沉积物是湖泊重要的氮储库，对其氮循环具有重要意义^[1]. 在一定条件下，沉积物氮可通过迁移转化等过程进入上覆水，对湖泊水质产生威胁^[2,3]. 而水文状况的变化是导致湖泊沉积物氮含量、 组分和释放能力变化的重要影响因素^[4]，研究表明，水位变化是驱动氮素在环境中迁移转化的重要因子，能够影响沉积物有机氮素矿化及氮素损失等过程^[5]，进而促进沉积物氮释放. 就湖泊沉积物有机氮而言，可转化态氮是氮循环的直接参与者，在沉积环境发生变化时能够被释放^[6]. 外源有机氮进入湖泊后，将和湖泊水体有机氮一起沉降，并发生降解，在一定条件下能被转化成可转化态氮，而可转化态氮则易于在沉积物-水界面间进行迁移、 转化和释放，从而可对湖泊水环境造成一定影响. 部分无机态可转化氮可直接被湖泊初级生产者利用，以有机氮的形式进入沉积物. 因此，可转化态氮的定量研究能为揭示湖泊沉积物氮生物地球化学过程提供重要的理论参考^[7]. 而目前对湖泊氮的研究大多主要集中在总氮、 无机氮、 有机氮含量方面，缺乏对可转化形态氮的深入研究，无法定量揭示湖泊沉积物氮生物地球化学过程及氮循环信息.

鄱阳湖是中国第一大淡水湖，位于长江中下游南岸，三面环山，赣江、 抚河、 信江、 饶河和修水分别由南、 东、 西向北注入鄱阳湖，集水域面积16.22万km^2[8]. 受长江和五河相互作用，鄱阳湖水位变化较大，年内变幅超过10 m，年际最大变幅达16.69 m^[9]. 特别是近年来，受江湖关系变化影响以及流域降雨等多种因素的综合作用，鄱阳湖水位变化较大，具体表现为丰水期水位持续偏低，枯水期时间提前而且出现频率增加，从而使其沉积物出露时间提前并延长,增加了内源氮的释放风险^[5]. 其中可转化态氮是内源氮重要的生物有效性组分，其与上覆水体氮营养水平及富营养化程度关系密切^[10]. 本文选取鄱阳湖表层沉积物，试图通过研究不同高程沉积物可转化态氮含量及组成特征，分析由于江湖关系变化引发的枯水期提前和连续低估水位对鄱阳湖沉积物可转化态氮形态影响，以期为阐明鄱阳湖沉积物内源氮释放机制提供理论支撑. 1 材料与方法 1.1 研究区概况

鄱阳湖是长江流域最大的通江湖泊，介于北纬28°22′~29°45′，东经115°47′~116°45′之间. 湖体以松门山为界，南部宽广，为主湖区，水位较浅; 北部狭长，为入江水道，水位较深，具有“高水是湖，低水是河”的独特地理特征^[11]. 鄱阳湖是一个过水性吞吐性湖泊，每年汛期，五河洪水入湖而上涨、 漫滩，湖面扩大，洪水一片; 冬春季节，湖水落槽，滩地显露，水面缩小，年内洪、 枯水期间的湖泊形态指标差异悬殊，呈现“洪水一片、 枯水一线”的景观^[12]. 1.2 样品采集 鄱阳湖与长江之间江湖关系的变化，引起湖泊水位、 水动力、 泥沙、 透明度等发生显著变化. 水位下降是引起水体流速、 溶解氧、 pH等水质理化参数发生变化的关键，其中最为直观的表现是不同高程沉积物裸露时间及面积发生变化，即高程越高，沉积物裸露时间越长，面积越大，进而对水体氮含量、 组分等造成影响^[3]. 因此，本研究选取不同高程沉积物作为研究对象，对比不同高程沉积物的转化态氮组分差异及含量空间分布特征，试图揭示江湖关系变化对沉积物可转化态氮的影响.

根据相关资料，2001~2010年鄱阳湖枯水期(10月下旬~次年3月)平均水位为11.81 m，最高水位为13.78 m,最低水位为9.61 m^[13]. 为了初步研究江湖关系变化对鄱阳湖沉积物可转化态氮分布特征的影响，于2012年采集北部湖区、 “五河”入湖尾闾区及湖心区共20个(枯水期14个，丰水期6个)不同高程(10~13 m)的出露表层沉积物样品,对不同高程下鄱阳湖沉积物具有很好的代表性,采样点如图 1所示，相关数据见表 1. 将样品置于恒温箱内(4℃),带回实验室冷冻干燥、 研磨，过100目筛备用，每个样品平行测定3次.

图 1

Fig. 1

图 1 鄱阳湖采样位点示意 Fig. 1 Map of the sampling sites of Poyang Lake

表 1(Table 1)

表 1 鄱阳湖沉积物采样点所处区域及高程 Table 1 Location and elevations of Poyang Lake sediment sampling sites 项目 北部湖区 湖心区 “五河”入湖尾闾区 N1 N2 N3 N4 C1 C2 C3 C4 C5 S1 S2 S3 S4 S5 高程(吴淞)/m 12~13 11~12 10~11 10~11 12~13 11~12 11~12 10~11 10~11 12~13 11~12 11~12 10~11 10~11 总氮含量/mg ·kg-1 1157 847 569 389 1270 884 1059 492 694 3865 1392 1117 716 788 特点 航道无植物 航道无植物 航道无植物 航道无植物 畅水区有植物 畅水区有植物 畅水区有植物 畅水区 有植物 畅水区沉水植物 畅水区无植物 畅水区植物 畅水区无植物 水产区无植物 畅水区无植物

表 1 鄱阳湖沉积物采样点所处区域及高程 Table 1 Location and elevations of Poyang Lake sediment sampling sites

沉积物各形态可转化态氮采用逐级提取法^[14]，该方法将可转化氮分为IEF-N、 WAEF-N、 SAEF-N 和SOEF-N这 4部分，提取流程见表 2. 浸取液中的NH⁺₄-N、 NO^-₃-N与NO^-₂-N含量均采用重氮偶氮分光光度法测定，其中NH⁺₄-N用次溴酸钠氧化法测定，NO^-₃-N用Zn-Cd还原法测定，NO₂采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法^[15]测定，由于NO^-₂-N含量很低，实验中基本未检出，所以实验结果只包含NO^-₃-N含量和NH⁺₄-N含量.

表 2(Table 2)

表 2 沉积物可转化态氮(TTN)分级连续浸取流程 Table 2 Sequential extractions of TTN forms from sediments 形态 提取方法 离子交换态氮(IEF-N) 称取过100目筛沉积物样品0.5 g左右置于100 mL离心管中，加入1.0 mol ·L-1 KCl溶液20 mL，室温下振荡2 h，离心(5000r ·min-1，10 min)，分别取上层清液测定NH+4-N、 NO-3-N与NO-2-N的含量 弱酸可提取态氮(WAEF-N) 超纯水提取烘干上步残渣后，加入20 mL HAc-NaAc溶液(pH=5)，室温下振荡6 h，离心(5000 r ·min-1,10 min)分别取上层清液测定NH+4-N、 NO-3-N与NO-2-N的含量 强碱可提取态氮(SAEF-N) 超纯水提取烘干上步残渣后，加入0.1 mol ·L-1NaOH 20 mL，室温下振荡17 h，离心(5000 r ·min-1，10 min)取上层清液测定NH+4-N、 NO-3-N与NO-2-N的含量 强氧化剂可提取态氮(SOEF-N) 超纯水提取烘干上步残渣后，加入20 mL碱性过硫酸钾氧化剂(NaOH 0.24 mol ·L-1，K2S2O8 20 g ·L-1)，振荡3 h，放人高压灭菌锅内氧化1 h. 离心取上层清液测定NH+4-N、 NO-3-N与NO-2-N的含量

表 2 沉积物可转化态氮(TTN)分级连续浸取流程 Table 2 Sequential extractions of TTN forms from sediments

数据分析采用Excel 2007及Surfer 8.0软件进行.

2 结果与分析 2.1 鄱阳湖表层沉积物总氮和总可转化态氮含量及空间分布特征

鄱阳湖表层沉积物TN含量在389～3865 mg ·kg^-1之间，平均值为1088.50 mg ·kg^-1，空间分布上 “五河”入湖尾闾区较高，湖心区和北部湖区含量相对较低. 可转化态氮含量在319.36～904.56 mg ·kg^-1之间，平均值为564.54mg ·kg^-1，占TN的52%，空间分布总体呈“五河”入湖尾闾区>湖心区>北部湖区(图 2)，与TN分布趋势大体一致^[4]. 王圣瑞等^[16]对鄱阳湖水体氮的研究表明，TN 在“五河” 尾闾区及湖心区污染较重，北部湖区相对较轻; “五河”来水的工农业污染是鄱阳湖水质南北分布差异的主要原因，由于受到湖泊对污染物的稀释作用以及鄱阳湖湿地的自净功能，鄱阳湖水污染程度呈现出以南部“五河”入湖尾闾区向北部湖区降低的趋势. 鄱阳湖沉积物氮含量空间分布呈现“五河”入湖尾闾区较高，主要是因为“五河”是鄱阳湖主要入湖河流，携带的大量外源污染物进入湖泊后，受水动力作用易于沉积所致^[17]. 另外，由于“五河”来水携带的大量污染物随悬浮泥沙由南向北逐渐沉积，在水动力作用下，导致沉积物总氮、 可转化态氮浓度由南至北呈现逐渐降低的趋势.

图 2

Fig. 2

图 2 不同高程可转化态氮的分布特征 Fig. 2 Distribution characteristics of transferable nitrogen at different elevations

当由于水位下降而沉积物露出水面后，不同高程沉积物可转化态氮含量存在明显差异. 北部湖区、 “五河”入湖尾闾区及湖心区可转化态氮含量在不同高程上均表现为12~13 m＞11~12 m＞10~11 m，其中，北部湖区和湖心区差异尤为显著; “五河”入湖尾闾区除了S4采样点外，其它区域差异性相对较小，可能是因为S4采样点位于饶河入湖处，靠近养殖业发达的鄱阳县，水产养殖产生的大量氮输入该处沉积所致^[4].

不同高程沉积物可转化态氮含量明显差异，主要是因为退水后裸露时间不同而导致的，12~13 m高程沉积物出露最早，出露时间在三峡水库蓄水期的9月15日～10月10日; 10月10日～10月31日，水位由12 m降至11 m，11~12 m高程沉积物出露; 10~11 m高程沉积物出露时间为11月1日～1月10日.

总体上，沉积物所处位置的高程越高，其可转化态氮含量越高，表明水位下降导致的沉积物出露时间提前和延长，将会使沉积物总可转化态氮含量升高.

同一采样点，水位变化对沉积物可转化态氮含量分布特征也有影响. 丰水期高水位时，采样点N1、 N3、 C4、 C5、 S2、 S5均被水淹没，可转化态氮含量分别为519.13、 401.68、 432.09、 504.76、 498.27、 416.37mg ·kg^-1. 枯水期低水位时，6个采样点均露出水面，其可转化态氮含量分别为621.27、 467.45、 461.73、 555.34、 576.05、 458.31mg ·kg^-1(图 3). 不同水位情境下，6个点位沉积物氨基酸含量均表现出低水位(枯水期，沉积物出露)>高水位(丰水期，沉积物淹没). 表明枯水期水位降低引起的沉积物出露，能够导致可转化态氮含量增大.

图 3

Fig. 3

图 3 不同水情下可转化态氮分布特征 Fig. 3 Distribution characteristics of transferable nitrogen under different waterregimens

不同高程沉积物各形态可转化态氮含量见图 4. 不同湖区沉积物各形态可转化态氮含量均表现为SOEF-N(强氧化剂可提取态氮)≈SAEF-N(强碱可提取态氮)>WAEF-N(弱酸可提取态氮)>IEF-N(离子交换态氮). IEF-N 在沉积物中结合能力最弱，是可转化态氮中最容易释放的氮形态^[18]，鄱阳湖沉积物IEF-N含量在10.94~106.72 mg ·kg^-1之间，占总可转化态氮3.43%~11.80%; WAEF-N为沉积物碳酸盐结合态氮、 黏土矿物中部分结合态氮，同样也属于易释放态氮^[19]，鄱阳湖沉积物WAEF-N含量在59.52~121.41mg ·kg^-1之间，占总可转化态氮10.48%~26.05%; SAEF-N为NaOH可浸提的固定态氮及Fe/Mn/Al氧化物结合态氮^[14]，鄱阳湖沉积物SAEF-N含量范围为116.45~295.01 mg ·kg^-1，占可转化态氮25.22%~46.89%; SOEF-N主要指与有机质和硫化物结合的氮形态,主要为有机氮，是可转化态氮中释放能力最弱的氮形态^[20]，鄱阳湖沉积物含量在102.73~443.46 mg ·kg^-1，占可转化态氮的25.95%~49.03%.

当由于水位下降而沉积物露出水面后，鄱阳湖不同高程沉积物各形态可转化态氮含量存在明显差异. 由图 4可见，随着高程升高，3个湖区沉积物4种形态可转化氮含量均发生了变化. 其中，SOEF-N和IEF-N含量随高程变化较为明显，随着高程的增加，其含量表现为增大趋势; WAEF-N和SAEF-N含量变化则较小，但是总体上都表现出随沉积物高程的升高，其含量呈现增大的趋势.

图 4

Fig. 4

图 4 鄱阳湖沉积物中各形态可转化态氮含量分布 Fig. 4 Distribution of concentrations of different TTN forms in the sediments from Poyang Lake

北部湖区、 “五河”入湖尾闾区及湖心区可转化态氮含量在不同高程上均表现为12~13 m>11~12 m>10~11 m，而水位下降引起的沉积物出露时间提前和延长是导致这一差异的直接原因之一. 随着水位的降低，高程较高的沉积物出露时间相对较长，导致这部分沉积物可转化态氮含量增加. 可能是因为出露沉积物的蒸发作用增大使更多溶解性氮向表层迁移^[21]，使表层沉积物氮的蓄积量增大. 当低水位时，高程越高，沉积物出露时间越长，其可转化态氮含量则随着高程增加表现出增加趋势．鄱阳湖枯水期表层沉积物可转化态氮含量明显高于丰水期，这主要与其所处环境条件的变化有关．枯水期沉积物出露将引起表层沉积物理化性质发生变化，如沉积物表层环境由厌氧转化为好氧，溶解氧升高，反硝化作用减弱^[22]，好氧微生物固氮作用增强^[23]，从而增加沉积物氮含量，可转化态氮作为总氮的一部分也会增加.

沉积物不同形态氮的分布是污染物进入湖泊后，在水体动力作用下沉降累积而成; 同时沉积后的氮在水动力下发生再悬浮，导致沉积物氮在不同的环境因子作用下形成不同的氮形态^[24]. 江湖关系变化导致的鄱阳湖枯水期提前和枯水位持续下降，引起的沉积物出露时间提前和延长，使各形态可转化态氮含量受到显著影响. 随着水位降低，高程越高的沉积物出露越早，沉积物出露后，充分接触氧气，微生物大量繁殖，其代谢过程导致作为可转化态氮的主要组成的SOEF-N含量增加. 同时，沉积物出露后，水分大量蒸发，藻类等浮游植物死亡，分解后的残体在沉积物中得到累积，也会导致SOEF-N含量的升高; 而沉积物出露后，其DO含量增加，铁锰化合物结合态氮向活性氮转化，导致SAEF-N含量降低，所以高程越高，SAEF-N含量越低. 由于溶解氧升高，铁锰化合物结合态氮向活性氮转化，导致SAEF-N含量降低，所以高程越高，SAEF-N含量越低. IEF-N是沉积物中最“活跃”的氮素赋存状态，极易于在沉积物-水界面间进行迁移、 转化和释放^[25]. 随着水位降低，水体流速加快，沉积物的扰动相对增强，IEF-N被释放到上覆水中，而高程越低的沉积物，沉积物扰动时间越长，沉积物IEF-N迁移释放时间越长，导致沉积物IEF-N含量越低. 3.2 江湖关系变化引起的水位变化对沉积物氮形态的影响及其环境学意义

随着所处区域高程的增高，沉积物总氮和可转化态氮含量均呈现升高趋势，但可转化态氮占总氮的比例却在下降，即北部湖区、 “五河”入湖尾闾区及湖心区可转化态氮含量占总氮的比例在不同高程均表现为10~11 m＞11~12 m＞12~13 m(图 5). 这说明虽然随着高程升高，总氮、 可转化态氮含量都在增加，但是可转化态氮对总氮含量增加的贡献呈减小趋势，总氮的增加主要来自非可转化态氮含量的增加. 该结果与李鑫^[26]的研究结果一致，这是因为随着沉积物污染程度增高，氮会逐渐趋向于稳定性强的形态发展. 对鄱阳湖而言，随着水位的降低，沉积物高程越高，可转化态氮占总氮的比例降低越明显，而使短期内无法参与循环的非可转化态氮占总氮的比重增大，即活泼的氮形态转化逐渐转化成为稳定性较高的形态. 来年进入丰水期，大规模覆水后，水生植物大量生长，促进非可转化态氮向可转化态氮转化^[20]，从而使沉积物可转化态氮含量增加，从而对鄱阳湖水质产生一定影响，即在一定程度上增加其富营养化风险.

图 5

Fig. 5

图 5 3个湖区可转化态氮(TTN)/总氮(TN)的比值 Fig. 5 Relative contribution of TTN to TN in the three regions of Poyang Lake

江湖关系变化引起的水位下降对不同高程沉积物各形态可转化态氮含量变化有显著影响. 随着沉积物高程的升高，各形态氮含量都呈现增加趋势，但是其占总可转化态氮含量的比例有明显不同(图 6). 随着水位降低，高程越高的沉积物出露时间越长，IEF-N和SOEF-N占总可转化态氮比例增加趋势明显，而WAEF-N和SAEF-N占总可转化态氮比例却呈现下降趋势. 这可能是因为水位下降引起沉积物出露导致理化因子变化造成的^[27]，各形态氮在不同沉积环境中的沉积情况不同. SOEF-N是上覆水体氮的重要来源，高程从10~11 m上升到12~13 m，沉积物SOEF-N占总可转化态氮的比例从20%增加到50%; IEF-N是氮形态中最易释放的形态，沉积物高程从10~11 m上升到12~13 m，IEF-N占总可转化态氮的比例从2%增加到10%. 当来年沉积物覆水后，这部分增加的氮可被释放进入上覆水，从而影响鄱阳湖水质，在一定程度上将增加鄱阳湖富营养化风险.

图 6

Fig. 6

图 6 鄱阳湖沉积物中各形态占总可转化态氮含量百分比 Fig. 6 Relative contribution of different forms to TTN in the sediments from Poyang Lake

(1)鄱阳湖表层沉积物总氮(TN)含量在389～3865 mg ·kg^-1之间,空间分布上呈“五河”入湖尾闾区>湖心区>北部湖区的趋势; 总可交换态氮含量在319.36～904.56 mg ·kg^-1之间，占TN的52%，空间分布趋势与TN相同. 沉积物各形态可转化态氮含量大小排列次序为: SOEF-N(强氧化剂可提取态氮)≈SAEF-N(强碱可提取态氮)>WAEF-N(弱酸可提取态氮)>IEF-N(离子交换态氮).

(2)江湖关系变化引起的水位下降导致沉积物可转化态氮含量增加，北部湖区、 “五河”入湖尾闾区及湖心区沉积物可转化态氮含量在不同高程上均表现为12 m~13 m＞11 m~12 m＞10 m~11 m，表明水位下降引起沉积物出露，高程越高的沉积物出露时间越长，其可转化态氮含量越高; 但IEF-N和SOEF-N占总可转化态氮的比例有逐渐升高趋势; 而SAEF-N和WAEF-N含量占总可转化态氮比例则呈小幅下降趋势.

(3)由此可见，如果江湖关系进一步变化，枯水期水位继续下降，势必引起鄱阳湖沉积物出露面积增大及时间延长，导致沉积物释放风险较高的可转化态氮含量增大，来年丰水期可能增加沉积物氮释放风险.