長江下游干流水體中氮的空間分布特征

劉 敏，林 莉，董 磊，趙良元

(長江科學(xué)院a.流域水環(huán)境研究所;b.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

氮不僅是水生生物的營養(yǎng)元素，也是引起水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素之一［1］，而且氨氮被證實是水體中毒害水生生物的重要因子［2］。相關(guān)研究表明，在一些淡水湖泊中，固氮藍藻“水華”的發(fā)生與無機氮在水體中的消耗有緊密關(guān)系［3－4］。氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)在湖泊、水庫、河流和海灣等緩流水體中富集，致使近年來我國的水域富營養(yǎng)化日趨嚴重［5］。

長江下游干流是指長江從江西湖口以下至上海出口段部分，長約93 km，沿江兩岸有許多支流匯入［6］。長江下游干流是長江流域經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)，同時也是長江水量最大的河段。近年來，隨著長江下游干流流域經(jīng)濟的迅速發(fā)展，排入長江的氮磷等營養(yǎng)鹽亦隨之增加。另外，近些年來長江中上游建立了許多大型水利工程，如三峽水庫等，這對長江干流的水文過程以及水體中污染物分布產(chǎn)生一定的影響。本研究主要考察長江下游干流污染物氮的空間分布及其變化規(guī)律，分析影響氮營養(yǎng)鹽分布的因素及氮素可能來源，為長江干流水體中氮素的污染控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集及檢測方法

2.1 采樣地點

2014年6月沿江采集水樣，途經(jīng)九江(湖口)、安慶、大通、蕪湖、南京、鎮(zhèn)江、南通、上海等主要城市段，根據(jù)各個城市特點共設(shè)置17個采樣斷面。采樣斷面分別在城區(qū)的上游、中游、下游，其中城區(qū)上游是指該城市最上的一個排污口以上，城區(qū)下游是指該城市最下的一個排污口以下，中游是指長江在該城市段上游和下游中間的位置。斷面布置左、中、右3條垂線，中垂線為河道中泓，左右垂線分別距岸邊100 m和200 m，中垂線和部分左右垂線取3點(水面下0.2倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深)。

2.2 檢測分析方法

TN檢測采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;TDN檢測是將水樣通過0.45 μm濾膜過濾后，再用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進行檢測;而檢測則采用納氏試劑分光光度法;溶解氧(DO)、水溫(T)、葉綠素a(Chl-a)等采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI)現(xiàn)場檢測;數(shù)據(jù)采用 SPSS 16.0和Origin 8.5軟件進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 長江下游干流水體中氮的組成及含量分析

調(diào)查結(jié)果表明，長江下游干流TDN占TN的66.67% ～98.52%，表明研究區(qū)域內(nèi)水體中溶解性氮為氮素的主要形態(tài)，與鄱陽湖樂安江流域和海河流域子牙水系河流中的氮素組成相似［7－8］。長江下游干流水體中各層氮含量如表1所示。

表1 表層、中層、底層水體中氮的含量Table 1 Concentration of nitrogen in surface，middle-layer and bottom-layer waters mg/L

由表1可知:表層和底層水體中TN的平均含量高于中層水體中TN平均含量，這有可能是因為研究區(qū)域內(nèi)近期有氮素輸入，另外，底泥可能釋放一定的氮素至上覆水中;表層水體中TDN平均含量比中層和底層TDN的平均含量高，而中層水體和底層水體中TDN的平均含量相近;表層、中層和底層水體中含量分別為0.30，0.29，0.31 mg/L，表明長江下游干流中表層、中層和底層水體中平均含量均相差不大。

3.2 長江下游干流水體中不同形態(tài)氮的垂直分布

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硝化和反硝化的多重影響［9］。長江下游干流各采樣點表層和底層水體中TN含量如圖1所示。

從圖1可以看出，長江下游干流水體中，除鄱陽湖匯入點TN含量未超標外，其它地方表層和底層的TN均不同程度超出了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)Ⅳ類水質(zhì)標準(1.5 mg/L)，這主要是由于鄱陽湖湖水的匯入對江水中的TN具有稀釋作用。局部地區(qū)(如上海上游和上海下游等)水體中的TN超出了地表水Ⅴ類標準(2.0 mg/L)，這與長江下游干流地區(qū)沿江局部有不同的點源氮素的輸入有關(guān)。部分地區(qū)江水中泓處的TN含量都要低于左、右岸的TN，這主要是江中泓位置水體流速較快，水質(zhì)更新快，氮素不易富集所致。有近1/3的采樣點底層中TN的含量高于表層TN的含量，可能與沉積物內(nèi)源氮的釋放有關(guān)［10］。

圖1 水體中TN空間分布特征Fig.1 Spatial distribution characteristics of total nitrogen in water samples of lower Yangtze River

長江下游干流中泓處水體中TDN含量分布如圖2所示，在研究區(qū)域內(nèi)，TDN空間變化特征與TN變化特征相似，這與高海鷹等［7，10］研究不同形態(tài)氮源污染結(jié)果相一致。采樣點的中層水體中TDN含量基本低于表層和底層水體中TDN含量，這是由于表層水體易受到人為氮素輸入源的影響，而且底層沉積物中氮的釋放對底層水體中的氮素有一定的貢獻。在研究區(qū)域內(nèi)，由上游至下游，水體中TDN含量沿江有上升的趨勢，研究區(qū)域的下游地區(qū)沿江可能有TDN的輸入源。

圖2 水體中TDN的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of total dissolved nitrogen in water samples of lower Yangtze river

圖3 水體中-N的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of total-N in water samples of lower Yangtze river

3.3 長江下游干流氮素的沿程分布

不同城市段氮素的平均含量均不同，如圖4所示。由圖4(a)可知，從上游至下游TN的分布:總體上表層、中層和底層水體中的TN均呈現(xiàn)出上升趨勢，表層和底層水體中的TN平均含量相近。其中九江段表層和底層水體中的TN平均含量最低，安慶段中層水體中TN平均含量最低，上海段的水體中的表層、中層、底層的TN平均含量最高。這說明氮素在不同城市河段的水體分布不均，這可能是因為不同城市氮素的輸入量不同所致。

從上游至下游，采樣點的TDN平均含量變化特征:總體上TDN平均含量與TN平均含量呈現(xiàn)相似趨勢(如圖4(b)所示)。大通的表層和底層水體TDN平均含量突然增大，這可能由于該段水文條件發(fā)生變化，致使底泥中氮素釋放，另一方面，當?shù)乜赡苡械氐妮斎朐础?/p>

圖4 不同城市段長江干流水體中TN，TDN和-N平均含量Fig.4 Average contents of TN，TDN and-N in different cities along the mainstream Yangtze river

3.4 水的理化參數(shù)與長江下游干流氮素的相關(guān)性分析

此次主要分析了溶解氧(DO)，濁度(TUR)，水溫(T)，葉綠素a(Chl-a)對長江下游干流氮素分布的影響。采用SPSS 16.0軟件對水體理化參數(shù)與水體中TDN含量進行相關(guān)性分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 TDN與水體理化參數(shù)的相關(guān)性分析Table 2 Result of correlation analysis between total dissolved nitrogen and the physical and chemical properties of water

從表2中可看出，TDN與T和Chl-a呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 －0.583(p=0.029 ＜ 0.05)和 －0.566(p=0.035 ＜0.05)(見表2)，這說明氮對藻類的生理活動有一定的影響［14］，T等其它環(huán)境因素可能對氮素的含量分布有影響。同時還發(fā)現(xiàn)，T與Chl-a呈顯著正顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.761(p=0.002＜0.01)，這說明T對Chl-a也有一定的影響。

4 結(jié)論

本研究通過對長江干流下游水體中氮素的含量進行分析，得出以下主要結(jié)論。

(1)長江下游干流水體中不同深度水體中氮素含量有所差異。表層和底層水體中TN平均含量均高于中層水體中TN平均含量;表層TDN的平均含量比中層和底層TDN的平均含量高，而中層和底層中TDN的平均含量相近;水體中表層、中層和底層中的平均含量均相差不大。TDN是氮素賦存在長江下游干流水體中的主要形態(tài)。

(2)研究區(qū)域從上游至下游，TN和TDN的平均含量呈現(xiàn)上升的趨勢，而且不同城市間的平均含量波動較大。

(3)通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，TDN與Chl-a呈顯著負相關(guān)。T與Chl-a呈顯著正相關(guān)。其它形態(tài)氮與水的理化性質(zhì)沒有明顯相關(guān)關(guān)系。

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