滇池表层沉积物中氨氮的释放特征

为研究滇池内源污染特征,于2013年在滇池全湖布设36个采样点,采集表层沉积物样品,并对沉积物中w(NH₄+-N)的分布及NH₄+-N释放动力学特征进行研究. 结果显示:滇池表层沉积物中w(NH₄+-N)为155.8～667.8 mg/kg,平均值为333.7 mg/kg,湖心区域最高. 0~5 min内NH₄+-N释放速率最大,可达到3.34～42.31 mg/(kg·min); 5 min后NH₄+-N释放速率逐渐降低,并在120 min左右基本达到释放平衡. 沉积物中NH₄+-N的释放潜能为17 147～34 163 mg/kg,NH₄+-N释放量随着水土质量比的增加而增大;滇池大部分区域NH₄+-N的释放潜能相对较高,特别是在草海北部以及外海盘龙江河口处. 滇池沉积物中NH₄+-N释放速率、释放潜能均高于长江中下游湖泊沉积物;与同为高原湖泊的洱海相比,其沉积物中NH₄+-N释放速率基本相当,但是NH₄+-N释放潜能却远高于洱海,表明滇池表层沉积物中NH₄+-N具有非常高的释放风险.      

洞庭湖沉积物不同形态氮赋存特征及其释放风险

为了揭示湖泊沉积物中氮的空间分布特征及其释放风险,采用连续分级提取法研究了洞庭湖表层沉积物中EN(可交换态氮)、HN(酸解态氮)及NHN(非酸解态氮)的赋存特征;同时,结合BN(生物可利用态氮)的含量和释放通量的大小,探讨了各形态氮对BN的贡献及与释放通量的相关关系. 结果表明,受水动力和湖盆地形的影响,沉积物中各形态氮含量空间差异较大. 全湖w(TN)在735.91~2846.51mg/kg之间,平均值为1371.85mg/kg,东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、洞庭湖出口w(TN)的平均值分别为1513.43、1173.14、1262.76和1363.31mg/kg. 从各形态氮含量占w(TN)的比例来看,w(HN)最高,平均占66.74%;其次是w(NHN),平均占21.46%;w(EN)最小,仅占11.80%. 东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、洞庭湖出口w(BN)的平均值分别为189.31、170.16、152.87和139.51mg/kg,其值大小主要受w(EN)和w(HN)的影响. 东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、洞庭湖出口沉积物中NH₄+-N释放通量的平均值分别为6.32、7.03、7.78和146.96mg/(m2·d),沉积物中NH₄+-N释放通量主要受EN控制,其中尤其受可交换态NH₄+-N的控制,而沉积物中的HN和TN尚不是影响沉积物氮释放的主要因素.      

巢湖重污染汇流湾区沉积物营养盐分布与释放风险

南淝河、十五里河等多条入湖河道的向心型分布使巢湖西北部湖区形成汇流湖湾,了解该水域沉积物中营养盐累积分布及其释放风险,对评估污染状况具有重要意义. 于该研究湾区设置17个采样点,对沉积物营养盐含量及形态分布进行了调查分析,并使用静态释放方法对沉积物营养盐释放风险进行了研究. 结果表明:研究湾区表层沉积物中w(TN)和w(TP)分别为1 399.3~3 739.4和607.9~1 602.3 mg/kg,均远高于巢湖沉积物中w(TN)、w(TP)的平均值;w(NH₄+-N)占w(TN)的5.62%~17.60%,16个采样点的w(Al-P)占w(TP)的50%以上,由此导致沉积物中NH₄+-N和PO₄3--P释放通量较大,分别达到14.27~128.24和0.07~13.00 mg/(m2·d),并且在各河口区域释放风险相对高于湾区其他区域;氮、磷含量垂向分析显示,营养盐污染累积始于20世纪50年代(沉积物深度为24 cm),自80年代到90年代后期营养盐积累速率急速加剧. 沉积物中高含量的氮、磷营养盐及NH₄+-N和PO₄3--P释放通量导致该研究湾区沉积物成为巢湖水体的潜在污染源,因此亟需进行以各河口区域为重点的营养盐污染整治.      

太湖沉积物及孔隙水中氮的时空分布特征

通过2009年4月和9月2次大规模采样监测,研究了太湖沉积物和孔隙水中不同形态氮的时空分布规律. 结果表明:太湖沉积物和孔隙水中不同形态的氮在垂向变化上没有明显的季节性差异. 沉积物中氮在水平分布上表现为w(TN),w(NH₄+-N)和w(NO₃－-N)在北部湖区和东部湖区较高,而在湖心区较低;在深度变化上,w(TN)从下往上逐渐增大,而w(NH₄＋-N)却呈相反的趋势,w(NO₃－-N)没有明显变化. 沉积物中w(有机氮)占w(TN)的80%,二者之间有很好的相关性(R=0.894,P<0.01),w(TN)主要受w(有机氮)影响. 孔隙水中的氮在水平分布上表现为ρ(TN),ρ(NH₄+-N)和ρ(NO₃--N)与沉积物中的氮分布基本一致;垂直变化上,孔隙水ρ(TN)和ρ(NH₄+-N)从下向上逐渐减小,而ρ(NO₃--N)无明显变化规律;孔隙水中ρ(NH₄+-N)占ρ(TN)的50%,二者之间也有很好的相关性(R=0.886,P<0.01),ρ(TN)主要受ρ(NH₄+-N)的影响. 分析显示,2种介质中3种形态的氮有很好的相关性. 对沉积物中不同类型的有机质和各形态氮的相关分析发现,沉积物中有机质的类型和含量是影响氮素迁移转化的重要因素.      

江湖关系变化对鄱阳湖沉积物氨氮释放风险的影响

选取了鄱阳湖北部湖区、“五河”入湖尾闾区、湖心区共14个不同高程的表层出露沉积物样品,通过研究其总氮(TN)含量和氨氮(NH4+-N)释放热力学及动力学特征,试图揭示江湖关系变化导致的水位变化对鄱阳湖沉积物氨氮释放风险的影响.结果表明,鄱阳湖沉积物TN含量在377～3875mg/kg之间;NH4+-N吸附/解吸平衡浓度(EC0)在1.49～2.99mg/L之间;单位沉积物NH4+-N的最大释放量在17.00~140.97mg/kg之间,NH4+-N释放主要集中在0~5min时段,占最大释放量的50.84%~73.34%,TN含量、EC0浓度、NH4+-N的最大释放量及初始释放速率均随沉积物所处高程的增高而增大,由此可见近年来由于长江来水量减少,鄱阳湖与长江之间江湖关系的改变,引起鄱阳湖枯水期提前及低枯水位持续时间增加,导致沉积物出露时间延长,进而促使沉积物TN含量、EC0浓度、单位沉积物NH4+-N最大释放量及0~5min时段NH4+-N释放速率升高,进而引起沉积物NH4+-N释放风险增大,是导致鄱阳湖水质恶化的重要机制之一.如果此江湖关系变化持续,枯水期低枯水位持续,势必引起沉积物出露面积进一步增大及出露时间的延长,最终可导致来年丰水期鄱阳湖沉积物NH4+-N释放风险增大.     

重庆缙云山4种典型林分土壤氮素动态变化

于2012年4—10月逐月月末采集重庆缙云山4种典型林分(常绿阔叶林、毛竹林、针阔混交林和针叶林)样地中不同深度(0~15、>15~30、>30~60 cm)的土壤样品,测定土壤中w(TN)、w(NH₄+-N)和w(NO₃--N),分析土壤氮素含量的分布特征,并探讨土壤理化性质对土壤氮素含量的影响. 结果表明:①不同林分土壤中氮素含量的垂直分布规律相一致,均表现为随土壤深度的增加而不断降低,并且w(NH₄+-N)>w(NO₃--N);②不同林分0~60 cm土壤平均氮密度表现为毛竹林(1.037 kg/m2)>针阔混交林(0.783 kg/m2)≈常绿阔叶林(0.778 kg/m2)>针叶林(0.747 kg/m2);③不同林分土壤中w(TN)的季节性变化规律不明显,而w(NH₄+-N)和w(NO₃--N)的季节性变化规律相似,均表现为春季<夏季<秋季;④不同林分土壤中w(TN)、w(NH₄+-N)和w(NO₃--N)与容重、w(SOC)均呈显著线性相关(P<0.05),而且与土壤其他养分含量之间也存在一定的相关性.      

2010年洱海全湖氮负荷时空分布特征

为探讨不同来源的氮负荷对洱海水体富营养化的贡献,对洱海入湖河流、干湿沉降和沉积物内源等来源的氮的负荷、形态及其时空变化特征进行了研究. 结果表明:与2008年相比,2010年洱海入湖TN负荷下降了28%. 入湖河流是TN负荷的主要来源,占总入湖负荷的37%;入湖河流TN负荷与ρ(TN)、ρ(Chla)呈极显著正相关;入湖河流TN负荷以NO₃--N为主,占39%. 入湖河流氮负荷季节性变化明显,7月最高;区域性差异较大,北部3条河流是主要来源,其中弥苴河入湖TN负荷占入湖河流TN负荷的57%. 沉积物内源TN负荷占总入湖负荷的29%,NH₄+-N负荷占内源TN负荷的98%,并且与水体ρ(Chla)呈显著正相关. 沉积物中TN和NO₃--N扩散通量北部湖区最高,NH₄+-N扩散通量南部湖区最高;TN扩散通量9月最高、12月最低. 干湿沉降入湖TN负荷以NH₄+-N为主,季节性变化明显,6月最高. 控制洱海外源入湖氮负荷,应以雨季之初为关键时期,以弥苴河及其流域为重点区域,兼顾坝区农业种植结构调控,同时应加强湖泊水体生态修复,控制内源释放.      

洱海沉积物中不同形态氮的时空分布特征

为揭示沉积物中氮形态变化的影响因素及其生态效应,对洱海表层沉积物中不同形态氮的空间分布和季节性变化特征进行了研究. 结果表明:洱海表层沉积物中w(TN)在2354～6174mg/kg之间,空间分布呈湖区北部＞南部＞中部的趋势;w(TTN) (TTN为可交换态氮)在1158～2921mg/kg之间,占w(TN)的43%,其分布趋势与w(TN)相同;各形态TTN表现为SOEF-N(强氧化剂可提取态氮,w为974～2515mg/kg)＞WAEF-N(弱酸可提取态氮,w为91～210mg/kg)＞SAEF-N(强碱可提取态氮,w为38～198mg/kg)＞IEF-N(离子交换态氮,w为66～130mg/kg),w(WAEF-N)和w(IEF-N)的分布趋势与w(TTN)相同,w(SAEF-N)中部较高,w(SOEF-N)南部较高. 沉积物中w(TN)和w(NTN)(NTN为非转化态氮)7月较高,TTN及其各形态氮质量分数1月较高. 不同形态氮质量分数随沉积物深度的增加均呈下降趋势,NTN的富集速率高于TN. 洱海沉积物中w(TN)高于长江中下游湖泊,表层TN富集明显. 沉积物氮释放风险较大,但其w(TTN)和w(IEF-N)占w(TN)的比例低于长江中下游湖泊,即洱海沉积物氮释放量小于长江中下游湖泊;洱海沉积物中各形态氮质量分数与w(TOM)均呈显著正相关,与水深呈负相关,显示有机态氮与有机质同步沉积且受外源输入影响较大,w(IEF-N)分布同时受水生植物等影响.      

洱海表层沉积物吸附磷特征

试验研究了洱海表层沉积物吸附磷动力学与等温吸附过程,探讨了总有机质与总钙对沉积物吸附磷参数的影响. 结果表明:①洱海表层沉积物对磷的吸附动力学过程均可分为2个阶段,即快速吸附阶段和慢速吸附阶段. 快速吸附阶段主要发生在0～0.5 h内,而慢速吸附阶段主要发生在0.5～5 h,所有沉积物均在5 h内基本达到吸附平衡. ②不同采样点沉积物对磷的Q_max(最大吸附容量,为904.60～1 420.34 mg/kg)及MBC(最大缓冲容量,为477.33～2 300.95 L/kg)均以西岸沉积物明显高于东岸,但其EPC₀(吸附-解吸平衡浓度,为0.015～0.068 mg/L)则相反. ③沉积物总有机质和总钙含量与其Q_max和V_max(最大吸附速率)呈显著正相关,但与EPC₀呈显著负相关. ④洱海表层沉积物吸附磷参数V_max和Q_max明显高于长江中下游浅水湖泊沉积物,而参数EPC₀较低. 因此,洱海沉积物释放风险较大但现今释放量较小,与洱海沉积物总有机质和总钙含量较高有关.      

环境治理工程对蠡湖水体中氮空间分布的影响

为评估蠡湖水环境治理工程措施对蠡湖水体营养状况的影响,于2012年4月及10月对蠡湖湖区及环湖河口共64个采样点进行了采样及分析,探讨了水体及表层沉积物中各形态氮的空间分布特征及其影响因素. 结果表明:蠡湖上覆水中ρ(TN)为0.82~3.20mg/L,平均值为1.35mg/L;间隙水中ρ(DTN)为1.28~5.36mg/L,平均值为2.51mg/L. 上覆水和间隙水分布趋势均为自西向东递增,并且环湖河口ρ(TN)显著高于湖区. 研究期间蠡湖NH₄+-N平均扩散通量为4.80mg/(m2·d),并且NH₄+-N扩散通量与表层沉积物中w(TN)和w(E-NH₄+-N)呈显著正相关. 2003年以来,经过一系列水环境治理工程后,蠡湖水质改善较为明显,但仍未从根本上解决蠡湖的富营养化问题,因此在外源污染得到严格控制的情况下,需加强对蠡湖水体沉水植物的恢复,优化调控蠡湖目前的生态系统结构.      

滇池水生植物分布对沉积物间隙水中不同形态氮的影响

为揭示水生植物分布对滇池沉积物间隙水中各形态氮质量浓度的影响,于2015年6月在滇池分别采集有植物区域和无植物区域的沉积物柱状样,检测间隙水及上覆水中DTN(溶解性总氮)、NH₄+-N、NO₃--N和DON(溶解性有机氮)的质量浓度,分析其垂向变化特征以及水生植物对间隙水中各形态氮的释放控制效果. 结果表明:①水生植物改变了柱状沉积物间隙水中不同形态氮的分布规律,并且这种改变随湖区不同而表现不尽一致;②水生植物显著降低了沉积物间隙水中DON的贡献率,有植物分布区域ρ(DON)对ρ(DTN)的平均贡献率为41.05%,无植物区域可达58.48%;③水生植物显著抑制了沉积物中无机氮的释放,促进了DON的转化,同一采样点有植物区域NH₄+-N和NO₃--N的沉积物-水界面扩散通量分别比无植物区域平均降低了87.52%和91.99%;④水生植物生长显著削减了沉积物间隙水中氮的质量浓度,其中ρ(DON)的削减率达到了53.27%~80.42%. 研究显示,水生植物根系作为微生物和多种活性酶的主要载体,为沉积物有机氮的矿化降解起到了促进作用.      

洱海水华高风险期水体氮磷变化及其指示意义

为揭示水华高风险期水体氮磷变化对洱海的指示意义,结合洱海2009年、2013年和2018年采样检测数据及三维荧光、紫外光谱技术,研究了洱海上覆水氮磷组成和结构变化及影响因素.结果表明:①ρ(TN)和ρ(TP)均先降后升,由2009年氮磷以DON(0.231 mg/L,占36.90%)和DOP(0.016 mg/L,占42.05%)为主,转变为2018年以NH₄+-N(0.197 mg/L,占32.89%)和PP(0.033 mg/L,占70.00%)为主,NH₄+-N和溶解性有机氮磷质量浓度变化是引起氮磷变化的主要因子.各形态氮磷质量浓度空间变化差异较大,北部和中部湖区ρ(TN)、ρ(TP)及其增幅均大于南部湖区;ρ(DON)在北部和南部湖区总体呈下降的趋势,中部湖区ρ(DON)先降后升,增幅为3.32%;ρ(DOP)在北部和中部呈递减,南部湖区则先升后降,总体增加了70.21%;ρ(NH₄+-N)在中部和南部湖区显著增加,北部湖区先降后升.②上覆水氮磷质量浓度及形态时空变化受外源负荷、内源释放和藻类生长共同影响,其中入湖河流是影响氮磷质量浓度变化的主因,且农村生活污染和农田面源污染影响也较大;有机氮磷变化主要受外源输入和湖泊微生物代谢影响,而ρ(NH₄+-N)变化则主要受沉积物释放和藻类生长影响.③洱海水华高风险期上覆水腐殖化程度明显降低,有机氮磷分子量减小,而活性增加,一定程度上可促进藻类生长.研究显示,近10年洱海氮磷质量浓度有增加趋势,有机氮磷质量浓度虽有所下降,但其活性较高,藻类水华风险并未降低,除进一步加强外源负荷控制,关注TN和TP的同时,洱海保护治理还应关注有机氮磷输入以及中部和南部湖区沉积物氮磷释放的水质影响.      

水体氧动态对氮磷地球化学行为的影响

底层水体氧动态直接制约着许多与底栖生物的生物、生态行为息息相关的生物地球化学过程. 高分辨率(垂向分辨率为3 mm)的原位采样技术能精确地获取ρ(PO₄3--P)和ρ(NH₄+-N)在沉积物-水界面微环境的分布特征,这对准确掌握营养盐在该区域发生的独特的生物地球化学过程至关重要. 研究表明,连续曝氮气或空气下,孔隙水中ρ(NH₄+-N)显著提高,升温使该效应进一步增强. 在常温下,曝空气沉积物孔隙水中ρ(PO₄3--P)显著下降,曝氮气则无显著影响;但厌氧条件下升温至35 ℃时ρ(PO₄3--P)显著增加. 在低氧和厌氧时,PO₄3--P从沉积物向水体的扩散速率(以P计)为10.41~25.85 mg/(m2·d);但底层DO充足或CaO₂添加剂量为5 g/m2致ρ(DO)呈过饱和状态时,PO₄3--P释放速率从0.07 mg/(m2·d)进一步降至-17.20 mg/(m2·d),说明随着ρ(DO)的升高,PO₄3--P有进一步削减的潜力. PO₄3--P在界面处的释放强度显著依赖于氧气和温度的动态. 总体来看,DO充足时,NH₄+-N和PO₄3--P的地球化学循环过程表现为从上覆水向沉积物吸附固定;当升温或缺氧时,这一过程可能被抑制甚至发生逆转.      

洞庭湖氮磷时空分布与水体营养状态特征

为揭示通江湖泊洞庭湖水体、沉积物营养盐的时空分布特征,分别于2012年1月和6月在入湖河道、湖区和出湖口共采集了13个具有代表性的水样和沉积物样品,分析了样品中氮、磷的含量及洞庭湖的营养水平. 结果表明,洞庭湖水体中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(NH₄+-N)和ρ(NO₃--N)全湖平均值分别为2.34、0.06、0.27和0.54mg/L,沉积物中w(TN)、w(TP)、w(NH₄+-N)、w(NO₃--N)全湖平均值分别为1220.47、678.97、28.94、4.41mg/kg. 氮、磷含量总体表现为入湖河口大于湖体和出湖口,并且入湖河流中以湘江支流较高,湖体以东洞庭湖区较高. 不同季节间的对比表明,水和沉积物样品中氮、磷含量均表现为6月高于1月,尤其水体中ρ(TN),6月显著高于1月(P<0.01). 洞庭湖全湖TLI(∑)(综合营养状态指数)平均值为45.93,分布规律与ρ(TN)、ρ(TP)一致. 与其他富营养化湖泊相比,洞庭湖ρ(TN)、ρ(TP)较高,但没有发生大面积水华,主要是因为其换水周期短、流速较大所致.      

河流底泥潜在硝化速率模型研究

为深入认识河流NH₄+-N的转化降解过程,以生物量、温度和c（NH₄+-N）这3项因子为对象,开展河流底泥潜在硝化速率模型研究.采集典型污染河流底泥样品,设置3个生物量梯度（高、中、低）、5个c（NH₄+-N）梯度（0.13、0.63、1.13、2.13、4.13 mmol/L）、4个温度梯度（15、20、30、40℃）,测定不同条件下河流底泥潜在硝化速率,并进一步构建了潜在硝化速率模型,定量分析了生物量、温度和c（NH₄+-N）对潜在硝化速率的影响.结果表明:①生物量对底泥的潜在硝化速率有显著影响,高、中、低生物量条件下,河流底泥潜在硝化速率范围分别为0.10~0.26、0.03~0.16和0.02~0.07 μmol/h.②底泥潜在硝化速率随温度呈现指数增长,但高温具有抑制作用,各温度梯度下k（硝化速率常数）分别为5.9、9.3、18.1、10.6 μmol/（g·h）,15~30℃范围内θ（温度校正系数）为1.074.③c（NH₄+-N）对潜在硝化速率的限制作用符合Monod方程,高、中、低生物量条件下K_s（半饱和浓度）的平均值分别为0.02、0.05、0.13 mmol/L.研究显示,潜在硝化速率模型较好反映了生物量、温度和c（NH₄+-N）对河流底泥潜在硝化速率的影响,为定量认识底泥硝化能力提供了有效手段.