環(huán)境因子對(duì)密云水庫(kù)消落帶沉積物-水界面氮交換通量的影響研究

劉亞賀，王曉燕，2*，許康麗

（1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.首都師范大學(xué)首都圈水環(huán)境研究中心，北京 100048）

消落帶是河流和湖庫(kù)特有的一種現(xiàn)象，是連接水陸兩界的物質(zhì)交換樞紐，也是水陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換最活躍、最重要的區(qū)域，具有明顯的邊際效應(yīng)。消落帶沉積物是消落帶處土壤被淹后，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的物理、化學(xué)、生物及水面?zhèn)鬏數(shù)茸饔眯纬傻牡啄啵练e物-水界面的氮釋放是水體中污染物的重要來源之一，是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的潛在因素。污染物質(zhì)在沉積物-水界面處的遷移轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜，在外界環(huán)境條件如溫度、pH、溶解氧等因素的作用下，氮濃度會(huì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響其在沉積物-水界面的交換通量。受不同環(huán)境因子的影響，沉積物有吸收上覆水中氮的潛力或向上覆水釋放氮的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于氮在沉積物-水界面間的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了大量的研究，歐美等國(guó)家從早期的間隙水濃度梯度培養(yǎng)到后期的現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，逐步完善了研究方法，并在不同區(qū)域展開了探索，發(fā)現(xiàn)氮的界面擴(kuò)散通量與環(huán)境因子之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。我國(guó)對(duì)沉積物-水界面氮交換通量的研究起步較晚，但發(fā)展很快，現(xiàn)已探索了渤海、黃海、東海和南山群島等海域的交換通量，而關(guān)于氮在水庫(kù)消落帶沉積物-水界面的交換通量研究則主要集中在三峽水庫(kù)。已有研究表明，三峽水庫(kù)消落帶在好氧條件下的總氮釋放通量是厭氧條件下的1.2~1.4 倍，其中NH-N釋放通量與溫度呈顯著正相關(guān)，NO-N釋放通量與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，而消落帶周期性淹水促使土壤礦化，加劇沉積物與上覆水間的無機(jī)氮交換，使得大量氮隨有機(jī)質(zhì)進(jìn)入水體，對(duì)水體產(chǎn)生污染。目前關(guān)于沉積物-水界面具有顯著物理、化學(xué)和生物差異的不同類型水體仍是研究污染物發(fā)生遷移擴(kuò)散和生化反應(yīng)的“熱區(qū)”，而我國(guó)在開展多種水體類型（如深水/淺水湖泊、湖濱帶等）、多維度或多因素相結(jié)合的污染物遷移轉(zhuǎn)化研究方面還存在較大的缺失。

近年來我國(guó)水庫(kù)的環(huán)境問題凸顯，保障水源型水庫(kù)的水質(zhì)安全、維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制富營(yíng)養(yǎng)化水平以及改善水質(zhì)已經(jīng)成為水庫(kù)污染控制的共識(shí)。密云水庫(kù)是北京市唯一的地表飲用水源地，受降雨、人為調(diào)控水量等因素的影響，庫(kù)區(qū)水位出現(xiàn)季節(jié)性波動(dòng)。自2014 年密云水庫(kù)接受“南水”以來，水位持續(xù)上升，庫(kù)區(qū)水位累積上升15 m，造成消落帶土壤被不同程度淹沒。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，南水北調(diào)后水體中氮含量呈上升趨勢(shì)，被淹土壤的氮釋放會(huì)對(duì)水庫(kù)水質(zhì)安全造成一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要研究密云水庫(kù)消落帶的氮釋放。沉積物-水界面作為生化反應(yīng)的場(chǎng)所，更是氮遷移擴(kuò)散的重要來源。本文以密云水庫(kù)消落帶為研究對(duì)象，通過原狀泥柱靜態(tài)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)水體環(huán)境，并控制溫度、上覆水pH 和溶解氧3 個(gè)變量，分析不同環(huán)境因子下密云水庫(kù)消落帶沉積物-水界面三態(tài)氮的釋放規(guī)律，旨在闡明消落帶淹水后沉積物中氮釋放的問題，對(duì)于豐富密云水庫(kù)消落帶氮的遷移和轉(zhuǎn)化等基本理論、保障庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

密云水庫(kù)位于北京市東北部密云區(qū)（116°07'~117°30'E，40°14'~41°05'N），是北京市唯一飲用水源供應(yīng)地，對(duì)于北京水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備的意義不言而喻。密云水庫(kù)控制流域面積15 788 km，主要有兩大入庫(kù)河流，分別是潮河和白河。水庫(kù)庫(kù)容為4.0×10m，多年蓄水量為6.5×10~1.2×10m，歷年水位為131~137 m。自南水北調(diào)入庫(kù)以來，密云水庫(kù)平均每年形成1~4 m的消落帶，消落帶水位高差達(dá)10 m。近年來氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素濃度呈上升趨勢(shì)，目前內(nèi)湖水體為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，以總氮和總磷的污染風(fēng)險(xiǎn)最高，且總氮的污染風(fēng)險(xiǎn)大于總磷。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫10 ℃，多年平均降雨量665 mm，降水主要集中在汛期。流域內(nèi)主要土壤類型有褐土（60%）、棕壤（36%）、草甸土（2%）和栗鈣土（2%），上游流域以耕地和林地為主。

1.2 樣品采集與處理

采樣點(diǎn)位于密云水庫(kù)庫(kù)東后八家莊，采樣點(diǎn)示意圖見圖1。于夏季落干期（7 月，采樣點(diǎn)為S）和秋季淹水期（11 月，采樣點(diǎn)為S）各采集一次樣品，用以分析沉積物與上覆水在不同季節(jié)和淹水狀態(tài)下的理化性質(zhì)差異。用柱狀采樣器（內(nèi)徑6 cm、長(zhǎng)度100 cm）采集位于水下30 cm、表層8~10 cm 厚的沉積物柱狀樣，采樣過程中應(yīng)盡量不破壞沉積物的自然狀態(tài)，依照原樣封好避免氧化，放入保溫箱中，當(dāng)日運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并立刻于4 ℃下恒溫培養(yǎng)；用有機(jī)玻璃采樣器采集原位上覆水20 L 置于聚乙烯瓶中，并迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室保存。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Figure 1 Setting of sampling sites

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.4 模擬實(shí)驗(yàn)

為研究密云水庫(kù)不同環(huán)境因素對(duì)氮交換通量的影響，根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室條件，采用秋季（淹水期）沉積物和上覆水樣品進(jìn)行影響因素的模擬實(shí)驗(yàn)，通過單一影響因素法，選擇溫度、pH、溶解氧（DO）3個(gè)因素，分不同批次獨(dú)立進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。為模擬水底環(huán)境，將采回的沉積物樣品在不打亂沉積物層間結(jié)構(gòu)的情況下迅速轉(zhuǎn)移至有機(jī)玻璃培養(yǎng)柱中，調(diào)節(jié)沉積物樣品高度在25 cm左右。采用虹吸法將上覆水緩慢加到有機(jī)玻璃培養(yǎng)柱中，上覆水的高度約為沉積物表層以上30 cm。將有機(jī)玻璃柱放置在恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行黑暗12 h/光照12 h 的交替培養(yǎng)，不另外設(shè)置光強(qiáng)，在恒溫培養(yǎng)箱正常透光時(shí)模擬光照條件，對(duì)恒溫培養(yǎng)箱遮光處理來模擬黑暗條件，交替進(jìn)行兩次，共計(jì)48 h，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣品和一個(gè)空白樣品。

溫度影響實(shí)驗(yàn)：如表1 所示，兩期樣品溫度范圍為11.30~27.10 ℃，接近真實(shí)溫差范圍。將樣品分別置于10、20、30 ℃的培養(yǎng)箱中進(jìn)行避光培養(yǎng)，將pH 調(diào)節(jié)為7.5，敞口放置。

pH 影響實(shí)驗(yàn)：如表 1 所示，兩期樣品 pH 范圍為7.65~8.30，整體偏中性至微堿性。考慮到誤差范圍，設(shè)置微酸性、中性和微堿性3 個(gè)pH 條件并包含實(shí)測(cè)范 圍 ，分 別 使 用 1 mol·L的 HCl 和 0.5 mol·L的NaCO將柱狀培養(yǎng)用的上覆水pH 調(diào)節(jié)至5.5、7.5 和9.5，溫度調(diào)節(jié)為室溫（25 ℃），敞口放置。

表1 消落帶上覆水及沉積物理化指標(biāo)Table 1 The physical and chemical properties of overlying water and sediments in the water level fluctuation zone

溶解氧影響實(shí)驗(yàn)：向一個(gè)培養(yǎng)柱中充一定體積的氮?dú)鈦碇圃熵氀醐h(huán)境（DO 小于1 mg·L），向另一個(gè)培養(yǎng)柱中充等體積的空氣來制造富氧環(huán)境（DO 大于5 mg·L），溫度調(diào)節(jié)為室溫（25 ℃)，pH調(diào)節(jié)為7.5。

1.5 交換通量的計(jì)算方法

根據(jù)培養(yǎng)過程中每次取樣間隔上覆水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的凈變化速率的平均值計(jì)算沉積物-水界面的氮交換通量，計(jì)算公式為：

式中：為某時(shí)間段沉積物-水界面營(yíng)養(yǎng)鹽的交換通量，mg·m·h；M為時(shí)間段內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的質(zhì)量變化量，mg；為沉積物與上覆水進(jìn)行交換的表面積，m；為培養(yǎng)柱中上覆水的總體積，L；C為在時(shí)刻上覆水中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度，mg·L；D為在-1 時(shí)刻上覆水中實(shí)際的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，mg·L；為每次取樣時(shí)所取的上覆水體積，L；為原始上覆水中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度，mg·L。為正值表示營(yíng)養(yǎng)鹽由沉積物向上覆水釋放，為負(fù)值表示營(yíng)養(yǎng)鹽被沉積物吸收。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水及表層沉積物的基本理化特征

由于不同有機(jī)質(zhì)類型中氮釋放和轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性不同，通常用沉積物中的C/N 來分析有機(jī)質(zhì)的來源。沉積物中C/N 較高時(shí)，其水體中有機(jī)質(zhì)的來源一般為陸源有機(jī)質(zhì)，C/N 較低時(shí)，其來源一般為水體自身有機(jī)質(zhì)。已有研究表明，浮游動(dòng)植物的C/N 為6~13，藻類的C/N 為5~14，湖庫(kù)沉積物的C/N 一般為6~14，而密云水庫(kù)夏季消落帶沉積物C/N為7.51，秋季為9.35，整體偏低，表明該消落帶表層水體中有機(jī)質(zhì)主要來源于內(nèi)部水生生物殘?bào)w。

2.2 溫度對(duì)三態(tài)氮交換通量的影響

表2 環(huán)境因子對(duì)三態(tài)氮交換通量的影響Table 2 Effect of environmental factors on the exchange fluxes of tri-state nitrogen from sediment

圖2 不同溫度下三態(tài)氮的交換通量Figure 2 The exchange fluxes of tri-state nitrogen under different temperature

2.3 pH對(duì)三態(tài)氮交換通量的影響

圖3 不同pH下三態(tài)氮的交換通量Figure 3 The exchange fluxes of tri-state nitrogen under different pH

2.4 溶解氧對(duì)三態(tài)氮交換通量的影響

水體DO 是衡量水體污染狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)也影響沉積物氮素的釋放。水體中的DO 是硝化及反硝化速率的重要影響因子，DO 通過改變沉積物-水界面的氧化還原電位來影響氮在該界面處的遷移轉(zhuǎn)化。

圖4 不同DO狀態(tài)下三態(tài)氮的交換通量Figure 4 The exchange fluxes of tri-state nitrogen under different DO condition

3 結(jié)論

（1）密云水庫(kù)消落帶表層沉積物中三態(tài)氮含量在淹水后顯著下降，一部分易釋放形態(tài)的氮淹水后進(jìn)入水體。沉積物中C/N 為7.51~9.35，表明消落帶表層水體中的有機(jī)質(zhì)主要來源于內(nèi)部水生生物殘?bào)w，因此應(yīng)加強(qiáng)密云水庫(kù)消落帶淺層沉積物內(nèi)源釋放的風(fēng)險(xiǎn)防控。

（4）受南水北調(diào)的影響，密云水庫(kù)消落帶面積不斷擴(kuò)大，水位不斷抬升，現(xiàn)有的消落帶之后將可能轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏畢^(qū)。未來關(guān)于密云水庫(kù)消落帶沉積物-水界面氮交換通量的研究應(yīng)當(dāng)延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間，并引入淹水深度這一關(guān)鍵因素，同時(shí)采用多因素交叉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，以豐富和完善消落帶氮交換的基本理論。