遼河保護區七星濕地表層水與間隙水中氮的時空分布

徐微雪，段亮，宋永會*，李輝，郅二銓

1.沈陽化工大學環境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142 2.中國環境科學研究院城市水環境科技創新基地，北京 100012

營養鹽濃度過高是導致水體富營養化的重要原因[1]，農田、工業和生活等含氮廢水的排入，直接引起河水中的營養鹽濃度升高，加劇其富營養化程度。濕地作為陸地和開闊水體間的過渡地帶，是多種運動形態及物質體系的交匯場所，也是地球上能量交換、物質遷移非常活躍的一個地帶。濕地生態系統能夠利用其物理、化學和生物作用的綜合效應，對河流中的氮素進行高效去除[2]。當外源受到控制時，內源作用就十分明顯。河流濕地表層水、間隙水中不同形態的氮在不同條件下遷移轉化，而氮的濃度分布將影響著各形態氮的遷移轉化趨勢[3-4]。因此，研究表層水、間隙水中各形態氮的時空分布，對查明水體營養狀態變化、營養鹽遷移轉化規律等具有重要意義。

遼河是中國七大河流之一，在中國水系里有著重要的水文、環境及生態意義。但近年來污染日益嚴重，尤其是富營養問題已嚴重影響遼河水體的生態及使用功能[5]。2010年初，遼寧省政府劃定了遼河保護區，由于支流是遼河干流氮污染的主要來源，故將大型的人工濕地工程技術應用于支流河口，對支流河中的氮污染進行阻控，以減輕干流氮污染物負荷，該方法在國內是一種新的嘗試。以典型支流河口濕地七星濕地為研究對象，于2012年5—7月對七星濕地進行了布點取樣，研究不同形態氮的時空變化特征及機理，以期為遼河氮營養鹽的遷移轉化提供資料，同時為保護區支流河口濕地建設提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及采樣點的布設

沈北新區遼河七星濕地建設工程位于沈北新區黃家街道北部，毗鄰旅游大道和遼河石佛寺水庫，萬泉河、西小河、羊腸河及長河4條支流匯合處。工程區內修建2座鋼壩閘、1座溢流壩，攔蓄河水。目前已形成濕地面積6.7×106m2，水深1.5 m，蓄水量1.0×107m3。該工程通過主河道清淤疏浚，確保行洪安全順暢，在濕地周邊進行生態建設，栽植水生植物荷花、蘆葦、蒲草以及陸生樹木，最終形成集開發、旅游、觀光、生態于一體的濕地景觀。七星濕地1號鋼板閘前共布設12個采樣點(圖1)。

注：采樣點1～3位于萬泉河入口；采樣點4～8和10位于濕地內部；采樣點9位于羊腸河入口；采樣點11位于濕地出口；采樣點12位于西小河入口。圖1 七星濕地采樣點分布Fig.1 The sample sites distribution in Qixing Wetland

1.2 樣品采集

于2012年5—7月在遼河保護區七星濕地進行了調查采樣。用250 mL玻璃瓶(預先用10%硝酸浸泡并用超純水清洗)對表層水水樣進行采集；用彼得遜采泥器對表層沉積物進行樣品采集，裝入聚乙烯塑料袋中； 采集的樣品用低溫保溫箱保存運回實驗室。現場同時測試水溫、pH、溶解氧(DO)濃度等。

1.3 樣品處理與分析

水樣分析項目為氨氮、硝氮和亞硝氮濃度。同一采樣點的沉積物樣品，進行沉積物離心(4 000 rmin，30 min)，取上清液過濾(0.45 μm濾膜)得間隙水[6]，分析間隙水的氨氮、硝氮和亞硝氮濃度。表層水和間隙水中各項指標的分析方法見《水和廢水監測分析方法》[7]。

1.4 數據處理方法

試驗數據采用Origin8.0、ArcGIS9等軟件進行統計分析和插圖制作。

2 結果與討論

2.1 七星濕地5—7月水溫、pH、DO濃度分布

2012年5—7月水溫、pH、溶解氧(DO)濃度等的現場測試結果如表1所示。

5月前遼河解凍不久，處于枯水期，濕地中的水主要由萬泉河流入，萬泉河水在流經鐵嶺時裹挾了大量的生活污水和工業廢水，所以水質較差；5月是遼河春汛期，水量有所增大；6月氣候更加暖和；7月水溫繼續升高。由表1可知，6月水體平均溫度達28.63 ℃；水體pH偏弱堿性，最高為8.75，最低為7.46；水體DO濃度較高，尤其在采樣點6、10和11，DO處于過飽和狀態。7月平均溫度達到29.6 ℃，水體pH在采樣點1和12處較低，而在采樣點6～10處較高，水體平均pH為8.56。

2.2 氨氮濃度的時空分布特征

5—7月表層水和間隙水氨氮濃度的分布如圖2和圖3所示。

圖2 5—7月氨氮濃度分布Fig.2 The distribution of NH4-N from May to July

由圖2可知，表層水氨氮濃度5月為1.20～8.41 mgL，6月為1.07～5.92 mgL，7月為0.77～3.50 mgL；可見5—7月采樣點表層水氨氮濃度在濕地中呈下降趨勢，規律明顯。原因是枯水期過后，5月水量開始逐步增大，同時溫度急劇回升，逐漸進入夏季，氨氮的揮發對氨氮濃度降低起到了一定的作用[8]。由圖2可知，6月表層水氨氮濃度持續下降，但由于西小河入口(采樣點12)氨氮濃度升高，導致采樣點4和5的氨氮濃度略有升高；7月表層水氨氮濃度為3個月內最低，但采樣點7～10的氨氮濃度有所增大，這可能是反硝化作用導致。

除采樣點1和9在7月時間隙水氨氮濃度有所下降外，5—7月間隙水中氨氮濃度呈上升趨勢。6月和7月氨氮濃度在表層水中普遍低于間隙水，這可能與表層水中發生硝化反應有關[9-10]。

由圖3可知，表層水氨氮濃度在采樣點12處最高，采樣點1氨氮濃度5月為8.41 mgL，6月為5.92 mgL，7月為3.50mgL，均超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類水質指標；間隙水中氨氮濃度特別高，尤其是采樣點1，6月和7月約為表層水的4倍，其他采樣點為表層水的2～3倍。這與氨氮長期在沉積物中積累有關[11]。

濕地河水沿濕地的流動過程中，氨氮逐漸被削減，濕地出口處(采樣點11)表層水氨氮濃度5月為3.02 mgL，6月為2.07 mgL，降低30%，到7月降至1.30 mgL，可見在濕地出口處表層水氨氮濃度已經有大幅度的降低。但水體氨氮污染仍較為嚴重，基本處于劣Ⅴ類水質。

注：單位為mgL。圖3 5—7月氨氮濃度時空分布Fig.3 The temporal and spatial distribution of NH4-N from May to July

2.3 硝氮濃度的時空分布特征

5—7月表層水和間隙水硝氮濃度的分布如圖4所示。

圖4 5—7月硝氮濃度分布Fig.4 The distribution of NO3-N from May to July

由圖4可知，表層水體中的硝氮濃度5月為0.77～1.54 mgL，6月為0.27～2.13 mgL，7月為0.13～3.29 mgL，可見5—7月采樣點表層水硝態氮濃度逐漸增大。原因可能是由于高DO濃度不利于沉積物中的氨氮向表層水擴散釋放，而有利于氨氮的氧化[12-13]，當DO濃度較高時，加強了氨氮氧化的結果所致。但濕地中心位置(采樣點7和8)的表層水硝氮濃度呈下降趨勢，其中，采樣點7的硝氮濃度5月為0.77 mgL，6月為0.66 mgL，7月降至0.30 mgL，6—7月降低50%以上；采樣點8的硝氮濃度5月為1.21 mgL，6月為1.05 mgL，7月降至0.22 mgL，6—7月降低近80%。原因是由于濕地中心植物茂密，生長旺盛，植物吸收利用硝酸鹽，反硝化作用的結果。

5月濕地間隙水中硝氮濃度高于表層水，在采樣點3、8和11的硝氮濃度間隙水為表層水的5～6倍以上，其與采樣點的地質性質相關。6月和7月硝氮濃度在表層水中明顯高于間隙水，表層水中攜帶的氨氮在硝化作用下轉化成硝氮，導致表層水中氨氮濃度較低而硝氮濃度較高，在萬泉河、西小河入口處水體硝氮濃度都較高，達1.45 mgL以上；而在羊腸河入口處及濕地中心部分硝氮濃度偏低。其主要因為濕地底泥疏浚而導致底泥性質不同[14-15]，造成濕地中硝氮濃度有所差別。5—7月總體趨勢為表層水硝氮逐漸增高，間隙水逐漸減少。

2.4 亞硝氮濃度的時空分布特征

5—7月表層水和間隙水亞硝氮濃度的分布如圖5所示。

圖5 5—7月亞硝氮濃度分布Fig.5 The distribution of NO2-N from May to July

由圖5可知，亞硝氮在表層水和間隙水中濃度都很低，萬泉河入口處和濕地出口相對濃度較高，濕地中心部分濃度較低。5月在萬泉河入口處和濕地出口處亞硝氮濃度在間隙水中要比表層水中高，而在濕地中部和羊腸河及西小河入口處，亞硝氮在表層水中的濃度高于間隙水；6月和7月在萬泉河入口處和濕地出口處亞硝氮濃度在表層水中要比間隙水中高。這是表層水中硝化作用與沉積物中反硝化作用的結果[16]。萬泉河與羊腸河入口處的亞硝氮濃度較高，在0.30 mgL以上，西小河入口處及濕地中部濃度較低。

2.5 氨氮去除效果分析

因為遼河流域大部分斷面氨氮濃度超標，氨氮已成為影響地表水水環境質量的首要指標，故對濕地中5—7月的氨氮去除效果進行計算。

圖6 各支流河入口及出口流量分布Fig.6 The flow of three tributaries and outlet

5—7月各支流河入口及出口流量如圖6所示。5—7月是該區域溫度升高，光照加強的時期，是植物生長季節，在該時段內微生物活性也較高。濕地面積按照規劃面積6.7×106m2計算，根據各入水口、出水口的流量和氨氮濃度，可算出5—7月濕地氨氮流入量為4.46 t，流出量為2.47 t，得出3個月內濕地對氨氮的去除總量為1.99 t，去除效果較為顯著。

3 結論

(1)污染物隨空間的變化趨勢體現為支流河入口處污染物濃度都較高，經過濕地凈化作用，在濕地中部及出口處濃度明顯降低；同時表現為表層水中氨氮濃度小于間隙水，而硝氮和亞硝氮濃度高于間隙水。這主要是由于表層水中以硝化作用為主，間隙水中以反硝化作用為主。

(2)水體氨氮隨時間推移呈逐漸下降的趨勢，在后期由于微生物活動及植物生長，去除量較大；硝氮和亞硝氮有一定的相似性，在溫度較高的時段內濃度有所升高。

(3)對七星濕地氨氮去除效果進行計算分析，得到3個月內濕地對氨氮的去除總量為1.99 t。可見七星濕地對氨氮的去除效果較為顯著。

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