环境科学  2018, Vol. 39 Issue (3): 1113-1121   PDF    
引用本文
李欣, 宋林旭, 纪道斌, 刘德富, 苏青青, 吕林鹏, 王雄, 黄亚男, 吴庆. 春季敏感时期三峡水库典型支流沉积物-水界面氮释放特性[J]. 环境科学, 2018, 39(3): 1113-1121.
LI Xin, SONG Lin-xu, JI Dao-bin, LIU De-fu, SU Qing-qing, LÜ Lin-peng, WANG Xiong, HUANG Ya-nan, WU Qing. Characteristics of Nitrogen Release at the Sediment-Water Interface in the Typical Tributaries of the Three Gorges Reservoir During the Sensitive Period in Spring[J]. Environmental Science, 2018, 39(3): 1113-1121.
春季敏感时期三峡水库典型支流沉积物-水界面氮释放特性
李欣1, 宋林旭1, 纪道斌1, 刘德富2, 苏青青1, 吕林鹏1, 王雄1, 黄亚男1, 吴庆1     
1. 三峡大学水利与环境学院, 宜昌 443002;
2. 湖北工业大学, 河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室, 武汉 430068
收稿日期: 2017-07-17; 修订日期: 2017-09-12
基金项目: 国家自然科学基金重大项目（91647207）；国家自然科学基金项目（51779128）；国际科技合作与交流专项（2014DFE70070）；国家自然科学基金青年科学基金项目（51509086）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07104-005-02）
作者简介: 李欣(1993~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为沉积物迁移转化过程, E-mail:463659591@qq.com
通信作者: 宋林旭, E-mail:280825327@qq.com; 纪道斌, E-mail:dbjictgu@hotmail.com
摘要: 为研究春季敏感时期三峡水库典型支流沉积物-水界面氮释放特性，于2016年4月采集香溪河库湾上覆水和沉积物样品，分析香溪河库湾沉积物-水系统不同氮形态营养盐浓度的分布特征，计算沉积物-水界面不同氮形态的扩散通量并与环境因子进行相关性分析.结果表明，香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ（TN）的变化范围分别为1.10~6.90 mg ·L-1和6.19~32.57 mg ·L-1；上覆水和沉积物间隙水中氮质量浓度在沿程和垂向上有一定的变化规律：各采样点上覆水中氮质量浓度在沿程和垂向上没有明显的变化趋势，上游区域的沉积物间隙水中氮质量浓度明显大于下游区域，沉积物间隙水ρ（NH4+-N）明显大于上覆水，沉积物间隙水ρ（NO3--N）略小于上覆水；香溪河沉积物总体上表现为NH4+-N的"源"，NO3--N的"汇"；NH4+-N的扩散通量范围为2.70~4.72 mg ·（m2 ·d）-1；NO3--N的释放通量范围为-1.61~-0.62 mg ·（m2 ·d）-1；香溪河库湾沉积物氮主要以铵态氮的形态存在：沉积物中ρ（NH4+-N）范围为69.97~1185.97 mg ·kg-1，ρ（NO3--N）范围为2.78~38.17 mg ·kg-1，沉积物ρ（NH4+-N）与沉积物间隙水ρ（NH4+-N）在表层0~8 cm的变化趋势一致.
关键词: 三峡水库      香溪河      氮      沉积物-水界面      扩散通量     
Characteristics of Nitrogen Release at the Sediment-Water Interface in the Typical Tributaries of the Three Gorges Reservoir During the Sensitive Period in Spring
LI Xin1 , SONG Lin-xu1 , JI Dao-bin1 , LIU De-fu2 , SU Qing-qing1 , LÜ Lin-peng1 , WANG Xiong1 , HUANG Ya-nan1 , WU Qing1     
1. College of Hydraulic and Environmental Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China;
2. Hubei Key Laboratory of Ecological Restoration of River-lakes and Algal Utilization, School of Civil Engineering, Architecture and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China
Abstract: Overlying water and sediment interstitial water samples were acquired to study the nitrogen release between sediments and water interfaces in Xiangxi Bay in April 2016 during the Sensitive Period in spring. The spatial distribution of different forms of nitrogen in the sediment was analyzed, the diffusion fluxes of different forms of nitrogen in the sediments and water systems were also measured, and a correlation analysis with environmental factors was conducted. The results show that overlying water and sediment interstitial water ρ(TN) ranges from 1.10 to 6.90 mg·L-1 and 6.19 to 32.57 mg·L-1 respectively; indicating the nitrogen concentrations in the overlying and interstitial water of sediments have a certain variation along the process and vertically. The interstitial water nitrogen concentrations in the upstream area are higher than those in the downstream area. The interstitial water ρ(NH4+-N) in the sediment is significantly larger than that in the overlying water, but the interstitial water ρ(NO3--N) in the sediment is slightly smaller than that in the overlying water. Xiangxi Bay sediment acts as a source of NH4+-N; however, for NO3--N it is a sink. The diffusive fluxes of NH4+-N range from 2.70 to 4.72 mg·(m2·d)-1; and the diffusive fluxes of NO3--N range from -1.61 to -0.62 mg·(m2·d)-1. Nitrogen is mainly present in the form of ammonium nitrogen in the sediment of Xiangxi Bay. The ρ(NH4+-N) in the sediment ranges from 69.97-1185.97 mg·kg-1, ρ(NO3--N) ranges from 2.78-38.17 mg·kg-1, and the ρ(NH4+-N) in sediments in the surface at 0-8 cm changes with the same trend.
Key words: Three Gorges Reservoir      Xiangxi Bay      nitrogen      sediment-water interface      diffusive flux     

三峡水库蓄水后, 香溪河下游河段水位随之升高, 水流减缓, 水环境由典型的河流水体转变为类似湖泊的缓流水体.每年春季香溪河库湾均暴发不同程度的水华现象[1], 而其来源主要分为：上游来流与次级支流汇入、点源、面源污染与内源污染等[2].沉积物是各种污染物质及其相互作用的载体, 可作为污染物的“汇”富集水体中的污染物; 同时在一定的环境条件下, 可通过扩散、再悬浮等作用向上覆水体中释放污染物, 成为污染物的“源”, 即内源污染.在外源输入负荷得到控制的情况下, 沉积物向上覆水中释放氮营养盐是水体富营养化的重要原因[3].沉积物与污染物之间、沉积物各组分之间、不同形态污染物之间以及沉积物-水界面之间始终处于一个动态过程[4].氮素是水生生物生长和繁殖的关键生源要素, 同时也是引发水体富营养化的关键元素之一[5, 6], 而氮在湖泊沉积物的地球化学循环是一个极为复杂同时极为重要的过程[7, 8], 不同形态的氮和沉积物的物理化学结合能力不同, 在氮循环中所起的作用也不同[9].蓄积在沉积物中的营养物质在一定条件下通过形态变化、改变界面特性和释放等途径影响上覆水的质量[10], 不同形态的氮在沉积物中形态并不是固定的, 各种环境因素如温度、盐度、生物扰动、微生物等都会对其相互转化产生影响[11]. Reddy等[12]模拟沉积物水界面的持续扰动实验, 表明水体扰动促进沉积物颗粒物的再悬浮, 从而促进无机氮向上覆水体中释放.林贤彪[13]的研究表明：无机氮界面的交换作用还同沉积物性质、上覆水无机氮浓度和季节有关.卓海华等[14]对三峡库区主要入库支流表层沉积物营养盐含量水平、时空变化及污染状况分析和评价, 但对于三峡库区典型支流沉积物-水界面氮扩散通量的研究鲜有.本文以三峡水库典型支流香溪河库湾为研究对象, 分析春季敏感时期香溪河库湾沉积物-水界面不同氮形态营养盐浓度的分布特征, 并利用一维孔隙水扩散模型(Fick定律)估算香溪河库湾内源氮扩散通量, 分析香溪河沉积物氮释放特性, 以期为沉积物内源氮负荷的计算及控制提供理论基础, 并为三峡库区的富营养化风险防治提供科学支撑.

1 材料与方法 1.1 香溪河概况

香溪河又名昭君溪, 系长江三峡水库湖北省库区内第一大支流, 发源于湖北省西北部神农架林区, 河口距三峡大坝34.5 km, 河流由北向南, 在秭归香溪汇入水库干流.香溪河干流长94 km, 流域范围为110°25′~111°06′E、30°57′~31°34′N, 流域总面积为3 099 km2[15].香溪河流域属亚热带大陆性季风气候, 多年平均气温16.6℃, 年均降雨量为1 015.6 mm[16].据昭君镇以下2 km处水文站(控制流域面积1 900 km2)记载, 香溪河流域河口断面多年平均流量40.18 m3·s-1[17].

1.2 采样点布设

在香溪河从河口至156 m回水末端昭君镇沿河道中泓线每间隔约6 km布设1个采样点, 共4个, 采样点编号依次为1、2、3、4, 另外在水库干支流交汇处设置一个采样点, 具体见表 1和图 1.

表 1 采样点坐标及距河口的距离 Table 1 Sampling site coordinates and the distance to the mouth of the estuary

图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Site locations

1.3 样品采集与处理

利用中国水利水电科学研究院水环境研究所研制的柱状采样器(Φ60×1 000 mm)采集5个采样点的上覆水和沉积物样品(0 cm±20 cm), 先将采泥器沉积物-水界面向上20 cm以外的水吸出, 然后分别以2 cm的间隔用上覆水取样装置采集上覆水并倒入300 mL聚乙烯水样瓶中, 将上覆水抽完之后, 从沉积物-水界面向下开始以2 cm的间隔切取沉积物样品并分装入聚乙烯离心管中.每个采样点的水样和沉积物样品均采集3次, 将3次样品混合作为该采样点样品, 水样和沉积物样品均放入冷藏箱中保存, 带回实验室后立即分析(由于4号点水位较浅, 沉积物颗粒小, 采集沉积物样品难度大, 故只取到12 cm厚度的沉积物样品).

1.4 分析方法

水温、pH值、溶解氧(DO)利用美国Hydrolab DS5多参仪测定; 沉积物间隙水的获取：在室温条件下, 采用DL-5M型低速冷冻离心机在2 000 r·min-1下离心30 min, 将离心出的上清液倒入50 mL离心管中, 放入冰箱冷藏; 上覆水和沉积物间隙水样品需经孔径为0.45 μm的玻璃纤维滤膜过滤, 并在24 h之内按文献[18]完成总氮(TN)、硝氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)的测定; 沉积物TN含量采用凯氏定氮法[19]测定, 沉积物NO3--N和NH4+-N含量按文献[20]测定.数据采用Origin 8.5和SPSS 20.0进行统计分析和插图制作.

2 结果与分析 2.1 上覆水环境因子的空间分布特征

香溪河上覆水中的ρ(DO)、pH和温度的空间分布如图 2所示.从中可知, 从沿程分布来看, 自上游到河口下游ρ(DO)呈现两头低中间高的分布特征, ρ(DO)变化范围为9.10~10.43 mg·L-1, 平均值为9.54 mg·L-1; pH从上游到河口下游总体上缓慢降低, 上覆水pH变化范围为8.37~8.79, 平均值为8.48, 呈弱碱性; 温度的空间变化趋势从上游到下游呈逐渐升高的趋势, 变化范围为12.24~12.70℃, CJ采样点的温度值最高, 为12.70℃.

图 2 上覆水中ρ(DO)、pH和温度的空间变化 Fig. 2 Spatial distribution of DO, pH, and temperature in overlying water

对于水库支流库湾, 不少学者认为其属于典型的湖泊型水体[21].但YANG等[22]对香溪河进行常年现场监测后发现, 长江干流水体在冬季、春夏季、秋季分别通过底层、中层和表层倒灌入香溪河库湾, 上游来流大多时间主要从库湾底层流向水库干流, 因此库湾底部的水体长期处于非静止状态.各采样点上覆水中ρ(DO)均大于6 mg·L-1, 表明没有出现底层缺氧的现象, 且河口中游区域底层水体环境的氧化能力高于上下游区域.

2.2 沉积物氮形态的空间分布特征

图 3表示的是香溪河沉积物不同氮形态的空间变化, 从中可知, 香溪河沉积物中ρ(NH4+-N)范围为69.97~1 185.97 mg·kg-1, 平均值665.75 mg·kg-1, CJ、1~4采样点沉积物中ρ(NH4+-N)的平均含量分别为628.87、615.33、759.44、693.33和631.78 mg·kg-1.香溪河沉积物中ρ(NO3--N)范围为2.78~38.17 mg·kg-1, 平均值9.73 mg·kg-1, CJ、1~4采样点沉积物中ρ(NO3--N)的平均含量分别为6.65、6.31、4.94、10.06和20.69 mg·kg-1.香溪河沉积物ρ(NH4+-N)较ρ(NO3--N)高出一个数量级, 表明香溪河沉积物氮主要以铵态氮的形态存在.

图 3 香溪河沉积物不同氮形态的空间变化 Fig. 3 Spatial distribution of different nitrogen forms in the sediment of Xiangxi Bay

从沿程上看, 从干支流交汇处到上游沉积物ρ(NH4+-N)表现为中间高两头低的分布特征, 在2号采样点存在最大值759.44 mg·kg-1, 但沉积物ρ(NO3--N)表现为中间低两头高的分布特征, 在2号采样点存在最小值4.94 mg·kg-1. CJ采样点沉积物ρ(NH4+-N)和 ρ(NO3--N)的平均值均低于香溪河沉积物ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)的平均值.从垂向上看, CJ、1、3和4号采样点ρ(NH4+-N)随深度的增加先升高后降低, 在8 cm左右取得最大值, 2号采样点ρ(NH4+-N)随深度的增加呈逐渐升高的趋势.各采样点ρ(NO3--N)沿垂向差异不大.

2.3 沉积物-水系统氮营养盐空间分布特征 2.3.1 ρ(TN)分布特征

由图 4可见, 各采样点上覆水中ρ(TN)在垂向上无明显的变化趋势, ρ(TN)在1.10~6.90 mg·L-1之间波动.从沉积物-水界面垂直向下, 3号和4号采样点的ρ(TN)呈逐渐升高的趋势, 其余采样点的ρ(TN)呈先增加后减少的趋势.香溪河库湾沉积物间隙水中ρ(TN)的变化范围为6.19~32.57 mg·L-1, 干流CJ采样点的ρ(TN)平均值最高, 平均值为21.15 mg·L-1, 2号采样点的ρ(TN)平均值最低, 平均值为10.88 mg·L-1.香溪河库湾各采样点沉积物间隙水中ρ(TN)至少是上覆水的2倍, 因此, 上覆水中较低的ρ(TN)有利于沉积物中N的释放.

图 4 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(TN)的空间变化 Fig. 4 Spatial distribution of TN in the overlying water and the sediment pore water in Xiangxi Bay

2.3.2 ρ(NH4+-N)分布特征

由图 5可见, 上覆水ρ(NH4+-N)在垂向上的变化与ρ(TN)的变化趋势一致.各采样点沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)随深度增加呈逐渐升高的趋势, 干流CJ采样点间隙水中ρ(NH4+-N)平均值最大, 平均值为9.51 mg·L-1, 最大值为14.49 mg·L-1.从沉积物-水界面向下, 随深度的增加沉积物含氧量降低, 还原环境有利于有机氮氨化作用进行, 相应地消耗氨的硝化作用减弱, 致使NH4+-N在沉积物中发生累积[23], 故表现为随深度增加NH4+-N浓度逐渐升高.

图 5 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)的空间变化 Fig. 5 Spatial distribution of NH4+-N in the overlying water and the sediment pore water in Xiangxi Bay

2.3.3 ρ(NO3--N)分布特征

由图 6可见, 各采样点上覆水中ρ(NO3--N)没有明显的变化趋势, 呈上下波动的趋势, 上游4号采样点上覆水中ρ(NO3--N)在各层中都最低.干流CJ采样点沉积物间隙水中ρ(NO3--N)从沉积物-水界面向下逐渐升高, 香溪河库湾沉积物间隙水中ρ(NO3--N)从沉积物-水界面向下呈先升后降的趋势, 且上覆水中ρ(NO3--N)略高于间隙水, 浓度梯度差较小.这可能是因为NO3--N进入还原性较强的深层沉积物(>10 cm)中, 由于反硝化作用参与有机分解、矿化等所致, ρ(NO3--N)较沉积物含氧层明显降低, 这与WANG等[24]在研究滇池沉积物氮内源负荷得出的结论一致.

图 6 香溪河上覆水、沉积物间隙水中ρ(NO3--N)的空间变化 Fig. 6 Spatial distribution of NO3--N in the overlying water and the sediment pore water in Xiangxi Bay

2.4 沉积物-水界面氮营养盐的交换特征

沉积物中营养物质对水体的影响与沉积物-水界面的营养物质交换密切相关[25].由于上覆水和沉积物间隙水中营养盐存在浓度差异, 必然存在一个由高浓度向低浓度进行的分子扩散作用, 因此, 研究沉积物-水界面营养物质的扩散通量具有重要的环境意义[26].根据二者之间的浓度梯度及其物理化学性质可以估算沉积物-水界面营养盐的扩散通量.根据Fick第一扩散定律[27]及文献[28, 29], 其改进公式:

式中, Js为分子扩散通量, mg·(m2·d)-1; 为表层沉积物的孔隙度, %; Ds为表层沉积物中物质的扩散系数, cm2·s-1; ∂c/∂x为沉积物-水界面的营养盐浓度梯度, mg·(L·cm)-1.当≤0.7时, Ds=·D0; 当＞0.7时, Ds=2·D0.其中, 孔隙度根据称量沉积物样品的湿质量和干质量, 按上述公式进行计算[30]; D0为无限稀释溶液中溶质的扩散系数, cm2·s-1; (∂c/∂x)x=0为沉积物-上覆水界面的营养盐浓度梯度.有国外学者通过实验得出稀释溶液中溶质的扩散系数(D0)和温度(T, 上覆水)的经验公式, 进一步校准温度和孔隙度的差异造成的误差.该研究取样在4月进行, 库湾平均水温约为12.5℃, NH4+、NO3-无限稀释溶液中溶质的扩散系数分别为14.74×10-6 cm2·s-1、14.29×10-6 cm2·s-1[31].用表层沉积物(0~4 cm)间隙水与界面向上覆水4 cm左右处的营养盐浓度对深度进行指数拟合, 根据拟合所得表达式对深度(x)求导, 进而求出沉积物-水界面∂c/∂x的值, 并运用Fick第一定律计算出相应点位NH4+-N、NO3--N的扩散通量Js.

2.4.1 NH4+-N的扩散通量

由表 2可以看出, 各采样点的相关系数R2>0.75, 指数拟合效果较理想.香溪河NH4+-N是由沉积物间隙水向上覆水体扩散, 香溪河库湾的沉积物总体上表现为NH4+-N的“源”.扩散通量范围为2.70~4.72 mg·(m2·d)-1.这一方面可能与水生植物、浮游植物在利用氮素时优先吸收利用NH4+-N有关[32], 另一方面与间隙水NH4+-N很大一部分来自有机质的分解作用使NH4+-N得以再生有关[33].上游4号采样点沉积物NH4+-N扩散通量明显高于其余各采样点, 有学者通过对香溪河流域内非点源氮、磷负荷的研究中发现[34], 香溪河上游支流面源污染严重, 为香溪河库湾上游区域贡献了丰富的氮营养盐.

表 2 NH4+-N的扩散通量 Table 2 Fluxes of NH4+-N

2.4.2 NO3--N的扩散通量

由表 3可以看出, 各采样点的相关系数R2>0.74, 指数拟合效果较理想.由于上覆水和沉积物间隙水NO3--N存在浓度差, 香溪河沉积物NO3--N由上覆水向沉积物间隙水扩散, 香溪河库湾的沉积物总体上表现为NO3--N的“汇”.扩散通量范围为-1.61~-0.62 mg·(m2·d)-1.这可能是因为界面水动力或底栖生物扰动导致沉积物溶解氧含量增大, 而沉积物-水界面处于氧化状态, 硝化作用增强, NH4+-N被硝化细菌氧化, 造成NO3--N浓度上升.

表 3 NO3--N的扩散通量 Table 3 Fluxes of NO3--N

3 讨论 3.1 香溪河库湾沉积物氮的垂向差异性分析

变异系数(CV)是表征各样本间变异程度的重要尺度. 表 4显示了春季香溪河各采样点沉积物TN垂向变化的变异系数, 从中可以看出：监测期间各采样点沉积物总氮在垂向上的变异系数均>30%, 为强变异类型; 从干支流交汇处到上游, 变异系数呈现中间低两头高的分布特征, 上游4号采样点沉积物TN变异系数超过80%, 而且4号采样点沉积物TN平均值达到最高; 除了2号采样点, 其余采样点沉积物不同氮形态的平均值与变异系数整体上呈正相关, 这与刘碧波等[35]研究东湖典型区域间隙水中营养盐时空分布的结论相反; 2号采样点沉积物TN变异系数最低, 但其氮营养水平较高, 沉积物ρ(NH4+-N)达到最高, 这是由于因NH4+-N对环境变化敏感, 受此地区人为活动干扰大[36], 2号采样点附近有集镇和工厂, 会对沉积物营养水平产生较大影响.

表 4 香溪河沉积物TN的变异系数 Table 4 Variation coefficient of TN in the sediment of Xiangxi Bay

3.2 香溪河库湾沉积物-水系统氮释放特性分析

香溪河沉积物间隙水ρ(NH4+-N)明显大于上覆水, 沉积物间隙水ρ(NO3--N)略小于上覆水, 表明NH4+-N和NO3--N在沉积物-水界面间的迁移趋势相反.香溪河库湾沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)随深度增加而升高, 相对于上层, 下层沉积物通常缺氧程度较高, 适宜于高价态氮向低价态氮转化, 并且下层受水动力扰动作用较小, 比上层沉积物更有利于NH4+-N在沉积层中保存, 因而表层沉积物间隙水中的ρ(NH4+-N)低于下层[37].香溪河库湾沉积物间隙水中ρ(NO3--N)在沉积物-水界面向下0~10 cm内随深度增加而升高, 10 cm以下逐渐降低, 最后趋于稳定, 表明香溪河库湾沉积物矿化、硝化与反硝化作用主要发生在0~10 cm深度范围内. NO3--N在沉积物-水界面的迁移受到沉积物结构、含氧量、生物扰动等因素的影响[4], 从表层沉积物向下, 随着沉积物厚度的增加使得含氧量降低, 有机物分解耗氧使沉积物处于低氧状态, 硝化反应受到抑制, 反硝化作用消耗NO3--N, 造成沉积物间隙水NO3--N浓度低于上覆水, 故沉积物表现为NO3--N的“汇”.

香溪河库湾沉积物氮主要以铵态氮的形态存在, 陈国元等[38]在研究中发现, 沉积物总氮的质量分数与可溶性铵态氮质量分数呈正相关, 沉积物中总氮质量分数影响着间隙水的铵态氮质量浓度.沉积物中ρ(NH4+-N)在0~8 cm之间与沉积物间隙水中ρ(NH4+-N)的变化趋势一致, 8 cm以下沉积物ρ(NH4+-N)呈逐渐降低的趋势, 造成这种现象的原因可能是由于底栖动物通过生物扰动等一系列生理活动影响营养盐在沉积物-水界面之间的迁移、转化, 会促进或抑制微生物的活动, 从而会影响氮的交换过程[39, 40].

3.3 春季敏感时期环境条件与沉积物氮释放的响应关系

从2003年开始, 春季敏感时期三峡库区主要支流每年均暴发不同程度的水华, 严重影响库湾水环境质量和水体功能.刘流等[41]研究发现香溪河春季水温分层的发育是发生富营养化的诱因.温度可以通过改变微生物活性而抑制或加速沉积物中不同形式氮的释放速率.微生物在沉积物-水界面之间进行的一系列迁移转化过程中起着关键的作用, 氨化、硝化、反硝化过程都需要微生物的参与.春季温度逐渐升高时, 沉积物中微生物活动加强, 一方面可以加快有机氮的分解或有机质的矿化, 使得沉积物氮的释放速率增加; 另一方面生物大量繁殖, 浮游植物急剧消耗水体中无机氮, 无机氮从沉积物向上覆水扩散速率加快[42].当春季存在水温分层现象时, 温度的分层抑制了香溪河库湾水体运动能量的向下传递, 造成上下层水流流速上的差异, 利于垂向上的物质交换, 促进香溪河沉积物氮的释放.

4 结论

(1) 香溪河库湾上覆水中ρ(DO)均大于6 mg·L-1, 自上游至河口下游沿程底层水体环境的氧化能力表现为中间高两头低的分布特征, 沉积物-水界面处在良好的弱碱性氧化环境中, 从上游到下游底部温度呈逐渐升高的趋势.

(2) 香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ(TN)的变化范围分别为1.10~6.90 mg·L-1和6.19~32.57 mg·L-1; 上覆水和沉积物间隙水中氮质量浓度在沿程和垂向上有一定的变化规律：各采样点上覆水中氮质量浓度在沿程和垂向上没有明显的变化趋势, 呈上下波动的趋势; 上游区域的沉积物间隙水中氮质量浓度明显大于下游区域; 香溪河沉积物间隙水ρ(NH4+-N)明显大于上覆水, 沉积物间隙水ρ(NO3--N)略小于上覆水, 表明NH4+-N和NO3--N在沉积物-水界面间的迁移趋势相反.

(3) 香溪河沉积物总体上表现为NH4+-N的“源”, NO3-N的“汇”; NH4+-N的扩散通量范围为2.70~4.72 mg·(m2·d)-1; NO3--N的释放通量范围为-1.61~-0.62 mg·(m2·d)-1.

(4) 香溪河库湾沉积物氮主要以铵态氮的形态存在：香溪河沉积物中ρ(NH4+-N)范围为69.97~1 185.97 mg·kg-1, ρ(NO3--N)范围为2.78~38.17 mg·kg-1.沉积物ρ(NH4+-N)与沉积物间隙水ρ(NH4+-N)在表层0~8cm的变化趋势一致, NO3--N无明显的变化趋势.

致谢: 肖尚斌教授在文章的修改和润色中给予了极大帮助, 生态水工学课题组的刘心愿、黄佳维等在野外采样及实验分析中给予了大力支持, 谨致谢忱!
参考文献
[1] 黄亚男, 纪道斌, 龙良红, 等. 三峡库区典型支流春季特征及其水华优势种差异分析[J]. 长江流域资源与环境, 2017, 26(3): 461-470.
Huang Y N, Ji D B, Long L H, et al. The variance analysis of characteristics and blooms of the typical tributaries of the three gorges reservoir in spring[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2017, 26(3): 461-470.
[2] Mortimer C H. The exchange of dissolved substances between mud and water in lakes[J]. The Journal of Ecology, 1941, 29(2): 280-329. DOI:10.2307/2256395
[3] 李宝, 丁士明, 范成新, 等. 滇池福保湾底泥内源氮磷营养盐释放通量估算[J]. 环境科学, 2008, 29(1): 114-120.
Li B, Ding S M, Fan C X, et al. Estimation of releasing fluxes of sediment nitrogen and phosphorus in Fubao bay in Dianchi lake[J]. Environmental Science, 2008, 29(1): 114-120.
[4] 陈朱虹, 陈能汪, 吴殷琪, 等. 河流库区沉积物-水界面营养盐及气态氮的释放过程和通量[J]. 环境科学, 2014, 35(9): 3325-3335.
Chen Z H, Chen N W, Wu Y Q, et al. Sediment-water flux and processes of nutrients and gaseous nitrogen release in a China river reservoir[J]. Environmental Science, 2014, 35(9): 3325-3335.
[5] Han H J, Lu X X, Burger D F, et al. Nitrogen dynamics at the sediment-water interface in a tropical reservoir[J]. Ecological Engineering, 2014, 73: 146-153. DOI:10.1016/j.ecoleng.2014.09.016
[6] Shan L N, He Y F, Chen J, et al. Nitrogen surface runoff losses from a Chinese cabbage field under different nitrogen treatments in the Taihu Lake Basin, China[J]. Agricultural Water Management, 2015, 159: 255-263. DOI:10.1016/j.agwat.2015.06.008
[7] Kim L H, Choi E, Stenstrom M K. Sediment characteristics, phosphorus types and phosphorus release rates between river and lake sediments[J]. Chemosphere, 2003, 50(1): 53-61. DOI:10.1016/S0045-6535(02)00310-7
[8] Busigny V, Lebeau O, Ader M, et al. Nitrogen cycle in the late archean ferruginous ocean[J]. Chemical Geology, 2013, 362: 115-130. DOI:10.1016/j.chemgeo.2013.06.023
[9] 潘伟亮, 何强, 艾海男, 等. 重庆典型区域雨水管道沉积物中氮磷污染特征分析[J]. 环境科学学报, 2015, 35(1): 257-261.
Pan W L, He Q, Ai H N, et al. Analysis on characteristics of nitrogen and phosphorus in storm sewer sediments in Chongqing City[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(1): 257-261.
[10] Zhou Q X, Gibson C E, Zhu Y M. Evaluation of phosphorus bioavailability in sediments of three contrasting lakes in China and the UK[J]. Chemosphere, 2001, 42(2): 221-225. DOI:10.1016/S0045-6535(00)00129-6
[11] 王功芹, 朱珠, 张硕. 海州湾表层沉积物中氮的赋存形态及其生态意义[J]. 环境科学学报, 2016, 36(2): 450-457.
Wang G Q, Zhu Z, Zhang S. Nitrogen forms in the surface sediment of Haizhou Bay and their ecological significance[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(2): 450-457.
[12] Reddy K R, Jessup R E, Rao P S C. Nitrogen dynamics in a eutrophic lake sediment[J]. Hydrobiologia, 2004, 159(2): 177-188.
[13] 林贤彪, 林啸, 颜燕燕, 等. 闽江口盐淡水湿地沉积物-水界面无机氮交换通量特征[J]. 水土保持学报, 2013, 27(5): 260-266.
Lin X B, Lin X, Yan Y Y, et al. Inorganic nitrogen exchange fluxes at the sediment-water interface in saline-fresh water wetland of Min river estuary[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(5): 260-266.
[14] 卓海华, 邱光胜, 翟婉盈, 等. 三峡库区表层沉积物营养盐时空变化及评价[J]. 环境科学, 2017, 35(12): 5020-5031.
Zhuo H H, Qiu G S, Zhai W Y, et al. Evaluation of temporal and spatial variation characteristics of nutrients in surface sediment of the Three Gorges Reservoir Area[J]. Environmental Science, 2017, 35(12): 5020-5031.
[15] 刘德富, 黄钰铃, 纪道斌, 等. 三峡水库支流水华与生态调度[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2013.
[16] 唐涛, 黎道丰, 潘文斌, 等. 香溪河河流连续统特征研究[J]. 应用生态学报, 2004, 15(1): 141-144.
Tang T, Li D F, Pan W B, et al. River continuum characteristics of Xiangxi River[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(1): 141-144.
[17] 雒文生, 谈戈. 三峡水库香溪河库湾水质预测[J]. 水电能源科学, 2000, 18(4): 46-48.
Luo W S, Tan G. Three Gorges Reservoir Xiangxihe bay water quality prognosis[J]. International Journal Hydroelectric Energy, 2000, 18(4): 46-48.
[18]
[19] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 第三版. 北京: 中国农业出版社, 2000.
[20] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.
[21] 郑丙辉, 张远, 富国, 等. 三峡水库营养状态评价标准研究[J]. 环境科学学报, 2006, 26(6): 1022-1030.
Zheng B H, Zhang Y, Fu G, et al. On the assessment standards for nutrition status in the Three Gorge Reservoir[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(6): 1022-1030.
[22] Yang Z J, Liu D F, Ji D B, et al. Influence of the impounding process of the Three Gorges Reservoir up to water level 172.5m on water eutrophication in the Xiangxi Bay[J]. Since China Technological Sciences, 2010, 53(4): 1114-1125. DOI:10.1007/s11431-009-0387-7
[23] 刘峰, 高云芳, 王立欣, 等. 水域沉积物氮磷赋存形态和分布的研究进展[J]. 水生态学杂志, 2011, 32(4): 137-144.
Liu F, Gao Y F, Wang L X, et al. Review on nitrogen and phosphorus forms and distribution in sediments[J]. Journal of Hydroecology, 2011, 32(4): 137-144.
[24] 汪淼, 严红, 焦立新, 等. 滇池沉积物氮内源负荷特征及影响因素[J]. 中国环境科学, 2015, 35(1): 218-226.
Wang M, Yan H, Jiao L X, et al. Characteristics of internal nitrogen loading and influencing factors in Dianchi Lake sediment[J]. China Environmental Science, 2015, 35(1): 218-226.
[25] Serruya C, Edelstein M, Pollingher U, et al. Lake Kinneret sediments:nutrient composition of the pore water and mud water exchanges[J]. Limnology and Oceanography, 1974, 19(3): 489-508. DOI:10.4319/lo.1974.19.3.0489
[26] 黄小平, 郭芳, 岳维忠. 南海北部沉积物间隙水中营养盐研究[J]. 热带海洋学报, 2006, 25(5): 43-48.
Huang X P, Guo F, Yue W Z. Studies on nutrients in sediment interstitial water in northern South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2006, 25(5): 43-48.
[27] 宋金明. 中国近海沉积物-海水界面化学[M]. 北京: 海洋出版社, 1997.
[28] McComb A J, Qiu S, Lukatelich R J, et al. Spatial and temporal heterogeneity of sediment phosphorus in the Peel-Harvey estuarine system[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1998, 47(5): 561-577. DOI:10.1006/ecss.1998.0389
[29] Ullman W J, Aller R C. Diffusion coefficients in nearshore marine sediments[J]. Limnology and Oceanography, 1982, 27(3): 552-556. DOI:10.4319/lo.1982.27.3.0552
[30] Urban N R, Dinkel C, Wehrli B. Solute transfer across the sediment surface of a eutrophic lake:I. Porewater profiles from dialysis samplers[J]. Aquatic Sciences, 1997, 59(1): 1-25. DOI:10.1007/BF02522546
[31] Li Y H, Gregory S. Diffusion of ions in sea water and in deep-sea sediments[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1974, 38(5): 703-714. DOI:10.1016/0016-7037(74)90145-8
[32] Schneider S, Melzer A. Sediment and water nutrient characteristics in patches of submerged macrophytes in running waters[J]. Hydrobiologia, 2004, 527(1): 195-207. DOI:10.1023/B:HYDR.0000043301.50788.36
[33] 冯峰, 方涛, 刘剑彤. 武汉东湖沉积物氮磷形态垂向分布研究[J]. 环境科学, 2006, 27(6): 1078-1082.
Feng F, Fang T, Liu J T. Vertical distribution of species of nitrogen and phosphorus in the sediments of Lake Donghu[J]. Environmental Science, 2006, 27(6): 1078-1082.
[34] 宋林旭, 刘德富, 肖尚斌, 等. 基于SWAT模型的三峡库区香溪河非点源氮磷负荷模拟[J]. 环境科学学报, 2013, 33(1): 267-275.
Song L X, Liu D F, Xiao S B, et al. Study on non-point nitrogen and phosphorus load from Xiangxi River in the Three Gorges Reservoir area based on SWAT[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2013, 33(1): 267-275.
[35] 刘碧波, 丰民义, 刘剑彤. 东湖典型区域间隙水中营养盐的时空分布[J]. 长江流域资源与环境, 2012, 21(8): 979-986.
Liu B B, Feng M Y, Liu J T. Spatial distribution and seasonal variation of nutrients in pore water of typical area of East lake[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2012, 21(8): 979-986.
[36] 曹明, 蔡庆华, 刘瑞秋, 等. 三峡水库库首初期蓄水前后理化因子的比较研究[J]. 水生生物学报, 2006, 30(1): 12-19.
Cao M, Cai Q H, Liu R Q, et al. Comparative research on physicochemical factors in the front of Three Gorges Reservoir before and after the initiate impounding[J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2006, 30(1): 12-19.
[37] 范成新, 杨龙元, 张路. 太湖底泥及其间隙水中氮磷垂直分布及相互关系分析[J]. 湖泊科学, 2000, 12(4): 359-366.
Fan C X, Yang L Y, Zhang L. The vertical distributions of nitrogen and phosphorus in the sediment and interstitial water in Taihu Lake and their interrelations[J]. Journal of Lake Sciences, 2000, 12(4): 359-366. DOI:10.18307/2000.0410
[38] 陈国元, 李建秋, 李清曼, 等. 武汉月湖沉积物不同形态氦含量与转换途径的垂直变化[J]. 湖泊科学, 2008, 20(4): 463-469.
Chen G Y, Li J Q, Li Q M, et al. Different forms of nitrogen contents and their vertical variations of transformation modes of the sediments of Lake Yuehu, Wuhan[J]. Journal of Lake Sciences, 2008, 20(4): 463-469.
[39] Herbert R A. Nitrogen cycling in coastal marine ecosystems[J]. FEMS Microbiology Reviews, 1999, 23(5): 563-590. DOI:10.1111/j.1574-6976.1999.tb00414.x
[40] Yamada H, Kayama M. Liberation of nitrogenous compounds from bottom sediments and effect of bioturbation by small bivalve, Theora lata (Hinds)[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1987, 24(4): 539-555. DOI:10.1016/0272-7714(87)90133-8
[41] 刘流, 刘德富, 肖尚斌, 等. 水温分层对三峡水库香溪河库湾春季水华的影响[J]. 环境科学, 2012, 33(9): 3046-3050.
Liu L, Liu D F, Xiao S B, et al. Effects of thermal stratification on spring blooms in Xiangxi Bay of the Three Gorges Reservoir[J]. Environmental Science, 2012, 33(9): 3046-3050.
[42] 于军亭, 张帅, 张志斌, 等. 环境因子对浅水湖泊沉积物中氮释放的影响[J]. 山东建筑大学学报, 2010, 25(1): 58-61.
Yu J T, Zhang S, Zhang Z B, et al. Effects of environmental factors on release of sediment nitrogen in shallow lake[J]. Journal of Shandong Jianzhu University, 2010, 25(1): 58-61.