水樣及底泥樣均采用N玻1草粱）慘葉胺分光光度法［25-26］。沉積物樣測定前的預(yù)處理方法：用1 mol/L的KCl溶液將篩得沉積物樣按土液比1∶5混合，在25 ℃恒溫下水浴振蕩2 h，取出離心管在4 000 r/min條件下離心10 min，用0.45 mm濾膜過濾，取上清液分析底泥中的上述各形態(tài)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 19.0、Excel 2013和Origin 8.0軟件處理，運(yùn)用ArcGIS10.0作采樣點(diǎn)圖。

1.5 質(zhì)量控制

采樣和試驗過程中所用容器均經(jīng)10%的鹽酸溶液浸泡24 h，用自來水沖洗干凈，最后用一級水清洗3遍以上，每個指標(biāo)于24 h內(nèi)完成測定。測定過程中使用萬分位天平，所用試劑均為優(yōu)級純，每批試驗均設(shè)1個平行樣，3個空白樣，8個標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行同步試驗。數(shù)據(jù)分析顯示，各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線的玆2值均達(dá)0.999 6以上，平行樣誤差均在2%┮閱?。?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 滴水湖水體各項理化指標(biāo)

滴水湖水體主要理化指標(biāo)季節(jié)變化的監(jiān)測結(jié)果（表1）顯示，滴水湖表層水中溶解氧DO含量范圍為6.47～10.58 mg/L，各季節(jié)DO濃度表現(xiàn)為2012年冬季>2013年春季>2013年秋季>2013年夏季。這是由于水體溶解氧和溫度有關(guān)系，溫度越高溶解氧含量越低［20］，夏季溫度較高，水體中的氧氣會大量向空氣逸出，導(dǎo)致DO降低。pH變化范圍7.70～8.55，顯示滴水湖水體呈現(xiàn)出弱堿性，此環(huán)境比較適合藻類繁殖。溫度玊變化范圍為8.13～31.98 ℃?？倯腋∥镱w粒（TSS）變化范圍為141.69～462.77 mg/L，其中2012年冬季<2013年秋季<2013年春季<2013年夏季，總懸浮顆粒物在一定程度上反映水體的濁度。鹽度變化范圍為1.50～2.96，顯示滴水湖并非是淡水湖，這可能是由于滴水湖受到東海海水的影響。沉積物pH變化范圍7.23～7.85，較表層水體小，但也均呈現(xiàn)弱堿性，溫度玊變化范圍為7.85～31.48 ℃。

表1 滴水湖水體TN及各項理化指標(biāo)含量變化

水樣 樣品來源 DO∥mg/L pH 玊∥℃ TSS∥mg/L 鹽度 TN∥mg/L

表層水樣 2012冬季 10.58 8.25 8.13 141.69 1.60 0.94

2013春季 9.19 7.70 16.95 238.78 1.50 3.34

2013夏季 6.47 8.55 31.98 462.77 2.96 3.59

2013秋季 9.17 8.16 19.35 237.60 2.68 1.36

沉積物樣 2012冬季 / 7.85 7.85 / / 427.71

2013春季 / 7.53 19.36 / / 579.28

2013夏季 / 7.32 31.48 / / 3 368.17

2013秋季 / 7.23 18.87 / / 26 334.37

2.2 滴水湖水體中TN的含量水平

滴水湖2012年冬季、2013年春季、夏季和秋季水體中各形態(tài)氮含量分析（表1）顯示，滴水湖表層水中TN濃度在0.94～3.59 mg/L。根據(jù)我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，滴水湖水體含氮量屬劣Ⅴ類水體。沉積物TN含量在427.71～26 334.37 mg/kg。結(jié)合美國EPA［27］中沉積物TN污染的評價標(biāo)準(zhǔn)，滴水湖沉積物TN屬中輕度污染水平，這可能是由于滴水湖為淺水湖泊，底泥容易受到風(fēng)浪或游艇等動力擾動作用，在沉積物懸浮過程中沉積物中氮會向水體中釋放［11，28-31］，另外，城市湖泊可能會定期清淤使得沉積物氮積累時間較短，累積量較少［13］。

2.3 滴水湖表層水中各形態(tài)氮的季節(jié)變化特征

滴水湖表層水中各形態(tài)氮每個季度的含量分析（圖2）顯示，表層水體中TN濃度由高到低依次出現(xiàn)在夏季、春季、秋季和冬季，這可能與溫度有關(guān)。NH3睳濃度變化范圍為0.36～1.03 ﹎g/L，表層水中NH3睳濃度由高到低依次出現(xiàn)在夏季、秋季、春季、冬季，這可能是由于底泥隨溫度升高向上覆水體中釋放氨氮強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)［12］。NH3睳在各個季節(jié)（除了春季）

圖2 滴水湖表層水中各形態(tài)氮的季節(jié)變化

均顯示出高于NO-3睳濃度，且在夏季最明顯（近2倍）。這可能是因為一方面夏季水中溶解氧最低，氨化作用逐漸強(qiáng)于硝化作用［32］；另一方面夏季湖水對流比較強(qiáng)，水中氨氮向空氣逸出，致使表面水體NH3睳濃度明顯比NO-3睳濃度高。表層水體中NO-3睳濃度變化范圍為0.19~0.53 mg/L，在春秋季節(jié)相對比較高，冬季最低。NO-2睳作為硝化作用的中間產(chǎn)物，含量特別低，濃度范圍在0.008～0.030 mg/L，在冬季濃度最大，各樣點(diǎn)間的差異性也比最大。

2.4 滴水湖底泥中各形態(tài)氮的季節(jié)變化特征

滴水湖底泥中各形態(tài)氮每個季度的含量分析（圖3）顯示，底泥中TN濃度在整個采樣期間呈現(xiàn)上升趨勢，在秋季達(dá)到最大值，這可能是由于秋季滴水湖中的大量動植物遺體在沉積物中富集，使得底泥TN濃度明顯高于其他3個季節(jié)。底泥中NH3睳濃度在3.76～10.80 mg/L之間，在冬季達(dá)到最高，在春季達(dá)最低?？赡苡捎诙緶囟容^低，底泥向上覆水體中釋放的較少，使得底泥中富集的氨氮較高于其他季節(jié)；而在春季隨著溫度升高，釋放氨氮增多，且水體溶解氧的增多，氨化作用減弱，使得底泥NH3睳在春季濃度最低。底泥NO-3睳濃度在2.54～4.76 mg/L，在秋季時達(dá)到最高，秋季由于動植物的遺體在底泥富集，底泥中的硝化作用明顯，使得NO-3睳在底泥中的富集達(dá)到最大值。NO-2睳作為硝化和氨化作用的中間產(chǎn)物，濃度與水體中表現(xiàn)一致較低，濃度在0.024～0.086 mg/L，其中在春季達(dá)到最大值，其余3個季節(jié)差別不大。

2.5 滴水湖表層水中各形態(tài)氮的空間分布特征

滴水湖表層水中各形態(tài)氮的空間分布特征（圖4）顯示，滴水湖表層水樣中TN在秋冬季節(jié)較低，在春夏季較高，這可能是由于春夏季溫度相對較高，滴水湖中動植物的活性較大，底泥向上覆

水體中釋放氮能力較強(qiáng)等原因使得表層水中TN濃度較高。

圖3 滴水湖底泥中各形態(tài)氮的季節(jié)變化

注：a.2012年冬季表層水樣；b.2012年春季表層水樣；c.2012年夏季表層水樣；d.2012年秋季表層水樣。

圖4 滴水湖表層水樣中各形態(tài)氮的空間變化特征

無機(jī)氮在冬季NH3睳和NO-2睳的空間差異性大于NO-3睳

和TN的空間差異性，冬季NH3睳在B港、F港及C港附近

的樣點(diǎn)14中濃度較高，冬季表層水中無機(jī)氮以NH3睳為主。在春季表層水體中無機(jī)氮NO-3睳空間差異性最大，其他形態(tài)氮在表層水中分布比較均勻，表層水中無機(jī)氮以NO-3睳為主，其中在C港和D港附近的樣點(diǎn)9處明顯高于其他處表層水樣。夏季表層水中NO-2睳空間差異性較大，NH3睳濃度明顯高于所有形態(tài)氮濃度，這可能是由于夏季溫度較高，底泥向上覆水體中釋放NH3睳量增多。在秋季滴水湖表層水中各形態(tài)無機(jī)氮的空間差異性均較小，NH3睳和NO-3睳濃度亦相近。

2.6 滴水湖底泥中各形態(tài)氮的空間分布特征

滴水湖底泥中各形態(tài)氮的空間分布特征（圖5）顯示，滴水湖底泥中TN在秋季空間差異性最大，在A港濃度最高，在B港和G港附近的樣點(diǎn)11處含量最低，其余3個季節(jié)空間差異性較小，其中在夏季A港底泥TN明顯高于其他樣點(diǎn)。冬季滴水湖底泥中NH3睳的空間差異性較大，其中在B、C、F、G港底泥中含量很高，底泥無機(jī)氮以NH3睳為主；春季滴水湖底泥中NO-3睳含量略高于NH3睳，可能是由于春季溫度升高底泥向上覆水釋放量增加，而且底泥微生物活性隨春季到來增強(qiáng)，硝化作用增強(qiáng)；夏季底泥無機(jī)氮在A、C港較高，各無機(jī)氮的空間差異性也較大；秋季在C港無機(jī)氮含量較高。滴水湖底泥無機(jī)氮在4個季節(jié)均顯示出空間差異性較大于上覆水體中的無機(jī)氮空間差異性，這是由于底泥中的物質(zhì)相對于水體中的物質(zhì)不易擴(kuò)散

注：a.2012年冬季底泥樣；b.2013年春季底泥樣；c.2013年夏季底泥樣；d.2013年秋季底泥樣。圖5中含量未顯示值的樣點(diǎn)是由于采樣過程中風(fēng)力以及底泥厚度的影響未采集到底泥樣品。

圖5 滴水湖底泥中各形態(tài)氮的空間變化特征

3 結(jié)論

（1）滴水湖表層水體TN濃度在0.94～3.59 mg/L，屬劣Ⅴ類水體；沉積物TN含量在427.71～26 334.37 mg/kg。表層水體中TN濃度在夏季最高；底泥中TN濃度在整個采樣期間呈現(xiàn)上升趨勢，在秋季達(dá)到最大值。

（2）表層水中NH3睳在夏季濃度最高，NO-3睳在春秋季節(jié)相對比較高，NO-2睳在冬季濃度最高；底泥中NH3睳在冬季達(dá)到最高，在春季濃度最低；底泥NO-3睳在秋季時達(dá)到最高，NO-2睳在春季濃度最高，其余3個季節(jié)差別不大。

（3）

滴水湖表層水中無機(jī)氮在冬季NH3睳和NO-2睳的空間差異性較大于NO-3睳和TN；在春季NO-3睳空間差異性最大，其他形態(tài)氮在表層水中分布比較均勻；在夏秋季各形態(tài)氮分布相對均勻。滴水湖底泥中各形態(tài)無機(jī)氮在4個季節(jié)空間差異性均較大于上覆水體中的無機(jī)氮的空間差┮煨?。?/p>

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