冬季大黑汀水库沉积物-水界面氮磷赋存特征及交换通量
大黑汀水库水环境氮磷容量分析
大黑汀水库水环境氮磷容量分析摘要：为保障饮用水源地大黑汀水库的水质安全，通过选取不同氮磷允许负荷量的测算模式进行综合分析，目前已处于中—富营养化状态;水库若要达到贫—中营养化状态。
为此，从发展农业节水、综合防治化肥、农药、畜禽养殖业污染及治理水土流失等方面提出了科学的污染防治思路及削减对策。
关键词：大黑汀水库；水环境；氮磷容量一、大黑汀水库概况大黑汀水库位于唐山市迁西县城北5千米的滦河干流上。
该水库位于下游30公里处，控制流域面积35100平方千米，其中与大黑汀水库之间流域面积为1400 k㎡，占滦河总流域面积的79％。
二、2000年之前的水质现状变化趋势大黑汀水库的水质一直保持在地表水Ⅲ类以上标准，但由于受到滦河上游入库水质的影响，大黑汀水库NO2-N 呈现明显的上升趋势，成为大黑汀水库的主要污染物。
本篇文章我们选择具有代表性的、检出率较高的NO2-N ，CODMn ，NH3-N ，挥发酚，Cr6 + 等项目进行对比分析。
分析方法选择水质污染指数法进行分析：单向指数:Ii = Ci/ Li式中:Li 为第i 项水质标准; Ci 为某污染物的质量浓度值。
综合污染指数取各单项指数和的平均值，即:I = ∑Ii/ n水质评价标准见表1表1水质评价标准污染程度污染指数污染程度污染指数污染程度污染指数未污染＜0.5 中污染1～3 严重污染＞7轻污染0.5～1 重污染3～7表2大黑汀水库1984-1999年水质变化（引自王少明等）大黑汀水库2000年以前的水质变化详见表2，从表中可以看出大黑汀水库1984-1999年水质的综合污染指数均小于0.5，说明大黑汀水库水质良好，但从污染的排序来看，大黑汀水库的主要污染物为NH3-N和CODMn，从表中还可以看出NO2-N的质量浓度有逐年上升的趋势，已成为将来发展的主要污染物指标之一，要重点防护和控制。
为配合《潘家口、大黑汀水库水资源保护规划》的实施，1999 年对周边的污染企业进行调查，基本情况见表3。
大黑汀水库夏秋季节温室气体赋存及排放特征
摘要：以北方典型富营养化水库-大黑汀水库水体为研究对象,在 2018 年夏季和秋季采用顶空平衡法对其表层 35 个点位水体溶解的二氧化碳(CO2)、
甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)浓度进行测定,并对水库水-气界面扩散通量进行了估算.结果表明夏季和秋季大黑汀水库表层水体的 CO2、CH4 和 N2O 整 体上均表现为过饱和状态,夏季表层水体 CO2 溶存浓度和扩散通量均值分别为(72.75±67.49)µmol/L 和(810.62±790.64)µmol/(m2·h);秋季 CO2 溶存浓度和 扩 散 通 量 均 值 分 别 为 (394.64±104.13) µmol/L 和 (4822.81±1250.00) µmol/(m2·h); 夏 季 CH4 平 均 浓 度 和 扩 散 通 量 分 别 为 (0.19±0.12)µmol/L 和 (3.04±2.10)µmol/(m2·h),秋季 CH4 平均浓度和扩散通量分别为(0.41±0.26)µmol/L 和(5.16±3.23)µmol/(m2·h);夏季 N2O 溶存浓度和扩散通量均值分别为 (0.03±0.01)µmol/L 和(0.31±0.10)µmol/(m2·h),秋季 N2O 溶存浓度和扩散通量均值分别为(0.03±0.01)µmol/L 和(0.25±0.15)µmol/(m2·h).相关性分析结果表
中国环境科学 2019,39(11)：4611~4619
China En季节温室气体赋存及排放特征
龚琬晴 1,2,文帅龙 1,2,王洪伟 1,2,吴 涛 3,李 鑫 1,4,钟继承 1* (1.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重
点实验室,江苏 南京 210008；2.中国科学院大学,北京 100049；3.天津市水利科学研究院,天津 300061；4.苏州科技大学环境 科学与工程学院,江苏 苏州 215009)
藻源性黑水团环境效应_对水_沉积物界面氮磷变化的驱动作用_刘国锋
DOI:10.13227/j.hjkx.2010.12.015
第 31 卷第 NMENTAL SCIENCE
Vol. 31 ， No. 12 2010 Dec. ，
藻源性黑水团环境效应 ： 对水 沉积物界面氮磷变化的 驱动作用
刘国锋
南京 所，
2918
环
境
科
学
31 卷
黑水区面积远大于 2007 年 5 月， 对当地的生产和生 活产生了 极 大 的 影 响
［ 3， 5］
1 500 r / min 下离心 5 min ， 去 掉 湖 水， 取出经过离心 的新鲜藻细胞装入 3 根 沉 积 物 柱 状 样 中， 每根柱子 加藻量为 25. 0 g ；另 取 3 根 没 有 加 藻 的 柱 状 沉 积 物 设为对照组（ 见图 1 ） . 在往水体中加入藻细胞前， 水 体 中 水 -沉 积 物 界 面 间 的 溶 氧 用 溶 氧 微 电 极 （ PreSens ，德国） ［9 ］探针在沉积物表面 2 mm 处进行 测定；同时在添加藻 细 胞 于 沉 积 物 表 面 后 用 溶 氧 电 直至溶氧为 0 极测定沉积物 -水界面 处 的 溶 氧 变 化， 时止 .
别为 0. 42 mg / L 、0. 16 mg / L ） . 藻细胞的厌氧矿化加剧了氮磷营养盐向上覆水的扩散， 在加重水体营养盐含量的同时， 也为藻 华的再次发生提供了物质基础 . 关键词：藻源性黑水团；水 -沉积物界面；藻华；营养盐
水源水库沉积物中氮的形态分布特征研究
根 据海 洋及 浅水湖 泊沉 积物 的研究 结果 ， 沉积 物 中的氮 以不 同的物 理化 学形式 结合 ， 呈现 出不 同的
地 球化 学特 征 ， 氮循环 中所 起 的作用 也不 同ｌ 沉 积物 中能参 与交 换 的生 物 可利用 氮 量 ， 决 于 沉积 在 ＿ １ ． 取
物 中氮 的赋存 形 态 Ｈ ． ｊ 因此 ， 形态 的定量 研究 是探 讨水 库 、 氮 湖泊 沉 积物 中氮 的生 物 地球 化 学 功能 的 重 要前 提ｌ 也 是准 确理解 水体 一沉 积物 系统 中氮 素生 物地 球化 学 循 环及 其 环 境影 响 的前 提 ， 】 引， 只有 准 确掌握 污染 物 的赋存形 态及 其循 环转 化 的规 律 ， 能更 好 的控制 由沉积 物释 放引起 的内源污染 ， 决 才 解 水 源水库 湖泊 富营养 化关 键理论 和 技 术 问题 ， 而 实 现 以较 低 的成本 提 高水 源 水 质 ， 从 降低 水 厂 处 理 负
第５ 期
王 禄 仕 等 ： 源 水 库 沉 积 物 中氮 的形 态 分 布 特 征 研 究 水
７５ ３
形 态 ， 均 含 量 占可 转 化 态 氮 平 均 含 量 的 ６ ； 酸 提 取 态 氮 （ Ａ Ｆ Ｎ） 之 ， １ ； 子 交 换 态 氮 （Ｅ － 平 ９ 弱 ｗ Ｅ－ 次 占 ３ 离 Ｉ Ｆ
Ｎ）与 强 碱 提 取 态 氮 （ ＡＥ － 所 占 比例 最 少 ， 为 ９ ． 种 形 态 氮 对 氮 的 界 面 循 环 贡 献 的顺 序 从 大 到 小 依 Ｓ ＦＮ） 均 四
第４卷 ２
第 ５ 期
西 建 科 技 大 学 安 筑 学 报（ 然 版） 自 科学
Ｊ Ｘｉａ ｉ．ｏ ｃ ．＆ Ｔｅ ｈ （ ａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ． ｎ Ｕｎｖ ｆＡｒ ｈ ｃ ． Ｎ ｔｒ１ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｅ ｉ
凡纳滨对虾盐碱水养殖池塘沉积物-水界面氮元素交换通量的研究
凡纳滨对虾盐碱水养殖池塘沉积物-水界面氮元素交换通量的研究杜彦秋;吴文广;张子军;吴桃;冯旭;张继红【期刊名称】《水生生物学报》【年(卷),期】2024(48)7【摘要】为探究凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)盐碱水养殖池塘沉积物-水界面中氮元素的转化规律,于2019年5—7月测定了山东省滨州市3个不同盐度(28、45和55)的池塘上覆水和沉积物间隙水中各种形态氮的含量。
利用Fick第一定律估算了池塘沉积物-水界面氮元素交换通量,分析了环境因素与交换通量的相关性。
结果表明:(1)总体来讲,DIN、DON、TN由沉积物向水体扩散,即沉积物为DIN、DON和TN的源;NO_(3)^(-)-由水体向沉积物扩散,沉积物为NO_(3)^(-)的汇。
在养殖期间,盐度28、45和55组,DIN总交换通量分别为1.69、23.07和19.36 mg/m^(2),DON总交换通量分别为36.60、27.90和19.98mg/m^(2),TN总交换通量分别为38.09、43.66和32.56 mg/m^(2)。
(2)从季节变化来看,DIN、DON、TN在养殖初期(5月)的交换通量显著高于养殖末期(7月);从盐度组来看,在5月,盐度28、45和55组,DIN平均交换通量分别为2.08、6.37和12.47 mg/(m^(2)·d),7月分别为-0.48、0.06和1.47 mg/(m^(2)·d),盐度55组显著大于其他两组(P<0.05);DON交换通量5月分别为13.91、5.32和6.79 mg/(m^(2)·d),盐度28组显著大于其他两组(P<0.05),7月分别为5.82、10.94和5 mg/(m^(2)·d),盐度45组显著大于其他两组(P<0.05);5月TN平均交换通量分别为15.9、8.79和19.16 mg/(m^(2)·d),盐度45组显著小于其他两组(P<0.05),7月分别为5.31、9.1和3.28 mg/(m^(2)·d),盐度45组显著大于盐度55组(P<0.05)。
沉积物中磷的赋存形态及其分析方法
沉积物中磷的赋存形态及其分析方法孙霖娇;张季雨;邵玉;龚然;胡志新【摘要】磷是水体富营养化的主要限制性因子,分析水体沉积物中磷的不同赋存形态,对水体富营养化状况的深入研究具有重要意义.介绍了沉积物中无机磷和有机磷赋存形态的分类,总结了沉积物中磷的提取方法和测定方法,提取方法包括Willimas 法、Hieltjes-Lijklema法、Golterman法、Ruttenberg法和SMT法等,测定方法包括流动分析技术、核磁共振技术和毛细管电泳技术等,并就其优、缺点进行简要分析.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2018(046)022【总页数】2页(P31-32)【关键词】沉积物;磷;赋存形态;分析方法【作者】孙霖娇;张季雨;邵玉;龚然;胡志新【作者单位】南京工程学院环境工程学院, 江苏南京 211167;中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 江苏南京 210008;南京工程学院环境工程学院, 江苏南京 211167;南京工程学院环境工程学院, 江苏南京 211167;南京工程学院环境工程学院, 江苏南京 211167;南京工程学院环境工程学院, 江苏南京211167;中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 江苏南京210008【正文语种】中文【中图分类】X524磷是水体富营养化的主要限制性因子，当磷的含量过高，会加速水体富营养化进程[1]。
水体沉积物是磷的蓄积库，磷在沉积物中能够与铁、铝、钙等元素以及有机质以晶体或无定形的形式结合，其结合强度、释放机制、迁移转化能力、生物可利用性和对上覆水体释放的潜力不同，因而不同赋存形态的磷对水体富营养化的影响存在一定差异[2]。
1 沉积物中无机磷形态分类无机磷主要指吸附在沉积物上的溶解态磷酸盐、与水体中的铁、钙、铝等金属离子结合以不同形态存在的磷。
天然水体中磷的主要来源是水生生物的代谢废物、残骸，含磷矿物的侵蚀溶解以及人类活动的排放。
大型水库热分层的水质响应特征与成因分析
收稿日期：2020-07-03；网络首发时间：2021-01-22网络首发地址：https:///kcms/detail/.20210122.1104.002.html基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0401701）；中国水科院团队建设及人才培养重点项目（WE0145B592017）；中国水科院基本科研业务费项目（WE0163A052018，WE0145B422019，HTWE0202A242016）作者简介：李步东（1993-），硕士，主要从事流域水环境数学模型研究。
E-mail ：通讯作者：刘晓波（1978-），博士，教授级高级工程师，主要从事水环境数值模拟、河湖健康评估理论与方法等研究。
E-mail ：文章编号：1672-3031（2021）01-0156-09中国水利水电科学研究院学报第19卷第1期大型水库热分层的水质响应特征与成因分析李步东，刘畅，刘晓波，王世岩（中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京100038）摘要：为研究大型水库热分层期间水质的响应特征及成因，于2018年4月—2018年12月对大黑汀水库坝前水体的水温及溶解氧等理化指标进行了连续性垂向监测，在此基础上分析了大黑汀水库季节性热分层变化规律以及各水质指标的响应特征。
结果表明：（1）大黑汀水库水体呈典型的单循环混合模式，热分层期间，溶解氧在垂向分布同样表现出季节性变化，且在水体底部出现严重的缺氧现象，但在形成时间上比热分层略有迟滞；（2）氨氮、总磷、磷酸盐以及铁、锰浓度表现为底层>中层>表层的变化趋势。
研究表明，水体热分层会改变水体中溶解氧的垂向分布结构，并进一步导致沉积物向上覆水体释放大量的氮、磷营养盐以及铁、锰等污染物，对水库的正常运行和管理产生不利影响。
关键词：热分层；缺氧现象；营养盐；还原性金属；水质中图分类号：X524文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.202001131研究背景河道筑坝成库后热力学条件发生明显改变，水库水温出现垂向分层现象［1-2］，而水体发生季节性热分层是湖沼学中最基本的物理过程［3-4］，在高温季节，深水湖泊上层湖体由于受到较强的来自大气及太阳辐射的物质和能量交换，致使湖体上下层产生温差，温差导致了水密度的不同，进而导致垂向剖面水温结构自上而下形成变温层、温跃层和滞温层［5］，呈现出季节性分层现象。
大黑汀水库低水位运行调度分析
赵恩灵，赵建河，刘兵超：大黑汀水库低水位运行调度分析
·37·
4 影响分析 大黑汀水库低水位运行调度的顺利实施，收效良
多。水库水位降低，库尾大面积库底裸露，从而使得多 年网箱养鱼及水库淤积形成的底泥得以晾晒，降低了 底泥对水库水质的影响；同时，在维持低水位运行期 间，水库水体经过充分置换，大大改善了水库水质状况， 对引滦入津供水正式恢复起到了强有力的推动作用。 4.1 晾晒库底底泥，降低底泥对水质影响
网箱养鱼清理之前，受其影响，库区水体氮、磷 等富营养盐负荷不断增加，水库水体呈现富营养化 状态，且有持续加剧的趋势。海河流域水环境监测 中心引滦工程分中心检测结果显示，实施低水位运 行调度之前，大黑汀水库水质长期处于劣 V 类标准， 主要污染物为总磷。
2014 年 9 月引滦入津供水期间，大黑汀水库底孔 闸门漏水处及引滦入津隧洞洞壁和底板出现大量白色 黏稠物，并散发浓烈刺激性气味，导致引滦入津供水紧 急停止，水质恶化已经严重影响到引滦入津供水工作。
·防汛抗旱· DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2019.04.011
海河水利 2019.No.4
大黑汀水库低水位运行调度分析
赵恩灵，赵建河，刘兵超
（海河水利委员会引滦工程管理局，河北 唐山 064309）
摘 要：2017 年以前，受网箱养鱼影响，大黑汀水库水质持续恶化，严重影响引滦入津供水工作。2017 年网箱养鱼清理
4月16日供水之初，大黑汀水库水位为131.20 m。
通过实施低水位运行调度，水库水位逐步降低，维持
在 125.00 m 以 下 运 行 81 d，并 于 6 月 14 日 降 至
120.20 m，为近 30 a 以来最低运行水位。调度期间
磷在不同类型湖泊沉积物上的吸附特征及形态再分布研究
2 材料与方法
2.1 样品采集 于 2009 年 8 月对乌梁素海（WLSH）、岱海（DH）
进行沉积物样品采集，依据 《湖泊生态系统观测方 法》，针对各湖泊现有水域面积及湖泊生态系统类型 设置采样点（图1）。表层沉积物视湖泊深度分别用挪 威 Swedaq 公司产 KC mod A och B 型无扰动采样器 或荷兰 Eijkelkamp 公司产 SA Beeker 型沉积物原状 采样器采集；沉积物样品装入封口聚乙烯塑料袋后冷 藏保存，回实验室于-24 ℃冷冻保存。 2.2 实验方法 2.2.1 吸附动力学实验
磷在天然水体颗粒物、土壤及沉积物上的吸附-
收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金项目（41003049）；内蒙古自然科学基金
项目 （2009BS0601）；“国家大学生创新性实验计划”项目 （20081012614） 作者简介：吕昌伟（1979—），博士，副教授，研究方向为环境地球化学 和污染生态学。E-mail：lcw2008@
本研究中磷的形态分析按照李悦[18]、朱广伟[19]等 及 Ruttenberg[20]提出的沉积物中磷的连续提取方法进 行。数据处理软件为 Excel 2003 和 SPSS 16.0。
农业环境科学学报
403
水-沉积物界面释放至上覆水中，成为湖泊生态系统 的重要营养源[2]，加大富营养化的发生风险[3-4]。目前， 国内外学者在磷的形态分布[5-7]、吸附行为及其影响因 素[8-9]等方面开展了大量工作。但以往研究注重于沉积 物磷的形态分布，采用 Henry、Langmuir 和 Freundlich 等模型描述颗粒物对磷的吸附行为[10-13]，忽略了沉积 物自身吸持的可解吸磷[14-15]及吸附磷在沉积物中的形 态再分布问题。本研究以乌梁素海和岱海沉积物为吸 附剂，开展了 2 个湖泊沉积物对磷的吸附特征研究， 采用交叉型 Langmuir 模型描述了磷在 2 个湖泊沉积 物上的吸附行为，并厘定了吸附磷的形态再分布特 征，可为揭示水环境中磷的吸附/解吸机制，评价沉积 物内源释放风险，以及判识吸附磷再循环能力积累基 础数据，对深入探讨湖泊富营养化发生与控制机制及 内源负荷治理具有重要的参考价值。
海水多品种养殖池塘沉积物-水界面氮磷通量
海水多品种养殖池塘沉积物-水界面氮磷通量陈仲【期刊名称】《水产科学》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】为探明生源要素氮、磷在沉积物与水体间的迁移过程,比较3种不同养殖模式下、不同时间养殖池塘沉积物-水界面的氮、磷通量变化,2014年6—10月,在3种综合养殖池塘:海蜇+凡纳滨对虾+菲律宾蛤仔、海蜇+凡纳滨对虾+缢蛏和海蜇+凡纳滨对虾的整个养殖周期内,采集检测3口池塘沉积物-水界面样品中的亚硝态氮、硝态氮、氨氮和活性磷酸盐含量,分析沉积物-水界面的亚硝态氮+硝态氮、氨氮和活性磷酸盐的通量变化。
试验结果显示,6—10月,3种综合养殖池塘沉积物上覆水中亚硝态氮和硝态氮均以向沉积物中扩散为主,仅10月海蜇+凡纳滨对虾池塘沉积物中亚硝态氮和硝态氮向上覆水释放。
海蜇+凡纳滨对虾+菲律宾蛤仔、海蜇+凡纳滨对虾+缢蛏池塘沉积物上覆水中氨氮向沉积物扩散,6月海蜇+凡纳滨对虾+缢蛏池塘沉积物中氨氮向上覆水扩散;与海蜇+凡纳滨对虾+菲律宾蛤仔和海蜇+凡纳滨对虾+缢蛏池塘相比,海蜇+凡纳滨对虾池塘氨氮通量变化幅度较大,6—7月上覆水中氨氮向沉积物扩散,且扩散速率逐渐降低,9—10月沉积物中氨氮向上覆水释放,释放速率逐渐上升。
6、7、10月海蜇+凡纳滨对虾+菲律宾蛤仔池塘沉积物中活性磷酸盐向上覆水释放,8—9月上覆水中活性磷酸盐向沉积物扩散;6—10月,海蜇+凡纳滨对虾+缢蛏池塘沉积物中活性磷酸盐向上覆水释放;海蜇+凡纳滨对虾池塘上覆水中活性磷酸盐向沉积物扩散,10月沉积物中活性磷酸盐向上覆水释放。
试验结果表明,配养底栖贝类,可以通过改变综合养殖池塘沉积物-水界面的氮、磷通量,改善池塘的底质和水质环境。
【总页数】7页(P461-467)【作者】陈仲【作者单位】辽宁省海洋水产科学研究院【正文语种】中文【中图分类】S967.4【相关文献】1.大亚湾养殖区沉积物-水界面氮磷的释放通量及其在水体中的扩散迁移2.桑沟湾养殖海区沉积物-海水界面氮、磷营养盐的通量3.主养草鱼与主养黄颡鱼池塘沉积物—水界面氮磷营养盐通量变化及与环境因子的关系4.仿刺参夏眠前后池塘沉积物—水界面氮、磷通量研究5.池塘内循环流水养殖模式对养殖塘上覆水-沉积物-间隙水磷时空分布特征及释放通量的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
和川水库沉积物－水界面氮赋存特征及交换通量分析
和川水库沉积物－水界面氮赋存特征及交换通量分析作者：侯梓良冯民权赵直来源：《人民黄河》2023年第10期摘要：为明确氮营养盐在沉积物－水界面的交换过程，以和川水库沉积物为研究对象，分析水库整体氮营养盐污染现状及内源释放特征。
采集水库不同点位表层沉积物和上覆水，以此分析氮营养盐空间分布特征及差异性；以原位沉积物柱样沉积物静态释放试验获取沉积物－水界面氮营养盐交换通量，并分析和川水库内源释放对水体营养盐的潜在贡献率。
结果表明：和川水库上覆水中总氮含量劣于Ｖ类水标准，且空间差异明显；上覆水中氮营养盐以硝酸盐氮为主，间隙水中氮营养盐以氨氮为主，沉积物中氮以有机氮为主；沉积物表现为总氮、氨氮的“源”和硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的“汇”；和川水库库区界面交换对上覆水氮营养盐的贡献率较小，ＴＮ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ、ＮＯ－２－Ｎ的潜在贡献率小于１０％。
关键词：沉积物－水界面；氮营养盐；交换通量；和川水库中图分类号：Ｘ５２４文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０１６引用格式：侯梓良，冯民权，赵直．和川水库沉积物－水界面氮赋存特征及交换通量分析［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（１０）：９０－９５，１００．沉积物－水界面是物质参与环境地球化学循环和生物耦合的重要区域［１］。
沉积物中营养盐释放引起的内源污染是水体污染控制的核心。
近年来水质安全越来越受到人们的重视，当外源污染已经或正在被有效控制时，内源污染成了水体污染的重要影响因素［２］。
沉积物和上覆水营养盐交换是湖库沉积物具有“汇”或“源”作用的重要标志［３］。
沉积物中大量溶解性物质将孔隙水作为媒介通过扩散向上运移到上覆水中，从而影响上覆水水质［４］。
污染物在沉积物－水界面的迁移转化过程十分复杂，认识污染物在沉积物－水界面的分布特征以及扩散过程，对探讨污染物的环境行为具有重要的理论和现实意义。
国内外学者对沉积物－水界面营养盐交换通量进行了一定研究，ＶＩＴＴＯＲ等［５］对意大利南部爱奥尼亚湾沉积物－水界面总氮交换通量进行了研究，张甜娜等［６］采用孔隙水浓度梯度法研究了白洋淀ＴＤＮ、ＴＤＰ和ＮＨ＋４－Ｎ在界面的交换通量，向速林等［７］通过现场采样和室内试验研究了鄱阳湖沉积物－水界面氮的交换通量。
大黑汀水库水质现状及治理措施研究
大黑汀水库水质现状及治理措施研究本文通过对松木山水库的水质进行采样监测，（运用什么方法——单因子、平均污染指数、水体富营养程度）对水库水质状况进行评价分析，（基于评价分析结果）提出水库饮用水水源地的保护措施，为库区水资源保护提供科学依据。
标签：大黑汀水库；现状；治理措施；水质监测一、水源地概况大黑汀水库隶属于海河水利委员会，位于滦河干流上。
大黑汀水库为年调节水库，总库容3.37亿m3，可是，随着越来越多的企业在流域内设立，水库水质发生较大变化。
大黑汀水库是引滦工程的源头，直接担负着向天津市和唐山市工农业用水和城市生活用水的供水任务，水库的水质直接关系到天津、唐山人民的身体健康，因此保护好大黑汀水库的水质，做好水污染的防治工作具有十分重要的现实意义。
二、大黑汀水库水质污染分析1.污染源现状大黑汀水库的主要污染主要来自上游工业、农业及城市生活污水的污染，水库周边选矿企业带来的污染，水库网箱养鱼以及水库周边旅游污染等方面。
1.1上游工农业及生活污水的影响滦河流域承德市主要工业污染来自化工、造纸、印染、食品、制药等行业，大部门企业的废水直接排人河流。
滦河上游年排放废水量5万吨的排污口79个，包括工业企业排放口和生活污水排放口。
工矿企业的废水未经任何处理，直接排放；承德市目前尚无集中式污水处理厂；上游尚无一家符合卫生标准的垃圾填埋场。
废水排放造成滦河干流氨氮、化学耗氧量的人河量逐年出现升高的趋势，继而影响到水库的水质出现下降的趋势，水体出现轻度富营养化，水库中营养性的氮和磷持续走高。
1.2水库周边工业污染大黑汀水库周边矿产资源无序开发，有各类入库排污口84个，其中位于水源地保护区的选矿厂就有29个之多。
这些选矿企业，基本没有污水处理设备，废水直接排放到保护区内，对、大黑汀水库的水质有一定程度的影响，同时水库周边排污口排放的废水中含有大量的尾矿砂严重淤积了水库和河道，减少了大黑汀水库的有效库容。
1.3日益增加的网箱养鱼对水库富营养化起到加速作用大黑汀水库的网箱养鱼近几年发展十分迅速，已经从2005年的2.5万箱发展到目前5万多箱，对水质的影响是非常严重的。
太湖水土界面氮磷交换通量的时空差异_张路
太湖水土界面氮磷交换通量的时空差异张路1,范成新1,王建军1,郑超海2(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京 210008;2.河海大学环境科学系,南京 210098)摘要:利用原柱样静态释放实验及间隙水分子扩散模型对太湖典型草型湖区(东太湖)及藻型湖区(梅梁湾)的氮磷释放通量进行了逐月研究.原柱样氮磷静态界面交换通量(F i )在同一湖泊不同生态类型湖区有差异性,东太湖氨态氮和可溶性磷酸盐的年平均交换通量分别为(44.9±21.9)mg ·(m 2·d )-1(平均值±标准偏差)和(2.06±1.71)mg ·(m 2·d )-1,梅梁湾为(16.2±12.0)mg ·(m 2·d )-1和(0.53±0.52)mg ·(m 2·d )-1.2湖区的分子扩散通量(F m )同样表现为这样的差异,但是其绝对值与静态释放通量相比有数量级的差异,该模型不能用于太湖这样风浪显著且底栖生物活性较高的湖泊水土界面氮磷营养盐交换通量的估算.仅从不同生态类型的湖区比较结果看,草型湖区比藻型湖区有更高的氮磷交换通量.F i /F m 比值作为1种反映底栖生物活性的指标反映出东太湖有更高的底栖活性.在水体溶解氧水平通常保持在较高的水平,即好氧状态下,氮磷界面交换通量与溶解氧水平(DO )无显著相关.同样,在现有浓度水平下,其水土界面交换通量与水体氮磷浓度无显著相关.东太湖较高的释放通量与相对较低的水体营养盐负荷的差异来自于大型水生植被的消浪促沉降及其本身的吸附吸收作用,这是恢复水生植被以重建健康水生生态系统的重要理论依据.关键词:水土界面;氮;磷;交换通量;太湖中图分类号:X524 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2006)08-1537-07收稿日期:2005-09-02;修订日期:2005-09-27基金项目:国家自然科学基金项目(20577053,40501064,40171083);中国科学院知识创新工程重大项目(KZC X1-SW -12)作者简介:张路(1975～),男,博士,助理研究员,主要研究方向为湖泊水化学和湖泊生态学,E -mail :luzhang @niglas .ac .cnSpace -Time Dependent Variances of Ammonia and Phosphorus Flux on Sediment -Water Interface in Lake TaihuZHANG Lu 1,FAN Cheng -xin 1,WANG Jian -jun 1,ZH ENG Chao -hai 2(1.Nanjing I nstitute of G eog raphy &Limnology ,Chinese Academy o f Sciences ,N anjing 210008,China ;2.Department of Environment Science ,Hohai U niversity ,Nanjing 210098,China )A bstract :Mo nthly research of ammonia and phospho rus flux es in water -sediment interface in East Lake T aihu (ELT ,macrophyte dominated )and Meiliang Bay (MB ,algae dominated )w as processed with intact sediment cores 'incubation and pore water diffusive model .T he ammonia and phospho rus fluxes calculated w ith intact sediment cores 'incuba tio n (F i )showed discrepancy in different lake zones with different eco ty pe .T he yearly average flux es of ammonia and dissolved phosphorus in ELT were (44.9±21.9)mg ·(m 2·d )-1(M ean ±SD )and (2.06±1.71)mg ·(m 2·d )-1;and (16.2±12.0)mg ·(m 2·d )-1and (0.53±0.52)mg ·(m 2·d )-1in M B .T he molecular diffusive fluxes (F m )of the two lake zones show ed the same pattern ,but the absolute value difference may as hig h as an o rder of mag nitudes .So this molecular diffusive model cannot be used to evaluate the nutrients fluxes in sediment -w ater interface in Lake T aihu ,a lake vulnerable with w ind and w av e affectio n and benthic bio -disturbation .Compared with the tw o lake zones with different eco ty pes ,macrophy te dominated o ne had higher nutrients fluxes than the algae one .EL T had higher bio -disturbation ,w hich was revealed by the F i /F m ratio .When the dissolved o xyg en (DO )remained in high concentration ,know n as aerobic condition ,the nutrients 'flux es were not cor rela ted with the DO .Similarly ,the fluxes were not correlated with the nutrients 'concentration of the overly ing water at the existing co ndition .T he discrepancy betw een higher nutrients 'fluxes and low er nutrients loading in EL T suggested the hig her particulate settlement rate and assimilate rate promoted by the macrophy te .T his is the important theoretical basis of rebuilding the healthy ecosystems with resto ring the w ater plants .Key words :sediment -wa ter interface ;nitrogen ;phospho rus ;flux ;L ake T aihu 沉积物是湖泊内源负荷的重要源汇已成为共识.Pitkanen [1]等在芬兰东部海湾的研究中发现,尽管外源释放量减少了30%,但水体的磷酸盐仍然呈上升趋势,主要原因在于沉积物内源性磷释放.Kuw abara [2]等在美国Coeur d 'Alene 湖的研究中证实,全湖内源性磷酸盐的释放量与该湖入湖河流的外源性磷酸盐输入量相当.Berelson [3]在Port Phillip 湾的营养盐循环研究中发现内源性氮磷营养盐的产生量占外源性营养盐的比例均超过50%,而磷的内源再生量为湖泊溶解性磷酸盐的72%.鉴于沉积物的内源负荷在水体(包括海湾和湖泊)中的重第27卷第8期2006年8月环 境 科 学ENVI RONMENTA L SCIENCEV ol .27,No .8A ug .,2006要性如此之大,沉积物-水界面的营养盐交换通量以及其交换规律的研究对湖泊营养负荷的控制和湖泊水环境的改善就显得非常重要与迫切.水土界面交换通量研究通常有以下几种方法:①间隙水浓度扩散模型估算法[4～6];②原柱样静态培养法[7～9];③原柱样流动培养法[10,11];④原位箱式观测法[2,3];⑤质量守恒模型[12].其中,第⑤种方法考虑了水土界面处营养盐交换的水平通量,即平流作用的影响.方法②、③、④作为实验方法测定的营养盐通量,较多考虑了实验条件与现场环境条件的一致性.方法①在估算底栖扰动较小,间隙水热力学稳定性较高的水土界面交换通量时,常常有较高的准确性[13],而对于水动力条件较复杂,底栖生物活性较高的浅水湖泊,如太湖,是否适用仍存在疑问.本研究采用原柱样静态培养法结合间隙水浓度扩散模型对太湖典型草型湖区-东太湖和藻型湖区-梅梁湾的水土界面氮磷交换通量进行逐月研究,并对草藻型湖区的异同进行对比.1 样点布设与样品采集 太湖北部梅梁湾(MB )湖区为典型的藻型湖区,面积100km 2;东太湖(ELT )位于太湖东南部,面积131km 2,该湖区内97%的面积分布有大型水生植物,为草型湖泊[14].分别在这2个典型湖区搭设采样平台(图1),作为固定的采样点.2002～2003年逐月采集沉积物柱样,在实验室控制条件下进行静态释放实验.同时用平衡式间隙水采样器采集间隙水[15].图1 采样点示意图Fig .1 S ketch map of sampling s ites2 实验方法及界面通量计算2.1 原柱样静态培养法野外采集的原柱样运回实验室后,立即用虹吸法小心抽去柱状样上层水样,经过滤去除藻类及悬浮物后沿管壁缓缓加入到原沉积物柱样中,以不扰动沉积物表面为要求,水柱高度30cm ,所有采样管均垂直放入已恒定在采样时水体温度下的循环水浴恒温器(Colora WK100,±0.1℃)中,蔽光敞口培养.每次取样用注射器在液面下20cm 抽取水样.取完水样后再沿管壁缓慢补充相同数量经过滤的上层水样.每次取50mL 水样,用磷钼蓝比色法分析PO 3-4;纳氏比色法分析NH +4.取样时间按照0,3,6,12,24,36,48,72h 共8次进行.释放速率F i 按下式计算[16]:F i =V (c n -c 0)+∑n j =1V j -1(c j -1-c a )/(S ·t ) 其中,F i 为释放速率[mg ·(m 2·d )-1];V 为柱中上覆水体积(L );c n 、c 0、c j -1为第n 次、0次(即初始)和j -1次采样时某物质含量(mg ·L -1);c a 为添加水样中的物质含量(mg ·L -1);V j -1为第j -1次采样体积(L );S 为柱样中水-沉积物接触面积(m 2);t 为释放时间(d ).所计算的NH +4和PO 3-4均为3d 平均表观释放速率.2.2 间隙水扩散模型运用Fick 第一定律:F m =Υ0D s ( c / x )x =0对水土界面处间隙水和上覆水中氮磷营养盐的浓度梯度进行计算[17].其中,F m 为分子扩散通量[mg ·(m 2·d )-1];Υ0为表层沉积物孔隙度(%);D s 为经孔隙度校正的有效分子扩散系数(m 2/s );( c / x )x =0为表层沉积物孔隙水与上覆水间营养盐的浓度梯度[mg ·(L ·cm )-1].假如间隙水扩散服从一级反应动力学,则其含量对深度的变化应该服从指数分布规律[18].因此,在研究中将间隙水上端扰动层(深度3～4cm )以及界面向上覆水3cm 处的营养盐含量对沉积深度进行指数拟合,并对深度x 进行求导,求出水土界面处的( c / x )x =0,并进而利用Fick 定律计算出分子扩散通量.3 结果与分析3.1 原柱样氮磷释放通量在实验时间内,东太湖沉积物-上覆水氨态氮界面交换通量以释放为主,基本上全年均处在释放过程中,且夏季释放速率显著高于冬季,其释放速率与上覆水温度曲线有较好的吻合(图2).图2 东太湖梅梁湾原柱样静态培养氮磷释放通量Fig .2 Static intact s ediment cores release fluxes of ammonia and phosphorus in ELT and M B夏季(6～8月)东太湖释放速率在57～124mg ·(m 2·d )-1[Mean =87.6mg ·(m 2·d )-1,SD =23.5mg ·(m 2·d )-1],冬季(12～2月)释放速率在-7.0～23mg ·(m 2·d )-1[M ean =12.0mg ·(m 2·d )-1,SD =16.7mg ·(m 2·d )-1],年均释放速率(44.9±21.9)mg ·(m 2·d )-1.梅梁湾氨态氮释放的季节性变化规律较差,全年既有释放,也有吸附,而且释放速率的变化与上覆水温度曲线吻合较差(图2).夏季(6～8月)梅梁湾释放速率在-85.1～14.4mg ·(m 2·d )-1[Mean =-16.6mg ·(m 2·d )-1,SD =34.9mg ·(m 2·d )-1].冬季(12～2月)释放速率在12.8～78.1mg ·(m 2·d )-1[Mean =33mg ·(m 2·d )-1,SD =46.8mg ·(m 2·d )-1].与东太湖相反的是,梅梁湾在夏季反而出现了吸附的状态,冬季则出现了较强的释放.其年均释放速率为(16.2±12.0)mg ·(m 2·d )-1.2个湖区比较的结果看,东太湖氨态氮的释放速率要高于梅梁湾.氨氮释放通量在2002-12出现了较异常的高值,其原因推测与采样时湖区长时间维持静风状态而在样品运输及过滤后上覆水回滴到沉积物柱样内发生了扰动,造成沉积物柱样的异常释放有关.东太湖夏季(6～8月)磷酸盐释放速率在1.3～15.6mg ·(m 2·d )-1[M ean =7.7mg ·(m 2·d )-1,SD=5.2mg ·(m 2·d )-1],冬季(12～2月)磷酸盐释放速率在-0.7～0.2mg ·(m 2·d )-1[Mean =0.17mg ·(m 2·d )-1,SD =0.5mg ·(m 2·d )-1].年均释放速率为(2.06±1.71)mg ·(m 2·d )-1.梅梁湾夏季释放速率为-0.1～1.9mg ·(m 2·d )-1[Mean =0.74mg ·(m 2·d )-1,SD =0.82mg ·(m 2·d )-1],冬季释放速率为-0.6～0.3mg ·(m 2·d )-1[Mean =-0.1mg ·(m 2·d )-1,SD =0.45mg ·(m 2·d )-1].年均释放速率为(0.53±0.52)mg ·(m 2·d )-1.总体上梅梁湾磷酸盐释放速率低于东太湖,约为东太湖年平均释放速率的1/4.实验时间内,东太湖和梅梁湾可溶性磷酸盐的界面交换通量均以释放为主(图2),显示了这2个湖区沉积物均作为内源性磷酸盐的释放“源”,仅在部分时间出现微弱的吸附通量.东太湖的磷酸盐释放速率与温度曲线有较好的吻合趋势,即温度较高的夏季其释放速率也较高,而冬季的磷酸盐释放速率较低.梅梁湾的磷酸盐释放速率也与温度的变化有较好的吻合趋势.这些结果与Eckert [19]在Kinneret 湖得到的结果完全相同,即冬春季的沉积物磷酸盐释放低于夏秋季的结论,并把原因归结于温度和氧化还原条件的差异.3.2 间隙水浓度梯度控制下的分子扩散速率为求出界面交换速率,还需要表层沉积物扰动层的孔隙度Υ[17].结果表明,东太湖表层沉积物(研究扰动层3cm )的平均孔隙度为0.79,梅梁湾表层沉积物的平均孔隙度为0.83.两者均大于0.7,由此计算得到各个温度下的有效分子扩散系数D s ,并计算出相应的营养盐扩散速率F m (表1,表2,其中正值表示为从沉积物间隙水向上覆水释放的通量).从水土界面间隙水上覆水营养盐浓度对深度的指数拟合的结果看,东太湖的相关系数(平均值=0.66)要略好于梅梁湾(平均值=0.47).说明了草型湖区(东太湖)较小的再悬浮强度使得间隙水的热力学梯度扩散更加稳定,对于草型湖区运用一级反应动力学来描述内源性营养盐扩散过程比藻型湖区更加贴切.从计算结果看,Fick 定律计算的扩散速率均为正值,即均显示为“源”.仅有东太湖在2003-07的数据显示为“汇”.可以认为,由于营养盐浓度一般间隙水大于上覆水,因此模型的计算均显示为释放.从计算月平均结果看(图3),东太湖的氮磷释放速率略大于梅梁湾.其结果与草型湖区(东太湖)间隙水氮磷营养盐含量高于梅梁湾有直接关系[15].图3 东太湖和梅梁湾氨氮及磷酸盐的平均分子释放速率Fig.3 M ean diffusive fluxes of ammoniaand phosphorus in E LT and M B 从两湖区水土界面分子扩散速率的月际变化看,未能看出明显的规律性.虽然从表1,表2的数据或多或少地反映出温度较高的月份氮磷分子扩散速率较高,但是释放速率与温度之间并未表现出显著的相关关系.氨态氮释放速率与温度相关系数在东太湖及梅梁湾分别为0.58,0.36(95%置信度);而磷酸盐则分别为0.34,0.22(95%置信度).4 讨论4.1 扩散定律与原柱样静态培养结果比较由于Fick定律计算得到的扩散速率(F m)只考 表1 东太湖及梅梁湾水土界面氨氮分子扩散速率Table1 Ammonia diffus ive fl ux rate in sediment-w ater interface of ELT and M B时间/年-月温度/℃东太湖(ELT)梅梁湾(M B)R2(c/ x)x=0F m/mg·(m2·d)-1R2(c/ x)x=0F m/mg·(m2·d)-12002-0925.70.760.6525.580.290.3362.882002-1113.90.530.0960.630.730.0360.242003-0213.40.920.2782.300.130.1831.182003-0522.72003-0626.70.210.0180.150.480.7777.862003-0730.40.610.5084.752003-0827.40.310.2382.110.050.3693.782003-0925.70.981.33111.380.700.2472.452003-1022.40.930.4793.820.940.2131.98表2 东太湖及梅梁湾水土界面磷酸盐分子扩散速率Table2 Phosphorus diffus ive flux rate in sediment-w ater interface of ELT and M B时间/年-月温度/℃东太湖(ELT)梅梁湾(M B)R2(c/ x)x=0F m/mg·(m2·d)-1R2(c/ x)x=0F m/mg·(m2·d)-1 2002-0925.70.910.3311.050.900.0980.312002-1113.90.880.0650.150.780.0710.172003-0213.40.530.0110.040.550.0130.042003-0522.70.830.3050.900.690.0560.192003-0626.70.570.0170.060.260.0060.022003-0730.40.79-0.048-0.172003-0827.40.800.1860.610.860.1070.412003-0925.70.950.2380.760.800.1120.412003-1022.40.740.0350.100.960.0320.11虑了营养盐在沉积物-上覆水之间的浓度梯度以及孔隙度、颗粒阻碍因子对溶解态营养盐迁移扩散的影响,因此是一种理论通量.由于生物的扰动作用、营养盐在水体中的水平迁移扩散、风浪作用造成的紊流扩散、沉积物表面的直接释放等等其他因素在这个模型中未得到体现.原柱样静态培养计算得到的静态界面扩散通量(F i)则模拟了现场温度、氧还电位等物理化学因素的影响,并且采集的原柱样也考虑了生物扰动作用的影响.尽管这种模拟不能反映真实的湖泊物理条件,如水平流、紊流等物理因素,但作为一种实验室内的模拟装置,在理论上能比扩散定律的计算结果更加接近于真实.从实验结果看,F i普遍高于F m也证实了上述观点.Cermelj[20]在Adriatic海湾利用模型计算和原柱样模拟进行扩散通量的比较研究中发现:F i值和F m值的差异反映了沉积物,特别是表层沉积物中生物扰动和生物灌溉(bio-irrig ation)作用的强度,差异越大则说明生物扰动强度越大,且其比值与扰动强度严格相关.因此F i/F m比值可以反映沉积物间隙水中营养盐的分子扩散系数与有效扩散系数1540环 境 科 学27卷的差异[21].图4可以看出,东太湖氮磷营养盐的F i /F m 平均比值大于梅梁湾,反映出东太湖的生物扰动和生物灌溉作用强于梅梁湾.图4 东太湖及梅梁湾氮磷界面扩散通量比值(F i /F m )比较Fig .4 Comparison of flux ratio (F i /F m )of ammonia and phosphorus in ELT and M B由于东太湖为草型湖区,表层沉积物的底栖生物含量较梅梁湾高,而且东太湖作为重要的螃蟹养殖基地,螃蟹及鱼类的养殖对表层沉积物的扰动作用也不容忽视,这些因素造成了东太湖分子扩散通量与有效扩散通量的偏离.从图4还可以看出,磷酸盐的F i /F m 比值绝对值的月际变化普遍小于10,氨氮的比值绝对值则在30内,但有部分月份的比值大大超出了该范围,显示一种不寻常的扰动.原因之一是在原柱样静态释放实验中应该保持的静止状态的沉积物由于搬运,上覆水的复加,试验过程中的碰撞导致发生再悬浮,从而使得静态释放通量变大.原因之二与间隙水采样的误差有关,如采集的间隙水有生物灌溉作用存在,则上覆水会侵入到 间隙水中造成营养盐的浓度梯度的降低而导致分子扩散显著降低.这也是在生物扰动强烈的湖泊采用分子扩散模型计算释放通量常常会导致不理想结果的原因[21].结合以上分析,可以得到这样一个结论,即在太湖这样的浅水湖泊,运用分子扩散模型计算水土界面营养盐释放通量与实际释放通量间将有数量级的差异,不能反映真实的情况.而在生物扰动作用比较强烈的湖区,这种偏离更大.4.2 氮磷界面通量湖区差异及其与物化参数的相关关系已有研究显示,水体沉积物氮磷释放通量与水体溶氧水平负相关[22,23],好氧条件将阻碍营养盐从沉积物向上覆水体释放.本研究结果显示(表3),在上覆水体为好氧状态下,氮磷静态界面交换通量与相应的水体溶解氧水平、水体氨态氮和溶解性磷酸盐含量间均未发现显著的相关关系.但从表3可以看出,氮磷释放通量与上覆水的溶解氧水平相关方程斜率均为负值,即2个湖区样点沉积物的氮磷释放随着水体溶解氧水平的升高被抑制.从常规监测资料显示(中国科学院太湖生态系统研究站年报,2002～2003年):梅梁湾上覆水溶氧水平(实验阶段内)在6.08～12.55mg /L ,月平均值为9.2mg /L ,标准偏差为0.51mg /L ;而东太湖则为5.58～10.14mg /L ,平均值为8.07mg /L ,标准偏差为1.02mg /L .由于太湖平均水深只有1.8m ,最大水深2.8m [14],且湖盆呈显著开敞状态,风浪影响下水面复氧能力和溶解氧向下传递的能力均较强,从溶氧水平显示,这2个湖区上覆水在全年均属好氧状态[24].因此本研究并未涉及到上覆水溶氧水平较低的缺氧甚至厌氧状态下沉积物的氮磷界面通量.持续好氧状态下,沉积物的氮磷静态释放通量与溶氧水平无显著相关.表3 氮磷扩散通量与溶氧及上覆水氮磷营养盐的相关关系Table 3 Correlation between fluxes (ammonia and phosphorus )w ith DO and diss olved ammonia and phosphorus concentration in overlying w ater相关参数东太湖(ELT )梅梁湾(M B )回归方程回归系数回归方程回归系数(F i )N ∶DO y =-0.0382x +10.038R 2=0.625y =-0.0191x +9.0559R 2=0.140(F i )N ∶NH +4y =7E -05x +0.0674R 2=0.015y =0.0037x +0.3045R 2=0.096(F i )P ∶DO y =-0.1514x +8.7813R 2=0.195y =-0.8678x +9.6698R 2=0.136(F i )P ∶PO 3-4y =-9E -05x +0.005R 2=0.057y =0.0021x +0.0093R 2=0.023 表3还显示,上覆水体的溶解态氮磷水平与释放通量间也无显著相关关系.从静态释放通量的结果(图2)看,无论是磷酸盐还是氨态氮,都为东太湖大于梅梁湾;但上覆水体的的溶解态磷酸盐和氨态氮的含量却显示为相反的规律.梅梁湾磷酸盐含量为0～0.039mg /L ,(0.010±0.011)mg /L (分别为15418期环 境 科 学最小值～最大值,均值±标准偏差,下同.为实验期间监测资料);东太湖磷酸盐含量为0.002～0.009mg/L,(0.005±0.002)mg/L.梅梁湾氨态氮含量为0.04～1.76mg/L,(0.33±0.46)mg/L;东太湖为0.04～0.11mg/L,(0.07±0.02)mg/L.释放速率与上覆水实际氮磷负荷之间的差异可能由于2个湖区不同的生态类型造成.东太湖湖底密布的水生植被(覆盖度达97%)显然有利于湖泊消浪,颗粒物沉降以及营养盐吸附吸收,可以推测,尽管东太湖的氮磷释放通量高于梅梁湾,但是由于在上述这些因素的影响下,释放出来的营养盐能够较梅梁湾更快地回到沉积物中去.正如Andersen[25]在丹麦的Kvie湖的研究中证实的:由于水生植物对溶解性反应磷(SRP)的有效吸收以及颗粒物对SRP的吸附导致沉积物磷酸盐库的循环速度大大增加, S RP不仅容易从沉积物进入水体,而且也很容易回到沉积物或者水生植物中去,循环速率可以达到每年500～900次,因此,水生植物对湖泊(湖区)维持低营养状态至关重要.而梅梁湾这样一个开敞水域,缺乏水生植物的消浪作用,再悬浮明显,营养盐一旦进入水体,就很难重新回到植物或者沉积物中去,由于营养盐在水体中的停留时间较长,有利于藻类等生物的利用,在夏季促使藻华暴发.5 结论 (1)太湖草型湖区-东太湖氮磷界面交换平均通量高于藻型湖区-梅梁湾,但2个湖区的季节性变化规律不甚相同.东太湖表现为夏季>春秋季>冬季的特征,但梅梁湾的季节性变化规律不明显.分子扩散模型的计算结果显示,由于东太湖间隙水中溶解态氮磷含量均高于梅梁湾,其分子释放通量比梅梁湾高.与原柱样静态释放实验结果相比较,在浅水湖泊运用分子扩散模型计算水土界面营养盐释放通量可能导致数量级的差异,差异来源与浅水湖泊风浪扰动及沉积物底栖生物的扰动有关.相比较而言,原柱样静态释放通量更准确客观.(2)2个湖区释放通量值与水体溶氧水平无显著相关,不代表溶氧水平对释放没有影响,只能说明在好氧状态下,充分的溶氧不是营养盐释放的限制因素.同时,现场湖水氮磷营养盐的含量的变化不是水土界面氮磷营养盐交换通量的限制因子.由于东太湖水生植被的影响,尽管其氮磷界面交换通量高于梅梁湾,但释放进入水体的营养盐能更快回到沉积物中去,从而减弱了水体的氮磷营养盐负荷.参考文献:[1]Pitkanen H,Lehtoranta J,Raike A.Internal nutrient fl uxescounteract decreases in external load:the case of the estuarialeastern Gulf of Finland,Baltic Sea[J].AM BIO,2001,30:195～201.[2]Kuwabara J S,Carter J L,Topping B R,et al.Importance ofsediment-w ater interactions in Coeur d'Alene Lake,Idaho,USA:management impl ications[J].EnvironmentalM anagement,2003,32:348～359.[3]Berelson W M,Heggie D,Longmore A,et a l.BenthicNutrient Recycl ing in Port Phillip Bay,Australia[J].Estuarine,Coastal and Shelf S cience,1998,46:917～934.[4]James W F,Barko J W,Eakin H L.Internal PhosphorusLoading in Lake Pepin,Upper M iss issippi River[J].Journal ofFreshw ater Ecology,1995,10:269～276.[5]James W F,Barko J W,Fiel d S J.Phosphorus mobilizationfrom littoral sediments of an inlet region in Lake Delavan,Wis consin[J].Archiv fur Hydrobiol ogie,1996,138:245～257.[6]Wil liam A H,Frank H D.Exchange of inorganic phosphatebetw een river w aters and bed-s edim ents[J].Environ.Sci.Technol.,2002,36:4295～4301.[7]Auer M T,Johnson N A,Penn M R,et al.M easuremen t andVerification of R ates of S ediment Phosphorus Rel ease for AHypereutrophic Urban Lake[J].Hydrobiologia,1993,253:301～309.[8]Andersen F O,Ring paris on of phos phorus release fromlittoral and profundal sediments in a s hallow,eu trophic lake[J].Hydrobiol ogia,1999,409:175～183.[9]范成新,张路,秦伯强,等.太湖沉积物-水界面生源要素迁移机制及其定量化Ⅰ.铵态氮释放速率的空间差异及源-汇通量[J].湖泊科学,2004,16(1):8～16.[10]R ydin E.Potentially mobile phosphorus in Lake Erken s ediment[J].Water Res earch,2000,34:2037～2042.[11]M cCarthy M J,Gardner W S.An application of membrane inletmas s spectrometry to measure denitrification in a recirculatingmariculture s ystem[J].Aquaculture,2003,218:341～35. 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[16]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):27～35[17]M artinova M V.Nitrogen and Phosphor Compounds in BottomSediments———M echanisms of Accumulation,Transformationand Rel ease[J].Hydrobiologia,1993,25(1):1～22.1542环 境 科 学27卷[18]Federico S,M aria C B.Water-sediment exchange of nutrientsdu ring early diagenesis and resuspension of anoxic sedimentsfrom the northern Adriatic sea shelf[J].W ater,Air and SoilPollution,1997,99:541～556.[19]Eckert W,Nishri A,Parparova R.Factors regulating the fluxof phos phate at the sediment-w ater interface of a subtropicalcalcareous lake:a simulation study w ith intact s ediment cores[J].W ater,Air and Soil Poll u tion,1997,99:401～409.[20]Cermelj B,Bertuzzi A,Faganeli J.M odelling of pore w aternutrient distribution and fluxes in shallow coastal waters(gulf ofTrieste,northern Adriatic)[J].W ater,Air and Soil Pollution,1997,99:435～444.[21]Portielj e R,Lijklema L.Estimation of s ediment-w ater exchangeof solutes in Lake Veluw e,the Netherlands[J].WaterResearch,1999,33(1):279～285.[22]Appan A,Ting D S.A laboratory study of sediment phosphorusflux in two tropical reservoirs[J].Water Science andTechnology,1996,34(7-8):45～52.[23]Al aouimhamdi M,Aleya L.Assessment of the Eutrophicationof Al-M ass ira Reservoir(M orocco)by M eans of A Survey ofthe Biogeochemical Bal ance of Phosphate[J].Hydrobiologia,1995,297(1):75～82.[24]Qin Boqiang,Hu Weiping,GAO Guang,et al.Dynamics ofsediment resuspens ion and the conceptual schema of nutrientrelease in the l arge shallow Lake T aihu,China[J].ChineseScience Bulletin,2004,49(1):54～64.[25]Andersen F O,Olsen K R.Nu trient Cycl ing in Shallow,Ol igotrophic Lake Kvie,Denmark.2.Effects of Isoetids on theExchange of Phosphorus Betw een Sediment and W ater[J].Hydrobiol ogia,1994,276:267～76.15438期环 境 科 学。
近百年来滇南双龙水库沉积物中氮的赋存特征变化
导致沉积物中各形态氮富集ꎬ滇池富营养化严重
[９]
.
双龙水库作为饮用水源地ꎬ受不合理土地利用影响ꎬ
水质遭到破坏. 因此ꎬ该研究通过分析滇南双龙水库
深层沉积物中 ＴＮ 和 ＴＩＮ 赋存特征及沉积物理化性
质ꎬ探讨水库沉积物氮迁移转化的影响因素ꎬ并评估
湖库营养状况的变化ꎬ以期为湖库富营养化治理和流
ｌｅｖｅｌ ｉｎｄｅｘ ( ＴＬＩ) ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ( ＯＮ) ｉｎｄｅｘ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ: (１) Ｔｈｅ ｄａｔｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ＣＲＳ ｍｏｄｅｌ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｇｅ ｓｐａｎ
ｏｆ ｔｈｅ ７０ ｃｍ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｆｒｏｍ １８７１ ｔｏ ２０１１. ( ２) Ｔｈｅ ＴＮꎬ ＩＥＦ￣Ｎ ａｎｄ ＳＡＥＦ￣Ｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ０ ８３２￣５ ７４４ꎬ ０ ０２７￣０ １４２ ａｎｄ
Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｐｅａｒｓｏｎ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓꎬ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘａｍｉｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ
ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ. Ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｗａｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒｏｐｈｉｃ
的剖面特征. 通过 Ｐｅａｒｓｏｎ 相关、ＲＤＡ ( 冗余分析) 和回归分析探讨沉积物理化性质对氮迁移转化的影响ꎬ并结合 ＴＬＩ ( 综合营养
湖泊水-沉积物界面过程对营养物质迁移转化的影响
973计划课题2004年度总结报告项目名称：湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究课题名称：湖泊水－沉积物界面过程对营养物迁移转化影响研究课题编号：2002CB412304课题负责人：金相灿刘建彤课题依托单位：中国环境科学研究院中国科学院水生生物研究所二零零四年十二月十五日本课题自2003 年启动以来，紧紧围绕国家需求、课题任务书的任务要求和目前国际、国内的研究进展，开展了大量的野外调查检测、室内分析和模拟试验研究工作。
下面从以下几个方面，对整个第四课题在2004 年度的研究工作做一概括性总结。
一、年度计划执行情况1．年度计划完成情况 1.1课题拟完成的研究内容和预期目标根据课题任务书的要求，本课题第二年度应完成下列研究内容。
1.1.1 掌握水体理化因素和生物因素对生源要素在水-沉积物界面形态转化的影响；1.1.2 研究富营养化条件下，水-沉积物界面微生态结构的维持机理；1.1.3 确定污染湖区主要生源要素的形态与生物可利用性之间的关系；1.1.4 掌握跨介质间营养物的动态赋存以及热力学平衡与营养状态的关系；1.1.5 在国内外核心刊物上发表文章4 篇，其中中国环境科学研究院和中科院水生生物研究所分别发表 2 篇。
1.2 课题完成的研究内容和目标1.2.1浅水湖泊水-沉积物界面物质交换过程及其水动力影响机制现场调查采样，分析，完成冬、夏两季样品采集工作，进行实验室内外分析数据的初步整理。
初步总结完成沉积物-水界面氧化还原条件的控制机理研究。
1.2.2 湖泊营养物的微生态转化及生化动力学针对长江中下游的五大浅水湖泊（滇池、洪泽湖、洞庭湖、巢湖和太湖）和两个城市湖泊（武汉月湖和南京玄武湖）进行现场调查采样、分析，进行实验室内外分析数据的整理，总结长江中下游湖泊的基本理化特征和营养状况；同时重点研究太湖不同富营养水平湖区，分春夏秋冬四季对太湖流域的梅梁湖鼋头渚、梅梁湾小丁湾、梅梁湖蠡园、贡湖、东太湖等湖区进行野外调查，分析上覆水、沉积物样品中各种理化性质。
北方低温仿自然湿地脱氮除磷强化净化技术应用
DOI ：10.19965/ki.iwt.2022-0976第 43 卷第 9 期2023年 9 月Vol.43 No.9Sep.，2023工业水处理Industrial Water Treatment 北方低温仿自然湿地脱氮除磷强化净化技术应用王文冬，王利军，高晓薇，刘学燕，龙元源，赵 佑，蔡婷婷，王慧（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）[ 摘要 ] 为强化湿地系统的脱氮除磷效果，构建具有“预处理区+主处理区+后处理区”的多生境仿自然湿地系统，辅以底质调节缓释除磷措施，形成良好的厌氧/缺氧/好氧微生环境，同时为提升湿地系统的冬季运行效果，项目对湿地系统的填料床结构、菌群/植物配置以及低温运行模式进行了优化。
结果表明，多生境仿自然系统湿地系统内部能够形成良好的厌氧/缺氧/好氧交替的微生环境，通过辅助添加土壤/生石灰缓释除磷填料，可进一步提高系统的除磷效果；通过采取填料床表层保温材料覆盖、低温冰下低水位运行技术措施，能够将冰下温度控制在2~3 ℃，可进一步发挥耐低温植物/微生物的水质净化功能，综合提升低温条件下的湿地出水效果；研究成果应用于官厅八号桥仿自然湿地，对低温季节上游来水中TN 、TP 的去除率分别为47.78%、51.67%，有效突破了传统湿地氮、磷污染物净化水平有限、冬季低温条件下湿地出水达标运行困难等瓶颈问题。
［关键词］ 仿自然湿地；多生境脱氮；缓释除磷；低温运行［中图分类号］ X703.1 ［文献标识码］B ［文章编号］ 1005-829X （2023）09-0206-07Application of enhanced purification technology for nitrogenand phosphorus removal in low -temperature naturalsimulated wetland in northern ChinaWANG Wendong ，WANG Lijun ，GAO Xiaowei ，LIU Xueyan ，LONG Yuanyuan ，ZHAO You ，CAI Tingting ，WANG Hui （Beijing Institute of Water ，Beijing 100048，China ）Abstract ：Aim to strengthen the denitrification and phosphorus removal effect of the wetland system ，a multi -habitat natural simulated wetland system with “pretreatment area+main treatment area+post -treatment area ” was con⁃structed ，and it was supplemented by substrate regulation and slow -release phosphorus removal measures to form an anaerobic/anoxic/aerobic alternate environment. At the same time ，the project optimized the packed bed structure ，flora/plant configuration and low temperature operation mode of the wetland system to improve the winter operation effect of the wetland system. The results showed that a good microbial environment for denitrification and dephos⁃phorization could be formed inside the multi -habitat natural simulated wetland system ，and the phosphorus removal effect of the system could be further improved by supplementary addition of soil/quicklime slow -release phosphorusremoval filler. By adopting the technical measures of covering the surface of the packed bed with thermal insulation material and operating at a low water level under low temperature ，the temperature under the ice could be controlled at 2-3 ℃，which could further exert the water purification function of low -temperature resistant plants/microbes ，com⁃prehensively improving the wetland effluent effect under low temperature conditions. The research results were ap⁃plied to the natural simulated wetland of Guanting No. 8 Bridge ，and achieved the removal effect of 47.78% and 51.67% of TN and TP in the upstream water in the low temperature season. It effectively broken through bottleneckproblems ，such as the limited purification level of N and P pollutants in traditional wetlands and difficulties in reach⁃ing the standard operation of the effluent from the lower wetlands in the low temperature conditions.Key words ：natural simulated wetland ；enhanced denitrification ；slow -release phosphorus removal ；low -temperatureoperation开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：工业水处理 2023-09，43（9）王文冬，等：北方低温仿自然湿地脱氮除磷强化净化技术应用人工湿地是通过人工模拟并强化天然湿地功能结构，将低污染浓度的污废水均匀投配到填料床系统（内含填料基质、水生植物、水生动物及微生物），通过发挥吸附过滤、离子交换、植物吸收以及微生物降解多重作用实现对污水中各类污染物的有效去除，与常规的污水处理工艺相比，具有处理效果好、污染物去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低、对负荷变化适应能力强等显著特点〔1-3〕。
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冬季大黑汀水库沉积物-水界面氮磷赋存特征及交换通量文帅龙;吴涛;杨洁;李鑫;龚琬晴;钟继承【摘要】本文研究了大黑汀水库表层沉积物碳氮磷污染负荷及分布特征,利用Peeper (pore water equilibriums)技术获取沉积物-水界面氮磷剖面特征,分析大黑汀水库间隙水氮磷分布的空间差异;采集沉积物无扰动柱样用静态培养法对其水土界面氮磷交换速率进行估算.结果表明:沉积物中TN、TP和TOC的含量分别在729～5894mg/kg、1312～2439mg/kg和0.5％～5.6％之间,沉积物中氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(N NO2--N)和活性磷PO43--p)含量分别在0.6～202.9、34.4～168.3、0.1～0.3和16.1～75.2mg/kg之间,主要表现为下游含量高于上游,空间分布特征明显;沉积物C/N表明该水库有机质主要来源于水体内部,与人类网箱养殖活动有关.间隙水中NH4+-N和PO43-_p浓度远高于上覆水,表明大黑汀水库间隙水具有向上覆水体扩散营养盐的潜力.在垂直方向上间隙水中NH4+-N浓度随深度的增加而变大,PO43-_p浓度具有在0～4cm快速增加,之后表现出逐渐降低的趋势.静态释放结果表明,沉积物-水界面NH14+-N和pO43-_p的交换通量分别为3.5～110.5mg/(m2·d)和0.1～l.6mg/(m2.d),NO3--N和NO2--N交换通量在-112.5～157.2mg/(m2·d)和0.04～0.94mg/(m2·d)之间.NH4+-N、NO3--N和PO43--P在下游表现出较高的释放速率.较高的沉积物内源负荷使得大黑汀水库沉积物具有较大的向上覆水释放营养盐的潜力,改善水库沉积物污染状况是治理大黑汀水库水体环境的必要之举.【期刊名称】《中国环境科学》【年(卷),期】2019(039)003【总页数】9页(P1217-1225)【关键词】大黑汀水库;营养盐;沉积物-水界面;间隙水;释放通量【作者】文帅龙;吴涛;杨洁;李鑫;龚琬晴;钟继承【作者单位】中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京210008;中国科学院大学资源与环境学院,北京100049;天津市水利科学研究院,天津300061;天津市水利科学研究院,天津300061;中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京210008;苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏苏州215009;中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京210008;中国科学院大学资源与环境学院,北京100049;中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京210008【正文语种】中文【中图分类】X142氮磷是水体环境中最主要的营养盐,往往被视为水生生态系统初级生产力的限制因子,其在沉积物-水界面(Sediment-Water Interface,SWI)的迁移转化过程在水生生态系统中扮演着重要的作用[1].湖库沉积物中较高的营养盐负荷在某些条件下会以间隙水为介质,通过扩散、对流以及再悬浮等过程向上覆水体释放,从而使得沉积物成为上覆水体的内在污染源[2-3].内源氮磷释放风险与氮磷形态、上覆水氮磷质量浓度、间隙水氮磷剖面特征、孔隙度和有机质含量间的关系最为密切[4-5].各种因素之间的相互作用极大程度影响了沉积物中氮磷的形态和分布特征[6].近年来我国水库的环境问题凸显,保障水源型湖库饮用水供给和控制水生生态系统富营养化水平,降低藻类爆发带来的危害并改善水质,减少人为因素引起的营养盐输入已成为湖库污染控制的共识[7-8].明晰湖库水体富营养化现状,底泥污染水平及内源释放强度,便于为后续的湖库富营养化及污染治理提供决策依据.然而现阶段,我国关于沉积物污染及内源释放速率的研究主要集中在影响较大的湖库,而许多与当地饮用水供给直接相关的水源性湖库在沉积物污染及内源释放方面的研究还存在着比较大的缺失. 污染物在沉积物-水界面的迁移转化过程十分复杂,认识沉积物-水界面结构以及污染物在沉积物-水界面的扩散过程,对探讨污染物环境行为具有重要的理论和现实意义[9].间隙水作为水土界面交换的重要介质,在温度、溶氧、pH值、盐度、有机质、生物扰动等因素的作用下,其营养盐浓度梯度会发生显著的变化,进而影响在沉积物-水界面的交换通量[9-10].目前国内外研究沉积物-水界面扩散通量的方法有孔隙水浓度梯度法[10-11]、原位箱测定法 [12-13]、质量平衡法[9]和实验室培养法 [14-15].孔隙水浓度梯度法操作交简单,但是容易忽略底栖扰动、水动力等因素的影响,而且在浓度梯度的选取模拟上存在一定的主观性[9].原位箱测定法相对准确,但实际操作比较复杂,对条件要求较高.质量平衡法相对工作量大,误差也大,适用于大范围水域的估算[16].而实验室培养法相对容易操作,变量可控,也能较好的反映泥水界面营养盐交换的源汇关系.大黑汀水库承载着唐山、天津两市居民的生产生活用水的需求,其上接潘家口水库来水,下通过滦河干流向唐山、天津两市进行供水.在过去几十年中,大黑汀水库由于长期的网箱养殖,水库水体及底泥污染严重,水质日益恶化,严重威胁了唐山、天津两市生产生活用水需求.为了防止水体进一步恶化,改善水体生态环境,该水库管理处于2016年开展了整个库区养鱼网箱拆除工作,意在减少人为活动对水体的影响.然而由于长期的污染物积累,大黑汀水库内源污染负荷严重.当外源污染逐步控制后,如何有效控制来自沉积物的内源氮磷负荷就成为了湖库水体治理的关键[17].本文对大黑汀水库沉积物营养盐赋存特征、间隙水营养盐剖面特征进行了系统的研究,并基于实验室培养法研究了沉积物-水界面营养盐扩散通量,以期阐明大黑汀水库沉积物污染负荷、内源营养盐释放水平及潜在的释放风险.本文采用了高分辨率(mm级)透析式间隙水被动采样装置(Peeper)对沉积物-水界面间隙水微剖面特征进行了采样及表征,该技术能够更好地刻画沉积物-水界面微环境营养盐的赋存特征及迁移潜力.本文的研究结果能够辨识大黑汀水库网箱拆除后沉积物污染现状及内源负荷,为后续的水体富营养化控制及污染底泥治理提供参考依据.大黑汀水库(40°11'~40°21'N,118°15'~118°19'E)位于唐山市迁西县城北5km,潘家口水库下游30km处,1986年建成投产,总库容为3.37亿m3,主要承接潘家口水库的调节水量及滦河支流洒河来水,有效库容2.24亿m3,正常蓄水位133m,全长约22km,平均水深13.84m.大黑汀水库控制流域面积35100km2,占滦河流域面积的78%,多年平均径流量28.28亿m3.大黑汀水库的作用是承接潘家口水库的调节水量,调节洒河来水,抬高水位,下接还乡河和陡河,通过引滦入津输水工程向天津、唐山市供水.大黑汀水库及上游潘家口水库保障了津、唐两市供水区630万人的生活饮用水和生产水源供给,对当地的生产发展和经济建设起着非常重要的作用.野外的采样工作于2017年12月中旬开展,采样点分布如图1所示,自水库下游坝前至上游设置8个采样点,用重力采样器(直径为90mm)采集柱状沉积物,每点采集4根柱子作为平行样,并用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品;在每个采样点用多参数水质仪(YSI)探测表层水柱及沉积物-水界面处的理化参数.同时采集底层原位上覆水10L备用.采集的柱状沉积物上部覆盖有约20cm深的原位底层水,然后用橡胶塞封口避免在转移的过程中发生扰动及氧化.样品采集后迅速运输到位于大黑汀水库坝前的引滦工程管理局大黑汀水库管理处实验室进行前处理及静态释放试验.采集的水样运到实验室后立即放入冰箱中4℃低温保存.沉积物-水界面静态释放实验在室内将沉积物柱状样中上覆水用虹吸法抽去,再用虹吸法沿壁小心滴注已过滤的原采样点水样,至液面高度距沉积物表面20cm处停止(此时水柱体积为1135mL),标注刻度,将所有柱状样蔽光室内按照水库原位温度进行恒温培养.此后在指定时间(0、12、24、36、48、60、72h)用移液管于水柱中靠近沉积物表层5cm处取样,每次取样体积为50mL,同时用各原位初始过滤水样补充至刻度以保持水量平衡,实验于72h(3d)后终止,培养过程中采集的水样用干净的100mL塑料瓶盛装并及时放入冰箱中进行冷冻保存.待实验结束后样品迅速带回位于南京的湖泊与环境国家重点实验室分析.沉积物-水界面营养盐交换速率(F)按下式计算[14]:式中:F为平均交换通量,mg/(m2·d);V为柱中上覆水体积,L;cn、c0、cj-1为第n次、0次(即初始)和j-1次采样时某物质质量浓度,mg/L;ca为添加水样中的物质质量浓度,mg/L;Vj-1为第j-1次采样体积,L;S为柱样中水-沉积物接触面积,m2;t为释放时间,d.所计算的营养盐释放速率均为3d平均表观交换通量.利用透析式间隙水采样技术(Pore Water Equilibriums, Peeper)[18]获取沉积物-水界面氮磷剖面特征,分析大黑汀水库间隙水氮磷垂向分布特征及库区空间差异.将高分辨率间隙水采样器(Peeper)垂直插入柱状沉积物中,待平衡3d后取出Peeper 用酶标仪(BiOTek,USA)检测间隙水中的NH4+-N和PO43－-P浓度.该Peeper由30个隔室组成,每个隔室之间间隔2mm,分辨率可达4mm,具体制作方法及工作原理详见参考文献[19].表层沉积物样品含水率通过把湿泥于105℃下烘干至恒重测得,湿沉积物经冷冻干燥后研磨过100目筛后,总氮(TN)总磷(TP)采用过硫酸钾氧化法测定,沉积物中总有机碳(TOC)采用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法测定, 无机氮(DIN)采用Bremner氯化钾[c(KCl)=2mol/L]提取,磷酸盐用1mol/L的NH4Cl提取,提取液经离心后取上清液过滤[20].水样用0.45μm滤膜(Whatman GF/F)过滤后,其中磷酸盐(PO43－-P)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3－-N)和亚硝酸盐氮(NO2－-N)的分析采用流动注射分析仪进行分析(SkalarSanplus, 荷兰),间隙水中NH4+-N和PO43－-P 分别用纳氏试剂比色法和钼蓝比色法测定.所有实验数据使用Excel 2016进行预处理,用SPSS 22.0进行单因素方差分析和相关分析,使用Origin 2017和ArcGIS 10.2软件进行绘图.大黑汀水库上覆水基本理化性质见表1,其水体TN浓度较高,在9.43~11.14mg/L 之间,DIN主要以NO3－-N为主,其中NH4+-N浓度在中游明显高于上下游.TP浓度在0.03~0.08mg/L之间,溶解性磷酸盐浓度在中游最高,这些可能与中游较高的溶解氧有关.大黑汀水库表层沉积物氮磷和有机质含量及分布特征见图2,沉积物中TN含量为729~ 5894mg/kg,平均值为2881.6mg/kg;TP为1312~ 2439mg/kg,平均值为1980.5mg/kg;TOC含量在0.5%~5.6%之间,平均值为2.1%.表层沉积物TN含量自下游到上游逐渐减小,空间差异性显著(P=0.008), TP含量上下游差异不大,空间差异不显著(P=0.112> 0.05),TOC含量与TN含量表现出相似的空间分布特征,自下游到上游逐渐降低,空间差异性显著(P=0.031).通过表2可以看出,大黑汀水库相较于其他湖库水体,其表层沉积物中TN、TP含量相对较高.从图2可以看出沉积物TN和TOC之间呈现相同的波动特征,其相关性分析表明TN和TOC之间高度相关,相关系数达0.974(P<0.01),表明有机质是氮素的主要来源,TP与TOC的相关性不高,说明了沉积物中的TP与TN及有机质在来源上的差异,沉积物中TP来源可能受其他因素的影响[21].沉积物中NH4+-N、NO3－-N 和NO2－-N的含量分别在0.6~ 202.9、34.4~168.3和0.1~0.3mg/kg之间,NH4+-N和NO3－-N自下游到上游逐渐减小,NO2－-N空间差异性不显著,各点位DIN之和占TN的比例在2.6~8.1%之间.沉积物中用1mol/L的NH4Cl提取态磷常被称为可交换磷、松散结态磷、不稳性磷、弱吸附性磷及溶解性磷等,可以统称为活性磷,它是一种即时有效态磷,而且其含量常随着季节波动.在本研究中,大黑汀水库活性磷的含量在16.1~75.2mg/kg之间,占TP的比例在0.6%~4.5%,表现出中下游含量较高,上游含量相对较小的特征.沉积物中营养盐(N和P)通常以无机和有机的形式存在,在沉积物中营养盐的积累过程中,有机态的营养盐占了很大比例[22].该水库沉积物中的氮主要以有机氮的形式存在,沉积物营养盐的吸附特性与沉积物有机质含量密切相关 [23-24].氮磷在沉积物-水界面的吸附特性被认为是一个重要的过程,其直接影响水生生态系统中沉积物营养盐含量及其迁移和生物可利用性[8].大黑汀水库由于长时间的网箱养殖,大量的饵料和鱼类粪便沉入水底,是沉积物中有机质的主要来源.有机质的分解会直接向水体释放营养盐,有机质的矿化也会间接改变沉积物-水界面的氧化还原条件和pH值 [25],进而影响沉积物-水界面的氮磷循环.由于不同有机质类型中氮的释放与转化稳定性不同,C/N也常用来揭示有机质的来源及类型, C/N也是沉积物氮负荷影响因素之一[30].大黑汀水库表层沉积物C/N在4.8~9.5之间,平均值为6.7.研究表明较大的C/N一般表明为陆源有机质,较小的C/N代表有机质主要来源于水体内部[28,31],该水库的C/N相对较小,表明该水库表层沉积物中的有机质主要来源于水体内部,即来自水体中的浮游动植物以及饵料、鱼粪等的氧化分解,大黑汀水库网箱养鱼多集中于中下游,上游沉积物中较低的TOC 含量进一步说明人为活动尤其是网箱养鱼对水库水体造成的污染.利用高分辨率透析式间隙水采样器(Peeper)获得的大黑汀水库间隙水中NH4+-N和PO43－-P分布特征见图3.在空间分布上,8个采样点的沉积物间隙水中营养盐的分布存在较大差异,这与8个点所处的位置条件、氧化还原环境及微生物活动有关.间隙水中NH4+-N的含量在1.0~22.1mg/L之间,其质量浓度在空间上呈现出点位3>2>1>8>7>6>4(5)的分布特征,总体下游NH4+-N浓度大于上游.PO43－-P的浓度在0~7.5mg/L之间,在空间上呈现出点位2>3>1>6>7>4>5(8)的分布特征,这与NH4+-N的分布特征略有差异,但总体也是下游含量最高,而水库上游8号点位PO43－-P含量最低.在垂向分布上,上覆水中NH4+-N浓度普遍低于间隙水,这暗示着沉积物中间隙水是上覆水中NH4+-N主要的“源”.各点位上覆水体中NH4+-N浓度在沉积物-水界面上部变化不大,处于动态平衡波动中,在沉积物-水界面下,点位1、2、3中间隙水NH4+-N浓度随深度的增加而逐步升高,其最大值在13.9~22.1mg/L之间,而4~8号点位沉积物间隙水中NH4+-N浓度与上覆水体中NH4+-N浓度差异不大,在1.2~4.0mg/L之间波动.与表层沉积物相比,深层沉积物往往处于厌氧状态,硝化作用较弱[32],更有利于厌氧微生物活动,反硝化和氨化过程被促进,加上几乎无扰动,较深处沉积物更有利于NH4+-N的积累 [33],沉积物中有机质矿化促进NH4+-N 的产生, NH4+-N在厌氧环境下进入间隙水并成为间隙水中DIN的主要组分,这是间隙水中NH4+-N浓度随深度增加而变大的原因.PO43－-P的垂直分布特征在各点呈现高度的一致性.PO43－-P在上覆水中的质量浓度相对较低,而在间隙水中浓度较大,随着深度的增加总体表现为先增大后减小的趋势.PO43－-P在沉积物-水界面下0~4cm处浓度增大,在4cm以下逐渐减小,这点表现出了与NH4+-N不同的垂向特征.间隙水与上覆水中营养盐浓度的差异反映了沉积物-水界面营养盐主要以间隙水向上覆水迁移及扩散为主,沉积物起到了“源”的作用.沉积物接收来自上覆水和悬浮颗粒物的溶解性或非溶的有机/无机磷,并以PO43－-P的形式释放到间隙水中[34].间隙水中较高的PO43－-P浓度与微生物作用下的有机质降解有关[35],与铁氧化物的吸附解析也有很大的关系,在地质成岩作用下,铁的氢氧化物在相对还原的条件下脱氧,使得与氢氧化铁结合的磷溶解并释放[36],这也解释了水库下游较深的水深条件下伴随较低的溶氧,间隙水中PO43－-P浓度较大.此外,在水库中上游部分区域,水体底部生长有大量的水草,上游区域间隙水中相对较低的PO43－-P浓度一方面与沉积物中活性磷含量有着直接的关系(图2),另外也与水体中沉水植物的吸收消耗有关.静态培养过程中,NH4+-N释放速率为正值表示在沉积物-水界面以沉积物向上覆水体释放,总体释放速率在3.5~110.5mg/(m2×d)之间,其中1~3号点释放速率最高,在55.8~110.5mg/(m2×d)之间,平均值为90.8mg/(m2×d),4~8号点释放速率较低,平均值为7.8mg/(m2×d),下游释放通量是中上游的11.6倍.1~3号点位于水库下游,表层沉积物及间隙水中NH4+-N含量很高,此外该处水深较深,表层沉积物处于厌氧环境,在还原条件下其NH4+-N释放速率较高.NO3－-N在沉积物-水界面表现出不同的迁移特征,在1~5号点位,NO3－-N主要从沉积物释放到上覆水体,释放速率在10.1~157.2mg/(m2×d)之间,其中1~3号点位释放速率较大,4号和5号点位释放速率较小.6~8号点位则表现出相反的迁移特征,即NO3－-N主要从上覆水扩散至沉积物间隙水中,此时NO3－-N在沉积物-水界面表现出吸附的特性,且其速率较大,在-112.5~-60.5mg/(m2×d)之间.相对而言,NO2－-N的释放速率较小,表现为从沉积物向上覆水释放,总体释放速率在0.04~0.94mg/(m2×d)之间,同样表现为1~3号点释放速率较大,4~8号点释放速率较小.NH4+-N和NO3－-N 是DIN在沉积物-水界面的主要交换形式,由NO2－-N引起的DIN交换差异很小,但NO2－-N作为硝化和反硝化作用的中间产物,其作用依然十分重要[37].NH4+-N来源于有机氮的矿化或者由微生物厌氧还原有机氮形成,一些被沉积物吸附的NH4+-N释放到上覆水并通过硝化作用氧化成NO3--N和NO2－-N[38],与此同时,沉积物-水界面的厌氧环境有利于反硝化作用,NO3－-N或NO2－-N被还原为N2和N2O.有机质含量对沉积物-水界面DIN的迁移转化过程起了较为关键的作用,有机质的矿化分解改变沉积物-水界面的氧化还原环境,并通过硝化-反硝化、厌氧氨氧化等过程来改变界面处NH4+-N、NO3－-N和NO2－-N之间的迁移转化.PO43－-P在沉积物-水界面也表现出向上覆水体释放的特征,总体释放通量在0.1~1.6mg/(m2d)之间,其中2、3号点位释放速率最大,1、7号次之,4~6、8号点位释放速率较小,总体表现位水库下游释放通量较高.由图3可知,PO43－-P在间隙水和上覆水之间存在较大的浓度差(释放潜力),研究表明有机质组成、粒度、氧化还原条件、底栖生物活动等也会影响沉积物-水界面PO43－-P的释放[39],在好氧条件下沉积物表层毫米级别的好氧层及沉积物-水界面处的底层扩散边界层会阻止间隙水磷向上覆水体迁移,当上覆水水体中溶解氧降低,好氧层或者扩散边界层变薄或消失,间隙水中的溶解性磷会随着浓度梯度更容易向上覆水体扩散[40].通过表3可以看出,类似性质的富营养化湖库氮磷释放速率都很高.有研究表明温度升高会促进沉积物-水界面氮磷向上覆水释放,夏季的释放速率往往高于冬季[37,41],本研究采样时间为冬季,水温较低,大黑汀水库所处的区域四季分明,一年之中温差较大,本研究所得到的沉积物-水界面氮磷释放速率处于一年之中最低水平,预计该水库在夏季会有更大的氮磷释放速率.综上所述,冬季大黑汀水库沉积物主要表现为“源”向上覆水体释放NH4+-N和PO43－-P,NO3－-N在水库上下游表现相反的迁移特征,NO2－-N也表现为向上覆水体释放为主,可见内源释放在大黑汀水库水体富营养化进程中扮演了重要角色.大黑汀水库总体表现出下游释放通量高,上游释放通量小的特征,这与沉积物中TN 及TP、DIN和PO43－-P含量以及间隙水中NH4+-N和PO43－-P含量的分布特征相一致.通过对比国内外湖泊水库营养盐释放通量可知该水库NH4+-N和PO43－-P释放通量较高.因此在大黑汀水库治理进程中应重点关注水库下游的污染治理,但即使是上游相对较低的氮磷含量,也高过许多其他富营养化湖库水体,所以进一步阻止外源污染输入、改善库区沿岸带环境、采用底泥疏浚及生态修复等多种手段对水库进行综合治理对于改善水库水体环境至关重要.3.1 大黑汀水库沉积物内源污染负荷较重,TN、TP和有机质含量较高,其中碳氮表现出水库下游>中游>上游的空间分布特征,TP空间差异不显著.沉积物有机质主要来源于水体内部.3.2 大黑汀水库间隙水中NH4+-N和PO43－-P表现出相同的空间分布特征,即水库下游(1~3)大于水库中上游(4~8),垂直方向上NH4+-N随着深度的增加浓度逐渐变大,PO43－-P则在沉积物-水界面下0~4cm处随深度的增加而变大,在4cm 以下随着深度的增加而减小.3.3 沉积物-水界面NH4+-N和PO43－-P的释放通量分别为3.5~110.5mg/(m2·d)和0.1~1.6mg/(m2·d), NO3－-N和NO2－-N释放通量在-112.5~157.2mg/ (m2·d)和0.04~0.94m g/(m2·d)之间.其中NH4+-N和NO3－-N是沉积物-水界面处主要的DIN迁移形态.NH4+-N和PO43－-P在空间上主要表现为下游释放通量高,上游释放通量低的空间特征,且各点沉积物均表现为“源”,表明沉积物是水库上覆水中营养盐的重要来源.[1] Huang L, Fang H, Reible D. 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