全球气候变暖，加剧了陆地水体的蒸发量，增加了大气中水汽含量，导致强降雨与干旱频繁交替发生^{[1, 2]}，对土壤结构、 生物多样性以及区域气候变化均产生了重要的影响^{[3, 4]}. 由于三峡大坝特殊的调蓄水制度，三峡库区水位在145~175 m之间周期性的涨落，使不同水位高程上的库岸消落带经历了不同程度的淹水-落干循环过程^[5]，这种周期性的干湿循环使库区流域水文过程^[6]、 区域小气候^[7]、 库岸植被适生性^[8]、 消落带沉积物营养物质“源-汇”关系^{[9, 10]}等发生明显变化.

沉积物是水体中氮的重要“源和汇”,对氮素生物地球化学循环具有重要意义^[11]. 沉积物中可转化氮(TF-N)与沉积物晶格作用较弱^[12]，易释放迁移转化进入水体^[13]. 沉积物中氮以不同形态结合，表现出不同的地球化学特征. 因此，氮形态的定量研究是揭示水体沉积物中氮的生物地球化学行为的重要依据. 库区支流水体流速缓慢，多发“水华”等水体富营养化现象^{[14, 15]}. 氮素是造成藻类等浮游植物大量繁殖的重要诱因. 因此，有必要研究周期性干湿循环与沉积物中可转化氮释放之间的关系.

近年来,国内外学者针对可转化态氮在沉积物-水界面间氮的交换通量、 对水体氮循环的贡献、 沉积物粒级组成与其可转化态氮之间的关系进行了研究[16-18]，主要集中在水体“静态”过程. 而针对周期性淹水-落干“动态”干湿循环过程对可转化态氮分布的影响研究较少. 本研究以三峡库区典型支流-澎溪河流域消落带为例，分析了不同形态可转化态氮在消落带不同水位高程、 沉积物深度、 流域断面沉积物中的含量特征，旨在揭示周期性干湿循环对库区支流消落带沉积物中可转化态氮分布的影响.

根据澎溪河水文特征及沿岸城镇分布状况，设渠口(上断面)、 高阳(中断面)和双江(下断面)这3个采样断面，用蚌式采样器在河底不同深度(0~20、 20~40、 40~60、 60~80、 80~100 cm)采集底泥样品(图 1). 考虑库区特殊的调蓄水制度(图 2)，因此本研究共设置了2 个水位高程: 160 m和170 m. 共采集了71个土壤混合样品. 采集的原状新鲜土样立即密封，并立即置于4℃冷冻箱保存，带回实验室，经冻干、 过筛、 去除砾石和植物残体，过5 mm筛，混匀，于4℃保存.

图 1

Fig. 1

图 1 澎溪河流域采样点站位示意 Fig. 1 Sampling sites in the Pengxi River

图 2

Fig. 2

图 2 水位年际涨落变化 Fig. 2 Annual change of water-level

图 2为2010年7月到2013年7月三峡库区万州水文站水位波动，170 m水位淹水时间主要集中在每年10~12月，而160 m水位主要其中在9月~次年4月，170 m和160 m水位高程的消落带的淹水时间平均为118 d和225 d(图 3)，相差107 d，水位高程与淹水时间呈显著负相关(P＜0.000 1).

图 3

Fig. 3

图 3 水位高程与淹水时间的关系 Fig. 3 Relationship of water-level latitude with submerge time

由图 4可见，澎溪河消落带沉积物中总可转化态氮含量范围为288.54~1 123.27 mg ·kg^-1，均值为639.40mg ·kg^-1 (表 1)，空间分布趋势与总氮一致； 高程分布上表现为170 m>160 m[图 4(a)]，空间分布上不同采样断面呈上站位(渠口)>中站位(高阳)>下站位(双江)的趋势[图 4(b)]； 而在垂直深度上TF-N差异不显著[图 4(c)].

图 4

Fig. 4

不同字母表示P<0.05水平上差异显著，下同图 4 沉积物可转化态氮含量及空间分布特征 Fig. 4 Content and spatial distribution of TF-N in the sediment

由表 1可知，IEF-N在各氮形态中含量最低，分布范围为1.81～36.61mg ·kg^-1，均值为16.15mg ·kg^-1，占TF-N的2.53%. CF-N含量分布范围为15.09～173.15mg ·kg^-1，均值为84.80mg ·kg^-1，占TF-N的13.26%. IMOF-N含量分布范围为49.91～545.79mg ·kg^-1，均值212.90mg ·kg^-1，占TF-N的33.30%. OSF-N主要指与有机质和硫化物结合的氮形态，OSF-N含量分布范围为110.73～538.63mg ·kg^-1，均值为331.32，占TF-N的50.89%，在各氮形态中含量最高.

表 1(Table 1)

表 1 澎溪河消落带沉积物氮形态分布的描述性统计 Table 1 Descriptive statistics of nitrogen form distribution in the sediment of water level fluctuating zone of Pengxi River 氮形态 极小值 /mg·kg-1 极大值 /mg·kg-1 均值 /mg·kg-1 标准差 变异系数/% IEF-N 1.81 36.61 16.15 9.96 61.7 CF-N 15.90 173.15 84.80 32.50 38.3 IMOF-N 49.91 545.79 212.90 126.01 59.2 OSF-N 110.73 538.63 331.32 117.20 35.4 TF-N 288.54 1 123.27 639.40 209.89 32.8

表 1 澎溪河消落带沉积物氮形态分布的描述性统计 Table 1 Descriptive statistics of nitrogen form distribution in the sediment of water level fluctuating zone of Pengxi River

由图 5(a)可见，在160 m和170 m两个水位高程上各氮形态均表现为IEF-NP<0.05). 由图 5(b)可见，各形态氮在不同断面均表现为IEF-NP>0.05). IMOF-N在不同断面间差异显著，表现为渠口>高阳>双江. 由图 5(c)可知，各形态氮的含量随土层深度(深度0~100 cm)增加而减少，但各土层之间IEF-N、 CF-N、 IMOF-N、 OSF-N、 TF-N的差异并不显著.

图 5

Fig. 5

图 5 沉积物总可转化态氮中不同形态氮含量及分布特征 Fig. 5 Content and spatial distribution of nitrogen species in the TF-N of the sediment

由表 2可知，TF-N与IMOF-N、 OSF-N极显著正相关(P<0.01)，与CF-N、 IEF-N不相关，IMOF-N与OSF-N之间存在极显著正相关性，表明IMOF-N和OSF-N有可能在各种生物地球化学作用下迁移转化的方向一致，也可能是IMOF-N和OSF-N的来源相同. 而IMOF-N与IEF-N之间存在显著负相关(P<0.05)，表明IEF-N与IMOF-N之间可能存在互相转化. TF-N与消落带水位高程显著正相关； IEF-N与土层深度、 pH值显著负相关，与湖泊断面极显著负相关，与高程无显著相关性； IMOF-N与水位高程显著正相关，与pH值极显著正相关. CF-N、 OSF-N与高程、 土层、 断面、 pH值均无显著相关性.

表 2(Table 2)

表 2 沉积物氮形态分布与土层、消落带高程、湖泊断面及pH之间的相关性分析1) Table 2 Correlation of nitrogen species distribution in the sediment with layers, latitude, sampling sections and pH 水位高程 土层 断面 pH IEF-N CF-N IMOF-N OSF-N TF-N 水位高程 1 土层 0.136 1 断面 0.090 -0.085 1 pH 0.191 0.248* -0.498** 1 IEF-N -0.167 -0.303* 0.500** -0.293* 1 CF-N 0.076 -0.087 0.089 -0.207 -0.096 1 IMOF-N 0.289* -0.126 0.135 0.32** -0.318* 0.062 1 OSF-N 0.166 -0.246 -0.110 0.108 -0.182 0.050 0.388** 1 TF-N 0.328* -0.256 0.179 0.162 -0.222 0.236 0.844** 0.808** 1 1)**和*分别表示相关系数达到 0.01和 0.05的显著水平(双侧)

表 2 沉积物氮形态分布与土层、消落带高程、湖泊断面及pH之间的相关性分析1) Table 2 Correlation of nitrogen species distribution in the sediment with layers, latitude, sampling sections and pH

整体上，研究区4种形态的氮含量排序为OSF-N>IMOF-N>CF-N>IEF-N，而CF-N、 IEF-N的含量相对较低. TF-N与OSF-N、 IMOF-N极显著正相关，表明澎溪河消落区土壤的可转化氮主要以OSF-N、 IMOF-N形态存在.

IEF-N属活跃、 不稳定氮形态，与土壤晶格结合能力弱，易被植物利用，与植物的初级生产力密切相关，且易被释放参与水体氮循环^{[19, 20]}，因此，IEF-N在淹水期更易与水体发生交换. 另外，IEF-N与沉积物的黏粒、 粉粒比例呈显著的正相关，与砂粒比例呈负相关^[21]，研究区沉积物黏粒、 粉粒、 砂砾比例分别为14％、 36％和50％，为砂壤质，沉积物粒度越细,其比表面积越大,吸附容量越大. 细粒级沉积物中有机质含量高,可吸附位点多，进一步增大了吸附容量. 反之，吸附容量减少.

CF-N为溶解性有机物结合的有机氮及碳酸盐结合的无机氮，属活性态氮，释放性能稍低于IEF-N^[22]，在酸性条件下易向水体释放^[23]. 而本研究中沉积物pH值范围在4.49～5.03之间，水位波动下CF-N易进入水体，导致其在沉积物中含量较低. IMOF-N是铁锰化合物结合的氮，对氧化还原环境敏感. 还原环境有利于沉积物中IMOF-N的释放^{[24, 25]}. OSF-N在可转化态氮中释放能力最弱，难释放，不易参与氮循环^[26].

TF-N受水位高程和水文断面影响显著，表现为随高程增加及流域上游显著增加，较长出露时间有利于消落带沉积物中TF-N增加^[27]，淹水期这部分氮向水体释放，从而进一步增加了三峡支流水体富营养化形成的风险. 而IEF-N和CF-N均为活性态氮，易参与水体氮循环，淹水时间差异对其影响不大. 而OSF-N为结合态氮，与土粒结合紧密，受水位涨落和断面间高程影响均较小. 不同深度(0~100 cm)样品经历淹水和落干循环基本一致，导致经历的氧化还原条件、 扩散条件基本相同，从而在不同深度之间表现为无显著不同. 低水位高程及河流下游的淹水时间更长，高程160 m比170 m的淹水时间长107 d，另外，淹水条件下和暴露空气相比更接近还原环境，导致IMOF-N大量释放； IMOF-N和TF-N显著正相关，两者变化趋势一致，可能是TF-N受干湿循环影响的重要因素. 另一方面，pH值与IMOF-N显著正相关，说明pH值越小，不利于铁锰化合物结合的氮(IMOF-N)形成络合物与土粒结合. 澎溪河消落带沉积物pH值在4.49~5.03之间，属酸性，在流域断面、 高程上对IMOF-N带来的影响一致，不是造成IMOF-N在流域断面、 高程上显著差异的主要因素. 另外，周期性干湿循环可能使澎溪河支流下游及低水位高程消落带沉积物中砂粒比例增加，而黏粒、 粉粒流失，沉积物质地加速砂质化^[28]. 随着粒级的由细到粗,总可转化态氮以及各形态可转化态氮进一步向水体释放，在沉积物中含量均呈逐渐下降^[19]. 受水淹胁迫影响，沉积物中氮素的“源-汇”关系发生转变，可能是造成三峡支流水体富营养化现象的重要诱因.

三峡库区特殊的调蓄水制度，导致了三峡支流澎溪河消落带不同高程、 不同水文断面沉积物经历了不同程度的干湿循环，加速了澎溪河下游、 低水位高程消落带沉积物中TF-N向水体的释放. 这种变化主要由IMOF-N引起，IMOF-N在淹水胁迫、 酸性条件下更易向水体释放，导致消落带沉积物氮素的“源-汇”关系发生转化. 另外，高水位高程、 流域上游消落带沉积物出露时间相对较长，有利于TF-N含量累积，重新淹水后，向水体释放，可能加剧三峡支流水体富营养化的形成.