洱海入湖河口湿地沉积物氨氮释放潜力研究

袁海英，梁启斌，侯 磊，陈 鑫

(西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224)

洱海是云南省第二大高原湖泊，流域内社会经济发展加大了洱海的生态环境风险，水质开始由富营养的初期阶段向富营养化中期阶段转变[1-2]。洱海北部地势平坦、村镇密集，农业及农村面源污染问题突出，且流经此区域的罗时江等河流入湖污染负荷高，养分随径流入湖，加剧了洱海的富营养化[3]。2009年建成并稳定运行至今的罗时江河口湿地为削减上游面源污染做出了较大贡献，TN负荷削减量为38.4 t·a-1[4]。前期研究结果显示，罗时江河口湿地表层(0～10 cm)沉积物TN和NH4+-N含量高，积累了大量污染物，存在着极高的内源释放风险[5-6]。为进一步探明沉积物是罗时江河口湿地NH4+-N的“源-汇”关系，急需开展沉积物NH4+-N释放潜力方面的研究。

当前学者对湖泊沉积物营养盐释放潜力及与理化指标的关系研究较广泛，采用的研究方法主要包括间隙水浓度梯度法、实验室培养法(静态培养、连续流动培养)、原位箱测定法等。连续流动培养法具有操作简单、数据易得，同时实验装置中注入的恒定水流与自然条件较接近的特点[7]。罗时江河口湿地为人工恢复湿地，水深较湖泊浅，易受风浪影响干扰水-沉积物界面营养盐的交换。此外，已有研究往往是通过静态培养的方式进行模拟实验，根据培养天数长短不同而进行的连续流动培养实验以探究营养盐释放规律的研究则鲜见报道。该研究将罗时江河口湿地作为研究区，采用连续流动培养法进行沉积物-水界面NH4+-N的释放潜力研究，着重从不同培养天数角度阐述其释放规律，可为湿地来水停留时间的确定提供数据参考，丰富现有的沉积物-水界面NH4+-N释放通量数据，为今后洱海流域人工湿地的设计、建设及管理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

罗时江发源于大理市洱源县右所中和村和兆邑村交界处，是洱海北部3条主要的入湖河流之一，流经右所、邓川、上关3个乡镇，在沙坪九孔桥注入洱海，全长18.29 km，年径流量约为0.526 2亿m3，占洱海总来水量的5.9%[8]。夏季罗时江有机污染水平高于其他季节，全年水体中TN浓度均处于较高水平，受农业面源污染影响较大[9]。

罗时江河口湿地(25°56′ 52.8″～25°57′ 24.9″ N，100°05′ 59.9″～100°06′ 5.9″ E，图1)位于洱海北部湖湾，湿地总占地面积为48.467 hm2，其中作为研究区的水域面积为44.467 hm2。为北亚热带高原季风气候区，年均气温约15.6 ℃。湿地内主要有金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)、穗状狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、微齿眼子菜(Potamogetonmaackianus)、睡莲(Nymphaeatetragona)、茭草(Zizanialatifolia)、莲(Nelumbonucifera)、芦苇(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaorientalis)等优势植物群落。

1.2 样点布设与现场采样

根据植物类型、水流流向、空间分布的均匀性等布点原则，罗时江河口湿地共布设8个采样点(图1)，其中LSJ7号点为罗时江河口湿地主要进水口，LSJ8为黑泥沟湿地进口，该河长仅为2.85 km，汇水面积小，除雨季外无水流入湿地，LSJ1号点为出水口。

在2017年8月至2018年2月期间，每月采集罗时江河口湿地水、表层沉积物样品。上覆水样品于沉积物上方30 cm处取得，每次采集500 mL置于聚乙烯塑料瓶中，低温保存带回实验室。表层沉积物样品采用柱状分层采样器采集表层沉积物(0～5 cm)，然后装在聚乙烯袋中避光保存带回实验室后经风干处理，过5 mm孔径不锈钢筛，进行下一步检测。使用哈纳HI 98194水质分析仪现场同步测定上覆水、沉积物的温度(T)、pH值、溶解氧(DO)浓度、氧化还原电位(ORP)等理化参数。水样TN浓度采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度计法测定，沉积物TN含量采用凯氏蒸馏定氮法测定，上覆水NH4+-N浓度和沉积物NH4+-N含量分别采用纳氏试剂分光光度法和氯化钾溶液提取-分光光度法测定。

1.3 连续流动培养实验与装置

2018年4月使用8个相同的有机玻璃柱状采样器(高1 m)分别采集罗时江河口湿地各监测点未被扰动的沉积物原柱样，每管沉积物长度不低于15 cm，保留上方水样(水深不低于10 cm)，两端加盖密封，垂直放置带回实验室。同步取上覆水样20 L，用于实验室连续流动培养实验，该研究的培养温度同室温一致，实验装置如图2所示[7]。持续5 d的培养实验过程中控制蠕动泵流速和湿地现场水流速度一致，每24 h测定进出水NH4+-N及DO浓度、pH值等理化指标。

图2 实验装置示意Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

1.4 数据处理与计算

考虑流动培养速度、培养前后进出水质量浓度变化及柱样中沉积物面积，沉积物-水界面营养盐释放速率计算公式为[7]

Fn=(Co-Ci)×qv/S×60×24×10-3。

(1)

式(1)中,Fn为第n次取样测定的释放速率，mg·m-2·d-1；Co和Ci为第n次取样时出水及进水中某物质的质量浓度，mg·L-1；qv为蠕动泵流量，mL·min-1；S为有机玻璃柱状采样器截面面积，m2；60和24为时间换算因子。Fn>0表示营养盐自沉积物向上覆水释放；Fn<0表示营养盐自上覆水向沉积物释放。

该研究中的数据均使用Office 2010软件进行预处理，用Origin 9.1软件绘图，数据统计与分析使用SPSS 23软件完成。

2 结果与分析

2.1 上覆水和沉积物理化指标及氮含量动态变化

罗时江河口湿地各区位采样点上覆水及表层沉积物理化指标如表1所示。湿地上覆水pH值基本呈弱碱性，ρ(DO)多处于4～6 mg·L-1间，上覆水平均深度为0.78 m；表层沉积物pH值则呈弱酸性。

表1 罗时江河口湿地各采样点上覆水及表层沉积物理化指标

Table 1 Physico-chemical indexes of overlying water and surface sediments at different sampling points of Luoshijiang Estuarine Wetland

采样点上覆水表层沉积物pH值ρ(DO)/(mg·L-1)ORP/mVT/℃pH值ORP/mVT/℃LSJ17.50±0.395.54±3.15125.53±68.2916.38±4.406.82±0.23-220.81±3.3518.00±4.60LSJ27.58±0.325.89±2.32145.28±68.7316.29±4.937.03±0.26-174.69±30.2217.28±4.15LSJ37.35±0.245.52±3.57119.31±81.1516.59±4.186.87±0.24-240.20±77.2617.40±3.66LSJ47.54±0.345.84±3.1795.70±88.2117.26±4.026.99±0.39-205.41±42.1217.65±3.73LSJ57.55±0.354.59±2.9575.29±125.6715.87±5.326.95±0.22-135.41±109.1416.13±4.39LSJ67.44±0.384.43±2.9943.75±63.8116.19±5.116.84±0.17-198.87±36.4918.12±3.76LSJ77.56±0.294.56±2.07135.59±60.4416.83±4.826.58±0.17-177.03±14.4818.27±3.09LSJ87.13±0.333.97±2.238.89±151.6616.09±4.356.74±0.19-184.40±30.8417.93±3.19

罗时江河口湿地上覆水氮时间变化如图3所示，2017年11月上覆水TN浓度高于其他月份, NH4+-N浓度2018年2月较高。从平均值看，上覆水NH4+-N浓度随时间变化差异较大。湿地表层沉积物氮含量如图4所示，2017年10月和12月湿地表层沉积物TN含量处于较高水平，而NH4+-N含量高值出现在10月份。

2.2 上覆水、沉积物氮空间分异

罗时江河口湿地上覆水氮空间分布变化如图5所示，通过ANOVA方差分析和最小显著差异法(LSD法)检验不同采样点之间上覆水TN和NH4+-N浓度差异性，上覆水TN和NH4+-N浓度在不同采样点之间差异不显著。湿地上覆水ρ(TN)为3.11～5.13 mg·L-1，平均值为3.78 mg·L-1，超过GB 3838—2002《国家地表水环境质量标准》Ⅴ类标准限值，处于高污染水平。上覆水TN浓度最高值出现湿地进水口处(LSJ7号点)，最低值出现在LSJ2号点附近，大体呈从湿地进水口到出水口递减的趋势。ρ(NH4+-N)为0.32～0.62 mg·L-1，平均值为0.42 mg·L-1。从空间分布(图5)上看，罗时江河口湿地上覆水NH4+-N浓度最高区域与TN一致，总体上西北部浓度较高、东部较低，浓度最低的区域为LSJ3号点。

*表示最大值与最小值，□表示平均值，箱体上中下横线分别表示上四分位数、中位数、下四分位数。

*表示最大值与最小值，□表示平均值，箱体上中下横线分别表示上四分位数、中位数、下四分位数。

直方柱上方英文小写字母不同表示不同采样点间某指标差异显著(P<0.05)。

如图6所示，通过ANOVA方差分析和最小显著差异法(LSD法)检验不同采样点之间表层沉积物TN和NH4+-N含量的差异性，表层沉积物TN含量在不同采样点之间无显著差异，但是表层沉积物NH4+-N含量在不同采样点之间存在极显著差异(P<0.01)。w(TN)为1 264.83～2 554.48 mg·kg-1，平均值为2 133.58 mg·kg-1；空间上看，LSJ8号点表层沉积物TN含量最高，LSJ3、LSJ6号点较高，湿地出水口处LSJ1号点最低，整体上呈现自湿地入水口向出水口递减趋势。w(NH4+-N)为13.56～63.42 mg·kg-1，平均值为30.63 mg·kg-1。北侧表层沉积物NH4+-N含量明显高于其他区域，南部次之，中部最低，最高值出现在LSJ7号点附近区域，最低值处于LSJ3号点附近。

直方柱上方英文小写字母不同表示不同采样点间某指标差异显著(P<0.05)。

2.3 罗时江湿地NH4+-N释放通量

罗时江河口湿地的沉积物-水界面表层沉积物NH4+-N释放通量为270.60～747.58 mg·m-2·d-1，由沉积物向上覆水扩散，表现为NH4+-N的“源”。湿地内部不同区域NH4+-N的释放通量存在差异，LSJ8号点NH4+-N释放通量最大(747.58 mg·m-2·d-1)，LSJ1号点NH4+-N释放通量最小(270.60 mg·m-2·d-1)。

不同培养天数下罗时江河口湿地沉积物-水界面沉积物NH4+-N释放通量如图7所示。通过ANOVA方差分析和最小显著差异法(LSD法)检验不同培养时间与表层沉积物NH4+-N释放通量，发现不同培养时间与表层沉积物氨氮释放具有极显著差异(P<0.01)。释放通量先降低再增加，各采样监测点在培养第3天时达到最小值，之后又开始递增。因此，在洱海流域湿地恢复建设设计时，建议该季节湿地水力停留时间设置为3 d。

图7 不同培养天数下NH4+-N释放通量Fig.7 NH4+-N release flux in different culture days

3 讨论

3.1 上覆水、表层沉积物N空间分异

罗时江河口湿地11月上覆水TN、NH4+-N浓度较高，因为此时降水少，水体流动性较低。LSJ7号监测点上覆水TN、NH4+-N浓度最高，与上游的罗时江密切相关，是洱海流域污染较严重的河流之一。上游区域村镇集中，牲畜家禽养殖规模大、作物种植面积广，农村生活污水肆意排放、牲畜粪便及随意堆放在河道岸边的农作物秸秆等经雨水冲刷进入罗时江，加剧了水体污染负荷[9-13]。湿地中南部的LSJ2和LSJ3号点距离入水口处较远，加之湿地本身具有净化水质的作用，成为上覆水TN、NH4+-N浓度最低的区域。从总体看，罗时江河口湿地上覆水TN、NH4+-N浓度仍处于较高水平。相关性分析结果(表2)显示上覆水TN、NH4+-N浓度呈显著正相关(P<0.05)，说明上覆水TN浓度受到NH4+-N浓度影响。

表层沉积物TN、NH4+-N含量与上覆水关系密切，相关性分析结果显示表层沉积物NH4+-N含量和上覆水浓度呈极显著正相关(P<0.01)。罗时江河口湿地表层沉积物TN含量最高值出现在LSJ8号点、NH4+-N含量最高出现在LSJ7号点，是由于LSJ7、LSJ8号点上覆水TN、NH4+-N浓度高，尤其LSJ8号监测点上游的黑泥沟具有河道短、汇水面积小、入水流量小的特点，该点的水动力条件差、流速缓慢、扰动较少，致使污染物大量沉积至湿地表层沉积物，加剧内源释放风险。

表2 罗时江河口湿地上覆水和表层沉积物理化指标相关系数

Table 2 Correlation coefficients between physico-chemical indicators of overlying water and surface sediments in Luoshijiang Estuarine Wetland

项目指标上覆水相关系数沉积物相关系数ρ(TN)ρ(NH4+-N)pH值ρ(DO)ORPTw(TN)w(NH4+-N)pH值ORP上覆水ρ(NH4+-N)0.300∗pH值-0.0240.324∗ρ(DO)-0.1180.0960.775∗∗ORP-0.0040.1870.558∗0.666∗∗T-0.056-0.047-0.431∗∗-0.747∗∗-0.595∗∗沉积物w(TN)0.136-0.006-0.201-0.093-0.016-0.175w(NH4+-N)0.1820.384∗∗0.035-0.0100.0220.044-0.017pH值-0.313-0.0240.1910.047-0.1530.191-0.148-0.353∗∗ORP-0.1320.183-0.087-0.294∗-0.0060.0050.1740.0190.166T0.003-0.094-0.536∗∗-0.808∗∗-0.588∗∗0.947∗∗-0.1240.1090.037-0.027

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

表层沉积物TN含量最低点是LSJ1号点，该点位于湿地出水口处，上覆水浓度较低，携带的营养物质沉积较少。NH4+-N含量低值出现在中部区域，该区域植物种类丰富、数量多，已有研究表明人工湿地的建设在改善水质方面起到了一定的作用[4]，芦苇、茭草这2种湿地植物对氮的去除效果较好，年均氮移除量为11.50 t·a-1[14]，罗时江河口湿地中部区域广泛种植芦苇、茭草、莲、睡莲等植物，对氮有一定的去除作用，降低上覆水营养盐沉积，使表层沉积物NH4+-N含量较低。

pH值一直被认为是影响湖泊沉积物氮释放、底泥中微生物的活性的一个重要因素，较高或者较低的pH值会加剧沉积物氮释放过程[4]。将上覆水、表层沉积物TN、NH4+-N含量与pH值、DO浓度、温度等作相关性分析(表2)，上覆水NH4+-N浓度与pH值呈显著正相关(P<0.05)，表层沉积物NH4+-N含量与pH值呈极显著负相关(P<0.01)。罗时江河口湿地pH值普遍在7左右，呈弱酸性，由于H+的存在，能够与表层沉积物中的NH4+离子交换，硝化细菌活动受抑制，表层沉积物中的积聚的NH4+-N不断向上覆水释放，使得上覆水中NH4+-N浓度较高[15]。

3.2 沉积物NH4+-N释放潜力

3.2.1沉积物NH4+-N释放通量

罗时江河口湿地沉积物NH4+-N释放通量为270.60～747.58 mg·m-2·d-1。北侧LSJ7、LSJ8号点较高，两者分别为罗时江、黑泥沟注入湿地的入水口处，原因可能是直接接纳上游和周边村镇未经过处理的生活污水和农业废水。与表层沉积物和上覆水NH4+-N浓度相比，LSJ 7、LSJ 8号采样点均表现出较高的NH4+-N浓度，与原柱样连续流动培养的结果一致。与国内其他湖泊、湿地沉积物NH4+-N释放通量(表3)对比，罗时江河口湿地的NH4+-N释放通量远高于其他湖泊、湿地。对比采用同样实验方法的太湖，罗时江河口湿地沉积物TN含量略高于太湖(0.64～2.09 g·kg-1)[7]，营养盐释放易受到风浪扰动、微生物等作用影响，研究区属河口湿地，除接纳上游未处理的来水，内部常年生长水生植物，在微生物影响下，可将其他形式的氮转化为能够吸收的NH4+-N，加剧释放风险[16]。

表3 国内湖泊、湿地沉积物NH4+-N释放通量对比

Table 3 Comparison of release fluxes of NH4+-N among sediments of lakes and wetlands in China

研究区域研究方法培养温度/℃氨氮释放通量/(mg·m-2·d-1)参考文献滇池静态培养14～1622.941～163.117[17]滇池间隙水浓度梯度2.85～81.96[17]巢湖静态培养室温14.27～128.24[18]太湖连续流动培养与现场温度一致103.35±13.17[7]瘦西湖静态培养2035.3～90.1[19]白洋淀间隙水浓度梯度-9.3～38.3[20]闽江口盐淡水湿地静态培养-39.223～25.926[21]黄河口湿地静态培养-165.265～125.211[22]长江口潮滩静态培养与现场温度一致-332.875～192.147[23]洱海连续流动培养室温270.60～747.58该研究

5 d的连续流动培养实验中每日取原柱样进、出水测定物理指标并进行相关性分析，发现NH4+-N释放通量与进水pH值呈显著负相关(P<0.05)。已有研究表明，6

3.2.2沉积物NH4+-N释放速率的时间特性

罗时江河口湿地沉积物氮含量较高，存在着向上覆水释放的风险，室内模拟实验结果表明不同培养时间条件下的NH4+-N释放通量存在差异，培养第3天的释放通量最小，建议洱海流域该季节湿地设计水力停留时间为3 d。室内模拟实验中5 d培养过程中单个原柱样进水NH4+-N浓度及流速恒定，释放通量变化并非水动力及进水污染物浓度差异的原因可能是随着培养时间的增加，pH值随之变化，部分N转化为气态氨排出，进而影响沉积物NH4+-N向上覆水释放。微生物作用也可能成为沉积物NH4+-N释放通量较小的原因[30]。在罗时江河口湿地管理时应注意其内源释放风险，根据NH4+-N释放通量的时间特性，控制水力停留时间，综合考虑湿地污染特点，配套引用工程措施、生物措施等加以管控，实现洱海上游罗时江综合治理目标[31]。

4 结论

(1)罗时江河口湿地上覆水ρ(TN)和ρ(NH4+-N)为3.11～5.13和0.32～0.62 mg·L-1。表层(0～5 cm)沉积物w(TN)和w(NH4+-N)为1 264.83～2 554.48 和13.56～63.42 mg·kg-1。湿地上覆水TN浓度和沉积物TN含量大致自入水口向出水口递减，上覆水NH4+-N浓度西北高、东部低，表层沉积物NH4+-N含量北部最高，南部次之，中部最低。

(2)罗时江河口湿地沉积物总体表现为NH4+-N的“源”，NH4+-N的释放通量为270.60～747.58 mg·m-2·d-1，处于较高水平。从不同培养天数看，采样点NH4+-N的释放通量在第3天达到最小值，建议此季节最佳水力停留时间为3 d。