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湖泊是地表水资源的重要载体,是自然生态中不可或缺的一部分。当前,富营养化已成为中国内陆湖泊面临的最大环境挑战。据统计,110个被监测的重要湖库中,中度富营养及以上的湖库大约占90%,贫营养湖库仅占10%左右[1],而水体中氮磷含量超标是水体富营养化的直接威胁因子。随着湖泊富营养化程度的日趋严重,氮磷等营养物质会通过一系列物理、化学和生物作用汇入沉积物中,沉积物成为湖泊氮磷营养元素的重要储存载体。当外界条件发生改变时,这些营养物质会从底泥中释放到上覆水,加速水体的营养化[2-3]。因此在湖泊污染治理过程中,必须考虑如何减少沉积物释放氮磷的内源污染,这使得针对沉积物-水界面氮磷迁移转化规律的研究尤为重要[4-5]。
国内外对于沉积物-水交换界面氮磷的迁移转化进行了部分研究,国外学者MORTIMER[6]率先提出沉积物的内源释放概念,此后沉积物与上覆水界面的营养盐交换成为研究热点。BOERS等[7]与BOLALEK等[8]分别根据浓度梯度估算法、实验室连续流系统法,发现氮磷的界面扩散通量与环境因子之间具有良好的相关性[9-10]。文帅龙等[11]、WANG等[12]和杨平等[13]分别对大黑汀水库,丹江口水库,九龙江河口中沉积物进行研究实验,结果表明各点沉积物均表现为水环境氮磷的“源”,沉积物是水体上覆水中营养盐的重要来源。目前国内外已开展部分大型湖泊、河流及水库沉积物内源污染物迁移转化规律的研究,然而针对城市浅水湖泊内源氮磷交换通量的季节性变化等研究相对较少。随着生态保护的重视,许多大型湖泊、流域富营养化得到了改善,但浅水湖泊富营养状况改善缓慢。其根本原因在于浅水湖泊的环境容量较小、湖泊自净能力不足且营养盐稀释能力较弱。当浅水湖泊外源污染得到有效控制后,其更容易受到内源污染的影响[14]。并且,浅水湖泊内源氮磷作用机制和环境影响等基础信息的缺乏,阻碍了此类湖泊富营养化的有效治理。摸清湖泊沉积物-上覆水界面氮磷交换通量的变化规律,估算界面交换对水体氮磷的潜在贡献率并探讨环境因子影响,是开展湖泊水环境精准治理的前置性工作,因此尤为重要。
国内约60%的浅水湖泊集中于长江中下游地区[15],其中大冶湖是长江中下游地区重要的典型中层型浅水城市湖泊,也是湖北省首批重点省控湖泊之一,具有防汛调洪、农业灌溉、渔业养殖等多种功能,被称为湖北黄石市人民的“母亲湖”。大冶湖流域作为承载黄石未来发展的重要地区,其良好的生态环境密切关系着黄石市的转型发展之路。然而,近年来大冶湖营养状态从轻度富营养上升至中度富营养,水体营养状态指数呈逐步上升的态势[16]。探明大冶湖沉积物-水界面氮磷交换的变化规律,解析其氮磷的内源污染状况,对于减缓湖泊水体富营养化进程,改善城市浅水湖泊水质具有重要意义。因此,本研究以大冶湖为研究对象,对比探究冬夏两季沉积物-上覆水界面氮磷的迁移释放行为,估算界面交换对水体氮磷的潜在贡献率,并考察扰动、温度、溶解氧、水体pH等环境因子对氮磷迁移转化规律的影响,为厘清长江中下游城市浅水湖泊富营养化内源污染贡献、设计湖泊内源负荷控制方案提供科学支撑。
大冶湖沉积物-上覆水界面氮磷交换通量的冬夏对比
Comparison of nitrogen and phosphorus exchange fluxes at the sediment-overlying water interfaces of Daye Lake between winter and summer
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摘要: 通过泥柱静态培养实验,对比探究大冶湖冬夏两季沉积物-上覆水界面氮磷交换通量的变化规律,估算界面交换对水体氮磷的潜在贡献率并探讨沉积物的“源”与“汇”作用,最后通过单因素控制法开展扰动、温度、溶解氧及水体pH等环境因子对氮磷释放的影响研究。结果表明,冬夏两季不同点位的交换通量和“源”、“汇”角色不同。冬季入湖处1#点位氮磷交换通量最大,TN、NH4+-N、TP、PO43−-P的平均交换通量分别为202.94、41.62、0.55、0.36 mg·(m2·d)−1;夏季出湖处3#点位氮磷交换通量最大,TN、NH4+-N、TP、PO43−-P平均交换通量分别为389.27、89.54、1.79、1.18 mg·(m2·d)−1。冬季沉积物对上覆水中TN和NH4+-N整体上起“源”的作用,而对TP和PO43−-P表现为“汇”;夏季沉积物对上覆水中TN、NH4+-N、TP、PO43−-P均起“源”的作用。环境因子实验结果表明,水体扰动速率越大,沉积物氮磷的再悬浮通量越大;升温及厌氧条件均会促进沉积物氮磷的释放;水体pH对氮磷释放的影响规律不同,氮营养盐释放随着pH的升高而减少,而磷营养盐中性条件下释放强度最弱,偏酸或偏碱环境有助于磷的释放。本研究有助于厘清长江中下游城市浅水湖泊富营养化内源污染贡献,对设计湖泊内源负荷控制方案以及湖泊富营养化防控具有重要指导意义。Abstract: In this work, the static incubation experiments of mud columns were used to compare the exchange fluxes of nitrogen and phosphorus at the sediment-overlying water interfaces of Daye Lake in winter and summer. The potential contribution of interfacial exchange to the nitrogen and phosphorus in the water body was then estimated, and the source or sink role of sediment was also discussed. Finally, the effects of disturbance, temperature, dissolved oxygen, and pH on the release of nitrogen and phosphorus were investigated through single-factor experiments. The results showed that the exchange fluxes and the source or sink role were different among the investigated sites between winter and summer. The exchange fluxes of nitrogen and phosphorus were the largest at point 1# of the lake in winter, and the average exchange fluxes of TN, NH4+-N, TP, and PO43−-P were 202.94, 41.62, 0.55, and 0.36 mg·(m2·d)−1, respectively. The maximum nitrogen and phosphorus exchange fluxes were observed at point 3# of the lake outlet in summer, the average exchange fluxes of TN, NH4+-N, TP, and PO43−-P were 389.27, 89.54,1.79, and 1.18 mg·(m2·d)−1, respectively. In winter, the sediment acted as a source of TN and NH4+-N in the overlying water, and as a sink for TP and PO43−-P in the overlying water. However, in summer the sediment acted as a source of TN, NH4+-N, TP, and PO43−-P in the overlying water. Results of environmental factors analysis indicated that the resuspension fluxes of nitrogen and phosphorus increased with the increase of disturbance rate. High temperature and anaerobic conditions could promote the release of nitrogen and phosphorus from the sediment. The influence of water pH on nitrogen and phosphorus release was different, the release of nitrogen decreased with the increase of pH, while the release of phosphorus was the weakest at neutral pHs, but increased at acidic or alkaline pHs. This study is of great significance for clarifying the contribution of endogenous pollution to eutrophication in urban shallow lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River, and for designing lake endogenous load control schemes as well as prevention and control of eutrophication in lakes.
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Key words:
- Daye Lake /
- sediment-overlying water /
- nitrogen and phosphorus /
- exchange fluxes /
- influence factor
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表 1 大冶湖采样点信息表
Table 1. Information of sampling points in Daye Lake
点位 名称 经度 纬度 级别 属性 1# 大冶湖大桥 115°00'16.5" 30°06'05.7" 省控 湖泊 2# 磊山湖心 115°08'35.9" 30°05'35.2" 省控 湖泊 3# 大冶湖闸 115°12'41.35" 30°07'30.95" 国控 长江一级支流 表 2 大冶湖沉积物-上覆水界面营养盐交换对水体营养盐的潜在贡献率
Table 2. Potential contribution of nutrients exchange at the sediment-overlying water interface of Daye Lake
季节 点位 水体中现存营养盐/(mg·L−1) 界面交换的营养盐/(mg·L−1) 贡献率/% TN NH4+-N TP PO43−-P TN NH4+-N TP PO43−-P TN NH4+-N TP PO43−-P 冬季 1# 2.83 1.25 0.108 0.066 14.901 8.435 0.093 0.087 49.53% 80.02% −0.22% −0.15% 2# 2.45 0.52 0.055 0.017 1.68 0.451 0.034 0.024 −1.86% 8.49% −1.66% −9.71% 3# 1.67 0.42 0.047 0.019 1.363 0.347 0.022 0.01 −1.64% 4.24% −0.99% −3.67% 夏季 1# 1.273 0.437 0.122 0.003 2.533 0.65 0.057 0.011 11.79% 5.80% −6.32% 32.39% 2# 0.634 0.307 0.086 0.027 1.089 0.384 0.067 0.059 8.01% 2.80% −2.37% 12.96% 3# 0.432 0.221 0.062 0.013 2.152 1.861 0.186 0.177 22.63% 42.16% 11.36% 71.71% 表 3 TN、NH4+-N、TP、PO43−-P的冬、夏季平均交换通量
Table 3. Average winter and summer exchange fluxes of TN, NH4+-N, TP, PO43−-P mg·(m2·d)−1
点位 TN NH4+-N TP PO43−-P 冬季 夏季 冬季 夏季 冬季 夏季 冬季 夏季 1# 202.94 240.45 41.62 83.41 0.55 0.93 0.36 0.53 2# 83.22 189.15 11.41 60.68 0.37 0.78 0.28 0.51 3# 185.61 389.27 14.53 89.54 0.19 1.79 0.22 1.18 -
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