春季潘家口水库沉积物-水界面氮磷赋存特征及迁移通量

王洪伟,王少明,张 敏,胡晓康,汤梦瑶,杨凡艳,钟继承*

春季潘家口水库沉积物-水界面氮磷赋存特征及迁移通量

王洪伟1,2,王少明3,张 敏1,2,胡晓康1,4,汤梦瑶1,2,杨凡艳1,钟继承1*

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008；2.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049；3.水利部海河水利委员会引滦工程管理局,河北 迁西 064309；4.安徽师范大学环境科学与工程学院,安徽 芜湖 241000)

以春季潘家口水库沉积物为研究对象,分析了水库整体营养盐污染现状及内源释放特征.通过高分辨率间隙水采样器(HR-Peeper)获得沉积物间隙水,以此分析营养盐垂向分布特征及空间差异性;以原柱样沉积物静态释放试验获取沉积物-水界面营养盐迁移通量,并分析了潘家口水库内源负荷特征.结果表明:库区沉积物营养盐释放风险较高,TN、TP含量分别为3701.59～8221.28和756.28～1696.15mg/kg.通过C/N比确定2017年以前的网箱养殖残留的饲料和鱼粪是水体富营养化的主因.原柱样静态释放结果表明,NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N、SRP交换通量分别为23.71～156.80,-7.37～-161.78,1.64～33.4和0.56～2.86mg/(m2·d),潘家口水库内源负荷相对较高.该结果与水库本身的高有机质及氮磷赋存量、生物分解耗氧及春季逐步提高的水温有关,导致营养盐加速释放进入上覆水柱.潘家口水库的内源负荷能够加速水库的富营养化进程,应采取措施控制潘家口水库内源负荷.

潘家口水库；沉积物-水界面；营养盐；内源负荷；扩散通量

在湖库生态系统中,沉积物作为污染物的内源,有着较为复杂的地化循环途径,是营养盐迁移转化的重要介质:水体中氮磷等营养盐通过河流及地表径流等方式以溶解态及颗粒物态进入水体,最终沉积于底泥中.底泥中累积的高浓度氮磷也会在一定的物理、化学及生物过程作用下进入沉积物间隙水,并以间隙水为媒介,通过梯度扩散、生物扰动及再悬浮等过程重新进入水体[1-3].因此,沉积物既是外源污染物的“汇”,亦是水环境污染潜在“源”.

现阶段,由于国内大量湖库富营养化问题严重,沉积物内赋存高浓度营养盐,使得内源氮磷释放成为湖泊富营养化的主因[4-5].有研究表明,即使有效的控制了湖泊外源营养盐输入,沉积物内源依旧会导致严重的富营养化问题,带来高危害的藻类爆发[6].其中,对于湖库水体环境的高精度模拟,是评估界面间营养盐迁移通量的基本要求.在这一过程中,沉积物内间隙水富集的高浓度营养盐通过沉积物-水界面扩散进入上覆水,是沉积物营养盐释放的关键介质,其本身亦受沉积物结构、pH、离子浓度、水动力条件等影响[7-9].因此其内部营养盐浓度垂向分布特征及界面通量是解释湖泊污染过程的重要一环.

潘家口水库是北方少见的梯级水库,作为引滦入津水利工程的水源地,供水下游的大黑汀、于桥水库,保障了唐山、天津两市约2000万人口的生产生活用水需求.近20年来,由于当地经济发展的现实需求,其养殖业发展规模大、范围广、技术落后,水库主体发展了大量污染严重的网箱养殖,由此导致了水库底层鱼食鱼粪的严重堆积,近年来水体处于劣V类水平,富营养化问题逐步加重,对水源地的供水安全形成不可忽视的威胁[10].随着全国性的网箱养殖治理工作的开展,潘家口水库于2016年对水库内的网箱养殖集中整治,到2017年5月份基本拆除了整个库区的网箱,降低了养殖业带来的营养盐输入风险.但沉积物中营养盐释放带来的内源污染至今依然是水库污染治理的核心问题之一.然而,潘家口水库这类典型的深水水库, 由于其泥水界面相对低温、风浪扰动小、DO季节性变化大,使得沉积物的理化性质较浅水湖泊更为复杂,内部污染物的代谢降解更慢,污染的时间尺度更长,营养盐释放风险性也更大[11-13].现有的深水水库沉积物污染及内源负荷的研究,主要聚焦于与上覆水充分接触的表层沉积物[14];研究内源负荷及迁移过程常使用模型模拟,难以真实反映现实情况下营养盐释放的复杂过程[15].因此,本文利用原柱样静态释放培养及高分辨率间隙水采样技术,研究沉积物-水界面间营养盐交换过程,并从机理角度分析界面间的理化过程,以了解深水水库氮磷在沉积物-水界面的迁移过程及机制,为富营养化水库内源负荷治理提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

潘家口水库(40°22'～40°35'N,118°13'～118°25'E)位于唐山市迁西县与承德市宽城县的交界处(图1),属暖温带半湿润大陆型季风性气候,是典型的山区水库.水库于1979年建成蓄水,承接上游滦河来水,坝上控制面积33700km2,总库容29.3亿立方米,占滦河流域75%面积,下游主库区均深超过30米,坝口建有水电站,发电量15万kW,为多年调节型水库[16-17].水库上游滦河与瀑河形成的汇流区附近基本为山区林地,有少量居民点,主要污染来源为养殖及生活污水排放.

图1 潘家口水库采样点分布

1.2 样品的采集与处理

考虑到春季是潘家口水库夏季富营养化的过渡时期,对分析营养盐释放的规律、诠释深水水库底层营养盐释放有着重要意义.因此本研究于2020年5月进行沉积物及水样采样,自下游到上游布设8个采样点.利用重力柱状采样器(直径9cm、长50cm)采集沉积物原柱样,每个点位采集3根沉积柱样作平行,将采集的原柱样用原位底层水样缓注满后以橡胶塞封口,防止运输过程中的扰动对实验结果造成影响.同时用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品,每个采样点各采集3次,厚度约为10cm,将3次采集的表层沉积物混匀后保存.上覆水的水质理化指标通过多参数水质仪(YSI)测定,同时采集8L原位底层水样用于静态释放培养及水质分析.采样完成后将样品快速运输到位于潘家口水库大坝附近的水利部海河水利委员会引滦工程管理局实验室进行室内的培养及分析.

1.3 沉积物-水界面氮磷通量测定

采集的沉积物原柱样运回实验室后通过虹吸法排干上覆水,用医用输液管将过滤后的原位底层水样沿壁缓慢无扰动地注入沉积物柱中,当上覆水高度达到20cm(1135mL)后停止.根据以往研究及实地采样验证,5月份潘家口水库沉积物上覆水处于低温好氧状态,因此将沉积柱敞口转移至恒温低温循环器(STIK,ILB-008-03)进行约5℃的低温培养[18].在设定好的取样间隔(0,12,24,36,48,60,72h)用50mL注射器连接输液软管从沉积物-水界面以上5cm处采集上覆水50mL,采集的水样收集于50mL聚乙烯瓶中,及时放入4℃冰箱保存,采样结束后立即用过滤后的原位水样补充到20cm高度以保持培养过程中水量一致.释放通量计算公式如下[13]:

式中:为释放速度,mg/(m2·d);为培养柱样中上覆水体积,L;C、0、C-1为第次、初始和-1次采样时氮磷组分含量,mg/L;C为添加的原位水样中氮磷组分含量,mg/L;为沉积物-水界面表面积,m2;为静态释放时间,d.用该方法得到的氮磷交换通量为培养3d内得到的平均交换通量.

1.4 高分辨率间隙水氮磷剖面测定

在上述的静态释放试验结束后,把高分辨率透析式间隙水采样器(HR-Peeper)[19]插入沉积物中获取间隙水,其垂向分辨率可达4mm,可更精准的表征沉积物间隙水NH4+-N及SRP赋存特征.具体制作方法及原理详见参考文献[17].

1.5 样品分析方法

将表层沉积物完全填满20mL坩埚,经105℃烘干后称重,计算出沉积物的含水率、容重及孔隙率.另取沉积物湿样20g左右冷冻干燥,研磨后过100目筛,过筛后的沉积物样品用于测定烧失量(LOI)、总氮(TN)、总磷(TP)、NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N及易交换态磷.沉积物烧失量(LOI)的测定是将研磨后的沉积样品放入马弗炉,在550℃条件下灼烧4h后,冷却测定灼烧过程中的质量损失.沉积物总有机碳(TOC)采用重铬酸钾-硫酸亚铁滴定法测定.水样及沉积物样的TN、TP采用过硫酸钾氧化法测定,沉积物样品活性氮(NH4+-N、NO3－-N、NO2－-N)采用2M KCl提取,沉积物样品易交换态P使用1M NH4Cl于180r/min震荡2h提取,4000r/min离心10min后过滤待测定.水样及提取液中的氮和磷分别使用纳氏试剂比色法,紫外分光光度法、重氮偶合分光光度法、钼蓝比色法测定.

1.6 数据处理与分析

应用Origin8.0和ArcGIS10.2软件进行相关图形的绘制,并应用Excel 365和SPSS 22.0软件进行数据处理和统计分析.

2 结果

2.1 水柱及沉积物基本理化性质

如表1所示.潘家口水库表层水体pH值范围在8.60～8.80之间,均值为8.66,水体整体呈弱碱性.TN与h分别为4.09～4.31mg/L和12～77.2mV,浓度及氧化还原电位值在上游至下游有逐渐减小的趋势,其中NO3－-N作为最主要的无机氮形态,占TN比重最高,占比为78.00%～78.67%, NH4+-N与NO2－-N范围分别0.09～0.14 和0.01～0.04mg/L在溶解性无机氮(DIN)中占比及差异性较小,.而SRP自上游至下游有明显的增大趋势,浓度为0.002～0.03mg/L,占TP的比例为5.4%～75%.TP、DO空间差异不显著.

如图2所示,潘家口水库表层沉积物TN含量为3701.59～8221.28mg/kg,均值4765.06mg/kg,从上游至下游含量逐渐增大.其中作为无机氮(DIN)的重要组分,NH4+-N含量在158.92～773.63mg/kg之间,均值318.05mg/kg,最高点出现在2号点位,整体上空间差异不大,NO3－-N含量在76.43～336.83mg/kg,均值218.21mg/kg,自上游至下游含量逐渐增大,NO2－-N浓度均小于1mg/L,在DIN中占比也小于1%,范围为0.38～0.96mg/kg,均值0.58mg/kg,同样是下游高于上游.三者组成的DIN含量为368.78～1093.54mg/kg,占TN比例为7.88%～19.26%.

水库表层沉积物TP含量为756.28～1696.15mg/ kg,均值946.51mg/kg,位于下游坝前区域的1号点位,TP浓度显著高于其他点位,其余点位浓度空间差异不大.易交换态磷(Labile-P)含量为0.92～ 9.18mg/kg,均值4.60mg/kg,占TP含量的0.11%～ 1.05%,表现出从上游滦河到下游坝前增加的趋势,潘家口水库春季沉积物C/N为17.9～37.3之间,均值25.2,水库的C/N较高.

表1 上覆水基本理化指标

2.2 间隙水营养盐分布特征

如图3所示,在空间分布上,各点位之间营养盐浓度存在显著差异.在深度0～32mm,即上覆水中NH4+-N和SRP浓度差别不大,而在沉积物-水界面以下的沉积物中,除4号点的SRP外,两种营养盐均呈现显著的增大趋势,且浓度显著高于上覆水.沉积物中的SRP在20mm左右达到峰值,随后变化趋于稳定.相较于SRP,NH4+-N在整个84mm的沉积物剖面中,浓度稳步增大.在沉积物内,NH4+-N浓度范围为0.38～2.2mg/L, SRP浓度范围为0.10～0.95mg/L.在整体趋势上,间隙水NH4+-N浓度呈现出点位4>2>7>5>6>8>3>1的特征,最高点出现在原围网养殖区域的4号点.考虑到潘家口水库2017年以前普遍存在的围网养殖,而低温环境不利于有机物降解,因此各点位间虽空间差异大,但无量级上的差距.SRP浓度则呈现出点位3>1>2>8> 7>6>5>4的特征,下游显著高于上游.

2.3 沉积物-水界面氮磷迁移通量

整体上,除NO3－-N外,潘家口水库沉积物-水界面NH4+-N,NO2－-N,SRP均为正通量(图4),即沉积物中的营养盐向上覆水体释放.而NO3－-N在各个点位均表现为负通量,即上覆水向沉积物中迁移.沉积物-水界面NH4+-N释放通量在23.71～156.80mg/ (m2·d)之间,下游显著高于上游,这与表层沉积物NH4+-N含量趋势相同,其中最高的通量出现在3号点.而8号点相较于上游其他点位NH4+-N通量更高,NO3－-N迁移通量在-7.37～-161.78mg/(m2·d)之间,3号点出现了NO3－-N的最高负通量,该点也是最高的NH4+-N通量.整体上NO2－-N负通量越高的点位,其NO3－-N的迁移通量越低.NO2－-N迁移速率在1.64～33.45mg/(m2·d)之间,其中3号点位最低,空间差异性不明显,对DIN释放通量贡献很小.对于SRP的释放通量,其范围为0.56～2.86mg/(m2·d)之间.除6号点以外,整体上依旧是下游通量高于上游.

图4 静态释放试验中沉积物-水界面营养盐通量

3 讨论

3.1 水柱及沉积物营养盐分布特征

水库表层水柱中TN、TP、SRP、DIN浓度与间隙水间有着数量级上的差距,暗示着沉积物有着较高的营养盐扩散潜力.同时,上覆水中营养盐的浓度差异与沉积物中大体趋同,也体现出沉积物内营养盐扩散对库区整体水质的影响.水体中TN与NO3－-N浓度相较于其他水库及天然湖泊偏高,是典型的富营养化水体,而TP及SRP浓度相较N较小,显示出春季潘家口水库富营养化问题的主因在于高浓度的N污染.

潘家口水库属于典型的深水水库,相较于浅水水库,风浪扰动作用小.同时,水库为多年调节型,因此底泥再悬浮造成的污染风险相对较低.水库的上游水源来自于滦河,水质相对较好[20].因此整个库区最大的污染风险还是来自于沉积物内源.

对于水库沉积物,沉积物C、N、P循环是营养盐迁移转化机制的核心.潘家口水库内,相较其他富营养化水库,TN含量相对较高(表2).同时沉积物无机氮含量占TN的比例为7.88%～19.26%,这表明有机氮占氮素的主导地位.这些有机氮的重要来源是水库围网养殖时期沉积于水库底层的大量鱼食鱼粪带来的高含量有机质.有机质在一定条件下能诱导微生物产生胞外酶,催化分解后产生DIN,参与微生物的化能合成作用,加剧水体富营养化[21].潘家口水库TN与DIN含量显著高于下游的大黑汀水库[27],表明在营养盐污染尺度上,水文及地形条件更为复杂的潘家口水库污染程度较高.

水库除1号点TP浓度显著较高外,其余点位空间差异不大.其原因可能在于水库电站运行调控等因素定期放水,另外再加上下游之间水力作用,导致底泥冲击扰动后沉积于坝前区域,使得整体营养盐含量偏高.沉积物中活性磷作为即时有效磷,通过吸附作用与沉积物颗粒结合[28],本身不稳定,易释放进入上覆水,参与生物的代谢分解.采样时发现,带有大量鱼粪和浮泥等有机质的沉积物含水率高,孔隙度大,表层理化性质与底层沉积物差别很大.研究表明,有机质含量对沉积物营养盐通量影响很大,高浓度的有机质会改变沉积物-水界面的pH值、h与DO,影响磷的迁移转化[29].

表2 国内湖库沉积物营养盐赋存量

有机碳与氮素的比值(C/N),常用来表征水体内有机质的来源[30].C/N较大,表示陆源有机物占优势,C/N较小表示有机物的主要来源是水体内部[31].潘家口水库春季C/N为17.9～37.3之间,均值25.2,水库的C/N非常高,表示沉积物中有机质的主要组分来源于外源输入,即养殖区域内饲料及鱼粪的堆积降解.TOC含量及N污染程度自下游至上游整体呈递减趋势.其主要原因在于:①水库本身自上游到下游,存在显著的水力搬运过程,这在梯级水库中尤为明显[32].②潘家口水库下游的主库区,由于其水面较为宽阔,围网养殖的密度更高,使得养殖过程中的饲料粪便堆积层更厚.

3.2 沉积物-水界面N迁移特征及机制

N、P作为营养盐的核心组分,其地化循环过程差异性较大.对N而言,无机氮组分中的NH4+-N, NO3－-N与NO2－-N,以微生物为介导,在特定的物化条件下产生硝化、反硝化、氨化作用,彼此间相互转化,整个过程复杂多变[33-34].相较于P,微生物作用对其迁移的影响更明显.

潘家口水库整体水深超过30m,沉积物-水界面处于低温状态.自4月中旬开始,水库底部的滞温层水温缓慢升高,微生物活性得到增强,水体DO开始逐步下降,这也被看作夏季藻类爆发的初始阶段[18].从间隙水NH4+-N剖面可知(图3),上覆水与间隙水之间的NH4+-N含量存在着直观的浓度梯度,且在整个84mm的沉积物剖面中,NH4+-N随着沉积物的深度增加不断增大.这一方面反映了营养盐在沉积物-水界面迁移过程中,间隙水由于浓度梯度存在着迁移扩散的能力,是水柱营养盐的来源之一;另一方面,沉积物内部NH4+-N浓度随深度增加的特性,则是由于深层沉积物厌氧状况不断加深,导致好氧菌被抑制,厌氧菌占主导,深层沉积物中硝化作用减弱,反硝化及氨化作用增强,且厌氧环境有利于NH4+-N的积累,从而使得NH4+-N逐步升高[35-36].在空间分布上,间隙水NH4+-N浓度也呈现出独特的分布规律,4、2、7、5四个点位的NH4+-N浓度较高,而1、3两个典型的下游点位,其NH4+-N浓度反而最低.这与沉积物中TN和DIN的分布规律不一致.很大原因在于,4、2、7、5这四个点位是取缔前的围网养殖区,在采集的沉积柱中,发现大量鱼食和鱼粪构成的结构松散发臭的浮泥,表层疏松多孔且高污染的特性促进了有机质向NH4+-N的转化.

下游同水源的于桥水库,其表层沉积物内间隙水中NH4+-N浓度远高于本研究,而上覆水体的NH4+-N浓度均更低[37].两项实验沉积柱采集与间隙水的获取方法类似,而沉积物-水界面的释放差异性较大.这意味着营养盐释放通量,不仅仅受沉积物-水界面的浓度梯度控制.通过与其他富营养化湖库对比发现(表4),潘家口水库沉积物NH4+-N释放速率远高于大黑汀水库、衡山水库、骆马湖及南四湖等富营养化湖库,而与太湖及滇池重度富营养化湖湾相似,这个结果表明潘家口水库内源氮负荷较为严重.

静态释放实验揭示了更深层次的DIN转化机理,对于DIN而言,其生物循环过程受到上覆水、沉积物及沉积物-水界面之间的理化性质,如温度、h、pH值、DO、沉积物物理结构等共同影响[38-39].因此,分析沉积物-水界面DIN释放通量,需要结合潘家口水库特殊的底层理化性质分析.沉积物-水界面NH4+-N迁移通量下游显著高于上游,这与表层沉积物NH4+-N含量趋势相同.潘家口水库下游水深普遍高于上游,水温较低,而水体溶氧差距不大,理论上更不利于NH4+-N释放入上覆水,其根本原因还是在于下游相对于上游的高污染状况.而8号点相较于上游其他点位NH4+-N浓度更高,则是因为8号点处于最上游,其受上游滦河的影响较大.3号点出现了NO3－-N的最高负通量,该点也是最高的NH4+-N通量.这很大程度上是由于深层水库的水温较低,自春季开始有机质分解速率加强,氨化作用得到增强,促进了NH4+-N的转化释放.同时,厌氧状态下硝化反应受限,反硝化过程占主导,使得沉积物-水界面NO3－-N被转化为NO2－-N,并进一步还原为N2与N2O[40],本研究中沉积物-水界面NO3－-N通量各个点位均为负的通量也佐证了这一点.这也解释了释放水样里,整体上NO2－-N负释放通量越高的点位,其NO3－-N的释放通量越低. NO2－-N释放速率在3号点最低,空间差异性不明显,这也是由于NO2－-N作为中间产物,浓度主要取决于沉积物与上覆水之间的硝化与反硝化强度,对DIN释放通量影响很小.

3.3 沉积物-水界面P迁移特征及机制

相较于N,沉积物-水界面P的迁移转化受到沉积物-水界面理化性质的影响更大.SRP作为藻类能直接利用的磷素,是其生长繁殖过程中必须的营养盐来源[41].潘家口水库表层水体中SRP占TP的均值为37.58%(表3),一方面,这表明潘家口水库磷素具有较高的生物有效性,而另一方面,相较于水库整体较为均衡的TP浓度,SRP的空间差异性明显,因此,沉积物-水界面的SRP通量是分析这一问题的关键点之一.

表3 国内湖库水柱SRP 浓度及占比

沉积物表面存在着P的扩散边界层,其结构与表层DO的含量密切相关,好氧情况下,扩散边界层能有效阻止沉积物内部高浓度的SRP向水体释放,而厌氧条件下,边界层结构被破坏,对SRP的阻隔消失,大量SRP释放入水柱造成水柱SRP浓度升高,从而补充水柱中SRP供给初级生产对于水柱磷的需求[45-47].潘家口水库沉积物-水界面基本位于较深的滞温层,其水体扰动较小,沉积物表层的DO主要受水体扩散的还原物质氧化所决定[48].

由于常年网箱养殖,潘家口水库所积累的有机质提供了充足的氧化物.随着春季末期温度的升高,沉积物有机质矿化反应加强,从而使得更多的SRP生成及解析到间隙水中,这也解释了间隙水剖面中SRP仅在2cm左右就达到峰值,随后变化趋于稳定(图3).同时,厌氧状态的沉积物也会促进其内部铁磷的转化,使得Fe3+被还原为Fe2+,释放部分SRP进入上覆水[49].水库表层沉积物TP含量差异性不大,而间隙水剖面却体现出明显的空间差异性.考虑到水库底层DO、温度等影响P迁移转化的关键理化条件大致相当[18],推测围网养殖造成的有机质空间分布差异,是导致SRP浓度差异的决定性因素之一.4号点的样品采集中发现,沉积柱内的表层沉积物孔隙度非常高,在柱样释放试验中甚至出现表层4～5cm沉积物完全漂浮于上覆水中.这是典型的劣质化底泥,分析其成因在于投放饲料后围网养鱼被取缔,使得疏松多孔的鱼饲料覆盖在沉积物表面,导致了间隙水与上覆水体内SRP的低差异性.

从间隙水数据(图3)中可以看出,潘家口水库内,沉积物间隙水积累了高浓度的SRP,同时沉积物自身的磷素浓度也维持在较高的水平(表2),客观上有着较高的磷释放潜力.然而,沉积物-水界面的离子交换过程较为复杂,以分子扩散模型模拟的通量误差较大.同时潘家口水库属于多年调节型水库,换水周期长,水相流动性小,沉积物内TP浓度与水相磷之间大多不存在显著的相关关系[43].因此,静态释放的通量研究能更为客观的反映释放过程中,沉积物-水界面的营养盐交换过程.

潘家口水库水温自4月开始逐步上升,相对较高的水温促进有机质分解.作为湖库中磷最重要的再生库,沉积物中的有机态磷分解并从沉积物解吸进入间隙水中,同时分解反应的耗氧也使得扩散边界层的厌氧状况加深[49].沉积物-水界面SRP的释放通量已不容忽视.

从释放通量上来看,SRP通量下游高于上游,整体与有机质的分布规律趋同.相较于下游水库,以及类似的大型深水水库,潘家口水库SRP的内源负荷相对较高,实际的释放通量对水柱的磷素影响也更为明显(表4).

浅水水库由于水深较浅,水体内部的水温分层现象基本上不存在,其受温度驱动更为明显:气温越高,营养盐的释放量通常越大[50].然而,对比处于夏季的浅水水库(表4),春季潘家口水库的SRP释放通量整体依旧较高.其中少部分富营养化严重的湖库,虽然SRP的释放通量高于潘家口水库,但也基本处于同一数量级,这意味着潘家口水库的磷素内源负荷相对较高.随着夏季到来,更高的底层水温与更低的底层DO也意味着更大的SRP释放风险.鉴于潘家口水库内源负荷现状及水库自身的环境条件,建议尝试通过原位覆盖及底泥疏浚等技术控制水库内源负荷.

表4 国内湖库NH4+-N及SRP释放通量

4 结论

4.1 潘家口水库整体富营养化程度较重,水体及沉积物营养盐含量高.沉积物中TN均值4765.06mg/kg, TP均值946.51mg/kg.整体趋势上,自下游到上游,营养盐污染逐步降低,沉积物DIN与易交换态P含量相对较高.库区氮磷及有机质主要来源于库区曾经的网箱养殖.

4.2 潘家口水库沉积物间隙水中的NH4+-N和SRP,浓度远高于上覆水,表明存在较大的释放潜力.总体来说下游高于上游.在垂向剖面上,NH4+-N随深度逐步增长,SRP在表层2cm处达到峰值,随后趋于稳定.

4.3 水库沉积物-水界面的氮磷通量较高. NH4+-N, NO3－-N、NO2－-N及SRP交换通量分别为23.71～ 156.80,-7.37～-161.78,1.64～33.45和0.56～2.86mg/ (m2·d).总体来说,下游释放通量高于上游释放通量,这与沉积物中氮磷含量相一致,是河流-水库系统水力条件引起的大坝对于营养盐的截留作用及库区曾经的网箱养殖共同作用的结果.根据现有污染状况分析,应当采用措施控制潘家口水库内源负荷.

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本文的研究工作受到了水利部海河水利委员会引滦工程管理局的诸多帮助,在此深表谢意.

Occurrence characteristics and transport fluxes of nitrogen and phosphorus at sediment-water interface of Panjiakou Reservoir in spring.

WANG Hong-wei1,2, WANG Shao-ming3, ZHANG Min1,2, HU Xiao-kang1,4, TANG Meng-yao1,2, YANG Fan-yan1, ZHONG Ji-cheng1*

(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China；2.College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.Bureau of Luanhe Diversion Project, Haihe Water Conservancy Commission, Ministry of Water Resources, Qianxi 064309, China；4.School of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)., 2021,41(9)：4284～4293

The sediments from Panjiakou Reservoir were selected as the research object. The overall status of nutrient pollution and the release characteristics of internal loading of the reservoir were analyzed. The vertical distribution characteristics and spatial differences of nutrient were analysed by obtaining interstitial water in sediments via high-resolution interstitial water samplers (HR-Peeper). The transport fluxes of nutrient at the sediment-water interface were obtained by static release test of intact sediment cores, and the internal loading characteristics of Panjiakou Reservoir were analysed. The release risk of nutrient in the sediments was relatively high, and the TN and TP content was 3701.59～8221.28 mg/kg and 756.28～1696.15 mg/kg, respectively. According to the C/N ratio, the main cause of eutrophication in Panjiakou Reservoir was the residual feed and fish manure from cage culture before 2017. The static release results of the intact sediment cores showed that the exchange fluxes of NH4+-N、NO3—-N、NO2—-N and SRP were 23.71～156.80, -7.37 ～ -161.78, 1.64 ～ 33.4, and 0.56 ～ 2.86mg/(m2·d), respectively, and the internal loading of Panjiakou Reservoir was relatively high. The results are related to the high contents of organic matter, nitrogen and phosphorus, oxygen consumption by biological decomposition and gradually increasing water temperature in spring, which leads to the accelerated release of nutrient into the overlying water column. The internal loading of Panjiakou Reservoir can accelerate the process of eutrophication, and measures should be taken to control the internal loading of Panjiakou Reservoir.

Panjiakou Reservoir；sediment-water interface；nutrient；internal loading；diffusive flux

X524

A

1000-6923(2021)09-4284-10

王洪伟(1995-),男,安徽安庆人,中国科学院南京地理与湖泊研究所硕士研究生,研究方向为湖库内源负荷及污染控制.发表论文6篇.

2021-02-03

国家自然科学基金资助项目(41771516);水利部海河水利委员会引滦工程管理局潘家口水库内源污染专项

*责任作者, 副研究员, jczhong@niglas.ac.cn