鳴翠湖間隙水與上覆水中氮、磷的分布特征研究*

梁 東 鐘艷霞 楊麗芳 李小宇 田 欣

(寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)極為復(fù)雜的生態(tài)過程，導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的因素很多，從根本上講是由于水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的過度增加。沉積物-水界面的地球化學(xué)行為對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)有著極為重要的影響[1]。即便外源污染物得到有效控制，當(dāng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的某些條件發(fā)生變化時(shí)，湖泊沉積物就會(huì)變?yōu)閮?nèi)源，以間隙水為介質(zhì)，通過擴(kuò)散、對(duì)流以及再懸浮等過程向上覆水釋放營(yíng)養(yǎng)元素[2-3]，造成湖泊二次污染[4]，降低湖泊水質(zhì)[5]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)湖泊間隙水和上覆水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的研究主要集中在東部地區(qū)，如太湖[6-7]、鄱陽湖[8-9]、洞庭湖[10-11]、南四湖[12-13]等湖泊，西部地區(qū)的湖泊在此方面的研究相對(duì)缺乏；但隨著西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，再加上全球氣候變化的疊加影響，脆弱生態(tài)環(huán)境背景下的湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重威脅[14]，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，直接影響該地區(qū)水資源的可持續(xù)利用和水生態(tài)系統(tǒng)健康[15]。本研究以銀川平原典型湖泊濕地——鳴翠湖為研究對(duì)象，分析其間隙水和上覆水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的濃度和空間分布，探討其內(nèi)源污染特征。本研究為鳴翠湖水資源管理和保護(hù)提供科學(xué)、可靠的依據(jù)，并為河套地區(qū)乃至西部地區(qū)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的治理提供借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鳴翠湖位于寧夏回族自治區(qū)銀川市興慶區(qū)掌政鎮(zhèn)，距黃河3 km，東邊是惠農(nóng)渠，西邊是紅旗排水溝，南邊是永寧縣中心排水溝，北邊是銀橫公路。鳴翠湖是歷史上黃河古道改道而成的自然湖泊，為七十二連湖中長(zhǎng)湖的核心部分，是銀川市東部最重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)。湖區(qū)面積為666.7 hm2，其中濕地面積為548.0 hm2，年平均氣溫8～9 ℃，年平均水深1.6 m，屬黃河水系。湖區(qū)水源較穩(wěn)定，主要以黃河水、農(nóng)田退水補(bǔ)給為主。湖區(qū)是典型的中溫帶半干旱荒漠氣候區(qū)，冬春少雨，夏秋多雨，年降水量120～150 mm，年蒸發(fā)量1 500～1 800 mm，年平均相對(duì)濕度58.7%。

1.2 樣品采集

依據(jù)鳴翠湖湖面功能區(qū)劃分及補(bǔ)水入口分布等情況，于2015年4月底分別在蘆葦迷宮中心(1#)、蘆葦迷宮沿岸(2#)、開闊水域(3#)、荷花池(4#)和景區(qū)大門東邊(5#)，利用抓斗式采樣器采集沉積物混合樣5個(gè)。采樣點(diǎn)分布見圖1。同時(shí)采集上覆水水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試指標(biāo)包括溫度、水深、電導(dǎo)率、透明度(SD)和pH等，并根據(jù)觀測(cè)記錄沉積物性狀，同時(shí)記錄采樣點(diǎn)環(huán)境。采樣點(diǎn)的基本特征見表1。

1.3 樣品處理與測(cè)定方法

上覆水水樣：樣品取回后測(cè)定TP、TN、氨氮、葉綠素a(Chla)、懸浮物和COD。TP采用堿性過硫酸鉀消解/鉬酸銨分光光度法測(cè)定；TN采用過硫酸鉀氧化/紫外分光光度法測(cè)定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；Chla采用分光光度法測(cè)定；懸浮物采用重量法測(cè)定；COD采用重鉻酸鹽法測(cè)定。

間隙水水樣：將沉積物樣品在4 000 r/min下離心20 min，取上清液，用0.45 μm的濾膜過濾，得到間隙水水樣，測(cè)定TP、TN、氨氮、COD濃度。測(cè)定方法同上覆水水樣。

圖1 鳴翠湖采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Mingcui Lake

2 結(jié)果與分析

2.1 氮、磷分布特征

2.1.1 TN的分布特征

表1 鳴翠湖采樣點(diǎn)基本特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中TN的分布見圖2。從圖2可以看出，間隙水中TN質(zhì)量濃度為2.55～5.70 mg/L，平均值為3.83 mg/L。上覆水中TN質(zhì)量濃度為0.81～2.53 mg/L，平均值為2.17 mg/L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，2#、3#、4#和5#的上覆水中TN質(zhì)量濃度超過2.0 mg/L，均屬于Ⅴ類水；1#的上覆水中TN質(zhì)量濃度符合0.5～1.0 mg/L，屬于Ⅲ類水。TN濃度呈現(xiàn)出從間隙水到上覆水遞減的趨勢(shì)，濃度梯度顯著，具備了氮從沉積物通過間隙水向上覆水中釋放的條件。

圖2 鳴翠湖間隙水與上覆水中TN的分布Fig.2 Distribution of TN concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，各個(gè)采樣點(diǎn)的間隙水和上覆水中TN變化趨勢(shì)存在差異。從間隙水看，3#的TN濃度最低，可能與該采樣點(diǎn)位于開闊水域，且經(jīng)過清淤，沉積物中的TN濃度較低有關(guān)；4#的TN濃度最高，可能與該采樣點(diǎn)處于補(bǔ)水口位置有關(guān)。從上覆水看，TN濃度在1#最低；其他采樣點(diǎn)的TN濃度差異不明顯，但TN濃度總體上較低，其原因可能是由于采樣期間鳴翠湖平均溫度較低，沉積物中的氮分解緩慢，向水體釋放的氮也較少[16]。

2.1.2 氨氮的分布特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中氨氮的分布見圖3。由圖3可以看出，間隙水中氨氮質(zhì)量濃度為1.22～2.99 mg/L，平均值為2.23 mg/L。上覆水中氨氮質(zhì)量濃度為0.19～0.31 mg/L，平均值為0.24 mg/L。根據(jù)GB 3838—2002，各采樣點(diǎn)上覆水中氨氮符合0.15～0.50 mg/L，均屬于Ⅱ類水。鳴翠湖間隙水和上覆水中的氨氮濃度均較低，相比之下間隙水中的氨氮濃度遠(yuǎn)高于上覆水。這可能是由于湖泊通過農(nóng)田進(jìn)行補(bǔ)水的過程還未開始，外源污染物未進(jìn)入湖泊，沉積物的氨氮濃度成為影響鳴翠湖水質(zhì)的主要因素；另一方面，采樣期間鳴翠湖平均溫度較低，沉積物中有機(jī)氮的氨化作用緩慢，導(dǎo)致蓄積在間隙水中的氨氮濃度較低，通過擴(kuò)散作用釋放到上覆水中的氨氮濃度更低[17]。

圖3 鳴翠湖間隙水與上覆水中氨氮的分布Fig.3 Distribution of ammonium nitrogen concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，間隙水中的氨氮濃度表現(xiàn)為3#最低，4#最高。上覆水各采樣點(diǎn)的氨氮濃度均較低，且不同采樣點(diǎn)的差異不大。其可能原因如下：一方面，經(jīng)過冬、春季節(jié)的氨氮沉積，各采樣點(diǎn)上覆水中的氨氮轉(zhuǎn)移到沉積物或間隙水中；另一方面，采樣期間鳴翠湖溫度較低，微生物活動(dòng)較少，導(dǎo)致有機(jī)物的礦化分解量少，進(jìn)而降低了間隙水中氨氮向上覆水的擴(kuò)散[18]；此外，風(fēng)浪、水流等因素導(dǎo)致上覆水中氨氮充分混合，降低了各采樣點(diǎn)上覆水中氨氮濃度的差異。

2.1.3 TP的分布特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中TP的分布見圖4。由圖4可以看出，間隙水中TP質(zhì)量濃度為0.10～0.18 mg/L，平均值為0.15 mg/L。上覆水中TP質(zhì)量濃度為0.04～0.11 mg/L，平均值為0.07 mg/L。根據(jù) GB 3838—2002，5#上覆水中的TP質(zhì)量濃度超過0.1 mg/L，屬于Ⅴ類水；2#、3#、4#上覆水中的TP質(zhì)量濃度符合0.05～0.10 mg/L，均屬于Ⅳ類水；1#上覆水中的TP質(zhì)量低于0.05 mg/L，屬于Ⅲ類水。從整體上看，鳴翠湖水體的TP濃度表現(xiàn)為間隙水大于上覆水。

圖4 鳴翠湖間隙水和上覆水中TP的分布Fig.4 Distribution of TP concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，間隙水中的TP濃度在1#最低，其原因可能是采樣期間蘆葦?shù)却罅克参镩_始生長(zhǎng)，對(duì)于磷的吸附作用逐漸增強(qiáng)，一定程度延緩了磷的釋放[19]。3#間隙水中的TP濃度也較低，可能是由于3#無蘆葦?shù)却笮椭参锏纳L(zhǎng)，植物殘?bào)w分解帶來的磷較少，僅靠水體懸浮物的沉積蓄積部分磷，但3#經(jīng)過清淤，沉積的磷被部分清除，現(xiàn)有的沉積物沉積時(shí)間較短，沉積層薄，TP濃度不高，因而導(dǎo)致間隙水中TP濃度較低[20]。上覆水中TP濃度表現(xiàn)為從1#到5#逐漸遞增。

2.2 相關(guān)性比較

為分析鳴翠湖間隙水和上覆水中氮、磷的相關(guān)性，用SPSS 17.0軟件，分別計(jì)算間隙水和上覆水中TP、TN、氨氮、有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性，結(jié)果分別見表2和表3。

表2 鳴翠湖間隙水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)性分析1)

注：1)*表示在α=0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在α=0.01水平上極顯著相關(guān)。

表3 鳴翠湖上覆水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)性分析

從表2可以看出，間隙水中TN與氨氮的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.899，具有顯著相關(guān)性，說明間隙水中的氨氮是TN的重要組成部分，TN的變化會(huì)受到氨氮的影響[21]。間隙水中的有機(jī)質(zhì)與TN的相關(guān)系數(shù)為0.983，呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，說明間隙水中有機(jī)質(zhì)與TN可能存在密切的關(guān)系。相關(guān)研究表明，有機(jī)質(zhì)在礦化過程中會(huì)釋放出大量的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，一定程度上造成TN濃度升高[22]。從表3可以看出，上覆水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間無顯著相關(guān)性。

從總體上看，間隙水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性較高，而上覆水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性較低，但并不能因此說明間隙水和上覆水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沒有相互影響[23]。結(jié)合間隙水和上覆水中氮、磷的分布特征及相關(guān)性分析得出，在間隙水中的氮、磷濃度遠(yuǎn)高于上覆水的情況下，間隙水中的氮、磷濃度并不是上覆水中氮、磷濃度的決定因素。這是因?yàn)槌练e物-水界面的氮、磷遷移會(huì)受到諸多因素的影響，如外源輸入、吸附/解吸、溶解，底棲生物活動(dòng)，風(fēng)浪造成的紊流擴(kuò)散及沉積物表面的直接釋放等，并不是單純受濃度梯度控制[24]。

2.3 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)方法中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[25]是目前應(yīng)用最多的一種方法，主要包括卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法。本研究依據(jù)鳴翠湖四季水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，選取Chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，綜合TP、TN、SD、COD等參數(shù)，對(duì)鳴翠湖進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的計(jì)算公式如下：

TLI=∑LIj×Wj

(1)

(2)

式中：TLI為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；LIj為參數(shù)j的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為參數(shù)j的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重，WChla、WTP、WTN、WSD和WCOD分別為0.266 3、0.187 9、0.179 0、0.183 4、0.183 4；rj為參數(shù)j與Chla的相關(guān)系數(shù)，rChla、rTP、rTN、rSD和rCOD分別為1.00、0.84、0.82、-0.83、0.83；j為參數(shù)，包括Chla、TP、TN、SD和COD；m為參數(shù)總數(shù)，m=5。

LIChla、LITP、LITN、LISD和LICOD的計(jì)算公式如下：

LIChla=10×(2.500+1.086lncChla)

(3)

LITP=10×(9.436+1.624lncTP)

(4)

LITN=10×(5.453+1.694lncTN)

(5)

LISD=10×(5.118-1.94lnd)

(6)

LICOD=10×(0.109+2.661lncCOD)

(7)

式中：cChla為Chla質(zhì)量濃度，mg/m3；cTP、cTN和cCOD分別為TP、TN和COD質(zhì)量濃度，mg/L；d為SD，m。

根據(jù)綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)照湖泊(水庫(kù))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)(見表4)，得出鳴翠湖富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)結(jié)果，如表5所示。

由表5可以看出，富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)嚴(yán)重程度排序?yàn)?#>2#>1#>4#>3#。富營(yíng)養(yǎng)化程度最低的為3#，營(yíng)養(yǎng)級(jí)別為中營(yíng)養(yǎng)，主要是由于3#處于開闊水域，無蘆葦?shù)雀叩戎参锏纳L(zhǎng)，且經(jīng)過清淤，水體中氮、磷濃度低。其他采樣點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)別均為輕度富營(yíng)養(yǎng)。5#富營(yíng)養(yǎng)化程度最高，主要是由于5#水體中TN、TP濃度均較高(見圖2和圖4)，水體透明度明顯偏低，且靠近公路，受外源污染物影響較大。1#、2#的大型水生植物為蘆葦，蘆葦?shù)纳L(zhǎng)對(duì)氮、磷具有一定的吸收和吸附作用，使水體得到一定的凈化；但由于蘆葦?shù)拿芗植际乖搮^(qū)域相對(duì)封閉，水體流動(dòng)性差，加之蘆葦殘?bào)w的長(zhǎng)期積累，可能會(huì)使TN和Chla濃度增大[26]。

表4 湖泊(水庫(kù))營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表5 鳴翠湖營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 論

鳴翠湖間隙水中TP、TN、氨氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.15、3.83、2.23 mg/L；上覆水中TP、TN、氨氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.07、2.17、0.24 mg/L。間隙水中氮、磷濃度明顯高于上覆水，濃度梯度顯著，富營(yíng)養(yǎng)化的內(nèi)源污染作用已經(jīng)非常明顯。間隙水中氮、磷的濃度受沉積物的影響較大。上覆水中氮、磷的空間分布規(guī)律不明顯，說明上覆水中的氮、磷在受到外界復(fù)雜環(huán)境因素的影響下吸附與釋放過程緩慢，同時(shí)上覆水氮、磷濃度受外源污染的多元化影響。相關(guān)性分析表明，間隙水中TN與氨氮的相關(guān)系數(shù)為0.899，具有顯著相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)與TN的相關(guān)系數(shù)為0.983，具有極顯著相關(guān)性；而上覆水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性較弱。鳴翠湖水體已呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，在控制外源污染物進(jìn)入的同時(shí)要考慮到沉積物中的氮、磷通過間隙水向上覆水中的釋放。

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