汪　淼,王圣瑞,焦立新,汪本洋,嚴(yán)　紅,劉文斌(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地,北京 100012；.大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116622；4.云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650504)

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滇池沉積物內(nèi)源氮釋放風(fēng)險(xiǎn)及控制分區(qū)

汪淼1,2,3,4,王圣瑞1,2,4*,焦立新1,2,4,汪本洋3,嚴(yán)紅3,劉文斌1,2,4(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地,北京 100012；3.大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116622；4.云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650504)

摘要：采用淹水培養(yǎng)法測(cè)定了滇池20cm沉積物可釋放態(tài)氮(EN)、潛在可釋放態(tài)氮(MN)及穩(wěn)定態(tài)氮(FN)含量,并分析了其空間分布特征,結(jié)合沉積物定年數(shù)據(jù)計(jì)算了不同形態(tài)氮蓄積量.依據(jù)沉積物-水界面氮釋放通量、EN蓄積量及MN蓄積量對(duì)滇池沉積物內(nèi)源氮污染狀況進(jìn)行分區(qū),評(píng)估了不同區(qū)域滇池沉積物內(nèi)源氮釋放風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)不同分區(qū)提出了污染控制措施.結(jié)果表明,滇池沉積物內(nèi)源氮釋放風(fēng)險(xiǎn):外海南部＞外海北部＞外海中部＞草海,潛在釋放風(fēng)險(xiǎn):外海南部＞外海中部＞草海＞外海北部；滇池沉積物氮污染有由北向南轉(zhuǎn)移趨勢(shì);滇池全湖20cm沉積物蓄積TN5757.90t,EN637.72t,MN1320.76t,FN3799.42t.根據(jù)沉積物氮污染滇池可劃分為高污染區(qū)、中度污染區(qū)、低污染區(qū)及安全區(qū),分別占全湖面積的13.51%、15.02%、46.06%、25.42%,其中高污染區(qū)主要分布在草海、外海北部盤龍江附近;中度污染區(qū)主要分布在高污染區(qū)以下從寶象河到觀音山區(qū)域及滇池出水口?？诘葏^(qū)域;低污染區(qū)主要分布在中度污染區(qū)以下從廣譜大溝到整個(gè)外海南部區(qū)域.高污染區(qū)可采取底泥環(huán)保疏浚技術(shù),中度污染區(qū)可采取安全生態(tài)性高的原位控制技術(shù),低污染區(qū)可采取覆蓋技術(shù),配合水生植被修復(fù)技術(shù).

關(guān)鍵詞：可釋放態(tài)氮；潛在可釋放態(tài)氮；釋放風(fēng)險(xiǎn)；控制分區(qū)

* 責(zé)任作者, 研究員, wangsr@craes.org.cn

Key word：release nitrogen；potential release nitrogen；release risk；control division

湖泊沉積物在氮循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用,作為營養(yǎng)鹽的蓄積庫,即充當(dāng)“匯”的角色,也充當(dāng)“源”的角色[1].當(dāng)環(huán)境條件改變,沉積物可由“匯”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸础?向水體釋放氮,導(dǎo)致水體氮污染.其中沉積物-水界面氮的釋放是內(nèi)源氮污染負(fù)荷的重要組成部分[2].同時(shí),沉積物作為湖泊環(huán)境演變信息的載體,記錄了湖泊生態(tài)環(huán)境與水體富營養(yǎng)化的演變過程,湖泊沉積物氮蓄積量也是作為評(píng)價(jià)湖泊沉積物內(nèi)源氮負(fù)荷的重要指標(biāo)[3].而氮素在沉積物中是以不同形態(tài)存在的,其中可交換態(tài)氮(EN)是最“活躍”組分[4],易于與上覆水發(fā)生交換從而進(jìn)入水體,直接被初級(jí)生產(chǎn)者吸收造成藻類的大量爆發(fā);可礦化態(tài)氮(MN)是沉積物中有機(jī)氮在適宜條件下被微生物礦化而形成的能被植物利用的那部分氮[5],表現(xiàn)為適當(dāng)條件下釋放進(jìn)入水體;穩(wěn)定態(tài)氮(FN)則是被固定在沉積物礦物晶格中的氮形態(tài),是沉積物氮庫中相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)[6],一般條件下不參與氮的循環(huán),即不易進(jìn)入水體而表現(xiàn)為埋藏蓄積.因此,氮在沉積物中的賦存形態(tài)及其含量可作為評(píng)價(jià)湖泊沉積物內(nèi)源氮釋放風(fēng)險(xiǎn)的一種形式.研究湖泊沉積物-水界面氮釋放風(fēng)險(xiǎn)特征及不同形態(tài)氮埋藏蓄積量可全面估算湖泊沉積物內(nèi)源氮污染負(fù)荷量,從而可全面綜合的評(píng)價(jià)湖泊沉積物內(nèi)源氮污染狀況.

滇池是云南面積最大淡水湖泊(流域面積2920km2),國家“三河三湖”治理重點(diǎn)之一.20世紀(jì)60～90年代,滇池水質(zhì)由Ⅱ類下降至Ⅴ類甚至劣Ⅴ類,富營養(yǎng)化程度較高[7].滇池受地域影響,屬于半封閉性湖泊,水交換速率低,導(dǎo)致大量污染物容易在湖底沉積,從而導(dǎo)致其沉積物氮含量較高[3].在外源得到有效控制的情況下,沉積物內(nèi)源氮負(fù)荷將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)影響滇池治理效果的體現(xiàn).目前,針對(duì)滇池沉積物內(nèi)源氮污染的研究主要集中在總氮含量及釋放通量等方面[8-9],而對(duì)其釋放風(fēng)險(xiǎn)方面的研究報(bào)道較少,對(duì)滇池沉積物內(nèi)源氮負(fù)荷的定量研究報(bào)道也較少,對(duì)于滇池沉積物內(nèi)源氮污染分區(qū)研究報(bào)道更是鮮見.基于此,本文研究了滇池沉積物不同氮形態(tài)含量與空間分布,結(jié)合滇池沉積物-水界面氮釋放通量及沉積物定年數(shù)據(jù),試圖揭示滇池沉積物內(nèi)源氮釋放風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)滇池沉積物內(nèi)源氮污染狀況進(jìn)行分區(qū),提出分區(qū)控制措施,為滇池內(nèi)源污染治理決策提供科學(xué)指導(dǎo).

1　材料與方法

1.1樣品采集

圖1　滇池采樣點(diǎn)位Fig.1　Locations of the sampling sites

將滇池全湖分為草海、外海北部、外海中部、外海南部4個(gè)區(qū)域,用Arcgis計(jì)算不同湖區(qū)面積,依據(jù)水深,流域地貌、湖盆形態(tài)及水動(dòng)力等對(duì)湖區(qū)劃分為湖心區(qū)與近岸區(qū)(昆明市環(huán)境科學(xué)研究院對(duì)滇池沉積物定年與沉積通量的測(cè)定).于2013年5月對(duì)滇池全湖5個(gè)區(qū)域選取了36個(gè)點(diǎn)位(通過GPS定位)采集了柱狀樣,柱狀沉積物深度在20～30cm,保持沉積物上30～40cm原位上覆水,采樣點(diǎn)位置如圖1所示.柱狀沉積物采用重力采樣器(管徑為90mm硬質(zhì)有機(jī)玻璃管)采集,柱狀樣兩端封閉后保持避光垂直放置,及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行切割,運(yùn)輸過程要求平穩(wěn),避免沉積物-水界面受到劇烈擾動(dòng).

1.2分析與計(jì)算方法

將柱狀樣帶回實(shí)驗(yàn)室后,立刻用虹吸管吸取上覆水,沉積物按0～2、2～5、5～8、8～12、12～16、16～20cm間隔進(jìn)行切割,切割后的分層沉積物經(jīng)冷凍干燥,研磨過100目篩備用.

沉積物總氮TN采用堿性過硫酸鉀硝化法測(cè)定[10].沉積物可交換態(tài)氮(EN)采用過硫酸鉀(K2SO4)提取法[5],稱過100目分層沉積物樣品0.5g于100mL聚乙烯離心管中,加入0.5mol/L的K2SO4溶液50mL,200r/min振蕩30min后,4500r/min離心15min,濾液過0.45μm濾膜,移取上清液測(cè)定、、含量,提取液、、之和為可交換態(tài)氮(EN).

沉積物可礦化態(tài)氮(MN)采用Keeney等[11]提出的淹水培養(yǎng)法,稱取過100目分層沉積物0.5g于100mL聚乙烯離心管中,加入12.5mL水后,擰緊蓋子,放進(jìn)培養(yǎng)箱40℃下培養(yǎng)7d,培養(yǎng)結(jié)束后,加入0.625mol/L的K2SO4溶液50mL,振蕩30min,4500r/min離心15min,過0.45μm濾膜,取上清液測(cè)定、、含量.可礦物態(tài)氮(MN)其含量計(jì)算公式如下:

沉積物穩(wěn)定態(tài)氮(FN)含量計(jì)算公式如下:

表1　滇池沉積物計(jì)年與沉積物通量Table 1　Mean annual sedimentation fluxes of Dianchi lake

2　結(jié)果分析

2.1滇池沉積物可釋放態(tài)氮含量及分布特征

根據(jù)De Lange[4]的研究,沉積物可交換態(tài)氮(EN)是最易釋放進(jìn)入上覆水體的氮,本研究將其視為可釋放態(tài)氮.滇池不同湖區(qū)20cm沉積物可交換態(tài)氮(EN)平均含量及EN中不同形態(tài)氮平均所占百分比如圖2所示.

滇池20cm沉積物EN含量大小依次為:外海南部＞外海中部＞草海＞外海北部,平均含量分別為492.43、380.18、348.29、338.27mg/kg.其中外海南部EN含量最高,釋放風(fēng)險(xiǎn)最大,草海EN含量低于外海南部與外海中部.各個(gè)湖區(qū)沉積物EN主要是以、形態(tài)存在,所占比例很小,平均占EN的 61.06%,平均占EN38.61%,-N占其0.33%.

滇池20cm沉積物可交換態(tài)氮(EN)空間分布見圖3.

圖2　滇池沉積物可交換態(tài)氮含量及其所占比例Fig.2　The EN content of Dianchi Lake sediments and its proportion of different forms of nitrogen

圖3　滇池沉積物可交換態(tài)氮空間分布Fig.3　The EN spatial distribution of Dianchi Lake sediments

滇池沉積物EN分布范圍在138.22～845.28mg/kg,在草海中部、外海北部西側(cè)、盤龍江入湖口及南部昆陽和海口湖區(qū)含量較高,濃度最高處分別達(dá)到845.28、716.99、654.90、723.89、 599.37mg/kg,與汪淼[9]滇池沉積物-水界面釋放通量較大區(qū)域完全吻合,表現(xiàn)出一致性,同時(shí)也證明滇池沉積物EN是最易釋放進(jìn)入水體中的氮形態(tài),釋放風(fēng)險(xiǎn)較大.由于草海面積較小,外海北部東側(cè)EN含量較低,按含量整體平均算來,外海南部EN含量最高,釋放風(fēng)險(xiǎn)水平最大,其次為外海中部,草海與外海北部EN含量較低,釋放風(fēng)險(xiǎn)水平較小.依此推斷滇池沉積物內(nèi)源氮釋放風(fēng)險(xiǎn)南部大于北部.

2.2滇池沉積物潛在可釋放態(tài)氮含量及分布特征

根據(jù)Keeney[14]的研究,沉積物可礦化態(tài)氮(MN)是在適宜溫度、適宜微生物條件下有機(jī)氮礦化降解出來的氮,僅當(dāng)環(huán)境條件改變的情況下,有釋放風(fēng)險(xiǎn),故本研究將其視為潛在可釋放態(tài)氮.滇池不同湖區(qū)20cm沉積物可礦化態(tài)氮(MN)平均含量及MN中不同形態(tài)氮平均所占百分比如圖4所示.

圖4　滇池沉積物可礦化態(tài)氮含量及其所占比例Fig.4　The MN content of Dianchi Lake sediments and its proportion of different forms of nitrogen

滇池20cm沉積物MN含量大小依次為:草海＞外海南部＞外海中部＞外海北部,平均含量分別為1131.66、1085.26、898.96、543.59mg/kg.其中草海MN含量最高,當(dāng)環(huán)境條件適當(dāng)改變的情況下,其潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)較高,因草?？杀晃⑸锏V化的有機(jī)質(zhì)含量較高,外海北部沉積物MN相對(duì)含量較低.各個(gè)湖區(qū)沉積物MN主要是以形態(tài)存在,尤其是形態(tài),平均占MN的82.57%,所占比例大于其在EN中的比例,平均占MN17.36%,低于其在EN中的比例,所占比例很小,幾乎為零,僅為0.069%.

滇池20cm沉積物可礦化態(tài)氮(MN)空間分布見圖5.

圖5　滇池沉積物可礦化態(tài)氮空間分布Fig.5　The MN spatial distribution of Dianchi lake sediments

滇池沉積物MN分布范圍在106.42～2690.79mg/kg,在草海、外海北部西側(cè)、外海中部南沖河附近及南部昆陽和?？诤^(qū)含量較高,濃度最高處分別達(dá)到2546.08、1981.02、1446.27、2690.79、1607.85mg/kg,與EN空間分布較為相似.草海與?？诤^(qū)沉積物MN含量最高,外海北部東側(cè)MN含量較低,平均只有152.14mg/kg.由于MN是沉積物有機(jī)氮在適宜條件下礦化降解出的氮,是較EN不太“活躍”組分,代表沉積物氮潛在的釋放能力.按含量整體平均滇池沉積物內(nèi)源氮潛在的釋放風(fēng)險(xiǎn),草海最高,其次為外海南部與外海中部,外海北部潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)較小.

2.3滇池沉積物穩(wěn)定態(tài)氮含量及分布特征

根據(jù)馬紅波[6]的研究,沉積物穩(wěn)定態(tài)氮(FN)在湖泊環(huán)境中一般條件下不參與氮循環(huán),表現(xiàn)為埋藏蓄積,故本研究將其視為穩(wěn)定態(tài)氮.滇池不同湖區(qū)20cm沉積物穩(wěn)定態(tài)氮(FN)平均含量如圖6所示.

圖6　滇池沉積物穩(wěn)定態(tài)氮含量Fig.6　The FN content of Dianchi Lake sediments

滇池20cm沉積物FN含量大小依次為:草海＞外海中部＞外海南部＞外海北部,平均含量分別為4114.72、2464.14、2340.08、2046.02mg/kg.其中草海FN含量最高.草海受人為活動(dòng)影響最深,大量污染物隨著河流或地表徑流進(jìn)入草海,得以在草海沉積物上蓄積.而外海中部FN含量高于外海南部高于外海北部,由此可見滇池沉積物穩(wěn)定態(tài)氮在湖心區(qū)域較其他區(qū)域更容易蓄積,因?yàn)楹膮^(qū)水體較深,受風(fēng)力擾動(dòng)較小,同時(shí)受到流體動(dòng)力學(xué)的影響所導(dǎo)致.戎靜[15]在調(diào)查滇池底泥氮素空間分布同樣發(fā)現(xiàn)沉積物氮有向湖泊中心沉積的趨勢(shì).

滇池20cm沉積物穩(wěn)定態(tài)氮(FN)空間分布見圖7.

滇池沉積物FN分布范圍在574.11～5176.29mg/kg,在草海、外海中部南沖河湖區(qū)含量較高,濃度最高處分別達(dá)到5176.29、4169.76mg/kg,外海北部、外海中部東側(cè)與外海南部含量相對(duì)較低,滇池FN含量比EN與MN含量高出許多.沉積物穩(wěn)定態(tài)氮(FN)主要受到沉積物-水界面的穩(wěn)定情況、水深、擾動(dòng)等流體力學(xué)作用影響,從滇池沉積物FN空間分布可以看出,FN在湖心區(qū)域更有利于沉積,在河流入湖口由于河流的沖刷作用往往不利于FN在沉積物的沉積.

圖7　滇池沉積物穩(wěn)定態(tài)氮空間分布Fig.7　The FN spatial distribution of Dianchi lake sediments

3　討論

3.1滇池沉積物氮污染特征及其釋放風(fēng)險(xiǎn)

滇池不同湖區(qū)20cm沉積物不同形態(tài)氮含量及其占總氮(TN)比例如圖8所示.

滇池不同湖區(qū)沉積物TN均以FN為主,草海、外海北部、外海中部、外海南部FN分別達(dá)到TN的73.55%、69.88%、65.83%、59.73%(圖8).EN在草海、外海北部、外海中部和外海南部湖區(qū)分別占TN的6.23%、11.55%、10.16%、12.57%,不同湖區(qū)EN含量大小次序是:外海南部＞外海中部＞草海＞外海北部,但EN占TN比例大小次序則是:外海南部＞外海北部＞外海中部＞草海.含量代表絕對(duì)量,所占百分比代表貢獻(xiàn)率,外海北部EN含量雖較其他湖區(qū)低,因其MN和FN含量也相對(duì)較低,導(dǎo)致EN貢獻(xiàn)率提高.大量研究表明[5-6,16]沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮占其TN的1/3左右,而占TN近2/3的氮為非轉(zhuǎn)化態(tài)氮,穩(wěn)定態(tài)氮(FN)是其非轉(zhuǎn)化態(tài)氮的主要成分,故沉積物TN含量越高其穩(wěn)定性越強(qiáng)[17],因此按EN占TN的百分比更能反應(yīng)沉積物氮釋放風(fēng)險(xiǎn),即滇池不同湖區(qū)沉積物氮釋放風(fēng)險(xiǎn)外海南部＞外海北部＞外海中部＞草海.MN在草海、外海北部、外海中部和外海南部湖區(qū)分別占TN的20.23%、18.57%、24.02%、27.70%,滇池不同湖區(qū)沉積物氮潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)外海南部＞外海中部＞草海＞外海北部.EN+MN為可轉(zhuǎn)化態(tài)氮,其反映了沉積物直接供氮能力和氮的生物有效性,兩者之和在不同湖區(qū)分別占TN的26.45%、30.12%、34.17、40.27%,即滇池不同湖區(qū)沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮外海南部＞外海中部＞外海北部＞草海.結(jié)果表明滇池沉積物氮污染表現(xiàn)為由北向南轉(zhuǎn)移的趨勢(shì).

圖8　滇池不同湖區(qū)沉積物氮含量及占TN比例Fig.8　The nitrogen content of Dianchi lake sediments and its proportion of TN in different regions

已有研究表明,沉積物EN、MN與其總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)、微生物含量等顯著正相關(guān)[18],即與沉積物污染程度正相關(guān).圖3與圖5顯示滇池沉積物EN、MN空間分布較為相似,草海、外海北部西側(cè)、盤龍江入湖口、外海中部南沖河附近及南部昆陽和?？诤^(qū)EN與MN含量較高,原因與這些區(qū)域沉積物污染狀況是密切相關(guān),草海、外海北部西側(cè)與盤龍江入湖口受人為影響較重,外海中部南沖河附近主要因沉積物有效蓄積影響,南部昆陽和?？诤^(qū)則主要受磷礦廢水及農(nóng)藥面源影響等.EN主要是吸附在沉積物中的無機(jī)氮,主要為與含量較低(圖2),與高效江等[19]研究類似,在復(fù)雜的沉積物環(huán)境中各形態(tài)EN之間可相互轉(zhuǎn)化,隨時(shí)保障沉積物-水界面氮的平衡.MN主要是經(jīng)微生物降解釋放出的氮,也包括、、,占絕大部分(圖4),因在厭氧環(huán)境條件下,沉積物不斷被厭氧微生物礦化降解釋放出[20],造成含量較高,其中包括微生物的同化與異化、硝化與反硝化等作用.MN與EN和FN存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系,MN是EN與FN的主要來源.

圖9　滇池沉積物總氮空間分布Fig.9　The TN spatial distribution of Dianchi lake sediments

滇池20cm沉積物總氮(TN)空間分布如圖9所示.

滇池沉積物總氮含量分布范圍為996.14.25～6771.65mg/kg之間,平均值為3713.49mg/kg,其中草海中心、外海北部盤龍江入湖口、外海南部的海口入湖湖區(qū)含量較高,外海北部寶象河河口疏挖湖區(qū)TN含量較低,TN最高值為最低值的3.5倍.與孟亞媛等[21]滇池表層沉積物(10cm)TN含量空間分布相符.

沉積物TN含量是反應(yīng)其營養(yǎng)水平的重要指標(biāo),草海沉積物TN平均含量(5594.671mg/kg)遠(yuǎn)高于外海.外海中部與外海南部沉積物TN含量較接近(3830.527mg/kg),高于外海北部(2927.889mg/kg).其中草海受人為影響較重,城市污水排放使大量有機(jī)質(zhì)在沉積物上沉積,加之藻類死亡沉積,其草海TN含量遠(yuǎn)高于外海.外海中部因湖水較深(6～7m),水體擾動(dòng)小,沉積物得以有效蓄積造成TN含量較高,外海南部則受磷礦廢水及N肥的盲目施用[22]影響較重,水體擾動(dòng)又較小導(dǎo)致其TN偏高.外海北部水體較淺(2～3m),屬迎風(fēng)區(qū),水體擾動(dòng)大,有效沉積時(shí)間短,氮的移動(dòng)性強(qiáng),因而外海北部TN含量低于其他湖區(qū).然而沉積物TN僅僅是反應(yīng)其氮污染的重要指標(biāo)之一,不同氮形態(tài)在沉積物中的結(jié)合能力不同,故其釋放能力與參與氮循環(huán)的貢獻(xiàn)不同[6],所以不能片面的說TN含量高氮污染就一定重.可交換態(tài)氮(EN)是吸附在沉積物表面可通過中性鹽置換出來的氮,包括氨氮()、硝氮()和亞硝氮(),其釋放能力與移動(dòng)性能較強(qiáng)[23],本研究認(rèn)為是可釋放態(tài)氮,釋放風(fēng)險(xiǎn)較大.可礦化態(tài)氮(MN)是沉積物在適宜微生物活動(dòng)的條件下培養(yǎng)一段時(shí)間后,生成的礦質(zhì)態(tài)氮[14],其釋放能力與移動(dòng)性能較EN要差,但一定環(huán)境條件下依舊有一定釋放能力,本研究認(rèn)為是潛在可釋放態(tài)氮有一定釋放風(fēng)險(xiǎn).穩(wěn)定態(tài)氮(FN)存在于沉積物礦物晶層間,一般情況下不參與氮的循環(huán),移動(dòng)性是最低的,又稱固定態(tài)銨,本研究認(rèn)為穩(wěn)定態(tài)氮沒有釋放風(fēng)險(xiǎn).因此把EN作為沉積物氮釋放風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo),而MN可作為沉積物氮潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo).

根據(jù)滇池36個(gè)柱狀樣不同層次沉積物TN、EN、MN、FN含量,結(jié)合昆明市環(huán)科院科研室定年與沉積通量數(shù)據(jù)與Arcgis軟件,可計(jì)算出滇池不同湖區(qū)沉積物氮的蓄積量.結(jié)果見表2給出了滇池不同湖區(qū)20cm沉積物TN、EN、MN、FN蓄積量.

表2　滇池不同湖區(qū)20cm沉積物氮蓄積量Table 2　The content of nitrogen accumulation of Dianchi lake sediments with 20cm depth

3.2滇池沉積物內(nèi)源氮污染控制分區(qū)及對(duì)策措施

按沉積物-水界面氮釋放通量[9]、可釋放量、潛在可釋放量對(duì)滇池沉積物氮污染狀況進(jìn)行分區(qū).沉積物-水界面氮釋放通量是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得到的沉積物釋放進(jìn)入上覆水的氮通量;依據(jù)本研究結(jié)果,滇池沉積物可交換態(tài)氮(EN)視為可釋放態(tài)氮;沉積物可礦化態(tài)氮(MN)視為潛在可釋放態(tài)氮.釋放通量、可交換態(tài)氮(EN)、可礦化態(tài)氮(MN)三因素對(duì)沉積物氮污染影響逐級(jí)降低.因此,將滇池沉積物-水界面氮釋放通量、沉積物可交換態(tài)氮(EN)蓄積量、可礦化態(tài)氮(FN)蓄積量統(tǒng)一單位,分別乘以權(quán)重0.5、0.3、0.2, 用Arcgis軟件對(duì)滇池沉積物內(nèi)源氮污染進(jìn)行分區(qū).以沉積物氮污染為依據(jù)進(jìn)行分區(qū),提出的分區(qū)控制措施主要是針對(duì)沉積物氮污染修復(fù)與治理,不考慮其他污染物如磷、重金屬及有機(jī)污染物等情況.

滇池沉積物氮污染分區(qū)如圖10所示,高污染區(qū)主要分布位置在草海、外海北部盤龍江附近部分,所影響面積達(dá)40.18km2,占滇池總面積的13.51%.污染區(qū)沉積物-水界面DTN、NH4+-N、DON釋放通量與沉積物EN、MN蓄積量都高,其中草海與外海北部區(qū)域藍(lán)藻易堆積,底泥污染層較厚,水生植被難以自然修復(fù).當(dāng)?shù)啄嗫偟獫舛雀叱霰镜字?～3倍時(shí)需采取浚處理[24],考慮到經(jīng)費(fèi)投入與處理效果等問題,在疏浚時(shí)應(yīng)結(jié)合水生植物修復(fù)處理,疏浚工程見效快,但存在風(fēng)險(xiǎn),種植水生植被一方面能防御疏浚后的釋放風(fēng)險(xiǎn),一方面能還原湖泊水生生態(tài)系統(tǒng).在草海及盤龍江區(qū)域已開展過疏浚工程,并取得了一定的效果,建議在滇池底泥氮高污染區(qū)域繼續(xù)開展環(huán)保疏浚工程,在疏浚過程中確保疏浚的環(huán)境生態(tài)安全性,并配合水生植被的種植.

圖10　滇池沉積物氮污染區(qū)域劃分Fig.10　The regional division of Dianchi lake sediment nitrogen pollution

滇池沉積物氮中度污染區(qū)主要分布位置在高污染區(qū)以下從寶象河到觀音山區(qū)域及滇池出水口?？谛K區(qū)域,所影響面積達(dá)44.69km2,占滇池總面積的15.02%.中度污染區(qū)沉積物-水界面氮釋放通量與沉積物EN、MN蓄積量要比高污染區(qū)低,但相比其他區(qū)域含量較高,尤其是具有較高的EN含量,具有很強(qiáng)的釋放風(fēng)險(xiǎn)能力,分布在高污染區(qū)以下,有一定的延續(xù)性.該區(qū)域透明度好于高污染區(qū),受風(fēng)力影響相對(duì)較小,沉積物-水界面擾動(dòng)不大,污染物蓄積量較高.當(dāng)湖泊水體較深,風(fēng)浪擾動(dòng)不大,底泥污染程度又較高可以采取原位鈍化技術(shù)[25].對(duì)滇池底泥氮中度污染區(qū)控制措施,建議選擇一種安全生態(tài)性高,并具有一定氮吸附性能的工程材料作為鈍化材料,進(jìn)行原位鈍化技術(shù).目前國內(nèi)外針對(duì)沉積物-水界面氮吸附材料主要用有機(jī)粘土、天然及改性沸石等材料[26-27].

滇池沉積物氮低污染區(qū)主要分布位置在中度污染區(qū)以下從廣譜大溝到整個(gè)外海南部區(qū)域,所影響面積達(dá)137.02km2,占滇池總面積的46.06%.低污染區(qū)水體較深,擾動(dòng)不大,透明度較高,沉積物-水界面氮釋放通量較低,但沉積物EN、MN有一定的含量,具備潛在的釋放風(fēng)險(xiǎn).當(dāng)水體較深,污染物含量不大易采取天然覆蓋技術(shù)[28],覆蓋材料僅僅起到單純的隱蔽作用,主要包括清潔的沉積物、土壤、沙子、砂礫、天然礦物等.是通過水力阻滯作用減緩污染物向水體擴(kuò)散和遷移,對(duì)污染物并無降解作用.對(duì)滇池底泥氮低污染區(qū)控制建議采取天然覆蓋與種植深水植被相結(jié)合等措施.

滇池沉積物氮安全區(qū),主要分布位置在外海中部東側(cè),所影響面積達(dá)75.61km2,占滇池總面積的25.42%.安全區(qū)沉積物氮污染較輕,水體透明度也較好,不需要采用任何措施.

表3　滇池沉積物氮污染分區(qū)特征及對(duì)策措施Table 3　The characteristics and control measures of the different Dianchi lake sediment nitrogen pollution division

4　結(jié)論

4.1滇池20cm沉積物EN含量外海南部＞外海中部＞草海＞外海北部,MN含量草海＞外海南部＞外海中部＞外海北部,其中EN與MN分布較為相似,在草海中部、外海北部西側(cè)、南部昆陽和海口湖區(qū)含量較高,FN含量草海＞外海中部＞外海南部＞外海北部,在草海、外海中部南沖河湖區(qū)含量較高.

4.2滇池沉積物內(nèi)源氮釋放風(fēng)險(xiǎn)外海南部＞外海北部＞外海中部＞草海,潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)外海南部＞外海中部＞草海＞外海北部,滇池沉積物氮污染有又由北向南轉(zhuǎn)移的趨勢(shì).全湖20cm沉積物蓄積TN5757.90t,EN637.72t,MN1320.76t,FN3799.42t,其中沉積物EN、MN主要與存在.

4.3滇池沉積物氮污染可劃分為高污染區(qū)、中度污染區(qū)、低污染區(qū)、安全區(qū),所占面積分別為40.18、44.69、137.02、75.61km2,分別占全湖面積的13.51%、15.02%、46.06%、25.42%.滇池沉積物氮高污染區(qū)可以采取底泥環(huán)保疏浚技術(shù),中度污染區(qū)可以采用有一定氮吸附性能的工程材料進(jìn)行原位鈍化技術(shù),低污染區(qū)可采取覆蓋結(jié)合水生植被修復(fù)等技術(shù).

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The risk and control division of endogenous nitrogen release in Dianchi Lake sediment.

WANG Miao1,2,3,4, WANG Sheng-rui1,2,4*, JIAO Li-xin1,2,4, WANG Ben-yang3, YAN Hong3, LIU Wen-bin1,2,4(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Research Center of Lake Eco-Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.School of Environment and Chemical Engineering, Dalian University, Dalian 116622, China；4.Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake-Watershed, Kunming 650504, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：798～807

Abstract：The waterlogged incubation method was used to test the content of the released nitrogen (EN), the potential released nitrogen (MN) and the steady nitrogen (FN) of the Dianchi Lake 20cm sediment, and the analysis of its spatial distribution, combined with the sediment dating data to calculate the amount of the different burial nitrogen forms. The nitrogen pollution of the sediment in Dianchi Lake was zoned based on the sediment-water interface nitrogen fluxes, and the amount of the burial EN and MN. The nitrogen release risk of the different regions of Dianchi Lake sediments was also evaluated, and their pollution control measures for different zones were also proposed. The results show ,the risk order ofnitrogen release of the different zones of Dianchi Lake sediments was South of Waihai＞northern of Waihai＞central of Waihai＞Caohai, and the potential risk order was South of Waihai＞central of Waihai＞Caohai＞northern of Waihai; there is a tendency of the nitrogen pollution of the Dianchi Lake sediment to transfer from north to south; the amounts of the 20cm sediment accumulation were TN 5757.90t, EN 637.72t, MN 1320.76t and FN 3799.42t for the whole lake. The nitrogen pollution of Dianchi sediment can be divided into four levels of high pollution area; medium pollution area, low pollution area and safety zone, which were 13.51%, 15.02%, 46.06%, and 25.42% of the whole lake,book=799,ebook=162respectively. High pollution areas were mainly distributed in Caohai and Northern near Panlong river; medium pollution area were mainly distributed in high pollution below from Baoxiang river to Guanyin mountain region and a small area of Dianchi Lake outlet Haikou; low pollution area were mainly distributed in medium pollution below from Guangpudagou river to all of the southern of Waihai region. The sediment in high pollution area should be taken the environmental dredged and restoration technology; the medium pollution area should be take the safety and the high-level in situ control technology; for the low pollution area, the natural cover and aquatic plant restoration technology should be used.

作者簡(jiǎn)介：汪淼(1988-),男,江西景德鎮(zhèn)人,碩士研究生,主要從事湖泊水體富營養(yǎng)化研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1202235);國家水專項(xiàng)課題(2012ZX07102-004)

收稿日期：2015-06-21

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)03-0798-10