北京六湖水体和表层沉积物中氮污染特征与评价

第1期2011年1月华东师范大学学报(自然科学版)Journal of East China Norm al University (Natural Science)No.1 Jan.2011文章编号:1000 5641(2011)01 0012 09
北京六湖水体和表层沉积物中氮污染
特征与评价
陈建军1,2, 黄民生1, 卢少勇2, 赵屹坤3, 吴 芸3, 黄国忠
3
(1.华东师范大学资源与环境科学学院,上海 200062;2.中国环境科学研究院国家环境保护湖泊污染控制重点实验室,北京 100012;
3.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083)
摘要:调查和分析了北京市六个城市湖泊水体和沉积物的氮营养盐污染特征和污染程度,并对六湖水体和表层沉积物中各指标作了相关分析,拟为城市湖泊富营养化的防治提供基础数据.结果表明,所调查的北京城市湖泊氮污染程度较严重,调查期间半数湖泊的水体总氮(T N)含量超过地表水(湖、库) 类标准值.在太湖流域的有机氮(ON %)污染评价标准下,六个城市湖泊表层沉积物中有机氮含量(O N%)均严重超标,其中最低值已达到污染标准值的3倍;而在安大略省的环境质量标准下,有两湖的表层沉积物T N 生态毒性超过严重标准,三湖接近严重标准.六个城市湖泊水体和表层沉积物中氮形态和总有机碳(T O C)指标间相关分析表明湖泊表层沉积物的T N 和T OC 的相关性最高(r =0.965,p <0.01),六个城市湖泊水体T N 与湖泊表层沉积物的T N 、T OC 的相关性均极显著(r =0.960,0.964,p <0.01);城市湖泊表层沉积物(0~10cm)中有机质和总氮含量的控制和削减对于湖泊水体氮营养盐污染治理有重要意义.
关键词:城市湖泊; 氮形态; 沉积物; 污染
中图分类号:X 524 文献标识码:A DOI :10.3969/j.issn.1000 5641.2011.01.002
收稿日期:2010 08
基金项目:国家科技重大专项(2009ZX 07101 009;2009ZX 07317 006)
第一作者:陈建军,男,博士研究生,研究方向为城市水环境治理与修复.
E mail:jjchen 1980s @hotmail.co m.
通讯作者:黄民生,男,教授,研究方向为水污染控制与生态修复.E mail:mshuang @.C haracters and evaluation of nitrogen pollution in the water and
surface sediment from six urban lakes in Beijing
CH EN Jian jun 1,2, H U ANG M in sheng 1, LU Shao y ong 2, ZH AO Yi kun 3
,
WU Yun 3, H U ANG Guo zhong 3(1.Sc hool of Resource s and E nv ir onme nt S cie nce ,E ast China N ormal Univ er sity ,S hang hai 200062,China;
2.State Env ironmenta l Pr otec tion K ey L aborator y f or L ake Pollu tion Contr ol ,R esearch Cente r of L ake E nv ir onme nt,
Ch inese R esearc h A cad emy of E nv ir onmental S ciences ,Beij ing 100012,China;3.Civ il and En vir onment
E ngineer ing S chool ,Univ er sity of S cience &T ech nology B eij ing ,B eij ing 100083,China)
13第1期华东师范大学学报(自然科学版)
Abstract: T he pollution characters,deg ree and cor relations of the index es in water and sur face
sediments from six lakes in Beijing wer e investig ated to pro vide data for the eutro phication con
tr ol of ur ban lakes.Results show ed that nitro gen po llut ion of these urban lakes was ser io us,and
the w ater to tal nit rog en(T N)of thr ee lakes w ere a ll wo rse than t hat of N ational Envir onment
Quality Standa rd for Surface W ater Gr ade V during t he investig atio n perio d.Accor ding t o the
T aihu Lake Basin Po llut ion Standard,the or ganic nitro gen co nt ent(ON%)pollutio n fr om the
surface sediment o f the six lakes wer e v ery ser ious:the minimum fr om w hich w as three times of
the pollutio n standard level.A cco rding to the standard o f Canada,the eco lo gical t ox ic o f sedi
ments T N fro m two lakes wer e bo th above ser io us to x icity standards,while that o f o ther thr ee
lakes w ere all near to t he serio us tox icity standards.T he cor relat ion of nitro gen fractio ns and
T OC content bet ween index of water and sur face sediment fro m the six ur ban lakes w ere calculat
ed,and t he results sho wed that the co rr elation betw een sediment T N and sediment T OC was the
highest(r=0.965,p<0.01),co rr elatio ns betw een w ater T N and sediment T N and T O C w as
ex tr emely signif icant(p<0.01)as0.960,0.964,respectiv ely.T he investigation sugg ested t hat
the contr ol and reduction of T O C and T N in surface sediment(0~10cm)of ur ban lake ar e of
important sig nificance to the co nt rol of nitr og en pollutio n in t he lake w ater.
Key words: ur ban lakes; nit rog en fr actions; sediment; pollutio n
0 引 言
城市湖泊是位于城区及其近郊的中小型湖泊,大多数城市湖泊融合了当地人文景观和自然景观,是城市的重要休闲地和经济发展的资源.近年来,尽管多数城市已严格控制向城市湖泊的点源污染排放,但是城市化造成的非点源污染入湖仍很严重[1].另外,城市湖泊多为静止或缓流的浅水水体,具有水域面积和水环境容量小,水体自净能力低的特点.以上种种因素导致了我国众多的城市湖泊已达富营养化和重富营养化程度,如杭州西湖、武汉墨水湖、南京玄武湖和广州流花湖等[2,3].
相比太湖和滇池等大型天然湖泊,城市湖泊的研究基础显得相对薄弱;且由于所处的地理位置和功能定位不同,使得城市湖泊水体的演变过程和污染状况与天然湖泊相比有较大差异.因此,对城市湖泊开展深入系统的研究工作显得日益迫切.目前,已开展不少关于城市湖泊水体富营养化状况调查[4,5]以及城市湖泊沉积物污染状况[6,7]的研究工作,但鲜见对于城市湖泊水体和沉积物中营养盐赋存关系的系统研究报道.氮在水生生态中具重要作用,不仅是湖泊富营养化的主要营养元素,而且往往是湖泊水质最主要的污染物[8 10].本研究对北京市区6个城市湖泊开展了湖泊水体和表层沉积物(0~10cm)的氮营养盐污染调查,对其城市湖泊的氮营养盐污染特征及程度进行了初步分析和评价,拟为城市湖泊的富营养化的防治工作提供基础数据和决策依据.
1 调查采样与样品处理
1.1 采样点位的选取
本研究的采样工作从2010年4月21日开始,至4月29日结束,采样时间定在每天上午10:00左右.期间对北京市区6个不同富营养化程度的湖泊,包括前海(QH)、青年湖
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陈建军,等:北京六湖水体和表层沉积物中氮污染特征与评价2011年(QN)、昆明湖(KM)、紫竹院湖(ZZ)、陶然亭湖(TR)和红领巾湖(H LJ)的水体和湖泊表层沉积物开展了调查分析.六个采样湖泊的选取主要考虑两个因素.(1)湖泊富营养化程度 以2006年北京市环境保护监测中心对城区21个重点湖泊的水质监测数据为依据[4],分别选取营养状态级别为水质轻度富营养(QH,KM)、中度富营养(QN,ZZ)和重度富营养(T R, H LJ)的湖泊各两个.(2)地理位置 采样的湖泊点位在北京城区东南西北4个方位均匀分布,以便较全面地考察北京城市湖泊的污染状况.每个采样湖泊均匀设置3个采样点,租用游船采集水和沉积物样品.
1.2 样品采集与前处理
水样在每个样点在距水面0.5m深处采集,采集后立即装入300mL聚乙烯采样瓶中.采样现场测定的水质理化指标包括水温()、pH、溶解氧(DO)等.具体监测数据结果参见表1.每样点用小号的彼得森采泥器(尺寸20cm!30cm!60cm,重量5.5kg)采集湖泊表层(约0~10cm)的沉积物样品,采集后装入聚乙烯袋密封并避光保存.野外现场采样时间约1.5~2h,完毕后迅速返回实验室,当天测定水样的理化指标;沉积物样迅速放冰柜冷冻24h后再放入冷冻干燥机低温干燥,干燥一周后取出样品逐个使用玛瑙研钵研磨并过100目筛备用.
表1 六湖概况及部分水质指标数据
T ab.1 T he general situation and indexes of water from t he six lakes
湖泊名面积/km2水深/m水温/pH DO/(mg∀L-1)经度(E)纬度(N)
QH0.31.313.69.215.6116#23∃0.66%39#56∃18.91% QN0.051.614.68.812.1116#22∃50.52"39#57∃13.17% KM1.941.116.38.812.3116#15∃58.0%39#57∃13.17% ZZ0.161.815.78.811.8116#18∃39.54%39#56∃2.35% TR0.171.414.59.614.8116#22∃40.2%39#52∃25.4% HLJ0.161.514.810.011.7116#29∃13.01%39#55∃33%
注:水深、水温、pH和DO均为各湖内为3个样点的均值
1.3 样品提取与分析
水温、pH和DO采用便携式多参数水质分析仪(SensionTM156,H ACH Co mpany, USA)现场测定,湖泊水体中总氮(T N)的测定采用过硫酸钾氧化 紫外分光光度法,氨氮(NH3 N)测定采用纳氏试剂光度法,硝酸盐氮(NO-3 N)测定采用紫外分光光度法,水体中总有机碳(TOC)采用岛津TOC分析仪测定.沉积物T N及T OC含量测定采用元素分析仪(Vario M ACRO,Germ an)分析测定,具体步骤如下[11]:每个样品称取两份,各0.2g左右,一份先经1mo l/L盐酸浸泡12h去除无机碳,去离子水洗净离心3次,40以下低温烘干后用于测定T OC含量;另一份样品直接用于元素分析测定T N含量.元素分析时,称取上述处理后的样品各30mg左右加催化剂,一起用锡纸包好后分别放入仪器中测量.沉积物样中NH3 N含量测定方法为:称取冷冻干燥后的沉积物干样3g,加2m ol/L的KCl溶液振荡提取30min(固液比1&10),1000r/min离心后取上清液用纳氏试剂光度法测定[12].沉积物样中NO-3 N含量测定方法为:称取冷冻干燥后的沉积物干样3g,加饱和硫酸钙溶液振荡提取15m in(固液比1&10),1000r/min离心后取上清液用紫外分光光度法测定[12].
2 结果与讨论
2.1 六湖水体中氮形态含量比较分析
第1期华东师范大学学报(自然科学版)测定水中各种形态的氮化合物,有助于评价水体被污染程度和∋自净(的程度.反映水体受含氮化合物污染程度的几种主要形态的氮是T N,NH 3 N 和N O -3 N,在天然水体
NO -2 N 浓度很低,并且极易转化成NO 3 N [13],故未作测定.6个采样湖泊的3种氮形态的比
较参见图1.六湖中,KM,H LJ,QH 三湖的T N 含量相对较低,分别为1.43,1.68,
1.75mg /L,为地表水环境质量标准(湖、库)的)类∗+类标准;ZZ 和QN 两湖T N 含量相对较高,分别为
2.92和4.15m g/L,T R 的TN 含量最高,为10.3mg/L,该三湖的总氮水平均超过湖库水的 类标准
.
图1 六湖水体T N ,N H 3 N 和N O 3 N 含量
F ig.1 Content of T N,N H 3 N and N O 3 N fr om wat er of the six lakes
6个湖泊中,QN 的NH 3 N 浓度相对最高,为2.93mg /L,严重超过NH 3 N 的地表水 类标准;其他5个湖的NH 3 N 含量较为接近,在0.15~0.43mg /L 之间,达到地表水,类标准.除QN 和H LJ 以外,其他4个湖泊水体中硝酸盐氮为湖泊水体氮的主要形式,硝酸盐氮占总氮含量的75%~84%,且该四湖水体硝酸盐氮的变化规律和总氮一致(见图2).QN 的T N 和NH 3 N 含量均很高,而NO 3 N 则很低.另参见表1数据可知QN 的溶解氧处于很高水平,因此该湖中硝化作用很弱,可能是硝化细菌很少或活性受到了抑制.由于在天
然水体NO -2 N 浓度很低[13],湖水中的有机氮(ON )含量通过总氮与氨氮、硝氮的差值计算
出;H LJ 的NH 3 N 和NO 3 N 含量均相对较低,ON 含量最高,达到50%,而其他四湖水体的ON 含量均低于20%.
2.2 六湖表层沉积物中氮形态及含量比较分析
对图2数据分析比较可知,6个城市湖泊中表层沉积物的TN,NH 3 N 和NO 3 N 含量差异均非常明显.对于表层沉积物的T N 而言,六湖中TR 的T N 含量最高,达到13348mg /kg;而KM 中TN 含量最低,仅为3140mg/kg.对于NH 3 N 而言,六湖中QN 和TR 的NH 3 N 含量相对较高,均达到80mg/kg ,QN 的各点位差异较大,其中最高点NH 3 N 含量达到140mg/kg ;其他几个湖的NH 3 N 含量差异不大,变化范围在20~60mg/kg.对于NO 3 N 而言,在H LJ 表层沉积物中含量最高,均值为42mg/kg ;ZZ 最低,均值为3.0mg/kg ,且湖内各点位间的差异很小.在6个城市湖泊中,表层沉积物的NH 3 N 占T N 的比例较低,约为0.5%~1.5%,NH 3 N 占T N 的比例约为0.1%~1%,表明六城市湖泊表层沉积物中的TN 主要是以ON 的形态存在.
15
陈建军,等:北京六湖水体和表层沉积物中氮污染特征与评价2011
年
图2 六湖表层沉积物T N,N H 3 N 和N O 3 N 含量
Fig.2 Contents o f T N ,N H 3 N and NO 3 N fr om surface sediment of six lakes
2.3 六湖水体和表层沉积物中T OC 含量比较分析
对六湖水体中T OC 含量的分析表明(见图3),H LJ 的TOC 含量最高,约为16m g/L;其次是TR 和QN,约为12~14mg /L,其他三湖水体中的T OC 含量差异不大,为8~9m g/L 左右.六湖表层沉积物中的T OC 含量较高,占沉积物干重的3%~17%,对于不同的湖泊而言,TR 的表层沉积物中T OC 含量最高且远高于其它湖泊,约为173mg/g,H LJ 的T OC 含量最低,为35mg /g;其他四湖的表层沉积物T OC 含量差别不大,变化范围在45~65mg/g 之间.根据沉积物中有机质和TOC 换算关系经验公式,可以估算出北京六湖表层沉积物的有机质含量为干重的5%~28%,是一个潜在的大量营养源
.
图3 六湖水体和表层沉积物中T O C 含量
Fig.3 Contents o f T OC fr om w ater and surface sediment of six lakes
2.4 水体和表层沉积物中指标间的相关分析
将图1和图2进行比较分析可以观察到不同城市湖泊的氮营养盐在湖泊上覆水和表层沉积物之间的变化规律较为类似.现采用SPSS 16.0软件对6个湖泊水体和表层沉积物中的氮形态及水体叶绿素指标之间进行Pearso n 相关分析(2 tailed),其结果参见表2. 对6个城市湖泊水体和表层沉积物中的TN,NH 3 N ,NO 3 N 和T OC 4个指标两两之间进行相关分析,相关关系矩阵数据表明:水体TN 和表层沉积物T N 相关极显著,r =16
17第1期华东师范大学学报(自然科学版)
0.960(p<0.01);水体的NO3 N和水体T N以及沉积物T N的相关性也很高,其相关系数均分别为r=0.893,0.836(p<0.01).另外,水体的N H3 N和沉积物NH3 N相关系数r=0.805(p<0.01),沉积物T N和沉积物NH3 N之间的相关达到显著水平r=0.519 (p<0.05);其他各指标之间的相关关系均未达到显著水平.
表2六湖水体和表层沉积物指标间相关矩阵
T ab.2 Co rrelatio n matr ix of indexes fr om wat er and surface sediment in the six lakes T N(S) NH3 N(S) NO3 N(S) T OC(S)TN(W)NH3 N(W)NO3 N(W)TOC(W) TN(S)1
NH3 N(S)0.519*1
NO3 N(S)0.4450.1061
T OC(S)0.965**0.4040.3021
T N(W)0.960**0.4410.3600.942**1
NH3 N(W)0.2200.805**0.0360.7970.1831
NO3 N(W)0.836**0.1020.2670.902**0.893**-0.2391
TOC(W)0.3580.2110.823**0.4760.3830.2260.2171
注:(S)表示六湖表层沉积物的指标,(W)表示水体的指标;*表示相关系数达0.05的显著水平,**表示相关系数达0.01的显著水平
不同城市湖泊的水体和表层沉积物之间的TN和NH3 N相关性均达到了极显著水平,说明水体和表层沉积物之间有强烈的氮营养盐交换,而且可能是沉积物中的TN以NH3 N的形式向上覆水体释放;然后上覆水体NH3 N在城市浅水湖泊水体的好氧状况以及微生物的作用下硝化成N O3 N,这可能是水体的NO3 N和水体T N较高的相关性(见表2)以及四个湖泊水体中硝酸盐氮为湖泊水体氮的主要形式(占总氮的含量为75%~84%,见图1)的原因.表层沉积物中的T OC与TN相关性最高(r=0.965,p<0.01),但与沉积物中的NH3 N和NO3 N的相关关系均不显著,表层沉积物中的TOC与水体T N和NO3 N的相关关系均达到极显著水平;水体中的TOC与沉积物中的硝氮相关性极显著(r= 0.823,p<0.01),但与水体和表层沉积物中的其他指标相关性均不显著(见表2).
综合以上分析,6个北京城市湖泊湖泊表层沉积物的T N和T OC的相关性最高(r= 0.965,p<0.01),另六湖水体TN与湖泊表层沉积物的TN、T OC的相关性均极显著(r= 0.960、0.964,p<0.01).这说明城市湖泊湖泊表层沉积物的T N主要来源于有机质,城市湖泊水体T N含量与湖泊表层沉积物总氮含量有较好对应关系;这可能是因为城市湖泊水体较为封闭、水体流态缓慢而导致水体和沉积物之间的氮营养盐交换非常明显.因此,对于城市湖泊水体氮营养盐的控制和削减,应重点考虑对湖泊表层沉积物有机质和氮营养盐污染的治理.
2.5 六湖表层沉积物污染评价
2.5.1 表层沉积物营养评价
有机指数通常作为水域沉积物环境状况的指标:有机指数=有机碳(%)!有机氮(%);其中,有机氮=总氮!0.95.有机氮是常用来衡量湖泊表层沉积物有否遭受氮污染的重要指标,参照太湖流域相关文献资料[14,15],有机指数和有机氮的评价标准见表3.
陈建军,等:北京六湖水体和表层沉积物中氮污染特征与评价2011年
表3 有机指数和有机氮评价标准
T ab.3 Evaluatio n cr iter ion of o rg anic index and ON%
类型与等级有机指数有机氮含量/%类型与等级有机指数有机氮含量/%清洁/−<0.05<0.033尚清洁/)0.20~0.500.066~0.133较清洁/,0.05~0.200.033~0.066污染/+>0.05>0.133
本研究中,六城市湖泊的各采样点的表层沉积物中有机碳含量(TOC%)、氮含量(N%)采用元素分析仪(Vario MACRO,German)分析测定,有机氮含量(ON%)根据经验公式:有机氮=总氮!0.95换算得出.具体数据见表4所示.
表4 六湖表层沉积物TOC%,N%,ON%和有机指数
T ab.4 T OC%,N%,O N%and o rg anic index of surface sediment fro m the six lakes 湖泊名称T OC%N%ON%有机指数QH6.600.4790.4553.00
QN7.320.6890.6544.79
KM4.570.3140.2981.36
ZZ5.960.4310.4092.44
TR17.31.040.98817.1
H LJ3.500.4080.3881.36
注:表中数据均为每湖中各样点的均值
依据表3的标准,对照表4的数据可知六城市湖泊的表层沉积物有机指数和ON%均超过了∋污染/+(等级:有机污染指数最高的湖是TR,超过污染标准数十倍;QN,QH,ZZ 三湖的沉积物的有机污染相对较高,有机污染最轻的湖是KM和H LJ,均为污染标准的3倍左右.六湖表层沉积物的ON%亦均超标,且变化规律与有机指数较为类似,但不同湖泊ON%的超标倍数多数比有机指数要低.
2.5.2 氮营养盐对底栖生物的生态毒性评价
表层沉积物质量对底栖生物生存环境有重要影响,若污染物超过某一水平将对底栖生物产生毒性效应.本试验采用加拿大安大略省环境和能源部制定的环境质量标准来对采样的6个城市湖泊的表层沉积物的T OC(%)和T N进行生态毒性效应评价.此标准分为3级:(1)安全级,此时在水生生物中未发现中毒效应;(2)最低级,此时沉积物已受污染,但是多数底栖生物可以承受;(3)严重级,此时底栖生物群落已遭受明显的损害[16].具体调查数据和评价标准见表5.
表5 六湖表层沉积物调查数据和对应的生态毒性标准
T ab.5 Com par e o f sur face sediment index es and the ecolog ical t ox icity standards
调查数据
TOC/%TN/(mg∀kg-1)生态性标准
评价标准
T OC/%总氮/(m g∀kg-1)
QH6.604793 QN7.326887 KM4.573140 ZZ5.964308 TR17.313348 H LJ3.504080安全//最低1550严重104800
从表5中数据可知,在加拿大安大略省环境和能源部制定的环境质量标准下,6个北京18
19第1期华东师范大学学报(自然科学版)
城市湖泊表层沉积物中TN的生物毒性水平普遍较高,QN和T R的T N含量均大于4800mg/kg,达到对底栖生物有严重毒性的污染程度,T N最低的KM也已接近严重毒性级别.六湖表层沉积物中TOC(%)的生物毒性也较高,TR的T OC(%)对底栖生物的毒性水平最高且超过了严重级别,其次是QN、QH和ZZ,它们的总TOC(%)也超过了严重毒性水平的一半水平.另在所采集QH,KM沉积物中有螺的白色残体存在,而在T R和QN和表层沉积物中没有发现,这也可以说明污染的湖泊底泥严重影响了底栖生物的生存.
3 结 论
北京市六个城市湖泊水体及表层沉积物中的氮营养盐污染负荷总体上较严重.调查期间,有一半湖泊的水体TN含量超过地表水(湖、库) 类标准,另3个湖的TN含量在)类∗+类标准之间.在太湖流域的ON%污染评价标准下,6个北京城市湖泊层沉积物的ON%均严重超过了污染级别的标准值,其中最低的ON%值已达到污染标准值的3倍.而在加拿大安大略省环境和能源部制定的环境质量标准下,六湖中有两个湖的T N超过严重生物毒性标准,3个湖的TN接近严重生物毒性标准,T N最低的湖泊也超过了严重毒性标准值的一半.
6个城市湖泊的表层沉积物T N,NH3 N和NO3 N含量的差异均非常明显,对6个城市湖泊水体和表层沉积物中氮形态和T OC指标两两之间的进行了相关分析,结果表明:6个北京城市湖泊表层沉积物的TN和TOC的相关性最高(r=0.965,p<0.01),六湖水体TN与湖泊表层沉积物的TN,TOC的相关性均极显著(r=0.960、0.964,p<0.01).城市湖泊水体TN含量与湖泊表层沉积物(0~10cm)总氮含量有较好对应关系,城市湖泊表层沉积物中有机质和总氮含量的控制和削减对于湖泊水体氮营养盐污染的治理有重要意义.
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