周裔文, 周曉紅, 任琪琪, 李義敏, 林志軍, 馮德友, 韓 頊

(江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

鎮(zhèn)江市古運(yùn)河河岸沉積物氮及有機(jī)質(zhì)分布特征

周裔文, 周曉紅, 任琪琪, 李義敏, 林志軍, 馮德友, 韓 頊

(江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

氮; 有機(jī)質(zhì); 分布特征; 河岸沉積物; 古運(yùn)河

目前，城市內(nèi)河河流黑臭問(wèn)題已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注，生產(chǎn)和生活等外源性的污染物進(jìn)入河流中，使得一些城市內(nèi)河水質(zhì)受到較嚴(yán)重的污染。而城市內(nèi)河受降雨、水位調(diào)控、季節(jié)變化等因素的影響，河岸帶多處于水位消漲的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中[15]。另外河岸帶又容易受人類(lèi)活動(dòng)的影響，不僅外源性的污染物容易堆積在河岸帶，而且內(nèi)源性的污染物質(zhì)容易受風(fēng)浪的影響沉積在河岸帶，從而使得河岸帶沉積物的營(yíng)養(yǎng)鹽含量與河道沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽有一定的差異[15]。然而，目前對(duì)河岸帶表層沉積物的研究較少，對(duì)河岸帶表層沉積物中氮元素的分布特征進(jìn)行研究，為城市內(nèi)河河岸帶的綜合治理和生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)，也有利于發(fā)揮城市內(nèi)河河岸帶的景觀(guān)價(jià)值，具有重要意義。因此，本研究以鎮(zhèn)江市古運(yùn)河為研究區(qū)域，分析了不同采樣點(diǎn)的沉積物氮素含量以及分布情況，以期為古運(yùn)河富營(yíng)養(yǎng)化的預(yù)防及防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預(yù)處理

研究區(qū)域位于古運(yùn)河鎮(zhèn)江段，該河段全長(zhǎng)16.69 km，平均水深4～6 m，流經(jīng)鎮(zhèn)江市區(qū)，是鎮(zhèn)江市老城區(qū)最大的受納水體[15-16]，是鎮(zhèn)江老城區(qū)以及官塘、丁卯、丹徒、諫壁等地表徑流以及南部山丘洪水的主要匯入河流。在前期調(diào)研基礎(chǔ)上[15-16]，選擇古運(yùn)河干流及其支流共6個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行樣品采集，各采樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1。

采用沉積物采樣器分別采集河岸帶(水—岸交錯(cuò)區(qū))各采樣點(diǎn)的表層沉積物，每個(gè)點(diǎn)位采集沉積物各3次，充分混合后迅速保存于聚乙烯自封袋里(排出空氣)，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，低溫保存，并通過(guò)冷凍干燥儀于-45℃冷凍干燥(LGJ-12壓差型，北京松源華興科技發(fā)展有限公司)，后用瑪瑙研缽研磨，過(guò)100目篩，自封袋封裝后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 樣品的測(cè)定

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2015對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，利用SPSS 19.0對(duì)沉積物氮、有機(jī)質(zhì)含量及其與沉積物理化因子做Pearson相關(guān)性分析。

圖1采樣點(diǎn)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 古運(yùn)河沉積物氮素的變化特征分析

表1 古運(yùn)河河岸帶表層沉積物不同形態(tài)氮含量統(tǒng)計(jì)

圖2河岸表層沉積物氮素及有機(jī)質(zhì)含量的分布特征

2.2 古運(yùn)河沉積物有機(jī)質(zhì)含量的變化特征

古運(yùn)河沉積物有機(jī)質(zhì)含量介于0.99%～2.32%，平均值為1.74%(表1)，變異系數(shù)為32.50%，表現(xiàn)為中等變異性，表明各采樣點(diǎn)的沉積物有機(jī)質(zhì)含量變化幅度中等，其在空間上的分布規(guī)律為：G6>G1>G3>G5>G2>G4(圖2)。此外，沉積物C/N一般可反映出營(yíng)養(yǎng)源的來(lái)源，本文中對(duì)沉積物C/N的計(jì)算結(jié)果表明，古運(yùn)河河岸沉積物C/N在各采樣點(diǎn)波動(dòng)變化，平均值為15.07，介于5.62～33.79，變異系數(shù)為63.81%，空間上表現(xiàn)為：G1>G5>G4>G2>G3>G6。

表2 古運(yùn)河河岸沉積物各形態(tài)氮所占比例 %

2.3 沉積物中氮及其有機(jī)質(zhì)與理化因子間的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探討古運(yùn)河河岸沉積物中不同形態(tài)氮分布特征的因素，對(duì)各形態(tài)氮之間以及各形態(tài)氮雨沉積物pH值、有機(jī)質(zhì)之間做相關(guān)性分析(表3)。由表3可知，3種形態(tài)的無(wú)機(jī)氮與TN相關(guān)系數(shù)由大到小分別為：亞硝態(tài)氮>氨氮>硝氮，可見(jiàn)亞硝氮與TN的關(guān)系最為密切。此外，亞硝態(tài)氮與有機(jī)氮之間存在顯著正相關(guān)性(p<0.05)，表明二者之間可能存在著生物地球化學(xué)的相互轉(zhuǎn)化。而氨氮與硝氮、亞硝氮以及有機(jī)氮之間的相關(guān)性不強(qiáng)，說(shuō)明氨氮與其他形態(tài)氮在沉積物方式上存在一定的差異性。

沉積物氨氮與pH值呈顯著正相關(guān)關(guān)系、而亞硝態(tài)氮、有機(jī)氮以及總氮?jiǎng)t與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。(p<0.05)，表明pH值是影響沉積物氮形態(tài)的關(guān)鍵因素。而古運(yùn)河沉積物氮形態(tài)與OM值之間無(wú)顯著相關(guān)性，表明沉積物有機(jī)質(zhì)對(duì)氮形態(tài)無(wú)明顯的影響。

表3 古運(yùn)河河岸沉積物氮、有機(jī)質(zhì)理化因子間的相關(guān)性系數(shù)

注：**在p<0.01水平(兩側(cè))上顯著相關(guān)；*在p<0.05水平(兩側(cè))上顯著相關(guān)。

3 討 論

3.1 古運(yùn)河沉積物氮含量變化特征分析

與國(guó)內(nèi)外其他河流或湖泊沉積物相比，古運(yùn)河河岸沉積物總氮含量與南通市區(qū)各河流(1 320.33～2 131.67 mg/kg)[23]，古夫河(0.255～1.703 mg/g，平均值0.927 mg/g)[5]，洱海湖濱帶(418.0～5 243 mg/kg，平均值1 832 mg/kg)[25]以及望虞河(347.85～2 733.56 mg/kg)[26]相當(dāng)，高于洱海17條臨湖段河流(23.10～310.60 mg/kg)[27]，但低于紅楓湖流域消落帶沉積物(1 626.95～2 926.13 mg/kg)[28]，長(zhǎng)蕩湖(3.47～10.80 g/kg)[29]以及清潩河(2 140～9 470 mg/kg)[30]。

3.2 古運(yùn)河沉積物有機(jī)質(zhì)含量變化特征的分析

沉積物有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自于水體中自養(yǎng)生物的合成和陸源輸入，反映了水體受有機(jī)物污染的程度，是指示水體內(nèi)源污染程度的一個(gè)重要指標(biāo)[26,31]。沉積物中有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響氮、磷、重金屬等污染物的吸附和釋放過(guò)程，對(duì)河流上覆水水質(zhì)有非常重要的影響。研究表明，較高的有機(jī)質(zhì)含量將造成沉積物中污染物的富集，此外，豐富的有機(jī)物將有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而促使污染物的釋放速度的加快[23,32]。古運(yùn)河沉積物有機(jī)質(zhì)含量介于0.99%～2.32%，平均值分別為1.74%(表1)，變異系數(shù)為32.50%，表現(xiàn)為中等變異性，表明各采樣點(diǎn)的沉積物有機(jī)質(zhì)含量變化幅度中等，其順序?yàn)镚6>G1>G3>G5>G2>G4，表明G6點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量最高，這與該點(diǎn)所處的環(huán)境及其外源污染與密切的關(guān)系。

對(duì)沉積物C/N的計(jì)算結(jié)果表明，古運(yùn)河河岸沉積物C/N在各采樣點(diǎn)波動(dòng)變化，平均值為15.07，介于5.62～33.79，變異系數(shù)為63.81%。研究表明，由于蛋白質(zhì)是生物體中最重要的含氮成分，不同類(lèi)型有機(jī)質(zhì)所含蛋白質(zhì)不同[33]，如對(duì)于淡水生態(tài)系統(tǒng)而言，由于水生態(tài)系統(tǒng)生物種類(lèi)的差異，其中藻類(lèi)富含蛋白質(zhì)而缺乏纖維素，而維管類(lèi)高等植物體內(nèi)纖維素含量高，蛋白質(zhì)含量較低[16,22]，由此導(dǎo)致沉積物C/N比的顯著差異，因此，利用C/N比可區(qū)分不同類(lèi)型的有機(jī)質(zhì)，并依此判斷有機(jī)質(zhì)的來(lái)源[16,22,34-37]。如劉東艷等[38]認(rèn)為海源有機(jī)物C/N約為7，而陸源有機(jī)物C/N一般大于20。Prahl等[39]認(rèn)為沉積物C/N比大于12時(shí)代表陸源有機(jī)質(zhì)，小于8則代表湖泊自身有機(jī)質(zhì)。而也有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)C/N>10時(shí)，沉積物有機(jī)質(zhì)以外源為主，C/N<10時(shí)，則以?xún)?nèi)源有機(jī)質(zhì)為主，而C/N≈10時(shí)，表明外源與內(nèi)源有機(jī)質(zhì)基本達(dá)到平衡狀態(tài)[16,40-44]。根據(jù)以上判斷標(biāo)準(zhǔn)可知，古運(yùn)河河岸沉積物C/N平均值大于15，表明其以陸源貢獻(xiàn)為主。

4 結(jié) 論

(1) 古運(yùn)河河岸表層沉積物氮及有機(jī)質(zhì)含量具有一定的空間差異性，總氮和有機(jī)氮的離散程度較高，表明TN，Org-N在各采樣點(diǎn)的含量差異較大，而沉積物氨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及亞硝態(tài)氮表現(xiàn)為中等離散程度，表明以上元素在各采樣點(diǎn)的變化不大。

(3) 古運(yùn)河沉積物有機(jī)質(zhì)含量在空間上的分布規(guī)律為G6>G1>G3>G5>G2>G4，且以陸源貢獻(xiàn)為主。

(4) 古運(yùn)河河岸表層沉積物中亞硝氮與TN的關(guān)系最為密切，而氨氮與硝氮、亞硝氮以及有機(jī)氮之間的相關(guān)性不強(qiáng)，說(shuō)明氨氮與其他形態(tài)氮在沉積物方式上存在一定的差異性。此外，pH值是影響古運(yùn)河沉積物氮形態(tài)的關(guān)鍵因素。

[1] Seitzinger S P, Sanders R W, Styles R. Bilavailability of DON from natural and anthropogenic sources to estuarine plankton[J]. Limnology and Oceanography, 2002,47(2):353-366.

[2] 呂曉霞,宋金明,袁華茂,等.南黃海表層沉積物中氮的潛在生態(tài)學(xué)功能[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(8)1635-1642.

[3] Nowlin W H, Evarts J L, Vanni M J. Release rates and potential fates of nitrogen and phosphorus from sediments in a eutrophic reservoir[J]. Freshwater Bilogy, 2005,50(2):301-322.

[4] 高麗,楊浩,周建民,等.滇池沉積物磷內(nèi)負(fù)荷及其對(duì)水體貢獻(xiàn)的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(5):776-781.

[5] 曾露,葛繼穩(wěn),王自業(yè),等.古夫河上覆水和表層沉積物中總氮和總磷空間分布特征及其相關(guān)性[J].安全與環(huán)境工程,2014,21(4):38-43.

[6] Kemp W M, Sampou P, Caffrey J, et al. Ammonium recycling versus denitrification in Chesapeake Bay sediments[J]. Limnology and Oceanography, 1990,35(7):1545-1563.

[7] 陳超,鐘繼承,范成新,等.湖泊疏浚方式對(duì)內(nèi)源釋放影響的模擬研究[J].環(huán)境科學(xué),2013,34(10):3872-3878.

[8] Jeppesen E, S?ndergaard M, Jensen J P, et al. Lake responses to reduced nutrient loading：an analysis of contemporary long-term data from 35 case studies[J]. Freshwater Biology, 2005,50(10):1747-1771.

[9] 逄勇,顏潤(rùn)潤(rùn),余鐘波,等.風(fēng)浪作用下的底泥懸浮沉降及內(nèi)源釋放量研究[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(9):2456-2464.

[10] 潘延安,雷沛,張洪,等.重慶園博園龍景湖新建初期內(nèi)源氮磷分布特征及擴(kuò)散通量估算[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(5):1727-1734.

[11] 岳維忠,黃小平.珠江口柱狀沉積物中氮的形態(tài)分布特征及來(lái)源探討[J].環(huán)境科學(xué),2005,26(2):195-199.

[12] 蔣小欣,阮曉紅,邢雅囡,等.城市重污染河道上覆水氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及DO水平對(duì)底泥氮釋放的影響[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(1):87-91.

[13] 朱元容,張潤(rùn)宇,吳豐昌.滇池沉積物中氮的地球化學(xué)特征及其對(duì)水環(huán)境的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2011,31(6):978-983.

[14] Zhu G W, Qin B Q, Zhang L. Phosphorus forms and bioavailability of lake sediments in the middle and lower reaches of Yangtze River[J]. Science in China Series D,2009,49(1):28-37.

[15] 儲(chǔ)金宇,張金萍,周曉紅,等.鎮(zhèn)江市古運(yùn)河河岸沉積物重金屬分布特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境化學(xué),2015,34(4):763-771.

[16] 周曉紅,李義敏,周藝,等.鎮(zhèn)江老城區(qū)古運(yùn)河沉積物氮及有機(jī)質(zhì)垂向分布及污染評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(6):2148-2152.

[17] 黃玉潔,張勇,張銀龍,等.太湖百瀆港濕地植物群落沉積物中碳、氮的空間變化研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2015,40(3):140-145.

[18] 李輝,潘學(xué)軍,史麗瓊,等.湖泊內(nèi)源氮磷污染分析方法及特征研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué),2011,30(1):281-291.

[19] 盧少勇,遠(yuǎn)野,金相燦,等.7條環(huán)太湖河流沉積物氮含量沿程分布規(guī)律[J].環(huán)境科學(xué),2012,33(5):1497-1502.

[20] 吳豐昌,金相燦,張潤(rùn)宇,等.論有機(jī)氮磷在湖泊水環(huán)境中的作用和重要性[J].湖泊科學(xué),2010,22(1):1-7.

[21] 馬久遠(yuǎn),王國(guó)祥,李振國(guó),等.太滆南運(yùn)河入湖河口沉積物氮素分布特征[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(2):577-584.

[22] 于宇,宋金明,李學(xué)剛,等.沉積物生源要素對(duì)水體生態(tài)環(huán)境變化的指示意義[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(5):1623-1632.

[23] 趙力,蔣慧,董艷,等.南通市區(qū)河流底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染特征及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2014,30(4):16-20.

[24] 王雨春,萬(wàn)國(guó)江,尹澄清,等.紅楓湖、百花湖沉積物全氮、可交換太氮和固定胺的賦存特征[J].環(huán)境科學(xué),2002,14(4):301-309.

[25] 尹延震,王苗.鄭釗.洱海湖濱帶底泥全氮、全磷及有機(jī)質(zhì)空間分布特征研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2014,39(7):40-44.

[26] 任凌霄,王沛芳,王超,等.望虞河表層沉積物中氮的分布與形態(tài)變化特征[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015,9(3):1201-1209.

[27] 張聞濤,邢奕,盧少勇,等.入洱海河流臨湖段底泥氮的分布[J].環(huán)境科學(xué)研究,2015,28(2):213-218.

[28] 鄧河霞,夏品華,陳文生,等.紅楓湖流域消落帶及其沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽含量的分布特征[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(12):27-33.

[29] 朱林,汪院生,鄧建才,等.長(zhǎng)蕩湖表層沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽空間分布與污染特征[J].水資源保護(hù),2015,31(6):135-140.

[30] 王梅,劉琰,鄭丙輝,等.城市內(nèi)河表層沉積物氮形態(tài)及影響因素:以許昌清潩河為例[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)2014,34(3):720-726.

[31] 奚旦立,孫裕生,劉秀英.環(huán)境監(jiān)測(cè)[M].3版.北京:高等教育出版社,2004.

[32] 范成新,楊龍?jiān)?張路.太湖底泥及其間隙水中氮磷垂直分布及相互關(guān)系分析[J].湖泊科學(xué),2000,12(4):359-367.

[33] 葛晨東,王穎, Pedersen T F,等.海南島萬(wàn)泉河口沉積物有機(jī)碳、氮同位素的特征及其環(huán)境意義[J].第四紀(jì)研究,2007,27(5):845-850.

[34] 劉霞.長(zhǎng)江口及其鄰近海域沉積物有機(jī)污染物的分布特征及對(duì)有機(jī)質(zhì)來(lái)源的指示意義[D].山東青島:中國(guó)海洋大學(xué),2012.

[35] 張生銀,李雙林,董賀平,等.南黃海北部表層沉積物中生物標(biāo)志的組成特征及其地球化學(xué)意義[J].海洋通報(bào),2012,31(2):198-206.

[36] 羅昭林,朱長(zhǎng)波,郭永堅(jiān),等.流沙灣表層沉積物中碳、氮、磷的分布特征和污染評(píng)價(jià)[J].南方水產(chǎn)科學(xué),2014,10(3):1-8.

[37] 甘樹(shù),盧少勇,秦普豐,等.太湖西岸湖濱帶沉積物氮磷有機(jī)質(zhì)分布及評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué),2012,33(9):3064-3070.

[38] 劉東艷,申旭紅,王玉玨,等.煙臺(tái)四十里灣表層沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源及環(huán)境意義[J].海洋學(xué)報(bào),2012,34(5):205-212.

[39] Prahl F G, Bennett J T, Carpenter R. The early diagenesis of aliphatic hydrocarbons and organic matter in sedimentary particulates from Dabob Bay, Washington[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1980,44(12):1967-1976.

[40] 王天陽(yáng),王國(guó)祥.昆承湖沉積物中重金屬及營(yíng)養(yǎng)元素的污染特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(1):51-58.

[41] 劉恩峰,沈吉,朱育新,等.太湖沉積物重金屬及營(yíng)養(yǎng)鹽污染研究[J].沉積學(xué)報(bào),2004,22(3):507-512.

[42] 張雷,鄭丙輝,田自強(qiáng),等.西太湖典型河口區(qū)湖濱帶表層沉積物營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006,29(5):4-9.

[43] Krishnamurthy R V, Bhattacharya S K, Kusumgar S. Palaeoclimatic changes deduced from13C/12C and C/N ratios of Karewa Lake sediments, India [J]. Nature, 1986,323(11):150-152.

[44] 王蘇民,馮敏.內(nèi)蒙古岱海湖泊環(huán)境變化與東南季風(fēng)強(qiáng)弱的關(guān)系[J].中國(guó)科學(xué)B輯,1991(7):759-768.

DistributionCharacteristicsofNitrogenandOrganicMatterinRiversideSurfaceSedimentsoftheAncientCanalinZhenjiangCity

ZHOU Yiwen, ZHOU Xiaohong, REN Qiqi, LI Yimin, LIN Zhijun, FENG Deyou, HAN Xu

(SchooloftheEnvironmentandSafetyEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China)

nitrogen; organic matter; distribution characteristics; riverside sediments; ancient canal

X522

A

1005-3409(2017)06-0313-06

2016-09-01

2016-11-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(51109097);中國(guó)博士后科學(xué)基金第五批特別資助項(xiàng)目(2012T50464)

周裔文(1991—),男,安徽宿松縣人，碩士研究生,研究方向:水環(huán)境生態(tài)修復(fù)。E-mail:ahzhoull@hotmail.com

周曉紅(1981—),女,陜西鳳翔人,副教授,博士,主要從事退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)方面的研究。E-mail:xhzhou0214@163.com