李銳儀

摘 要：本文以受潮汐影響且氮污染嚴重的珠江廣州河段為對象，采集具有代表性的3個點位的沉積物柱狀樣，對沉積物柱狀樣品不同剖面中的碳、氮營養(yǎng)物質(zhì)的分布特征及其季節(jié)性變化規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究。

關(guān)鍵詞：沉積物、氮、分布規(guī)律、季節(jié)變化

珠江三角洲城市河道多數(shù)屬于感潮河道，由于流經(jīng)的城市大多數(shù)都發(fā)展程度較高，有大量污染物的排入，因此河道已出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象，底泥沉積嚴重。珠江廣州河段受污自20世紀20～30年代開始，隨著珠江廣州河段外源截污工程的進行以及城市污水處理廠的建設(shè)，當前該河段的工業(yè)污染已經(jīng)得到了有效的控制，但氨氮、化學(xué)需氧量和溶解氧仍然超標嚴重，該河段某些地段已受到較嚴重的氮污染，河水發(fā)黑發(fā)臭。相關(guān)研究表明，引起該現(xiàn)象的主要原因是底泥內(nèi)源釋放[1]，其中，內(nèi)源氮釋放對水體富營養(yǎng)化進程影響尤為突出[2-4]。也就是說，在外源得到有效控制后，對底泥污染的控制是治理珠江廣州河段氮污染的重要途徑。因此，治理河流內(nèi)源性氮污染首先必須了解其沉積物中的氮素的分布特征及循環(huán)規(guī)律。

近年來人們對沉積物的營養(yǎng)物分布的調(diào)查和分析多以一次性實驗為主，其季節(jié)性變化規(guī)律涉及較少，然而季節(jié)所引起的溫度變化是對不同地點的氮循環(huán)都有廣泛的影響的，季節(jié)性變化的研究可以避開樣品之間的差異而取其共性，因此對認識氮營養(yǎng)物質(zhì)在沉積物中復(fù)雜的轉(zhuǎn)化途徑是有重大意義的。因此，針對河流沉積物氮污染研究采樣時間缺乏連續(xù)性的研究現(xiàn)狀，本文對受潮汐作用影響的珠江廣州河段沉積物中氮營養(yǎng)物質(zhì)和細菌的時空分布將作更深入的研究和探討。

綜上所述，本研究以氮污染嚴重的珠江廣州河段為對象，分析了具有代表性的3個采樣點沉積物的柱狀樣中碳、氮營養(yǎng)物質(zhì)的垂向分布、賦存特征及其季節(jié)性變化，并對各環(huán)境理化因子間的相互關(guān)系進行了系統(tǒng)的研究，為揭示含氮化合物在沉積物中的轉(zhuǎn)化積累過程及污染治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1. 試驗材料和方法

1.1 樣點布設(shè)及樣品采集

根據(jù)珠江廣州河段沉積物分布的特點及富營養(yǎng)化狀況，設(shè)置具有代表性的3個采樣點：1號點（113°17′2″E，23°6′50″N）位于二沙島，此區(qū)沉積物的粘粒含量高，表層含雜質(zhì)較多，受人為擾動少，在整個剖面上性質(zhì)較均一；2號點（113°13′22″E，23°6′8″N）位于花地涌北出口，此區(qū)沉積物受生活污染嚴重，泥黑且有分層現(xiàn)象；3號點（113°13′16″E，23°7′36″N）位于珠江大橋東橋，此區(qū)沉積物的砂質(zhì)含量高，而有機質(zhì)含量低。本實驗分別于春、夏、秋、冬四季在3個點采集沉積物柱狀樣和上覆水，采樣后把柱狀樣品按0～2cm；4～6cm；8～10cm；12～14cm；16～18cm；20～22cm；24～26cm分割為七層。，裝入聚乙烯袋中。所有樣品均在0～4℃下避光儲存。

1.2 儀器及設(shè)備

TN 定氮儀（KjeltecTM 2300）；立式高壓蒸汽滅菌鍋；激光粒度分析儀；YSI 510型pH測定儀（USA）；280W超聲儀（AS10200BDT）；分析天平。

1.3 分析方法

沉積物樣品測定的項目有pH、總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH4+-N）、總有機碳（TOC）、含水率、機械組成。各項目的測定方法參考《土壤理化分析》。每批樣品均做至少兩個以上的空白實驗，并按樣品量20%的比例做平行實驗。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用One-way顯著性差別分析（ANOVA）來辨別營養(yǎng)物質(zhì)隨采樣地點及深度變化的差異。所有數(shù)據(jù)用Excel和SPSS V13.0軟件計算分析。

2. 結(jié)果與討論

2.1 總氮的空間分布

對不同季節(jié)各采樣點沉積物中的總氮的含量進行空間分布的比較，見圖2-1。

由圖可見，在春季1、3號點沉積物TN含量隨深度增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，都在10cm處達到峰值。且總體而言，總氮含量3號>1號，這與其污染情況吻合。2號點表層的總氮含量明顯高于其他兩個點，而且垂向變化不大，這也說明了其氮污染的嚴重性，必須控制周圍居民生活污水的排放。

在夏季，表層（0-2cm）3個采樣點的沉積物中TN的含量較為接近，差別不大；而在2-14cm處1、2和3號點的總氮含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，都在10cm處達到峰值；14～26cm處3個采樣點的總氮含量又呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在22cm處達到峰值?？傮w上，沉積物TN含量2號>3號>1號，主要受生活污水污染的2號點處沉積物中含有的TN含量反而比受工業(yè)排污口影響的3號點要高，這進一步說明了對于珠江廣州河段生活污水的排放和污染必須引起足夠的重視。

在秋季，3個采樣點的TN含量隨深度增加均有升-降-升的趨勢。在冬季，3個采樣點的TN含量隨深度變化相對不明顯。從實驗數(shù)據(jù)來看，秋冬兩季沉積物TN含量均為2號>3號>1號，與其污染情況吻合。

從整體上看，珠江廣州河段沉積物的含氮量較高，其水平與菜園土TN的含量（1.13～3.42 g·kg-1）相近，達到了豐富水平。

（ 1號點， 2號點， 3號點）

圖2-1 不同季節(jié)采樣點沉積物中總氮的垂向分布

2.2 總氮的季節(jié)變化特征

按照不同采樣點，比較各采樣點沉積物中總氮的季節(jié)變化，參見圖2-2。

對1號點，總氮平均含量為春季1.80g/kg，夏季2.39g/kg，秋季2.25g/kg，冬季1.60g/kg；2號點總氮平均含量為春季2.43g/kg，夏季2.83g/kg，秋季2.66g/kg，冬季2.87g/kg；3號點總氮平均含量為春季1.81g/kg，夏季2.53g/kg，秋季1.83g/kg，冬季1.70g/kg?？梢钥闯?，隨著季節(jié)變化，1號、2號和3號點各自的總氮含量整體上均為夏季>秋季>春季>冬季。夏季氣溫高，生物活動頻繁，人為活動排放的污染物開始增多，造成沉積物氮污染加劇。同時，水體中的藻類大量繁殖，其死后的殘體部分沉積于河流底部，在一定程度上使沉積物總氮含量升高，因此夏季河流沉積物中總氮含量在一年中最高。而在秋季后，水生生物（包括底棲生物）大量死亡，礦化分解活動的加劇消耗了大量溶解氧，造成河流沉積物處于缺氧的還原環(huán)境，給厭氧的反硝化作用創(chuàng)造了適宜的條件，導(dǎo)致沉積物中的氮元素以N2O、N2等無機氣體形態(tài)散逸到大氣中，減輕了沉積物的氮負荷，并使總氮含量在冬季達到最低。從春季起，氣溫開始升高，沉積物中的總氮含量又開始增加。endprint

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

圖2-2各采樣點沉積物中TN的季節(jié)變化

2.3 氨態(tài)氮的空間分布

對不同季節(jié)各采樣點沉積物中的氨態(tài)氮含量進行空間分布的比較，見圖2-3?？梢钥闯觯鱾€季節(jié)沉積物中氨態(tài)氮的含量在垂向變化上大部分都呈現(xiàn)隨深度增加而含量升高的現(xiàn)象。沉積物和水界面的研究表明，氨態(tài)氮極易溶于水，因此表層產(chǎn)生的氨態(tài)氮容易通過擴散作用進入上覆水體。此外，由于所有采樣點均位于岸邊，表層沉積物很容易受到風(fēng)浪的擾動，在間隙水中的以及吸附于沉積物顆粒上的分子態(tài)NH3容易在再懸浮作用下進入上覆水體，從而較大程度地降低了表層沉積物中NH4+-N的含量。另一方面，在還原環(huán)境中，NH4+-N極易積累。隨著深度的增加，沉積物的DO下降，環(huán)境適宜于厭氧細菌活動的反硝化和氨化作用，使氮從高價態(tài)向銨態(tài)等低價態(tài)轉(zhuǎn)化，并且深度越大，沉積物受到的擾動較小，有利于NH4+-N積累。因此表層的氨態(tài)氮會出現(xiàn)隨深度增加而升高的現(xiàn)象，這也表明了沉積物垂向上氧化還原條件由氧化到還原的變化。

（ 1號點， 2號點， 3號點）

圖2-3 不同季節(jié)采樣點沉積物中NH4+-N的垂向分布

2.4 氨態(tài)氮的季節(jié)變化特征

按照不同采樣點，比較各采樣點沉積物中氨態(tài)氮含量的季節(jié)變化，見圖2-4。整體上看，沉積物中氨態(tài)氮含量春夏季較高，秋冬季較低，這可能是因為春夏季溫度較高，細菌活性增強，促進沉積物中有機氮的礦化。此外，沉積物中氨態(tài)氮的季節(jié)變化情況與沉積物中總氮的季節(jié)變化情況不一致，暗示著氨態(tài)氮除了來自于TN中的占較大比例的有機氮的礦化分解外，還可能受其他來源的影響，如硝酸鹽的氨化作用等。

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

圖2-4 各采樣點沉積物NH4+-N的季節(jié)變化

2.5有機碳含量的空間分布

對不同季節(jié)3個采樣點沉積物中的有機碳的含量進行空間分布的比較，見圖2-5?？梢钥闯?，四個季節(jié)中2號點有機碳含量垂向變化不大，整體含量最高，這也說明了該區(qū)域有機污染嚴重。而1號點和3號點的有機質(zhì)含量在垂向上均有先增加后減少的趨勢，而且其峰值均在10cm左右深度處。這與河流水文情況和有機質(zhì)的自身特點有關(guān)。

（ 1號點， 2號點， 3號點）

圖2-5不同季節(jié)采樣點沉積物中TOC含量的垂向分布

3. 結(jié)論

（1）珠江廣州河段沉積物中總有機碳、總氮、氨態(tài)氮含量普遍較高，各營養(yǎng)物質(zhì)具有不同的分布規(guī)律。①各點有機碳含量豐富，大部分在28～50g/kg之間。2號點有機碳含量垂向變化不大，整體含量最高，而1號點和3號點的有機質(zhì)含量在垂向上均有先增加后減少的趨勢。②TN含量水平與菜園土相近，達到了豐富水平?？傮w上來說，沉積物TN含量2號點>3號點>1號點，3個采樣點總氮含量垂向變化趨勢各有不同。③NH4+-N作為這3個采樣點中沉積物氮的主要賦存形態(tài)，大部分都呈現(xiàn)出隨深度增加而含量升高的情況。

（2）就季節(jié)變化而言，不同采樣點沉積物中總氮的含量整體上均為夏季>秋季>春季>冬季。氨態(tài)氮含量則為夏春季較高，秋冬季較低。硝態(tài)氮含量秋季最高，夏季次之，春冬季最低。

參考文獻：

[1]朱嫻，劉慧璇. 珠江廣州河段沉積物的耗氧與細菌總數(shù)和總有機碳之前的關(guān)系[J]. 生態(tài)科學(xué)，1992，01：12

[2]范成新，張路等. 湖泊沉積物氮磷內(nèi)源負荷模擬. 海洋與湖沼，2002，33（4）：370-378.

[3]Pitkanen H， Lehtoranta J， Raike A. Internal nutrient fluxes counteract decreases in external load： the case of the estuarial eastern Gulf of Finland， Baltic Sea [J]. AMBIO， 2001， 30： 195-201.

[4]謝麗強，謝平，唐匯娟. 武漢東湖不同湖區(qū)底泥總磷含量及變化的研究[J]. 水生生物學(xué)報，2001，125（4）： 305-310.endprint

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

圖2-2各采樣點沉積物中TN的季節(jié)變化

2.3 氨態(tài)氮的空間分布

對不同季節(jié)各采樣點沉積物中的氨態(tài)氮含量進行空間分布的比較，見圖2-3。可以看出，各個季節(jié)沉積物中氨態(tài)氮的含量在垂向變化上大部分都呈現(xiàn)隨深度增加而含量升高的現(xiàn)象。沉積物和水界面的研究表明，氨態(tài)氮極易溶于水，因此表層產(chǎn)生的氨態(tài)氮容易通過擴散作用進入上覆水體。此外，由于所有采樣點均位于岸邊，表層沉積物很容易受到風(fēng)浪的擾動，在間隙水中的以及吸附于沉積物顆粒上的分子態(tài)NH3容易在再懸浮作用下進入上覆水體，從而較大程度地降低了表層沉積物中NH4+-N的含量。另一方面，在還原環(huán)境中，NH4+-N極易積累。隨著深度的增加，沉積物的DO下降，環(huán)境適宜于厭氧細菌活動的反硝化和氨化作用，使氮從高價態(tài)向銨態(tài)等低價態(tài)轉(zhuǎn)化，并且深度越大，沉積物受到的擾動較小，有利于NH4+-N積累。因此表層的氨態(tài)氮會出現(xiàn)隨深度增加而升高的現(xiàn)象，這也表明了沉積物垂向上氧化還原條件由氧化到還原的變化。

（ 1號點， 2號點， 3號點）

圖2-3 不同季節(jié)采樣點沉積物中NH4+-N的垂向分布

2.4 氨態(tài)氮的季節(jié)變化特征

按照不同采樣點，比較各采樣點沉積物中氨態(tài)氮含量的季節(jié)變化，見圖2-4。整體上看，沉積物中氨態(tài)氮含量春夏季較高，秋冬季較低，這可能是因為春夏季溫度較高，細菌活性增強，促進沉積物中有機氮的礦化。此外，沉積物中氨態(tài)氮的季節(jié)變化情況與沉積物中總氮的季節(jié)變化情況不一致，暗示著氨態(tài)氮除了來自于TN中的占較大比例的有機氮的礦化分解外，還可能受其他來源的影響，如硝酸鹽的氨化作用等。

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

圖2-4 各采樣點沉積物NH4+-N的季節(jié)變化

2.5有機碳含量的空間分布

對不同季節(jié)3個采樣點沉積物中的有機碳的含量進行空間分布的比較，見圖2-5?？梢钥闯?，四個季節(jié)中2號點有機碳含量垂向變化不大，整體含量最高，這也說明了該區(qū)域有機污染嚴重。而1號點和3號點的有機質(zhì)含量在垂向上均有先增加后減少的趨勢，而且其峰值均在10cm左右深度處。這與河流水文情況和有機質(zhì)的自身特點有關(guān)。

（ 1號點， 2號點， 3號點）

圖2-5不同季節(jié)采樣點沉積物中TOC含量的垂向分布

3. 結(jié)論

（1）珠江廣州河段沉積物中總有機碳、總氮、氨態(tài)氮含量普遍較高，各營養(yǎng)物質(zhì)具有不同的分布規(guī)律。①各點有機碳含量豐富，大部分在28～50g/kg之間。2號點有機碳含量垂向變化不大，整體含量最高，而1號點和3號點的有機質(zhì)含量在垂向上均有先增加后減少的趨勢。②TN含量水平與菜園土相近，達到了豐富水平。總體上來說，沉積物TN含量2號點>3號點>1號點，3個采樣點總氮含量垂向變化趨勢各有不同。③NH4+-N作為這3個采樣點中沉積物氮的主要賦存形態(tài)，大部分都呈現(xiàn)出隨深度增加而含量升高的情況。

（2）就季節(jié)變化而言，不同采樣點沉積物中總氮的含量整體上均為夏季>秋季>春季>冬季。氨態(tài)氮含量則為夏春季較高，秋冬季較低。硝態(tài)氮含量秋季最高，夏季次之，春冬季最低。

參考文獻：

[1]朱嫻，劉慧璇. 珠江廣州河段沉積物的耗氧與細菌總數(shù)和總有機碳之前的關(guān)系[J]. 生態(tài)科學(xué)，1992，01：12

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[3]Pitkanen H， Lehtoranta J， Raike A. Internal nutrient fluxes counteract decreases in external load： the case of the estuarial eastern Gulf of Finland， Baltic Sea [J]. AMBIO， 2001， 30： 195-201.

[4]謝麗強，謝平，唐匯娟. 武漢東湖不同湖區(qū)底泥總磷含量及變化的研究[J]. 水生生物學(xué)報，2001，125（4）： 305-310.endprint

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

圖2-2各采樣點沉積物中TN的季節(jié)變化

2.3 氨態(tài)氮的空間分布

對不同季節(jié)各采樣點沉積物中的氨態(tài)氮含量進行空間分布的比較，見圖2-3。可以看出，各個季節(jié)沉積物中氨態(tài)氮的含量在垂向變化上大部分都呈現(xiàn)隨深度增加而含量升高的現(xiàn)象。沉積物和水界面的研究表明，氨態(tài)氮極易溶于水，因此表層產(chǎn)生的氨態(tài)氮容易通過擴散作用進入上覆水體。此外，由于所有采樣點均位于岸邊，表層沉積物很容易受到風(fēng)浪的擾動，在間隙水中的以及吸附于沉積物顆粒上的分子態(tài)NH3容易在再懸浮作用下進入上覆水體，從而較大程度地降低了表層沉積物中NH4+-N的含量。另一方面，在還原環(huán)境中，NH4+-N極易積累。隨著深度的增加，沉積物的DO下降，環(huán)境適宜于厭氧細菌活動的反硝化和氨化作用，使氮從高價態(tài)向銨態(tài)等低價態(tài)轉(zhuǎn)化，并且深度越大，沉積物受到的擾動較小，有利于NH4+-N積累。因此表層的氨態(tài)氮會出現(xiàn)隨深度增加而升高的現(xiàn)象，這也表明了沉積物垂向上氧化還原條件由氧化到還原的變化。

（ 1號點， 2號點， 3號點）

圖2-3 不同季節(jié)采樣點沉積物中NH4+-N的垂向分布

2.4 氨態(tài)氮的季節(jié)變化特征

按照不同采樣點，比較各采樣點沉積物中氨態(tài)氮含量的季節(jié)變化，見圖2-4。整體上看，沉積物中氨態(tài)氮含量春夏季較高，秋冬季較低，這可能是因為春夏季溫度較高，細菌活性增強，促進沉積物中有機氮的礦化。此外，沉積物中氨態(tài)氮的季節(jié)變化情況與沉積物中總氮的季節(jié)變化情況不一致，暗示著氨態(tài)氮除了來自于TN中的占較大比例的有機氮的礦化分解外，還可能受其他來源的影響，如硝酸鹽的氨化作用等。

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

圖2-4 各采樣點沉積物NH4+-N的季節(jié)變化

2.5有機碳含量的空間分布

對不同季節(jié)3個采樣點沉積物中的有機碳的含量進行空間分布的比較，見圖2-5。可以看出，四個季節(jié)中2號點有機碳含量垂向變化不大，整體含量最高，這也說明了該區(qū)域有機污染嚴重。而1號點和3號點的有機質(zhì)含量在垂向上均有先增加后減少的趨勢，而且其峰值均在10cm左右深度處。這與河流水文情況和有機質(zhì)的自身特點有關(guān)。

（ 1號點， 2號點， 3號點）

圖2-5不同季節(jié)采樣點沉積物中TOC含量的垂向分布

3. 結(jié)論

（1）珠江廣州河段沉積物中總有機碳、總氮、氨態(tài)氮含量普遍較高，各營養(yǎng)物質(zhì)具有不同的分布規(guī)律。①各點有機碳含量豐富，大部分在28～50g/kg之間。2號點有機碳含量垂向變化不大，整體含量最高，而1號點和3號點的有機質(zhì)含量在垂向上均有先增加后減少的趨勢。②TN含量水平與菜園土相近，達到了豐富水平?？傮w上來說，沉積物TN含量2號點>3號點>1號點，3個采樣點總氮含量垂向變化趨勢各有不同。③NH4+-N作為這3個采樣點中沉積物氮的主要賦存形態(tài)，大部分都呈現(xiàn)出隨深度增加而含量升高的情況。

（2）就季節(jié)變化而言，不同采樣點沉積物中總氮的含量整體上均為夏季>秋季>春季>冬季。氨態(tài)氮含量則為夏春季較高，秋冬季較低。硝態(tài)氮含量秋季最高，夏季次之，春冬季最低。

參考文獻：

[1]朱嫻，劉慧璇. 珠江廣州河段沉積物的耗氧與細菌總數(shù)和總有機碳之前的關(guān)系[J]. 生態(tài)科學(xué)，1992，01：12

[2]范成新，張路等. 湖泊沉積物氮磷內(nèi)源負荷模擬. 海洋與湖沼，2002，33（4）：370-378.

[3]Pitkanen H， Lehtoranta J， Raike A. Internal nutrient fluxes counteract decreases in external load： the case of the estuarial eastern Gulf of Finland， Baltic Sea [J]. AMBIO， 2001， 30： 195-201.

[4]謝麗強，謝平，唐匯娟. 武漢東湖不同湖區(qū)底泥總磷含量及變化的研究[J]. 水生生物學(xué)報，2001，125（4）： 305-310.endprint