珠江广州河段沉积物中氮营养物质的时空分布特征

李锐仪

摘 要：本文以受潮汐影响且氮污染严重的珠江广州河段为对象，采集具有代表性的3个点位的沉积物柱状样，对沉积物柱状样品不同剖面中的碳、氮营养物质的分布特征及其季节性变化规律进行了系统的研究。

关键词：沉积物、氮、分布规律、季节变化

珠江三角洲城市河道多数属于感潮河道，由于流经的城市大多数都发展程度较高，有大量污染物的排入，因此河道已出现不同程度的富营养化现象，底泥沉积严重。珠江广州河段受污自20世纪20～30年代开始，随着珠江广州河段外源截污工程的进行以及城市污水处理厂的建设，当前该河段的工业污染已经得到了有效的控制，但氨氮、化学需氧量和溶解氧仍然超标严重，该河段某些地段已受到较严重的氮污染，河水发黑发臭。相关研究表明，引起该现象的主要原因是底泥内源释放[1]，其中，内源氮释放对水体富营养化进程影响尤为突出[2-4]。也就是说，在外源得到有效控制后，对底泥污染的控制是治理珠江广州河段氮污染的重要途径。因此，治理河流内源性氮污染首先必须了解其沉积物中的氮素的分布特征及循环规律。

近年来人们对沉积物的营养物分布的调查和分析多以一次性实验为主，其季节性变化规律涉及较少，然而季节所引起的温度变化是对不同地点的氮循环都有广泛的影响的，季节性变化的研究可以避开样品之间的差异而取其共性，因此对认识氮营养物质在沉积物中复杂的转化途径是有重大意义的。因此，针对河流沉积物氮污染研究采样时间缺乏连续性的研究现状，本文对受潮汐作用影响的珠江广州河段沉积物中氮营养物质和细菌的时空分布将作更深入的研究和探讨。

综上所述，本研究以氮污染严重的珠江广州河段为对象，分析了具有代表性的3个采样点沉积物的柱状样中碳、氮营养物质的垂向分布、赋存特征及其季节性变化，并对各环境理化因子间的相互关系进行了系统的研究，为揭示含氮化合物在沉积物中的转化积累过程及污染治理措施提供科学依据。

1. 试验材料和方法

1.1 样点布设及样品采集

根据珠江广州河段沉积物分布的特点及富营养化状况，设置具有代表性的3个采样点：1号点（113°17′2″E，23°6′50″N）位于二沙岛，此区沉积物的粘粒含量高，表层含杂质较多，受人为扰动少，在整个剖面上性质较均一；2号点（113°13′22″E，23°6′8″N）位于花地涌北出口，此区沉积物受生活污染严重，泥黑且有分层现象；3号点（113°13′16″E，23°7′36″N）位于珠江大桥东桥，此区沉积物的砂质含量高，而有机质含量低。本实验分别于春、夏、秋、冬四季在3个点采集沉积物柱状样和上覆水，采样后把柱状样品按0～2cm；4～6cm；8～10cm；12～14cm；16～18cm；20～22cm；24～26cm分割为七层。，装入聚乙烯袋中。所有样品均在0～4℃下避光储存。

1.2 仪器及设备

TN 定氮仪（KjeltecTM 2300）；立式高压蒸汽灭菌锅；激光粒度分析仪；YSI 510型pH测定仪（USA）；280W超声仪（AS10200BDT）；分析天平。

1.3 分析方法

沉积物样品测定的项目有pH、总氮（TN）、氨态氮（NH4+-N）、总有机碳（TOC）、含水率、机械组成。各项目的测定方法参考《土壤理化分析》。每批样品均做至少两个以上的空白实验，并按样品量20%的比例做平行实验。

1.4 数据分析

使用One-way显著性差别分析（ANOVA）来辨别营养物质随采样地点及深度变化的差异。所有数据用Excel和SPSS V13.0软件计算分析。

2. 结果与讨论

2.1 总氮的空间分布

对不同季节各采样点沉积物中的总氮的含量进行空间分布的比较，见图2-1。

由图可见，在春季1、3号点沉积物TN含量随深度增加呈现先升后降的趋势，都在10cm处达到峰值。且总体而言，总氮含量3号>1号，这与其污染情况吻合。2号点表层的总氮含量明显高于其他两个点，而且垂向变化不大，这也说明了其氮污染的严重性，必须控制周围居民生活污水的排放。

在夏季，表层（0-2cm）3个采样点的沉积物中TN的含量较为接近，差别不大；而在2-14cm处1、2和3号点的总氮含量均呈现先上升后下降的趋势，都在10cm处达到峰值；14～26cm处3个采样点的总氮含量又呈现先上升后下降的趋势，在22cm处达到峰值。总体上，沉积物TN含量2号>3号>1号，主要受生活污水污染的2号点处沉积物中含有的TN含量反而比受工业排污口影响的3号点要高，这进一步说明了对于珠江广州河段生活污水的排放和污染必须引起足够的重视。

在秋季，3个采样点的TN含量随深度增加均有升-降-升的趋势。在冬季，3个采样点的TN含量随深度变化相对不明显。从实验数据来看，秋冬两季沉积物TN含量均为2号>3号>1号，与其污染情况吻合。

从整体上看，珠江广州河段沉积物的含氮量较高，其水平与菜园土TN的含量（1.13～3.42 g·kg-1）相近，达到了丰富水平。

（ 1号点， 2号点， 3号点）

图2-1 不同季节采样点沉积物中总氮的垂向分布

2.2 总氮的季节变化特征

按照不同采样点，比较各采样点沉积物中总氮的季节变化，参见图2-2。

对1号点，总氮平均含量为春季1.80g/kg，夏季2.39g/kg，秋季2.25g/kg，冬季1.60g/kg；2号点总氮平均含量为春季2.43g/kg，夏季2.83g/kg，秋季2.66g/kg，冬季2.87g/kg；3号点总氮平均含量为春季1.81g/kg，夏季2.53g/kg，秋季1.83g/kg，冬季1.70g/kg。可以看出，随着季节变化，1号、2号和3号点各自的总氮含量整体上均为夏季>秋季>春季>冬季。夏季气温高，生物活动频繁，人为活动排放的污染物开始增多，造成沉积物氮污染加剧。同时，水体中的藻类大量繁殖，其死后的残体部分沉积于河流底部，在一定程度上使沉积物总氮含量升高，因此夏季河流沉积物中总氮含量在一年中最高。而在秋季后，水生生物（包括底栖生物）大量死亡，矿化分解活动的加剧消耗了大量溶解氧，造成河流沉积物处于缺氧的还原环境，给厌氧的反硝化作用创造了适宜的条件，导致沉积物中的氮元素以N2O、N2等无机气体形态散逸到大气中，减轻了沉积物的氮负荷，并使总氮含量在冬季达到最低。从春季起，气温开始升高，沉积物中的总氮含量又开始增加。endprint

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

图2-2各采样点沉积物中TN的季节变化

2.3 氨态氮的空间分布

对不同季节各采样点沉积物中的氨态氮含量进行空间分布的比较，见图2-3。可以看出，各个季节沉积物中氨态氮的含量在垂向变化上大部分都呈现随深度增加而含量升高的现象。沉积物和水界面的研究表明，氨态氮极易溶于水，因此表层产生的氨态氮容易通过扩散作用进入上覆水体。此外，由于所有采样点均位于岸边，表层沉积物很容易受到风浪的扰动，在间隙水中的以及吸附于沉积物颗粒上的分子态NH3容易在再悬浮作用下进入上覆水体，从而较大程度地降低了表层沉积物中NH4+-N的含量。另一方面，在还原环境中，NH4+-N极易积累。随着深度的增加，沉积物的DO下降，环境适宜于厌氧细菌活动的反硝化和氨化作用，使氮从高价态向铵态等低价态转化，并且深度越大，沉积物受到的扰动较小，有利于NH4+-N积累。因此表层的氨态氮会出现随深度增加而升高的现象，这也表明了沉积物垂向上氧化还原条件由氧化到还原的变化。

（ 1号点， 2号点， 3号点）

图2-3 不同季节采样点沉积物中NH4+-N的垂向分布

2.4 氨态氮的季节变化特征

按照不同采样点，比较各采样点沉积物中氨态氮含量的季节变化，见图2-4。整体上看，沉积物中氨态氮含量春夏季较高，秋冬季较低，这可能是因为春夏季温度较高，细菌活性增强，促进沉积物中有机氮的矿化。此外，沉积物中氨态氮的季节变化情况与沉积物中总氮的季节变化情况不一致，暗示着氨态氮除了来自于TN中的占较大比例的有机氮的矿化分解外，还可能受其他来源的影响，如硝酸盐的氨化作用等。

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

图2-4 各采样点沉积物NH4+-N的季节变化

2.5有机碳含量的空间分布

对不同季节3个采样点沉积物中的有机碳的含量进行空间分布的比较，见图2-5。可以看出，四个季节中2号点有机碳含量垂向变化不大，整体含量最高，这也说明了该区域有机污染严重。而1号点和3号点的有机质含量在垂向上均有先增加后减少的趋势，而且其峰值均在10cm左右深度处。这与河流水文情况和有机质的自身特点有关。

（ 1号点， 2号点， 3号点）

图2-5不同季节采样点沉积物中TOC含量的垂向分布

3. 结论

（1）珠江广州河段沉积物中总有机碳、总氮、氨态氮含量普遍较高，各营养物质具有不同的分布规律。①各点有机碳含量丰富，大部分在28～50g/kg之间。2号点有机碳含量垂向变化不大，整体含量最高，而1号点和3号点的有机质含量在垂向上均有先增加后减少的趋势。②TN含量水平与菜园土相近，达到了丰富水平。总体上来说，沉积物TN含量2号点>3号点>1号点，3个采样点总氮含量垂向变化趋势各有不同。③NH4+-N作为这3个采样点中沉积物氮的主要赋存形态，大部分都呈现出随深度增加而含量升高的情况。

（2）就季节变化而言，不同采样点沉积物中总氮的含量整体上均为夏季>秋季>春季>冬季。氨态氮含量则为夏春季较高，秋冬季较低。硝态氮含量秋季最高，夏季次之，春冬季最低。

参考文献：

[1]朱娴，刘慧璇. 珠江广州河段沉积物的耗氧与细菌总数和总有机碳之前的关系[J]. 生态科学，1992，01：12

[2]范成新，张路等. 湖泊沉积物氮磷内源负荷模拟. 海洋与湖沼，2002，33（4）：370-378.

[3]Pitkanen H， Lehtoranta J， Raike A. Internal nutrient fluxes counteract decreases in external load： the case of the estuarial eastern Gulf of Finland， Baltic Sea [J]. AMBIO， 2001， 30： 195-201.

[4]谢丽强，谢平，唐汇娟. 武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究[J]. 水生生物学报，2001，125（4）： 305-310.endprint

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

图2-2各采样点沉积物中TN的季节变化

2.3 氨态氮的空间分布

对不同季节各采样点沉积物中的氨态氮含量进行空间分布的比较，见图2-3。可以看出，各个季节沉积物中氨态氮的含量在垂向变化上大部分都呈现随深度增加而含量升高的现象。沉积物和水界面的研究表明，氨态氮极易溶于水，因此表层产生的氨态氮容易通过扩散作用进入上覆水体。此外，由于所有采样点均位于岸边，表层沉积物很容易受到风浪的扰动，在间隙水中的以及吸附于沉积物颗粒上的分子态NH3容易在再悬浮作用下进入上覆水体，从而较大程度地降低了表层沉积物中NH4+-N的含量。另一方面，在还原环境中，NH4+-N极易积累。随着深度的增加，沉积物的DO下降，环境适宜于厌氧细菌活动的反硝化和氨化作用，使氮从高价态向铵态等低价态转化，并且深度越大，沉积物受到的扰动较小，有利于NH4+-N积累。因此表层的氨态氮会出现随深度增加而升高的现象，这也表明了沉积物垂向上氧化还原条件由氧化到还原的变化。

（ 1号点， 2号点， 3号点）

图2-3 不同季节采样点沉积物中NH4+-N的垂向分布

2.4 氨态氮的季节变化特征

按照不同采样点，比较各采样点沉积物中氨态氮含量的季节变化，见图2-4。整体上看，沉积物中氨态氮含量春夏季较高，秋冬季较低，这可能是因为春夏季温度较高，细菌活性增强，促进沉积物中有机氮的矿化。此外，沉积物中氨态氮的季节变化情况与沉积物中总氮的季节变化情况不一致，暗示着氨态氮除了来自于TN中的占较大比例的有机氮的矿化分解外，还可能受其他来源的影响，如硝酸盐的氨化作用等。

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

图2-4 各采样点沉积物NH4+-N的季节变化

2.5有机碳含量的空间分布

对不同季节3个采样点沉积物中的有机碳的含量进行空间分布的比较，见图2-5。可以看出，四个季节中2号点有机碳含量垂向变化不大，整体含量最高，这也说明了该区域有机污染严重。而1号点和3号点的有机质含量在垂向上均有先增加后减少的趋势，而且其峰值均在10cm左右深度处。这与河流水文情况和有机质的自身特点有关。

（ 1号点， 2号点， 3号点）

图2-5不同季节采样点沉积物中TOC含量的垂向分布

3. 结论

（1）珠江广州河段沉积物中总有机碳、总氮、氨态氮含量普遍较高，各营养物质具有不同的分布规律。①各点有机碳含量丰富，大部分在28～50g/kg之间。2号点有机碳含量垂向变化不大，整体含量最高，而1号点和3号点的有机质含量在垂向上均有先增加后减少的趋势。②TN含量水平与菜园土相近，达到了丰富水平。总体上来说，沉积物TN含量2号点>3号点>1号点，3个采样点总氮含量垂向变化趋势各有不同。③NH4+-N作为这3个采样点中沉积物氮的主要赋存形态，大部分都呈现出随深度增加而含量升高的情况。

（2）就季节变化而言，不同采样点沉积物中总氮的含量整体上均为夏季>秋季>春季>冬季。氨态氮含量则为夏春季较高，秋冬季较低。硝态氮含量秋季最高，夏季次之，春冬季最低。

参考文献：

[1]朱娴，刘慧璇. 珠江广州河段沉积物的耗氧与细菌总数和总有机碳之前的关系[J]. 生态科学，1992，01：12

[2]范成新，张路等. 湖泊沉积物氮磷内源负荷模拟. 海洋与湖沼，2002，33（4）：370-378.

[3]Pitkanen H， Lehtoranta J， Raike A. Internal nutrient fluxes counteract decreases in external load： the case of the estuarial eastern Gulf of Finland， Baltic Sea [J]. AMBIO， 2001， 30： 195-201.

[4]谢丽强，谢平，唐汇娟. 武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究[J]. 水生生物学报，2001，125（4）： 305-310.endprint

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

图2-2各采样点沉积物中TN的季节变化

2.3 氨态氮的空间分布

对不同季节各采样点沉积物中的氨态氮含量进行空间分布的比较，见图2-3。可以看出，各个季节沉积物中氨态氮的含量在垂向变化上大部分都呈现随深度增加而含量升高的现象。沉积物和水界面的研究表明，氨态氮极易溶于水，因此表层产生的氨态氮容易通过扩散作用进入上覆水体。此外，由于所有采样点均位于岸边，表层沉积物很容易受到风浪的扰动，在间隙水中的以及吸附于沉积物颗粒上的分子态NH3容易在再悬浮作用下进入上覆水体，从而较大程度地降低了表层沉积物中NH4+-N的含量。另一方面，在还原环境中，NH4+-N极易积累。随着深度的增加，沉积物的DO下降，环境适宜于厌氧细菌活动的反硝化和氨化作用，使氮从高价态向铵态等低价态转化，并且深度越大，沉积物受到的扰动较小，有利于NH4+-N积累。因此表层的氨态氮会出现随深度增加而升高的现象，这也表明了沉积物垂向上氧化还原条件由氧化到还原的变化。

（ 1号点， 2号点， 3号点）

图2-3 不同季节采样点沉积物中NH4+-N的垂向分布

2.4 氨态氮的季节变化特征

按照不同采样点，比较各采样点沉积物中氨态氮含量的季节变化，见图2-4。整体上看，沉积物中氨态氮含量春夏季较高，秋冬季较低，这可能是因为春夏季温度较高，细菌活性增强，促进沉积物中有机氮的矿化。此外，沉积物中氨态氮的季节变化情况与沉积物中总氮的季节变化情况不一致，暗示着氨态氮除了来自于TN中的占较大比例的有机氮的矿化分解外，还可能受其他来源的影响，如硝酸盐的氨化作用等。

（ 春季， 夏季， 秋季， 冬季）

图2-4 各采样点沉积物NH4+-N的季节变化

2.5有机碳含量的空间分布

对不同季节3个采样点沉积物中的有机碳的含量进行空间分布的比较，见图2-5。可以看出，四个季节中2号点有机碳含量垂向变化不大，整体含量最高，这也说明了该区域有机污染严重。而1号点和3号点的有机质含量在垂向上均有先增加后减少的趋势，而且其峰值均在10cm左右深度处。这与河流水文情况和有机质的自身特点有关。

（ 1号点， 2号点， 3号点）

图2-5不同季节采样点沉积物中TOC含量的垂向分布

3. 结论

（1）珠江广州河段沉积物中总有机碳、总氮、氨态氮含量普遍较高，各营养物质具有不同的分布规律。①各点有机碳含量丰富，大部分在28～50g/kg之间。2号点有机碳含量垂向变化不大，整体含量最高，而1号点和3号点的有机质含量在垂向上均有先增加后减少的趋势。②TN含量水平与菜园土相近，达到了丰富水平。总体上来说，沉积物TN含量2号点>3号点>1号点，3个采样点总氮含量垂向变化趋势各有不同。③NH4+-N作为这3个采样点中沉积物氮的主要赋存形态，大部分都呈现出随深度增加而含量升高的情况。

（2）就季节变化而言，不同采样点沉积物中总氮的含量整体上均为夏季>秋季>春季>冬季。氨态氮含量则为夏春季较高，秋冬季较低。硝态氮含量秋季最高，夏季次之，春冬季最低。

参考文献：

[1]朱娴，刘慧璇. 珠江广州河段沉积物的耗氧与细菌总数和总有机碳之前的关系[J]. 生态科学，1992，01：12

[2]范成新，张路等. 湖泊沉积物氮磷内源负荷模拟. 海洋与湖沼，2002，33（4）：370-378.

[3]Pitkanen H， Lehtoranta J， Raike A. Internal nutrient fluxes counteract decreases in external load： the case of the estuarial eastern Gulf of Finland， Baltic Sea [J]. AMBIO， 2001， 30： 195-201.

[4]谢丽强，谢平，唐汇娟. 武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究[J]. 水生生物学报，2001，125（4）： 305-310.endprint