張祥霖， 黃百順， 蒯圣龍， 尹 程

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

湖濱帶作為水陸交錯(cuò)帶[1],其底質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)可大量吸收、過(guò)濾、攔截、降解水體氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素,湖濱帶生態(tài)濕地工程作為一種經(jīng)濟(jì)、安全的修復(fù)措施,可有效的控制富營(yíng)養(yǎng)化水體內(nèi)外源污染[2],但目前研究大多集中于水體與沉積物現(xiàn)狀調(diào)查,對(duì)生態(tài)濕地工程建設(shè)后湖濱帶沉積物營(yíng)養(yǎng)元素時(shí)空變化情況研究還較少。本研究以巢湖綜合治理項(xiàng)目之一的巢湖花塘河河口生態(tài)修復(fù)濕地區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)照河對(duì)岸的未修復(fù)濕地區(qū)域,對(duì)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)沉積物中的全氮、氨氮,硝態(tài)氮、總磷等污染元素進(jìn)行了一周年的調(diào)查、采樣與分析,研究其不同位置、不同深度、不同時(shí)間的變化情況,以期為巢湖湖濱帶修復(fù)工程提供數(shù)據(jù)支撐,也為其它湖泊生態(tài)濕地建設(shè)積累資料。

1 研究方法

研究區(qū)位于花塘河入湖河口東西兩側(cè),分為生態(tài)修復(fù)區(qū)與對(duì)照區(qū)。生態(tài)修復(fù)區(qū)位于花塘河入湖河口處西側(cè),占地483畝,修復(fù)工程包括潛流濕地,表流濕地等,該區(qū)人工種植了大量蘆葦、美人蕉、香蒲等植物。對(duì)照區(qū)位于花塘河入湖河口處東側(cè),以魚(yú)塘濕地為主,植物較少,主要種類(lèi)為蘆葦、狗尾草,伴生少量梭魚(yú)草。生態(tài)濕地工程建設(shè)前兩側(cè)土地利用狀況、濕地類(lèi)型、生態(tài)系統(tǒng)狀況基本一致。于2017-01、03、05、07、09、12月,選取沉積物較厚處,使用GPS定位后,在生態(tài)修復(fù)區(qū)和對(duì)照區(qū)的近水區(qū)、中水區(qū)和遠(yuǎn)水區(qū)中,分別選擇3個(gè)具有代表性的點(diǎn)采樣,沉積物樣品使用柱狀采泥器采集,采樣深度20cm,每5cm分1層,每層樣品混勻后裝密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室后風(fēng)干過(guò)篩備用。

凱式定氮法測(cè)定沉積物樣品全氮含量,紫外分光光度法測(cè)定沉積物樣品硝態(tài)氮含量,苯酚次氯酸鈉分光光度法測(cè)定沉積物樣品氨氮含量,SMT法測(cè)定沉積物樣品全磷含量,烘干法測(cè)定含水率,測(cè)定結(jié)果以沉積物干重計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物氮磷空間變異特征

研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)表層(0-10cm)沉積物氮磷含量如表1所列。對(duì)照區(qū)全氮、總磷平均含量分別為1391.37 mg/kg、395.02 mg/kg,這與安宗勝等2010年對(duì)巢湖水體表層沉積物的檢測(cè)結(jié)果1404.46 mg/kg、408.87 mg/kg近似[3],說(shuō)明巢湖水體潛在污染與富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)并未得到較好的改觀。生態(tài)修復(fù)區(qū)全氮、總磷平均含量分別為1118.07 mg/kg、278.63 mg/kg,在近似的外源輸入條件下,較對(duì)照區(qū)減少約19.7%和29.5%,說(shuō)明生態(tài)修復(fù)工程的運(yùn)行對(duì)基底沉積物氮磷類(lèi)污染物的去除效果明顯。

表1 表層沉積物氮磷含量 mg/kg

由表1可知,生態(tài)修復(fù)區(qū)硝態(tài)氮相較于對(duì)照區(qū)削減約17.9%;生態(tài)修復(fù)區(qū)氨氮含量比對(duì)照區(qū)降低約41.2%,可見(jiàn)生態(tài)修復(fù)工程對(duì)氨氮的削減是巨大的,湖濱帶生態(tài)修復(fù)濕地良好的生態(tài)系統(tǒng)的對(duì)內(nèi)外源污染的凈化功能是穩(wěn)定水體,防治湖體富營(yíng)養(yǎng)化的有效保證。

從水分梯度上看,生態(tài)修復(fù)區(qū)表層沉積物各形態(tài)氮磷含量均呈現(xiàn)近水端>中水端>遠(yuǎn)水端的趨勢(shì),對(duì)照區(qū)全氮與總磷含量為近水端≈中水端>遠(yuǎn)水端,這是由于研究區(qū)內(nèi)近水端受湖水水體輸移作用影響較大,輸入的顆粒污染物和藻類(lèi)的沉降導(dǎo)致氮磷含量較高,而修復(fù)區(qū)中水端由于有植物的攔截、吸收等作用,使氮磷含量較對(duì)照區(qū)有明顯的降低[4],對(duì)區(qū)域內(nèi)氮磷污染去除的效果在該段表現(xiàn)的最為突出,說(shuō)明生態(tài)修復(fù)在水陸交界面對(duì)氮磷污染有很強(qiáng)的去除效果。對(duì)照區(qū)表層沉積物氨氮、硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為近水端>中水端>遠(yuǎn)水端,但對(duì)比修復(fù)區(qū)與對(duì)照區(qū)硝態(tài)氮含量可發(fā)現(xiàn),在近水端二者的硝態(tài)氮含量水平差距很小,在中水端與遠(yuǎn)水端則要大很多。這可能是湖體藻類(lèi)爆發(fā)生長(zhǎng)后高濃度的硝態(tài)氮進(jìn)入沉積物[5],而修復(fù)區(qū)密集的植物對(duì)藻類(lèi)起了一定的攔截作用。

2.2 表層沉積物氮磷時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

研究區(qū)表層沉積物中全氮含量不同月份動(dòng)態(tài)變化表2所列,在2017 1年的時(shí)間內(nèi),研究區(qū)各點(diǎn)的全氮含量都遵循先上升后下降的趨勢(shì),在7月到達(dá)峰值,隨后逐漸下降。01-3月修復(fù)區(qū)沉積物總氮含量偏低,這一方面由于溫度偏低以及面源污染減緩所致,另一方面3月修復(fù)區(qū)內(nèi)植物開(kāi)始恢復(fù)生長(zhǎng)也是該月全氮偏低的重要因素[6]。值得注意的是,12月修復(fù)區(qū)全氮含量與01月相比明顯偏高,這可能是因?yàn)樾迯?fù)區(qū)內(nèi)1年生植物沒(méi)有及時(shí)收割管理,植物殘?jiān)M(jìn)入沉積物并分解釋放出氮素的緣故[7]。

由表2可知,全年所有月份修復(fù)區(qū)沉積物中氨氮與硝態(tài)氮平均含量均小于對(duì)照區(qū),且與總氮相比比例擴(kuò)大。修復(fù)區(qū)氨氮含量1月最低,因?yàn)闇囟群艿?微生物活性減弱,有機(jī)氮轉(zhuǎn)換為無(wú)機(jī)氮速率降低,隨后隨著溫度的升高逐漸上升,在7-9月最高,之后緩慢下降,修復(fù)區(qū)沉積物7月、09月無(wú)機(jī)氮的高含量主要受在此區(qū)域內(nèi)的堆積的藻類(lèi)影響,夏季巢湖水流的將大量藻體移向岸帶輸移,隨后沉降于底質(zhì)內(nèi),在微生物的作用下部分被分解轉(zhuǎn)換為氨氮[8]。

表2 表層沉積物氮磷不同月份平均含量 mg/kg

修復(fù)區(qū)沉積物中總磷的變化幅度相對(duì)較小,總的來(lái)說(shuō)從01月-07月逐漸上升,隨后緩慢下降,所有月份對(duì)照區(qū)沉積物總磷含量均大于修復(fù)區(qū),隨時(shí)間變化趨勢(shì)與修復(fù)區(qū)相同。

2.3 沉積物氮磷垂直分布特征

沉積物氮磷垂直分布特征如圖1～圖4所示。

由圖1可知,全氮含量在垂直距離上均隨深度的增加而下降,巢湖濕地沉積物這方面研究較少,但與太湖湖濱沉積物全氮的垂直分布類(lèi)似[9],說(shuō)明隨著深度的增加氮素污染的程度逐漸降低,如何降低沉積物表層氮素的量是減少其內(nèi)源污染的關(guān)鍵。 氨氮含量則先升后降在5cm～10cm處達(dá)到峰值如圖2所示。隨后在10cm～15cm處出現(xiàn)較大幅度的降低,主要因?yàn)楸韺幽嗨唤缑婧趿扛?好氧微生物較活躍,對(duì)氨氮的分解較快,此外水生生物特別是藻類(lèi)對(duì)氨氮的吸收也是表層氨氮含量低于亞表層的重要原因。硝氮的垂直分布規(guī)律如圖3所示。除修復(fù)區(qū)中水端外其它各點(diǎn)位硝氮的平均含量均隨深度的增加而下降,但降幅很小,這一方面由于隨著深度的增加沉積物中氧的含量逐漸減少,使得硝化反應(yīng)被抑制,反硝化反應(yīng)加速,導(dǎo)致硝氮的匯隨著深度的增加而增加,另一方面藻類(lèi)等水生生物的衰亡與沉積導(dǎo)致的硝態(tài)氮釋放會(huì)使上層沉積物中硝氮含量減少[1],上述兩方面共同的作用導(dǎo)致了沉積物中硝氮含量的垂直分布特征。研究區(qū)各點(diǎn)沉積物總磷的平均含量均有自上而下減少的趨勢(shì)如圖4所示。雖然生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)上層磷含量削減量大,但湖體中污染磷的沉積仍整個(gè)區(qū)域內(nèi)磷負(fù)荷仍有有逐漸增加的趨勢(shì)。

圖1 研究區(qū)沉積物TN含量垂直分布

圖2 研究區(qū)沉積物NH4+-N含量垂直分布

圖3研究區(qū)沉積物NO3-N含量垂直分布

圖4 研究區(qū)沉積物TP含量垂直分布

3 結(jié) 論

根據(jù)研究得出的結(jié)論如下:① 研究區(qū)內(nèi)巢湖湖濱濕地表層沉積物各形態(tài)氮磷含量生態(tài)修復(fù)區(qū)均小于對(duì)照區(qū),相較于對(duì)照區(qū),生態(tài)修復(fù)區(qū)表層沉積物中總磷含量降低了約29.5%,全氮含量減少了約19.7%,硝態(tài)氮減少了約17.9%,氨氮的降幅最大,為41.2%,反映了經(jīng)修復(fù)后的湖濱帶濕地生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)大凈化能力,因此對(duì)巢湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)是對(duì)于削減內(nèi)(外)源污染負(fù)荷,降低湖體富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要手段。② 據(jù)湖體遠(yuǎn)近的不同水分梯度點(diǎn)位沉積物中全氮和總磷平均含量排列為:生態(tài)修復(fù)區(qū)近水端>中水端>遠(yuǎn)水端,對(duì)照區(qū)近水端≈中水端>遠(yuǎn)水端;生態(tài)修復(fù)區(qū)和對(duì)照區(qū)中氨氮、硝態(tài)氮平均含量排列均為:生態(tài)修復(fù)區(qū)近水端>中水端>遠(yuǎn)水端。③ 研究區(qū)湖濱濕地表層沉積物全氮、氨氮、硝態(tài)氮和總磷含量全年的時(shí)空分布為,01-03月從最低值開(kāi)始緩慢上升,03-07月增速逐漸加快,在07月達(dá)到峰值,然后緩慢下降,在12月生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)全氮、氨氮、硝態(tài)氮和總磷平均含量仍保存相對(duì)較高的值,這可能是衰亡的修復(fù)區(qū)植物釋放出的營(yíng)養(yǎng)元素造成的,因此加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)區(qū)管理,及時(shí)收割1年生植物是巢湖湖濱生態(tài)修復(fù)工程后續(xù)應(yīng)關(guān)注的。④ 沉積物中全氮、總磷含量的垂向變化為隨著深度的增加而減少;氨氮含量垂向分布則為先上升,5cm～10cm處最大,隨后迅速下降;硝態(tài)氮修復(fù)區(qū)中水端垂向各層含量基本相同,其它各點(diǎn)均呈現(xiàn)自上而下減少的趨勢(shì)。