淺水湖泊沉積物-水界面可交換態(tài)氮賦存特征

燕文明,黃 列,,劉 凌,吳挺峰,王 汗,

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,江蘇南京210098；2.南京地理與湖泊研究所,江蘇南京210008)

淺水湖泊沉積物-水界面可交換態(tài)氮賦存特征

燕文明1,黃 列1,2,劉 凌1,吳挺峰2,王 汗1,2

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,江蘇南京210098；2.南京地理與湖泊研究所,江蘇南京210008)

以可交換態(tài)氮(EN)為主的負(fù)荷是湖泊水質(zhì)的決定參數(shù)之一。以里下河地區(qū)受到不同人類活動(dòng)方式影響的九龍口、大縱湖、蜈蚣湖和得勝湖4個(gè)淺水湖泊為研究對(duì)象,通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣與實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法,分析其沉積物-水界面中總氮(TN)和EN的分布特征。結(jié)果表明,EN的分布受人類活動(dòng)方式影響明顯；沉積物中的生物和微生物活動(dòng)頻繁,上覆水、間隙水和沉積物中的EN含量較低。另外,沉積物-水界面處的氧化還原條件對(duì)表層沉積物中EN的分布也有影響。

賦存特征；可交換態(tài)氮(EN)；沉積物-水界面；淺水湖

淺水湖泊是沉積物-水-生物等多介質(zhì)相互作用的典型生態(tài)系統(tǒng),具有水淺面闊、易受人類活動(dòng)影響、易污染等特點(diǎn)。近年來,富營養(yǎng)化已成為淺水湖泊嚴(yán)重的水環(huán)境問題之一。據(jù)研究報(bào)道,氮不僅是水體初級(jí)生產(chǎn)力和食物鏈重要的生源要素,也是控制湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵營養(yǎng)鹽之一[1]。在外源受到控制的情況下,沉積物中氮素以上覆水與間隙水為介質(zhì)通過沉積物-水界面向湖泊水體釋放是決定淺水湖營養(yǎng)狀態(tài)的重要因素[2-3]。而沉積物中能直接釋放到上覆水的氮形態(tài)是有所選擇的,各形態(tài)氮含量及其占總氮(TN)的比例直接影響其在沉積物-水界面的釋放過程[4]。研究表明,沉積物中可交換態(tài)氮(EN)是最易釋放到水體中的氮形態(tài),其含量在沉積物-水界面氮交換過程中起著重要作用[5]。因此,研究EN在沉積物-水界面的賦存特征和分布規(guī)律對(duì)湖泊富營養(yǎng)化的治理和控制有著積極作用。

表1 四個(gè)典型湖泊基本情況

表2 采樣點(diǎn)位基本情況

里下河地區(qū)地處淮河流域,區(qū)內(nèi)湖泊湖蕩眾多,湖泊生態(tài)環(huán)境復(fù)雜。由于近年來人類活動(dòng)干擾的加劇,湖泊水環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞[6]。本文選擇該區(qū)內(nèi)4個(gè)典型淺水湖泊為研究對(duì)象,通過實(shí)地采樣、實(shí)驗(yàn)分析,進(jìn)一步研究不同人類活動(dòng)影響下淺水湖泊沉積物-水界面間EN垂向分布特征,探究上覆水、間隙水以及沉積物中各形態(tài)氮素的含量及分布規(guī)律,以期為淺水湖泊氮素污染控制和富營養(yǎng)化的治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于淮河中下游的里下河腹部區(qū),區(qū)內(nèi)溝、河、湖蕩縱橫,水網(wǎng)交錯(cuò)。受到人類活動(dòng)的影響,近年來里下河地區(qū)的湖蕩面積和水環(huán)境特征變化巨大。本研究選擇該區(qū)域內(nèi)的蜈蚣湖、得勝湖、九龍口和大縱湖4個(gè)典型淺水湖泊為研究對(duì)象,研究不同人類活動(dòng)影響方式下淺水湖泊沉積物-水界面中的磷素賦存特征及垂向分布規(guī)律。四個(gè)湖泊的基本情況描述詳見表1。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

本文在4個(gè)淺水湖泊中設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn),采集上覆水和沉積物柱狀樣。8個(gè)采樣點(diǎn)的具體情況見表2。

1.3 樣品采集與處理

用有機(jī)玻璃采水器(ETC-1A)采集水面下0.5 m深處的水樣,0～4 ℃保存,在48 h內(nèi)完成相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。間隙水使用原位底泥重力采樣器(Rigo,Φ=9.0 cm)采集約20 cm深度的沉積物柱狀樣,分層后保存在便攜式冰箱中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。用高速離心機(jī)(DZ6005- 49A, Beckman Coulter, USA) 6 000 r/min常溫下離心20 min,得到沉積物間隙水。沉積物的采集方法與間隙水離心前的方法相同。沉積物樣放入-80 ℃超低溫冰箱(DW-HL388,中國,中科美菱)預(yù)冷3 h后,置于凍干機(jī)(ALPHA 1-2,德國CHRIST)中凍干,碾磨過100目篩,4 ℃保存。

實(shí)驗(yàn)室水樣指標(biāo)的測(cè)定方法主要參照國家環(huán)保局編寫的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[7]。沉積物樣品的分析方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[8]。具體方法見表3。

表3 樣品指標(biāo)測(cè)定方法

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水TN、EN分布特征

表4 上覆水中的TN和EN的含量 mg/L

圖1 間隙水分布特征

2.2 間隙水TN、EN垂向分布特征

沉積物孔隙水所含的N能夠在濃度梯度的作用下通過擴(kuò)散作用或者風(fēng)浪擾動(dòng)產(chǎn)生懸浮,直接和上覆水進(jìn)行物質(zhì)交換,故而間隙水中的物質(zhì)賦存和含量變化對(duì)上覆水體具有重要影響。本研究中沉積物間隙水中各形態(tài)N垂向分布特征如圖1所示。

從圖1可看出,總體上九龍口處3個(gè)采樣點(diǎn)間隙水中的TN隨深度增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。以JLK4處最為明顯,該點(diǎn)間隙水TN較高,轉(zhuǎn)折點(diǎn)在3 cm處,且表層沉積物間隙水中TN明顯高于其他采樣點(diǎn)。WG和DZ的8 cm到20 cm沉積物間隙水中TN的分布特征呈現(xiàn)幅度較大的鋸齒狀變化,隨深度的加深先增加而后呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)趨勢(shì)。DS、DZ5的TN分布隨著深度增加,DZ5采樣點(diǎn)0～3 cm增加較快,3 cm往下緩慢增加,在18 cm處突然減少。DS則從8 cm往下呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。DZ5處于大縱湖的湖心區(qū),水生植被較為旺盛,死亡后腐爛沉積于湖底,加上養(yǎng)殖污染等因素,沉積物中TN很高,由于濃度差的存在,部分TN釋放到間隙水中導(dǎo)致間隙水濃度增大。

圖2 湖泊沉積物垂向分布示意

2.3 沉積物TN、EN垂向分布特征

沉積物是水體內(nèi)源負(fù)荷的重要來源。TN含量可反映沉積物營養(yǎng)水平；EN是湖泊沉積物N中最為活躍的部分。由圖2可知,里下河地區(qū)的4個(gè)淺水湖泊,8個(gè)采樣點(diǎn)的表層20 cm以上TN含量變化在139.8～4 623 mg/kg之間,平均為1 494.3 mg/kg,其中,DZ3采樣點(diǎn)表層0.5 cm處的沉積物中TN含量最高,DS采樣點(diǎn)3 cm處沉積物中的TN含量最低。四個(gè)湖泊采樣點(diǎn)沉積物中的EN的垂向分布表現(xiàn)各異。

受湖區(qū)環(huán)境不同,各湖采樣點(diǎn)TN分布表現(xiàn)不一。蜈蚣湖和大縱湖表層2 cm以上的沉積物中TN明顯高于其他4個(gè)采樣點(diǎn),可能是由于大型水生植物死亡殘?bào)w的多年聚集；而DS表層7 cm以上沉積物中的TN較低,從8 cm開始增加,而后隨深度增加變化緩慢；DZ5表層7 cm以上沉積物中的TN含量較大,8 cm以下基本上呈現(xiàn)隨深度增加而緩慢降低的趨勢(shì)。WG、DZ則是隨深度的加深先增加而后呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)趨勢(shì)。DS則從8 cm往下呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。九龍口3個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中的TN較低,是因?yàn)槌练e物N的主要蓄積層位主要位于沉積物的表層,而該處表層底泥剛經(jīng)過疏浚。

3 結(jié) 論

通過對(duì)里下河地區(qū)的九龍口、大縱湖、蜈蚣湖和得勝湖4個(gè)受到不同方式人類活動(dòng)影響的淺水湖泊沉積物-水界面可交換態(tài)氮的分布特征進(jìn)行研究分析,可得出如下結(jié)論:

[1]王少梅. 武漢東湖沉積物中氮和磷釋放試驗(yàn)[J]. 水生生物學(xué)報(bào), 1991(4)： 379- 380．

[2]姜霞, 鐘立香, 王書航, 等. 巢湖水華暴發(fā)期水-沉積物界面溶解性氮形態(tài)的變化[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009, 29(11)： 1158- 1163．

[3]FELLMAN J B, D’AMORE D V. Nitrogen and phosphorus mineralization in three wetland types in southeast Alaska, USA[J]. Wetlands, 2007, 27(1)： 44- 53．

[4]ATHITHAN S, RAMANATHAN N, RAMADHAS V. Chemical speciation of sedimentary nitrogen and phosphorous in integrated fish/pig farming system[J]. Indian Journal of Fisheries, 2009, 56(2)： 107- 114．

[5]王書航, 姜霞, 鐘立香,等. 巢湖沉積物不同形態(tài)氮季節(jié)性賦存特征[J]. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(4)： 946- 953．

[6]錢明海, 張有松, 黎靜. 里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩保護(hù)與管理思路探索[J]. 江蘇水利, 2011(8)： 31- 31．

[7]國家環(huán)境保護(hù)總局編. 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)[M]. 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002．

[8]魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000．

[9]吳文成, 任露陸. 珠江廣州段上覆水及間隙水中氮的分布特征[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2013(7)： 39- 43．

[10]高效江, 張念禮, 陳振樓, 等. 上海濱岸潮灘水沉積物中無機(jī)氮的季節(jié)性變化[J]. 地理學(xué)報(bào), 2002(04)： 407- 412．

[11]LIVINGSTONE M W, SMITH R V, LAUGHLIN R J. A spatial study of denitrification potential of sediments in Belfast and Strangford Loughs and its significance[J]. Science of the Total Environment, 2000, 251: 369- 380．

(責(zé)任編輯 陳 萍)

溧陽抽水蓄能電站第3臺(tái)機(jī)組順利投產(chǎn)發(fā)電

2017年4月5日，由中國水利水電第五工程局有限公司承建的江蘇溧陽抽水蓄能電站第3臺(tái)(4號(hào))機(jī)組一次性順利通過15天考核試運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)行。4號(hào)機(jī)組的順利投產(chǎn)發(fā)電是繼1月9日首臺(tái)(6號(hào))機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電和2月25日5號(hào)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電實(shí)現(xiàn)的的又一重大節(jié)點(diǎn)目標(biāo)。

江蘇溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省溧陽市，由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫及地面開關(guān)站等建筑物組成，電站安裝6臺(tái)單機(jī)容量25萬kW的可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量150萬kW，是江蘇省迄今為止規(guī)模最大的抽水蓄能電站工程，被列入國家首批拉動(dòng)內(nèi)需項(xiàng)目。水電五局承建了全部6臺(tái)機(jī)組安裝、上下庫及尾閘室的金屬結(jié)構(gòu)安裝，上水庫庫盆等施工任務(wù)。

4號(hào)機(jī)組自春節(jié)期間開始分部工程調(diào)試，項(xiàng)目部精心組織、精細(xì)調(diào)試。在15天考核試運(yùn)行期間，機(jī)組共開機(jī)36次，每天啟動(dòng)次數(shù)不少于2次。其中：發(fā)電工況啟動(dòng)21次，成功21次，啟動(dòng)成功率均為100%；水泵工況啟動(dòng)15次，成功15次，啟動(dòng)成功率為100%。

通過前面2臺(tái)機(jī)組的調(diào)試和試運(yùn)行，4號(hào)機(jī)組調(diào)試工期較首臺(tái)(6號(hào))和5號(hào)機(jī)組分別縮短了10天和7天，機(jī)組各導(dǎo)軸瓦處擺度均小于100 μm，機(jī)組振動(dòng)均小于20 μm，導(dǎo)軸瓦之間的相互溫差小于7 ℃。機(jī)組安全、穩(wěn)定、可靠地完成了試運(yùn)行，得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及設(shè)備廠家的一致好評(píng)。

溧陽抽水蓄能電站3號(hào)機(jī)組目前已完成抽水及發(fā)電試運(yùn)行，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組于3月29日通過質(zhì)量監(jiān)督總站的檢查驗(yàn)收具備啟動(dòng)條件，上水庫在3月30日達(dá)到正常蓄水位，為順利完成后續(xù)機(jī)組的調(diào)試發(fā)電任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“一年六投”的重大節(jié)點(diǎn)目標(biāo)創(chuàng)造了條件，也為水電五局市場(chǎng)開發(fā)樹立了良好的品牌形象。

(郝盟盟)

Characteristics of Exchangeable Nitrogen Occurrence in Sediment-water Interface of Shallow Lakes

YAN Wenming1, HUANG Lie1,2, LIU Ling1, WU Tingfeng2, WANG Han1,2
(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China; 2. Nanjing Institute of Geography & Limnology, Nanjing 210008, Jiangsu, China)

The Nitrogen load, which is mainly composed of exchangeable nitrogen, is one of the determinants of lake water quality. Four shallow lakes of Jiulong Kou, Dazong Lake, Wugong Lake and Desheng Lake, which are affected by different human activities in Lixiahe area, are selected as study objects, the distribution characteristics of total nitrogen and exchangeable nitrogen in sediment-water interface are analyzed by field investigation and experiment. The results show that, (a) the distribution of exchangeable nitrogen is significantly affected by human activities; and (b) as the biological and microbial activities in sediments are frequent, the content of exchangeable nitrogen in overlying water, interstitial water and sediments are low. In addition, the redox conditions at sediment-water interface also influence the distribution of exchangeable nitrogen in surface sediments．

occurrence characteristic; exchangeable nitrogen; interface of sediment and water; shallow lake

2016- 10- 14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41301531；41471021)

燕文明(1982—),女,江蘇沛縣人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,博士,主要從事環(huán)境水文及水環(huán)境保護(hù)研究；吳挺峰(通訊作者)．

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A

0559- 9342(2017)05- 0005- 05