興隆水利樞紐對漢江河岸帶氮素分布特征的影響

陳淑嫻，尚睿華，馮予誠，王志強(qiáng)，馬 騰

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

河岸帶是指與河水發(fā)生作用的陸地植被區(qū)域，是河水-陸地交界處的兩邊，直至河水影響消失為止的地帶[1]。河岸帶作為連接水、陸生態(tài)系統(tǒng)的樞紐，可進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換。河岸帶生態(tài)環(huán)境具有地下水埋深淺、動態(tài)性強(qiáng)、生物物理環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，是氮循環(huán)的熱點(diǎn)區(qū)域[2]，在控制氮素污染的輸入和凈化河流水質(zhì)方面具有重要作用。李銳等[3]研究發(fā)現(xiàn)長江上游江津段德感壩河岸帶對總氮的攔截率為45.05%；Peterjohn等[4]研究表明河岸帶每年每公頃能去除氮素20～1 600 kg；Mariet等[5]的研究表明，森林和草地類型植被構(gòu)成的河岸帶對總氮的去除率為13%～99%。

水利工程在防洪、供水等方面所帶來的社會經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，但其導(dǎo)致生態(tài)功能下降的負(fù)面效應(yīng)卻易被忽視。建造在河流上的水利工程破壞了河流的連續(xù)性[6]；水壩調(diào)節(jié)了河流的流量和流速，蓄水發(fā)電改變了水位，從而改變了河流的水文機(jī)制、傳播過程和地貌特征，進(jìn)而引起了植被物種豐富度、植物組成和分布的變化[6]。同時，河流水文機(jī)制的變化會引起土壤氧化還原等條件的改變，進(jìn)而影響氮在土壤中的轉(zhuǎn)化[7]。

研究河岸帶沉積物中氮的含量分布特征是探明河岸帶氮循環(huán)的基礎(chǔ)工作，具有顯著的現(xiàn)實(shí)需求。氮是土壤中重要的營養(yǎng)元素，可直接反映土壤所在生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)狀況，并且是全球氮循環(huán)的重要參與者[8]。河岸帶沉積物是氮的主要源和匯，它既可以接受來自水體沉降、顆粒物輸運(yùn)所埋藏的氮，也可以在合適條件下釋放分解氮使之進(jìn)入水體進(jìn)行循環(huán)[9]。土壤的氮濃度越高，其對水體氮的吸附能力就越弱，而向水體釋放氮的能力就越強(qiáng)[10]，所以查明沉積物中氮的含量對研究河岸帶的氮循環(huán)具有重要影響。

漢江流域農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，水系密集、湖泊河流交錯分布，然而由于農(nóng)業(yè)氮肥長期且不合理使用，導(dǎo)致地下水-沉積物系統(tǒng)中氮污染嚴(yán)重[11-12]。此外，漢江流域也是水利工程密集建設(shè)區(qū)，在丹江口水庫下游段內(nèi)，已建、擬建9級水利樞紐，其中包括興隆水利樞紐。明確興隆水利樞紐對漢江下游河岸帶氮素分布的影響，將對河庫水質(zhì)安全及水文生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。鑒于此，本研究選取漢江下游興隆段河岸帶作為研究對象，沿大型水利工程（興隆水利樞紐）上、下游處布設(shè)河岸帶采樣區(qū)，采集沉積物樣品，分析沉積物中氮素含量及其土壤理化性質(zhì)，查明漢江下游興隆段河岸帶沉積物氮素含量及其分布特征。在此基礎(chǔ)上，探討興隆水利樞紐對河岸帶氮素分布的影響，旨在為受水利工程影響的河岸帶生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江發(fā)源于陜西省寧強(qiáng)縣，是長江最長的支流，全長1 577 km，流域面積159 000 km2。漢江流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量804 mm，總降水量的75%集中在5—10月的雨季；年均氣溫12～16℃，絕對最高和最低溫度分別為43℃和?13℃[13]。漢江流域西北高，東南低；從源頭到丹江口水庫的上游地區(qū)具有典型的山地景觀；漢江中游地區(qū)一般的劃分是從丹江口至鐘祥，以低山丘崗地貌為主；鐘祥至漢口是下游地區(qū)，以沖積泛濫平原為主。漢江流域中下游水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)縱橫交錯，湖泊眾多，地表水與地下水資源豐富，水力聯(lián)系緊密。漢江流域下游地區(qū)受沖洪積作用影響，發(fā)育土壤多為砂土、壤土[14]，滲透性高。

漢江中游的丹江口水庫為南水北調(diào)工程的樞紐，每年南水北調(diào)工程從漢江調(diào)水95×108m3，導(dǎo)致漢水下游水量減少，水體稀釋能力下降。漢江下游以沖積平原為主，農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，氮肥輸入過量，導(dǎo)致土壤和水體中氮污染嚴(yán)重[11-12,14]。

受南水北調(diào)工程影響，漢江中下游平均水位下降0.5 m[15]。為了保證漢江下游的水位及生態(tài)環(huán)境，在漢江沙洋建設(shè)了興隆水利樞紐和引江濟(jì)漢工程。在漢江下游已建和擬建的9級水利樞紐中，興隆水利樞紐是最后一級，屬于南水北調(diào)中線漢江四項(xiàng)治理工程之一，其建設(shè)將上游水位抬升并穩(wěn)定至36.2 m[16]，用以保障水利樞紐上游的生態(tài)水位和航運(yùn)。引江濟(jì)漢工程每年從長江荊州段調(diào)水15×108m3，以提高漢江興隆段下游的水位，但引水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于南水北調(diào)的調(diào)水量。興隆水利樞紐的建設(shè)導(dǎo)致上游蓄水，地下水位明顯抬升，下游水位明顯降低，上下游高差約10 m（圖1）。

興隆段河岸帶受南水北調(diào)和引江濟(jì)漢兩大工程交匯作用，在漢江流域內(nèi)極具代表性；同時，研究區(qū)河岸帶內(nèi)分布有砂質(zhì)壤土、壤質(zhì)砂土和粉砂質(zhì)壤土，基本涵蓋了漢江流域下游地區(qū)河岸帶的各類土壤類型，因此興隆段河岸帶是研究重大水利工程對河岸帶氮素分布影響的理想?yún)^(qū)域。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 采樣點(diǎn)布置

本研究于2018年8月（豐水期）在漢江興隆段河岸帶進(jìn)行采樣。以興隆水利樞紐為對象，在漢江興隆大壩上游（A剖面）、興隆大壩下游及引江濟(jì)漢上游（B剖面）、引江濟(jì)漢工程下游（C剖面）設(shè)置3個河岸帶采樣剖面，分別距興隆大壩0.5，2.0，15.0 km遠(yuǎn)（圖2）。因?yàn)闈h江對地下水及沉積物的影響距離范圍達(dá)1.5 km左右[16]，所以每個剖面單側(cè)河岸帶控制長度為1.0～2.0 km，距漢江邊緣由近及遠(yuǎn)布置5個采樣點(diǎn)，相鄰采樣點(diǎn)水平間距控制在30～500 m。各采樣點(diǎn)使用荷蘭鉆，每30 cm采集一柱狀沉積物樣品直至潛水面，采樣點(diǎn)垂向控制深度在1.2～4.5 m之間（圖2）。

圖1 興隆大壩上、下游水位變化Fig.1 Changes of water level above and below Xinglong Hydro-Junction

圖2 漢江興隆段河岸帶采樣點(diǎn)布置及沉積物巖性分布圖Fig.2 Sampling site layout and sediment lithologic map of Xinglong section riparian zone of Han River

由圖2可知，研究區(qū)河岸帶沉積物巖性多為砂質(zhì)壤土、壤質(zhì)砂土、粉砂質(zhì)壤土、壤土、粉砂質(zhì)黏土，滲透性高。樣品采集于保鮮膜中，用鋁箔紙包裹嚴(yán)密隔絕空氣并避光，裝入真空袋中抽真空密封，儲存于冷凍袋制造的低溫環(huán)境中，運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室進(jìn)行冷凍保存。

1.2.2 測試方法

沉積物樣品的氧化還原電位（Eh）在野外使用土壤ORP計(jì)測定；沉積物有機(jī)碳（TOC）使用Vario TOC總有機(jī)碳分析儀（Elementar，德國）測試；總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法；銨態(tài)氮（-N）、亞硝態(tài)氮（）和硝態(tài)氮（）采用氯化鉀溶液提取-分光光度法（HJ 634—2012）；有機(jī)氮（ON）由TN減去和所得；沉積物含水率用105℃，24 h烘干法測定；沉積物pH值以水為浸提劑采用電位法（土水比為1∶2.5）測定（NY/T 1377—2007）；粒度使用激光粒度分析儀（Mastersizer 2000）進(jìn)行測定。每批樣品的測定都根據(jù)相關(guān)測定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行空白試驗(yàn)、平行樣品和加標(biāo)樣品的測定，測試結(jié)果符合各標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制要求。

2 河岸帶氮素空間分布特征

2.1 河岸帶沉積物氮素含量及其統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

表1 河岸帶沉積物含量及其統(tǒng)計(jì)學(xué)特征Table 1 contents and their statistical characteristics in riparian zone sediments

表1 河岸帶沉積物含量及其統(tǒng)計(jì)學(xué)特征Table 1 contents and their statistical characteristics in riparian zone sediments

A剖面 B剖面 C剖面 綜合變化范圍/（mg·kg?1） 29.80～806.0 23.30～960.0 12.40～1 010 12.40～1 010 TN W（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）/（mg·kg?1） 282.0±168.0 251.0±189.0 199.0±202.0 242.0±190.0變異系數(shù)/% 59.80 75.50 101.0 78.60變化范圍/（mg·kg?1） 0.104 0 ～5.230 0.005 000～2.570 0.031 00～0.493 0 0.005 000～5.230 NH+4-N W（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）/（mg·kg?1） 0.559 0±0.887 0 0.360 0±0.459 0 0.171 0±0.107 0 0.352 0±0.569 0變異系數(shù)/% 157.0 128.0 62.30 162.0變化范圍 /（mg/kg） 0.012 00～1.060 0～0.482 0 0.014 00～0.476 0 0～1.060 NO?2-N W（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差/（mg·kg?1） 0.117 0±0.217 0 0.048 00±0.095 00 0.053 00±0.084 00 0.070 00±0.142 0變異系數(shù)/% 186.0 199.0 157.0 203.0變化范圍/（mg·kg?1） 0～54.4 0～29.6 0.184～25.3 0～54.4 NO?3-N W（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）/（mg·kg?1） 5.020±9.300 3.430±5.320 3.970±5.380 4.090±6.730變異系數(shù)/% 185.0 155.0 135.0 165.0

2.2 不同方向上河岸帶沉積物氮素含量的變化

2.2.1 TN含量在不同方向上的變化

縱向上，由表1可知，不同剖面之間TN含量表現(xiàn)出的規(guī)律為：A剖面＞B剖面＞C剖面，處在興隆大壩上游的A剖面的TN平均含量分別是B、C剖面的1.12倍和1.41倍。

在水平方向（橫向）上，隨著距河距離的增加，A剖面沉積物TN含量在堤外呈先增加后減少的變化規(guī)律，到堤內(nèi)含量增加至峰值后減少（圖3）；B、C剖面TN含量均在堤外呈增加的趨勢，到堤內(nèi)增加至峰值后減少。雖然3個剖面在水平方向上的變化規(guī)律不同，但可以看出3個剖面中TN含量最大的采樣點(diǎn)均在堤內(nèi)，尤其是在表層土壤這個規(guī)律表現(xiàn)得更為明顯，表明氮素在堤內(nèi)積累較多。

從垂直剖面看，3個剖面不同采樣點(diǎn)表層土壤（0～30 cm）的TN含量都較高，絕大部分采樣點(diǎn)TN含量峰值出現(xiàn)在表層土壤中；到30～60 cm處，TN含量都迅速減少；60 cm以下，TN含量隨著深度增加呈不規(guī)則變化?？傮w而言，TN含量隨著深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢（圖3）。表層土壤TN高于其他土層的原因在于表層土壤有較多氮的輸入（人類活動氮排放、植被凋落物、大氣氮沉降等）[21]，導(dǎo)致氮的積累。

2.2.2 “三氮”含量在不同方向上的變化

縱向上，由表1可知，不同剖面之間無機(jī)態(tài)氮含量表現(xiàn)出的規(guī)律為：，A剖面＞B剖面＞C剖面；和，A剖面＞C剖面＞B剖面。其中A剖面NH4+-N的平均含量分別是B、C剖面的1.55倍和3.27倍，的平均含量分別是B、C剖面的2.44倍和2.21倍，的平均含量分別是B、C剖面的1.46倍和1.26倍。不管是TN還是“三氮”，處在興隆大壩上游的A剖面氮素含量都大于下游的B、C剖面。NH+4-N含量在堤外含量變化較小，到堤內(nèi)含量急劇增加至峰值后減少（圖4）；B剖面在堤外含量呈

圖3 河岸帶沉積物TN含量在水平和垂直方向上的變化Fig.3 The horizontal and vertical changes of the TN content in the sediments in the riparian zone

圖4 河岸帶沉積物含量在水平和垂直方向上的變化Fig.4 The horizontal and vertical changes of the contents in the sediments in the riparian zone

在水平方向上，隨著距河距離的增加，A剖面增加趨勢，到堤內(nèi)含量銳減后增加；C剖面含量在堤外呈增加趨勢，到堤內(nèi)含量先減少后增加再減少。A、B剖面沉積物含量在堤外呈先增加后減少的趨勢，到堤內(nèi)含量急劇增加至峰值后減少；C剖面含量變化規(guī)律與變化規(guī)律一致。A剖面沉積物含量在堤外呈增加趨勢，到堤內(nèi)含量減少后增加；B剖面含量在堤外呈減少趨勢，到堤內(nèi)含量繼續(xù)減少再增加；C剖面N含量在堤外呈減少趨勢，到堤內(nèi)呈增加趨勢。

3 討論

3.1 興隆大壩對河岸帶氮素含量空間分布的影響

由圖5可以看出，處在興隆大壩上游的A剖面，由于受到大壩蓄水的影響，河岸帶地下水接受漢江的補(bǔ)給，地下水位受大壩影響較明顯，潛水位較處在興隆大壩下游的B、C剖面埋深淺。A剖面沉積物的TN含量高于B、C剖面的，這是因?yàn)樗畮煨钏畬?dǎo)致上游地下水位抬升，大部分沉積物處于長期淹水的狀態(tài)，發(fā)生養(yǎng)分的積累[22]。河岸帶沉積物中的有機(jī)物質(zhì)主要來源于土壤原有機(jī)物的礦化和動植物殘?bào)w的分解，有機(jī)物質(zhì)的輸出則主要包括分解和侵蝕損失[23]。沉積物經(jīng)常處于淹水狀態(tài)，氧化還原電位低，形成大量還原性物質(zhì)，有利于有機(jī)質(zhì)積累，國內(nèi)外很多研究都已經(jīng)證明了這一點(diǎn)[24-25]，再加上漬水厭氣，微生物活動受阻，有機(jī)質(zhì)分解減弱[22]。研究區(qū)沉積物中的氮素主要以有機(jī)態(tài)（平均值97%）存在，因此有機(jī)氮含量越高，TN量也越高[22]。同理，由于同時受到漢江堤防的約束，大壩建設(shè)后會對堤內(nèi)地勢低平區(qū)域造成浸沒影響[16]，所以A剖面TN含量最大的采樣點(diǎn)在堤內(nèi)（圖3）。

圖5 采樣點(diǎn)的距江距離、海拔及地下水水位Fig.5 The distance from the river,altitude and groundwater level of the sampling point

值得注意的是，XL03采樣點(diǎn)的“三氮”含量變化特征與其他采樣點(diǎn)具有較大的差異。這是因?yàn)閄L03點(diǎn)位于興隆大壩的上游A剖面，因興隆水利樞紐的蓄水作用，使上游河岸帶地下水位抬升，同時位于堤內(nèi)的XL03相對高程較低，低于堤外各點(diǎn)（圖5），導(dǎo)致地下水埋深較淺（0.62 m），土壤氧化還原電位均為負(fù)值（?4.0～?10 mV），土壤處于還原狀態(tài)，不利于N的產(chǎn)生和積累[26]。長期淹水條件下，有機(jī)氮經(jīng)厭氧氨化微生物的作用，礦化產(chǎn)物主要是[27]，導(dǎo)致的積累，因此的峰值出現(xiàn)在靠近潛水面30～60 cm的土層（圖4）。

位于興隆大壩下游的B、C剖面，由于不在大壩庫區(qū)，河岸帶地下水不接受漢江的補(bǔ)給，所以不受大壩的影響。但是由于漢江堤防導(dǎo)致的微地貌差異，B、C剖面堤內(nèi)的采樣點(diǎn)XL08、XL12的潛水位埋深都是同一剖面中最淺的，所以TN含量也是B、C剖面中最高的。相對于A剖面堤內(nèi)采樣點(diǎn)受到水利工程和漢江堤防約束的共同影響，采樣點(diǎn)XL08和XL12潛水位沒有XL03的埋深淺，所以“三氮”特征并沒有表現(xiàn)出XL03的規(guī)律。

3.2 土壤理化性質(zhì)對河岸帶氮素含量的影響

水利樞紐對氮素含量空間分布的影響是宏觀尺度上的，而聚焦于每個采樣點(diǎn)不同深度沉積物樣品氮素含量的變化，應(yīng)與土壤理化性質(zhì)有關(guān)，因?yàn)橥寥览砘再|(zhì)可通過改變影響氮循環(huán)的生物和非生物因素，從而改變氮循環(huán)進(jìn)程，導(dǎo)致氮素含量的變化[18]。

3.2.1 對沉積物TN的影響

由表2可知，沉積物TN與ON呈極顯著正相關(guān)，沉積物TN中平均97%氮素都為ON，說明有機(jī)態(tài)氮為沉積物中氮素的主要存在形態(tài)。TN與TOC呈正相關(guān)，TOC和TN具有相同的變化趨勢，氮素的增加能促進(jìn)植物生長以增加有機(jī)碳的積累，有機(jī)碳的分解可以促進(jìn)氮素的釋放和轉(zhuǎn)化[28]。土壤pH能影響土壤氮素的轉(zhuǎn)化過程，研究區(qū)土壤pH與TN呈負(fù)相關(guān)，因?yàn)檩^高的pH值會導(dǎo)致土壤硝化作用增強(qiáng)，可能會增加氮素的流失[29]。沉積物TN含量與黏粒、粉粒含量呈正相關(guān)，與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)。土壤的細(xì)顆粒物質(zhì)有利于有機(jī)氮在土壤中的存留；而砂粒含量則易于有機(jī)氮的解吸[30]。

表2 河岸帶氮素含量與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of nitrogen content and soil physical and chemical properties in riparian zone

3.2.2 對沉積物“三氮”的影響

由表2可知，“三氮”含量均與ON呈正相關(guān)，說明沉積物中無機(jī)形態(tài)氮素含量會受到ON的氨化作用和硝化作用的影響，氮素轉(zhuǎn)化過程對不同形態(tài)氮素間的關(guān)系具有較大的影響作用[31]，ON含量越高，所礦化生成的“三氮”含量越高。TOC與“三氮”呈正相關(guān)，表明有機(jī)質(zhì)的分解是土壤“三氮”的重要來源[31]。

4 結(jié)論與建議

（1）本文系統(tǒng)分析了漢江興隆段河岸帶沉積物樣品中的氮素含量分布特征，發(fā)現(xiàn)大壩上游沉積物中TN、“三氮”平均含量顯著大于下游；在同一剖面上，在堤內(nèi)沉積物中TN含量高于堤外，并且堤內(nèi)靠近堤防的采樣點(diǎn)是“三氮”含量的突變點(diǎn)（劇增或銳減）；在沉積物的垂向上，TN、“三氮”含量呈現(xiàn)自上而下減少的趨勢。

（2）大壩蓄水使得大壩上游河岸帶地下水位抬升，使沉積物長期處于淹沒狀態(tài)，脫氮能力降低，導(dǎo)致具有較高地下水位的上游沉積物中的氮素含量相對較高。漢江堤防導(dǎo)致的微地貌差異使在同一剖面河岸帶堤內(nèi)地下水位相對較高，所以堤內(nèi)沉積物中的氮素含量相對較高。另外沉積物氮素含量變化還受土壤理化性質(zhì)的影響，主要影響因素是有機(jī)質(zhì)的含量，有機(jī)質(zhì)的分解促進(jìn)氮素的釋放。

（3）興隆大壩蓄水會使庫區(qū)河岸帶沉積物脫氮能力下降。從農(nóng)業(yè)發(fā)展角度來看，沉積物氮素積累利于作物的生長；但是從生態(tài)保護(hù)角度來看，沉積物積累的氮素在水分淋濾、流動作用下，會增加水體氮污染的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）應(yīng)加強(qiáng)漢江下游河岸帶土壤環(huán)境的管理：一方面嚴(yán)格控制農(nóng)田、園地的氮肥使用量，使用有機(jī)氮肥代替無機(jī)氮肥，采用噴灌等節(jié)水澆灌方法；另一方面應(yīng)維持或恢復(fù)河岸帶的緩沖帶功能，運(yùn)用生物、生態(tài)工程的技術(shù)與方法，使河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)學(xué)潛力盡可能地恢復(fù)到原有的或達(dá)到更高的水平。