朱曉聲,郭小娟,王耀耀,何金艷,楊正健*,紀(jì)道斌,馬 駿,劉德富

梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)怒江與瀾滄江沉積物氮形態(tài)分布的影響

朱曉聲1,郭小娟1,王耀耀1,何金艷1,楊正健1*,紀(jì)道斌1,馬 駿2,劉德富2

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002；2.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,河湖生態(tài)修復(fù)與藻類(lèi)利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430068)

為探究梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)沉積物氮形態(tài)分布的影響,通過(guò)分級(jí)浸取方法得到沉積物的離子交換態(tài)氮(IEF-N)、弱酸提取態(tài)氮(WAEF-N)、強(qiáng)堿提取態(tài)氮(SAEF-N)以及強(qiáng)氧化劑提取態(tài)氮(SOEF-N),對(duì)比研究了有梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)的瀾滄江和干流無(wú)水電站建設(shè)的怒江沉積物中氮形態(tài)的分布特征,分析了可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的主要影響因素.結(jié)果表明,兩條流域沉積物賦存環(huán)境存在差異,進(jìn)而使沉積物的理化性質(zhì)呈現(xiàn)明顯的差異,最終導(dǎo)致沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的含量及空間分布也不同,瀾滄江沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的含量高于怒江,且瀾滄江的空間變化也大于怒江,怒江IEF-N、WAEF-N、SAEF-N與SOEF-N含量范圍分別為1.56~2.55,16.91~46.42,1.83~10.66,486.61~719.27mg/kg,瀾滄江IEF-N、WAEF-N、SAEF-N與SOEF-N含量范圍分別為1.55~14.35,20.77~83.08,1.36~92.15, 562.61~1404.82mg/kg.兩條河流的可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量大小排列順序一致,均為SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N,怒江與瀾滄江上游自然河段可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量及空間分布基本一致,但在瀾滄江的梯級(jí)水庫(kù)段上,4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮空間分布特征發(fā)生了較明顯的變化,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是水庫(kù)的建設(shè)導(dǎo)致了沉積物理化性質(zhì)的改變,總有機(jī)碳、粒度、氧化還原電位對(duì)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的影響不同.

梯級(jí)水庫(kù)；沉積物；氮形態(tài)；怒江；瀾滄江

作為水體營(yíng)養(yǎng)鹽的蓄積庫(kù),沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽可以通過(guò)擴(kuò)散對(duì)流以及沉積物再懸浮等過(guò)程向上覆水體釋放,造成水體的二次污染[1-3].沉積物中的氮素可以分為可轉(zhuǎn)化態(tài)氮和非轉(zhuǎn)化態(tài)氮兩大類(lèi),其中非轉(zhuǎn)化態(tài)氮短期內(nèi)不再參與循環(huán)[4],而可轉(zhuǎn)化態(tài)氮是氮素中活躍的部分,能夠積極地參與到氮循環(huán)中[5].不同形態(tài)的氮參與生物地球化學(xué)循環(huán)的作用不同[6],對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)亦不同,僅研究氮的總量難以判斷氮素對(duì)水環(huán)境的影響[7-8].沉積物氮的賦存形態(tài)表明了不同形態(tài)氮與沉積物的結(jié)合能力的強(qiáng)弱[9],同時(shí)也體現(xiàn)了釋放能力的不同[10],進(jìn)而對(duì)水體構(gòu)成的潛在威脅程度也不同,另外,沉積物中氮的賦存形態(tài)和含量水平反映了沉積物中氮的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,因此對(duì)沉積物中氮賦存形態(tài)的研究有利于內(nèi)源負(fù)荷的解析和控制[11].

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于沉積物氮形態(tài)已經(jīng)做了很多研究[12-13],但主要集中在海洋與湖泊中,對(duì)于瀾滄江這種既擁有梯級(jí)水庫(kù)又有自然河段的河流尚缺乏研究,本文選取中國(guó)西南的大型河流—瀾滄江與怒江2條河流,其中瀾滄江上游為自然河道,中下游目前已建成8座梯級(jí)水庫(kù),而怒江是中國(guó)目前唯一沒(méi)有大型水利工程的自然河流,用這2條河流來(lái)對(duì)比研究十分具有代表性.本研究采用氮的分級(jí)浸取分離法[14],依據(jù)氮與沉積物的結(jié)合強(qiáng)度,將可轉(zhuǎn)化態(tài)氮分為4種形態(tài):離子交換態(tài)氮(IEF-N)、弱酸提取態(tài)氮(WAEF-N)、強(qiáng)堿提取氮(SAEF-N)和強(qiáng)氧化劑提取態(tài)氮(SOEF-N),進(jìn)而來(lái)研究2條河流沉積物中的氮形態(tài)分布,2條河流的流動(dòng)形式有很大差別,對(duì)比研究2條河流的氮形態(tài)沿程分布與含量,闡述出梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)對(duì)于沉積物氮形態(tài)的影響,并分析2條河流沉積物部分環(huán)境因子的特征和氮形態(tài)的差異,以期為梯級(jí)水庫(kù)沉積物氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為瀾滄江與怒江富營(yíng)養(yǎng)化防治提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點(diǎn)設(shè)置

瀾滄江源出青海省玉樹(shù)藏族自治州雜多縣西北的吉富山,流經(jīng)青海、西藏和云南三省,在云南省西雙版納傣族自治州勐臘縣出境成為老撾和緬甸的界河,后始稱(chēng)湄公河.怒江發(fā)源于青藏高原的唐古拉山南麓的吉熱拍格.深入青藏高原內(nèi)部,是中國(guó)目前唯一沒(méi)有在干流上建造大型水電站的河流.本文選取的研究區(qū)域是瀾滄江上游鹽井?dāng)嗝嬷料掠巫詈笠患?jí)梯級(jí)水庫(kù)斷面景洪,怒江選取的是從中游斷面丙中洛至出境斷面碧寨,共計(jì)25個(gè)采樣點(diǎn)位,如表1所示,樣點(diǎn)的布設(shè)基本覆蓋了瀾滄江與怒江的主要流域,自然河道每隔50~100km布設(shè)一個(gè)樣點(diǎn),水庫(kù)段內(nèi)在每個(gè)水庫(kù)的壩上布設(shè)一個(gè)點(diǎn)位,其具體的位置見(jiàn)圖1.

表1 采樣點(diǎn)特征統(tǒng)計(jì)表

圖1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)站位示意

1.2 樣品采集與測(cè)試方法

于2018年1月對(duì)所有樣點(diǎn)沉積物進(jìn)行樣品采集,其中自然河段沉積物用鐵鏟采取,水庫(kù)段樣點(diǎn)采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所研發(fā)的柱狀采泥器(60×1000mm)采集庫(kù)底上層20cm沉積物,并在現(xiàn)場(chǎng)去除動(dòng)植物殘?bào)w以及雜物,裝入聚乙烯自封袋密封,恒溫箱-4℃保存,土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后,冷凍干燥、研磨、過(guò)100目篩,備用.

氧化還原電位(h)由中科院南京土壤研究所研發(fā)的QX-6530便捷式氧化還原電位儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定.沉積物總有機(jī)碳(TOC)采用意大利的EA300元素分析儀,方法為flash燃燒技術(shù),實(shí)驗(yàn)時(shí)取10g經(jīng)真空冷凍干燥過(guò)的底泥樣品上機(jī)檢測(cè).沉積物粒度采用激光粒度分析,將沉積物過(guò)氧化氫去除有機(jī)質(zhì),純水洗凈.再采用歐美克公司的TopSizer激光粒度分析儀進(jìn)行分析.儀器測(cè)量范圍為0.02~2000μm(濕法),準(zhǔn)確性誤差:￡±1%(標(biāo)樣50偏差),重復(fù)性誤差:￡0.5%(標(biāo)樣50偏差).

沉積物氮形態(tài)采用改進(jìn)的Ruttenberg分級(jí)連續(xù)浸取分離法進(jìn)行提取[15-16],此法分別使用KCL、HAc-NaAc、NaOH及K2S2O8依次對(duì)樣品進(jìn)行浸提,分別取上層清液測(cè)定氨氮和硝態(tài)氮含量,得到可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)的4種形態(tài),分別為IEF-N、WAEF-N、SAEF-N和SOEF-N,硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定;氨氮濃度采用納氏試劑法測(cè)定[17],分級(jí)浸取方法示意見(jiàn)圖2.

圖2 沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮分級(jí)浸取示意

2 結(jié)果與分析

2.1 瀾滄江沉積物氮形態(tài)沿程分布特征

(a) 瀾滄江與怒江可轉(zhuǎn)化態(tài)氮分布 (b)瀾滄江與怒江可轉(zhuǎn)化態(tài)氮百分比 (c)瀾滄江與怒江氮形態(tài)硝氮與氨氮分布柱狀圖對(duì)應(yīng)左側(cè)縱標(biāo)目;折線圖對(duì)應(yīng)右側(cè)縱標(biāo)目

瀾滄江沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮分布特征如圖3所示, 4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量大小表現(xiàn)為SOEF-N>WAEF- N>SAEF-N>IEF-N.這與趙海超在洱海沉積物中的研究一致[18].其中IEF-N是與沉積物結(jié)合能力最弱的吸附態(tài)氮,是沉積物中最活躍的部分[19].在瀾滄江沉積物中IEF-N含量最低,為1.55~14.35mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的0.13%~1.04%.且IEF-N在瀾滄江所有點(diǎn)位的沉積物中含量均很小,沿程上呈逐漸增加的趨勢(shì),在水庫(kù)段中,IEF-N以NH4+-N占主導(dǎo)地位. WAEF-N反映的是碳酸鹽結(jié)合態(tài)氮.瀾滄江沉積物中WAEF-N含量為20.77~83.08mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的1.50%~7.14%,比IEF-N的含量稍高,從自然河道到水庫(kù)段變化趨勢(shì)為減小,其中NO3--N在WAEF-N中占主導(dǎo)地位. SAEF-N是指對(duì)氧化還原環(huán)境敏感的與鐵錳氧化物結(jié)合的氮,在瀾滄江沉積物中含量為1.36~92.15mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的0.14%~6.67%.SAEF-N含量與IEF-N含量相近,均很低,沿程從自然河段到梯級(jí)水庫(kù)段呈減小的趨勢(shì). SOEF-N是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的優(yōu)勢(shì)形態(tài),主要是指與有機(jī)質(zhì)和硫化物結(jié)合的氮,其釋放能力在4種氮形態(tài)中最弱.在瀾滄江沉積物中含量為562.61~ 1404.82mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的90.72%~95.43%,從自然河道段到水庫(kù)段沿程含量呈減小的趨勢(shì),從已有研究來(lái)看,三峽入庫(kù)河流大寧河回水區(qū)域消落帶土壤[16]與龍景湖[20]等可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中的優(yōu)勢(shì)形態(tài)也均為SOEF-N.總可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)的含量范圍為610.82~1548.54mg/kg.自然河段含量較低,梯級(jí)水庫(kù)段含量較高,沿程呈增大的趨勢(shì).

2.2 怒江沉積物氮形態(tài)沿程分布特征

如圖3所示.怒江河段均為自然河道,其4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量大小表現(xiàn)為SOEF-N>WAEF-N> SAEF-N>IEF-N,與瀾滄江一致.IEF-N含量最低,為1.56~2.55mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的0.24%~0.38%,沿程含量趨于穩(wěn)定,NO3--N在IEF-N中占主導(dǎo)地位. WAEF-N含量為16.91~46.42mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的3.13%~6.99%,比IEF-N的含量高.沿程變化趨勢(shì)為小幅度的增大隨后又減小,NO3--N在WAEF-N中占主導(dǎo)地位.怒江沉積物SAEF-N含量為1.83~ 10.66mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的0.26%~1.96%.SAEF-N含量與IEF-N含量相近,沿程含量呈減小的趨勢(shì).SOEF-N是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的優(yōu)勢(shì)形態(tài),主要是有機(jī)形態(tài)的氮.怒江沉積物中SOEF-N的含量為486.61~ 719.27mg/kg,占可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的91.66%~96.37%,是四種可轉(zhuǎn)化氮形態(tài)中含量最高的一種存在方式,沿程變化趨勢(shì)不明顯.TTN的含量為523.72~763.78mg/ kg,相比于瀾滄江水庫(kù)段含量較低.

2.3 瀾滄江與怒江沉積物環(huán)境特征分析

2.3.1 總有機(jī)碳(TOC)與氧化還原點(diǎn)位(h) TOC是以碳的含量表示沉積物中有機(jī)物值總量的綜合指標(biāo),如表2所示,怒江的TOC含量在17.40~19.74g/kg范圍內(nèi),沿程變化趨勢(shì)不明顯,處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài).瀾滄江沿程的TOC含量波動(dòng)相對(duì)怒江來(lái)說(shuō)則較明顯,其含量在10.28~81.63g/kg變化,在上游自然段含量變化與怒江相似,波動(dòng)不大,但在水庫(kù)段波動(dòng)較大,其中MVBS的含量達(dá)到81.63g/kg,為全流域含量最高的點(diǎn)位.Eh可以表征沉積物的氧化還原環(huán)境,怒江的Eh值在278~600mV范圍內(nèi)變化,是處于弱氧化與氧化狀態(tài),而瀾滄江的Eh值在-208~277mV范圍內(nèi)變化,其中自然河道點(diǎn)位從JL到BJX是處于弱氧化狀態(tài),下游其他點(diǎn)位均處于弱還原與還原狀態(tài).怒江、瀾滄江自然河道與瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)段的氧化還原狀態(tài)形成了鮮明的對(duì)比,怒江與瀾滄江自然河道水深較淺,水體含氧量較高,沉積物趨于氧化環(huán)境,而梯級(jí)水庫(kù)段水深較大,水庫(kù)底部含氧量較少,沉積物趨于還原狀態(tài)[21],這說(shuō)明在怒江與瀾滄江由于水庫(kù)的建設(shè)導(dǎo)致了沉積物氧化還原環(huán)境的變化.

表2 怒江與瀾滄江沉積物TOC與Eh含量

表3 瀾滄江粒徑分級(jí)(%)

2.3.2 粒徑 從表3數(shù)據(jù)來(lái)看,瀾滄江沉積物顆粒組成主要以粉砂、黏土、中砂、細(xì)砂、極細(xì)砂為主,平均含量分別為49.94%、15.58%、12.59%、11.84%、10.44%.根據(jù)沉積物粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22],<63μm為粉砂級(jí),因此,以63μm為界,>63μm為粗顆粒,<63μm為細(xì)顆粒.按照此標(biāo)準(zhǔn),瀾滄江沉積物中細(xì)顆粒平均含量為65.51%,粗顆粒平均含量為34.49%,顆粒組成以細(xì)顆粒為主.同時(shí)從上游自然河段到水庫(kù)段沉積物顆粒主要組成由粗顆粒逐漸變?yōu)榧?xì)顆粒.表4為怒江沉積物粒徑特征,其顆粒組成主要以細(xì)砂、中砂、極細(xì)砂、粉砂為主,其平均含量分別為34.82%、24.32%、21.31%、12.53%,按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),怒江沉積物中細(xì)顆粒平均含量為13.87%,粗顆粒的平均含量為86.13%,在怒江沿程整個(gè)流域上,顆粒組成基本以粗顆粒為主.

表4 怒江粒徑分級(jí)(%)

3 討論

3.1 自然河流與水庫(kù)沉積物氮形態(tài)差異分析

瀾滄江和怒江均是國(guó)際型河流,不同的是怒江是一條純自然河流,是中國(guó)唯一沒(méi)有修建大型水庫(kù)的一條河流,而瀾滄江上游為自然河道,下游段存在梯級(jí)水庫(kù).兩條河流流動(dòng)方式的不同也導(dǎo)致了沉積物氮形態(tài)含量與分布的不同.怒江和瀾滄江上游為自然河道,在4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的含量以及沿程的變化上均有相同之處,首先在含量上,兩條河流自然段沉積物的4種可轉(zhuǎn)化態(tài)含量大小均表現(xiàn)為SOEF- N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N,IEF-N、WAEF-N與SAEF-N的含量在兩條河流上均十分相似,SOEF-N的含量除在少數(shù)點(diǎn)位不一致,其他點(diǎn)位的含量基本都處于一個(gè)相同的水平,范圍均在700mg/kg左右,經(jīng)過(guò)單因素方差分析表明,怒江與瀾滄江自然河道的IEF-N、SAEF-N、SOEF-N、TTN的含量無(wú)顯著性差異(表5),只有WAEF-N的含量存在顯著性差異(=0.003).在氮形態(tài)的分布上,2條河流自然段沉積物四種氮形態(tài)的變化趨勢(shì)一致,IEF-N、SAEF-N在沿程上占TTN的比例處于穩(wěn)定的狀態(tài),而WAEF-N在逐漸減小,SOEF-N在逐漸增大.瀾滄江上游自然河段與下游的梯級(jí)水庫(kù)段沉積物氮形態(tài)含量與分布特征存在差異,與兩條河流自然段的變化不一致.首先,水庫(kù)段沉積物的四種可轉(zhuǎn)化態(tài)含量大小表現(xiàn)為:SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N,與自然河段是一致的.但水庫(kù)段的IEF-N、SAEF-N與SOEF-N的含量在沿程上逐漸增大,WAEF-N的含量沿程持續(xù)減小.在占TTN比例上,水庫(kù)段的SOEF-N與WAEF-N的比例減小,IEF-N、SAEF-N的比例逐漸增大,這與上游自然段存在比較大的差異.通過(guò)單因素方差分析,只有瀾滄江水庫(kù)段與其上游自然河流的WAEF-N含量和瀾滄江水庫(kù)段與怒江的SAEF-N含量無(wú)顯著性差異,在其他的水庫(kù)段與自然河道氮形態(tài)含量的比較上,均表現(xiàn)為顯著性差異.這說(shuō)明沉積物氮形態(tài)的分布特征在自然河流與有梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)河流存在很大差異.

表5 怒江與瀾滄江氮形態(tài)含量單因素方差分析

注:*表示在0.05水平下存在顯著性差異.

3.2 水庫(kù)建設(shè)對(duì)沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的作用機(jī)制

IEF-N在沉積物氮循環(huán)中占有重要地位,是所有可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中最易參與循環(huán)的形態(tài),溫度、鹽度、pH值、溶解氧、有機(jī)質(zhì)的含量及生物擾動(dòng)作用都會(huì)影響IEF-N的含量及釋放,它除與上述因子呈一定的相關(guān)性之外,還與沉積物本身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及粒度都有著直接的關(guān)系[23].怒江與瀾滄江自然河道段的IEF-N含量變化不大,而瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)段IEF-N的含量沿程有所增大,這是由于瀾滄江水庫(kù)段有機(jī)質(zhì)含量較高.高有機(jī)質(zhì)的沉積物吸附點(diǎn)位多,可以吸附給更多的離子交換態(tài)氮[24],因此水庫(kù)段的IEF-N高于自然河流的含量.并且IEF-N中增加的部分是以NH4+-N為主導(dǎo)地位,這是由于水庫(kù)段發(fā)生礦化作用,產(chǎn)生了NH4+-N,從而附著于沉積物上,同時(shí)水庫(kù)段沉積物處于厭氧環(huán)境,更利于NH4+-N的存在.怒江與瀾滄江自然河段水流流速較大,IEF-N又十分不穩(wěn)定,所以經(jīng)過(guò)沖刷,其含量會(huì)比較低,而瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)段水深較大,擾動(dòng)較小,其含量也會(huì)相應(yīng)升高.從表6可以看出,瀾滄江IEF-N與沉積物黏粒、粉粒呈正相關(guān),但未達(dá)到顯著正相關(guān),說(shuō)明隨著沉積物黏粒與粉粒含量的增加,一定程度上會(huì)導(dǎo)致IEF-N的含量增加.

WAEF-N這種形態(tài)的氮在酸性條件下易向水體釋放[25],其釋放能力稍低于離子交換態(tài)[21].對(duì)于WAEF-N的含量及分布也受pH值、沉積環(huán)境以及粒徑組成等多種因素的影響[26],尤其是受到沉積物碳酸鹽含量以及有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程中的pH值變化影響較大[27].WAEF-N與碳酸鈣含量呈負(fù)相關(guān);同時(shí)有機(jī)碳含量越高,有機(jī)碳礦化作用越強(qiáng),在礦化過(guò)程中,pH值會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致碳酸鹽沉淀或溶解,此過(guò)程氨氮和硝態(tài)氮會(huì)與碳酸鹽結(jié)合,形成的WAEF-N含量就越高.當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量較低時(shí),礦化作用較弱, pH值變化較小,不易發(fā)生碳酸鹽溶解或沉淀,這時(shí)WAEF-N含量會(huì)減小.在怒江與瀾滄江沉積物中, WAEF-N是無(wú)機(jī)氮中的優(yōu)勢(shì)形態(tài),從表6可知,瀾滄江WAEF-N與TOC呈顯著正相關(guān)(<0.05),說(shuō)明TOC是影響WAEF-N含量的主要因素之一, WAEF-N沿程在逐漸減少,可能是由于怒江與瀾滄江碳酸鹽含量較高,有機(jī)碳含量變幅不大,礦化作用不強(qiáng),pH值沿程變化很小,所以在沿程上WAEF-N的含量與相對(duì)含量呈一個(gè)減少的趨勢(shì).

SAEF-N主要是鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)氮,因此它的形成與分布主要由沉積物的氧化還原環(huán)境控制[28].而沉積物氧化還原環(huán)境又受到ORP、有機(jī)質(zhì)含量、溶解氧含量、pH值、微生物活動(dòng)等影響[29].因此,沉積物SAEF-N的含量較不穩(wěn)定.有研究認(rèn)為,隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加,會(huì)因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)綁定點(diǎn)位的增加而導(dǎo)致沉積物SAEF-N含量降低[30],并且當(dāng)環(huán)境處于還原狀態(tài)時(shí),這類(lèi)形態(tài)的氮容易釋放出來(lái),在氧化環(huán)境下容易保存[31].怒江與瀾滄江自然河道沉積物SAEF-N含量變化幅度較小,同時(shí)沉積物理化特征變化也較小,少數(shù)點(diǎn)位SAEF-N含量較高可能是由于人類(lèi)活動(dòng)影響而至.瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)段SAEF-N與黏粒為顯著正相關(guān),與ORP成極顯著負(fù)相關(guān).梯級(jí)水庫(kù)段沉積物黏粒含量增大,其比表面積變大,可以吸附的SAEF-N的量就越多,因此SAEF-N的量會(huì)增大.同時(shí)從GGQ點(diǎn)位到JH點(diǎn)位之間TOC含量減小,此時(shí)綁定點(diǎn)位競(jìng)爭(zhēng)減弱從而使SAEF-N的含量增加,在水庫(kù)段沉積物是處于弱還原與還原狀態(tài),理論上SAEF-N是更容易被釋放出來(lái),但SAEF-N的含量卻在增加,可能是由于粒度、有機(jī)質(zhì)以及其它因素共同影響了其空間分布.

SOEF-N是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的優(yōu)勢(shì)形態(tài),主要是有機(jī)形態(tài)的氮.其釋放能力在4種氮形態(tài)中最弱[32]. SOEF-N的分布與沉積物來(lái)源、有機(jī)質(zhì)含量、沉積物的粒度、有機(jī)質(zhì)向沉積物的輸送速度、沉積速率及沉積物的氧化還原環(huán)境等有關(guān).SOEF-N較穩(wěn)定,在一般的水力條件下很難向水體中釋放,在短期內(nèi)對(duì)環(huán)境的危害程度有限,但是當(dāng)水環(huán)境發(fā)生變化,例如微生物活性增強(qiáng)等,SOEF-N會(huì)向水體釋放造成水體氮污染[33].在兩條河流中,SOEF-N是所有氮形態(tài)中優(yōu)勢(shì)形態(tài),怒江與瀾滄江上游自然河段SOEF-N含量相對(duì)于瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)段來(lái)說(shuō)較低,含量大致在700mg/kg變化,而水庫(kù)段的SOEF-N含量明顯增加,含量均在1000mg/kg以上.這是由于水庫(kù)段相對(duì)于自然河流來(lái)說(shuō),其水流速度變緩,水深增大,導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量增加,同時(shí)水庫(kù)段沉積物粒度減小,從已有研究可知,細(xì)粒級(jí)顆粒容易吸附有機(jī)質(zhì)[22],相應(yīng)的SOSF-N含量也越高.此外瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)大部分建庫(kù)時(shí)間短,有機(jī)質(zhì)沉積時(shí)間不長(zhǎng),并且水庫(kù)段沉積物顆粒較細(xì),易形成厭氧的環(huán)境,從而有機(jī)物礦化作用不強(qiáng),有利于有機(jī)質(zhì)的保存[4],這些原因?qū)е耂OEF-N成為4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的優(yōu)勢(shì)形態(tài).其中JL點(diǎn)位為瀾滄江自然河道點(diǎn)位,其SOEF-N含量也較高[34-35],和水庫(kù)的含量相當(dāng),可能是由于該樣點(diǎn)位于梯級(jí)水庫(kù)段的起始位置,受到了水庫(kù)的影響,導(dǎo)致其含量增加.

表6 沉積物中氮形態(tài)與其理化特征的相關(guān)性

注:* 表示在0.05水平下顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn)) ** 表示在0.01水平下顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn)).

一般來(lái)說(shuō),各形態(tài)氮釋放的順序與其和沉積物結(jié)合的牢固程度是一致的,結(jié)合越松弛,越容易釋放,即釋放順序?yàn)镮EF-N→WAEF-N→SAEF-N→ SOEF-N.但是它們對(duì)界面交換的貢獻(xiàn)大小隨時(shí)間尺度大小發(fā)生變化,當(dāng)時(shí)間尺度大到足以使4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮完全釋放時(shí),其貢獻(xiàn)的大小與各形態(tài)氮的量是一致的,即4個(gè)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中,含量最大的形態(tài)對(duì)氮循環(huán)的貢獻(xiàn)最大.因此結(jié)合此次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),怒江與瀾滄江沉積物氮形態(tài)對(duì)氮循環(huán)的貢獻(xiàn)的順序從大到小一次為:SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N.其中SOEF-N是絕對(duì)優(yōu)勢(shì)形態(tài),占比在90%以上,同時(shí)SOEF-N是4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮中最穩(wěn)定的,說(shuō)明瀾滄江水庫(kù)段沉積物的可轉(zhuǎn)化態(tài)氮不會(huì)輕易的釋放到水體中.

4 結(jié)論

4.1 怒江與瀾滄江沉積物理化性質(zhì)存在明顯差異,兩條河流自然河段TOC含量相似;怒江沉積物整體處于弱氧化與氧化狀態(tài),瀾滄江自然河段主要處于弱氧化狀態(tài),梯級(jí)水庫(kù)段則處于弱還原與還原狀態(tài);怒江與瀾滄江沉積物自然河段以粗顆粒為主,梯級(jí)水庫(kù)段以細(xì)顆粒為主.

4.2 怒江與瀾滄江可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量大小順序均為:SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N,怒江與瀾滄江自然河段可轉(zhuǎn)化態(tài)氮在含量與分布規(guī)律上基本一致,但在瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)段,其分布規(guī)律與自然河段存在較大差異,其中在自然河段,IEF-N、SAEF-N、SOEF-N含量穩(wěn)定,在梯級(jí)水庫(kù)段,IEF-N、SAEF-N、SOEF-N含量都出現(xiàn)了不同程度的增大,WAEF-N含量則都呈減少的趨勢(shì).

4.3 梯級(jí)水庫(kù)段與自然河段氮形態(tài)含量產(chǎn)生差異的主要原因是水庫(kù)的建設(shè)改變了沉積物的賦存環(huán)境,使沉積物理化特征發(fā)生了變化,進(jìn)而影響了可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的分布,其中粒徑、總有機(jī)碳、氧化還原電位對(duì)4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮均有不同程度的影響.

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Effect of cascade reservoir construction on nitrogen distribution in sediments of Nujiang River and Lancang River.

ZHU Xiao-sheng1, GUO Xiao-juan1, WANG Yao-yao1, HE Jin-yan1, YANG Zheng-jian1*, JI Dao-bin1, MA Jun2, LIU De-fu2

(1.College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.Hubei Key Laboratory of Ecological Restoration of River-lakes and Algal Utilization, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)., 2019,39(7)：2990~2998

In order to investigate the effect of cascade reservoir construction on the distribution of nitrogen forms in sediments, the ion exchangeable nitrogen (IEF-N), the weak acid extractable nitrogen (WAEF-N), the strong alkaline extractable nitrogen (SAEF-N) and the strong oxidant extractable nitrogen (SOEF-N) of sediments were obtained by the sequential extraction method, and were compared to study the distribution characteristics of nitrogen forms in the sediments of Lancang River with cascade reservoir construction and Nujiang River with no hydropower station in the main stream. The main influencing factors of convertible nitrogen were analyzed. The results showed that there were differences in the occurrence environment of sediments between the two basins, and the physical and chemical properties of sediments were obviously different, and the content and spatial distribution of converted nitrogen in sediments were also different. The content of transformed nitrogen in the sediments of Lancang River were greater than that of Nujiang River, and the spatial variation of Lancang River were also greater than that of Nujiang River. The contents of IEF-N, WAEF-N, SAEF-N and SOEF-N in Nujiang River were 1.56~2.55mg/kg and 16.91~46.42mg/kg, respectively. The contents of IEF-N, WAEF-N, SAEF-N and SOEF-N in Lancang River were 1.55~14.35mg/kg, 20.77~83.08mg/kg, 1.36~92.15mg/kg and 562.61~1404.82mg/kg, respectively, and the contents of Lanchang River were 1.55~14.35mg/kg, 1.36~92.15mg/kg, 562.61~1404.82mg/kg, 20.77~8.08mg/kg, 1.36~92.15mg/kg and 562.61~1404.82mg/kg, respectively. The order of convertible nitrogen content between the two rivers were the same, which were SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N, Nujiang River and the upper reached of Lancang River. The content and spatial distribution of convertible nitrogen were basically the same, but on the cascade reservoir section of Lancang River, The spatial distribution characteristics of four kinds of converted nitrogen have changed obviously. The main reason for this phenomenon was that the construction of reservoir leads to the change of physical and chemical properties of sediments, total organic carbon and particle size. The effect of redox potential on convertible nitrogen were different.

cascade reservoir；sediment；Nitrogen form；Nujiang River；Lancang River

X524

A

1000-6923(2019)07-2990-09

朱曉聲(1995-),男,湖北宜昌人,三峽大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水利.

2018-12-12

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0402204);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51879099,91647207,51709096)

* 責(zé)任作者, 副教授, 656637841@qq.com