太湖底泥氮磷含量及其間氣體的關(guān)系

太湖位于北緯3056-3134和東經(jīng)11953-12034之間，面積23.28。km左右，水深2m。近年來，對(duì)太湖基本泥的空間分布及其表面營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了大量的調(diào)查和分析，但對(duì)基本泥的垂直分布、特別是與基本粘土混合的水營(yíng)養(yǎng)成分的分析和研究較少。因?yàn)樵谡惩林?，尤其是間隙內(nèi)的水中污染物的分布特征與湖泊水源的直接負(fù)荷直接相關(guān)。因此，本文件中的內(nèi)容不僅在理論上揭示了太湖的內(nèi)源，而且在科學(xué)管理太湖的富營(yíng)養(yǎng)化實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用。1材料和方法1.1檢測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度1998年10月21日,用全球定位系統(tǒng)GPS導(dǎo)航,用日產(chǎn)柱狀采樣器(內(nèi)徑Φ62mm),分別在太湖五里湖的石塘和寶界橋(N31°31′55″,E120°13′48″),梅梁灣的馬山(N31°27′29″,E120°08′24″)、小灣里(N31°29′14″,E120°11′46″)和梅梁灣心,以及太湖湖心、大浦口、竺山湖及東太湖等測(cè)點(diǎn),分別采集2—3根平行柱狀樣,灌滿上覆水,兩端用橡皮塞塞緊,垂直放置,帶回實(shí)驗(yàn)室處理.其它測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度見表1.1.2po3-334-p、nh-4-n、fe的分析方法室內(nèi)將樣品按2cm間距分層,同一測(cè)點(diǎn)樣品,一組樣離心(4000rpm,20min),得間隙水,即刻進(jìn)行PO3-43?4-P、NH+4-N、Fe(Ⅱ)分析;另一組分層樣風(fēng)干后按四分法取樣,研磨過200目篩,分析TP、TN和粒度.除粒度采用中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所生產(chǎn)的篩分儀自動(dòng)分析外,其它均采用《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》中規(guī)定的方法.粒度組成及巖性見表1所示.2結(jié)果與討論2.1湖體殘留率和tn、tp含量圖1為所列太湖5個(gè)主要自然湖區(qū)0—30cm底泥中TN、TP垂直變化.由圖1看出,雖然氮、磷含量的垂直變化各不相同,但除梅梁灣外,多顯示出近表層含量變化較大、下層差異較小的特點(diǎn).自10cm處向表層,氮磷含量多表現(xiàn)出增加趨勢(shì).據(jù)80年代以來研究表明,1987—1995年間,太湖水體中凱氏氮和TP的含量分別上升了66%和79%,1987—1988年湖體污染物出入湖平衡研究表明,TN和TP的湖體殘留率(湖體凈入湖量∶湖體原有量)分別為1.33和6.80.這樣,湖體中不斷增加的氮磷負(fù)荷使得一些溶解或顆粒態(tài)的氮磷物質(zhì)通過絮凝、吸附、沉降等作用而蓄積于湖底,從而逐步增加了表層沉積物中TN和TP含量.本研究除一測(cè)點(diǎn)位于東太湖(南部)外,其余均取自西太湖北部湖區(qū).據(jù)文獻(xiàn),東太湖(南部)1955—1982年間平均沉積速率為1.45mm·a-1;西太湖梅梁灣1931—1988年間為1.8mm·a-1,兩湖區(qū)沉積速率比較接近.在圖1中,可以看出各個(gè)柱樣TN、TP多呈明顯的3段分布(表2):0—10cm和20—30cm平均含量均較高.0—10cm的高值區(qū)主要是與建國(guó)以來太湖周圍的人類活動(dòng)作用加強(qiáng)有關(guān),是湖泊營(yíng)養(yǎng)程度逐步提高的結(jié)果;20cm以下,則可能與當(dāng)時(shí)的水生生物的大量繁衍,特別是太湖北部歷史上曾有大量水生植物生長(zhǎng)、以及當(dāng)時(shí)有較好的溫度條件有關(guān).太湖水深僅2m左右,風(fēng)浪作用顯著,對(duì)表層沉積物的氮磷分布的影響較大.水面面積分別為124km2和156km2的梅梁灣和貢湖灣,由于湖區(qū)開敞度大,風(fēng)浪對(duì)表層底泥的擾動(dòng)強(qiáng)烈.因此水動(dòng)力擾動(dòng)可能是造成該兩湖區(qū)表層0—5cm沉積物磷含量的變化與其他湖區(qū)不同的主要原因.2.2間隙水與邊界層覆巖中po3-4-p含量關(guān)系圖2為太湖不同湖區(qū)底泥間隙水NH+4-N含量垂直分布.就總體而言,全湖間隙水NH+4-N隨深度增加而濃度逐漸上升,其中梅梁湖的全部,五里湖的寶界橋和東太湖等測(cè)點(diǎn)含量幾乎表現(xiàn)為均勻上升狀態(tài).石塘和大浦口測(cè)點(diǎn)在含量變化中有較大波動(dòng).比較各湖區(qū)間隙水NH+4-N含量值域(表3),0—5cm表層含量:五里湖>太湖其它湖區(qū)>梅梁灣;中層10—20cm,包括5—10cm和20—30cm,其間隙水NH+4-N含量為:其它湖區(qū)>五里湖>梅梁灣;30—40cm下層含量為:其它湖區(qū)>梅梁灣>五里湖.并且注意到,各湖區(qū)間的含量間距有很大差異,越往下層,差值越大,如30—40cm處下層的五里湖間隙水中的NH+4-N含量?jī)H為其它湖區(qū)的18.3%.環(huán)境中NH+4-N的產(chǎn)生和去向受到多種條件的影響和制約.在沉積物中,NH+4-N的存在主要與底泥污染水平、生物作用大小、氧化還原狀況及水動(dòng)力影響程度等多種條件有關(guān).在污染水域,底泥中有機(jī)質(zhì)豐富,表層微生物數(shù)量眾多,相對(duì)于非污染湖區(qū),由于生物分解作用顯著而使近表層底泥缺氧,容易形成還原環(huán)境,生物參與的反硝化作用和氨化作用應(yīng)較明顯,使表層間隙水中接納更多的NH3進(jìn)入.另一方面,太湖為淺水型湖泊,表層沉積物極易受到風(fēng)浪的擾動(dòng),相對(duì)較封閉的湖區(qū)(如五里湖等),湖心開闊區(qū)更易受到風(fēng)浪作用的影響,間隙水中以及吸附于底泥顆粒上的分子態(tài)NH3在底部湖流運(yùn)動(dòng)及再懸浮作用下,更易進(jìn)入上覆水體,部分經(jīng)物理揮發(fā)逸出水面進(jìn)入大氣,較大程度降低了表層底泥中NH+4-N的含量.相對(duì)于上層,下層沉積物通常缺氧程度較高,不僅適宜于厭氧微生物活動(dòng),適宜于反硝化和氨化作用,自高價(jià)態(tài)氮(如NO-3-N、NO-2-N等)向銨態(tài)氮等低價(jià)態(tài)氮轉(zhuǎn)化,并且下層受水動(dòng)力擾動(dòng)作用較小,比上層沉積物更有利于NH+4-N在沉積層中保存,因而在圖2中反映,大致在10—15cm以下,下層NH3含量比上層沉積物層略高.太湖PO3-4-P含量在間隙水中的垂直分布與NH+4-N含量分布相比有明顯差異,但不同湖區(qū)上下層之間的含量關(guān)系則與NH+4-N含量分布較接近(圖2和圖3).除五里湖和梅梁灣兩個(gè)湖區(qū)外,太湖湖心、大浦口、竺山湖和東太湖大致表現(xiàn)為自表層起向下層PO3-4-P含量逐漸升高,但中層的增加程度不如NH+4-N明顯.在五里湖和梅梁灣5個(gè)測(cè)點(diǎn)的間隙水中,PO3-4-P含量基本以表層0—5cm處濃度為基準(zhǔn)左右波動(dòng),含量與深度無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系.比較不同湖區(qū)各相應(yīng)層間隙水PO3-4-P含量,0—5cm五里湖和梅梁灣略高于其它湖區(qū),自5cm向下,后者則高于前者(表3).注意到在其它湖區(qū)各測(cè)點(diǎn)中,間隙水中PO3-4-P與NH+4-N不同,在含量上相互差異較大(圖3),如太湖湖心底泥間隙水PO3-4-P含量明顯高于其它任一測(cè)點(diǎn)(圖3),除表層0—5cm含量與其它測(cè)點(diǎn)較接近外,自5—10cm起,其各層PO3-4-P含量為其它各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)層的4.5—9.8倍,這一現(xiàn)象可能與湖心區(qū)表層沉積物中微生物數(shù)量較少,同化作用較弱有關(guān).對(duì)照已有研究,1993年高光在東太湖所獲得的表層(1cm)沉積物間隙水中PO3-4-P濃度(0.200mg·L-1)遠(yuǎn)大于下層(18cm)深處的含量(0.080mg·L-1)的現(xiàn)象在本研究各測(cè)點(diǎn)(包括東太湖)中未被發(fā)現(xiàn).但是在五里湖和梅梁灣各測(cè)點(diǎn),上下層PO3-4-P濃度變化普遍較平緩,差異亦較小.另外發(fā)現(xiàn),在梅梁灣馬山和太湖湖心兩測(cè)點(diǎn)6cm深度附近,顯示間隙水PO3-4-P含量出現(xiàn)較大的跳躍式上升(見圖3).在6cm左右深度,底質(zhì)已較密實(shí),顯然不存在活性的有機(jī)碎屑層,為什么能在該層維持較高濃度的PO3-4-P,除與沉積物性質(zhì)有關(guān)外,可能還有一些未知的控制因素作用.但從整體柱樣濃度分布來看,間隙水中PO3-4-P仍處于表層含量低、下層含量高的狀態(tài).2.3底泥中總氮磷含量NH+4-N和PO3-4-P含量與底泥中氮磷含量的關(guān)系氮在間隙水中的存在形態(tài)較多,主要為NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N和一些有機(jī)小分子化合物,磷則主要為PO3-4-P;而在底泥中,無機(jī)氮化物因易溶于水而形態(tài)較簡(jiǎn)單,磷則因與多種元素結(jié)合形成難溶物甚至結(jié)晶體,以及與多種有機(jī)物結(jié)合而形態(tài)復(fù)雜.底泥中的氮磷含量與間隙水中NH+4-N、PO3-4-P含量存在何種關(guān)系,也是研究的重要內(nèi)容之一.將太湖五里湖、梅梁灣、太湖湖心和竺山湖湖區(qū)底泥間隙水PO3-4-P和NH+4-N濃度與底泥中TP和TN含量比較(圖4),各湖區(qū)幾乎無對(duì)應(yīng)關(guān)系,相關(guān)水平較低(表4).僅發(fā)現(xiàn)在五里湖的NH+4-N濃度和底泥中TN含量在底較低值區(qū)內(nèi),兩者相關(guān)性才進(jìn)入可信區(qū)范圍.表明太湖底泥中賦存氮磷物質(zhì)的多少,并不是其間隙水中NH+4-N和PO3-4-P含量大小的決定因素.2.4po3-4-p含量的相關(guān)性Fe(Ⅱ)易存在于還原環(huán)境中,且與Fe(Ⅲ)在濃度上存在氧化還原平衡關(guān)系,因此它的存在大致反映所處環(huán)境的氧化還原水平.將同層分別測(cè)定的間隙水中Fe(Ⅱ)與PO3-4-P和NH+4-N含量作出相關(guān)圖(圖5).由圖看出,梅梁灣的Fe(Ⅱ)與PO3-4-P含量間的相關(guān)性較低(R2=0.1756);而Fe(Ⅱ)與NH+4-N含量的關(guān)系則相關(guān)性較高,達(dá)R2=0.8526.雖然PO3-4-P與Fe(Ⅱ)是在溶度積限制下存在的沉淀平衡關(guān)系,但Fe(Ⅲ)與PO3-4的溶度積(Ksp,FePO4=5×10-9)要遠(yuǎn)小于Fe(Ⅱ)與PO3-4的溶度積(Ksp,Fe3(PO4)2),這樣間隙水中的PO3-4濃度主要由Fe(Ⅲ)含量控制.因此Fe(Ⅱ)含量與PO3-4不一定有對(duì)應(yīng)關(guān)系.但若不計(jì)入Fe(Ⅱ)含量在表層底泥為零或接近零的那幾個(gè)測(cè)定,Fe(Ⅱ)與PO3-4含量的關(guān)系大致可用一負(fù)相關(guān)關(guān)系表達(dá).而對(duì)于NH+4-N含量變化,Fe(Ⅱ)含量高意味著底泥中的還原程度較高,底泥的反硝化作用和氨化作用應(yīng)較強(qiáng)烈,電子的轉(zhuǎn)移向有著利于生成低價(jià)態(tài)氮的方向進(jìn)行.3酶活劑對(duì)底泥間隙水表面質(zhì)量的影響太湖底泥自10cm處起向表層,氮磷含量多表現(xiàn)出增加趨勢(shì),明顯反映近幾十年沿湖人類活動(dòng)作用加強(qiáng).全湖間隙水NH+4-N和PO3-4-P含量隨深度增加大致呈上升趨勢(shì),但PO3-4-P在中層的含量增加程度不如NH+4-N明顯.在全湖各測(cè)點(diǎn)表層4cm內(nèi)未發(fā)現(xiàn)高濃度磷酸鹽峰值出現(xiàn),因此在太湖這類風(fēng)浪擾動(dòng)激烈的淺水湖泊,水土界面磷酸鹽濃度自上覆水向下至表層沉積物間隙水應(yīng)是相對(duì)平緩地增加,不可能在沉積物