春季潘家口水庫沉積物-水界面氮磷賦存特征及遷移通量

王洪偉,王少明,張 敏,胡曉康,湯夢瑤,楊凡艷,鐘繼承*

春季潘家口水庫沉積物-水界面氮磷賦存特征及遷移通量

王洪偉1,2,王少明3,張 敏1,2,胡曉康1,4,湯夢瑤1,2,楊凡艷1,鐘繼承1*

(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008；2.中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049；3.水利部海河水利委員會引灤工程管理局,河北 遷西 064309；4.安徽師范大學環境科學與工程學院,安徽 蕪湖 241000)

以春季潘家口水庫沉積物為研究對象,分析了水庫整體營養鹽污染現狀及內源釋放特征.通過高分辨率間隙水采樣器(HR-Peeper)獲得沉積物間隙水,以此分析營養鹽垂向分布特征及空間差異性;以原柱樣沉積物靜態釋放試驗獲取沉積物-水界面營養鹽遷移通量,并分析了潘家口水庫內源負荷特征.結果表明:庫區沉積物營養鹽釋放風險較高,TN、TP含量分別為3701.59～8221.28和756.28～1696.15mg/kg.通過C/N比確定2017年以前的網箱養殖殘留的飼料和魚糞是水體富營養化的主因.原柱樣靜態釋放結果表明,NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N、SRP交換通量分別為23.71～156.80,-7.37～-161.78,1.64～33.4和0.56～2.86mg/(m2·d),潘家口水庫內源負荷相對較高.該結果與水庫本身的高有機質及氮磷賦存量、生物分解耗氧及春季逐步提高的水溫有關,導致營養鹽加速釋放進入上覆水柱.潘家口水庫的內源負荷能夠加速水庫的富營養化進程,應采取措施控制潘家口水庫內源負荷.

潘家口水庫；沉積物-水界面；營養鹽；內源負荷；擴散通量

在湖庫生態系統中,沉積物作為污染物的內源,有著較為復雜的地化循環途徑,是營養鹽遷移轉化的重要介質:水體中氮磷等營養鹽通過河流及地表徑流等方式以溶解態及顆粒物態進入水體,最終沉積于底泥中.底泥中累積的高濃度氮磷也會在一定的物理、化學及生物過程作用下進入沉積物間隙水,并以間隙水為媒介,通過梯度擴散、生物擾動及再懸浮等過程重新進入水體[1-3].因此,沉積物既是外源污染物的“匯”,亦是水環境污染潛在“源”.

現階段,由于國內大量湖庫富營養化問題嚴重,沉積物內賦存高濃度營養鹽,使得內源氮磷釋放成為湖泊富營養化的主因[4-5].有研究表明,即使有效的控制了湖泊外源營養鹽輸入,沉積物內源依舊會導致嚴重的富營養化問題,帶來高危害的藻類爆發[6].其中,對于湖庫水體環境的高精度模擬,是評估界面間營養鹽遷移通量的基本要求.在這一過程中,沉積物內間隙水富集的高濃度營養鹽通過沉積物-水界面擴散進入上覆水,是沉積物營養鹽釋放的關鍵介質,其本身亦受沉積物結構、pH、離子濃度、水動力條件等影響[7-9].因此其內部營養鹽濃度垂向分布特征及界面通量是解釋湖泊污染過程的重要一環.

潘家口水庫是北方少見的梯級水庫,作為引灤入津水利工程的水源地,供水下游的大黑汀、于橋水庫,保障了唐山、天津兩市約2000萬人口的生產生活用水需求.近20年來,由于當地經濟發展的現實需求,其養殖業發展規模大、范圍廣、技術落后,水庫主體發展了大量污染嚴重的網箱養殖,由此導致了水庫底層魚食魚糞的嚴重堆積,近年來水體處于劣V類水平,富營養化問題逐步加重,對水源地的供水安全形成不可忽視的威脅[10].隨著全國性的網箱養殖治理工作的開展,潘家口水庫于2016年對水庫內的網箱養殖集中整治,到2017年5月份基本拆除了整個庫區的網箱,降低了養殖業帶來的營養鹽輸入風險.但沉積物中營養鹽釋放帶來的內源污染至今依然是水庫污染治理的核心問題之一.然而,潘家口水庫這類典型的深水水庫, 由于其泥水界面相對低溫、風浪擾動小、DO季節性變化大,使得沉積物的理化性質較淺水湖泊更為復雜,內部污染物的代謝降解更慢,污染的時間尺度更長,營養鹽釋放風險性也更大[11-13].現有的深水水庫沉積物污染及內源負荷的研究,主要聚焦于與上覆水充分接觸的表層沉積物[14];研究內源負荷及遷移過程常使用模型模擬,難以真實反映現實情況下營養鹽釋放的復雜過程[15].因此,本文利用原柱樣靜態釋放培養及高分辨率間隙水采樣技術,研究沉積物-水界面間營養鹽交換過程,并從機理角度分析界面間的理化過程,以了解深水水庫氮磷在沉積物-水界面的遷移過程及機制,為富營養化水庫內源負荷治理提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潘家口水庫(40°22'～40°35'N,118°13'～118°25'E)位于唐山市遷西縣與承德市寬城縣的交界處(圖1),屬暖溫帶半濕潤大陸型季風性氣候,是典型的山區水庫.水庫于1979年建成蓄水,承接上游灤河來水,壩上控制面積33700km2,總庫容29.3億立方米,占灤河流域75%面積,下游主庫區均深超過30米,壩口建有水電站,發電量15萬kW,為多年調節型水庫[16-17].水庫上游灤河與瀑河形成的匯流區附近基本為山區林地,有少量居民點,主要污染來源為養殖及生活污水排放.

圖1 潘家口水庫采樣點分布

1.2 樣品的采集與處理

考慮到春季是潘家口水庫夏季富營養化的過渡時期,對分析營養鹽釋放的規律、詮釋深水水庫底層營養鹽釋放有著重要意義.因此本研究于2020年5月進行沉積物及水樣采樣,自下游到上游布設8個采樣點.利用重力柱狀采樣器(直徑9cm、長50cm)采集沉積物原柱樣,每個點位采集3根沉積柱樣作平行,將采集的原柱樣用原位底層水樣緩注滿后以橡膠塞封口,防止運輸過程中的擾動對實驗結果造成影響.同時用抓斗式采泥器采集表層沉積物樣品,每個采樣點各采集3次,厚度約為10cm,將3次采集的表層沉積物混勻后保存.上覆水的水質理化指標通過多參數水質儀(YSI)測定,同時采集8L原位底層水樣用于靜態釋放培養及水質分析.采樣完成后將樣品快速運輸到位于潘家口水庫大壩附近的水利部海河水利委員會引灤工程管理局實驗室進行室內的培養及分析.

1.3 沉積物-水界面氮磷通量測定

采集的沉積物原柱樣運回實驗室后通過虹吸法排干上覆水,用醫用輸液管將過濾后的原位底層水樣沿壁緩慢無擾動地注入沉積物柱中,當上覆水高度達到20cm(1135mL)后停止.根據以往研究及實地采樣驗證,5月份潘家口水庫沉積物上覆水處于低溫好氧狀態,因此將沉積柱敞口轉移至恒溫低溫循環器(STIK,ILB-008-03)進行約5℃的低溫培養[18].在設定好的取樣間隔(0,12,24,36,48,60,72h)用50mL注射器連接輸液軟管從沉積物-水界面以上5cm處采集上覆水50mL,采集的水樣收集于50mL聚乙烯瓶中,及時放入4℃冰箱保存,采樣結束后立即用過濾后的原位水樣補充到20cm高度以保持培養過程中水量一致.釋放通量計算公式如下[13]:

式中:為釋放速度,mg/(m2·d);為培養柱樣中上覆水體積,L;C、0、C-1為第次、初始和-1次采樣時氮磷組分含量,mg/L;C為添加的原位水樣中氮磷組分含量,mg/L;為沉積物-水界面表面積,m2;為靜態釋放時間,d.用該方法得到的氮磷交換通量為培養3d內得到的平均交換通量.

1.4 高分辨率間隙水氮磷剖面測定

在上述的靜態釋放試驗結束后,把高分辨率透析式間隙水采樣器(HR-Peeper)[19]插入沉積物中獲取間隙水,其垂向分辨率可達4mm,可更精準的表征沉積物間隙水NH4+-N及SRP賦存特征.具體制作方法及原理詳見參考文獻[17].

1.5 樣品分析方法

將表層沉積物完全填滿20mL坩堝,經105℃烘干后稱重,計算出沉積物的含水率、容重及孔隙率.另取沉積物濕樣20g左右冷凍干燥,研磨后過100目篩,過篩后的沉積物樣品用于測定燒失量(LOI)、總氮(TN)、總磷(TP)、NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N及易交換態磷.沉積物燒失量(LOI)的測定是將研磨后的沉積樣品放入馬弗爐,在550℃條件下灼燒4h后,冷卻測定灼燒過程中的質量損失.沉積物總有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀-硫酸亞鐵滴定法測定.水樣及沉積物樣的TN、TP采用過硫酸鉀氧化法測定,沉積物樣品活性氮(NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N)采用2M KCl提取,沉積物樣品易交換態P使用1M NH4Cl于180r/min震蕩2h提取,4000r/min離心10min后過濾待測定.水樣及提取液中的氮和磷分別使用納氏試劑比色法,紫外分光光度法、重氮偶合分光光度法、鉬藍比色法測定.

1.6 數據處理與分析

應用Origin8.0和ArcGIS10.2軟件進行相關圖形的繪制,并應用Excel 365和SPSS 22.0軟件進行數據處理和統計分析.

2 結果

2.1 水柱及沉積物基本理化性質

如表1所示.潘家口水庫表層水體pH值范圍在8.60～8.80之間,均值為8.66,水體整體呈弱堿性.TN與h分別為4.09～4.31mg/L和12～77.2mV,濃度及氧化還原電位值在上游至下游有逐漸減小的趨勢,其中NO3－-N作為最主要的無機氮形態,占TN比重最高,占比為78.00%～78.67%, NH4+-N與NO2－-N范圍分別0.09～0.14 和0.01～0.04mg/L在溶解性無機氮(DIN)中占比及差異性較小,.而SRP自上游至下游有明顯的增大趨勢,濃度為0.002～0.03mg/L,占TP的比例為5.4%～75%.TP、DO空間差異不顯著.

如圖2所示,潘家口水庫表層沉積物TN含量為3701.59～8221.28mg/kg,均值4765.06mg/kg,從上游至下游含量逐漸增大.其中作為無機氮(DIN)的重要組分,NH4+-N含量在158.92～773.63mg/kg之間,均值318.05mg/kg,最高點出現在2號點位,整體上空間差異不大,NO3－-N含量在76.43～336.83mg/kg,均值218.21mg/kg,自上游至下游含量逐漸增大,NO2－-N濃度均小于1mg/L,在DIN中占比也小于1%,范圍為0.38～0.96mg/kg,均值0.58mg/kg,同樣是下游高于上游.三者組成的DIN含量為368.78～1093.54mg/kg,占TN比例為7.88%～19.26%.

水庫表層沉積物TP含量為756.28～1696.15mg/ kg,均值946.51mg/kg,位于下游壩前區域的1號點位,TP濃度顯著高于其他點位,其余點位濃度空間差異不大.易交換態磷(Labile-P)含量為0.92～ 9.18mg/kg,均值4.60mg/kg,占TP含量的0.11%～ 1.05%,表現出從上游灤河到下游壩前增加的趨勢,潘家口水庫春季沉積物C/N為17.9～37.3之間,均值25.2,水庫的C/N較高.

表1 上覆水基本理化指標

2.2 間隙水營養鹽分布特征

如圖3所示,在空間分布上,各點位之間營養鹽濃度存在顯著差異.在深度0～32mm,即上覆水中NH4+-N和SRP濃度差別不大,而在沉積物-水界面以下的沉積物中,除4號點的SRP外,兩種營養鹽均呈現顯著的增大趨勢,且濃度顯著高于上覆水.沉積物中的SRP在20mm左右達到峰值,隨后變化趨于穩定.相較于SRP,NH4+-N在整個84mm的沉積物剖面中,濃度穩步增大.在沉積物內,NH4+-N濃度范圍為0.38～2.2mg/L, SRP濃度范圍為0.10～0.95mg/L.在整體趨勢上,間隙水NH4+-N濃度呈現出點位4>2>7>5>6>8>3>1的特征,最高點出現在原圍網養殖區域的4號點.考慮到潘家口水庫2017年以前普遍存在的圍網養殖,而低溫環境不利于有機物降解,因此各點位間雖空間差異大,但無量級上的差距.SRP濃度則呈現出點位3>1>2>8> 7>6>5>4的特征,下游顯著高于上游.

2.3 沉積物-水界面氮磷遷移通量

整體上,除NO3－-N外,潘家口水庫沉積物-水界面NH4+-N,NO2－-N,SRP均為正通量(圖4),即沉積物中的營養鹽向上覆水體釋放.而NO3－-N在各個點位均表現為負通量,即上覆水向沉積物中遷移.沉積物-水界面NH4+-N釋放通量在23.71～156.80mg/ (m2·d)之間,下游顯著高于上游,這與表層沉積物NH4+-N含量趨勢相同,其中最高的通量出現在3號點.而8號點相較于上游其他點位NH4+-N通量更高,NO3－-N遷移通量在-7.37～-161.78mg/(m2·d)之間,3號點出現了NO3－-N的最高負通量,該點也是最高的NH4+-N通量.整體上NO2－-N負通量越高的點位,其NO3－-N的遷移通量越低.NO2－-N遷移速率在1.64～33.45mg/(m2·d)之間,其中3號點位最低,空間差異性不明顯,對DIN釋放通量貢獻很小.對于SRP的釋放通量,其范圍為0.56～2.86mg/(m2·d)之間.除6號點以外,整體上依舊是下游通量高于上游.

圖4 靜態釋放試驗中沉積物-水界面營養鹽通量

3 討論

3.1 水柱及沉積物營養鹽分布特征

水庫表層水柱中TN、TP、SRP、DIN濃度與間隙水間有著數量級上的差距,暗示著沉積物有著較高的營養鹽擴散潛力.同時,上覆水中營養鹽的濃度差異與沉積物中大體趨同,也體現出沉積物內營養鹽擴散對庫區整體水質的影響.水體中TN與NO3－-N濃度相較于其他水庫及天然湖泊偏高,是典型的富營養化水體,而TP及SRP濃度相較N較小,顯示出春季潘家口水庫富營養化問題的主因在于高濃度的N污染.

潘家口水庫屬于典型的深水水庫,相較于淺水水庫,風浪擾動作用小.同時,水庫為多年調節型,因此底泥再懸浮造成的污染風險相對較低.水庫的上游水源來自于灤河,水質相對較好[20].因此整個庫區最大的污染風險還是來自于沉積物內源.

對于水庫沉積物,沉積物C、N、P循環是營養鹽遷移轉化機制的核心.潘家口水庫內,相較其他富營養化水庫,TN含量相對較高(表2).同時沉積物無機氮含量占TN的比例為7.88%～19.26%,這表明有機氮占氮素的主導地位.這些有機氮的重要來源是水庫圍網養殖時期沉積于水庫底層的大量魚食魚糞帶來的高含量有機質.有機質在一定條件下能誘導微生物產生胞外酶,催化分解后產生DIN,參與微生物的化能合成作用,加劇水體富營養化[21].潘家口水庫TN與DIN含量顯著高于下游的大黑汀水庫[27],表明在營養鹽污染尺度上,水文及地形條件更為復雜的潘家口水庫污染程度較高.

水庫除1號點TP濃度顯著較高外,其余點位空間差異不大.其原因可能在于水庫電站運行調控等因素定期放水,另外再加上下游之間水力作用,導致底泥沖擊擾動后沉積于壩前區域,使得整體營養鹽含量偏高.沉積物中活性磷作為即時有效磷,通過吸附作用與沉積物顆粒結合[28],本身不穩定,易釋放進入上覆水,參與生物的代謝分解.采樣時發現,帶有大量魚糞和浮泥等有機質的沉積物含水率高,孔隙度大,表層理化性質與底層沉積物差別很大.研究表明,有機質含量對沉積物營養鹽通量影響很大,高濃度的有機質會改變沉積物-水界面的pH值、h與DO,影響磷的遷移轉化[29].

表2 國內湖庫沉積物營養鹽賦存量

有機碳與氮素的比值(C/N),常用來表征水體內有機質的來源[30].C/N較大,表示陸源有機物占優勢,C/N較小表示有機物的主要來源是水體內部[31].潘家口水庫春季C/N為17.9～37.3之間,均值25.2,水庫的C/N非常高,表示沉積物中有機質的主要組分來源于外源輸入,即養殖區域內飼料及魚糞的堆積降解.TOC含量及N污染程度自下游至上游整體呈遞減趨勢.其主要原因在于:①水庫本身自上游到下游,存在顯著的水力搬運過程,這在梯級水庫中尤為明顯[32].②潘家口水庫下游的主庫區,由于其水面較為寬闊,圍網養殖的密度更高,使得養殖過程中的飼料糞便堆積層更厚.

3.2 沉積物-水界面N遷移特征及機制

N、P作為營養鹽的核心組分,其地化循環過程差異性較大.對N而言,無機氮組分中的NH4+-N, NO3－-N與NO2－-N,以微生物為介導,在特定的物化條件下產生硝化、反硝化、氨化作用,彼此間相互轉化,整個過程復雜多變[33-34].相較于P,微生物作用對其遷移的影響更明顯.

潘家口水庫整體水深超過30m,沉積物-水界面處于低溫狀態.自4月中旬開始,水庫底部的滯溫層水溫緩慢升高,微生物活性得到增強,水體DO開始逐步下降,這也被看作夏季藻類爆發的初始階段[18].從間隙水NH4+-N剖面可知(圖3),上覆水與間隙水之間的NH4+-N含量存在著直觀的濃度梯度,且在整個84mm的沉積物剖面中,NH4+-N隨著沉積物的深度增加不斷增大.這一方面反映了營養鹽在沉積物-水界面遷移過程中,間隙水由于濃度梯度存在著遷移擴散的能力,是水柱營養鹽的來源之一;另一方面,沉積物內部NH4+-N濃度隨深度增加的特性,則是由于深層沉積物厭氧狀況不斷加深,導致好氧菌被抑制,厭氧菌占主導,深層沉積物中硝化作用減弱,反硝化及氨化作用增強,且厭氧環境有利于NH4+-N的積累,從而使得NH4+-N逐步升高[35-36].在空間分布上,間隙水NH4+-N濃度也呈現出獨特的分布規律,4、2、7、5四個點位的NH4+-N濃度較高,而1、3兩個典型的下游點位,其NH4+-N濃度反而最低.這與沉積物中TN和DIN的分布規律不一致.很大原因在于,4、2、7、5這四個點位是取締前的圍網養殖區,在采集的沉積柱中,發現大量魚食和魚糞構成的結構松散發臭的浮泥,表層疏松多孔且高污染的特性促進了有機質向NH4+-N的轉化.

下游同水源的于橋水庫,其表層沉積物內間隙水中NH4+-N濃度遠高于本研究,而上覆水體的NH4+-N濃度均更低[37].兩項實驗沉積柱采集與間隙水的獲取方法類似,而沉積物-水界面的釋放差異性較大.這意味著營養鹽釋放通量,不僅僅受沉積物-水界面的濃度梯度控制.通過與其他富營養化湖庫對比發現(表4),潘家口水庫沉積物NH4+-N釋放速率遠高于大黑汀水庫、衡山水庫、駱馬湖及南四湖等富營養化湖庫,而與太湖及滇池重度富營養化湖灣相似,這個結果表明潘家口水庫內源氮負荷較為嚴重.

靜態釋放實驗揭示了更深層次的DIN轉化機理,對于DIN而言,其生物循環過程受到上覆水、沉積物及沉積物-水界面之間的理化性質,如溫度、h、pH值、DO、沉積物物理結構等共同影響[38-39].因此,分析沉積物-水界面DIN釋放通量,需要結合潘家口水庫特殊的底層理化性質分析.沉積物-水界面NH4+-N遷移通量下游顯著高于上游,這與表層沉積物NH4+-N含量趨勢相同.潘家口水庫下游水深普遍高于上游,水溫較低,而水體溶氧差距不大,理論上更不利于NH4+-N釋放入上覆水,其根本原因還是在于下游相對于上游的高污染狀況.而8號點相較于上游其他點位NH4+-N濃度更高,則是因為8號點處于最上游,其受上游灤河的影響較大.3號點出現了NO3－-N的最高負通量,該點也是最高的NH4+-N通量.這很大程度上是由于深層水庫的水溫較低,自春季開始有機質分解速率加強,氨化作用得到增強,促進了NH4+-N的轉化釋放.同時,厭氧狀態下硝化反應受限,反硝化過程占主導,使得沉積物-水界面NO3－-N被轉化為NO2－-N,并進一步還原為N2與N2O[40],本研究中沉積物-水界面NO3－-N通量各個點位均為負的通量也佐證了這一點.這也解釋了釋放水樣里,整體上NO2－-N負釋放通量越高的點位,其NO3－-N的釋放通量越低. NO2－-N釋放速率在3號點最低,空間差異性不明顯,這也是由于NO2－-N作為中間產物,濃度主要取決于沉積物與上覆水之間的硝化與反硝化強度,對DIN釋放通量影響很小.

3.3 沉積物-水界面P遷移特征及機制

相較于N,沉積物-水界面P的遷移轉化受到沉積物-水界面理化性質的影響更大.SRP作為藻類能直接利用的磷素,是其生長繁殖過程中必須的營養鹽來源[41].潘家口水庫表層水體中SRP占TP的均值為37.58%(表3),一方面,這表明潘家口水庫磷素具有較高的生物有效性,而另一方面,相較于水庫整體較為均衡的TP濃度,SRP的空間差異性明顯,因此,沉積物-水界面的SRP通量是分析這一問題的關鍵點之一.

表3 國內湖庫水柱SRP 濃度及占比

沉積物表面存在著P的擴散邊界層,其結構與表層DO的含量密切相關,好氧情況下,擴散邊界層能有效阻止沉積物內部高濃度的SRP向水體釋放,而厭氧條件下,邊界層結構被破壞,對SRP的阻隔消失,大量SRP釋放入水柱造成水柱SRP濃度升高,從而補充水柱中SRP供給初級生產對于水柱磷的需求[45-47].潘家口水庫沉積物-水界面基本位于較深的滯溫層,其水體擾動較小,沉積物表層的DO主要受水體擴散的還原物質氧化所決定[48].

由于常年網箱養殖,潘家口水庫所積累的有機質提供了充足的氧化物.隨著春季末期溫度的升高,沉積物有機質礦化反應加強,從而使得更多的SRP生成及解析到間隙水中,這也解釋了間隙水剖面中SRP僅在2cm左右就達到峰值,隨后變化趨于穩定(圖3).同時,厭氧狀態的沉積物也會促進其內部鐵磷的轉化,使得Fe3+被還原為Fe2+,釋放部分SRP進入上覆水[49].水庫表層沉積物TP含量差異性不大,而間隙水剖面卻體現出明顯的空間差異性.考慮到水庫底層DO、溫度等影響P遷移轉化的關鍵理化條件大致相當[18],推測圍網養殖造成的有機質空間分布差異,是導致SRP濃度差異的決定性因素之一.4號點的樣品采集中發現,沉積柱內的表層沉積物孔隙度非常高,在柱樣釋放試驗中甚至出現表層4～5cm沉積物完全漂浮于上覆水中.這是典型的劣質化底泥,分析其成因在于投放飼料后圍網養魚被取締,使得疏松多孔的魚飼料覆蓋在沉積物表面,導致了間隙水與上覆水體內SRP的低差異性.

從間隙水數據(圖3)中可以看出,潘家口水庫內,沉積物間隙水積累了高濃度的SRP,同時沉積物自身的磷素濃度也維持在較高的水平(表2),客觀上有著較高的磷釋放潛力.然而,沉積物-水界面的離子交換過程較為復雜,以分子擴散模型模擬的通量誤差較大.同時潘家口水庫屬于多年調節型水庫,換水周期長,水相流動性小,沉積物內TP濃度與水相磷之間大多不存在顯著的相關關系[43].因此,靜態釋放的通量研究能更為客觀的反映釋放過程中,沉積物-水界面的營養鹽交換過程.

潘家口水庫水溫自4月開始逐步上升,相對較高的水溫促進有機質分解.作為湖庫中磷最重要的再生庫,沉積物中的有機態磷分解并從沉積物解吸進入間隙水中,同時分解反應的耗氧也使得擴散邊界層的厭氧狀況加深[49].沉積物-水界面SRP的釋放通量已不容忽視.

從釋放通量上來看,SRP通量下游高于上游,整體與有機質的分布規律趨同.相較于下游水庫,以及類似的大型深水水庫,潘家口水庫SRP的內源負荷相對較高,實際的釋放通量對水柱的磷素影響也更為明顯(表4).

淺水水庫由于水深較淺,水體內部的水溫分層現象基本上不存在,其受溫度驅動更為明顯:氣溫越高,營養鹽的釋放量通常越大[50].然而,對比處于夏季的淺水水庫(表4),春季潘家口水庫的SRP釋放通量整體依舊較高.其中少部分富營養化嚴重的湖庫,雖然SRP的釋放通量高于潘家口水庫,但也基本處于同一數量級,這意味著潘家口水庫的磷素內源負荷相對較高.隨著夏季到來,更高的底層水溫與更低的底層DO也意味著更大的SRP釋放風險.鑒于潘家口水庫內源負荷現狀及水庫自身的環境條件,建議嘗試通過原位覆蓋及底泥疏浚等技術控制水庫內源負荷.

表4 國內湖庫NH4+-N及SRP釋放通量

4 結論

4.1 潘家口水庫整體富營養化程度較重,水體及沉積物營養鹽含量高.沉積物中TN均值4765.06mg/kg, TP均值946.51mg/kg.整體趨勢上,自下游到上游,營養鹽污染逐步降低,沉積物DIN與易交換態P含量相對較高.庫區氮磷及有機質主要來源于庫區曾經的網箱養殖.

4.2 潘家口水庫沉積物間隙水中的NH4+-N和SRP,濃度遠高于上覆水,表明存在較大的釋放潛力.總體來說下游高于上游.在垂向剖面上,NH4+-N隨深度逐步增長,SRP在表層2cm處達到峰值,隨后趨于穩定.

4.3 水庫沉積物-水界面的氮磷通量較高. NH4+-N, NO3－-N、NO2－-N及SRP交換通量分別為23.71～ 156.80,-7.37～-161.78,1.64～33.45和0.56～2.86mg/ (m2·d).總體來說,下游釋放通量高于上游釋放通量,這與沉積物中氮磷含量相一致,是河流-水庫系統水力條件引起的大壩對于營養鹽的截留作用及庫區曾經的網箱養殖共同作用的結果.根據現有污染狀況分析,應當采用措施控制潘家口水庫內源負荷.

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本文的研究工作受到了水利部海河水利委員會引灤工程管理局的諸多幫助,在此深表謝意.

Occurrence characteristics and transport fluxes of nitrogen and phosphorus at sediment-water interface of Panjiakou Reservoir in spring.

WANG Hong-wei1,2, WANG Shao-ming3, ZHANG Min1,2, HU Xiao-kang1,4, TANG Meng-yao1,2, YANG Fan-yan1, ZHONG Ji-cheng1*

(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China；2.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.Bureau of Luanhe Diversion Project, Haihe Water Conservancy Commission, Ministry of Water Resources, Qianxi 064309, China；4.School of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)., 2021,41(9)：4284～4293

The sediments from Panjiakou Reservoir were selected as the research object. The overall status of nutrient pollution and the release characteristics of internal loading of the reservoir were analyzed. The vertical distribution characteristics and spatial differences of nutrient were analysed by obtaining interstitial water in sediments via high-resolution interstitial water samplers (HR-Peeper). The transport fluxes of nutrient at the sediment-water interface were obtained by static release test of intact sediment cores, and the internal loading characteristics of Panjiakou Reservoir were analysed. The release risk of nutrient in the sediments was relatively high, and the TN and TP content was 3701.59～8221.28 mg/kg and 756.28～1696.15 mg/kg, respectively. According to the C/N ratio, the main cause of eutrophication in Panjiakou Reservoir was the residual feed and fish manure from cage culture before 2017. The static release results of the intact sediment cores showed that the exchange fluxes of NH4+-N、NO3—-N、NO2—-N and SRP were 23.71～156.80, -7.37 ～ -161.78, 1.64 ～ 33.4, and 0.56 ～ 2.86mg/(m2·d), respectively, and the internal loading of Panjiakou Reservoir was relatively high. The results are related to the high contents of organic matter, nitrogen and phosphorus, oxygen consumption by biological decomposition and gradually increasing water temperature in spring, which leads to the accelerated release of nutrient into the overlying water column. The internal loading of Panjiakou Reservoir can accelerate the process of eutrophication, and measures should be taken to control the internal loading of Panjiakou Reservoir.

Panjiakou Reservoir；sediment-water interface；nutrient；internal loading；diffusive flux

X524

A

1000-6923(2021)09-4284-10

王洪偉(1995-),男,安徽安慶人,中國科學院南京地理與湖泊研究所碩士研究生,研究方向為湖庫內源負荷及污染控制.發表論文6篇.

2021-02-03

國家自然科學基金資助項目(41771516);水利部海河水利委員會引灤工程管理局潘家口水庫內源污染專項

*責任作者, 副研究員, jczhong@niglas.ac.cn