楊莊采煤塌陷水域沉積物中氮磷形態(tài)垂向分布特征

周慶紅+姚素平+高良敏+姚健健

摘要：以安徽省淮南市潘一礦楊莊采煤塌陷水域?yàn)檠芯繉?duì)象，分析比較了10個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中總氮（TN）、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)氮、總磷（TP）、鋁結(jié)合態(tài)磷（Al-P）、鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）、閉蓄態(tài)磷（Oc-P）、鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P）的垂向分布特征。結(jié)果表明：楊莊采煤塌陷水域沉積物中總氮、氨氮、有機(jī)氮、TP、A1-P的垂向分布呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減小的趨勢(shì);而沉積物中亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、Fe-P、Ca-P和Oc-P的垂向分布無(wú)明顯規(guī)律性;各采樣點(diǎn)的氮磷比都小于16 ∶ 1，因而氮是塌陷水域沉積物中最主要的限制性營(yíng)養(yǎng)元素。

關(guān)鍵詞：塌陷水域;沉積物;氮;磷;垂向分布

中圖分類(lèi)號(hào)： X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）04-0321-03

收稿日期：2014-05-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAC10B02）;淮南礦業(yè)集團(tuán)科技計(jì)劃[編號(hào)：HNKY-生態(tài)環(huán)境研究室-（2013）]。

作者簡(jiǎn)介：周慶紅（1989—），女，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗廴究刂?。E-mail：zqh890902@163.com。

大規(guī)模的煤炭資源開(kāi)發(fā)造成了大面積地下采空區(qū)，形成大面積的地表塌陷水域，改變了土壤成分，破壞了原有的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境。隨著礦區(qū)煤炭資源持續(xù)開(kāi)采，未來(lái)還將形成更多的塌陷水體。預(yù)計(jì)到2015年，安徽省淮南市在產(chǎn)礦區(qū)累計(jì)塌陷面積將達(dá)29 734 hm2，其中積水面積約16 534 hm2，最大積水深度可達(dá)10 m。因此，塌陷水體的綜合治理已成為礦區(qū)的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，必須盡快研究和采取有效措施加以解決。 本研究以安徽省淮南市潘一礦楊莊采煤塌陷水域沉積物為研究對(duì)象，分析了沉積物中氮、磷形態(tài)分布，對(duì)礦區(qū)水體的綜合利用和進(jìn)一步加強(qiáng)采煤塌陷區(qū)的水域管理，具有可持續(xù)發(fā)展的意義[1-6]。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

楊莊采煤塌陷水域面積約4 km2，與淮河支流的泥河相連，泥河從該水域西南方流入、東南方流出，塌陷水域的西北方向堆放著大量煤矸石，現(xiàn)今已堆積成矸石山，塌陷水域周邊遍布村莊、農(nóng)田，整個(gè)塌陷水域被失地農(nóng)民用于漁業(yè)養(yǎng)殖，每年都投放魚(yú)苗，但不飼喂餌料，屬自然散養(yǎng)型[7-10]，因此選此塌陷水域具有典型性。

1.2 采樣與分析方法

2012年8月，用柱狀采樣器采集0～10 cm的樣品，布置了10個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），以每層2 cm現(xiàn)場(chǎng)分割成5層，共得50個(gè)樣品，密封保存。

沉積物樣品自然風(fēng)干后，用錘子壓散，研缽研磨后過(guò)100目篩，貯存?zhèn)溆谩y(cè)定方法：總氮（TN）采用凱氏消煮法，銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮采用氯化鉀溶液提取-分光光度法，總磷（TP）用酸溶-鉬銻抗分光光度法，鋁結(jié)合態(tài)磷（Al-P）、鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）、閉蓄態(tài)磷（Oc-P）、鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P）

采用化學(xué)分級(jí)提取法。每個(gè)樣品做3個(gè)平行樣，含量用平均值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物中氮形態(tài)垂直分布特征

深度為0～2、2～4、4～6、6～8、8～10 cm的沉積物中TN的平均含量分別為 1 273.91、1 051.48、997.15、836.54、74169 mg/kg，呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減少的趨勢(shì)，各采樣點(diǎn)的TN含量都隨沉積物深度的增加而不斷減少（圖2）。各層沉積物中銨態(tài)氮的平均含量分別為106.48、90.31、79.96、68.14、54.77 mg/kg，呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減少的趨勢(shì)，各采樣點(diǎn)的銨態(tài)氮含量都隨沉積物深度的增加而不斷減少（圖3）。由于沉積物表層與水體直接接觸，微生物的種類(lèi)較多、活性較強(qiáng)，在微生物作用下，有機(jī)氮經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮的量較深層的多，因而，沉積物中的銨態(tài)氮可以呈現(xiàn)出隨沉積物深度的增加而不斷減少的趨勢(shì)。各層沉積物中亞硝態(tài)氮的平均含量分別為0.26、0.22、0.18、0.37、0.46 mg/kg，各點(diǎn)垂向分布含量略有不同，但沒(méi)有明顯的層次性，沒(méi)有明顯的規(guī)律（圖4）。各層沉積物中硝態(tài)氮的平均含量分別為4.23、4.24、397、3.73、4.09 mg/kg，各點(diǎn)垂向分布含量隨沉積深度有升有降，沒(méi)有明顯的規(guī)律（圖5）。各層沉積物中有機(jī)氮平均含量分別為1 162.96、956.71、913.03、764.30、682.36 mg/kg，呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減少的趨勢(shì)，各采樣點(diǎn)的有機(jī)氮含量也隨沉積物深度的增加而不斷減少（圖6）。

2.2 沉積物中磷形態(tài)垂直分布特征

深度為0～2、2～4、4～6、6～8、8～10 cm的沉積物中TP的平均含量分別為345.54、302.63、264.06、234.76、

225.86 mg/kg，呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減少的趨勢(shì)，且在各采樣點(diǎn)TP的垂向分布特征為由表層向深層逐漸遞減（圖7）。各層沉積物中Al-P的平均含量分別為73.43、58.16、4445、37.44、32.35 mg/kg，呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減少的趨勢(shì);除了個(gè)別采樣點(diǎn)（P2、P3和P7），Al-P在沉積物中的垂向分布大體上呈現(xiàn)出由表層向深層逐漸減少的趨勢(shì)（圖8）。因?yàn)槌练e物中Al-P活性較高，釋放強(qiáng)度在氧化還原條件的影響下，其在接近上覆水的沉積物表層，沉積環(huán)境相對(duì)好氧的狀態(tài)下，Al-P 的“形成—釋放—擴(kuò)散”作用較顯著，在沉積物表層與上覆水體的不斷交換中，造成了沉積物表層中Al-P的含量較高。各層沉積物中Fe-P的平均含量分別為6722、4876、34.86、28.17、25.15 mg/kg，各采樣點(diǎn)垂向分布含量有增有減，規(guī)律不明顯（圖9）。各層沉積物中Ca-P的 平均含量分別為98.09、84.67、82.48、78.97、70.99 mg/kg，呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減少的趨勢(shì)，但各點(diǎn)垂向分布含量有升有降，變化不大，無(wú)明顯規(guī)律（圖10）。各層沉積物中Oc-P的平均含量分別為30.91、24.11、20.08、22.33、21.10 mg/kg，各點(diǎn)垂向分布含量有增有減，規(guī)律不顯著（圖11）;因?yàn)镺c-P的含量與鈣的沉積相關(guān)，在非強(qiáng)烈的還原條件下很難釋放，性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定。endprint

2.3 氮磷比

Redfield比值“N ∶ P=16 ∶ 1”經(jīng)常被應(yīng)用于評(píng)價(jià)水體的限制性營(yíng)養(yǎng)元素。當(dāng)Redfield比值>16時(shí)即為磷限制，當(dāng)Redfield比值<16時(shí)即為氮限制[11]。本研究運(yùn)用“N ∶ P=16 ∶ 1”

作為界限，來(lái)判斷楊莊采煤塌陷水域沉積物各采樣點(diǎn)的限制因子。由采樣點(diǎn)沉積物中氮磷的物質(zhì)的量之比（表1）可以看出，各采樣點(diǎn)和采樣深度的氮磷比均小于16 ∶ 1，因此楊莊采煤塌陷區(qū)水域各采樣點(diǎn)的限制因子均為氮。

表1 采樣點(diǎn)沉積物中氮磷的物質(zhì)的量之比

沉積物

深度（cm）

各采樣點(diǎn)沉積物中氮磷的物質(zhì)的量之比

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 平均值

0～2 2.88 5.07 6.91 10.56 7.35 10.25 7.37 12.64 11.89 6.64 8.16

2～4 2.42 4.83 7.19 9.43 9.13 7.42 8.04 9.54 12.61 6.69 7.73

4～6 2.41 4.92 8.49 10.82 10.60 8.55 9.78 9.05 13.47 7.26 8.53

6～8 2.07 4.80 8.15 10.39 8.90 7.41 8.34 8.64 11.46 6.45 7.66

8～10 2.36 4.17 8.45 10.85 7.21 5.52 8.09 5.74 13.57 7.15 7.31

平均值 2.43 4.76 7.84 10.41 8.64 7.83 8.32 9.12 12.60 6.84

3 結(jié)論

在0～10 cm的沉積深度內(nèi)，楊莊采煤塌陷水域沉積物中總氮、銨態(tài)氮、有機(jī)氮的垂向分布特征呈現(xiàn)出由淺層向深層逐漸減少的趨勢(shì);而沉積物中亞硝態(tài)氮與硝態(tài)氮的垂向分布無(wú)明顯規(guī)律性。

在0～10 cm的沉積深度內(nèi)，楊莊采煤塌陷水域沉積物中TP、Al-P的垂向分布特征呈現(xiàn)出由表層向深層遞減的趨勢(shì);而沉積物中Fe-P、Ca-P、0c-P的垂向分布無(wú)明顯規(guī)律性。

在0～10 cm的沉積深度內(nèi)，各采樣點(diǎn)的氮磷比都小于Redfield比值，因而氮是楊莊采煤塌陷水域沉積物最主要的限制性營(yíng)養(yǎng)元素

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