藥泉湖表層沉積物孔隙水營養(yǎng)鹽的分布特征

王春雷，姜 雪，劉金鋒，彭建發(fā)

（1.黑龍江省水文水資源中心黑河分中心，黑龍江黑河164300；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150030；3.松遼水利委員水文局（信息中心），吉林長春130021）

0 引言

沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)是在長時間積累中形成的，它對地表水質(zhì)的影響也比較持久。受污染的沉積層相當(dāng)于一個儲藏的污染源，即使外源污染消除后，內(nèi)源營養(yǎng)鹽仍能在較長時間內(nèi)釋放進入上覆水，對地表水環(huán)境構(gòu)成威脅。而孔隙水是沉積物營養(yǎng)鹽的重要儲存介質(zhì)和主要來源[1]，沉積物營養(yǎng)鹽主要隨孔隙水滲透向水體中釋放，也就是說這種釋放作用主要是通過表層沉積物孔隙水完成的[2]。研究表層沉積物孔隙水營養(yǎng)鹽的分布特征，有助于防止湖泊富營養(yǎng)化，維持區(qū)域水生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。因此，有必要對五大連池藥泉湖表層沉積物孔隙水營養(yǎng)鹽的分布特征展開研究，揭示孔隙水營養(yǎng)鹽空間分布的影響因素，為湖泊防治提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 區(qū)域概況

藥泉湖是五大連池保護區(qū)較大的火山堰塞湖之一，位于藥泉山以東石龍臺地西側(cè)，呈腎形。形成于二大連池階段（此階段形成頭池、二池及藥泉湖，由早期火山噴發(fā)形成，距今約1000年），成因為熔巖阻斷白河（現(xiàn)稱石龍河）一條支流而形成。藥泉湖不僅是藥泉山景區(qū)至關(guān)重要的生態(tài)景點，也是藥泉山礦水帶的重要補給源[3]，地表湖泊及礦水資源的環(huán)境安全對五大連池保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境及旅游業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。因此，研究藥泉湖表層沉積物孔隙水營養(yǎng)鹽分布特征對區(qū)域水環(huán)境保護與治理具有重大意義。

藥泉湖補給源有大氣降水、二龍眼泉及翻花泉，其中二龍眼泉和翻花泉通過地表徑流補給，藥泉湖主要通過藥泉河排泄及側(cè)向補給地下水。湖面面積20萬m2，水深1～4m，最深處在13，14，16處采樣點，見圖1，均超過3m。此次共采集水樣及表層沉積物樣21組，采樣點分布見圖1。

圖1 藥泉湖采樣點分布圖

2 研究方法

2.1 樣品采集及營養(yǎng)鹽測定

沉積物樣品使用柱狀采泥器（德國HYDROBIOS公司）采集，原樣封入柱狀聚乙烯塑料管中保持豎直狀態(tài)盡快平穩(wěn)地運回實驗室冷藏保存，靜置過夜，以消除采集和運輸過程中的干擾[4]。取深0～5cm的新鮮沉積物樣品在轉(zhuǎn)速為8000r/min的過濾式離心機上進行離心，提取沉積物孔隙水（2～8ml）。

沉積物孔隙水中的營養(yǎng)鹽利用SealAnalytical AutoAnalyzer3（AA3）測定，AA3可以分析大部分液體樣品，比如水、土壤（植物、籽實）提取液、飲料或化合物。它采用空氣片段連續(xù)流動分析（CFA）技術(shù)進行自動樣品分析。在一個連續(xù)流動的系統(tǒng)中，樣品和試劑混合，反應(yīng)生成某種物質(zhì)，在一定的波長下進行比色檢測，從而測定各樣品中營養(yǎng)鹽的含量。測定的指標包括總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及磷酸鹽（PO43--P）。

2.2 孔隙水營養(yǎng)鹽分布特征

由于采樣點數(shù)據(jù)的不規(guī)則分布，造成缺失數(shù)據(jù)的“空洞”，而網(wǎng)格化則用外推或內(nèi)插的算法填充了這些“空洞”。因此，文中通過Surfer軟件，對孔隙水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)按照一定規(guī)律進行離散，對不規(guī)則分布的原始數(shù)據(jù)點進行克里金插值[5]，從而生成在原始數(shù)據(jù)分布范圍內(nèi)規(guī)則間距的數(shù)據(jù)點分布，有效地繪制孔隙水營養(yǎng)鹽等值線分布圖，如圖2，3，4所示。

圖2 表層沉積物孔隙水氨氮等值線分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 孔隙水氨氮空間分布及影響因素

從圖2可以看出，沉積物孔隙水中氨氮含量在整個湖泊上分布較高，尤其在采樣點10以后濃度均大于9mg/L?？紫端邪钡a(chǎn)自于有機物的生物分解轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，復(fù)雜的沉積物有機質(zhì)通過氨化作用轉(zhuǎn)換為氨氮，因此，從圖2可知，藥泉湖北部、西北部補給水源攜帶的有機質(zhì)較多，主要是北部、西北部湖水補給區(qū)分布有筆架山、臥虎山農(nóng)田地、農(nóng)戶生活區(qū)及林業(yè)局等機關(guān)單位辦公區(qū)，農(nóng)田施肥及生活污水對沉積物中有機質(zhì)的貢獻較大，從而導(dǎo)致氨氮濃度相對偏高。

3.2 孔隙水TN空間分布及影響因素

對比圖2和圖3可以看出，兩者分布存在一致性，氨氮及TN在各采樣點存在正相關(guān)性見圖5。直線下方各采樣點TN濃度受其他形態(tài)氮含量影響相對較大，而從檢測結(jié)果來看，孔隙水硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮含量均較低。因此，這些采樣點中有機氮對TN含量貢獻相對偏大，有機氮含量主要受東北部石龍臺地（東北部補給區(qū)臨近石龍臺地，由于缺少植被等對地表徑流匯入時營養(yǎng)物質(zhì)的阻隔，造成該區(qū)沉積物有機氮含量偏高）及西南部魚池的影響。

圖3 表層沉積物孔隙水TN等值線分布圖

圖5 孔隙水氨氮與TN相關(guān)分析圖

3.3 孔隙水TP空間分布及影響因素

即使沉積物孔隙水中TP與TN的來源一致，都來自農(nóng)田施肥、生活污水及石龍臺地區(qū)的徑流補給，而孔隙水TP只集中分布在南部、中部及北部小范圍區(qū)域內(nèi)（見圖4）。從孔隙水TN與TP相關(guān)分析圖（圖6）也可看出，孔隙水TP與TN并不存在線性相關(guān)關(guān)系，從而說明，沉積物TP與TN的富集原因不同。北部及中部TP的富集主要是由于該區(qū)水交換較弱，湖水流動性差，使農(nóng)田施肥及生活污水中的磷在沉積物中富集，而由于補給水源中TN的含量比TP的含量高很多，湖水的流動性對TN的遷移轉(zhuǎn)化影響很小，因此，孔隙水中TN的富集范圍要遠大于TP的富集范圍。從而得出，TN的富集與湖泊上游補給區(qū)下墊面條件（有機質(zhì)多少、土地利用方式及氮外源輸入量等）密切相關(guān)。南部沉積物TP的富集濃度較大，主要是受魚池的影響，更重要的是此區(qū)域湖水流動性差，水流幾乎處于靜滯。

圖4 表層沉積物孔隙水TP等值線分布圖

圖6 孔隙水TN與TP相關(guān)分析圖

4 結(jié)語

從藥泉湖表層沉積物孔隙水營養(yǎng)鹽分布特征的研究中可以得出：沉積物孔隙水中氨氮含量在整個湖泊上分布較高，主要是由于農(nóng)田施肥及生活污水對沉積物中有機質(zhì)的貢獻較大；沉積物孔隙水氨氮及TN存在正相關(guān)性，沉積物中TN的富集主要與湖泊上游補給區(qū)下墊面條件密切相關(guān)；孔隙水TP與TN并不存在線性相關(guān)關(guān)系，TP的富集主要與水流交換程度及流動快慢有關(guān)。因此，應(yīng)盡量削減湖泊的污染物來源，對農(nóng)田施肥及生活污水的排放采取有效措施，同時，針對湖水交換能力差這一特點進行徑流路線調(diào)整，全力改善區(qū)域地表水、地下水環(huán)境質(zhì)量。

孔隙水對上覆水營養(yǎng)鹽含量的影響機理是十分復(fù)雜的，孔隙水與上覆水在界面處的氮磷交換不僅具有延遲性，其轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化過程還存在一定的耦合關(guān)系。氮磷的遷移轉(zhuǎn)化過程不僅受沉積物水流形態(tài)的影響，而且與有機碳含量可能存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此，沉積物孔隙水營養(yǎng)鹽分布特征的研究可為沉積物-水界面處的營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化機理奠定基礎(chǔ)，同時也為淺水湖泊水生態(tài)安全保護提供可靠依據(jù)。