东山湖水体无机氮年际变化及其来源分析

Ｖｏｌ．１９Ｎｏ．３Ｍａｙ，２００７
云南地理环境研究
ＹＵＮＮＡＮＧＥＯＧＲＡＰＨＩＣＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＲＥＳＥＡＲＣＨ
第１９卷第３期２００７年５月
东山湖水体无机氮年际变化及其来源分析
彭进平１，谢卓佳２，吴雅红１，黄上信１
（１．广东工业大学
轻工化工学院，广东
广州
５１００８０；２．广州市越秀区环保局，广东广州５１００１２）
摘要：总结了城市湖泊总无机Ｎ及各无机氮素的年际变化和不同水期的年际变化，结果表明：总无机Ｎ年际变化呈波浪式；不同水期中，总无机Ｎ与ＮＨ４＋－Ｎ以枯水期为最丰，而ＮＯ３－－Ｎ及ＮＯ２－－Ｎ则以平水期为相对最丰。

同时分析了水体无机氮素的来源，结果显示汛期水流中营养物的滞留及底泥含氮成分的释放是湖泊水体无机氮素的主要来源，并计算了滞留系数及内源性负荷，分别为０．５０７、１０．３％。

此外，拟合分析了水体无机氮素间的关系，总无机Ｎ与ＮＨ４＋－Ｎ有明显正相关关系，相关系数达０．９９７。

关键词：无机氮；年际变化；东山湖中图分类号：Ｘ５２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－７８５２（２００７）０３－００３６－０４
０前言
东山湖位于广州市城区，毗邻珠江，是１９５８
年由人工开挖而成，以蓄洪排涝为目的，兼有景观娱乐功能的小型城市浅水湖泊。

东山湖流域面积
３．２５ｋｍ２，湖泊面积０．３１８ｋｍ２，在常年控制水位
时，湖泊最大水深２．６０ｍ，平均水深１．３ｍ，容积
４１．３０×１０４ｍ３。

由于东山湖处在珠江与城区之间，
其又成为生活污水的集散地，Ｎ、Ｐ等营养物不断富集，含量已分别在６．４７ｍｇ／Ｌ、０．３４ｍｇ／Ｌ以上，为严重富营养化的劣Ⅴ类水质，严重影响了湖水的透明度及观赏性，妨碍了水底高等生物的生长，使东山湖的功能呈削减趋势。

为了查明湖水水质的变化与污染程度，并提供治理依据，多年来当地环境监测部门按地表水监测技术规范，在东山湖水域内设置１个监测点，每年分别在枯、平、丰水期监测
３次，积累了不少监测数据。

由于氮素是衡量水体
富营养化的关键因子，了解无机氮在湖泊水体中的年际变化，分析其变化的规律与成因，将有助于了
解城市湖泊的富营养化，从而为同类湖泊的治理提供参考。

１
东山湖水体无机氮的历年变化
１．１
无机氮历年变化
东山湖无机氮历年的变化见图１，从图中可以
看出东山湖１０多年来其总无机－Ｎ没有明显的增长，但其间的波动较为显著，呈波浪式：１９８８年为
３．４１ｍｇ／Ｌ，到１９９１年，则达８．６１６ｍｇ／Ｌ，为历年
最大，之后则出现锐减现象，变为３．１２２ｍｇ／Ｌ，为历年最小，１９９３年后，则出现波动式增长，并在１９９９年出现又一峰值。

这主要是因为在该两峰值
时，东山湖均进行了底泥清淤工程，使得氮素浓度出现减少态势，但清淤的有效期甚短，一年后已出现明显的增长，增长率分别达４５．６％、１６．６％，说明底泥疏浚并非治理富营养化的有效手段［１，２］。

２０００年完成了沿湖宾馆、酒楼、居民废水和生活污水的截污工程，但在随后时间里，水体氮素仍有明显的增加，表明截污工程并没有显著成效，这为城市湖
收稿日期：２００６－０７－１３；修订日期：２００６－１０－２７．
基金项目：广东工业大学青年基金（０２２０３０）、国家自然科学基金（５０２３９０３０）联合资助．作者简介：彭进平（１９７４－），男，广东省湛江市人，实验师，研究方向为水资源保护与规划．
彭进平等：东山湖水体无机氮年际变化及其来源分析
泊的治理提出了新的课题。

ＮＨ４＋－Ｎ的变化与总无机Ｎ的变化类似，几乎
有着相同的变化轨迹，而ＮＯ２－－Ｎ及ＮＯ３－－Ｎ在历年中则没有明显的递增或锐减现象，一直保持在低浓度的状态下。

１．２
无机氮不同水期的变化
东山湖总无机Ｎ不同水期的变化见图２，很明显，总无机氮均以丰水期为最低，枯水期为最大。

这是由于东山湖是以蓄洪为主要功能的城市湖泊，在洪水季节（丰水期），虽有较为大量的氮素随雨水的进入而补充到东山湖水体，但因来水量大，带来的总无机Ｎ的浓度相对较低，来水起到了稀释的作用，因而丰水期总无机Ｎ的浓度相对较低；而随着枯水期的到来，有机氮转化及底泥的释放，则导致总无机氮不断增加。

ＮＨ４＋－Ｎ不同水期的变化与总无机Ｎ的变化非常相似，而ＮＯ３－－Ｎ及ＮＯ２－－Ｎ的变化则相对反常，一年中ＮＯ３－－Ｎ与ＮＯ２－－Ｎ基本以平水期为最丰。

这
可能是因为在丰水期，来水量过大而稀释了各种价态的氮素；到平水期前，由于新鲜来水富含溶解氧，使得从丰水期到平水期过渡期间，ＮＨ４＋－Ｎ的硝化作用加快，因而ＮＯ３－－Ｎ与ＮＯ２－－Ｎ以平水期为最丰；到枯水期，则因基本进入低温季节，水中溶解氧相对过低，在厌氧环境下，使得有机质分解较快，而硝化作用减缓［３］，使得ＮＨ４＋－Ｎ的转化减缓而至浓度升高，ＮＯ３－－Ｎ与ＮＯ２－－Ｎ则因反硝化作用而降低。

详见图３、４、５。

唐森本［４］的研究也表明，水体中的无机氮主要来自于含氮有机物质的降解，具体可分为两步：第一步蛋白质降解，使有机氮转化为ＮＨ４＋－Ｎ；第二步是硝化和亚硝化，使ＮＨ４＋－Ｎ转化为硝酸盐，具体步骤为：
有机Ｎ→ＮＨ４＋－Ｎ→ＮＯ２－－Ｎ→ＮＯ３－－Ｎ
硝酸盐是水体含氮有机物分解的最终产物，
ＮＯ２－－Ｎ是ＮＨ４＋－Ｎ和ＮＯ３－－Ｎ之间的一种中间氧化状态，它以ＮＨ４＋－Ｎ的氧化或ＮＯ３－－Ｎ的还原的一种
过渡形式出现。

由上一步骤很明显可看出，无论在那种环境下，迁移到水体的无机氮无疑首先是
ＮＨ４＋－Ｎ，也即内部环境（包括水体有机物及沉积物）向水体的迁移转化的ＮＨ４＋－Ｎ占总无机Ｎ迁移
的绝大部分，ＮＯ２－－Ｎ及ＮＯ３－－Ｎ仅靠ＮＨ４＋－Ｎ的硝化及亚硝化而得，只能占很小一部分。

因而，随着入湖水流带来的有机物被降解，水体总无机氮开始增加，到枯水期则基本出现当年的峰值；而各无机氮的变化则随转化步骤的不同而发生相应的变化，这也从另一面说明为什么各无机氮会出现丰、平、枯水期浓度的变化。

２湖泊水体无机氮素的来源及关系分析
２．１
湖泊水体氮素的来源
３７
东山湖水体中各种形式的无机Ｎ，主要靠外部入湖水流（二沙涌珠江水、降雨）补给及内部有机物（主要是底泥沉积物）的转化释放供给。

鉴于东山湖以防洪为主的角色，其常年处于封闭状态，仅在以下两种状况下才开放：一是在强降雨时段开闸放百子涌水、橙基涌水入湖，并经梅花港闸至船闸出；二是当珠江前航道因潮水顶托（强降雨时段与天文潮同时出现时）使水位高过湖水时，开启船闸放珠江水入湖至梅花港闸出，至新河浦涌接东濠涌再流入珠江。

很明显，东山湖外部环境对其氮素的补给仅在强降雨时段，其它大部分时间，则以内部环境（底泥释放）的影响为主。

根据总氮在湖泊中滞留系数ρＮ的经验公式
［５］
：
ρＮ＝０．４２６ｅｘｐ（－０．２７１ｑｓ）＋０．５７４ｅｘｐ（－０．００９４９ｑｓ）
其中，ｑｓ为湖泊的面积水负荷（ｍ３・ｍ－２・ａ－１），
ｑｓ＝Ｑｉｎ／Ａ，Ｑｉｎ为湖泊入流量（ｍ３・ａ－１）。

计算出东山湖总氮的滞留系数ρＮ为０．５０７，计算结果表明，汛期入湖水流虽起稀释的作用，但由于入湖水流富含有机物，且滞留量大，对东山湖湖泊水质有较为明显的影响，这就难免在截污后湖泊水体仍出现总无机氮增加的态势了。

底泥是湖泊水体氮素的又一主要来源。

根据
２０００年对东山湖底泥的调查，东山湖底泥呈黑色泥
浆状，属软性底泥，面积遍及整个东山湖底。

底泥中ＴＮ含量为０．３４７４％，远较太湖（０．０８６％）、巢湖
（０．０６５％）及骆马湖（０．１６２％）为高，借鉴范成新［６］
在对骆马湖的研究方法和参数，计算得出东山湖内源性氮负荷为１０．３％，这表明底泥释放对东山湖水体氮素的影响甚为明显，长远而言，即使没有外源污染，东山湖水体的氮素浓度也会增大而使富营养化程度加重。

２．２湖泊水体无机氮素的关系分析
东山湖各种无机氮与总无机Ｎ的关系图见图
６、７、８，总无机Ｎ与ＮＨ４＋－Ｎ、ＮＯ３－－Ｎ及ＮＯ２－－Ｎ
的相关线性方程如下：
总无机Ｎ—ＮＨ４＋－Ｎ：ｙ＝０．９６５ｘ－０．１９２３
Ｒ２＝０．９７７ｎ＝１５
总无机Ｎ—ＮＯ３－－Ｎ：ｙ＝－０．０００７ｘ＋０．２４０７Ｒ２＝４Ｅ－０５ｎ＝１５
总无机Ｎ—ＮＯ２－－Ｎ：ｙ＝０．０３５７ｘ－０．０４８３Ｒ２＝０．３５４２ｎ＝１５
很明显，总无机Ｎ与ＮＨ４＋－Ｎ有着明显的线性
正相关关系，相关性达０．９７７；总无机Ｎ与ＮＯ２－－Ｎ也存在较为明显的线性正相关关系，相关性为
０．３５４２；而总无机Ｎ与ＮＯ３－－Ｎ则不存在正相关
性。

这表明城市湖泊水体的总无机Ｎ以ＮＨ４＋－Ｎ为主，ＮＯ２－－Ｎ为次，ＮＯ３－－Ｎ则不形成对总无机Ｎ的
影响。

因而对于城市湖泊无机氮素的控制，可考虑以ＮＨ４＋－Ｎ控制为主要目标，从而切断无机氮对富营养化的贡献，以达富营养化治理的目的。

３结语
（１）东山湖总无机Ｎ的年际变化呈波浪式，
第１９卷
云南地理环境研究３８
表明底泥清淤及截污工程，并非理想的富营养化治理方式，对于城市湖泊的治理仍需继续探讨。

（２）不同水期中，总无机Ｎ与ＮＨ４＋－Ｎ以枯水期为最丰，而ＮＯ３－－Ｎ及ＮＯ２－－Ｎ则以平水期为相对最丰。

（３）东山湖湖泊水体无机氮素的来源主要包括汛期水流中营养物的滞留及底泥含氮成分的释放，利用经验公式计算出东山湖的滞留系数为
０．５０７，表明滞留量大；此外，借鉴前人的研究成
果，计算了东山湖的内源性负荷，达１０．３％，远较类似湖泊为大，这就难免东山湖富营养化会渐趋严重。

（４）东山湖水体总无机Ｎ与ＮＨ４＋－Ｎ、ＮＯ２－－Ｎ有明显正相关关系，相关系数分别为：０．９９７、
０．３５４２，而总无机Ｎ与ＮＯ３－－Ｎ则无相关性，表明东山湖水体的总无机Ｎ以ＮＨ４＋－Ｎ为主，ＮＯ２－－Ｎ为次，说明对富营养化湖泊的治理可以控制ＮＨ４＋－Ｎ
为主要目标。

参考文献：
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［６］范成新，张路，杨龙元，等．湖泊沉积物氮磷内源负荷模拟［Ｊ］．海洋与湖沼，２００２，３３（４）：３７０－３７８
ＡＳＴＵＤＹＯＮＩＮＯＲＧＡＮＩＣＮＩＴＲＯＧＥＮＡＮＮＵＡＬＣＨＡＮＧＥＯＦＵＲＢＡＮＬＡＫＥ
ＰＥＮＧＪｉｎ－ｐｉｎｇ１，ＸＩＥＺｈｕｏ－ｊｉａ２，ＷＵＹａ－ｈｏｎｇ１，ＨＵＡＮＧＳｈａｎｇ－ｘｉｎ１
（１．ＦａｃｕｌｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ０５１００８０，Ｇｕａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ；
２．ＹｕｅｘｉｕＤｉｓｔｒｉｃｔＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１００１２，Ｇｕａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅａｎｎｕａｌｃｈａｎｇｅａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｉｎｐｅｒｉｏｄａｎｎｕａｌｃｈａｎｇｅｏｆＴＩＮａｎｄＭＩＮｉｎｔｈｅｕｒｂａｎｌａｋｅｈａｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｎｎｕａｌｃｈａｎｇｅｏｆＴＩＮｗａｓｌｉｋｅｗａｖｅｆｏｒｍ，ａｎｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｐｅｒｉｏｄ，ＴＩＮａｎｄＮＨ４＋－Ｎｗａｓａｂｕｎｄａｎｃｅｉｎｌｏｗ－ｆｌｏｗｐｅｒｉｏｄ，ＮＯ３－ＮａｎｄＮＯ２－－Ｎｗａｓａｂｕｎｄａｎｃｅｉｎｍｅａｎ－ｆｌｏｗｐｅｒｉｏｄ．ＴｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆＴＩＮａｎｄＭＩＮｉｎｔｈｅｕｒｂａｎｌａｋｅｈａｄａｎａｌｙｚｅｄｔｏｏ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｒｅｔｅｎｔｉｏｎｏｆｒａｉｎｙｐｅｒｉｏｄａｎｄｌｉｂｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｗｅｒｅｔｈｅｍａｉｎｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｌｏａｄｉｎｇｓｅｐａｒａｔｅｌｙｗｅｒｅ０．５０７、１０．３％．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｏｒｇａｎｉｃｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｕｒｂａｎｌａｋｅｈａｄａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｏｔａｌｉｎｏｒｇａｎｉｃｎｉｔｒｏｇｅｎｈａｄｏｂｖｉｏｕｓｃｏ－ｒｅｌａｔｉｏｎａｌｓｈｉｐｗｉｔｈＮＨ４＋－Ｎ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｓ０．９９７．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｏｒｇａｎｉｃｎｉｔｒｏｇｅｎ；ａｎｎｕａｌｃｈａｎｇｅ；Ｄｏｎｇｓｈａｎｌａｋｅ
彭进平等：
东山湖水体无机氮年际变化及其来源分析３９。