滇池底泥中氮素空間分布異質性分析

戎 靜,莊舜堯,楊 浩

(1.南京師范大學 地理科學院,江蘇南京210046;2.中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室,江蘇南京210008)

湖泊沉積物在湖泊循環和水體富營養化過程中有著重要的作用[1-2],沉積物中的氮作為水環境中氮素的最終歸屬,不僅是湖泊中營養物質運移過程中的主要歸宿,同時也是引起水體富營養化的潛在污染源[3-4]。除了外源性營養物質之外,沉積物中的氮磷仍然可以通過間隙水與上覆水進行物理、化學和生物的交換,并且沉積物中氮磷的分布特征已被證實與湖泊內源負荷有直接關系[5-6],因此,研究沉積物中氮磷的含量對防治湖泊富營養化具有重要意義。國外有關各湖泊水體—沉積物中N的研究多集中在分布和形態變化以及沉積物N的釋放及影響沉積物N釋放的環境等方面。Chen等在1983年對格林灣淺水湖泊的研究就表明面源污染中的氮足以引起富營養化[7]。Gardner在休倫湖上的薩吉諾灣中檢測了底泥以及水體中氮素的浮動和轉變[8]。McCarthy對OWC的沉積物和泥沙界面的氮轉換和氨基鹽的轉化的研究表明,水文特征對底泥N過程的影響大于對水體N過程的影響[9],而對于整個湖泊底泥的氮素空間分布研究較少。

作為內陸的高原湖泊,自20世紀60年代到90年代以來,滇池水質由II類水下降至V類水和超V類水,水質逐步惡化,草海異常富營養化,局部沼澤化,外海嚴重富營養化[10],除了與河流排入的大量的氮磷等營養元素外,同時也與底泥中沉積的營養元素有密切關系,然而目前對滇池沉積物氮素的研究多是以不同方位的少數點來代表滇池的氮素含量[3,11-12],而對整個底部沉積物中氮素的空間變異狀況研究甚少。國內外已有研究表明,地統計學可以在大批量樣本的基礎上,探索樣品的空間分布規律,并進行預測,該方法已經廣泛運用于空間分布上具有結構性和隨機性自然現象的研究[13-14],其在土壤科學中的應用已較為成熟[15-16],Poon等對香港海岸線主要污染源的研究表明克里格插值適合于底泥中的應用[17]。本文利用GIS工具,采用傳統統計學和地統計學相結合的方法,對整個滇池湖底的0—5,5—10,10—20 cm這3個層次的全氮、有機氮、銨態氮的含量進行地統計分析[18],探討其空間分布特征,以期為分析滇池區域營養元素的空間分布格局及滇池水質改善提供參考。

1 區域概況與研究方法

1.1 區域概況

滇池流域屬于亞熱帶濕潤風氣候,氣候變化主要受西南季風和西南支氣流交替控制,流域的年平均降雨量為1 035 mm,降雨量集中,年平均氣溫14.7℃,年日照數2 200 h,無霜期285 d,流域分布的地帶性土壤均為高原紅壤。

滇池屬金沙江水系,是云貴高原最大的內陸淡水湖泊,南北長約40 km,東西寬約12.5 km,平均水深4.4 m,最大水深10.9 m,水域面積 300 km2,湖容量1.28×109m3。滇池北鄰昆明市區,南端至晉寧縣內,呈南北向分布,湖體略呈弓形,弓背向東。北部有一天然湖堤將其分隔為南北兩水區,北區為內湖,稱草海,面積 11 km2;南區為滇池主體,稱外海,面積295 km2,湖底淺平。滇池湖水動力受河水住入流和盛行的西南風控制,主導風向為西南風,大風時波高可達1.2 m,波長超時10 m,由于湖的長軸與盛行方向近于平行,盛行的西南風有很強的起浪力,導致湖底沉積物容易被水體帶動,造成內源污染。

1.2 樣品采集與測定

采樣地界于東經 102°36′28.7″—102°47′09.33″,北緯 24°40′25.14″—25°50′20″之間 ,采樣面積覆蓋全滇池,約300 km2。于2002年5月至 7月,用奧地利產的重力取樣器(UWITEC—CORER-016001)共采集118個剖面樣,采樣深度20 cm,在全湖均勻布設樣點,并用GPS確定精確經緯度。樣品采集后放于架上靜置,吸出上覆水層,用分樣裝置將樣品沉積物按0—5,5—10,10—20 cm分段切割。底泥帶回實驗室,采用開氏消煮法測全氮,KCl浸提液以靛酚藍比色法測銨態氮含量[19]。Kessel[20]認為底泥中的硝態氮主要來源于上浮水中硝態氮的擴散,而這個過程的逆過程是很難進行的,因為擴散到底泥中的硝態氮很容易通過反硝化作用喪失掉,而不易積存在底泥間隙水中,因此在還原條件下,銨態氮轉換為硝態氮的含量極少,故所采樣品中全氮含量減去銨態氮含量即為有機氮含量。

1.3 地統計學方法

首先將研究區域數字化,根據相應范圍內各采樣點的養分數據資料,生成用于地統計學分析的樣點分布圖(圖1)。利用GS+軟件包進行變異分析,計算區域底泥中全氮、有機氮、銨態氮含量的統計特征值,將非正態分布的數據轉換成接近于正態分布,計算出合適的擬合模型,并在ArcGIS 9.2的地統計模塊中利用普通克里格插值法進行內插,分別獲得3個層次的全氮、有機氮、銨態氮的空間分布圖。

1.3.1 半方差函數 半方差函數是研究區域化變量空間變異性的關鍵函數,它既能描述區域化變量的結構性變化,又能描述其隨機性變化。實際上,半方差函數是一個關于數據點的半變異值與數據點間距離的函數.

假設區域化變量滿足二階平穩和本征假設,其計算公式如下:

式中:γ(h)——半方差函數;h——樣點間的間隔距離,即步長(lag);N(h)——間隔距離為h的樣點數;Z(xi),Z(xi+h)——區域化變量在空間位置xi和xi+h處的觀測值。半方差函數曲線圖可以直接反映空間變異特點。球狀模型,指數模型,高斯模型可以擬合半方差函數,不同的模型參數對于插值有很大的影響,因此用GS+軟件包計算出相應的模型再利用ArcGIS 9.2進行插值[21]。

1.3.2 普通克里格插值 普通克里格差值是利用已知點的值去估計未知點的線性無偏、最優估計,實質上是實行局部估計的加權平均值:

式中:Z(x0)——在未經觀測的點x0上的內插估計值;Z(xi)——在點X0附近的若干觀測點上獲得的實測值;λi——考慮了半方差圖中表示空間的權重,所以Z值應該是無偏的[22]。

2 結果與討論

2.1 描述性統計特征

表1中可知,118個采樣點中,0—5 cm層中,全氮含量介于0.410～13.8 g/kg,平均值為5.85 g/kg;在5—10 cm層中,全氮含量介于0.378～20.4 g/kg,平均值為4.71 g/kg;在 10—20 cm 層中,全氮含量介于0.440～14.4 g/kg,平均值為2.76 g/kg。可見底泥表層全氮含量較大,且由表層到底層全氮含量下降的分布趨勢明顯,說明滇池底泥表層受人類活動影響較大。這與陳永川[1]等在滇池5個代表性樣點沉積物中全氮含量分布研究結果以及劉凌[23]等對太湖底泥全氮的垂直分布研究結果類似。

圖1 滇池采樣點分布圖

據相關文獻[23],在0—5 cm層中,太湖底泥全氮的最小值為0.031%,最大值為0.471%,平均值為0.118%。5—10 cm太湖底泥的最小值為0.014 9%,最大值為0.280%,平均值為0.070 9%。10—20 cm太湖底泥全氮的最小值為0.012 6%,最大值為0.250%,平均值為0.069 9%。因此,與2002年太湖底泥全氮含量相比,滇池各個層次的底泥中全氮的含量均要顯著高于太湖。另外,與其它湖泊相比較,紅楓湖和百花湖沉積物中全氮的平均含量約為0.36%～0.40%[24],在表層沉積物中全氮的含量達0.69%～1.06%,可見滇池底泥中全氮的含量相對較高,分析原因,可能與滇池處于高原的地理位置和污染歷史有關。湖泊沉積物中總氮以及各種形態氮素含量受控于進入湖泊的總量、湖泊內部的物理化學條件、水文特征等[25],因此,亂砍亂伐,水土流失嚴重,工業污水直接排入湖泊以及嚴重的富營養化導致水生生物的死體沉積是造成滇池全氮含量偏高的主要原因。

滇池底泥有機氮含量在0—5 cm層次底泥中介于0.245～13.6 g/kg,平均值為 5.05 g/kg;5—10 cm層次中介于0.253～19.2 g/kg,平均值為3.94 g/kg;10-20 cm 層次中介于0.048～13.1 g/kg,平均值為2.16 g/kg。隨著深度的加深,有機氮含量是減少的。3個層次中有機氮的平均含量占全氮平均含量的比值依次為86.34%,83.67%,78.15%,隨著深度的加深,該比值也是減少的。

滇池底泥銨態氮含量在0—5 cm層次底泥中,介于0.060～4.50 g/kg,平均值為0.799 g/kg;5—10 cm層次中介于0.070～3.90 g/kg,平均值為0.769 g/kg;10-20 cm 層次中介于0.042～3.50 g/kg,平均值為0.603 g/kg。可見隨著深度的加深,銨態氮的含量也是有所減少的,但是幅度相對較小。3個層次銨態氮的平均含量占全氮平均含量的比值分別是13.66%,16.33%,21.85%,隨著深度的加深,該比值是增加的。結合有機氮在全氮中含量的比值在減少,說明減少的有機氮部分被礦化成了銨態氮。這是因為有機氮轉變成銨態氮的過程稱作氨化作用,是銨態氮產生的主要途徑[26]。有機氮通過礦化生成銨態氮,氨化過程之后,一部分銨態氮被植物吸收或被微生物固持,剩余的一部分可能通過自養細菌轉化為硝態氮[27]。而由于底層底泥中氧化還原電位低,銨態氮轉化為硝態氮的能力很弱,因而銨態氮占全氮的含量會增加。亓春英[28]在2002年同期對滇池草海和外海進行分區研究發現,0—5 cm以及5—10 cm層次的銨態氮含量要高于10—20 cm層次的,這說明雖然底層受水動力干擾少,含氧量低,但是由于表層污染嚴重,有機氮礦化為銨態氮的含量要比底層更多。

變異系數的大小可以反映底泥氮素的空間變異強度,一般認為:變異系數＜0.1為弱變異性;0.1＜變異系數＜1.0為中等變異性;變異系數＞1為強變異性[22]。由表2可知,這3個層次的底泥中,0—5 cm銨態氮的變異系數為1.03,大于1,5—10 cm銨態氮的變異系數為0.960,10—20 cm的銨態氮的變異系數為0.965,均接近于1,具有強烈空間變異性;其它氮素變異系數均在0～1之間,屬于中等強度變異。由此可見,3個層次的3種氮素空間變異性較大。

2.2 底泥氮素的空間變異特征

單純的統計分析并不能很好地反映研究區域氮素含量的空間分布特征,更不能全面反映其空間分布的結構性和隨機性因素。采用GS+軟件包計算不同間距的半方差,選擇擬合度較好的模型進行套合,可分別獲得各層次底泥中全氮、有機氮、銨態氮的各項參數。

半方差函數是地統計學解釋沉積物中氮素含量空間變異結構的理論基礎。它有3個重要函數:變程、塊金值C0和基臺值C0+C。根據GS+軟件包計算得到各相關氮素的參數(見表2)。

表1 滇池營養元素特征統計

表2 全氮、銨態氮、有機氮的變異函數參數

變程表示了在某種觀測尺度下,空間相關性的作用范圍,即當某點與已知點的距離大于變程時,該點數據不能用于內插或外推[22];根據GS+軟件包計算出來的有效步長為0.27 km,由表2可知,10—20 cm層的有機氮的變程為0.102 km,小于0.27 km,說明10—20 cm的有機氮由于采樣距離過大,有機氮的含量是相互獨立的隨機變量,其空間相關性不是很好,因此,對于今后10—20 cm的有機氮空間分布研究的采樣,可考慮間距為0.102 km以內。其他的氮素變程均遠遠大于0.27,說明在變程以內進行普通格里格插值能取得比較精確的結果。

塊金值由測量誤差和最小取樣間距內沉積物性質(生活污水、工業廢水的排放等)的隨機因子引起;基臺值反映區域化變量受結構性因素(沉積物類型、氣候、地形、植被等)影響的程度。塊金系數C0/(C0+C)可以反應沉積物中氮素的空間相關性。當C0/(C0+C)＜25%,變量具有強烈空間相關性;C0/(C0+C)為25%～75%,變量具有中等空間相關性;而C0/(C0+C)＞75%時,變量空間相關性很弱[22]。由表2可知,0—5 cm全氮和有機氮的塊金系數分別為23.74%,19.55%,10—20 cm全氮的塊金系數分別為20.61%,說明0—5 cm全氮和有機氮以及10—20 cm全氮的空間相關性較強;而0—5 cm底泥中銨態氮和10—20 cm底泥中銨態氮分別為49.96%,36.51%,5—10 cm底泥中3種氮素的塊金系數為49.94%,49.95%,49.94%,具有中等空間相關性。

另外,塊金系數高,說明由隨機部分引起的空間變異性程度較大;相反則由結構性因素引起的空間變異性程度較大[22]。從表2可以看出,這3個層次的塊金系數并不高,這說明人為排污對氮素在全湖分布的影響并不是起決定作用。0—5 cm和10—20 cm這兩個層次底泥中的銨態氮以及10—20 cm中的3種氮素則受隨機性因素和結構性因素的影響接近均等,是自然過程(氣候、地形等)和人為過程共同作用的結果。自然過程是沉積物屬性空間變異的內在驅動力,它有利于土壤屬性空間變異結構性的加強和相關性的提高;人為過程則是沉積物屬性變異的外在影響因素,表現為較大的隨機性,往往對變量空間變異的結構性和相關性有削弱作用[13]。0—5 cm層次底泥中全氮和有機氮以及10—20 cm的全氮和有機氮的塊金系數較小,這說明這2個層次中的全氮和有機氮在全湖底泥中的空間分布,主要受地形、氣候、沉積物性質等自然因素的影響,人為排污的影響則位于其次,這并不意味著排污對滇池氮的污染影響較小,而是說湖泊自身的自然因素比人為排污等隨機性因素能更多地影響氮素在湖泊中的分布狀況以及停留時間等。

2.3 普通克里格插值分析

圖2中,a,b,c是0—5 cm層次中不同形態氮素的普通克里格空間插值圖,d,e,f是5—10 cm層次中不同形態氮素的普通克里格空間插值圖,g,h,i是10—20 cm層次中不同形態氮素的普通克里格空間插值圖。從整個滇池的角度來看,隨著深度的增加,3個層次的氮素在湖面的顏色深淺分布是0—5 cm＞5—10 cm＞10—20 cm。張燕等[29]利用137Cs法對滇池沉積物定年分析發現滇池沉積速率整體上經歷了一個由快到慢的過程,桑麗娟[30]在滇池沉積速率的時間變異特征研究中利用137Cs以及210Pb也證明了沉積速率近50 a來時先增大后緩慢降低的。可見,隨著滇池污染治理措施的加大,滇池生態環境得到一定程度的改善,沉積速率在減小,但是結合圖2這3個層次的氮素顏色深淺來看,滇池底泥中氮素的含量還是在逐年增加的,污染具有加重的趨勢。最高值區均出現在北部草海,這主要是由于草海靠近昆明市,每年有大量的生活生產用水排入草海。2000年入湖污染物中大概有45%的污水進入草海,而草海的環境容量只占整個湖泊的1.3%[31],同時草海湖區相對封閉,污染物進入湖后分散困難,使得沉積在湖底,含量高于其它湖區。最低值區位于滇池的東北部,這與滇池常年盛行西南風風向有關。另外,每種氮素均在湖泊中心出現較深顏色的斑塊,這可能是受湖底地形和盛行風向的影響,污染物通過河流進入河道,湖水受到盛行西風的影響,導致湖底沉積物容易被水體帶動,氮素易于淤積在湖體中心,不易被擴散分解[30],這與之前的描述性統計分析大體一致。

圖2 滇池底泥中不同形態氮在不同層次中的普通克里格插值圖

不同的是,0—5 cm層次的全氮在全湖分布相對較均勻,呈自北向南遞減,而5—10 cm這個層次中的全氮在西南角出現較深顏色的條狀斑塊,10—20 cm層次則只有在草海和外海湖心高于其它地區。有機氮在全湖的分布比較均勻,整個湖面顏色都較重,由于有機氮通常為湖泊沉積物中氮的主要形態,與全氮的分布類似,東北部顏色偏淺。結合表2和圖2的c,f,i,銨態氮變化趨勢大致與全氮含量分布具有同向性,北部草海和外海湖心含量較高,但是銨態氮在0—5 cm的分布,不如全氮和有機氮均勻,在西南區域也有出現條狀斑塊;5—10 cm層次在西南地區也有斑塊,但顏色分布比0—5 cm層次要淺些;10—20 cm最大值僅出現在北部草海和外海湖心區,西南區顏色最淺。每個層次中不同氮素的空間分布差異的原因有待于進一步的研究。

3 結論

(1)研究結果表明,研究區全氮、有機氮、銨態氮總體水平偏高,3個層次的底泥中,除了0—5 cm銨態氮變異強度較大以外,其它氮素均屬于中等強度變異。

(2)通過半變異函數分析,0—5 cm和10—20 cm這兩個層次底泥中的銨態氮以及10—20 cm中3種氮素的空間分布則由地形、沉積物性質等結構性因素以及人為等隨機性因素共同決定的;而0—5 cm以及10—20 cm這2個層次底泥中全氮和有機氮的空間分布,受地形、氣候、沉積物性質等自然因素的影響要大于人為排污的影響。

(3)3個層次3種氮素在全湖底泥中的分布,均自北向南遞減,最高值區出現在北部草海,最低值區位于滇池的西南區域;隨著深度的增加,3種氮素在湖面的顏色深淺分布均是 0—5 cm＞5—10 cm＞10—20 cm,污染有逐年加重趨勢。

致謝張維、祝士杰、羅君、李俊、王前峰、周杜輝等在本文寫作過程中給予了幫助與指導,在此一并表示感謝!

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