古夫河上覆水和表層沉積物中總氮和總磷空間分布特征及其相關性

曾 露，葛繼穩，王自業，冉桂花，吳述園，唐 佳

（中國地質大學濕地演化與生態恢復湖北省重點實驗室生態環境研究所，湖北 武漢430074）

古夫河發源于湖北省神農架林區新華鄉處，在響灘匯入香溪河，是位于香溪河上游的三大支流之一。古夫河流域水資源豐富，干流全長64.5km，流經興山境內41km。自三峽水庫建成以來，三峽庫區的水環境由典型的河流水體轉變為類似湖泊水體，水流減緩，對污染物質的擴散和自凈能力大大降低，水環境發生了根本性變化［1］。尤其三峽水庫蓄水后，香溪河水體富營養化速度不斷加快，已多次暴發水華［2］。目前，香溪河上游的古夫河流域水環境整體上較好，但是居民生活、農業生產、小水電站建設、磷礦生產等產生的污水外源輸入造成水環境營養元素氮、磷含量偏高［3］。有關研究表明，表層沉積物在水體污染中扮演著“雙重”角色：既作為污染匯不斷接納水體中沉積下來的顆粒物質，又作為污染源向水體中釋放營養物質［4—5］。河流表層沉積物作為河流上覆水的重要物質源和營養物質氮、磷的重要蓄積庫對河流上覆水物質循環遷移起著很重要的作用［6—7］。沉積物在適當條件下釋放營養物質進入水環境中，成為富營養化的主導因子［8］。

目前，對三峽庫區香溪河干流沉積物中總氮和總磷的形態、時空分布特征［9—10］和吸附特征［11］有較多的研究，但對源頭河流的研究相對較少。古夫河作為香溪河一級支流，其水質變化將對該河流乃至香溪河水域生態系統產生一系列的影響［12］。為此，本文對古夫河從源頭追蹤到庫灣分析其上覆水和表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布特征及其相關性，了解古夫河河流上覆水和表層沉積物中氮、磷營養鹽的狀況，以為古夫河水資源管理和保護提供科學、可靠的依據，并為分析香溪河水域近年生態變化、進一步開展源頭預防和控制水體富營養化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置

在古夫河干流上采用GPS定位，按海拔50m間隔共設置20個采樣點，從2010年8月至2011年6月（1月份由于冰凍封山未采樣）對此20個采樣點進行了頻度為每月一次的監測調查。本文根據數據的完整性、可靠性與可比性的需要選擇了具有代表性的采樣點進行分析，即選取了17個采樣點，詳見圖1。

圖1 古夫河流域采樣點布設圖Fig.1 Sample sites distribution of Gufu River

1.2 樣品采集與分析

（1）上覆水水樣的采集與處理：對于淺水河段水樣的采集，在深度允許的情況下，在水下30cm左右處取表層水樣；對于深水河段水樣的采集，使用采水器采集水下3～5m處水樣。選擇河流中間或者混合均勻且人為破壞小處采集水樣，并將采集的水樣存放在500mL容量的聚乙烯瓶中，現場加濃硫酸使水樣pH值小于2，帶回實驗室進行分析。水體中總氮含量采用堿性過硫酸鉀消解－紫外分光光度法（GB 11894—89）測定；水體中總磷含量采用過硫酸鉀消解－鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）測定。

（2）表層沉積物的采集與處理：用改良彼得生采泥器采集表層底泥樣品，裝入保鮮袋帶回實驗室分析。樣品經自然風干后去除動植物殘體及砂石等雜質，碾碎過100目篩，裝入聚乙烯封口袋備用。采用萬分之一精度的電子稱稱取沉積物。表層沉積物中總氮采用堿性過硫酸鉀消解后取上清液，采用紫外分光光度法［13］測定其含量；表層沉積物中總磷的提取參照《湖泊富營養化調查規范》［14］中方法，采用鉬銻抗分光光度法測定其含量。

1.3 數據處理

采用Excel對上覆水和表層沉積物中的總氮和總磷含量空間分布進行統計分析；使用SPSS19.0統計軟件對上覆水中氮、磷含量與表層沉積物中氮、磷含量進行相關性分析。

2 結果與討論

古夫河是一條典型的山區河流，流域大部分區域處于崇山峻嶺中，古夫河下游臨近古夫鎮流域興建有水庫、水電站等水利設施，不僅明顯改變了河流的水文狀況，也破壞了河流的連續性和生態系統的完整性。根據古夫河在不同空間的水質特點，將該河流劃分為古夫—神農架河段（GF01～GF13樣點）和古夫—庫灣河段（GF14～GF18樣點）兩部分，以此來對比分析人為活動影響下古夫河上覆水和表層沉積物中氮、磷營養元素含量的空間變化特征。

2.1 古夫河上覆水中總氮和總磷含量的空間分布

圖2為古夫河上覆水中總氮和總磷含量的空間分布圖。

由圖2（a）可以看出：古夫河上覆水中總氮的含量變化范圍為0.721～1.435mg/L，平均值為1.137 mg/L；上覆水中總氮含量年均值從源頭向下游總體呈現先遞減后增加的趨勢，不同樣點空間分布差異較顯著，其中源頭GF01樣點總氮含量最高（1.435 mg/L），最小值出現在 GF12樣點（0.721mg/L）。分析原因認為，古夫河流經森林、耕地、水庫和城鎮，根據相關研究表明［15—16］，森林河流中含氮量要低于農田、村鎮，而本研究與之相反，說明水體中的氮與所處區域的自然環境條件有著很大的關系。GF01樣點處于河流源頭處的陡峭山體，雨水形成的地表徑流沖刷強度大，降雨淋溶形成的徑流攜帶富含營養的土壤和巖石碎屑進入河流，使水體中總氮含量增高；此外，森林地區富含養分的土壤隨降雨形成的地表徑流進入河流也將使水體中的總氮含量增加。富含氮的水流沿河向下，隨著支流的匯入，匯水面積增加水量增多，水體中的氮通過稀釋、水生生物利用等自凈作用，使下游水體中的總氮含量降低，如GF12（支流匯入）、GF13（水勢較緩）點位明顯低于其他各樣點，這種突變性可能受河道所處地勢較緩和支流的匯入影響。在古夫—庫灣河段，水庫蓄水淹沒的耕地中殘留化肥的釋放，以及庫區內土質疏松，降雨時水力沖蝕作用強烈，極易發生水土流失，致使河水中總氮含量增高，而GF15樣點出現的低值是否與古洞口引水式水電站蓄水放水有關，尚待進一步研究。GF18樣點位于古洞口二級水庫減水河段區，緊靠古夫鎮（興山縣城）下游，人類生產生活活動頻繁，產生較多的農業污水和生產廢水，水體中總氮含量較高可能受人為污染的影響較大。

圖2 古夫河上覆水中總氮和總磷含量的空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus in overlying water in Gufu River

由圖2（b）可以看出：古夫河上覆水中總磷的含量變化范圍為0.013～0.076mg/L，平均值為0.030 mg/L；上覆水中總磷含量空間分布在古夫—神農架河段差異較大：在GF01～GF09河段內的總磷含量變化并不顯著，且處于較低含量（年均值約為0.016 mg/L），但在GF10～GF11樣點處異常突起，然后呈遞減趨勢，最小值出現在GF13樣點（0.014mg/L）。水體中總磷含量在GF10、GF11樣點偏高的原因可能是源于點源污染，GF10樣點附近是上游磷礦運輸檢測站點，GF11樣點左岸有磷礦堆放點，雨水的沖刷作用導致河水總磷含量偏高，但經河流自凈和稀釋作用后，到GF13樣點處，恢復到上游較低水平。在古夫—庫灣河段，由于水庫的攔截作用使水體交換受阻，對磷的擴散和自凈能力大大降低；此外，臨近城鎮居民增多，生活生產和農業活動逐漸頻繁，總磷含量均值升高，與古夫—庫灣河段總氮的變化趨勢類似。大量的研究表明，當水體中磷的供應量充足時，藻類可以得到充分的繁殖；反之，如果磷的供應量受到限制，藻類的生產量隨之受到限制［17］。目前，國際上一般認為，磷濃度為0.02mg/L是湖泊水庫富營養化的臨界濃度［18］。由圖2可以看出，古夫河下游上覆水GF10～GF12、GF14、GF18樣點總磷含量超過了富營養化的臨界值。可見，古夫河下游上覆水中的磷具有一定的生態風險效應，在不利影響顯現出來之前，相關部門應給予足夠的重視。

2.2 古夫河表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布

圖3為古夫河表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布圖。

由圖3（a）可以看出：古夫河表層沉積物中總氮含量變化范圍為0.255～1.703mg/g，平均值為0.927mg/g；表層沉積物中總氮含量空間分布差異顯著，在古夫—神農架河段，從源頭GF01～GF05樣點總氮含量年均值呈現先增加后減少的趨勢，下游無明顯的變化規律，在GF10和GF13樣點出現兩次低谷（分別為0.255mg/g和0.259mg/g），后再呈遞增趨勢。在古夫—庫灣河段，水庫區域內水體相對穩定、沉積率較高，沉積物中物質受上層水中懸浮顆粒物含量以及沉積過程影響［19］，總氮含量偏高。GF15樣點受上游引水式水電站取水影響，水文特征變化較大，水動力的擾動削弱了氮的沉積作用。GF18樣點位于古洞口二級水庫減水河段區，緊靠古夫鎮下游，所處區域土地利用程度較高，水土流失攜帶較多氮營養鹽進入河流，使沉積物中總氮含量在GF18樣點達到峰值（1.703mg/g）。

圖3 古夫河表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus in sediments in Gufu River

由圖3（b）可以看出：古夫河表層沉積物中總磷含量變化范圍為0.132～0.366mg/g，平均值為0.245mg/g；整條河流表層沉積物中總磷含量總體變幅不大，無明顯的變化規律；表層沉積物中總磷含量最高值位于GF05樣點（0.366mg/g），可能是局部河岸帶侵蝕強烈所致；表層沉積物中總磷含量最低值出現在GF15A樣點，是由于古夫—神農架河段居民分散，生產和生活產生的廢水有限，人為活動對古夫河表層沉積物中磷的貢獻較小。本文推測表層沉積物中的磷主要是內源性磷，這與古夫河流域地貌類型為巖溶地貌、地層巖性以碳酸鹽分布廣泛、磷礦資源豐富等有關：早期成巖作用過程中形成的天然磷塊巖風化產生的固體碎片經物理、化學和生物過程綜合作用后形成沉積物沉積在河道中。但沉積物中磷的積累和分布隨著沉積環境的變化而發生變化［19］，影響沉積物中磷含量的因素還有：有機質的含量與類型，沉積物及底層水的氧化還原環境，沉積物類型，Ca、Al、Fe在沉積物及底層水中的含量，沉積物有機質的礦化度［20］。在古夫—庫灣河段，當受到的人為干擾增多、環境條件的變化時，如溫度、pH值、水動力條件等物理化學條件的改變，可能使沉積物中不同形態的磷容易釋放進入水體［21］。

2.3 上覆水中氮磷含量與表層沉積物中氮磷含量的相關性分析

沉積物在氮、磷等營養元素的生物地球化學循環中扮演著重要角色：不僅接納上覆水體中的氮、磷，而且在一定條件下，沉積物中大量的氮、磷等營養物質在濃度梯度的作用下釋放到上覆水體中［22］。古夫河干流各個采樣點上覆水中總氮和總磷含量（W上覆水TN、W上覆水TP）與其對應的表層沉積物中總氮和總磷含量（ρ表層TN、ρ表層TP）列于表1。

表1 古夫河上覆水和表層沉積物中總氮和總磷含量Table 1 Concentrations of total nitrogen and total phosphorus in overlying water and surface sediments in Gufu River

在上游古夫—神農架河段，上覆水中的總氮含量分布與表層沉積物中截然不同，各采樣點上覆水中總氮含量的高低并不與對應的表層沉積物中總氮含量高低相對應；而在下游古夫—庫灣河段，上覆水中與表層沉積物中的總氮動態變化趨勢則大體一致。通過對古夫河17個采樣點的上覆水中總氮含量與表層沉積物中總氮含量進行相關系數顯著性檢驗，結果表明：古夫河上游古夫—神農架河段上覆水中總氮含量與表層沉積物中總氮含量無相關性，而在下游古夫—庫灣河段上覆水中總氮含量與表層沉積物中總氮含量成顯著正相關（y＝2.466x－1.296，p＝0.014＜0.05）。分析原因認為：古夫河屬于高山源頭河流，天然河流的流動性影響上覆水中懸浮顆粒物質的沉積，使得上覆水中的營養物質含量不會在短期內影響到表層沉積物［3］；下游水庫蓄水期土地被淹沒，農業生產中使用的農藥化肥的殘留物質隨土壤匯入河道，水庫改變了河流自然流態，水庫化后的河流水流緩慢，水動力條件差，水體穩定，沉積率較高，使表層沉積物富集了大量營養物質。表層沉積物和上覆水間的總氮存在著一個明顯的濃度梯度，兩者間氮的平衡和轉化主要是通過發生在沉積物－水體界面的硝化和反硝化作用進行調節的［23］，氮營養鹽含量低的上覆水體有利于沉積物中氮特別是氨氮的釋放［24］。

氮在沉積物－水體界面的遷移和交換是一個復雜的生物化學過程，沉積物和水體中各種形態氮的含量會受到多方面條件的影響［25］，如溫度和氧化還原條件引起的各種形態氮素之間的相互轉化，水動力變化引起的沉積和再懸浮過程導致的氮素累積和釋放［26］。因此，古夫河下游河段小水庫以及居民人口排入的污水，帶來的水體pH值、溶解氧、溫度等因素的改變，從而引起下游河段沉積物中氮的釋放規律對上覆水的影響值得關注。

沉積物磷作為水體磷的儲存庫和重要磷源，在水體環境中起著重要作用。對古夫河流域上覆水中總磷含量與表層沉積物總磷含量進行相關系數顯著性檢驗，結果表明：古夫河上覆水中總磷含量與表層沉積物總磷含量無相關性，說明磷在沉積物－水體界面的遷移較小，古夫河上覆水中的總磷可能是由小水電站建設、磷礦資源、生產生活中磷的流失和農田磷徑流帶來的；表層沉積物中總磷含量較高與其所處的地理位置的自然環境有關，外源磷的輸入并不是古夫河表層沉積物中磷的主要來源。此外，本課題其他研究表明，沉積物磷形態中鈣磷（Ca－P）和閉蓄態磷（O－P）在沉積物總磷中占有很大比例，沉積物中生物有效性磷的含量低，說明僅有很少一部分沉積物磷可能被生物體利用，進而說明磷的釋放風險較小（待發表）。鑒于古夫河上覆水水質和表層沉積物中生物有效性磷的現狀可知，影響古夫河水體富營養化的主要因素為水體中外源磷的輸入，而前面的研究表明，人為影響產生的外源磷對古夫河表層沉積物中磷的貢獻較小，因此可以認為就目前來說古夫河表層沉積物對其上覆水體的富營養化沒有構成威脅。

但是值得注意的是，當外源磷輸入量過多會導致水體的富營養化，而人為干擾過多可能會導致古夫河水體的水質發生變化，從原來的堿性變成酸性，使占據大部分沉積物磷的鈣磷很有可能釋放到水體中，將對上覆水體的富營養化構成很大的威脅。由于水域生態系統具有復雜性，因此對于古夫河水質的保護亟需管理部門采取相應的保護措施，一方面要加強管理，減少人為活動產生的磷污染物進入水體，控制外源磷的輸入；另一方面要考慮環境酸化引起的磷釋放風險，預防水體的酸化，控制沉積物中鈣磷的釋放。

3 結 論

（1）古夫河上覆水中總氮含量變化范圍為0.721～1.435mg/L，平均值為1.137mg/L，不同樣點空間分布差異較顯著；表層沉積物中總氮含量變化范圍為0.255～1.703mg/g，平均值為0.927 mg/g。總體上，在古夫河上游古夫—神農架河段，上覆水中總氮含量與表層沉積物總氮含量無相關性，而在下游古夫—庫灣段，上覆水中總氮含量與表層沉積物總氮含量成顯著正相關（y＝2.466x－1.296，p＝0.014＜0.05）。

（2）古夫河上覆水中總磷的含量變化范圍為0.013～0.076mg/L，平均值為0.030mg/L；表層沉積物中總磷的含量變化范圍為0.132～0.366 mg/g，平均值為0.245mg/g。古夫河上覆水中總磷含量與表層沉積物中總磷含量無相關性，說明磷在沉積物－水體界面的遷移較小，磷的釋放風險較小，但仍需加強環境管理，警惕缺氧條件下酸性物質積累造成沉積物中鈣磷的溶解釋放。

（3）通過本文研究得出，古夫河上、下游氮、磷含量存在顯著的變化差異，因此在日后的水資源開發利用中，管理者和開發者應重視外源輸入氮、磷的生態風險效應，加強對古夫河流域的農田管理，降低水土流失，同時在庫灣河段加強城鎮生產生活污水的有效處理，防止污水直接排入古夫河中，此外還要防止因磷礦開采可能引起的水質污染和水土流失，以便對河流環境開展科學有效的管理。

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