辽河保护区七星湿地表层水与间隙水中氮的时空分布

徐微雪，段亮，宋永会*，李辉，郅二铨

1.沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁 沈阳 110142 2.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012

营养盐浓度过高是导致水体富营养化的重要原因[1]，农田、工业和生活等含氮废水的排入，直接引起河水中的营养盐浓度升高，加剧其富营养化程度。湿地作为陆地和开阔水体间的过渡地带，是多种运动形态及物质体系的交汇场所，也是地球上能量交换、物质迁移非常活跃的一个地带。湿地生态系统能够利用其物理、化学和生物作用的综合效应，对河流中的氮素进行高效去除[2]。当外源受到控制时，内源作用就十分明显。河流湿地表层水、间隙水中不同形态的氮在不同条件下迁移转化，而氮的浓度分布将影响着各形态氮的迁移转化趋势[3-4]。因此，研究表层水、间隙水中各形态氮的时空分布，对查明水体营养状态变化、营养盐迁移转化规律等具有重要意义。

辽河是中国七大河流之一，在中国水系里有着重要的水文、环境及生态意义。但近年来污染日益严重，尤其是富营养问题已严重影响辽河水体的生态及使用功能[5]。2010年初，辽宁省政府划定了辽河保护区，由于支流是辽河干流氮污染的主要来源，故将大型的人工湿地工程技术应用于支流河口，对支流河中的氮污染进行阻控，以减轻干流氮污染物负荷，该方法在国内是一种新的尝试。以典型支流河口湿地七星湿地为研究对象，于2012年5—7月对七星湿地进行了布点取样，研究不同形态氮的时空变化特征及机理，以期为辽河氮营养盐的迁移转化提供资料，同时为保护区支流河口湿地建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及采样点的布设

沈北新区辽河七星湿地建设工程位于沈北新区黄家街道北部，毗邻旅游大道和辽河石佛寺水库，万泉河、西小河、羊肠河及长河4条支流汇合处。工程区内修建2座钢坝闸、1座溢流坝，拦蓄河水。目前已形成湿地面积6.7×106m2，水深1.5 m，蓄水量1.0×107m3。该工程通过主河道清淤疏浚，确保行洪安全顺畅，在湿地周边进行生态建设，栽植水生植物荷花、芦苇、蒲草以及陆生树木，最终形成集开发、旅游、观光、生态于一体的湿地景观。七星湿地1号钢板闸前共布设12个采样点(图1)。

注：采样点1～3位于万泉河入口；采样点4～8和10位于湿地内部；采样点9位于羊肠河入口；采样点11位于湿地出口；采样点12位于西小河入口。图1 七星湿地采样点分布Fig.1 The sample sites distribution in Qixing Wetland

1.2 样品采集

于2012年5—7月在辽河保护区七星湿地进行了调查采样。用250 mL玻璃瓶(预先用10%硝酸浸泡并用超纯水清洗)对表层水水样进行采集；用彼得逊采泥器对表层沉积物进行样品采集，装入聚乙烯塑料袋中； 采集的样品用低温保温箱保存运回实验室。现场同时测试水温、pH、溶解氧(DO)浓度等。

1.3 样品处理与分析

水样分析项目为氨氮、硝氮和亚硝氮浓度。同一采样点的沉积物样品，进行沉积物离心(4 000 rmin，30 min)，取上清液过滤(0.45 μm滤膜)得间隙水[6]，分析间隙水的氨氮、硝氮和亚硝氮浓度。表层水和间隙水中各项指标的分析方法见《水和废水监测分析方法》[7]。

1.4 数据处理方法

试验数据采用Origin8.0、ArcGIS9等软件进行统计分析和插图制作。

2 结果与讨论

2.1 七星湿地5—7月水温、pH、DO浓度分布

2012年5—7月水温、pH、溶解氧(DO)浓度等的现场测试结果如表1所示。

5月前辽河解冻不久，处于枯水期，湿地中的水主要由万泉河流入，万泉河水在流经铁岭时裹挟了大量的生活污水和工业废水，所以水质较差；5月是辽河春汛期，水量有所增大；6月气候更加暖和；7月水温继续升高。由表1可知，6月水体平均温度达28.63 ℃；水体pH偏弱碱性，最高为8.75，最低为7.46；水体DO浓度较高，尤其在采样点6、10和11，DO处于过饱和状态。7月平均温度达到29.6 ℃，水体pH在采样点1和12处较低，而在采样点6～10处较高，水体平均pH为8.56。

2.2 氨氮浓度的时空分布特征

5—7月表层水和间隙水氨氮浓度的分布如图2和图3所示。

图2 5—7月氨氮浓度分布Fig.2 The distribution of NH4-N from May to July

由图2可知，表层水氨氮浓度5月为1.20～8.41 mgL，6月为1.07～5.92 mgL，7月为0.77～3.50 mgL；可见5—7月采样点表层水氨氮浓度在湿地中呈下降趋势，规律明显。原因是枯水期过后，5月水量开始逐步增大，同时温度急剧回升，逐渐进入夏季，氨氮的挥发对氨氮浓度降低起到了一定的作用[8]。由图2可知，6月表层水氨氮浓度持续下降，但由于西小河入口(采样点12)氨氮浓度升高，导致采样点4和5的氨氮浓度略有升高；7月表层水氨氮浓度为3个月内最低，但采样点7～10的氨氮浓度有所增大，这可能是反硝化作用导致。

除采样点1和9在7月时间隙水氨氮浓度有所下降外，5—7月间隙水中氨氮浓度呈上升趋势。6月和7月氨氮浓度在表层水中普遍低于间隙水，这可能与表层水中发生硝化反应有关[9-10]。

由图3可知，表层水氨氮浓度在采样点12处最高，采样点1氨氮浓度5月为8.41 mgL，6月为5.92 mgL，7月为3.50mgL，均超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质指标；间隙水中氨氮浓度特别高，尤其是采样点1，6月和7月约为表层水的4倍，其他采样点为表层水的2～3倍。这与氨氮长期在沉积物中积累有关[11]。

湿地河水沿湿地的流动过程中，氨氮逐渐被削减，湿地出口处(采样点11)表层水氨氮浓度5月为3.02 mgL，6月为2.07 mgL，降低30%，到7月降至1.30 mgL，可见在湿地出口处表层水氨氮浓度已经有大幅度的降低。但水体氨氮污染仍较为严重，基本处于劣Ⅴ类水质。

注：单位为mgL。图3 5—7月氨氮浓度时空分布Fig.3 The temporal and spatial distribution of NH4-N from May to July

2.3 硝氮浓度的时空分布特征

5—7月表层水和间隙水硝氮浓度的分布如图4所示。

图4 5—7月硝氮浓度分布Fig.4 The distribution of NO3-N from May to July

由图4可知，表层水体中的硝氮浓度5月为0.77～1.54 mgL，6月为0.27～2.13 mgL，7月为0.13～3.29 mgL，可见5—7月采样点表层水硝态氮浓度逐渐增大。原因可能是由于高DO浓度不利于沉积物中的氨氮向表层水扩散释放，而有利于氨氮的氧化[12-13]，当DO浓度较高时，加强了氨氮氧化的结果所致。但湿地中心位置(采样点7和8)的表层水硝氮浓度呈下降趋势，其中，采样点7的硝氮浓度5月为0.77 mgL，6月为0.66 mgL，7月降至0.30 mgL，6—7月降低50%以上；采样点8的硝氮浓度5月为1.21 mgL，6月为1.05 mgL，7月降至0.22 mgL，6—7月降低近80%。原因是由于湿地中心植物茂密，生长旺盛，植物吸收利用硝酸盐，反硝化作用的结果。

5月湿地间隙水中硝氮浓度高于表层水，在采样点3、8和11的硝氮浓度间隙水为表层水的5～6倍以上，其与采样点的地质性质相关。6月和7月硝氮浓度在表层水中明显高于间隙水，表层水中携带的氨氮在硝化作用下转化成硝氮，导致表层水中氨氮浓度较低而硝氮浓度较高，在万泉河、西小河入口处水体硝氮浓度都较高，达1.45 mgL以上；而在羊肠河入口处及湿地中心部分硝氮浓度偏低。其主要因为湿地底泥疏浚而导致底泥性质不同[14-15]，造成湿地中硝氮浓度有所差别。5—7月总体趋势为表层水硝氮逐渐增高，间隙水逐渐减少。

2.4 亚硝氮浓度的时空分布特征

5—7月表层水和间隙水亚硝氮浓度的分布如图5所示。

图5 5—7月亚硝氮浓度分布Fig.5 The distribution of NO2-N from May to July

由图5可知，亚硝氮在表层水和间隙水中浓度都很低，万泉河入口处和湿地出口相对浓度较高，湿地中心部分浓度较低。5月在万泉河入口处和湿地出口处亚硝氮浓度在间隙水中要比表层水中高，而在湿地中部和羊肠河及西小河入口处，亚硝氮在表层水中的浓度高于间隙水；6月和7月在万泉河入口处和湿地出口处亚硝氮浓度在表层水中要比间隙水中高。这是表层水中硝化作用与沉积物中反硝化作用的结果[16]。万泉河与羊肠河入口处的亚硝氮浓度较高，在0.30 mgL以上，西小河入口处及湿地中部浓度较低。

2.5 氨氮去除效果分析

因为辽河流域大部分断面氨氮浓度超标，氨氮已成为影响地表水水环境质量的首要指标，故对湿地中5—7月的氨氮去除效果进行计算。

图6 各支流河入口及出口流量分布Fig.6 The flow of three tributaries and outlet

5—7月各支流河入口及出口流量如图6所示。5—7月是该区域温度升高，光照加强的时期，是植物生长季节，在该时段内微生物活性也较高。湿地面积按照规划面积6.7×106m2计算，根据各入水口、出水口的流量和氨氮浓度，可算出5—7月湿地氨氮流入量为4.46 t，流出量为2.47 t，得出3个月内湿地对氨氮的去除总量为1.99 t，去除效果较为显著。

3 结论

(1)污染物随空间的变化趋势体现为支流河入口处污染物浓度都较高，经过湿地净化作用，在湿地中部及出口处浓度明显降低；同时表现为表层水中氨氮浓度小于间隙水，而硝氮和亚硝氮浓度高于间隙水。这主要是由于表层水中以硝化作用为主，间隙水中以反硝化作用为主。

(2)水体氨氮随时间推移呈逐渐下降的趋势，在后期由于微生物活动及植物生长，去除量较大；硝氮和亚硝氮有一定的相似性，在温度较高的时段内浓度有所升高。

(3)对七星湿地氨氮去除效果进行计算分析，得到3个月内湿地对氨氮的去除总量为1.99 t。可见七星湿地对氨氮的去除效果较为显著。

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