冬季大黑汀水库沉积物-水界面氮磷赋存特征及交换通量

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