胡鵬飛，何太蓉

（重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶400047）

內(nèi)源污染引起的水質(zhì)惡化是我國湖泊水域生態(tài)系統(tǒng)面臨的重大環(huán)境問題之一[1－5]。水體富營養(yǎng)化過程由外源污染和內(nèi)源污染共同控制[6]，沉積物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中最主要的內(nèi)源，影響著營養(yǎng)物質(zhì)的積累和間歇性再生[7]，當(dāng)外源污染得到一定控制后，作為內(nèi)源負(fù)荷的沉積物將對水體產(chǎn)生顯著影響。沉積物是湖泊的重要氮儲庫[8－9]，對氮的地球化學(xué)行為具有重要意義。氮的循環(huán)過程較為復(fù)雜，作為水生生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程中的重要控制因子，不同形態(tài)氮對水生藻類的生長及行為具有不同的影響[10－11]。研究沉積物中氮的賦存形態(tài)及其環(huán)境意義，是準(zhǔn)確理解沉積物—水體系統(tǒng)氮循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)具有重要意義[12]。

長壽湖是由“一五”期間重點工程（修建于1956年）的獅子灘水電站大壩攔截長江一級支流龍溪河而形成的人工淡水湖，是重慶市境內(nèi)最大的人工湖。關(guān)于長壽湖水體富營養(yǎng)化的研究較多[13－16]，但是關(guān)于沉積物中氮的賦存形態(tài)的研究尚未見報道。本文基于對長壽湖污染較嚴(yán)重的中西部湖區(qū)（東部湖區(qū)為自然保護(hù)區(qū)）表層沉積物中氮的賦存形態(tài)及其污染程度的分析，以期獲得氮的詳細(xì)地球化學(xué)行為信息，為合理開發(fā)及治理長壽湖提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

長壽湖位于重慶市長壽區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯29°50′—30°04′，東經(jīng)107°15′—107°25′。長壽湖的主要水源為龍溪河，其流域面積3 248km2，多年徑流量為54.0m3／s，是重慶市轄區(qū)內(nèi)流入長江的主要次級河流。長壽湖內(nèi)港汊縱橫交錯，200多個大小島嶼星羅棋布，水域面積約6 667hm2，平均水深15m，最大水深50m，為重慶市境內(nèi)最大的淡水湖。長壽湖的最初功能為發(fā)電和蓄水灌溉，隨著養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已成為集飲用、灌溉、旅游、養(yǎng)殖、發(fā)電為一體的多功能水體。近年來，由于養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)以及龍溪河流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，長壽湖水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，龍溪河流域綜合治理已經(jīng)引起重慶市的重點關(guān)注。

2 材料與方法

2.1 樣品采集及預(yù)處理

2009年4月在長壽湖布設(shè)了15個沉積物采樣點。用抓斗式采樣器采集表層沉積物（0—5cm），具體情況見表1，封存于聚乙烯袋中，冷藏帶回實驗室，經(jīng)研磨，過80目篩，封存后供分析。

2.2 分析方法

沉積物樣品中的總氮（TN）測定采用杜馬斯燃燒法，氨態(tài)氮（NH＋4—N）測定采用氯化鉀浸提—靛酚藍(lán)比色法，硝態(tài)氮（NO－3—N）測定采用紫外分光光度法。由于杜馬斯燃燒法測定總氮的精度很高[17－18]，并且沉積物中亞硝態(tài)氮（NO－2—N）含量通?？梢院雎圆挥媅19]，因此有機(jī)氮（ON）的含量可由總氮與氨態(tài)氮和硝態(tài)氮二者之和的差值粗略得出。實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件。所有實驗測試在重慶市出入境檢驗檢疫局化礦金中心實驗室完成。

表1 各采樣點采樣情況

3 結(jié)果與分析

3.1 不同形態(tài)氮的含量特征

長壽湖各采樣點表層沉積物中不同形態(tài)氮的含量存在差異?？偟吭? 240.0～5 110.0mg／kg之間，平均含量為3 198.0mg／kg；有機(jī)氮是總氮的主要組成部分，平均占總氮的97.16%，無機(jī)氮只占極微小的比例，平均占2.84%；無機(jī)氮中氨態(tài)氮與硝態(tài)氮的含量相差較大，氨態(tài)氮為無機(jī)氮的主要部分，平均占無機(jī)氮的78.1%，硝態(tài)氮只占21.9%。根據(jù)戎靜等[20]的研究，變異系數(shù)的大小可以反映底泥氮的空間變異強(qiáng)度，通過長壽湖各形態(tài)氮的變異系數(shù)值可以確定其變異強(qiáng)度。長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮的變異系數(shù)均為35%～43%，為中等強(qiáng)度變異（表2）。

表2 長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮的含量

與長江流域重要水體相比，長壽湖表層沉積物中總氮的平均含量高于滇池[1]、鄱陽湖[8]、洞庭湖[8]、巢湖[9]以及太湖北部3個湖區(qū)[21]，低于武漢月湖[8]，可以推斷長壽湖表層沉積物中總氮含量水平相對較高。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因可能是長壽湖為山區(qū)深水湖泊，湖水來源廣泛，并且底泥受到擾動作用較弱，而長江中下游湖泊多為淺水湖泊，底泥受到的擾動作用較強(qiáng)，部分氮釋放到水體中，導(dǎo)致底泥中氮的含量低于長壽湖。武漢月湖為城市湖泊，受到強(qiáng)烈的人為因素影響，氮的含量偏高。

3.2 不同形態(tài)氮的空間分布特征及影響因子

以長壽湖大壩附近的1號采樣點氮的含量作為基準(zhǔn)，利用各采樣點氮的含量與基準(zhǔn)之間的差值來反映長壽湖表層沉積物中不同形態(tài)氮的水平空間變化（圖1）。圖中縱坐標(biāo)負(fù)值方向離橫坐標(biāo)越遠(yuǎn)的點表明其含量越低，而正值方向離橫坐標(biāo)越遠(yuǎn)，則表示含量越高。總氮和有機(jī)氮含量變化的總體趨勢為其余采樣點均低于大壩附近的三星島側(cè)，氨態(tài)氮的含量則為人頭山島（2號）、桃花蕩（3號）和竹子灘渡口（4號）3個采樣點高于三星島側(cè)，而硝態(tài)氮則為除壽島／三臺（6號）外其余采樣點的含量均高于三星島側(cè)，與前三者差異較大（圖1）。

總氮含量的最大值出現(xiàn)在下游長壽湖大壩附近的三星島側(cè)，說明該區(qū)域已沉積大量氮。離長壽湖大壩最近的幾個采樣點中除了桃花蕩（3號）總氮含量較低外，其余均較高，并且竹子灘渡口（4號）出現(xiàn)總氮含量的次高值，湖區(qū)的總氮隨著水流遷移到了長壽湖下游湖區(qū)，由此可見水流對總氮的遷移具有明顯的控制作用，同時有機(jī)氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮也表現(xiàn)出類似的趨勢，更加有力地的說明了水流在氮遷移中的重要作用。

總氮和無機(jī)氮的含量在位于高山（15號）的采樣點中出現(xiàn)高值，高山（15號）離長壽湖入水口即龍溪河最近，此地出現(xiàn)高值，說明大量外源輸入的氮在此沉積。高山（15號）、老槽口錢3km（11號）、二蹬巖（13號）和李家寨（14號）4個采樣點位于長壽湖的生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)，總氮、有機(jī)氮和硝態(tài)氮含量在該區(qū)域變化較大，含量較低，可以推斷出養(yǎng)殖活動對長壽湖沉積物中氮的影響并不顯著。運河中（8號）、高峰島后萬金山（9號）和高峰島（10號）等采樣點的總氮、有機(jī)氮和硝態(tài)氮的含量變化相對較穩(wěn)定，氨態(tài)氮含量存在起伏但并不明顯。說明長壽湖中游表層沉積物中氮的沉積相對較均衡。

除了位于離長壽湖出水口、入水口最近的三星島側(cè)（1號）和高山（15號）外，其余水位較低的采樣點如桃花蕩（3號）、老槽口（12號）和李家寨（14號）的總氮和有機(jī)氮的含量相對較低，運河中（8號）、高峰島后萬金山（9號）含量相對也不高，其中運河中（8號）的氨態(tài)氮含量相對最低（表2、圖1）。由此可以認(rèn)為水位高低對長壽湖表層沉積物中氮的沉積具有一定的影響。

圖1 長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮的空間變化

3.3 不同形態(tài)氮的相關(guān)性分析

長壽湖表層沉積物中各形態(tài)氮含量水平之間的相關(guān)系數(shù)矩陣見表3?？梢钥闯觯偟陀袡C(jī)氮之間的相關(guān)關(guān)系非常顯著（R2＝1.000），說明總氮的含量和空間分布幾乎完全受到有機(jī)氮的控制，并且二者在來源上保持高度的一致性，無機(jī)氮幾乎對總氮的含量和分布不產(chǎn)生影響；無機(jī)氮和氨態(tài)氮具有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且顯著性水平很高（R2＝0.981），說明無機(jī)氮的含量和空間分布主要受到氨態(tài)氮的影響。硝態(tài)氮與無機(jī)氮的相關(guān)性也較高，但顯著性水平不高，可以認(rèn)為隨機(jī)性較大。

3.4 長壽湖表層沉積物中氮的污染情況評價

3.4.1 以總氮為主的表層沉積物污染評價 采用加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的指南中能引起最低級別生態(tài)毒性效應(yīng)的總氮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污染狀況評價[22－23]。此標(biāo)準(zhǔn)分為3級：（1）安全級，此時在水生生物中未發(fā)現(xiàn)中毒效應(yīng)；（2）最低級，此時沉積物雖已污染，但多數(shù)底棲生物仍可承受；（3）嚴(yán)重級，此時底棲生物群落已遭明顯損害。各級別之間的臨界值分別為550mg／kg和4 800mg／kg。長壽湖表層沉積物中總氮的含量為1 240.0～5 110.0mg／kg，均已超過最低級標(biāo)準(zhǔn)，說明湖區(qū)表層沉積物已經(jīng)對底棲生物具有一定的生態(tài)毒性效應(yīng)，其中三星島側(cè)和竹子灘渡口兩處表層沉積物的含量超過嚴(yán)重級標(biāo)準(zhǔn)，分別為5 110mg／kg和4 870mg／kg，可以推斷其底棲生物群落已經(jīng)遭受明顯損害。壽島北和高山等處表層沉積物中氮的含量已經(jīng)接近嚴(yán)重級標(biāo)準(zhǔn)，如繼續(xù)遭受污染，則可能迅速達(dá)到嚴(yán)重級水平，將對底棲生物群落及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此要加快對長壽湖的治理。

表3 長壽湖沉積物中各形態(tài)氮的相關(guān)關(guān)系矩陣（n＝15）

3.4.2 以有機(jī)氮為主的表層沉積物污染評價 有機(jī)氮常用來衡量湖泊表層沉積物是否遭受氮污染的重要指標(biāo)[24－25]，其標(biāo)準(zhǔn)見表4。將長壽湖表層沉積物中有機(jī)氮的含量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與表4進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)表層沉積物有機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)除了桃花蕩（0.110%）和老槽口（0.117%）兩處為Ⅲ類水平外，其余皆為Ⅳ類水平，并且介于有機(jī)氮污染臨界值的1.5～3.8倍。桃花蕩和老槽口有機(jī)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖然屬于Ⅲ類水平，但已經(jīng)非常接近Ⅳ類水平的臨界值，極易過渡到Ⅳ類水平，形勢不容樂觀。可見強(qiáng)化長壽湖的治理工作已迫在眉睫。

表4 表層沉積物有機(jī)氮評價標(biāo)準(zhǔn)

3.5 長壽湖表層沉積物中氮的來源分析

長壽湖的主要水源是龍溪河，位于龍溪河上游的墊江、梁平兩縣的生產(chǎn)生活污水排放是導(dǎo)致長壽湖表層沉積物中氮含量過高的一個重要原因。兩縣工業(yè)發(fā)展迅速，但廢水處理工作卻相對滯后，排放的工業(yè)污水經(jīng)龍溪河進(jìn)入長壽湖，造成湖區(qū)的污染。龍溪河上游兩岸分布著大面積的果園，同時也分布著較多村鎮(zhèn)，農(nóng)藥、化肥的使用和生活污水的排放也對長壽湖形成污染。據(jù)報道，長壽湖周邊10個場鎮(zhèn)，日產(chǎn)生活廢水約8 000t、生活垃圾約32t，并且均未修建生活污水處理場和生活垃圾處理場，生活廢水通過小溪直接排入長壽湖[26]，數(shù)字觸目驚心。長壽湖中部湖區(qū)為旅游區(qū)，經(jīng)過大力開發(fā)，旅游業(yè)比較發(fā)達(dá)，但由此產(chǎn)生的污染治理問題卻權(quán)責(zé)不清，處理相對滯后，同時該區(qū)北部的島嶼上分布著大片果園，對湖區(qū)造成面源污染。長壽湖東部湖區(qū)為自然保護(hù)區(qū)，受到周邊的污染較小。

長壽湖的污染亦具有歷史原因，發(fā)達(dá)的漁業(yè)生產(chǎn)是長壽湖長期污染的一個重要因素?！熬盼濉逼陂g引進(jìn)并推廣的以動物糞便、飼料和化肥為餌料的大面積肥水性網(wǎng)欄養(yǎng)殖技術(shù)，是長壽湖水質(zhì)進(jìn)一步惡化的直接原因，同時造成大量氮沉積于沉積物中，成為湖區(qū)污染的內(nèi)源。

4 結(jié)論

長壽湖表層沉積物中總氮含量為1 240.0～5 110.0mg／kg，平均含量為3 198.00mg／kg；有機(jī)氮是總氮的主要組成部分，無機(jī)氮只占極微小的比例；氨態(tài)氮為無機(jī)氮的主要組成部分，平均占無機(jī)氮的78.10%，硝態(tài)氮只占較小部分；各形態(tài)氮的變異系數(shù)均為0.1～1.0，屬于中等強(qiáng)度變異。水流作用在長壽湖表層沉積物氮的分布和遷移中扮演重要角色，養(yǎng)殖活動的影響并不顯著，水位高低對氮的分布也有一定影響。相關(guān)性分析表明，總氮的含量和空間分布幾乎完全受到有機(jī)氮的控制，無機(jī)氮的變化主要受到氨態(tài)氮的影響。長壽湖表層沉積物呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的污染，對底棲生物群落及生態(tài)環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生不利影響，應(yīng)該加強(qiáng)治理。長壽湖表層沉積物中氮的主要來源為龍溪河上游墊江、梁平兩縣的生產(chǎn)生活污水排放，旅游業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)也是湖區(qū)沉積性氮的重要來源。分析結(jié)果可為研究和治理長壽湖提供一定的理論依據(jù)，但尚未探討氮含量的時間動態(tài)變化，這將成為后續(xù)研究工作的主要方向。

致謝：本研究野外采樣工作得到劉存東碩士、張陽陽碩士和莊紅娟碩士的幫助，實驗測試得到了重慶市出入境檢驗檢疫局化礦金中心實驗室全體工作人員的大力支持，匿名審稿專家給出了建設(shè)性的修改建議，在此謹(jǐn)致謝忱。

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