Scientia Geographica Sinica  2013 , 33 (12): 1531-1536 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.012.1531

Orginal Article

那什那泡沉积物氮磷有机质污染特征及评价

李苗, 臧淑英, 张策, 肖海丰

哈尔滨师范大学黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150025

Examining the Vertical Distribution Characteristics and Pollution Levels of Total Nitrogen, Total Phosphorus, and Organic Matters in the Sediments of Nashina Lake

LI Miao, ZANG Shu-ying, ZHANG Ce, XIAO Hai-feng

Key Laboratory of Remote Sensing Monitoring of Geographic Environment, College of
Heilongjiang Province, Harbin Normal University, Harbin, Heilongjiang150025, China

中图分类号:  X832

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2013)12-1531-06

通讯作者:  通讯作者:臧淑英,教授。E-mail:zsy6311@163.com

收稿日期: 2013-02-26

修回日期:  2013-05-10

网络出版日期:  2013-12-20

版权声明:  2013 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金项目(41030743、40972115)、黑龙江省高等学校科技创新团队建设计划项目(2010td10)资助

作者简介:

作者简介:李 苗(1984-),女,黑龙江哈尔滨人,博士研究生,主要从事遥感与生态环境研究。E-mail:15045132941@163.com

展开

摘要

于2010年7月在那什那泡采集柱状沉积物样品测定了那什那泡沉积岩芯总氮、总磷以及有机质等指标的含量分析了TN、TP、OM、TOC/TN的垂直分布特征。研究结果表明:NSN中TN含量变化范围为1,156~4,191mg/kg平均为2,891mg/kg;TP含量变化范围为358~509mg/kg平均值为442mg/kg;OM含量变化范围为1.29%~3.64%平均值为2.03%。沉积物中OM含量变化幅度不大TN和TP波动明显但三者含量从底层至表层大体上都呈上升趋势。TOC/TN为2.50~7.94平均值为4.35沉积物中有机质主要来自湖泊内源的水生生物、浮游动植物和藻类。通过有机指数与有机氮指标评价表明那什那泡2001~2009年存在有机污染;从有机氮指标来看所采的柱状沉积物在整个沉积过程中有机氮含量都很高那什那泡存在有机氮污染。

关键词: 那什那泡 ; 沉积物 ; ; ; 有机质 ; 污染历史

Abstract

Associated with agricultural growth, industrial development, as well as urban population growth in the Nashina Lake region, pollutants from agricultural, industrial and domestic activities have led to the deterioration of water quality. Nashina Lake is in the center of the Lianhuan Lake, an important natural resource protection zone with a geographical area approximately 533 km2. In order to reveal the evolution process of eutrophication of the Nashina Lake, sediment core samples were collected from the lake using a gravity sampler in July 2010. Contents of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and organic matters (OM) of the sediments samples were determined and the vertical distribution characteristics of TN, TP, OM, and TOC/TN were analyzed. The results show that: TN concentrations in the sediments were ranged from 1 156 mg/kg to 4 191 mg/kg, with an average of 2 891 mg/kg. The TP concentrations in the sediments were ranged from 358 mg/kg to 509 mg/kg, with an average of 442 mg/kg. The concentrations of OM in the sediments were ranged from 1.29% to 3.64%, with an average of 2.03%. Comparatively, the concentrations of OM hada lower variation level, while those of TN and TP fluctuated significantly. The concentrations of TN, TP, and OM generally showed an ascendant trend, especially in1999 -2009. The TOC/TN ratios in the lake sediments were ranged from 2.50 to 7.94, with an average of 4.35. Analysis of results also indicates that the OM and nutrients were derived from aquatic plants, zooplankton, and phytoplankton and alga. Based on the examinations of organic indices, we also found that the impacts of human activities were insignificant from 1831 to 1999, as the lake was continuously in the natural state, with organic matters mainly authigenicand the water belonging to the less clean category. With the rapid economic development from 1999 to 2009, associated with the intensified activities of agricultural, fisheries, animal husbandry and tourism, higher levels of feed and animal manure resulted in higher levels of OM and TN contents. As a result, the organic indices were much higher in 1999-2009. Finally, the organic nitrogen indices were very high for the whole period, indicating the high risk of organic pollution.

Keywords: Nashina Lake ; sediments ; nitrogen ; phosphorus ; organic matters ; pollution characteristics

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李苗, 臧淑英, 张策, 肖海丰. 那什那泡沉积物氮磷有机质污染特征及评价[J]. , 2013, 33(12): 1531-1536 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.012.1531

LI Miao, ZANG Shu-ying, ZHANG Ce, XIAO Hai-feng. Examining the Vertical Distribution Characteristics and Pollution Levels of Total Nitrogen, Total Phosphorus, and Organic Matters in the Sediments of Nashina Lake[J]. Scientia Geographica Sinica, 2013, 33(12): 1531-1536 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.012.1531

0 引言

近些年来随着社会经济的迅猛发展,污染物排放量日益增加。湖泊富营养化问题日益加重。多数研究认为水体中的氮、磷等增加是引起湖泊富营养化的主要原因[1]。湖泊沉积物是水环境中污染物的汇,湖泊底泥长时间接纳并蓄积了大量的营养盐等物质,成为记录流域人类活动以及湖泊环境响应的档案,在重建各种时间尺度的环境演化序列上有一定的优势[2,3]。营养盐等污染物虽在水体中含量少,但很易被比表面积较大的颗粒吸附,随之沉积于湖中,积累到一定浓度时即可对生物体产生毒害作用,严重威胁着人类健康。国内外对于柱状沉积物中营养盐的研究,主要集中在沉积物中氮、磷的垂直分布[4]、沉积物碳氮元素地球化学特征及有机质来源分析[5,6]、沉积物中重金属及营养元素的污染特征[7]等方面。本文不仅对湖泊沉积岩芯中TN、TP、TOC的垂向分布特征进行了分析,还通过有机指数和有机氮对湖泊氮和有机质的污染情况进行了评价,重建那什那泡及流域环境演变过程以及人类活动对环境的影响,揭示湖泊营养状态演化规律。以期为连环湖的治理与保护提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 研究区概况

连环湖(46°30′N~47°03′N,123°59′E~124°15′E)位于大庆市杜尔伯特县泰康镇西南18 km处,为松嫩沉降盆地中心最洼处,是黑龙江省最大的微咸水湖,也是典型的湿地地区的浅水湖泊。连环湖水域属北温带大陆性季风气候,平均海拔135~144 m,湖底高程135.5~136.9 m之间。其周围是典型的农牧交错带,其生态环境对人类活动干扰特别敏感,属生态环境脆弱区。它由他拉红泡、火烧黑泡、那什那泡和小尚泡等18个大小相连的湖泊组成,总面积达到533 km2。那什那泡位于连环湖的中部。近些年来,由于位于连环湖上游的乌裕尔河沿岸工业生产加剧,湖泊周围人类活动增强,湖泊受到一定程度的污染。

1.2 样点布设

于2010年7月,在连环湖中央的那什那泡(46°40′12.46″N,124°05′7.87″E),利用重力采样器采集了未经扰动的柱状沉积岩芯(NSN,图1),岩芯表面水清澈无扰动,现场按1 cm间隔进行连续取样,将样品置于密封塑料袋中,带回实验室4℃冷藏,用于TN、TOC、TP的分析。

图1   采样点位置

Fig.1   Location of Nashina Lake and sampling site

1.3 化学分析

沉积物中磷的提取采用欧洲标准测试委员会框架下发展起来的标准测量和测试(SMT)[8],该方法将沉积物磷形态分为铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷Ca-P)、无机磷(IP)、有机磷(OP)及总磷(TP)。TN测定用全自动凯氏定氮蒸馏法(GB7173–87)。有机质采用的是重铬酸钾容量法。

2 结果与分析

2.1 沉积岩芯年代序列的建立

137Cs是核爆炸产生的人工放射性核元素,物理半衰期为30.174 a,沉积物垂直剖面蓄积峰位置可作为时间标记[9,10],210Pb 是天然放射性铀系元素,半衰期为22.3 a,沉积物中过剩的210Pb 呈现出有规律的衰变过程,可作为计年的标尺[11]。大量文献表明210Pbex137Cs在测定百年来的地质年龄上已取得很好效果[12,13]。由图2可知柱状沉积物中210Pbex分布波动较大,210Pbex强度随深度大致呈指数衰减趋势,但并不完全呈指数衰减。GRS(稳恒沉积通量)模式不要求210Pbex的比活度随深度分布呈指数分布,可以计算出不同深度或者质量深度区间的沉积通量[14]。故本文采用该模式进行计算,210Pbex活度Y与深度X的关系为Y=-8.83356×log(X)+53.2285,以此计算出整个沉积岩芯的平均沉积速率为0.27 cm/a,并算出各层段的沉积年龄及沉积速率,结果见图2。NSN采样时间为2010年7月,结合平均沉积速率通过外推法推出沉积岩芯的最底层年代为1831年,测年结果显示:NSN岩芯代表了连环湖那什那泡自1831~2009年共179 a来的沉积历史。根据计算结果可以看出,虽然在过去179 a来沉积速率的变化较复杂,但随着年代的增加,那什那泡沉积物总体上经历了一个沉积速率从慢到快再到慢的变化过程,初步推测,那什那泡的沉积速率变化与人类活动存在着一定的关系。1986年之前由于工业起步、农业迅速发展等因素这一阶段成为人为活动强烈干扰阶段,岩芯沉积速率呈缓慢的上升趋势,在1986年沉积速率达到最大值0.432 cm/a ;1986年至今,随着政府对生态环境重视程度的不断提高,治理和管理措施的不断加强,环境问题有所改善,因此沉积速率有所减小。

图 2   210Pbex强度、质量深度和沉积速率垂直剖面

Fig.2   The vertical profile of strength, quality depth, deposition rate of 210Pbex in Nashina Lake

2.2 那什那泡沉积物有机质、氮含量分布特征及TOC/TN值

图3中可以看出28.5 cm(1831年)~7.5 cm(1996年)有机质含量变化幅度较小,有机质的含量都在2%以下,均值为1.64%;从5.5 cm(2001年)有机质含量突然增高,2001~2009年有机质含量一直都在3%以上。NSN中有机质的分布大体上表现出随深度增加而递减的趋势。NSN中TN含量变化范围为1 156~4 191 mg/kg,平均含量为2 891 mg/kg;最高含量为最低含量的3.6倍。受湖泊自然特征、沉积环境及人类活动等作用的影响,尽管沉积岩芯中TN的垂向变化波动较大,但总体上表现出随深度增加而递减的趋势。已有的研究显示,湖泊沉积物中C/N在某种程度上可反映有机质来源[15],因为不同的生物种类有着不同的TOC/TN。水生生物为2.8~3.4,浮游动植物平均值6~13,高等植物的TOC/TN为14~23,藻类为5~14[1,16]。那什那泡中TOC/TN为2.50~7.94,平均值为4.35,其中37.9%在2.8~3.4之间,34.5%在5~7.94之间,表明那什那泡沉积物中有机质主要来自湖泊内源的水生生物、浮游动植物和藻类。

图 3   那什那泡沉积物有机质和氮含量及分布

Fig.3   Content and distribution of organic matter (OM) and total nitrogen (TN) in the sediments of Nashina Lake

2.3 那什那泡沉积物磷含量分布特征

采用SMT分离法将沉积物磷形态分为铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷(Ca-P)、无机磷(IP)、有机磷(OP)及总磷(TP)。磷形态的分布状况见图4

铁铝结合态磷(Fe/Al-P)主要是指易与铁的氧化物或氢氧化物结合的磷[17]。铁元素所形成的铁氢氧化物具有较强的吸附能力[18],在一定条件下能大量吸附和结合磷酸盐,而在水体的氧化还原条件、酸碱性、生物作用等外界条件改变时又能将磷释放出来,相对易被生物利用,这部分磷的来源与人类活动有关,主要来源于生活污水和工业废水,在沉积物中起到指示污染物的作用[19]。本研究沉积柱中Fe/Al-P含量范围在39.7~69.3 mg/kg,沉积物中Fe/Al-P含量与TP含量的变化趋势相似,占TP的9.5%~13.8%,含量较低,最大值出现在表层为64.3 mg/kg;0.5~12.5 cm随深度增加而减少,这可能是由于磷形态的转化性和迁移性,由同层其他形态磷转化;到13.5 cm出现了一个拐点,含量达到61.9 mg/kg,含量的升高可能是由于近些年水体污染加重所引起的;12.5~28.5 cm又随着深度的增加大体上是减少的趋势,到最底层出现最小值39.7 mg/kg。

图4   总磷及各形态磷垂向分布

Fig.4   Vertical variation of total phosphorus and different forms of phosphorus

钙结合态磷(Ca-P)是沉积物中较惰性的磷组分,被认为是生物难利用性磷。钙结合态磷难溶于水,是主要沉积形式,不易被释放进入上覆水体,但沉积环境处于弱酸状态时,也可能产生一定的释放,对内源负荷有一定的贡献量[20]。无机磷中主要以该形态磷为主,在那什那泡沉积物中,钙磷含量范围为215.5~324.0 mg/kg,约占总磷含量的48.6%~77.60%。钙磷是沉积物磷主要存在形态。0.5~13.5 cm间Ca-P含量随深度大体呈上升趋势,到13.5 cm处出现了一个拐点含量达到321.3 mg/kg;14.5~22.5 cm含量大体上是呈减少趋势,到22.5 cm达到一个低值259.2 mg/kg;在23.5~28.5 cm有小幅度的波动,但从整体上看含量是呈上升趋势,到最底层达到了整个沉积过程的最大值324.0 mg/kg。

有机磷(OP)主要是沉积物中各种动植物残体、腐殖质类有机物中含有的磷,有机磷主要是通过陆源输入和食物链等生物过程形成的,只有在有机物矿化以后才能被释放出来,相对较难被生物利用。那什那泡中OP含量仅次于Ca-P,在52.9~162.6 mg/kg之间,占总磷的12.2%~31.9%。OP的垂向变化比较简单,从7.5~28.5 cm起伏不大,变化都比较平稳。6.5~0.5 cm含量急剧上升,到表层达到最大值162.6 mg/kg,为平均值的2倍多。那什那泡在这一阶段接纳生活污水,有机污染物质和藻类等生物残体对部分有机磷的累积起了主要作用。

总磷(TP)含量的变化范围为357.5~509.2 mg/kg,平均值为442.3 mg/kg,峰值出现在表层。其垂直变化可以分为3个阶段:28.5~16.5 cm为第一阶段,此阶段中磷的波动幅度相对较小,变化范围为411.4~476.1 mg/kg,其中在24.5 cm处出现了一个小峰值476.1 mg/kg。15.5~5.5 cm为第二阶段,此阶段的含量变化幅度很大,15.5~13.5 cm含量几乎不变、12.5~10.5 cm含量逐渐减少、9.5~7.5 cm含量逐渐减少、7.5~5.5 cm又不断增加。5.5~0.5 cm为第三阶段,此阶段含量变化不大,但整体上也是呈上升趋势。

3 那什那泡沉积物污染状况评价

目前,湖泊生态系统各项健康评价的方法很多,应用较广泛[21,22],但尚缺乏统一的评价方法和标准,有机指数常用来评价水域沉积物的环境状况,有机氮则是衡量湖泊沉积物是否遭受氮污染的重要指标。那什那泡中氮为主要超标污染物,针对这一特点采用有机指数和有机氮评价那什那泡沉积物污染状况,计算公式及评价标准如下:有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)

有机碳(%)=有机质(%)/1.724

有机氮(%)=总氮(%)×0.95

沉积物有机质指数评价标准和有机氮评价标准见表1表2。那什那泡沉积物有机质及有机氮污染评价结果见表3,沉积物中各层的有机指数范围为0.1~0.8,平均值为0.35,从6.5~28.5 cm为Ⅱ或者Ⅲ等级,属于较清洁或者尚清洁,但是从2001年(5.5 cm)~2009年存在有机污染。有机氮指数范围为0.11~0.4,平均值为0.27,除了15.5 cm为尚清洁,其他所有层污染等级都为Ⅳ,都存在有机氮污染,说明所选的柱状沉积物在时间序列上存在着有机氮污染。

表1   沉积物有机指数评价标准

Table 1   Evaluation standards of organic index in sediments

有机指数<0.05[0.05,0.2)[0.2,0.5)≥0.5
类型清洁较清洁尚清洁有机污染
等级

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表2   沉积物有机氮评价标准

Table 2   Evaluation standards of organic nitrogen in sediments

有机氮(%)<0.0033%[0.00339%,0.066%)[0.066%,0.133%)≥0.133%
类型清洁较清洁尚清洁有机氮污染
等级

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表3   那什那泡沉积物有机质及有机氮污染评价

Table 3   The assessment of organic index and organic nitrogen in the sediments of Nashina Lake

深度(cm)年代(年)有机指数有机氮指数
类型等级类型等级
0.5~5.52009~2001有机污染有机氮污染
6.5~16.51999~1970尚清洁有机氮污染
17.5~17.51967~1967尚清洁尚清洁
18.5~28.51964~1831尚清洁有机氮污染

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4 结 论

那什那泡底泥中总磷含量范围为357.5~509.2 mg/kg,总磷主要由无机磷组成,其所占总磷的比重在62.87%~92.83%之间,钙结合态磷又为无机磷的主要赋存方式。有机磷含量约占总磷含量的比重为7.17%~37.13%之间。总体来看总磷含量较低,不能对水体产生污染。

那什那泡中C/N为2.50~7.94,平均值为4.35,其中37.9%在2.8~3.4之间,34.5%在5~7.94之间,表明那什那泡沉积物中有机质主要来自湖泊内源的水生生物、浮游动植物和藻类。

沉积物中TN含量变化范围为1 156~4 191 mg/kg,平均为2 891 mg/kg;OM含量变化范围为1.29%~3.64%,平均值为2.03%。通过有机指数评价表明,1831~1999年,湖泊没有受到有机质污染,然而随着人类活动的增强从2001年开始存在有机质污染。从有机氮指标来看,对于所取的柱状沉积物几乎整个沉积过程中都存在有机氮污染。分析其原因可能是因为那什那泡所处的连环湖处在松嫩平原农牧渔交错带,在20世纪以前是个鸟类、水生动植物都很多的地方,而近些年来又集农业、畜牧业、旅游等功能于一体,养鱼投放的大量饵料及动物的粪便等在湖底沉积使底泥沉积物中OM和TN含量较高。也有相关研究结果表明,流域土壤流失、水生动物以及鸟兽的粪便、大型水生植物的死亡腐败分解沉积湖底都可以使氮的含量增加。那什那泡沉积物中全氮对底栖生物已经产生了生态毒性效应,对底栖生物群落及整个水生生态系统构成了威胁,应合理发展旅游业、养殖业、防止营养物质进入湖中使湖泊受到污染。

The authors have declared that no competing interests exist.


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