滇池北部示范區(qū)水體和沉積物中氮的分布特征研究

(云南省環(huán)境科學研究院，云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室，云南 昆明 650034)

滇池北部示范區(qū)水體和沉積物中氮的分布特征研究

宋迪
(云南省環(huán)境科學研究院，云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室，云南 昆明 650034)

根據(jù)對滇池北部示范區(qū)水體中總氮、氨氮和硝氮及沉積物中總氮和離子交換態(tài)氮的分析，闡述了研究區(qū)水體和沉積物中氮的時空分布特征和來源。得出近河口處受盤龍江匯入滇池北部的外源輸入營養(yǎng)鹽的影響更大，而相對遠離河口的區(qū)域則受湖泊沉積物內(nèi)源和湖體流場導致的水體中營養(yǎng)鹽的空間交換影響更為顯著。

沉積物；氮；時空分布；特征；滇池

隨著城市化和工業(yè)化的逐步發(fā)展，城市水體的富營養(yǎng)化狀況成為日益嚴重的問題[1]，該特征在近年來的滇池表現(xiàn)十分顯著[2]。湖泊中的氮對于水生生物生命活動具有重要意義，是水生生態(tài)系統(tǒng)所必須的關鍵元素，同時也是引起湖泊富營養(yǎng)化重要的限制性營養(yǎng)物質(zhì)[3]。湖泊中氮的主要來源是諸如降雨、徑流、工業(yè)排放和生活污水等外部來源；此外，在特定的環(huán)境條件下，也有如沉積物和水生生物的物理化學及生物反應所產(chǎn)生的內(nèi)源。

針對滇池外流域補水工程實施后湖泊水體區(qū)域水資源利用系統(tǒng)邊界條件發(fā)生重大變化的特征，本研究從整體上研究了滇池北部示范區(qū)內(nèi)氮營養(yǎng)物質(zhì)在水體和沉積物中的時間和空間分布特征，為開展補水工程的湖內(nèi)水質(zhì)改善技術研究及提出有利于滇池水質(zhì)改善的分配利用方案提供基礎數(shù)據(jù)和科學借鑒。

1 材料與方法

1.1 采樣點位

本項目的研究區(qū)域為滇池北岸已建成示范區(qū)向西延伸至盤龍江河口，共布點3個。其中示范區(qū)內(nèi)布點1個(S1)；已建成示范區(qū)外至盤龍江口2 km2范圍內(nèi)布點2個，分別為S2和S3(見圖1)[4]。

1.2 樣品采集

采集水質(zhì)樣品的時間為2014年4月—2016年1月，在風浪較小的晴天進行，每個采樣點采集表層水樣品。

采集沉積物樣品在2013年5月風浪較小的時候進行，在每個采樣點采集原狀低擾動柱狀沉積物樣品。用GPS定位采樣點的實際坐標，樣品采用柱狀沉積物采樣器采集。將現(xiàn)場采集的柱狀沉積物從表層至10 cm深度每1 cm分割為一份樣品，其余每2 cm分隔為一份樣品。干燥充分后，研磨過100目篩。

1.3 研究區(qū)域

研究區(qū)域毗鄰滇池北岸和盤龍江河口，平均深度約3 m，水深范圍2～4 m。與此同時，研究區(qū)域毗鄰的湖岸由石壩構(gòu)成，有效防止了水土流失所產(chǎn)生的外源營養(yǎng)鹽的輸入。因此該研究區(qū)域內(nèi)所受的外源營養(yǎng)相對較為簡單。該研究區(qū)域面積約為2 km2，需水量約為6×106m3。1999—2008年，由盤龍江直接匯入研究區(qū)域的水量約為0.11～77.30 m3/s。

1.4 分析方法

本研究分析了研究區(qū)域內(nèi)水質(zhì)中總氮(TN)、氨氮(NH4-N)和硝氮(NO3-N)，以及沉積物中的總氮(TN)和離子交換態(tài)氮(IEF-N)。其中沉積物中TN采用了Hansen和Koroleff提出的分光光度法[5]；IEF采用了宋金明等人提出的氮分級浸取法[6]。

2 結(jié)果與討論

各點位表層水中高錳酸鹽指數(shù)、懸浮物(SS)、pH、溶解氧(DO)和葉綠素a見表1。

表1 各點位的高錳酸鹽指數(shù)、SS、pH、DO和葉綠素a濃度 (mg/L)

2.1 研究區(qū)域水體中氮的分布特征

已建成示范區(qū)的S1點表層水中TN、NH4-N和NO3-N變化范圍分別為1.502～11.447 mg/L、0.080～0.995 mg/L、0.281～1.676 mg/L(圖2)。TN含量最高值出現(xiàn)在2015年6月，最低值出現(xiàn)在2015年1月，研究時段內(nèi)除2014年5月和2015年1月外，其余時間TN含量都超過Ⅴ類水質(zhì)標準。2015年TN含量相對于2014年有所上升，且該點位時間變化相對比較明顯，2014年和2015年S1點TN皆分別呈現(xiàn)出隨時間變化先增加后減小的趨勢。NH4-N含量優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標準，相對于NH4-N，NO3-N含量更高，對TN的貢獻更大。

S2點表層水中TN、NH4-N和NO3-N變化范圍分別為1.482～11.272 mg/L、0.067～0.839 mg/L和0.260～2.636 mg/L(圖3)。TN含量最高值出現(xiàn)在2015年7月，最低值出現(xiàn)在2015年1月。2015年TN 含量與2014年有所升高。研究時段內(nèi)除2015年1月外，其余時間TN含量都超過Ⅴ類水質(zhì)標準。與S1點相似，2015年TN含量相對于2014年有所上升，且2015年S2點TN呈現(xiàn)出隨時間變化先增加后減小的顯著趨勢。NH4-N含量優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標準，相對于NH4-N，NO3-N含量更高，對TN的貢獻更大。

S3點表層水中TN、NH4-N、NO3-N變化范圍分別為1.901～12.012 mg/L、0.132～11.347 mg/L和0.281～3.849 mg/L(圖4)。TN含量最高值出現(xiàn)在2014年10月，最低值出現(xiàn)在2014年4月。與S1和S2不同，S3點TN和NH3-N含量從2014年10月開始整體呈隨時間變化而降低，最終于2015年趨于平穩(wěn)。研究時段內(nèi)除2014年4月外，其余時間TN含量都超過Ⅴ類水質(zhì)標準。NH4-N含量相對較高。

從空間分布來看，各點位TN含量總體相差不大，但相對遠離河口的S1和S2點位與位于盤龍江口S3點的TN和NH4-N的時間分布變化差異明顯，這可能是由于近河口的S3點受盤龍江匯入滇池北部的諸如生活污水等外源輸入營養(yǎng)鹽的影響更大，而相對遠離河口的S1和S2則受湖泊沉積物內(nèi)源和湖體流場導致的水體中營養(yǎng)鹽的空間交換影響更為顯著，其中S1點所在的已建成示范區(qū)位置位于湖灣處，因此可能導致了其水體中TN含量受不同季節(jié)湖流的影響呈現(xiàn)出相對于其他點位更顯著的周期性變化。

2.2 研究區(qū)域沉積物中氮的分布特征

沉積物中的TN可以衡量湖泊的潛在生產(chǎn)力[7]。S1、S2和S3點位沉積物中TN含量分別為1379.37～2503.28 mg/kg、1706.53～3076.24 mg/kg和1893.93～4310.27 mg/kg(圖5)。各點位沉積物中TN平均含量呈S3>S2>S1，其中最大值出現(xiàn)在S3點的表層。從垂向分布來看，各點位沉積物中TN基本都呈現(xiàn)出相對復雜的變化趨勢，其中S2和S3點位的TN含量隨深度增加整體上呈現(xiàn)不同程度的下降。同時從水平分布來看，研究結(jié)果表明從盤龍江河口向湖體延伸，沉積物中TN負荷逐漸降低。

IEF-N是沉積物氮中穩(wěn)定性相對最弱且最易參與沉積物-水界面循環(huán)的組分[6]。IEF-N含量通常相對較低，S1、S2和S3點位沉積物中IEF-N含量分別為85.65～318.43 mg/kg、154.29～338.23 mg/kg和112.11～195.46 mg/kg(圖6)。各點位沉積物中TN平均含量呈S2>S3>S1。從垂向分布看，各點位沉積物中TN含量隨深度的增加皆呈現(xiàn)出不同程度的下降，其中S2點的變化趨勢相對更為顯著。這是由于沉積物中有機質(zhì)的礦化作用主要發(fā)生在含氧層，而隨著深度的增加，礦化作用呈逐漸減弱的趨勢，從而導致各點位沉積物中IEF-N含量隨深度下降。然而S1點沉積物深度超過17 cm后IEF-N的含量顯著上升，這可能是由于S1所在的湖灣處沉積過程相對復雜所導致的。

3 結(jié)論

本研究通過調(diào)查分析滇池北部示范區(qū)水體和沉積物中氮的分布特征，得出以下結(jié)論：

研究區(qū)域內(nèi)各點位水體中TN含量總體差別較小，但各季節(jié)基本均超過Ⅴ類水質(zhì)標準。滇池北部示范區(qū)所處湖體相對于盤龍江河口水體中TN含量隨時間變化趨勢差異較大。除盤龍江河口處，各點位水體中NH4-N含量在不同季節(jié)均優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標準。

各點位沉積物中TN含量隨著深度增加整體上呈現(xiàn)不同程度的減少，同時，從盤龍江河口向湖體延伸，沉積物中TN負荷逐漸降低。各點位沉積物中IEF-N含量相對較低，但變化趨勢整體上與TN相似，呈現(xiàn)隨深度增加而下降的趨勢，表明研究區(qū)內(nèi)沉積物中氮可能存在一定的釋放風險。

[1]余先旭，孫石，朱寶平，胡永康.磷與湖泊富營養(yǎng)化[J].環(huán)境科學導刊,2005,24(1):36-38.

[2]AV Gray, L Wang. Case study on water quality modelling of Dianchi lake, Yunnan province, South West China[J]. Water Science & Technology, 1999, 40(2):35-43.

[3]Thirunavukkarasu, O.S.,Viraraghavan, T,and Selvapathy, P. A comparative account of phosphorus release from sediments of a lake and a reservoir: Laboratory experiments[J]. Fresenius Environmental Bulletin, 2000, 9(7): 461-467.

[4] 宋迪，武孔煥. 滇池北部示范區(qū)沉積物磷的分布特征研究[J]. 環(huán)境科學導刊，2014，33(6): 1-5.

[5]Hansen, H. P.Koroleff, F.Determination of nutrients. In: Grasshoff K, Kremling K, Ehrhardt M (eds) Methods of seawater analysis, 3rd edn[M]. VerlagChemieGmbh, Weinheim, 1999:159-228.

[6] Song,J.M., Ma,H.B. and Lü, X.X. Nitrogen forms anddecomposition of organic carbon in the southern Bohai Sea coresediments[J].Acta.Oceanologica.Sinica, 2002(21)：87-95.

[7]宋金明. 中國近海沉積物-海水界面化學[M].北京: 海洋出版社, 1997, 166-170.

SpatiotemporalDistributionofNitrogeninWaterandSedimentofDemonstrationZoneinNorthBayofDianchiLake

SONG Di
(Yunnan Institute of Environmental Science, Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake-watershed, Kunming Yunnan 650034, China)

Total nitrogen, ammonia nitrogen and nitrate nitrogen of water samples and total nitrogen, exchangeable nitrogen of sediment samples collected from the northern bay in Dianchi Lake were analyzed. The spatiotemporal distribution and source of nitrogen were discussed. The results showed that the nutrient load of estuary was influenced observably by external source, beside with the distance of the estuary, the effect of internal source and water exchange by flow field were more significant.

sediment; nitrogen; spatiotemporal distribution; Dianchi Lake

2017-01-16

水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07102-006-02)。

X52

A

1673-9655(2017)06-0027-04