氮和磷污染物含量超标是水体富营养化的直接威胁因子^[1], 随着湖泊富营养化程度的日趋严重, 水体中的氮和磷营养盐不断积累并通过沉降汇入沉积物中, 使得沉积物成为湖泊水体中氮和磷的重要储存库.当水体流动、季节更替和氧化还原电位改变时, 沉积物中的氮和磷营养盐将会以内源污染物的形式向水体释放, 从而加剧湖泊的富营养化程度^[2~4].沉积物作为氮磷营养盐的“源”与“汇”^[5], 随着夏季水文条件改变释放出的内源污染物将对湖泊水质产生巨大威胁, 因此深入探明夏季沉积物上覆水-间隙水营养盐特征与交换通量对于湖泊内源污染物治理意义重大.

白洋淀位于河北省中部, 属海河流域大清河南支水系湖泊, 总面积为388 km², 流域面积达31 200 km², 是华北地区最大的淡水湖泊^[6], 随着雄安新区的设立, 白洋淀被赋予了重要的地位, 其生态环境越来越引起重视; 作为华北平原第一大内陆湖, 淀区来水主要依靠现存的六大入淀河流, 入淀区作为淀区水质的重要节点, 上游河流不同且区内水文环境复杂多变, 因此控制入淀区氮磷污染物浓度, 探明沉积物对上覆水体的影响程度是治理淀区水质的前提, 但现今对入淀区河流沉积物氮磷污染物浓度及对上覆水体影响研究较少, 主要集中在测定淀区水体和沉积物中典型持久性有机污染物浓度, 分析部分淀区存在生态风险的可能性^[7], 探究水体富营养化程度^[8]以及北部河口区域和府河沉积物氮磷内源负荷突出需要进行重点整治^[9]等方面.

白洋淀作为雄安新区重要的生态屏障, 本实验室对白洋淀的研究发现：白洋淀入淀区水体氮素含量最高, 水体中好氧反硝化菌群差异明显^[10]; 冬季各淀区间隙水DOM的相对浓度差异显著, 以低腐殖质成分为主^[11]; 白洋淀冬季沉积物氮磷营养盐污染严重^[12].随着夏季的来临, 淀区水文条件变化及底栖扰动等影响, 沉积物中的氮磷营养盐极易通过间隙水释放到上覆水中对水质产生巨大威胁.一方面, 6条入淀区河流自身水体的污染物含量随着外源污染物输入相对增多; 另一方面, 夏季水底溶解氧含量较低, 沉积物在厌氧条件下可能向上覆水释放出内源污染物, 带来水体水质恶化的风险.然而, 目前关于白洋淀入淀河口区沉积物间隙水-上覆水的水质特征及其交换通量却鲜有报道.本研究于2019年夏季, 对白洋淀六大入淀河流的入淀河口沉积物-上覆水间营养盐的交换通量进行分析, 通过探明沉积物-水界面氮磷营养盐分布规律及交换通量, 以期更好地对入淀区污染物进行精准治理, 进而保护白洋淀的生态环境.

白洋淀属于封闭性湖泊, 是华北平原最大的淡水浅湖型湿地^[13], 内部主要由淡水湖和湿地组成, 保定市环保监测站对白洋淀8个国控监测点监测数据显示：总氮和总磷已成为淀区最主要的水质污染指标, 且沉积物内源氮磷释放是导致水体中营养盐浓度较高的重要原因之一.白洋淀地势平坦, 淀区水主要是通过六条入淀区河流与外界河流连通^[14], 且6个入淀河口上游来水不同^[15], 白沟引河将淀区与大清河北支的水系相连通; 瀑河与萍河入淀口位置相近, 流经容城县; 位于西部的唐河通过切断清水河流入淀区; 南刘庄府河承担了保定市生活污水; 潴龙河上游为黄河, 为淀区补充大量水资源.因此该研究分别将采样点设置在白沟引河(S1)、瀑河(S2)、萍河(S3)、端村唐河(S4)、南刘庄府河(S5)和潴龙河(S6)这6条具有代表性的河流入淀河口处(图 1).于2019年7月对6个采样点的水样及沉积物进行采集, 通过实验室测定上覆水及间隙水的水质, 明确白洋淀入淀口水质的基本情况, 为从源头上治理白洋淀生态环境提供数据支持; 通过明确沉积物营养盐扩散通量, 为白洋淀的内源污染的定向治理提供理论基础.

图 1

Fig. 1

图 1 白洋淀水样及沉积物采样点分布示意 Fig. 1 Distribution map of sediment sampling sites in the Baiyangdian Lake

利用彼得森采泥器采集沉积物样品, 采泥器原理为依靠自身重力垂直采集沉积物样品, 避免了上覆水和沉积物的相互扰动.采集的沉积物用聚乙烯自封袋密封保存, 上覆水装入2L的聚乙烯采样瓶, 5℃密封保存带回实验室; 采集回的沉积物利用离心机离心获取实验所需的间隙水.

水体的温度、pH、DO和OPR等环境因子在采样现场利用多参数水质分析仪测定, 待测的上覆水和间隙水在进行各项指标测定前均需用孔径0.45μm的混合膜进行过滤, 氨氮(NH₄⁺-N)采用纳氏试剂光度法测定, 硝态氮(NO₃^--N)采用紫外分光光度法, 溶解性总氮(TDN)采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定, 溶解性总磷(TDP)采用钼锑抗分光光度法测定, 高锰酸盐指数采用酸性法测定^[16].

综合污染指数(P)法反映不同河段水体的水质污染程度, 便于分级分类; 在时间上可以表示一个河段, 一个地区水质污染的总的变化趋势, 其表达式是^[17]：

式中, P_i表示某一评价指标的相对污染指数; c_i表示某一污染物的实测浓度(mg ·L^-1); c₀表示某一污染物在地表水中的最高允许标准值(mg ·L^-1); n表示参与评价的污染物种类.综合污染指数法评价分级标准包括6个标准：P≤0.20表示水质级别好、0.20 < P≤0.40表示水质级别较好、0.40 < P≤0.70属于轻度污染水体、0.70 < P≤1.00属于中度污染水体、1.00 < P≤2.00属于重度污染水体和P>2.00属于严重污染水体.

沉积物与上覆水进行物质交换主要是依靠浓度梯度所引起的分子扩散作用.若界面附近水相中的某化学物质浓度随沉积物深度变化近似于直线, 其净通量可以用Fick第一定律进行计算^{[18, 19, 21]}, 公式如下：

式中, F表示沉积物-水界面的释放通量[mg ·(m² ·d)^-1]; Φ表示沉积物的孔隙度; ∂c/∂x代表沉积物-水界面的浓度梯度(mg ·m^-4), 此处采用沉积物间隙水和上覆水5 cm左右的营养盐与深度拟合指数曲线求导所得; D_s表示沉积物中溶质的扩散系数(cm² ·s^-1).由于D_s是考虑了沉积物的弯曲效应, 但实际中沉积物的弯曲度测量比较困难, 通常根据其与孔隙度之间的关系来进行推导^[22], 关系式如下：

式中, D₀表示无限稀释溶液的理想扩散系数^[20].对于NH₄⁺-N, D₀=9.8×10^-6cm² ·s^-1; TDN, D₀=14.21×10^-6cm² ·s^-1; TDP, D₀=6.12×10^-6cm² ·s^-1; 其计算方法如下：

式中, W_w表示沉积物鲜重(g), W_d表示沉积物干重(g); ρ表示表层沉积物平均密度与水密度比值, 一般取2.5^[23].

为了更明确地说明沉积物内源氮磷营养盐的释放对上覆水的影响, 在水体充分混合, 沉积物向上覆水体释放仅考虑分子扩散的作用下, 应用下述公式可以计算出沉积物营养盐在沉积物-上覆水界面的扩散迁移对湖泊水质的影响程度^[20]：

式中, a表示溶质扩散对上覆水的贡献率(%); F表示沉积物-水界面的释放通量[mg ·(m² ·d)^-1]; T_w表示淀区水体的滞留时间(d), 白洋淀作为封闭性湖泊, 本研究在进行计算时默认淀区水位的停留时间接近相同; H为水深(m); c表示上覆水体营养盐浓度(mg ·L^-1).

表 1为夏季白洋淀入淀区上覆水环境因子数据, 各采样点上覆水pH值范围为7.40~8.71, 呈现弱碱性; 各采样点夏季溶解氧为0.41~1.87mg ·L^-1, 含量较低, 有研究表明当DO含量较低时, 将会威胁到生物生长^{[24, 25]}, 影响到碳、氮和磷等循环过程^{[26, 27]}; 各采样点氧化还原电位基本呈现出负值, 表明水体呈现出还原状态.综合溶解氧及水体氧化还原电位可知, 夏季入淀区水质在水环境出现厌氧、温度升高及降水量增大等变化下, 沉积物极有可能释放出内源污染物, 造成上覆水体污染严重.各采样点铁和锰的平均含量分别为0.18mg ·L^-1和0.32mg ·L^-1, 等于或略高于地表水Ⅲ类水体的标准限制.高锰酸盐指数作为地表水体受有机污染物和还原性无机物质污染程度的综合指标, 平均含量为8.74mg ·L^-1, 变化范围在6.07~10.28mg ·L^-1, 大部分采样点高锰酸盐指数高于地表水Ⅲ类水体的标准限制, 其中S6潴龙河采样点高锰酸盐指数最高, 表明该采样点水体受到的有机物污染物较多.

表 1 (Table 1)

表 1 白洋淀夏季入淀区上覆水采样点环境参数 Table 1 Environmental parameters of sampling sites in Baiyangdian Lake 采样点 pH DO/mg·L-1 OPR/mV Fe/mg·L-1 Mn/mg·L-1 高锰酸盐指数/mg·L-1 S1 8.18 0.41 -254 0.17 0.31 9.57 S2 7.40 1.55 -146 0.16 0.39 9.49 S3 8.12 1.87 -116 0.17 0.32 9.58 S4 8.56 0.46 -227 0.23 0.26 7.45 S5 8.71 1.78 45 0.19 0.17 6.07 S6 8.67 0.99 -317 0.17 0.52 10.28

表 1 白洋淀夏季入淀区上覆水采样点环境参数 Table 1 Environmental parameters of sampling sites in Baiyangdian Lake

入淀区上覆水体氨氮(NH₄⁺-N)、硝氮(NO₃^--N)、溶解性总氮(TDN)和溶解性总磷(TDP)的浓度如图 2所示, 上覆水NH₄⁺-N浓度在0.35~1.76mg ·L^-1, 生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物是NH₄⁺-N的主要来源, 夏季随着人为活动的频繁, 白洋淀入淀区上覆水体NH₄⁺-N较其它季节污染严重^[28]; 部分淀区呈现出Ⅴ类水质的状态, S6潴龙河采样点的NH₄⁺-N值最高, 潴龙河作为白洋淀淀区主要的一条给水河流, 上游汇入的污染物含量较多^[29], 污染物含量增多导致水体NH₄⁺-N浓度增加.由黄晓艺等对太湖出入湖河口水质分析可知, 白洋淀NH₄⁺-N浓度高于太湖NH₄⁺-N浓度, 是由于白洋淀地区水生植物错综复杂, 周围居住大量居民, 人为干扰大, 水体污染严重^[30].上覆水NO₃^--N浓度在0.75~1.90mg ·L^-1, 其中S5府河和S6潴龙河含量最高, 可能是夏季外源污染物输入增多导致上覆水体硝氮含量升高.上覆水TDN浓度在0.99~2.70mg ·L^-1, 位于自然区的S2瀑河含量最高, 瀑河位于自然区, 人为干扰较少, 淀区内大型芦苇生长茂盛, 严重阻碍了水体流动, 因此在外界水汇入瀑河时, 由于错综复杂的芦苇生长不规则导致水体流动缓慢, 造成水体中氮污染物在此处汇集, 污染严重.TDP浓度在0.03~0.15mg ·L^-1, 靠近居民区的S1白沟引河含量最高, 根据现场采样发现, 白沟引河周边居民较多, 夏季居民活动频繁, 有可能是周边生活污水的排入, 导致该采样点水质TDP含量较高.

图 2

Fig. 2

图 2 白洋淀采样点上覆水水质基本指标 Fig. 2 Basic water quality indicators in sampling points of Baiyangdian Lake

采用离心法获取各入淀口沉积物中实验所需的间隙水, 各采样点间隙水的氮磷营养盐指标如图 3所示.NH₄⁺-N分布如图 3(a)所示, 平均浓度为7.33mg ·L^-1, 浓度范围在5.24~10.64mg ·L^-1, 是上覆水NH₄⁺-N浓度的10倍以上; S3萍河采样点NH₄⁺-N浓度最高, 现场对其采样发现, 该入淀河流水深较浅, 水生植物杂乱生长且水体溶解氧含量较低, 沉积物在此处可能会释放出内源氨氮污染物, 因此造成NH₄⁺-N浓度较高; 由于夏季人为活动频繁, 生活污水的排放导致水体中NH₄⁺-N污染物含量较高^[31], 白洋淀入淀区沉积物-水界面较高的浓度差, 也极易造成NH₄⁺-N向上覆水释放.NO₃^--N分布如图 3(b)所示, NO₃^--N平均浓度为0.65mg ·L^-1, 浓度变化范围在0.36~0.79mg ·L^-1, 各采样点含量较低.TDN分布如图 3(c)所示, 平均浓度为8.89mg ·L^-1, 浓度变化范围在5.36~12.02mg ·L^-1, 各采样点上覆水与间隙水的TDN含量存在较大差异, 其中TDN的最大值出现在S6潴龙河入淀口, 现场对潴龙河入淀口采样时发现, 该采样点虽远离居民生活区, 但沉水植物较多, 可能是夏季随着沉水植物的生长腐烂, 沉水植物根茎中的含氮污染物释放到沉积物中^[32], 潴龙河由于长时间容纳各污染物, 造成该入淀河流沉积物中氮污染物含量升高, 对水质产生潜在的风险.TDP分布如图 3(d)所示, TDP的浓度范围在0.03~0.30mg ·L^-1, 和TDN呈现的结果相似, 依旧是潴龙河入淀口的TDP值最大, 可能是由于潴龙河周边即为养殖业为主的淀区, 历史投加的饵料过多造成沉积^{[33, 34]}; 导致潴龙河入淀口汇集了大量的含磷污染物, 长时间的积累下造成自身沉积物中磷营养盐含量较高^[35].通过实验室对白洋淀间隙水各项氮磷指标的测定分析可知, 白洋淀夏季各入淀区沉积物氮磷污染物浓度均比上覆水体高, 上覆水与间隙水二者间的浓度差较大, 可能会造成氮磷污染物在二者间的迁移转化, 因此应加紧对六大入淀口沉积物氮磷污染物的治理.

图 3

Fig. 3

图 3 白洋淀采样点间隙水水质指标 Fig. 3 Interstitial water quality indicators in sampling points of Baiyangdian Lake

为了明确6条河流入淀区上覆水及间隙水的水质污染状况, 应用综合污染指数法对水质进行评价.如图 4(a)所示, 虚线为重度污染状态和严重污染状态分界线(综合污染指数值为2.00), 6条河流入淀区间隙水综合污染指数法得分在3.85~7.72间, 均在分界线之上处于严重污染状态, 其中S6潴龙河采样点综合得分最高, 若不及时进行治理, 潴龙河间隙水污染状态极易恶化, 向严重污染水体转化; 潴龙河入淀口沉积物污染物较多, 大多呈现黑臭特征, 随着夏季水文环境的变化, 水体溶解氧含量较低, 沉积物在厌氧条件下通过间隙水向上覆水释放出内源污染物, 潴龙河上游是黄河来水, 作为白洋淀主要给水河流^[36], 因内源释放会严重影响入淀水质, 因此继续开展河口的内源治理.如图 4(b)所示, 从下到上两条虚线分别为轻度污染状态和中度污染状态(综合污染指数值为0.70)、中度污染状态和中度污染状态分界线(综合污染指数值为1.00), 上覆水除S4唐河水质为中度污染状态, 其余均为重度污染状态; 其中白引沟河采样点综合得分最高, 白沟引河历史上周边居民较多, 由于环保意识较差导致白沟引河历史上汇入的生活污水较多, 导致水体污染较重.通过综合污染指数评分可知, 间隙水的污染程度远高于上覆水.

图 4

Fig. 4

图 4 入淀区综合污染指数评价 Fig. 4 Evaluation of comprehensive pollution index at entrance area

沉积物作为湖泊水体营养盐的“源”或“汇”, 在湖泊水体流动等情况下, 沉积物与上覆水中的氮磷营养盐会相互影响, 从而影响湖泊水质^[37].由上述对6个采样点上覆水以及间隙水中氮磷营养盐浓度分析可知存在明显的浓度差异, 在一定条件下沉积物与上覆水中的营养盐会通过间隙水这一媒介进行扩散而互相影响.

Fick第一定律表明, 当扩散通量为正值时代表营养盐从沉积物向上覆水扩散, 负值时表示营养盐由上覆水向沉积物扩散.上述水质分析表明白洋淀入淀区TDN和TDP含量严重超标且NH₄⁺-N为入淀区夏季主要污染指标, 为探明间隙水-上覆水氮磷营养盐的交换通量, 对3个基本指标进行扩散通量分析, 如表 2所示.结果显示, NH₄⁺-N的扩散通量均为正值, 6个采样点的扩散通量范围在1.71~7.43mg ·(m² ·d)^-1, 均值为4.32mg ·(m² ·d)^-1, 其中S5府河采样点的扩散速率值最高, 证明府河沉积物中NH₄⁺-N污染物向上覆水扩散现象明显; 现场对府河采样发现水体透明度低且沉积物呈现出黑臭状态, 作为流经保定市区且接受市区排放的工业及生活污水的纳污河流^[38], 与同处于河北境内的滏阳河沉积物污染状况类似^[39], 相关部门应该对府河入淀口沉积物污染严重的情况给与高度重视, 防止大量内源NH₄⁺-N污染物释放对水质造成更严重的污染.6个采样点的TDN扩散通量与内源NH₄⁺-N的扩散趋势一致, 表明白洋淀6条入淀区的沉积物是含氮营养盐的“源”且间隙水向上覆水的扩散速率不同, S1白沟引河采样点扩散通量最小, 其余5个采样点的扩散通量范围在8.70~9.48mg ·(m² ·d)^-1, 且均值达到了9.11mg ·(m² ·d)^-1, S5的扩散速率依旧最快; 通过表 2对NH₄⁺-N及TDN扩散通量的计算结果可知, 虽然各采样点的扩散速率不同, 但白洋淀入淀区作为氮污染物的“源”, 要及时对沉积物氮污染物进行治理, 防止造成内源污染物大面积污染淀区水质.6个采样点TDP的扩散通量中, S3萍河采样点为负值, 表明S3萍河采样点为磷污染物的“汇”, 可能是萍河采样点水生植物较多, 在外界河流流经该采样点时, 由于淀区内的大型水生植物长时间无人管理, 造成水体连通性和流动性较差^[40], 导致该区域上覆水体污染物含量较高, 从而导致磷污染物由上覆水扩散到沉积物中; 其余5个采样点的扩散通量范围在0.03~0.16mg ·(m² ·d)^-1, 均值为0.09mg ·(m² ·d)^-1, 表现为磷污染物的“源”.随着雄安新区治理速度的提升, 外源污染物已经得到了有效治理管控, 因此沉积物内源污染物作为水质污染的主要来源, 白洋淀入淀区沉积物的清淤治理已迫在眉睫.

表 2 (Table 2)

表 2 沉积物-水界面NH4+-N、TDN和TDP的孔隙度、扩散系数和扩散通量1) Table 2 Porosity, diffusion coefficient, and flux of NH4+-N, TDN, and TDP at the sediment-water interface 指标 采样点 拟合曲线 R2 Φ D0×10-6/cm2·s-1 Ds×10-6/cm2·s-1 F/mg·(m2·d)-1 NH4+-N S1 y=0.269e0.566x 0.650 0.72 9.80 5.08 1.71 S2 y=0.457e0.695x 0.792 0.80 9.80 6.27 4.61 S3 y=0.489e0.536x 0.920 0.84 9.80 6.91 4.88 S4 y=0.153e0.938x 0.612 0.88 9.80 7.59 2.60 S5 y=0.181e2.219x 0.750 0.77 9.80 5.81 7.43 S6 y=0.324e1.163x 0.851 0.77 9.80 5.81 4.66 TDN S1 y=0.588 78e0.468 8x 0.550 0.72 14.21 7.37 1.85 S2 y=2.075 98e0.468 1x 0.670 0.80 14.21 9.09 8.93 S3 y=0.759 93e0.876 8x 0.600 0.84 14.21 10.03 8.70 S4 y=0.819 47e0.787 9x 0.590 0.88 14.21 11.00 9.27 S5 y=0.751 25e1.299 7x 0.780 0.77 14.21 8.43 9.48 S6 y=0.656 57e1.186 2x 0.890 0.77 14.21 8.43 9.15 TDP S1 y=0.042 14e0.236x 0.700 0.72 6.12 3.17 0.03 S2 y=0.017 47e0.954 8x 0.670 0.80 6.12 3.92 0.08 S3 y=5.026 53e-3.746 1x 0.860 0.84 6.12 4.32 -0.01 S4 y=0.118 88e-0.205 3x 0.770 0.88 6.12 4.74 0.06 S5 y=0.121 84e-0.380 9x 0.62 0.77 6.12 3.63 0.12 S6 y=0.128 35e-0.584 7x 0.73 0.77 6.12 3.63 0.16 1)自沉积物向上覆水扩散则F为正值, 自上覆水向沉积物扩散即沉积物吸收则F为负值

表 2 沉积物-水界面NH4+-N、TDN和TDP的孔隙度、扩散系数和扩散通量1) Table 2 Porosity, diffusion coefficient, and flux of NH4+-N, TDN, and TDP at the sediment-water interface

间隙水是连接沉积物与上覆水的重要媒介^[41], 界面间的浓度差可以造成氮磷营养盐在沉积物与上覆水间释放扩散.针对夏季水体主要的NH₄⁺-N污染物, 白洋淀入淀区上覆水-间隙水界面NH₄⁺-N的浓度差较大, 间隙水NH₄⁺-N浓度高达上覆水体的10倍, 内源NH₄⁺-N扩散通量均值为4.32mg ·(m² ·d)^-1, 整体呈现出向上覆水释放的趋势.由TDN在两个界面的浓度进行分析可知, 间隙水的TDN浓度范围在5.36~12.02 mg ·L^-1, 上覆水的TDN浓度范围在0.99~2.70mg ·L^-1, 间隙水的TDN浓度远高于上覆水, 二者的浓度差异表明, 沉积物中的氮营养盐有向上覆水扩散的潜在趋势; 表 2显示6个采样点的扩散通量在1.85~9.48mg ·(m² ·d)^-1, 表明TDN在各采样点虽然存在沉积物向上覆水扩散的趋势, 但扩散速率不同, 一方面是因为白洋淀的6条入淀口河流分别对应不同的上游水系^{[42, 43]}, 上游水系水质可直接影响入淀口水质; 另一方面可能是6条入淀口水质所处水环境不同^[36], 其中S5府河采样点的扩散速率最快, 现场采集的府河沉积物呈现出黑臭状态, 表明该条入淀河流随着历史的积累, 沉积物所受污染程度越来越严重, 随着夏季来临, 下覆水体的溶解氧含量降低^[44], 沉积物在厌氧条件下向水体中释放大量污染物, 从而导致府河沉积物的内源污染物向上覆水扩散速率加快.大量内源NH₄⁺-N和TDN释放将会为后期淀区水体与沉积物中氮素污染治理与修复带来困难, 亟待相关治理部门的重视并考虑沉积物氮污染特征, 采取分区和分期治理的相关措施.

通过对TDP的扩散通量计算可知, 6条入淀区河流是磷营养盐的“源”与“汇”.S3萍河采样点的扩散通量为负值, 表示此采样点夏季上覆水体会向沉积物释放磷营养盐; 其余采样点扩散通量为正值, 显示沉积物是磷营养盐的“源”.刘佳等在黄柏河流域沉积物磷释放通量分析中, 三座水库沉积物都表现为磷的“源”, 且含量处于高浓度污染水平^[45], 明显高于白洋淀流域磷含量.氮磷污染物作为水质富营养化的主要污染物^[46], 若不加紧对入淀区沉积物磷污染物的治理, 对于上覆水乃至整个淀区的生态环境将是一个严重的隐患.

为进一步明确白洋淀入淀区沉积物氮磷营养盐对上覆水的影响, 通过对白洋淀入淀区内源污染物扩散对上覆水的影响结果可知(表 3), 内源NH₄⁺-N扩散对上覆水污染物的影响范围在7.5% ~76.00%, 各采样点间的扩散影响差异悬殊; S1白沟引河采样点沉积物内源NH₄⁺-N对上覆水的影响最小, 由表 3数据可知, 虽然间隙水与上覆水间的NH₄⁺-N浓度在该点形成了浓度差且扩散通量为1.71mg ·(m² ·d)^-1, 但由于该点水体深度最大, 从而减弱了此处内源NH₄⁺-N释放对上覆水体的影响; S2瀑河、S3萍河和S5府河这3个采样点沉积物内源NH₄⁺-N对上覆水的影响均高于73%, 其中S2瀑河和S3萍河扩散通量值相近, 虽浓度差较小但由于S2水深较浅, 因此内源NH₄⁺-N释放对上覆水体的影响最大, S5府河影响范围达75.69%主要因素为此点NH₄⁺-N扩散通量远高于其他5个采样点.沉积物TDN对淀区水质的影响程度中, 虽然S6潴龙河采样点的浓度差不是最大的, 但对上覆水的污染确是最严重的, 达到了73.64%, 主要是因为该点沉积物与上覆水的TDN扩散通量值偏大, 二者形成了较大的扩散梯度, 导致沉积物对该点水质的影响最大; S2瀑河和S3萍河影响范围分别为59.59%和58.74%, 虽然TDN扩散通量值不是最大, 但由于水深较浅, 浓度差也较大, 因此此2个采样点内源TDN释放对上覆水产生较大影响.TDP分析中沉积物对水体磷污染的影响范围在-3.89% ~14.17%, 扩散通量、水深和界面浓度同样对其贡献率产生影响.通过对白洋淀入淀区沉积物内源营养盐对水体贡献率的分析可知, 影响沉积物营养盐扩散的因子, 与扩散通量、水深和界面浓度差相关.当白洋淀的外部污染源得到控制时, 沉积物间隙水和上覆水体的营养浓度差异将驱动沉积物内源营养负荷的释放, 因此在扩散通量低的地方, 也要注意其上覆水体浓度和水深等因素, 关注其对水体的影响程度.

表 3 (Table 3)

表 3 白洋淀入淀区沉积物-水界面扩散通量和浓度差及营养盐扩散对水体的贡献率 Table 3 Diffusion flux and concentration difference at the sediment- water interface and contribution of nutrients diffusion from sediment to water body in Baiyangdian Lake 指标 采样点 F/mg·(m2·d)-1 H/m c/mg·L-1 a/% NH4+-N S1 1.71 3.81 1.19 7.50 S2 4.61 1.11 0.47 76.00 S3 4.88 1.84 0.72 73.67 S4 2.60 2.50 0.35 59.42 S5 7.43 2.24 0.64 75.69 S6 4.66 2.51 1.76 21.10 TDN S1 1.85 3.81 1.39 6.99 S2 8.93 1.11 2.70 59.59 S3 8.70 1.84 1.61 58.74 S4 9.27 2.50 1.35 54.93 S5 9.48 2.24 2.00 42.32 S6 9.15 2.51 0.99 73.64 TDP S1 0.03 3.81 0.15 1.05 S2 0.08 1.11 0.03 8.05 S3 -0.01 1.84 0.07 -3.89 S4 0.06 2.50 0.04 12.00 S5 0.12 2.24 0.08 13.40 S6 0.16 2.51 0.09 14.17

表 3 白洋淀入淀区沉积物-水界面扩散通量和浓度差及营养盐扩散对水体的贡献率 Table 3 Diffusion flux and concentration difference at the sediment- water interface and contribution of nutrients diffusion from sediment to water body in Baiyangdian Lake

(1) 白洋淀入淀区夏季水体呈弱碱性, 溶解氧含量较低, 间隙水氮磷污染物含量严重超标, 与上覆水形成了明显的浓度差, 表明沉积物营养盐存在向上覆水释放的潜在趋势; 综合污染指数显示间隙水呈现出重度污染状态, 上覆水除白沟引河为中度污染, 其余均为轻度污染状态; 入淀区间隙水严重的氮磷污染应引起相关部门的重视, 及时对其进行治理.

(2) 氮磷作为白洋淀夏季入淀区主要的污染指标, 对内源NH₄⁺-N、TDN和TDP进行扩散通量研究显示, 各淀区内源污染物的扩散通量值存在差异, 内源NH₄⁺-N和TDN扩散值都是正值, 表明白洋淀入淀区沉积物是内源氮污染物的“源”, 南刘庄府河的扩散通量值最大, 说明该点沉积物向上覆水释放的内源氮污染物速率最快; TDP扩散通量显示入淀区既是磷污染物的“源”也是“汇”, 潴龙河的扩散通量值最大, 污染物的释放最快.

(3) 通过对沉积物内源污染物对上覆水的贡献率估算显示, 白洋淀6条入淀河流河口内源营养盐对上覆水的影响主要依据间隙水的分子扩散作用, 同时与各点水深和浓度相关, 因而白洋淀在外源污染物得到有效控制后, 应重点关注内源营养盐释放对上覆水环境的影响.