香溪河沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽交換特征

李 欣, 紀(jì)道斌, 宋林旭*, 蘇青青, 陳秀秀, 劉德富

1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002 2.湖北工業(yè)大學(xué), 河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430068

香溪河沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽交換特征

李 欣1, 紀(jì)道斌1, 宋林旭1*, 蘇青青1, 陳秀秀1, 劉德富2

1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002 2.湖北工業(yè)大學(xué), 河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430068

為研究香溪河庫灣沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽交換特征，于2016年6月采集香溪河庫灣上覆水和沉積物間隙水樣品，分析不同形態(tài)氮、磷的空間分布特征并進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算沉積物-水界面氮、磷的釋放通量. 結(jié)果表明：香溪河庫灣上覆水和沉積物間隙水中ρ(TP)的變化范圍分別為0.484～0.927和0.511～2.220 mgL，ρ(TN)的變化范圍分別為0.739～4.302和3.571～14.011 mgL；上覆水和沉積物間隙水中氮、磷質(zhì)量濃度在沿程和垂向上具有一定的變化規(guī)律，上游區(qū)域沉積物間隙水中氮、磷質(zhì)量濃度大于下游區(qū)域，沉積物間隙水中氮、磷質(zhì)量濃度明顯大于上覆水；香溪河沉積物總體上表現(xiàn)為PO43--P和NH4+-N的“源”，中下游區(qū)域沉積物表現(xiàn)為NO3--N的“源”，而中上游區(qū)域表現(xiàn)為NO3--N的“匯”；PO43--P的釋放通量范圍為0.129～0.339 mg(m2·d)，NH4+-N的釋放通量范圍為0.213～1.415 mg(m2·d)，NO3--N的釋放通量范圍為-1.109～3.446 mg(m2·d). 研究顯示，上覆水的環(huán)境條件對(duì)于沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換存在一定的影響，但影響程度各有不同.

香溪河; 營養(yǎng)鹽; 沉積物-水界面; 釋放通量

三峽水庫蓄水后，水動(dòng)力條件發(fā)生改變，水體營養(yǎng)鹽濃度增加，部分支流每年暴發(fā)不同程度的水華，支流庫灣富營養(yǎng)化和水華問題逐漸成為后三峽最突出的水環(huán)境問題之一，庫灣水體營養(yǎng)鹽來源廣泛，其中點(diǎn)源、面源、底泥釋放及倒灌異重流補(bǔ)給等問題已開展了相關(guān)的研究，但目前對(duì)于支流庫灣底泥內(nèi)源釋放問題的研究較少，對(duì)于三峽水庫典型支流沉積物氮、磷釋放的研究重點(diǎn)大多集中在關(guān)鍵因子與沉積物氮、磷釋放的響應(yīng)關(guān)系. 如王穎等[1]調(diào)查研究了三峽水庫小江、大寧河和香溪河等典型支流庫灣沉積物磷形態(tài)及吸附-釋放特性，分析了pH和溫度對(duì)沉積物磷釋放的影響；黃鈺鈴等[2]通過室內(nèi)模擬研究動(dòng)力擾動(dòng)作用對(duì)沉積物氮、磷釋放的影響. 但對(duì)于沉積物-水界面氮、磷釋放通量的研究并不深入. 事實(shí)上，營養(yǎng)元素在沉積物-水界面的地球化學(xué)行為對(duì)水環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)有著極為重要的影響[3]. 蓄積在沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)在一定條件下通過形態(tài)變化、改變界面特性和釋放等途徑影響上覆水的質(zhì)量[4]. 在外源輸入負(fù)荷得到控制的情況下，沉積物向上覆水中釋放氮、磷等營養(yǎng)鹽是水體富營養(yǎng)化的重要原因[5- 6].

該研究以三峽水庫香溪河庫灣為研究對(duì)象，分析香溪河庫灣上覆水與沉積物間隙水不同氮、磷形態(tài)營養(yǎng)鹽濃度的空間分布特征并進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算沉積物-水界面氮、磷的釋放通量，研究香溪河庫灣沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽交換特征，以期為沉積物內(nèi)源氮、磷負(fù)荷的計(jì)算及控制提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 香溪河概況

香溪河又名昭君溪，系長江三峽水庫湖北省庫區(qū)內(nèi)第一大支流，發(fā)源于湖北省西北部神農(nóng)架林區(qū)，干流長106 km，其中興山段干流長78 km，秭歸段干流長11.1 km，流域總面積為 3 099 km2. 由于地勢高差大，地形復(fù)雜，氣溫垂直變化明顯，年均氣溫為16.6 ℃，流域多年平均流量為40.18 m3s，年均降水量為 1 015.6 mm[7]. 香溪河流域擁有九沖河、古夫河、高嵐河三大支流，于秭歸縣歸州鎮(zhèn)東側(cè)注入長江，干支流匯流處距三峽大壩壩址31 km. 蓄水后，香溪河距離河口約24 km范圍形成回水區(qū)，水體由河流水體轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃坪此w. 大量營養(yǎng)物質(zhì)在庫灣中富集，為香溪河庫灣藻類生長提供了條件，出現(xiàn)了不同程度的水華[8- 10].

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

在香溪河從河口至156 m回水末端昭君鎮(zhèn)沿河道中泓線每間隔約6 km布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，共4個(gè)，采樣點(diǎn)編號(hào)依次為1、2、3、4，另外在水庫干支流交匯處設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)(CJ)，具體見表1和圖1.

表1 采樣點(diǎn)坐標(biāo)及距河口的距離

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sites location

1.3 樣品采集與處理

于2016年6月，利用中國水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所研制的柱狀采樣器(Φ60 mm×1 000 mm)采集5個(gè)采樣點(diǎn)的上覆水和沉積物樣品〔(0±20)cm〕，先將采泥器沉積物-水界面向上20 cm以外的水吸出，然后分別以2 cm的間隔用上覆水取樣裝置采集上覆水并倒入300 mL聚乙烯水樣瓶中，將上覆水抽完之后，從沉積物-水界面向下開始以2 cm的間隔切取沉積物樣品并分裝入聚乙烯離心管中. 每個(gè)采樣點(diǎn)的水樣和沉積物樣品均采集3次，將3次樣品混合作為該采樣點(diǎn)樣品，水樣和沉積物樣品均放入冷藏箱中保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后立即分析.

1.4 分析方法

間隙水的獲取：在室溫條件下，采用DL- 5M型低速冷凍離心機(jī)在 2 000 rmin下離心30 min，將離心出的上清液倒入50 mL離心管中，放入冰箱冷藏. 沉積物樣品用鋁箔包裹，放入干燥箱中干燥3～5 d直至恒質(zhì)量，分別稱量濕質(zhì)量和干質(zhì)量，用以計(jì)算沉積物的孔隙度. 上覆水和間隙水樣品中的ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(PO43--P)、ρ(NO3--N)、ρ(NH4+-N)按文獻(xiàn)[11]測定. 上覆水的pH和Eh(氧化還原電位)采用ST300便攜式pHORP計(jì)測定；ρ(DO)采用碘量法[12]在現(xiàn)場滴定. 數(shù)據(jù)采用Origin 8.5和SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和插圖制作.

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水中ρ(DO)、pH和Eh沿程變化

香溪河上覆水中的ρ(DO)、pH和Eh的空間分布如圖2所示. 由圖2可知，ρ(DO)和pH從干支流交匯處到上游呈逐漸增加的趨勢，上覆水pH變化范圍為8.02～8.47，平均值為8.26，呈弱堿性；ρ(DO)變化范圍為6.19～8.50 mgL，平均值為7.33 mgL；Eh的空間變化趨勢從下游到上游總體上緩慢增加，變化范圍為59.39～72.55 mV，上游4號(hào)采樣點(diǎn)的Eh值最大，為109.95 mV.

圖2 上覆水中ρ(DO)、pH和Eh的空間變化Fig.2 Spatial distribution of DO, pH and Eh in overlying water

圖3 香溪河上覆水和沉積物間隙水中氮、磷營養(yǎng)鹽沿程分布Fig.3 Distribution of nitrogen and phosphorus in the overlying water and the sediment pore water of Xiangxi Bay

對(duì)于水庫支流庫灣，不少學(xué)者認(rèn)為其屬于典型的湖泊型水體[13]. 但YANG等[14]通過常年現(xiàn)場監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，長江干流水體在冬季、春夏季、秋季分別通過底層、中層和表層倒灌入香溪河庫灣，上游來流大多時(shí)間主要從庫灣底層流向水庫干流，因此庫灣底部的水體長期處于非靜止?fàn)顟B(tài)，具有良好的沉積環(huán)境. 而各采樣點(diǎn)上覆水中ρ(DO)均大于6 mgL，表明沒有出現(xiàn)底層缺氧的現(xiàn)象，從沿程分布來看，自河口下游至上游沿程底層水體環(huán)境的氧化能力逐漸增強(qiáng).

2.2 上覆水和沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽沿程變化

香溪河上覆水和沉積物間隙水中ρ(TN)、ρ(TP)沿程變化如圖3所示，其中，上覆水和沉積物間隙水中ρ(TN)、ρ(TP)分別取沉積物-水界面上下0～10 cm的平均值. 由圖3可見，從河口到上游，上覆水和沉積物間隙水中ρ(TN)、ρ(TP)總體上呈遞增趨勢，并且沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度明顯大于上覆水. 1號(hào)采樣點(diǎn)的沉積物間隙水中ρ(TN)明顯高于其余各斷面且達(dá)到10 mgL，表明該斷面沉積物中富集了大量的氮元素.

2.3 上覆水和沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽垂向分布特征

2.3.1ρ(TP)

香溪河上覆水、沉積物間隙水中ρ(TP)的垂向變化如圖4所示，香溪河庫灣上覆水和沉積物間隙水中ρ(TP)的變化范圍分別為0.484～0.927和0.511～2.220 mgL. 在沉積物-水界面中，水和沉積物之間營養(yǎng)物質(zhì)的交換受上覆水和沉積物間隙水間的營養(yǎng)物質(zhì)濃度梯度影響，CJ采樣點(diǎn)和1號(hào)采樣點(diǎn)的上覆水和沉積物間隙水中ρ(TP)垂向上的變化趨勢基本相同，上覆水和沉積物間隙水中ρ(TP)分別在0.450～0.980和0.897～1.110 mgL之間波動(dòng). 而中上游采樣點(diǎn)上覆水中ρ(TP)在垂向上呈上下波動(dòng)的趨勢. 2號(hào)采樣點(diǎn)的間隙水中ρ(TP)總體上呈遞增趨勢，但3號(hào)和4號(hào)采樣點(diǎn)的沉積物間隙水中ρ(TP)垂向下先增加后降低. 各采樣點(diǎn)沉積物間隙水中ρ(TP)均顯著高于上覆水，表明沉積物間隙水中磷有向上覆水?dāng)U散的趨勢.

圖4 香溪河上覆水、沉積物間隙水中ρ(TP)的空間變化Fig.4 Spatial distribution of TP in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

2.3.2ρ(PO43--P)

圖5 香溪河上覆水、沉積物間隙水中ρ(PO43--P)的空間變化Fig.5 Spatial distribution of PO43--P in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

香溪河上覆水、沉積物間隙水中ρ(PO43--P)的垂向變化如圖5所示，CJ、1號(hào)和2號(hào)采樣點(diǎn)的上覆水和沉積物間隙水中ρ(PO43--P)變化趨勢與ρ(TP)基本相同，但1號(hào)采樣點(diǎn)沉積物間隙水ρ(PO43--P)均明顯大于CJ采樣點(diǎn)，2號(hào)采樣點(diǎn)沉積物間隙水ρ(PO43--P)最大值依舊是在沉積物-水界面向下10 cm 左右處取得，為1.154 mgL，同時(shí)也是各斷面ρ(PO43--P)的最大值. 3號(hào)采樣點(diǎn)上覆水中ρ(PO43--P)呈先降后升的趨勢，而在沉積物間隙水中的沿程變化趨勢則相反. 上游4號(hào)采樣點(diǎn)ρ(PO43--P)沿程向下呈逐漸增加的趨勢. 各斷面表層沉積物10 cm左右的沉積物間隙水中ρ(PO43--P)最大，并且沉積物15 cm以下間隙水中ρ(PO43--P)有降低的趨勢.

一般來說，沉積物間隙水中磷的濃度反映了沉積物的吸附特性[15]，2號(hào)采樣點(diǎn)沉積物間隙水中ρ(PO43--P)約為上覆水的21.92倍，為各斷面的最大值，可以推測中游2號(hào)采樣點(diǎn)沉積物中磷的吸附量較其他斷面更為飽和. 各采樣點(diǎn)沉積物間隙水中ρ(PO43--P)遠(yuǎn)高于上覆水，正因?yàn)檫@種較大的濃度差異，必然存在一個(gè)由高濃度向低濃度進(jìn)行的分子擴(kuò)散作用.

2.3.3ρ(TN)

由6圖可見，各采樣點(diǎn)上覆水中ρ(TN)在垂向上無明顯的變化趨勢，ρ(TN)在0.739～4.302 mgL之間波動(dòng). 從沉積物-水界面垂直向下，各采樣點(diǎn)的ρ(TN)呈逐漸上升的趨勢，香溪河庫灣沉積物間隙水中ρ(TN)的變化范圍為3.571～14.011 mgL，并且1號(hào)采樣點(diǎn)的ρ(TN)在各層中都最高，平均值為11.419 mgL，而干流CJ采樣點(diǎn)的ρ(TN)平均值最低. 香溪河庫灣各采樣點(diǎn)沉積物間隙水中ρ(TN)至少是上覆水的2倍，因此，上覆水中較低的ρ(TN)有利于沉積物中N的釋放.

圖6 香溪河上覆水、沉積物間隙水中ρ(TN)的空間變化Fig.6 Spatial distribution of TN in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

2.3.4ρ(NO3--N)

圖7 香溪河上覆水、沉積物間隙水中ρ(NO3--N)的空間變化Fig.7 Spatial distribution of NO3--N in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

由圖7可見，各采樣點(diǎn)上覆水中ρ(NO3--N)沒有明顯的變化趨勢，呈上下波動(dòng)的趨勢，而沉積物間隙水中ρ(NO3--N)從沉積物-水界面向下呈先增后降的趨勢，各采樣點(diǎn)間隙水中ρ(NO3--N)略高于上覆水，濃度梯度差較小. 這可能是因?yàn)镹O3--N進(jìn)入還原性較強(qiáng)的深層沉積物(>10 cm)中，由于反硝化作用參與有機(jī)分解、礦化等所致，ρ(NO3--N)較沉積物含氧層明顯降低，這與汪淼等[16]在研究滇池沉積物氮內(nèi)源負(fù)荷得出的結(jié)論一致.

2.3.5ρ(NH4+-N)

由圖8可見，ρ(NH4+-N)的空間變化與ρ(TN)的變化趨勢大致相似. 干流CJ采樣點(diǎn)的上覆水和沉積物間隙水中的ρ(NH4+-N)整體上相當(dāng)，其余斷面沉積物間隙水中ρ(NH4+-N)隨深度增加呈逐漸升高的趨勢，上游4號(hào)采樣點(diǎn)的間隙水中ρ(NH4+-N)平均值最大，為1.948 mgL，最大值為2.867 mgL. NH4+-N主要存在于還原性的沉積物間隙水中，由于上覆水和沉積物間隙水中的濃度梯度差，NH4+-N從沉積物間隙水?dāng)U散到上覆水中[17]，而從沉積物的還原層到含氧層，NH4+-N在硝化作用下氧化為NO3--N等.

圖8 香溪河上覆水、沉積物間隙水中ρ(NH4+-N)的空間變化Fig.8 Spatial distribution of NH4+-N in the overlying water and the sediment pore water in the Xiangxi Bay

2.4 上覆水與沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽的交換

沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)水體的影響與沉積物-水界面的營養(yǎng)物質(zhì)交換密切相關(guān)[18]，沉積物間隙水中的營養(yǎng)鹽向沉積物-水界面擴(kuò)散進(jìn)而向上覆水?dāng)U散的過程主要是由濃度差支配的[19]，由于上覆水和沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽存在濃度差異，必然存在一個(gè)由高濃度向低濃度進(jìn)行的分子擴(kuò)散作用，因此，研究沉積物-水界面營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散通量具有重要的環(huán)境意義[20]. 根據(jù)二者之間的濃度梯度及其物理化學(xué)性質(zhì)可以估算沉積物-水界面營養(yǎng)鹽的擴(kuò)散通量. 根據(jù)Fick第一擴(kuò)散定律[21]及相關(guān)文獻(xiàn)[22- 23]，其改進(jìn)公式:

(1)

式中：Js為分子擴(kuò)散通量，mg(m2·d)；φ為表層沉積物的孔隙度，%；Ds為表層沉積物中物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，cm2s；?c?x為沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽濃度梯度，mg(L·cm). 當(dāng)φ≤0.7時(shí)，Ds=φ·D0；當(dāng)φ>0.7時(shí)，Ds=φ2·D0. 其中，D0為無限稀釋溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，cm2s. 有國外學(xué)者通過試驗(yàn)得出稀釋溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)(D0)和溫度(T，上覆水)的經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)一步校準(zhǔn)溫度和孔隙度的差異造成的誤差. 該研究取樣在6月進(jìn)行，庫灣平均水溫約為25 ℃，故可取25 ℃時(shí)無限稀釋溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，25 ℃時(shí)PO42-、NH4+、NO3-無限稀釋溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)分別為7.34×10-6、19.8×10- 6、19.0×10-6cm2s[24]. 孔隙度(φ)的計(jì)算公式[25]：

(2)

式中，Ww、Wd分別為沉積物的濕質(zhì)量與干質(zhì)量，g；2.5為沉積物濕密度與水濃度比值的平均值. 用表層沉積物(0～4 cm) 間隙水與界面向上覆水4 cm左右處的營養(yǎng)鹽含量對(duì)深度進(jìn)行指數(shù)擬合，根據(jù)擬合所得表達(dá)

式對(duì)深度(x)求導(dǎo)，進(jìn)而求出沉積物-水界面?c?x的值，并運(yùn)用Fick第一定律計(jì)算出相應(yīng)點(diǎn)位PO43--P、NH4+-N和NO3--N的擴(kuò)散通量Js，結(jié)果見表3.

表3 PO43--P、NH4+-N和NO3--N的擴(kuò)散通量

注：表中擴(kuò)散通量Js的負(fù)值表示沉積物吸收，正值則表示沉積物釋放.

由表3可以看出，香溪河PO43--P和NH4+-N均是由沉積物間隙水向上覆水?dāng)U散，即香溪河沉積物總體上表現(xiàn)為PO43--P和NH4+-N的“源”，PO43--P擴(kuò)散通量的范圍為0.129～0.339 mg(m2·d)，NH4+-N的擴(kuò)散通量范圍為0.213～1.415 mg(m2·d). 進(jìn)入到沉積物-水界面中的磷可能是通過有機(jī)質(zhì)的礦化分解、鐵氧化物解吸作用以及沉積物擾動(dòng)等三種形式向水體釋放[26]. 沉積物中的有機(jī)磷在一定條件下可礦化或降解成溶解態(tài)磷酸鹽，具有潛在的生物有效性，對(duì)沉積物間隙水中正磷酸鹽濃度及擴(kuò)散起重要作用. 沉積物表現(xiàn)為NH4+-N“源”的角色，這一方面可能與水生植物、浮游植物在利用氮素時(shí)優(yōu)先吸收利用NH4+-N有關(guān)[27]，另一方面與間隙水中NH4+-N很大一部分來自有機(jī)質(zhì)的分解作用使NH4+-N得以再生有關(guān)[28].

NO3--N的擴(kuò)散趨勢不明顯：香溪河庫灣中下游區(qū)域沉積物表現(xiàn)為NO3--N的“源”，而中上游區(qū)域表現(xiàn)為NO3--N的“匯”. NO3--N的擴(kuò)散通量范圍為-1.109～3.446 mg(m2·d)，最大值較最小值高出一個(gè)數(shù)量級(jí). 這是因?yàn)槌练e物間隙水和上覆水存在較大的濃度梯度，從而促進(jìn)NO3--N從沉積物間隙水向上覆水釋放，而上游區(qū)域由于表層氧化層或沉積物-水界面附近在氨氧化細(xì)菌和亞硝態(tài)酸鹽氧化菌的參與下，NH4-N經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N，形成NO3--N的富集.

3 討論

3.1 香溪河庫灣上覆水與沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽含量的相關(guān)性

將香溪河庫灣各采樣點(diǎn)的上覆水中營養(yǎng)鹽含量與沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽含量進(jìn)行相關(guān)性分析(見表4)，可以看出，各營養(yǎng)鹽并無顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)水平低，這并不能說明香溪河沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽含量的高低對(duì)其上覆水營養(yǎng)鹽含量沒有影響，只能說明在間隙水營養(yǎng)鹽含量遠(yuǎn)高于上覆水的狀態(tài)下，充足的間隙水營養(yǎng)鹽不是其上覆水營養(yǎng)鹽含量的決定因素，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，可能是因?yàn)樵谙阆訋鞛硟?nèi)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽的遷移并不是單純的由濃度梯度擴(kuò)散來控制的，還與其他因素有關(guān)，如營養(yǎng)鹽在水體中的水平遷移擴(kuò)散、風(fēng)浪作用造成的紊流擴(kuò)散、沉積物表面的直接釋放等[29].

表4 香溪河上覆水和沉積物間隙水中不同氮、磷形態(tài)的相關(guān)性分析

3.2 香溪河庫灣沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換的影響因素分析

此次監(jiān)測結(jié)果表明，各斷面沉積物間隙水中ρ(TP) 與ρ(PO43--P)顯著大于上覆水，沉積物間隙水中ρ(PO43--P)平均值為上覆水的7.58倍，造成這種現(xiàn)象的原因是湖泊水庫底部存在的活性有機(jī)碎屑層在細(xì)菌等微生物的作用下釋放出較高的ρ(PO43--P)，從而驅(qū)使PO43--P向沉積物中擴(kuò)散遷移，在表層沉積物孔隙水中形成高于水體的ρ(PO43--P)[30]. 而上游區(qū)域各斷面的氮、磷質(zhì)量濃度明顯高于下游區(qū)域，究其原因：①干流倒灌以及上游來流的輸入，紀(jì)道斌等[31]在香溪河進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在5—8月干流水體主要以中層倒灌的方式潛入香溪河庫灣，由于河口處的流速較大，許多吸附在懸浮物中的顆粒態(tài)磷難以沉降，隨倒灌進(jìn)庫灣的水體流向上游；而上游來流主要以底部順坡異重流的形式為庫灣上游底部輸入大量的營養(yǎng)物質(zhì)，故上游區(qū)域ρ(TP)明顯高于下游區(qū)域. ②宋林旭等[32]在對(duì)香溪河流域內(nèi)非點(diǎn)源氮、磷負(fù)荷的研究中發(fā)現(xiàn)，在豐水期香溪河上游支流面源污染嚴(yán)重，氮、磷輸出負(fù)荷大，為香溪河庫灣上游區(qū)域貢獻(xiàn)了豐富的氮、磷營養(yǎng)鹽. 香溪河庫灣沉積物間隙水中ρ(NH4+-N)隨深度增加而升高，相對(duì)于上層，下層沉積物通常缺氧程度較高，適宜于高價(jià)態(tài)氮向低價(jià)態(tài)氮轉(zhuǎn)化，并且下層受水動(dòng)力擾動(dòng)作用較小，比上層沉積物更有利于NH4+-N在沉積層中保存，因而表層沉積物間隙水中的ρ(NH4+-N)低于下層[33]. 沉積物間隙水中ρ(NH4+-N)在0～10 cm范圍內(nèi)隨沉積深度的增加而降低，10 cm以下變化較小，最后趨于穩(wěn)定，可能說明香溪河庫灣沉積物硝化與反硝化作用主要發(fā)生在0～10 cm深度范圍內(nèi).

對(duì)香溪河庫灣上覆水沉積環(huán)境〔ρ(DO)、pH、Eh〕與沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換通量進(jìn)行相關(guān)性分析，PO43--P、NH4+-N、NO3--N的交換通量與ρ(DO)的R2(相關(guān)系數(shù))分別為-0.112、0.321、-0.205，與pH的R2分別為0.013、0.381、-0.132，與Eh的R2分別為-0.357、0.634、-0.200. NH4+-N和NO3--N的交換通量與ρ(DO)、pH、Eh均呈一定的相關(guān)性，而PO43--P交換通量與ρ(DO)、Eh均呈一定的負(fù)相關(guān)，與pH的相關(guān)性極差，說明在堿性環(huán)境和氧化條件下有利于NH4+-N和NO3--N在沉積物-水界面的交換，但是對(duì)PO43--P的交換影響很小.Eh水平對(duì)PO43--P交換通量的影響明顯大于其他各項(xiàng)，并且底部水環(huán)境氧化性越差，更有利于PO43--P在沉積物-水界面的交換. 有研究[34- 35]表明，沉積物-水界面氧化還原環(huán)境能控制沉積物磷的釋放，厭氧條件比好氧條件下更有利于沉積物磷的釋放. 以上分析結(jié)果說明，上覆水的環(huán)境條件對(duì)于沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換存在一定的影響，但影響程度各有不同.

4 結(jié)論

a) 香溪河庫灣上覆水中ρ(DO)均大于6 mgL，沉積物-水界面處在良好的弱堿性氧化環(huán)境中，且自河口下游至上游沿程底層水體環(huán)境的氧化能力逐漸增強(qiáng).

b) 香溪河沉積物總體上表現(xiàn)為PO43--P和NH4+-N的“源”，中下游區(qū)域沉積物表現(xiàn)為NO3-N的“源”，而中上游區(qū)域表現(xiàn)為NO3-N的“匯”：PO43--P的釋放通量的范圍為0.129～0.339 mg(m2·d)；NH4+-N的釋放通量范圍為0.213～1.415 mg(m2·d)；NO3-N的釋放通量范圍為-1.109～3.446 mg(m2·d).

c) 香溪河庫灣上覆水和沉積物間隙水中ρ(TP)的變化范圍分別為0.484～0.927和0.511～2.220 mgL，ρ(TN)的變化范圍分別為0.739～4.302和3.571～14.011 mgL. 上覆水和沉積物間隙水中氮、磷質(zhì)量濃度在沿程和垂向上有一定的變化規(guī)律：上覆水和沉積物間隙水中的氮、磷質(zhì)量濃度自下游至上游沿程呈逐漸遞增的趨勢；上游區(qū)域的沉積物間隙水中氮、磷質(zhì)量濃度明顯大于下游區(qū)域；沉積物間隙水中的氮、磷質(zhì)量濃度明顯大于上覆水，說明沉積物中氮、磷營養(yǎng)鹽有從間隙水向上覆水遷移的趨勢.

d) 上覆水的環(huán)境條件對(duì)于沉積物-水界面營養(yǎng)鹽交換存在一定的影響，但影響程度各有不同.

致謝：肖尚斌教授在文章的修改和潤色中給予了極大幫助，生態(tài)水工學(xué)課題組的呂林鵬、王雄、黃亞男、吳慶等在野外采樣及試驗(yàn)分析中給予了大力支持，謹(jǐn)致謝忱!

[1] 王穎,沈珍瑤,呼麗娟,等.三峽水庫主要支流沉積物的磷吸附/釋放特性[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(8):1654- 1661. WANG Ying,SHEN Zhenyao,HU Lijuan,etal.Adsorption and release of phosphorus from sediments from the main branches of the Three-Gorges Reservoir[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2008,28(8):1654- 1661.

[2] 黃鈺鈴,劉德富,蘇妍妹.香溪河庫灣底泥營養(yǎng)鹽釋放規(guī)律初探[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,32(5):9- 13. HUANG Yuling,LIU Defu,SU Yanmei.Nutrient release from the sediment in Xiangxi River Bay[J].Environmental Science & Technology,2009,32(5):9- 13.

[3] KIM L H,CHOI E,STENSTROM M K.Sediment characteristics,phosphorus types and phosphorus release rates between river and lake sediments[J].Chemosphere,2003,50(1):53- 61.

[4] ZHOU Qixing,GIBSON C E,ZHU Yinmei.Evaluation of phosphorus bioavailability in sediments of three contrasting lakes in China and the UK[J].Chemosphere,2001,42(2):221- 225.

[5] 李寶,丁士明,范成新,等.滇池福保灣底泥內(nèi)源氮磷營養(yǎng)鹽釋放通量估算[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(1):114- 120. LI Bao,DING Shiming,FAN Chengxin,etal.Estimation of releasing fluxes of sediment nitrogen and phosphorus in Fubao Bayin Dianchi Lake[J].Environmental Science,2008,29(1):114- 120.

[6] 王海軍,王洪鑄.富營養(yǎng)化治理應(yīng)放寬控氮、集中控磷[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2009,19(6):599- 604.

[7] 唐濤,黎道豐,潘文斌,等.香溪河河流連續(xù)統(tǒng)特征研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(1):141- 144. TANG Tao,LI Daofeng,PAN Wenbin,etal.River continuum characteristics of Xiangxi River[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(1):141- 144.

[8] 周廣杰,況琪軍,胡征宇,等.三峽庫區(qū)四條支流藻類多樣性評(píng)價(jià)及“水華”防治[J].中國環(huán)境科學(xué),2006,26(3):337- 341. ZHOU Guangjie,KUANG Qijun,HU Zhengyu,etal.Assessment of algal diversity and water blooms prevention in four tributaries of Three Gorges Reservoir[J].China Environmental Science,2006,26(3):337- 341.

[9] 葉麟,徐耀陽,蔡慶華.香溪河庫灣春季水華期間硝酸鹽、磷酸鹽的時(shí)空分布[J].水生生物學(xué)報(bào),2006,30(1):75- 79. YE Lin,XU Yaoyang,CAI Qinghua.The spatial and temporal distribution of nitrate and phosphate in the Xiangxi Bay,Three Gorge Reservoir Region during the spring bloom period[J].Acta Hydrobiologica Sinica,2006,30(1):75- 79.

[10] 李崇明,黃真理,張晟,等.三峽水庫藻類“水華”預(yù)測[J].長江流域資源與環(huán)境,2007,16(1):1- 6. LI Chongming,HUANG Zhenli,ZHANG Sheng,etal.Risk forecast of algal bloom in the Three Gorges Reservoir[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2007,16(1):1- 6.

[11] 國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[12] 國家海洋局.GB 17378—1998 海洋監(jiān)測規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

[13] 鄭丙輝,張遠(yuǎn),富國,等.三峽水庫營養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(6):1022- 1030. ZHENG Binghui,ZHANG Yuan,FU Guo,etal.On the assessment standards for nutrition status in the Three Gorge Reservoir[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2006,26(6):1022 - 1030.

[14] YANG Zhengjian,LIU Defu,JI Daobin,etal.Influence of the impounding process of the Three Gorges Reservoir up to water level 172.5 m on water eutrophication in the Xiangxi Bay[J].Since China Technological Sciences,2010,53(4):1114- 1125 .

[15] 胡俊,吳永紅,劉永定,等.滇池典型區(qū)域磷與鐵的形態(tài)分布規(guī)律[J].環(huán)境化學(xué),2005,24(4):450- 453. HU Jun,WU Yonghong,LIU Yongding,etal.The Distribution regular of phosphorus and iron in the typical areas of Dianchi Lake[J].Environmental Chemistry,2005,24(4):450- 453.

[16] 汪淼,嚴(yán)紅,焦立新,等.滇池沉積物氮內(nèi)源負(fù)荷特征及影響因素[J].中國環(huán)境科學(xué),2015,35(1):218- 226. WANG Miao,YAN Hong,JIAO Lixin,etal.Characteristics of internal nitrogen loading and influencing factors in Dianchi Lake sediment[J].China Environmental Science,2015,35(1):218- 226.

[17] 范成新,秦伯強(qiáng).梅梁湖和五里湖水-沉積物界面的物質(zhì)交換[J].湖泊科學(xué),1998,10(1):73- 78. FAN Chengxin,QING Boqiang.Substance exchange across water-sediment interface in Meiliang Bay and Wuli Lake[J].Journal of Lake Sciences,1998,10(1):73- 78.

[18] SERRUYA C,EDELSTEIN M,POLLINGHER U,etal.Lake Kinneret sediments:nutrient composition of the pore water and mud water exchanges[J].Limnol Oceanogr,1974,19(3):489- 508.

[19] 葉曦雯,劉素美,張經(jīng).鴨綠江口潮灘沉積物間隙水中的營養(yǎng)鹽[J].環(huán)境科學(xué),2002,23(3):92- 96. YE Xiwen,LIU Sumei,ZHANG Jing.Nutrients in sediment pore water in tidal flat area in Yalujiang estuary[J].Environmental Science,2002,23(3):92- 96.

[20] 黃小平,郭芳,岳維忠.南海北部沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽研究[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2006,25(5):43- 48. HUANG Xiaoping,GUO Fang,YUE Weizhong.Studies on nutrients in sediment interstitial water in northern South China Sea[J].Journal of Tropical Oceanography,2006,25(5):43- 48.

[21] 宋金明.中國近海沉積物-海水界面化學(xué)[M].北京:海洋出版社,1997:6- 8.

[22] MCCOMB A J,QIU S,LUKATELICH R J,etal.Spatial and temporal heterogeneity of sediment phosphorus in the Peel-Harvey estuarine system[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,1998,47(5):561- 577.

[23] ULLMAN W J,ALLER R C.Diffusion coefficients in nearshore marine sediments[J].Limnology and Oceanography,1982,27(3):552- 556.

[24] LI Yuanhui,GREGORY S.Diffusion of ions in sea water and in deep-sea sediments[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1974,38(5):703- 714.

[25] URBAN N R,DINKEL C,WEHRLI B.Solute transfer across the sediment surface of a eutrophic lake.pore water profiles from dialysis samplers[J].Aquatic Sciences,1997,59(1):1- 25.

[26] 王雨春,萬國江.湖泊現(xiàn)代化沉積物中磷的地球化學(xué)作用及環(huán)境效應(yīng)[J].重慶環(huán)境科學(xué),2000,22(4):39- 41. WANG Yuchun,WAN Guojiang.Geochemistry and environmental effect of modern sediments in Lake Baihua[J].Chong Qing Environmental Science,2000,22(4):39- 41.

[27] SCHNEIDER S,MELZER A.Sediment and water nutrient characteristics in patches of submerged macrophytes in running waters[J].Hydrobiologia,2004,527(1):195- 207.

[28] 馮峰,方濤,劉劍彤.武漢東湖沉積物氮磷形態(tài)垂向分布研究[J].環(huán)境科學(xué),2006,27(6):1078- 1082. FENG Feng,FANG Tao,LIU Jiantong.Vertical distribution of species of nitrogen and phosphorus in the sediments of Lake Donghu[J].Environmental Science,2006,27(6):1078- 1082.

[29] 張路,范成新,王建軍,等.太湖水土界面氮磷交換通量的時(shí)空差異[J].環(huán)境科學(xué),2006,27(8):1537- 1543. ZHANG Lu,FAN Chengxin,WANG Jianjun,etal.Space-time dependent variances of ammonia and phosphorus flux on sediment-water interface in Lake Taihu[J].Environmental Science,2006,27(8):1537- 1543.

[30] 李文朝,尹澄清,陳開寧,等.關(guān)于湖泊沉積物磷釋放及其測定方法的雛議[J].湖泊科學(xué),1999,11(4):296- 303. LI Wenchao,YIN Chengqing,CHEN Kainin,etal.Discussion on phosphorous release from lake sediment[J].Journal of Lake Sciences,1999,11(4):296- 303.

[31] 紀(jì)道斌,劉德富,楊正健,等.三峽水庫香溪河庫灣水動(dòng)力特性分析[J].中國科學(xué),2010,40(1):101- 112. JI Daobin,LIU Defu,YANG Zhengjian,etal.Hydrodynamic characteristics of Xiangxi Bay in Three Gorges Reservoir[J].Science China,2010,40(1):101- 112.

[32] 宋林旭,劉德富,肖尚斌,等.基于SWAT模型的三峽庫區(qū)香溪河非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷模擬[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(1):267- 275. SONG Linxu,LIU Defu,XIAO Shangbin,etal.Study on non-point nitrogen and phosphorus load from Xiangxi River in the Three Gorges Reservoir area basedon SWAT[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2013,33(1):267- 275.

[33] 范成新,楊龍?jiān)?張路.太湖底泥及其間隙水中氮磷垂直分布及相互關(guān)系分析[J].湖泊科學(xué),2000,12(4):359- 366. FAN Chengxin,YANG Longyuan,ZHANG Lu.The vertical distributions of nitrogen and phosphorus in the sedimentand interstitial water in Taihu Lake and their interrelations[J].Journal of Lake Sciences,2000,12(4):359- 366.

[34] 王敬富,陳敬安,曾艷,等.貴州紅楓湖沉積物磷賦存形態(tài)的空間變化特征[J].湖泊科學(xué),2012,24(5):789- 796. WANG Jingfu,CHEN Jingan,ZENG Yan,etal.Spatial distribution characteristics of phosphorus forms in sediment of Lake Hongfeng[J].Journal of Lake Sciences,2012,24(5):789- 796.

[35] 徐洋,陳敬安,王敬富,等.氧化還原條件對(duì)紅楓湖沉積物磷釋放影響的微尺度分析[J].湖泊科學(xué),2016,28(1):68- 74. XU Yang,CHEN Jing′an,WANG Jingfu,etal.The micro-scale investigation on the effect of redox condition on the release of the sediment phosphorus in Lake Hongfeng[J].Journal of Lake Sciences,2016,28(1):68- 74.

Characteristics of Nutrient Exchange at the Sediment-Water Interface in Xiangxi Bay

LI Xin1, JI Daobin1, SONG Linxu1*, SU Qingqing1, CHEN Xiuxiu1, LIU Defu2

1.College of Hydraulic and Environmental Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China 2.School of Civil Engineering, Architecture and Environment, Key laboratory of Hubei Province for Lake Ecological Restoration and Algae in the Laboratory, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China

Overlying and sediment interstitial water samples from Xiangxi Bay were collected in June 2016 to study the nutrient exchange between sediment and water interfaces. The spatial distribution of nitrogen and phosphorus in the sediment was investigated, and correlation analysis between them was conducted. The results showed that the phosphorus concentration in the overlying water and sediment interstitial water of Xiangxi Bay ranged from 0.484 to 0.927 mgL and 0.511 to 2.220 mgL, respectively, and the nitrogen concentration ranged from 0.739 to 4.302 mgL and 3.571 to 14.011 mgL. The nitrogen and phosphorus concentrations in the overlying and interstitial water of the sediments had a certain variation along the stream and vertically. The interstitial water nitrogen and phosphorus concentrations in the upstream area were higher than those in the downstream area. The interstitial water nitrogen and phosphorus concentrations in the sediment were significantly larger than those in the overlying water. Xiangxi Bay sediment acts as a source of PO43--P and NH4+-N; however, for NO3--N it is a source in the middle and lower reaches and a sink in the upstream region. The diffusive flux of PO43--P ranged from 0.129 to 0.339 mg(m2·d); the diffusive flux of NH4+-N ranged from 0.213 to 1.415 mg(m2·d); and the diffusive flux of NO3--N ranged from -1.109 to 3.446 mg(m2·d). The environmental conditions of the overlying water have some influence on the nutrient exchange of the sediment-water interface, but the degree of influence is different.

Xiangxi Bay; nutrient; sediment-water interface; diffusive flux

2016-11-06

2017-04-16

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2014CB460601)；國家科技合作與交流專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFE70070)；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51509086)

李欣(1993-)，男，安徽蕪湖人，463659591@qq.com.

*責(zé)任作者，宋林旭(1980-)，女，湖北咸寧人，副教授，博士，主要從事生態(tài)水工方面研究,280825327@qq.com

X55

1001- 6929(2017)08- 1212- 09

A

10.13198j.issn.1001- 6929.2017.02.47

李欣,紀(jì)道斌,宋林旭,等.香溪河沉積物-水界面的營養(yǎng)鹽交換特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(8):1212- 1220.

LI Xin,JI Daobin,SONG Linxu,etal.Characteristics of nutrient exchange at the sediment-water interface in Xiangxi Bay [J].Research of Environmental Sciences,2017,30(8):1212- 1220.