药泉湖表层沉积物孔隙水营养盐的分布特征

王春雷，姜 雪，刘金锋，彭建发

（1.黑龙江省水文水资源中心黑河分中心，黑龙江黑河164300；2.东北农业大学，黑龙江哈尔滨150030；3.松辽水利委员水文局（信息中心），吉林长春130021）

0 引言

沉积物中营养物质是在长时间积累中形成的，它对地表水质的影响也比较持久。受污染的沉积层相当于一个储藏的污染源，即使外源污染消除后，内源营养盐仍能在较长时间内释放进入上覆水，对地表水环境构成威胁。而孔隙水是沉积物营养盐的重要储存介质和主要来源[1]，沉积物营养盐主要随孔隙水渗透向水体中释放，也就是说这种释放作用主要是通过表层沉积物孔隙水完成的[2]。研究表层沉积物孔隙水营养盐的分布特征，有助于防止湖泊富营养化，维持区域水生态环境稳定。因此，有必要对五大连池药泉湖表层沉积物孔隙水营养盐的分布特征展开研究，揭示孔隙水营养盐空间分布的影响因素，为湖泊防治提供理论依据与技术支撑。

1 区域概况

药泉湖是五大连池保护区较大的火山堰塞湖之一，位于药泉山以东石龙台地西侧，呈肾形。形成于二大连池阶段（此阶段形成头池、二池及药泉湖，由早期火山喷发形成，距今约1000年），成因为熔岩阻断白河（现称石龙河）一条支流而形成。药泉湖不仅是药泉山景区至关重要的生态景点，也是药泉山矿水带的重要补给源[3]，地表湖泊及矿水资源的环境安全对五大连池保护区的生态环境及旅游业的发展至关重要。因此，研究药泉湖表层沉积物孔隙水营养盐分布特征对区域水环境保护与治理具有重大意义。

药泉湖补给源有大气降水、二龙眼泉及翻花泉，其中二龙眼泉和翻花泉通过地表径流补给，药泉湖主要通过药泉河排泄及侧向补给地下水。湖面面积20万m2，水深1～4m，最深处在13，14，16处采样点，见图1，均超过3m。此次共采集水样及表层沉积物样21组，采样点分布见图1。

图1 药泉湖采样点分布图

2 研究方法

2.1 样品采集及营养盐测定

沉积物样品使用柱状采泥器（德国HYDROBIOS公司）采集，原样封入柱状聚乙烯塑料管中保持竖直状态尽快平稳地运回实验室冷藏保存，静置过夜，以消除采集和运输过程中的干扰[4]。取深0～5cm的新鲜沉积物样品在转速为8000r/min的过滤式离心机上进行离心，提取沉积物孔隙水（2～8ml）。

沉积物孔隙水中的营养盐利用SealAnalytical AutoAnalyzer3（AA3）测定，AA3可以分析大部分液体样品，比如水、土壤（植物、籽实）提取液、饮料或化合物。它采用空气片段连续流动分析（CFA）技术进行自动样品分析。在一个连续流动的系统中，样品和试剂混合，反应生成某种物质，在一定的波长下进行比色检测，从而测定各样品中营养盐的含量。测定的指标包括总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮、硝态氮、亚硝态氮及磷酸盐（PO43--P）。

2.2 孔隙水营养盐分布特征

由于采样点数据的不规则分布，造成缺失数据的“空洞”，而网格化则用外推或内插的算法填充了这些“空洞”。因此，文中通过Surfer软件，对孔隙水营养盐数据按照一定规律进行离散，对不规则分布的原始数据点进行克里金插值[5]，从而生成在原始数据分布范围内规则间距的数据点分布，有效地绘制孔隙水营养盐等值线分布图，如图2，3，4所示。

图2 表层沉积物孔隙水氨氮等值线分布图

3 结果与分析

3.1 孔隙水氨氮空间分布及影响因素

从图2可以看出，沉积物孔隙水中氨氮含量在整个湖泊上分布较高，尤其在采样点10以后浓度均大于9mg/L。孔隙水中氨氮产自于有机物的生物分解转化环节，复杂的沉积物有机质通过氨化作用转换为氨氮，因此，从图2可知，药泉湖北部、西北部补给水源携带的有机质较多，主要是北部、西北部湖水补给区分布有笔架山、卧虎山农田地、农户生活区及林业局等机关单位办公区，农田施肥及生活污水对沉积物中有机质的贡献较大，从而导致氨氮浓度相对偏高。

3.2 孔隙水TN空间分布及影响因素

对比图2和图3可以看出，两者分布存在一致性，氨氮及TN在各采样点存在正相关性见图5。直线下方各采样点TN浓度受其他形态氮含量影响相对较大，而从检测结果来看，孔隙水硝酸盐氮及亚硝酸盐氮含量均较低。因此，这些采样点中有机氮对TN含量贡献相对偏大，有机氮含量主要受东北部石龙台地（东北部补给区临近石龙台地，由于缺少植被等对地表径流汇入时营养物质的阻隔，造成该区沉积物有机氮含量偏高）及西南部鱼池的影响。

图3 表层沉积物孔隙水TN等值线分布图

图5 孔隙水氨氮与TN相关分析图

3.3 孔隙水TP空间分布及影响因素

即使沉积物孔隙水中TP与TN的来源一致，都来自农田施肥、生活污水及石龙台地区的径流补给，而孔隙水TP只集中分布在南部、中部及北部小范围区域内（见图4）。从孔隙水TN与TP相关分析图（图6）也可看出，孔隙水TP与TN并不存在线性相关关系，从而说明，沉积物TP与TN的富集原因不同。北部及中部TP的富集主要是由于该区水交换较弱，湖水流动性差，使农田施肥及生活污水中的磷在沉积物中富集，而由于补给水源中TN的含量比TP的含量高很多，湖水的流动性对TN的迁移转化影响很小，因此，孔隙水中TN的富集范围要远大于TP的富集范围。从而得出，TN的富集与湖泊上游补给区下垫面条件（有机质多少、土地利用方式及氮外源输入量等）密切相关。南部沉积物TP的富集浓度较大，主要是受鱼池的影响，更重要的是此区域湖水流动性差，水流几乎处于静滞。

图4 表层沉积物孔隙水TP等值线分布图

图6 孔隙水TN与TP相关分析图

4 结语

从药泉湖表层沉积物孔隙水营养盐分布特征的研究中可以得出：沉积物孔隙水中氨氮含量在整个湖泊上分布较高，主要是由于农田施肥及生活污水对沉积物中有机质的贡献较大；沉积物孔隙水氨氮及TN存在正相关性，沉积物中TN的富集主要与湖泊上游补给区下垫面条件密切相关；孔隙水TP与TN并不存在线性相关关系，TP的富集主要与水流交换程度及流动快慢有关。因此，应尽量削减湖泊的污染物来源，对农田施肥及生活污水的排放采取有效措施，同时，针对湖水交换能力差这一特点进行径流路线调整，全力改善区域地表水、地下水环境质量。

孔隙水对上覆水营养盐含量的影响机理是十分复杂的，孔隙水与上覆水在界面处的氮磷交换不仅具有延迟性，其转移、转化过程还存在一定的耦合关系。氮磷的迁移转化过程不仅受沉积物水流形态的影响，而且与有机碳含量可能存在一定的数学关系，因此，沉积物孔隙水营养盐分布特征的研究可为沉积物-水界面处的营养盐转化机理奠定基础，同时也为浅水湖泊水生态安全保护提供可靠依据。