长江下游干流水体中氮的空间分布特征

刘 敏，林 莉，董 磊，赵良元

(长江科学院a.流域水环境研究所;b.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

氮不仅是水生生物的营养元素，也是引起水体富营养化的关键因素之一［1］，而且氨氮被证实是水体中毒害水生生物的重要因子［2］。相关研究表明，在一些淡水湖泊中，固氮蓝藻“水华”的发生与无机氮在水体中的消耗有紧密关系［3－4］。氮、磷营养物质在湖泊、水库、河流和海湾等缓流水体中富集，致使近年来我国的水域富营养化日趋严重［5］。

长江下游干流是指长江从江西湖口以下至上海出口段部分，长约93 km，沿江两岸有许多支流汇入［6］。长江下游干流是长江流域经济最发达的地区，同时也是长江水量最大的河段。近年来，随着长江下游干流流域经济的迅速发展，排入长江的氮磷等营养盐亦随之增加。另外，近些年来长江中上游建立了许多大型水利工程，如三峡水库等，这对长江干流的水文过程以及水体中污染物分布产生一定的影响。本研究主要考察长江下游干流污染物氮的空间分布及其变化规律，分析影响氮营养盐分布的因素及氮素可能来源，为长江干流水体中氮素的污染控制提供基础数据。

2 数据采集及检测方法

2.1 采样地点

2014年6月沿江采集水样，途经九江(湖口)、安庆、大通、芜湖、南京、镇江、南通、上海等主要城市段，根据各个城市特点共设置17个采样断面。采样断面分别在城区的上游、中游、下游，其中城区上游是指该城市最上的一个排污口以上，城区下游是指该城市最下的一个排污口以下，中游是指长江在该城市段上游和下游中间的位置。断面布置左、中、右3条垂线，中垂线为河道中泓，左右垂线分别距岸边100 m和200 m，中垂线和部分左右垂线取3点(水面下0.2倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深)。

2.2 检测分析方法

TN检测采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;TDN检测是将水样通过0.45 μm滤膜过滤后，再用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法进行检测;而检测则采用纳氏试剂分光光度法;溶解氧(DO)、水温(T)、叶绿素a(Chl-a)等采用多参数水质分析仪(YSI)现场检测;数据采用 SPSS 16.0和Origin 8.5软件进行分析。

3 结果与讨论

3.1 长江下游干流水体中氮的组成及含量分析

调查结果表明，长江下游干流TDN占TN的66.67% ～98.52%，表明研究区域内水体中溶解性氮为氮素的主要形态，与鄱阳湖乐安江流域和海河流域子牙水系河流中的氮素组成相似［7－8］。长江下游干流水体中各层氮含量如表1所示。

表1 表层、中层、底层水体中氮的含量Table 1 Concentration of nitrogen in surface，middle-layer and bottom-layer waters mg/L

由表1可知:表层和底层水体中TN的平均含量高于中层水体中TN平均含量，这有可能是因为研究区域内近期有氮素输入，另外，底泥可能释放一定的氮素至上覆水中;表层水体中TDN平均含量比中层和底层TDN的平均含量高，而中层水体和底层水体中TDN的平均含量相近;表层、中层和底层水体中含量分别为0.30，0.29，0.31 mg/L，表明长江下游干流中表层、中层和底层水体中平均含量均相差不大。

3.2 长江下游干流水体中不同形态氮的垂直分布

水体中氮形态分布受外源氮的输入、沉积物内源氮的释放及湖泊生物硝化和反硝化的多重影响［9］。长江下游干流各采样点表层和底层水体中TN含量如图1所示。

从图1可以看出，长江下游干流水体中，除鄱阳湖汇入点TN含量未超标外，其它地方表层和底层的TN均不同程度超出了《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类水质标准(1.5 mg/L)，这主要是由于鄱阳湖湖水的汇入对江水中的TN具有稀释作用。局部地区(如上海上游和上海下游等)水体中的TN超出了地表水Ⅴ类标准(2.0 mg/L)，这与长江下游干流地区沿江局部有不同的点源氮素的输入有关。部分地区江水中泓处的TN含量都要低于左、右岸的TN，这主要是江中泓位置水体流速较快，水质更新快，氮素不易富集所致。有近1/3的采样点底层中TN的含量高于表层TN的含量，可能与沉积物内源氮的释放有关［10］。

图1 水体中TN空间分布特征Fig.1 Spatial distribution characteristics of total nitrogen in water samples of lower Yangtze River

长江下游干流中泓处水体中TDN含量分布如图2所示，在研究区域内，TDN空间变化特征与TN变化特征相似，这与高海鹰等［7，10］研究不同形态氮源污染结果相一致。采样点的中层水体中TDN含量基本低于表层和底层水体中TDN含量，这是由于表层水体易受到人为氮素输入源的影响，而且底层沉积物中氮的释放对底层水体中的氮素有一定的贡献。在研究区域内，由上游至下游，水体中TDN含量沿江有上升的趋势，研究区域的下游地区沿江可能有TDN的输入源。

图2 水体中TDN的空间分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of total dissolved nitrogen in water samples of lower Yangtze river

图3 水体中-N的空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of total-N in water samples of lower Yangtze river

3.3 长江下游干流氮素的沿程分布

不同城市段氮素的平均含量均不同，如图4所示。由图4(a)可知，从上游至下游TN的分布:总体上表层、中层和底层水体中的TN均呈现出上升趋势，表层和底层水体中的TN平均含量相近。其中九江段表层和底层水体中的TN平均含量最低，安庆段中层水体中TN平均含量最低，上海段的水体中的表层、中层、底层的TN平均含量最高。这说明氮素在不同城市河段的水体分布不均，这可能是因为不同城市氮素的输入量不同所致。

从上游至下游，采样点的TDN平均含量变化特征:总体上TDN平均含量与TN平均含量呈现相似趋势(如图4(b)所示)。大通的表层和底层水体TDN平均含量突然增大，这可能由于该段水文条件发生变化，致使底泥中氮素释放，另一方面，当地可能有氮素的输入源。

图4 不同城市段长江干流水体中TN，TDN和-N平均含量Fig.4 Average contents of TN，TDN and-N in different cities along the mainstream Yangtze river

3.4 水的理化参数与长江下游干流氮素的相关性分析

此次主要分析了溶解氧(DO)，浊度(TUR)，水温(T)，叶绿素a(Chl-a)对长江下游干流氮素分布的影响。采用SPSS 16.0软件对水体理化参数与水体中TDN含量进行相关性分析，分析结果如表2所示。

表2 TDN与水体理化参数的相关性分析Table 2 Result of correlation analysis between total dissolved nitrogen and the physical and chemical properties of water

从表2中可看出，TDN与T和Chl-a呈显著负相关，相关系数分别为 －0.583(p=0.029 ＜ 0.05)和 －0.566(p=0.035 ＜0.05)(见表2)，这说明氮对藻类的生理活动有一定的影响［14］，T等其它环境因素可能对氮素的含量分布有影响。同时还发现，T与Chl-a呈显著正显著相关，相关系数为0.761(p=0.002＜0.01)，这说明T对Chl-a也有一定的影响。

4 结论

本研究通过对长江干流下游水体中氮素的含量进行分析，得出以下主要结论。

(1)长江下游干流水体中不同深度水体中氮素含量有所差异。表层和底层水体中TN平均含量均高于中层水体中TN平均含量;表层TDN的平均含量比中层和底层TDN的平均含量高，而中层和底层中TDN的平均含量相近;水体中表层、中层和底层中的平均含量均相差不大。TDN是氮素赋存在长江下游干流水体中的主要形态。

(2)研究区域从上游至下游，TN和TDN的平均含量呈现上升的趋势，而且不同城市间的平均含量波动较大。

(3)通过相关性分析发现，TDN与Chl-a呈显著负相关。T与Chl-a呈显著正相关。其它形态氮与水的理化性质没有明显相关关系。

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