兴隆水利枢纽对汉江河岸带氮素分布特征的影响

陈淑娴，尚睿华，冯予诚，王志强，马 腾

（1.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430074；2.生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

河岸带是指与河水发生作用的陆地植被区域，是河水-陆地交界处的两边，直至河水影响消失为止的地带[1]。河岸带作为连接水、陆生态系统的枢纽，可进行物质、能量和信息的交换。河岸带生态环境具有地下水埋深浅、动态性强、生物物理环境复杂等特点，是氮循环的热点区域[2]，在控制氮素污染的输入和净化河流水质方面具有重要作用。李锐等[3]研究发现长江上游江津段德感坝河岸带对总氮的拦截率为45.05%；Peterjohn等[4]研究表明河岸带每年每公顷能去除氮素20～1 600 kg；Mariet等[5]的研究表明，森林和草地类型植被构成的河岸带对总氮的去除率为13%～99%。

水利工程在防洪、供水等方面所带来的社会经济效益是显而易见的，但其导致生态功能下降的负面效应却易被忽视。建造在河流上的水利工程破坏了河流的连续性[6]；水坝调节了河流的流量和流速，蓄水发电改变了水位，从而改变了河流的水文机制、传播过程和地貌特征，进而引起了植被物种丰富度、植物组成和分布的变化[6]。同时，河流水文机制的变化会引起土壤氧化还原等条件的改变，进而影响氮在土壤中的转化[7]。

研究河岸带沉积物中氮的含量分布特征是探明河岸带氮循环的基础工作，具有显著的现实需求。氮是土壤中重要的营养元素，可直接反映土壤所在生态系统的营养状况，并且是全球氮循环的重要参与者[8]。河岸带沉积物是氮的主要源和汇，它既可以接受来自水体沉降、颗粒物输运所埋藏的氮，也可以在合适条件下释放分解氮使之进入水体进行循环[9]。土壤的氮浓度越高，其对水体氮的吸附能力就越弱，而向水体释放氮的能力就越强[10]，所以查明沉积物中氮的含量对研究河岸带的氮循环具有重要影响。

汉江流域农业发达，水系密集、湖泊河流交错分布，然而由于农业氮肥长期且不合理使用，导致地下水-沉积物系统中氮污染严重[11-12]。此外，汉江流域也是水利工程密集建设区，在丹江口水库下游段内，已建、拟建9级水利枢纽，其中包括兴隆水利枢纽。明确兴隆水利枢纽对汉江下游河岸带氮素分布的影响，将对河库水质安全及水文生态环境的保护具有重要意义。鉴于此，本研究选取汉江下游兴隆段河岸带作为研究对象，沿大型水利工程（兴隆水利枢纽）上、下游处布设河岸带采样区，采集沉积物样品，分析沉积物中氮素含量及其土壤理化性质，查明汉江下游兴隆段河岸带沉积物氮素含量及其分布特征。在此基础上，探讨兴隆水利枢纽对河岸带氮素分布的影响，旨在为受水利工程影响的河岸带生态保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

汉江发源于陕西省宁强县，是长江最长的支流，全长1 577 km，流域面积159 000 km2。汉江流域位于亚热带季风气候区，年均降水量804 mm，总降水量的75%集中在5—10月的雨季；年均气温12～16℃，绝对最高和最低温度分别为43℃和−13℃[13]。汉江流域西北高，东南低；从源头到丹江口水库的上游地区具有典型的山地景观；汉江中游地区一般的划分是从丹江口至钟祥，以低山丘岗地貌为主；钟祥至汉口是下游地区，以冲积泛滥平原为主。汉江流域中下游水系发达，河网纵横交错，湖泊众多，地表水与地下水资源丰富，水力联系紧密。汉江流域下游地区受冲洪积作用影响，发育土壤多为砂土、壤土[14]，渗透性高。

汉江中游的丹江口水库为南水北调工程的枢纽，每年南水北调工程从汉江调水95×108m3，导致汉水下游水量减少，水体稀释能力下降。汉江下游以冲积平原为主，农业和养殖业发达，氮肥输入过量，导致土壤和水体中氮污染严重[11-12,14]。

受南水北调工程影响，汉江中下游平均水位下降0.5 m[15]。为了保证汉江下游的水位及生态环境，在汉江沙洋建设了兴隆水利枢纽和引江济汉工程。在汉江下游已建和拟建的9级水利枢纽中，兴隆水利枢纽是最后一级，属于南水北调中线汉江四项治理工程之一，其建设将上游水位抬升并稳定至36.2 m[16]，用以保障水利枢纽上游的生态水位和航运。引江济汉工程每年从长江荆州段调水15×108m3，以提高汉江兴隆段下游的水位，但引水量远远小于南水北调的调水量。兴隆水利枢纽的建设导致上游蓄水，地下水位明显抬升，下游水位明显降低，上下游高差约10 m（图1）。

兴隆段河岸带受南水北调和引江济汉两大工程交汇作用，在汉江流域内极具代表性；同时，研究区河岸带内分布有砂质壤土、壤质砂土和粉砂质壤土，基本涵盖了汉江流域下游地区河岸带的各类土壤类型，因此兴隆段河岸带是研究重大水利工程对河岸带氮素分布影响的理想区域。

1.2 样品采集与测定

1.2.1 采样点布置

本研究于2018年8月（丰水期）在汉江兴隆段河岸带进行采样。以兴隆水利枢纽为对象，在汉江兴隆大坝上游（A剖面）、兴隆大坝下游及引江济汉上游（B剖面）、引江济汉工程下游（C剖面）设置3个河岸带采样剖面，分别距兴隆大坝0.5，2.0，15.0 km远（图2）。因为汉江对地下水及沉积物的影响距离范围达1.5 km左右[16]，所以每个剖面单侧河岸带控制长度为1.0～2.0 km，距汉江边缘由近及远布置5个采样点，相邻采样点水平间距控制在30～500 m。各采样点使用荷兰钻，每30 cm采集一柱状沉积物样品直至潜水面，采样点垂向控制深度在1.2～4.5 m之间（图2）。

图1 兴隆大坝上、下游水位变化Fig.1 Changes of water level above and below Xinglong Hydro-Junction

图2 汉江兴隆段河岸带采样点布置及沉积物岩性分布图Fig.2 Sampling site layout and sediment lithologic map of Xinglong section riparian zone of Han River

由图2可知，研究区河岸带沉积物岩性多为砂质壤土、壤质砂土、粉砂质壤土、壤土、粉砂质黏土，渗透性高。样品采集于保鲜膜中，用铝箔纸包裹严密隔绝空气并避光，装入真空袋中抽真空密封，储存于冷冻袋制造的低温环境中，运输到实验室进行冷冻保存。

1.2.2 测试方法

沉积物样品的氧化还原电位（Eh）在野外使用土壤ORP计测定；沉积物有机碳（TOC）使用Vario TOC总有机碳分析仪（Elementar，德国）测试；总氮（TN）采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法；铵态氮（-N）、亚硝态氮（）和硝态氮（）采用氯化钾溶液提取-分光光度法（HJ 634—2012）；有机氮（ON）由TN减去和所得；沉积物含水率用105℃，24 h烘干法测定；沉积物pH值以水为浸提剂采用电位法（土水比为1∶2.5）测定（NY/T 1377—2007）；粒度使用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000）进行测定。每批样品的测定都根据相关测定标准进行空白试验、平行样品和加标样品的测定，测试结果符合各标准的质量保证和质量控制要求。

2 河岸带氮素空间分布特征

2.1 河岸带沉积物氮素含量及其统计学特征

表1 河岸带沉积物含量及其统计学特征Table 1 contents and their statistical characteristics in riparian zone sediments

表1 河岸带沉积物含量及其统计学特征Table 1 contents and their statistical characteristics in riparian zone sediments

A剖面 B剖面 C剖面 综合变化范围/（mg·kg−1） 29.80～806.0 23.30～960.0 12.40～1 010 12.40～1 010 TN W（平均值±标准差）/（mg·kg−1） 282.0±168.0 251.0±189.0 199.0±202.0 242.0±190.0变异系数/% 59.80 75.50 101.0 78.60变化范围/（mg·kg−1） 0.104 0 ～5.230 0.005 000～2.570 0.031 00～0.493 0 0.005 000～5.230 NH+4-N W（平均值±标准差）/（mg·kg−1） 0.559 0±0.887 0 0.360 0±0.459 0 0.171 0±0.107 0 0.352 0±0.569 0变异系数/% 157.0 128.0 62.30 162.0变化范围 /（mg/kg） 0.012 00～1.060 0～0.482 0 0.014 00～0.476 0 0～1.060 NO−2-N W（平均值±标准差/（mg·kg−1） 0.117 0±0.217 0 0.048 00±0.095 00 0.053 00±0.084 00 0.070 00±0.142 0变异系数/% 186.0 199.0 157.0 203.0变化范围/（mg·kg−1） 0～54.4 0～29.6 0.184～25.3 0～54.4 NO−3-N W（平均值±标准差）/（mg·kg−1） 5.020±9.300 3.430±5.320 3.970±5.380 4.090±6.730变异系数/% 185.0 155.0 135.0 165.0

2.2 不同方向上河岸带沉积物氮素含量的变化

2.2.1 TN含量在不同方向上的变化

纵向上，由表1可知，不同剖面之间TN含量表现出的规律为：A剖面＞B剖面＞C剖面，处在兴隆大坝上游的A剖面的TN平均含量分别是B、C剖面的1.12倍和1.41倍。

在水平方向（横向）上，随着距河距离的增加，A剖面沉积物TN含量在堤外呈先增加后减少的变化规律，到堤内含量增加至峰值后减少（图3）；B、C剖面TN含量均在堤外呈增加的趋势，到堤内增加至峰值后减少。虽然3个剖面在水平方向上的变化规律不同，但可以看出3个剖面中TN含量最大的采样点均在堤内，尤其是在表层土壤这个规律表现得更为明显，表明氮素在堤内积累较多。

从垂直剖面看，3个剖面不同采样点表层土壤（0～30 cm）的TN含量都较高，绝大部分采样点TN含量峰值出现在表层土壤中；到30～60 cm处，TN含量都迅速减少；60 cm以下，TN含量随着深度增加呈不规则变化。总体而言，TN含量随着深度的增加呈现减少的趋势（图3）。表层土壤TN高于其他土层的原因在于表层土壤有较多氮的输入（人类活动氮排放、植被凋落物、大气氮沉降等）[21]，导致氮的积累。

2.2.2 “三氮”含量在不同方向上的变化

纵向上，由表1可知，不同剖面之间无机态氮含量表现出的规律为：，A剖面＞B剖面＞C剖面；和，A剖面＞C剖面＞B剖面。其中A剖面NH4+-N的平均含量分别是B、C剖面的1.55倍和3.27倍，的平均含量分别是B、C剖面的2.44倍和2.21倍，的平均含量分别是B、C剖面的1.46倍和1.26倍。不管是TN还是“三氮”，处在兴隆大坝上游的A剖面氮素含量都大于下游的B、C剖面。NH+4-N含量在堤外含量变化较小，到堤内含量急剧增加至峰值后减少（图4）；B剖面在堤外含量呈

图3 河岸带沉积物TN含量在水平和垂直方向上的变化Fig.3 The horizontal and vertical changes of the TN content in the sediments in the riparian zone

图4 河岸带沉积物含量在水平和垂直方向上的变化Fig.4 The horizontal and vertical changes of the contents in the sediments in the riparian zone

在水平方向上，随着距河距离的增加，A剖面增加趋势，到堤内含量锐减后增加；C剖面含量在堤外呈增加趋势，到堤内含量先减少后增加再减少。A、B剖面沉积物含量在堤外呈先增加后减少的趋势，到堤内含量急剧增加至峰值后减少；C剖面含量变化规律与变化规律一致。A剖面沉积物含量在堤外呈增加趋势，到堤内含量减少后增加；B剖面含量在堤外呈减少趋势，到堤内含量继续减少再增加；C剖面N含量在堤外呈减少趋势，到堤内呈增加趋势。

3 讨论

3.1 兴隆大坝对河岸带氮素含量空间分布的影响

由图5可以看出，处在兴隆大坝上游的A剖面，由于受到大坝蓄水的影响，河岸带地下水接受汉江的补给，地下水位受大坝影响较明显，潜水位较处在兴隆大坝下游的B、C剖面埋深浅。A剖面沉积物的TN含量高于B、C剖面的，这是因为水库蓄水导致上游地下水位抬升，大部分沉积物处于长期淹水的状态，发生养分的积累[22]。河岸带沉积物中的有机物质主要来源于土壤原有机物的矿化和动植物残体的分解，有机物质的输出则主要包括分解和侵蚀损失[23]。沉积物经常处于淹水状态，氧化还原电位低，形成大量还原性物质，有利于有机质积累，国内外很多研究都已经证明了这一点[24-25]，再加上渍水厌气，微生物活动受阻，有机质分解减弱[22]。研究区沉积物中的氮素主要以有机态（平均值97%）存在，因此有机氮含量越高，TN量也越高[22]。同理，由于同时受到汉江堤防的约束，大坝建设后会对堤内地势低平区域造成浸没影响[16]，所以A剖面TN含量最大的采样点在堤内（图3）。

图5 采样点的距江距离、海拔及地下水水位Fig.5 The distance from the river,altitude and groundwater level of the sampling point

值得注意的是，XL03采样点的“三氮”含量变化特征与其他采样点具有较大的差异。这是因为XL03点位于兴隆大坝的上游A剖面，因兴隆水利枢纽的蓄水作用，使上游河岸带地下水位抬升，同时位于堤内的XL03相对高程较低，低于堤外各点（图5），导致地下水埋深较浅（0.62 m），土壤氧化还原电位均为负值（−4.0～−10 mV），土壤处于还原状态，不利于N的产生和积累[26]。长期淹水条件下，有机氮经厌氧氨化微生物的作用，矿化产物主要是[27]，导致的积累，因此的峰值出现在靠近潜水面30～60 cm的土层（图4）。

位于兴隆大坝下游的B、C剖面，由于不在大坝库区，河岸带地下水不接受汉江的补给，所以不受大坝的影响。但是由于汉江堤防导致的微地貌差异，B、C剖面堤内的采样点XL08、XL12的潜水位埋深都是同一剖面中最浅的，所以TN含量也是B、C剖面中最高的。相对于A剖面堤内采样点受到水利工程和汉江堤防约束的共同影响，采样点XL08和XL12潜水位没有XL03的埋深浅，所以“三氮”特征并没有表现出XL03的规律。

3.2 土壤理化性质对河岸带氮素含量的影响

水利枢纽对氮素含量空间分布的影响是宏观尺度上的，而聚焦于每个采样点不同深度沉积物样品氮素含量的变化，应与土壤理化性质有关，因为土壤理化性质可通过改变影响氮循环的生物和非生物因素，从而改变氮循环进程，导致氮素含量的变化[18]。

3.2.1 对沉积物TN的影响

由表2可知，沉积物TN与ON呈极显著正相关，沉积物TN中平均97%氮素都为ON，说明有机态氮为沉积物中氮素的主要存在形态。TN与TOC呈正相关，TOC和TN具有相同的变化趋势，氮素的增加能促进植物生长以增加有机碳的积累，有机碳的分解可以促进氮素的释放和转化[28]。土壤pH能影响土壤氮素的转化过程，研究区土壤pH与TN呈负相关，因为较高的pH值会导致土壤硝化作用增强，可能会增加氮素的流失[29]。沉积物TN含量与黏粒、粉粒含量呈正相关，与砂粒含量呈负相关。土壤的细颗粒物质有利于有机氮在土壤中的存留；而砂粒含量则易于有机氮的解吸[30]。

表2 河岸带氮素含量与土壤理化性质相关性分析Table 2 Correlation analysis of nitrogen content and soil physical and chemical properties in riparian zone

3.2.2 对沉积物“三氮”的影响

由表2可知，“三氮”含量均与ON呈正相关，说明沉积物中无机形态氮素含量会受到ON的氨化作用和硝化作用的影响，氮素转化过程对不同形态氮素间的关系具有较大的影响作用[31]，ON含量越高，所矿化生成的“三氮”含量越高。TOC与“三氮”呈正相关，表明有机质的分解是土壤“三氮”的重要来源[31]。

4 结论与建议

（1）本文系统分析了汉江兴隆段河岸带沉积物样品中的氮素含量分布特征，发现大坝上游沉积物中TN、“三氮”平均含量显著大于下游；在同一剖面上，在堤内沉积物中TN含量高于堤外，并且堤内靠近堤防的采样点是“三氮”含量的突变点（剧增或锐减）；在沉积物的垂向上，TN、“三氮”含量呈现自上而下减少的趋势。

（2）大坝蓄水使得大坝上游河岸带地下水位抬升，使沉积物长期处于淹没状态，脱氮能力降低，导致具有较高地下水位的上游沉积物中的氮素含量相对较高。汉江堤防导致的微地貌差异使在同一剖面河岸带堤内地下水位相对较高，所以堤内沉积物中的氮素含量相对较高。另外沉积物氮素含量变化还受土壤理化性质的影响，主要影响因素是有机质的含量，有机质的分解促进氮素的释放。

（3）兴隆大坝蓄水会使库区河岸带沉积物脱氮能力下降。从农业发展角度来看，沉积物氮素积累利于作物的生长；但是从生态保护角度来看，沉积物积累的氮素在水分淋滤、流动作用下，会增加水体氮污染的风险。

（4）应加强汉江下游河岸带土壤环境的管理：一方面严格控制农田、园地的氮肥使用量，使用有机氮肥代替无机氮肥，采用喷灌等节水浇灌方法；另一方面应维持或恢复河岸带的缓冲带功能，运用生物、生态工程的技术与方法，使河岸带生态系统的结构、功能和生态学潜力尽可能地恢复到原有的或达到更高的水平。