太湖流域典型河網(wǎng)水體氮磷負(fù)荷及遷移特征

劉德鴻,余居華,鐘繼承*,鐘文輝,范成新(.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 20008；2.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 4700；.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京2002)

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太湖流域典型河網(wǎng)水體氮磷負(fù)荷及遷移特征

劉德鴻1,2,3,余居華1,鐘繼承1*,鐘文輝3,范成新1(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；2.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003；3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京210023)

摘要：對(duì)西太湖流域典型河道水體及沉積物氮磷含量進(jìn)行分析,利用原柱樣培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了沉積物-水界面氮磷交換通量及需氧量(SOD),并探討他們之間的關(guān)系,結(jié)果表明:研究區(qū)域河道水體和沉積物氮磷總體含量水平較高,水體TN和TP平均含量分別為4.12mg/L和0.16mg/L,沉積物TN和TP平均含量分別為1658.76mg/kg和712.25mg/kg, NO3--N為水體無(wú)機(jī)氮的主要存在形態(tài),NH4+-N為沉積物無(wú)機(jī)氮的主要存在形態(tài).沉積物需氧量(SOD)區(qū)域間差異較大,大體呈現(xiàn)西、南部區(qū)域較高,北部區(qū)域較低的特征;沉積物-水界面各無(wú)機(jī)氮磷交換通量分別為:NH4+-N為-188.08～329.45mg/(m2?h),均值為13.05mg/(m2?h);NO3--N為-118.68～42.86mg/(m2?h),均值-28.09mg/(m2?h);NO2--N為-18.37～-4.81mg/(m2?h);均值-8.22mg/(m2?h);溶解性活性磷(SRP)為-10.94～10.58mg/(m2?h),均值1.34mg/(m2?h).NH4+-N整體表現(xiàn)為由沉積物向上覆水釋放,且與沉積物有機(jī)質(zhì)(LOI)呈極顯著正相關(guān),SRP交換通量與沉積物中TP和TDP均顯著正相關(guān),表明NH4+-N的釋放與沉積物有機(jī)質(zhì)的分解有關(guān),SRP釋放主要受沉積物TP和TDP影響.總體看,西部區(qū)域點(diǎn)位沉積物及水體氮磷污染最為嚴(yán)重,氮磷交換通量也較大,在區(qū)域內(nèi)又表現(xiàn)為下游入湖口>上游的特征,表明人類活動(dòng)對(duì)太湖流域典型河網(wǎng)氮磷水平及遷移轉(zhuǎn)化特征影響較大.

關(guān)鍵詞：太湖河網(wǎng)；沉積物-水界面；沉積物需氧量；交換通量

? 責(zé)任作者, 副研究員, jczhong@niglas.ac.cn

水體富營(yíng)養(yǎng)化程度與底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放關(guān)系密切,室內(nèi)模擬釋放試驗(yàn)研究表明[1-4],當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽輸入減少或完全阻斷時(shí),沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放仍能導(dǎo)致水體氮磷增加.太湖是我國(guó)第三大淡水湖泊,面積2338km2,平均水深1.8m,是典型的大型淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊,流域總面積3.65×104km2,該區(qū)域河網(wǎng)稠密,且受人類活動(dòng)影響巨大[5].大量含氮、磷污水通過(guò)直接排污或地表徑流匯入河道,最終經(jīng)入湖口進(jìn)入太湖,形成外源污染,而河道沉積的氮磷則易形成潛在的內(nèi)源污染.因此,掌握入湖河到水體和沉積物氮、磷含量水平及釋放特征,對(duì)太湖富營(yíng)養(yǎng)化綜合治理具有重要參考價(jià)值.

隨著人們對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)化危害及原因認(rèn)識(shí)的提高,環(huán)太湖流域部分外源污染在一定程度上已得到控制[6],但沉積物作為氮磷的蓄積庫(kù)且持續(xù)向水體釋放,則會(huì)成為新的潛在的內(nèi)源污染.針對(duì)太湖流域有關(guān)沉積物氮磷存在形態(tài)的研究發(fā)現(xiàn), 7條河流沉積物氮主要是以有機(jī)氮為主,銨態(tài)氮是無(wú)機(jī)氮的主要存在形式[7],有研究者分析不同污染控制區(qū)中28條主要環(huán)湖河流河口處表層沉積物氮形態(tài),得到了相似的的結(jié)果[8],河口沉積物TN、TP含量均較高[9].因此,河道沉積物中較高的氮磷必然逐漸向河道水體釋放,在生物、物理及化學(xué)過(guò)程的作用下輸入到太湖中并在太湖中重新沉降,形成新的內(nèi)源污染[10],勢(shì)必增大太湖氮磷的內(nèi)源負(fù)荷及釋放風(fēng)險(xiǎn)[11].

有關(guān)入湖河道沉積物-水界面氮磷釋放通量的研究有助于了解氮磷等生源要素物質(zhì)在河網(wǎng)中遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,同時(shí)也對(duì)河網(wǎng)入湖污染物通量估算有幫助.而有關(guān)西太湖入湖河道及河口沉積物-水界面溶解氧消耗速率及氮磷交換通量的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道.為了獲取具有不同生態(tài)類型和服務(wù)功能的典型河網(wǎng)及湖蕩中碳、氮、磷循環(huán)主要過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)及可能的取值范圍,更好的模擬太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)過(guò)程,有針對(duì)性地研究太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)污染物在水體中的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程與其影響因素,完善太湖河網(wǎng)水量水質(zhì)耦合模型.本研究選取太湖流域主要入湖河道,向上游追溯,并在上游及入湖口設(shè)置采樣點(diǎn),分析了沉積物、水體氮磷含量及沉積物-水界面的耗氧速率及氮磷交換特征,以期為環(huán)太湖流域各河段氮磷排放量的準(zhǔn)確估算、獲取所需參數(shù)以及太湖營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷控制和水環(huán)境的改善提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù).

1 研究方法

1.1 采樣點(diǎn)位介紹

根據(jù)采樣點(diǎn)分布位置,把9個(gè)點(diǎn)位在歸類為3個(gè)區(qū)域,S1、S2和S3歸為北部區(qū)域,S4、S5和S6歸為西部區(qū)域,S7、S8、S9歸為南部區(qū)域,具體點(diǎn)位如圖1所示.

丹金溧漕河和京杭大運(yùn)河(丹陽(yáng)S1、常州S2):丹金溧漕河位于江蘇西南部,南北走向長(zhǎng)約66km,連接丹陽(yáng)、金壇、溧陽(yáng)三市,是太湖西部地區(qū)主要水運(yùn)干線,也是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)高等級(jí)航道網(wǎng)“兩縱六橫”和江蘇省干線航道網(wǎng)“兩縱四橫”中京杭運(yùn)河的重要組成部分,在丹陽(yáng)西南部與京杭大運(yùn)河交匯.

漕橋河和太滆南運(yùn)河匯流入太湖河段(宜興分水村S3):漕橋河位于江蘇省宜興市北部,位于太湖和滆湖之間全長(zhǎng)21.5km,大部分河段位于宜興市境內(nèi),太滆南運(yùn)河位于宜興市北部,屬洮、滆、太水系,源于滆湖,由西向東流屬于市級(jí)河道,全長(zhǎng)20.3km.兩河在下游分水村處交匯,最后經(jīng)百瀆港匯入太湖.

團(tuán)氿S4、陳東港S5和洪巷港S6(宜興):宜興市境內(nèi)河網(wǎng)密布,湖泊眾多,其中團(tuán)氿地處宜興市區(qū)西北部,東西長(zhǎng)1.8km,南北寬40～320m,總面積約2.7km2,流經(jīng)市內(nèi)眾多河道與東氿相連,最終主要通過(guò)大浦港、陳東港和洪巷港流入太湖,本次采樣點(diǎn)選取陳東港和洪巷港.

西苕溪S7、東苕溪S8和長(zhǎng)兜港S9(湖州):西苕溪位于浙江省湖州市境內(nèi),是太湖上游的重要支流,是湖州市及其沿河居民的主要飲用水源地,東苕溪源出東天目山,長(zhǎng)約151km,主河道在湖州與西苕溪匯合,經(jīng)長(zhǎng)兜港流入太湖.

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites

1.2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

于2014年6月在現(xiàn)場(chǎng)各采樣點(diǎn)(采樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1)用重力采樣器采集3根無(wú)擾動(dòng)的沉積物柱樣,采泥器采樣柱外徑9cm,高50cm,采樣的沉積物柱樣要在20厘米以上,同時(shí)用預(yù)先洗凈的塑料桶采集10L原位上覆水,盡快帶回實(shí)驗(yàn)室.沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放采用原柱樣靜態(tài)培養(yǎng)法,具體操作如下:沉積物柱樣帶回實(shí)驗(yàn)室后,盡快用虹吸法抽出上覆水,原位采集的水樣經(jīng)過(guò)濾后再小心地注入沉積物柱,注入過(guò)程盡量避免擾動(dòng)沉積物界面,然后放置于恒溫水槽(Colora WK100)中培養(yǎng), 溫度設(shè)置與原位水溫盡量一致(現(xiàn)場(chǎng)水溫在25～27℃,取中間溫度26℃),蔽光敞口培養(yǎng).分別在0、3、6、12、24、36、48和72h用注射器采集上覆水50mL,每次采樣后,再補(bǔ)加50mL過(guò)濾后的原位水以保持水量平衡.培養(yǎng)結(jié)束后,切割表層2cm柱樣,供后續(xù)沉積物氮磷等各指標(biāo)分析.水樣總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化–紫外分光光度法、氨氮采用納氏試劑光度法、硝氮采用紫外分光光度法、亞硝氮采用酚二磺酸光度法、磷–鉬銻抗分光光度法;沉積物氮磷指標(biāo)基本同水樣測(cè)定方法,具體參照《水和廢水監(jiān)測(cè)》[12]及文獻(xiàn)[2]中的方法測(cè)定.沉積物需氧量測(cè)定具體參照文獻(xiàn)[13]中的方法,DO改進(jìn)為微電極法(Unisense,丹麥)測(cè)定.氮磷釋放速率具體參照范成新等人[14]的計(jì)算方法,數(shù)據(jù)采用SPSS13.0分析,Origin 8.0制圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體氮磷含量

表1 水體氮磷含量 (mg/L)Table 1 Concentrations of nitrogen and phosphorus in water (mg/L )

由表1可以看出,各采樣點(diǎn)水體總氮(TN)含量以S7最低(2.97mg/L),S3最高(5.04mg/L),平均含量為4.12mg/L,可溶性總氮(TDN)表現(xiàn)為同樣的趨勢(shì),硝態(tài)氮(NO3--N)為水體無(wú)機(jī)氮的主要存在形態(tài),平均含量為2.81mg/L, 銨態(tài)氮(NH4+-N)濃度低于NO3--N,平均濃度為為0.83mg/L,亞硝態(tài)氮(NO2--N)濃度最低,平均濃度為0.22mg/L.總磷(TP)最低含量樣點(diǎn)為S7(0.05mg/L),最高出現(xiàn)在S6(0.24mg/L),均值為0.16mg/L, TDP與TP含量在各樣點(diǎn)分布一致.總體來(lái)看,水體氮磷含量水平呈現(xiàn)出西部區(qū)域>北部區(qū)域>南部區(qū)域,區(qū)域內(nèi)下游(入湖口)>上游的特征,西部區(qū)域種植業(yè)發(fā)達(dá)農(nóng)田水田多見(jiàn)于河道及湖蕩邊,排水分散,氮磷消減路徑較短,因此更容易進(jìn)入水體,并且在下游入湖口匯集,氮磷含量有升高的趨勢(shì).

2.2 沉積物氮磷濃度及燒失量

表2 沉積物氮磷含量(mg/kg)及燒失量(%)Table 2 Concentrations of nitrogen and phosphorus (mg/kg) and loss on ignition (%) in sediment

各采樣點(diǎn)沉積物氮磷含量如表2所示, TN 和TP含量最低點(diǎn)位均出現(xiàn)在S1,分別為706.08 和391.20mg/kg,最高在S6,分別為:2751.76 和1314.73mg/kg,均值分別為1658.76 和712.25mg/kg.無(wú)機(jī)氮3種形態(tài)中,除S1NO3--N含量高于NH4+-N含量外,其余各點(diǎn)仍表現(xiàn)為NH4+-N為主要存在形態(tài),NH4+-N、NO3--N 和NO2--N均值含量分別為:137.92、16.84和0.28mg/kg,活性磷(LB-P)含量較低,均值為0.77mg/kg.燒失量(LOI)以S1最低(3.09%),S6最高(10.07%),均值6.07%.總體來(lái)看,沉積物TN和LOI表現(xiàn)為,西部區(qū)域>南部區(qū)域>北部區(qū)域的特征,TP為西部區(qū)域>北部區(qū)域區(qū)>南部區(qū)域,區(qū)域內(nèi)仍表現(xiàn)為下游入湖口>上游的特征.北部無(wú)錫常州地區(qū)為傳統(tǒng)的工業(yè)區(qū),而沉積物中氮磷有所下降,表明工業(yè)廢水氮磷污染得到一定程度控制,而以種植業(yè)為主的西部區(qū)域沉積物氮磷水平高于北部工業(yè)區(qū),說(shuō)明農(nóng)業(yè)面源污染依然嚴(yán)峻.

2.3 沉積物需氧量(SOD)

由圖2可見(jiàn),采樣點(diǎn)沉積物需氧量區(qū)域間差異較大,大體呈現(xiàn)西、南部區(qū)域較高,北部區(qū)域較低的特征,最高值出現(xiàn)在西部S5點(diǎn)位,為 1.77μg/(cm2?h),最小值是位于北部的點(diǎn)位S1,為0.52μg/(cm2?h),均值為0.99μg/(cm2?h).結(jié)合表2可看出,沉積物氮和LOI含量高,沉積物需氧量也隨之增高,且區(qū)域表現(xiàn)是一致的,表明沉積物需氧量與沉積物中的氮和有機(jī)質(zhì)等污染物密切相關(guān).

圖2 沉積物需氧量Fig.2 Sediment oxygen demand measurement

2.4 沉積物-水界面氮磷釋放通量

無(wú)擾動(dòng)柱樣沉積物-水界面氮磷的交換通量(圖3)顯示,不同采樣點(diǎn)不同形態(tài)氮和磷的交換通量和特征不同.其中NH4+-N在西部區(qū)域點(diǎn)位(S4、S5、S6)表現(xiàn)為正的通量即沉積物向上覆水釋放,沉積物表現(xiàn)為源,其中S6交換通量最高,為329.49mg/(m2?h),其余6個(gè)點(diǎn)則表現(xiàn)為負(fù)的通量,沉積物表現(xiàn)為匯,通量最大的是S9,為-188.08mg/ (m2?h),總體平均通量為13.05mg/(m2?h).NO3--N 與NH4+-N的釋放規(guī)律相反,除S1和S9為釋放外,大體上表現(xiàn)為向下的通量,并且NO3--N遷移速率區(qū)域性特征不明顯,通量最大值則出現(xiàn)在S6, 為-118.68mg/(m2?h),S9釋放通量為正值即沉積物向上覆水釋放,速率為42.86mg/(m2?h),平均釋放通量-28.09mg/(m2?h),各采樣點(diǎn)NO2--N同樣表現(xiàn)為負(fù)通量,通量在-4.81～-16.48mg/(m2?h),平均交換通量-8.22mg/(m2?h),總體看NO3--N與NO2--N表現(xiàn)為負(fù)通量及上覆水向沉積物中擴(kuò)散或者反硝化脫氮進(jìn)入大氣的特征.溶解性活性磷(SRP)交換通量具有一定區(qū)域性,在西部區(qū)域整體表現(xiàn)為釋放,而在南部區(qū)域則整體表現(xiàn)為沉降,交換通量在-10.47～10.58mg/(m2?h),平均交換通量1.34mg/(m2?h).總體來(lái)看,沉積物-水界面NH4+-N和SRP的交換通量具有區(qū)域性差異,基本呈現(xiàn)出下游入湖口大于上游的規(guī)律.

圖3 沉積物-水界面氮磷交換通量Fig.3 Nitrogen and phosphorus release flux at sediment-water interface

3 討論

水體氮磷含量是評(píng)價(jià)水體污染程度的一個(gè)重要指標(biāo)[12],與2000～2002年[6]和2009年[5]的環(huán)太湖河道入湖口水質(zhì)數(shù)據(jù)相比,位于北部區(qū)域的采樣點(diǎn)S1、S2和S3河道水體TN及TP含量明顯降低,水質(zhì)改善明顯.位于南部區(qū)域的采樣點(diǎn)位S7、S8和S9的水體TN含量則呈增加趨勢(shì),TP含量無(wú)明顯變化,再與2010年[15]數(shù)據(jù)相比則呈現(xiàn)TN升高,TP降低的趨勢(shì),總體來(lái)看,水體氮磷污染狀況呈現(xiàn)區(qū)域性特征,這與盧少勇[15]、張清等[16]的研究結(jié)果一致.參照中華人民共和國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[17],以總氮濃度來(lái)評(píng)價(jià),本次所有研究點(diǎn)均為劣Ⅴ類水質(zhì),NH4+-N介于Ⅰ類和Ⅳ類之間.TP濃度以S7最低,屬于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其它研究點(diǎn)位相對(duì)較高,介于Ⅲ類和劣Ⅴ類之間.總體看,西太湖流域河道水體氮含量較高,位于下游河道的點(diǎn)位,污染更為嚴(yán)重,河道經(jīng)城市區(qū)域后,氮磷含量明顯增加,水環(huán)境質(zhì)量仍不容樂(lè)觀,由于氮來(lái)源的復(fù)雜性,使之比控制磷污染要困難的多[18-19],因此,水體富營(yíng)養(yǎng)化的的控制,應(yīng)在做好控磷的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)氮污染源的控制.

表3 沉積物氮、磷、SOD和LOI與氮磷交換通量相關(guān)性分析Table 3 Correlation between nitrogen, phosphorus flux and nitrogen, phosphorus, SOD, LOI in sediments

河流是氮磷等污染物進(jìn)入湖泊的通道,沉積物是氮磷等污染物匯入湖泊的載體.沉積物中氮磷的含量及賦存形態(tài)對(duì)上覆水體的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平產(chǎn)生重要影響.水體氮磷除一部分進(jìn)入受納湖泊外,部分則沉積到底泥中,形成對(duì)河道潛在污染[20],即便切斷外源氮磷輸入,沉積物中氮磷含量在一定時(shí)期仍會(huì)表現(xiàn)出較高的水平[21].本研究結(jié)果顯示,9個(gè)采樣點(diǎn)位TN平均含量(1658.76mg/kg),高于盧少勇等[7]在2009年對(duì)該區(qū)域的研究結(jié)果(1303.49mg/kg),NH4+-N平均含量(137.92mg/kg)則低于該研究結(jié)果,無(wú)機(jī)氮以NH4+-N為主要存在形式,與該研究相一致; TP平均含量(712.25mg/kg)也高于陳雷等[9]的研究結(jié)果(588.01mg/kg).綜上表明該區(qū)域河道中氮磷在沉積物總體表現(xiàn)仍為增加趨勢(shì).

在河流湖泊等水生生態(tài)系統(tǒng)中,沉積物需氧量(SOD)可占總需氧量的很大部分,在某些水體中可能占總需氧量的50%[22],且沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽含量和SOD關(guān)系密切,可顯著影響上覆水體質(zhì)量,從而可能導(dǎo)致持續(xù)的富營(yíng)養(yǎng)化[23].本研究中位于西部和南部的點(diǎn)位SOD均較高,這與沉積物氮和有機(jī)質(zhì)(LOI)含量分布區(qū)域表現(xiàn)是一致的,也與水體中氮磷含量分布區(qū)域基本一致.夏季沉積物反硝化作用增強(qiáng),有機(jī)質(zhì)(LOI)作為反硝化過(guò)程的電子供體,其含量高低往往成為反硝化速率的限制因素,高含量的有機(jī)質(zhì)(LOI)有利于反硝化過(guò)程的進(jìn)行[24],而沉積物高的SOD有助于形成反硝化的缺氧環(huán)境,進(jìn)而影響沉積物與上覆水氮的遷移,結(jié)合西部區(qū)域采樣點(diǎn)SOD、LOI值和NO3--N釋放通量可以看出,高的SOD、LOI有利于上覆水中的NO3--N,參與反硝化而脫氮.通常帶負(fù)電荷的沉積物對(duì)(NO3--N)陰離子的吸附作用非常微弱,本研究中NO3--N與NO2--N整體表現(xiàn)為較高的負(fù)通量,可能為反硝化脫氮所致,而非被沉積物所吸附,后續(xù)建議補(bǔ)充有關(guān)沉積物和水體脫氮速率的研究.而NH4+-N的釋放主要來(lái)自于沉積物有機(jī)質(zhì)(LOI)的分解,相關(guān)性分析(表3)表明NO3--N釋放與SOD呈極顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.01),NH4+-N釋放與LOI成極顯著正相關(guān)(P< 0.01),也證實(shí)了上述推斷.

內(nèi)源磷的釋放與其存在形態(tài)密切相關(guān)[25],張路等[11]研究發(fā)現(xiàn),決定磷釋放的沉積物形態(tài)磷組分主要是鐵磷.而鐵磷與沉積物水界面DO密切相關(guān),當(dāng)沉積物水界面形成厭氧環(huán)境,那么鐵磷便轉(zhuǎn)化成易釋放的形態(tài)磷[23],進(jìn)入上覆水,本研究中在SOD高的西部區(qū)域點(diǎn)位,SRP保持較高的正的釋放通量,與上述觀點(diǎn)一致.此外,不同采樣點(diǎn)沉積物氮磷釋放特征不同主要與該區(qū)域氮磷等污染負(fù)荷有關(guān),高的污染負(fù)荷必然導(dǎo)致沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量升高,這勢(shì)必會(huì)增加間隙水中營(yíng)養(yǎng)鹽含量[26],使之與上覆水中營(yíng)養(yǎng)鹽含量形成濃度差[27],從而表現(xiàn)為向上覆水釋放,反之則表現(xiàn)為匯即向下的通量.

本研究中西部區(qū)域(宜興地區(qū))污染最重,NH4+-N整體表現(xiàn)為較高的釋放,這與前期的研究結(jié)果[5]也是一致的.從整個(gè)研究區(qū)域的氮磷釋放通量來(lái)看,與滇池[28]相比, NH4+-N平均釋放通量較小,SRP釋放相當(dāng).無(wú)機(jī)氮的平均釋放通量為-23.26mg/(m2?h),與蘇麗丹等[29]研究結(jié)果基本一致;NH4+-N和SRP釋放通量均小于太湖[30],但各個(gè)點(diǎn)位差異很大.相關(guān)性分析(表3)發(fā)現(xiàn), NH4+-N釋放與沉積物NH4+-N呈顯著正相關(guān)(P<0.05),NO2--N釋放與沉積物TN和NH4+-N呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),P釋放則與沉積物TP和TDP成極顯著正相關(guān),表明沉積物氮磷含量影響氮磷釋放,但具體到某一點(diǎn)位,如點(diǎn)位S9NH4+-N含量高于S1、S2和S3,卻表現(xiàn)為向下的通量,這表明沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量并不是決定其釋放的唯一因素,其它諸如溫度[31]、擾動(dòng)[32]、微生物活性、DO[33]及pH值等因素均與氮磷的循環(huán)及遷移過(guò)程有關(guān),其影響因素復(fù)雜,有待于進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

4.1 環(huán)太湖流域河道水體以西部點(diǎn)位氮磷污染最為嚴(yán)重,其次為北部點(diǎn)位和南部點(diǎn)位,沉積物TN表現(xiàn)為,西部區(qū)域>南部區(qū)域>北部區(qū)域的特征,TP為西部區(qū)域>北部區(qū)域區(qū)>南部區(qū)域NO3--N為水體無(wú)機(jī)氮的主要存在形態(tài),NH4+-N為沉積物無(wú)機(jī)氮的主要形態(tài),水體TDP占TP比例較大,沉積物中占比很小.總體看,區(qū)域內(nèi)仍表現(xiàn)為下游>上游的特征.

4.2 沉積物氮釋放以NH4+-N為主,其次是NO3--N,NH4+-N在西部區(qū)域點(diǎn)位表現(xiàn)為釋放,在另外兩個(gè)區(qū)域表現(xiàn)為向下的通量,NO3--N在西部區(qū)域整體表現(xiàn)為向下的通量,其它點(diǎn)位差異較大,NO2--N釋放通量較低,整體表現(xiàn)為向下的通量,SRP釋放特征與NH4+-N基本一致.沉積物氮磷含量不是決定氮磷釋放的唯一因素,影響機(jī)制較為復(fù)雜.沉積物氮磷釋放具有區(qū)域性差異,在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為下游>上游的特征.

4.3 沉積物NH4+-N的釋放來(lái)源與主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)的分解, SRP釋放主要受沉積物TP和TDP含量的影響,LOI和SOD共同影響NO3--N在沉積物-水界面的遷移.

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Characteristics of nitrogen and phosphorus loading and migration in typical river networks in Taihu lake basin.

LIU De-hong1,2,3, YU Ju-hua1, ZHONG Ji-cheng1, ZHONG Wen-hui3, FAN Cheng-xin1(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Agricultural College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China；3.School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：125～132

Abstract：The nitrogen and phosphorus content in water and sediment in Taihu Lake basin river were studied, the diffusion flux of nitrogen and phosphorus at the sediment-water interface were determined by sediment core culture experiment, and the relationships between them were also discussed.The results showed that the content of nitrogen and phosphorus in water and sediment were high, the average concentrations of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in water column were 4.12mg/L and 0.16mg/L respectively, in sediment were 1658.76mg/kg and 712.25mg/kg respectively.Nitrate (NO3--N)was the main inorganic nitrogen form in water column.However, ammonium was the main inorganic nitrogen in the sediment.Significant differences were detected in the sediment oxygen demand (SOD), which was higher in the western and southern regions but lower in the northern region.The diffusion flux of inorganic nitrogen at the water-sediment interface were: NH4+-N, -188.08～329.45mg/(m2·h) (average 13.05mg/(m2·h)); NO3--N, -118.68～42.86mg/(m2·h) (average -28.09mg/(m2·h)); NO2--N, -18.37～-4.81mg/(m2·h) (average -8.22mg/(m2·h)) respectively and the diffusion flux of soluble reactive phosphorus (SRP) was -10.94～10.58mg/(m2·h) (average 1.34mg/(m2·h)).In general, the flux of NH4+-N released from sediment to overlying water, and which was positively correlated with loss on ignition (LOI) extremely significantly.The diffusion flux of SRP was positively correlated with TP and total dissolvable phosphorus (TDP) in the sediment significantly.The results indicated that the release of NH4+-N wasbook=126,ebook=129involved with the decomposition of the organic matters in the sediment, and the release of SRP was mainly affected by TP and TDP in the sediment.On the overall view, the pollution of nitrogen and phosphorus was most serious in the water and sediment of the sampling sites in the western region, where the diffusion flux of nitrogen and phosphorus were also relatively higher.In the western region, the diffusion flux of the sites located in downstream region were higher than those of the sites located in the upstream region, which confirmed that human activities had huge effect on the loading of nitrogen and phosphorus and their migration in the typical river networks in Taihu Lake basin.

Key words：Taihu Lake basin river；sediment-water interface；sediment oxygen demand；diffusion flux

中圖分類號(hào)：X524,X171.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)01-0125-08

收稿日期：2015-06-11

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-10-02-1);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371457)

作者簡(jiǎn)介：劉德鴻(1979-),男,河南洛陽(yáng)人,講師,博士研究生,研究方向湖泊水環(huán)境化學(xué).發(fā)表論文10余篇.