武漢市菱角湖沉積物中營養(yǎng)元素的分布特征

吳來燕，薛懷軍，何文豪，杜小康，黃樂琦，楊安平

(1 中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 武漢 430074； 2 湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站 中心分析室 武漢 430072)

武漢市菱角湖沉積物中營養(yǎng)元素的分布特征

吳來燕1，薛懷軍1，何文豪1，杜小康1，黃樂琦1，楊安平2，*

(1 中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 武漢 430074； 2 湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站 中心分析室 武漢 430072)

研究了武漢菱角湖沉積物中N、P元素的水平和垂向分布特征，采集并分析了3個深達(dá)0.5～1.0 m的沉積柱.結(jié)果表明：全湖沉積物中平均P含量為(0.76±0.23)～(1.32±0.35) g/kg.湖心點沉積物總氮含量最高，高達(dá)(10.96±0.83) g/kg，沿岸兩個點總磷含量分別為(8.34±0.12) g/kg和(9.26±1.21) g/kg. 在垂向呈階段性變化，N、P呈現(xiàn)階段性變化，垂向分布上40 cm以內(nèi)的中表層沉積物的營養(yǎng)元素含量高于穩(wěn)定層，但表層含量(0～20 cm)反而低于中層(20～40 cm).說明對營養(yǎng)元素的外源控制達(dá)到了一定效果，沉積物中氮磷元素均有所降低，但沉積物中的高含量的N、P元素仍是湖泊的主要來源.

菱角湖； 沉積物；氮磷；垂直分布

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動排放的大量營養(yǎng)元素，導(dǎo)致嚴(yán)重的湖泊富營養(yǎng)化.已有的研究指出，N、P元素元素是限制湖泊浮游植物生長主要因素[1].而沉積物是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的主要內(nèi)源負(fù)荷[2,3].其存儲的N、P易因分解或解析作用等過程釋放，從而加重水體營養(yǎng)化程度[4,5].通過研究沉積物中營養(yǎng)元素的分布對湖泊的富營養(yǎng)化評價和治理具有重要意義.

菱角湖生態(tài)公園占地9.15萬m2，以天然水、周邊湖泊等水系補(bǔ)充水源.20世紀(jì)90年代以來，居民生產(chǎn)和城市建設(shè)對菱角湖自然來水產(chǎn)生重大影響，菱角湖水體的自凈能力基本被破壞，水質(zhì)連年逐年惡化直至劣5類.隨著市政府倡導(dǎo)的“一湖一景”工程實施，治理后2008年水質(zhì)有所提升.本文調(diào)查了外源截污后沉積物中N、P的現(xiàn)狀，以期為進(jìn)一步的降低內(nèi)源負(fù)荷提供理論數(shù)據(jù).

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

鹽酸、氫氧化鈉、鉬酸鹽、抗壞血酸(分析純, 國藥集團(tuán))，精密pH計(PHS-3C型, 上海雷磁儀器廠)，元素分析儀(Vario EL III, 德國 ELEMENTAR公司)，分析天平(FA-2004型, 上海精科天平).

1.2 樣品采集

為研究沉積物N、P元素的水平及垂直分布特征，從南至北采集3個50～100 cm的沉積柱，按每隔5 cm (0～50 cm)和10 cm 分層(50～100 cm).樣品現(xiàn)場分層，實驗室冷凍干燥研磨、過篩備用.圖1為樣點布置圖.

圖1 菱角湖取樣點分布圖Fig.1 Distribution of Sampling sites in Lingjiao Lake

1.3 實驗方法

采用元素分析儀測定總氮，采用SMT法提取后通過鉬酸鹽分光光度法測定總磷.

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中氮磷元素的水平分布

菱角湖3個取樣點的N、P元素含量見表1，菱角湖沉積物中總磷含量為(0.76±0.23)～(1.32±0.35)g /kg .依次是北邊沿岸(1#)點，湖心點(2#)及南邊沿岸(3#)，菱角湖周邊以居民生活區(qū)和大型商業(yè)廣場為主，東接醫(yī)療機(jī)構(gòu).因此，磷元素的主要來源可能是生活用水.沉積物中氮的分布前者不同，湖心點高達(dá)(10.96±0.83) g/kg，最低值為(8.34±1.24) g/kg，相較于國內(nèi)其他湖泊[6-8]，菱角湖沉積物中氮元素較高.

表1 菱角湖沉積柱中的總P和總N含量

Tab.1 The content of total phosphorus and nitrogen in the sediments of Lingjiao Lake

采集位點w(P)/(g·kg-1)w(N)/(g·kg-1)1#1.32±0.358.34±0.122#1.04±0.4210.96±0.833#0.76±0.239.26±1.21

2.2 沉積物中氮磷元素的垂直分布

圖2為沉積物中磷含量的垂直分布情況.沉積柱的總磷含量分布在0.43～1.85 g/ kg之間，且呈階梯型， P含量較高的是0～40 cm層，即活動層，該沉積層是水體營養(yǎng)元素的主要內(nèi)源貢獻(xiàn)者.表層(0～20 cm),尤其是10 cm以內(nèi)的淺表層沉積物的P含量顯著低于中層(20～40cm)沉積物，N元素的分布較P為平緩，淺表層略低，約在10～15 cm沉積物中達(dá)到最高值，但所有樣品均高于6.32 g /kg. 以一般湖泊的沉積速率<1 cm/a計算，這種分布趨勢可能與外源截污治理有一定關(guān)系，表層N、P元素的沉降有所緩解導(dǎo)致含量其低于中深層沉積物.

總體而言，菱角湖沉積物營養(yǎng)元素(N、P)含量偏高，表層(0～20 cm)總P含量高于1.04 g/kg，總N含量超過在9.79 g/kg.在垂直分布有一定特征，N含量在約10～15cm的沉積物中最高，在中底層(20 cm以下)的沉積物中，N水平隨深度增加而降低.P可能由于外源減少，表層含量反而低于中層，40 cm以內(nèi)的表層沉積物的營養(yǎng)元素含量略高于40 cm以下的穩(wěn)定層，P的降低率明顯高于N元素，這受湖泊中N、P元素循環(huán)影響[9]，水中氮可通過固定大氣中氮分子得到補(bǔ)充[10]，部分N可能會進(jìn)入沉積物，導(dǎo)致表層N含量仍較高.由于P會經(jīng)地球化學(xué)循環(huán)而沉積[10]，外源截污后，表層沉積物中磷水平明顯降低.而在水平方向上，由于受湖泊沉積物形成的周邊環(huán)境和動力學(xué)影響，湖心點的N含量高于沿岸兩個點.菱角湖周邊以居民生活區(qū)和商業(yè)區(qū)為主，且受其他水系影響較小，水文動力學(xué)變化較弱.由于人為影響導(dǎo)致毗鄰生活居民區(qū)的1#點位磷含量較高.

湖泊沉積物是水體中污染物的“匯”和“源”，作為水體營養(yǎng)化的重要指標(biāo)，沉積物中N、P元素的釋放是影響水體狀態(tài)的重要因素.已有的研究發(fā)現(xiàn)[11]，沉積物中的結(jié)合態(tài)的N、P可通過各種物化及生物作用釋放，也可與有機(jī)質(zhì)、鐵等多種礦物質(zhì)結(jié)合而沉降. 沉積物中營養(yǎng)元素的釋放，促進(jìn)水體中藻類的繁殖，并進(jìn)一步加劇水體富營養(yǎng)化的程度[12].因此，后期我們將進(jìn)一步探討沉積物中營養(yǎng)元素來源及其主要影響因素，為了解沉積物中氮磷釋放和沉降規(guī)律提供背景.

圖2 菱角湖氮磷元素的垂直分布Fig.2 The vertical variations of total phosphorus and nitrogen in the sediments

3 結(jié)論

(1) 外源控制后菱角湖營養(yǎng)元素的水平分布屬于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，其N、P元素的含量與菱角湖周邊環(huán)境有關(guān).

(2) 沉積物中營養(yǎng)元素的垂向分布發(fā)現(xiàn)中表層沉積物中(0～40 cm)的N、P含量高于穩(wěn)定層，而中層(20～40 cm)高于淺表層(0～10 cm)的含量，說明湖泊截污治理對N、P的沉積有一定減緩效果.

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The Dstribution of Nitrogen and Posphorus in the Sediment of Lingjiaohu Lake in Wuhan

WuLaiyan1,XueHuaijun1,HeWenhao1,DuXiaokang1,HuangLeqi1,YangAnping2

(1 College of Chemistry and Material Science, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China;2 Department of Testing and Analysis, Hubei Provincial Environmental Monitoring Center Station, Wuhan 430072, China)

To investigate the spatial distribution of nitrogen(N) and phosphorus(P) in the sediments of Lingjiaohu Lake, three sedimentary columns up to 0.5～1.0m were acquired and analyzed. The results indicated that the average P contents was (0.76±0.23)～(1.32±0.35) g/kg. The total N content in the sediments of the middle of the lake was the highest, up to (10.96±0.83) g/kg ; while in two of the offshore sampling points, it was(8.34±0.12)g/kg and(9.26±1.21)g/kg respectively. The distribution of nutritive elements also varies vertically, the N, P content in the 0～ 40 cm surface layer was higher than that in the deeper section. However, the N,P content in the 0～20 cm surface region was lower than that in 20～40 cm the middle layer, suggesting that the measures for the control of nutritive elements in recent years have achieved some effect. The N, P content in the sediments have reduced, but are still in a high level and remain the major endogenous load of the lake.

Lingjiao lake , sediment, nitrogen and phosphorus, vertical distribution

2014-06-25 *通訊作者：楊安平(1981-)，男，工程師，研究方向：持久性有機(jī)污染物的分析和檢測， E-mail: anpingyang07@gmail.com

吳來燕(1983-)，女，講師，博士，研究方向：水體富營養(yǎng)化，E-mail：wulaiyan@163.com

國家自然科學(xué)青年基金資助項目(21307164); 中南民族大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助項目(KYCX140211, KYCX120208Z); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(CZQ11023)

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