2. 三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 宜昌 443002;
3. 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;
4. 宣州区水务局, 宣城 242000
2. Engineering Research Center of Ecoenvironment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Three Gorges University, Yichang 443002, China;
3. Hubei Key Laboratory of Ecological Restoration of River-lakes and Algal Utilization, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China;
4. Water Authority of Xuanzhou District, Xuancheng 242000, China
三峡水库自蓄水以来, 受水库干流水体回水托顶的影响, 库区支流平均水深不断升高, 断面平均流速逐渐降低, 各支流水环境状况发生了显著变化[1, 2].香溪河作为三峡库区库首的一级支流在蓄水后, 由于水位抬升, 流速减缓, 导致河流输送营养盐能力受阻, 营养物质富集, 每年暴发不同程度水华事件[3, 4].有研究表明水体中相对充足的氮、磷等营养盐是富营养化的物质基础[5], 而香溪河营养盐主要来源有点源、面源污染与沉积物内源污染等[6~9].沉积物作为水体氮磷的重要蓄积库, 上覆水的氮磷进入到沉积物后, 会发生明显的形态转化和再迁移作用[10].其中间隙水作为沉积物释放氮磷的主要载体, 其氮磷浓度的高低是沉积物释放能力和强度的直接反映[11], 并直接影响上覆水氮磷浓度和沉积物-水界面氮磷交换过程[12].因此, 了解沉积物-水系统中营养盐的赋存和分布, 对评价沉积物生源要素动态循环、防止富营养化、控制“内负荷”具有重要意义[13].
近年来, 许多学者针对三峡库区支流沉积物-水系统营养盐的分布和迁移转化进行了一些研究.冉祥滨[14]分别对135 m蓄水和156 m蓄水后, 三峡水库营养盐分布特征与滞留效应进行了研究, 并对悬浮颗粒的氮磷形态进行了分析; 高飞等[15]对彭溪河支流水体和沉积物中的磷形态进行了分析; 张永生等[16]分析了大宁河沉积物营养盐的时空分布与叶绿素的相关性; 王静等[17]对小江支流在蓄水期和泄水期的硝化反硝化速率进行了研究, 并提出蓄水期有外源物质入库, 且蓄水期氮的相关理化指标和硝化速率均高于泄水期; 潘婷婷等[18]用磷形态标准测试程序SMT法分别对三峡水库的干流和支流的磷形态进行分析, 提出了支流的水文条件对沉积物磷释放的潜在影响.牛凤霞等[19]对香溪河支流秋末冬初的磷释放通量进行了估算, 提出了沉积物内源营养负荷的潜在释放风险.罗玉红等[20]估算了香溪河沉积物和间隙水磷释放通量的时空变化特征;李欣等[21]研究了香溪河沉积物-水界面的氮磷交换特性, 提出了上覆水环境条件对氮磷交换有一定的影响.目前, 对于三峡库区沉积物-水系统氮磷释放影响的研究多集中在滞留效应、硝化反硝化速率、静态释放通量与水环境因子的相关性分析上, 而对蓄水期沉积物-水系统中氮磷的分布和释放特征鲜有研究.有研究表明三峡水库蓄水期支流受回水的影响, 水体流速降低, 水力滞留时间延长, 从而导致营养盐滞留[14].同时, 支流缓慢的流速有利于水体中悬浮物质的沉积, 导致库底水体中的悬浮微粒含量增加和多种污染物在库底积聚[22], 库湾沉积物中污染物含量较高[23].且蓄水期沉积物的理化指标含量均高于泄水期, 沉积物与上覆水之间的物质迁移转化在蓄水期加剧[17].故本文以三峡水库典型支流香溪河为研究对象, 结合蓄水期的水环境特点对沉积物-水系统的氮、磷及有机质赋存特征进行了分析, 揭示了沉积物间隙水和上覆水氮磷“源/汇”关系, 并对采样点位进行了聚类分析, 探讨了蓄水期沉积物体系和上覆水体系的水环境的差异, 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 研究区域香溪河系长江三峡水库湖北省库区内第一大支流, 干流全长94 km, 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.流域范围为110°25′~111°06′E、30°57′~31°34′N, 流域面积3 099 km2[1].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[24].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[25].三峡水库蓄水至175 m后, 香溪河库湾自河口形成约40 km范围的回水区.
1.2 样点设置从香溪河的河口至回水末端昭君镇沿河道中泓线每间隔约6 km布设1个采样断面, 共4个, 在主河道上设置4个采样断面, 分别编号为1、2、3、4.另外在长江干流靠近香溪河河口的位置设置一个采样断面, 记为CJ, 采样点的基本情况见图 1.
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图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Sites locations |
采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(Φ 60×1 000 mm)采集5个采样点的上覆水和沉积物样品[(0±20)cm)], 以2 cm的间隔抽取上覆水并倒入300 mL聚乙烯水样瓶中, 待间隙水抽取完毕后以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.同时采用Hydrolab DS5多参数水质监测仪测定水温、水深、pH、DO.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, 分别将上覆水和沉积物间隙水样品经0.45 μm的纤维滤膜过滤后于24 h之内完成分析测试.
1.4 分析方法沉积物磷形态、总氮和有机质的分析方法参考文献[26].磷形态采用标准测试程序SMT法, 总氮采用Se催化消解法进行分析[26], 硝氮(NO3--N)和氨氮(NH4+-N)分别采用酚二磺酸法和表面扩散法测定[27], 有机质采用重铬酸钾法进行测定[26].上覆水及间隙水中的DTP、DTN、NH4+-N、NO3--N、PO43-P均采用SKALAR流动分析仪(荷兰)测定.
1.5 数据统计分析实验数据均用Excel 2010处理; 采用Surfer 13.0和Origin 9.0制作图表.
2 结果与分析 2.1 蓄水期水环境特征香溪河上覆水中的ρ(DO)、温度和pH分布如表 1所示.从中可以看出: ρ(DO)呈现中间高两头低的分布特征, 变化范围为6.84~7.46 mg·L-1, 平均值为7.21 mg·L-1;温度从上游到下游呈逐渐升高, 变化范围为14.04~21.55℃, CJ采样点的温度值最高, 为21.55℃;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8.78~8.97, 平均值为8.91, 呈弱碱性.
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表 1 采样点基本信息 Table 1 Basic information of sample sites |
2.2 沉积物氮、磷及有机质分布特征 2.2.1 沉积物氮分布特征
图 2为沉积物中ρ(TN)、ρ(NO3--N)、ρ(NH4+-N)的分布情况.从中可知, 香溪河沉积物中ρ(TN)、ρ(NO3--N)、ρ(NH4+-N)范围分别为:195.01~1 813.94、13.19~179.25和34.97~296.55mg·kg-1.从空间上看, 干支流交汇处到上游处沉积物的ρ(TN)呈现两头略高中间略低的分布特征, 3号采样点ρ(TN)平均值最高, 最大值为1 026.34 mg·kg-1; ρ(NO3--N)沿程变化不明显, 1号采样点ρ(NO3--N)平均值最高, 最大值为179.25 mg·kg-1; ρ(NH4+-N)则是从上游到河口逐渐降低, 最大值出现在4号采样点, 最大值为296.55 mg·kg-1.从垂向上看, CJ、1、4号采样点的ρ(TN)随深度增加逐渐降低, 2、3号采样点ρ(TN)差异不大, CJ、1、2、3、4号采样点的ρ(NH4+-N)随深度增加先升高后降低, CJ、1、2、4号采样点的ρ(NO3--N)随深度增加先降低后升高, 3号采样点则是先升高再降低.
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图 2 沉积物氮形态分布 Fig. 2 Distribution of nitrogen forms in the sediment |
沉积物磷形态分布如图 3所示.从中可以看出, ρ(TP)、ρ(NaOH-P)、ρ(HCl-P)、ρ(OP)范围分别为:926.21~4 613.20、81.32~678.38、540.20~3 484.59、106.37~646.75 mg·kg-1.沉积物中TP的主要组成形态为IP, OP所占比例较小, 其中IP以HCl-P为主, 这与前人对三峡干支流沉积物研究结果相近[18, 28~30].从空间上看, 从干支流交汇处到上游, 沉积物的ρ(TP)、ρ(NaOH-P)、ρ(HCl-P)均呈现逐渐升高的分布特征, 其中4号采样点ρ(TP)和ρ(HCl-P)最高, 分别为3 744.75 mg·kg-1和3 456.70 mg·kg-1; 3号点的ρ(NaOH-P)最高, 为678.38 mg·kg-1; ρ(OP)则呈现中间高两头底的分布特征, 最大值出现在3号采样点, 含量为824.59mg·kg-1.从垂向上看, ρ(TP)、ρ(NaOH-P)、ρ(HCl-P)均是3号和4号点明显地随深度增加逐渐增加, 而CJ、1、2号采样点ρ(TP)、ρ(NaOH-P)、ρ(HCl-P)随深度变化不大. ρ(OP)的分布上, 中游处的2号和3号点随深度增加先增加后减少, 而河口和上游处的CJ、1号和4号采样点则随深度增加略有下降.
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图 3 沉积物磷形态分布 Fig. 3 Distribution of phosphorus forms in the sediment |
图 4表示的是沉积物中ρ(O.M.)的分布情况.从中可知, 香溪河沉积物中ρ(O.M.)范围为:0.60%~1.70%, 与卓海华等[31]和封丽等[32]的研究结果接近.从空间上看, 干支流交汇处到上游沉积物的ρ(O.M.)均呈现逐渐降低的分布特征, 其中CJ采样点ρ(O.M.)最高,最大值为1.70%.从垂向上看, 总体上各点位ρ(O.M.)的垂向变化均较大, 整体上随着深度先减少后增加, 然后再下降的变化特征.有研究表明沉积物中有机质含量占总量的1.5%时为污染临界点, 超过3%则属于严重污染[33].从图 4中可以发现在深度10 cm的范围内沉积物有机质含量均超过了污染临界点, 具有一定的污染释放的风险.
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图 4 有机质分布 Fig. 4 Distribution of O.M. |
图 5是沉积物-水系统中ρ(DTN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)的分布情况.从中可以看出, 空间上:从干支流交汇处到上游, 上覆水中的ρ(DTN)和ρ(NO3--N)逐渐降低, ρ(NH4+-N)的浓度较低但在空间上分布不明显; 间隙水的分布上, 则是上游ρ(DTN)和ρ(NH4+-N)均大于河口, ρ(NO3--N)较低且分布空间差异较小.垂向上:间隙水中ρ(DTN)、ρ(NH4+-N)高于上覆水, ρ(DTN)和ρ(NH4+-N)随深度增加而逐渐增加.与DTN和NH4+-N分布的规律明显不同的是, 上覆水中ρ(NO3--N)明显高于间隙水, 而且随着深度的降低含量逐渐升高, 上覆水体中DTN主要以NO3--N形式存在, 这与上覆水体氧化条件较好有利于NH4+-N向NO3--N的转化有关, 而间隙水中的DTN则主要以NH4+-N形式存在, 这说明底部沉积物的还原性的条件对NH4+-N的生成有利, 同时有机质的分解作用也可以使NH4+-N再生[34].
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图 5 上覆水-间隙水中ρ(DTN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)的分布 Fig. 5 Distribution of different nitrogen concentrations between interstitial water and overlying water |
图 6表示的是沉积物-水系统中ρ(DTP)、ρ(PO43--P)的分布.从中可以看出, 空间上:上覆水中的ρ(DTP)在干支流交汇处略高, 整体上沿程变化不明显; ρ(PO43--P)则在上游处最高, 从上游到河口沿程降低.间隙水体中上游的ρ(DTP)高于中下游, 中下游至河口浓度变化不明显; ρ(PO43--P)沿程变化不明显, 从上游到河口几乎一致.垂向上:间隙水中ρ(DTP)略高于上覆水体, 各点位在垂向上几乎不随深度而改变, 间隙水中ρ(PO43--P)略高于上覆水体, 在深度8 cm左右, ρ(PO43--P)的浓度不再随深度增加而递增.
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图 6 上覆水与间隙水中ρ(DTP)和ρ(PO43--P)分布 Fig. 6 Distribution of ρ(DTP)and ρ(PO43--P) between overlying water and interstitial water |
通过沉积物-水界面的不同形态氮磷的浓度梯度差异, 可以判断出界面两侧营养盐交换趋势和扩散方向, 梯度值越大, 迁移扩散的趋势就越显著. 表 4表示的是沉积物-水系统氮磷营养盐源-汇趋势, 从中可以看出, 不同形态的氮磷营养盐在沉积物-水界面的扩散方向各不相同.其中DTN和NH4+-N均表现为“源”, 而部分点位沉积物中的NO3--N则呈现为“汇”, 部分呈现为“源”. DTP方面, 由于上覆水和间隙水中ρ(DTP)接近, 除CJ点位以外, 其他4个点位均表现为微弱的“源”的特征; PO43--P的扩散规律与DTP略有不同, 除CJ采样点和4号采样点处呈现“汇”的特征外, 其余点位均呈现“源”的特征.
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表 2 上覆水间隙水氮磷营养盐源-汇趋势1) Table 2 Trend of nutritient source-sink between interstitial and overlying water |
3 讨论 3.1 不同采样点聚类分析
由于沉积物-水系统的氮磷的赋存和释放常受到水环境的影响, 上覆水温度、ρ(DO)[35]、扰动[36]、pH[37]等环境因子都会影响沉积物-水系统中营养物质的释放, 为了进一步探明香溪河水环境对沉积物-水系统营养盐分布的影响, 本研究采用分层聚类法[38]分别对各个点位的沉积物-水系统营养盐进行分析.
图 7表示的采样点的聚类分析结果, 对比其可以发现对于沉积物体系, 分为2类:第1类包括CJ采样点、1号和2号采样点, 第2类包括3号和4号采样点; 而对于上覆水体系, 分为了3类, 第1类包括3号点和4号采样点, 第2类包括1号点、2号点, 第3类包括CJ采样点.由于蓄水期干流水体通常分别以不同的倒灌方式进入干流, 正是由于倒灌方式和深度的不同导致了底部水环境的差异, 由于上覆水体受到的影响更为直接, 故上覆水体的聚类分析结果更为分散, 将CJ采样点和1号、2号采样点又分为了2类.
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图 7 采样点聚类分析 Fig. 7 Dendrogram for sampling sites |
三峡水库蓄水以后, 长江干流断面平均流速由原来的2.00 m·s-1下降到0.17 m·s-1, 而支流库湾的流速则由蓄水前的1.00~3.00 m·s-1下降到0.05 m·s-1, 处于准静止状态, 有研究者认为支流库湾水体滞留时间较大, 属于典型的湖泊型水体[39].然而, 作者所在课题组针对香溪河的监测发现, 无论是水库供水、水位降落期、水位上升期, 长江干流水体分别会通过底层、中层、表层倒灌入香溪河库湾, 而上游来流则主要从库湾底层流向水库干流[40].研究期间发现, 尽管蓄水期水位上升迅速, 但底部水体仍然具有较好的氧化条件, 上覆水体中的ρ(NO3--N)高于ρ(NH4+-N), 说明沉积物-水系统的硝化速率大于反硝化速率.同时蓄水期干流水体的倒灌也会对库湾的营养盐存在补给作用, 上覆水体中ρ(DTN)和ρ(DTP)均在干支流交汇处最大, 但由于蓄水期干流潜入深度和方式的不同, 从而对整个河段的影响大不相同, 沿河口至上游, 倒灌对这个库湾的补给逐渐减小[41].同时聚类分析的结果也证明了这一点, 对沉积物-水系统中营养盐的分布上, 在CJ、1号、2号采样点较为接近为一类, 3号和4号采样则为另一类, 但由于由于上覆水体中营养盐的分布受到的影响更为直接, 故结果较为分散.
3.3 蓄水期水环境对沉积物-水系统营养盐源/汇的影响机制分析研究期间, 沉积物中的DTN、NH4+-N、DTP(除CJ点位外)均表现为“源”.其中间隙水中的ρ(DTN)、ρ(NH4+-N)、ρ(DTP)分别是上覆水浓度的3.184、31.57、1.02倍, 说明NH4+-N的扩散趋势最大, 其次是DTN和DTP.上覆水体中的DTN则以NO3--N为主, ρ(NO3--N)与ρ(NH4+-N)比值为:2.38~4.13, 说明上覆水体处于氧化状态, 氧化程度高, 硝化作用强烈, 这与蓄水期底部水体DO的含量高一致.但底部的氧化环境对沉积物磷的释放有一定的抑制作用, 加之蓄水期水位上升, 两岸的消落带被淹没, 导致大量的颗粒物在水体悬浮、沉降, 因此间隙水中的DTP因再悬浮等迅速释放到水体, 使得间隙水-上覆水中DTP含量接近.
沉积物中的NO3--N和PO43--P则是一部分点位呈现为“源”, 一部分点位呈现为“汇”.同样沉积物中NO3--N的“源/汇”比PO43--P的更为明显, 其中2号、4号采样点表现为“汇”, 其原因可能是:一方面与沉积物-水界面NO3--N强烈地向上释放有关; 另一方面与采样点的水环境易受到周边环境的影响有关, 2号采样点靠近集镇, 受到人为干扰较大, 而4号采样点则位于上游, 由于上游支流存在一定的面源污染[42], 加之4号点底部的含氧量最高, 温度最低, 具有较好的硝化反应条件, 故导致4号采样点处上覆水体ρ(NO3--N)含量最高.在PO43--P的分布上, CJ和4号采样点呈现为“汇”, 其中CJ间隙水和上覆水中ρ(PO43--P)比较接近, 分别为0.15mg·L-1和0.16 mg·L-1, 而4号点的间隙水和上覆水中的ρ(PO43--P)分别为0.15mg·L-1和0.19mg·L-1, 这可能是:一方面由于底部的氧化环境不利于磷素的释放, 另一方面4号点有着丰富的氮磷营养盐来源[42], 进而导致了该点位沉积物在PO43--P的“源/汇”关系上具有一定的特殊性.
4 结论(1) 蓄水期香溪河ρ(DO)呈现中间高两头低的分布特征, ρ(DO)变化范围为6.84~7.46mg·L-1, 平均值为7.21mg·L-1, 研究期间沉积物-水界面均处于好氧状态; 温度从上游到下游呈逐渐升高, 变化范围为14.04~21.55℃; 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8.78~8.97, 平均值为8.91, 呈弱碱性.
(2) 沉积物中ρ(TN)的平均含量分别为727.53mg·kg-1, NH4+-N和NO3--N占TN的比例分别为22.33%和9.56%.其中ρ(TN)呈现两头略高中间略低的分布特征, ρ(NO3--N)沿程变化不明显, ρ(NH4+-N)则是从上游到河口逐渐降低.沉积物中ρ(TP)平均含量为1922.98mg·kg-1, NaOH-P、HCl-P和OP分别占TP的10.85%、71.27%、17.88%, 主要以HCl-P为主, 从干支流交汇处到上游, 沉积物的ρ(TP)、ρ(NaOH-P)、ρ(HCl-P)均呈现逐渐升高的分布特征. ρ(O.M.)的含量范围为0.6%~1.7%, 在深度10cm的范围内5个采样点位的沉积物有机质含量均超过了污染临界点, 存在污染释放的风险, 需引起重视.
(3) 上覆水的分布上, ρ(DTN)、ρ(DTP)的变化范围分别为:0.52~4.46mg·L-1和0.44mg·L-1, 其中ρ(DTN)和ρ(DTP)均在干支流交汇处最大, 且ρ(DTN)从河口至上游沿程递减, ρ(DTP)沿程变化不大, 而间隙水中ρ(DTN)和ρ(DTP)的分布和上覆水体相反, 在上游处最大, 并从上游向河口处递减.
(4) 研究期间5个采样点位的DTN、NH4+-N和DTP(除CJ点位外)均以“源”的方式向上覆水释放营养盐, 而NO3--N和PO43--P则是一部分点位呈现为“源”, 一部分点位呈现为“汇”.且氮素的“源/汇”过程较磷素更为强烈, 这是因为蓄水期底部的氧化环境和干流水体的倒灌潜入深度和方式差异所致, 与聚类分析结果一致.
致谢: 黄佳维、黄亚男、王雄、吴庆、吕林鹏、徐慧等在采样和实验方面提供帮助, 在此一并致谢![1] | 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. |
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