南海北部沉积物中氮形态变化及其生态效应

南海北部沉积物中氮形态变化及其生态效应

研究表明，氮和磷是淡水湖泊富营养化的重要限制因素。schindle等人发现氮是限制浮游生物生长的主要因素。xu等人对太湖进行了研究表明，氮是夏季有毒蓝藻繁殖的限制因素。虽然减少磷非常重要，但减少氮可以实质性地控制太湖绿藻的数量和时间。近年来，随着海洋营养化进程的加剧，养分逐渐从养分转化为富营养化。在富营养化的早期阶段，水体（tn）的超标率高于（tp）。随着沉积物从磷酸控制湖泊逐渐转变为氮控制湖泊的转变，沉积物作为营养盐的“来源”和“交换”，可以通过一定条件下通过间歇水和上覆水之间的交换来影响沉积物中的营养化，对湖泊的富营养化有重要影响。近年来，随着海洋流域的妥善控制，氮输入逐渐减少，沉积物内源对水体（tn）的影响加剧。不同形式的沉积物氮的释放顺序分为ttn（可转化氮）和ntn（非硝基氮）。马宏波等人在沉积物氮分类的基本方法中提出了沉积物氮的分类、浸泡法的分离，将沉积物氮的提取顺序分为ttn（可转化氮）和ntn（非转化氮）。评价体系。不同形式氮的相对反应顺序为sof-n（离子交换氮）、waef-n（弱酸提取氮）、saef-n（强碱提取氮）和soef-n（强氧化提取氮）。每个形式氮对界面交换的绝对贡献顺序为sof-n、ief-n、saef-n和watav-n。王胜瑞等人表明，不同大小的沉积物中不同形态氮的沉积含量和化合物性质不同。在这项工作中，我们分析了不同大小的云南沉积物氮对沉积的影响，评估了不同大小的云南沉积物氮对沉积物的影响，以及影响因素。1材料和方法1.1不同形态氮的季节变化洱海水体等深线及采样点设置见图1.根据洱海湖底地形可将洱海分为北部(康廊—海舌以北),中部(龙龛—海舌)和南部(龙龛以南),按照代表不同区域特征为原则,选择17个采样点,分别为北部(19、21、46、68、73号采样点)、中部(84、93、100、105、117、121号采样点)、南部(132、142、177、182、209、221号采样点),利用彼得森采泥器,采集洱海表层10cm沉积物样品;分别于2009年10月、2010年1月、4月和7月在19、21、68、73、84、100、105、142、177、221号采样点采集表层10cm沉积物样品,研究洱海沉积物中不同形态氮的季节性变化;根据有机污染物来源及沉积特征等因素,2009年10月在19、21、68、73、84、100、105、142、177、221号采样点,利用柱状采泥器采集洱海0~40cm沉积物样品,0~20cm按2cm分层,20~40cm按4cm分层,以研究洱海沉积物不同形态氮的垂向分布特征.采集样品现场装入塑封袋置于恒温(4℃)箱内,带回实验室冷冻干燥,研磨、过筛备用.1.2soef-n的提取工艺w(TN)采用凯氏定氮法测定;采用逐级提取法将TTN分为IEF-N、WAEF-N、SAEF-N和SOEF-N,提取流程见表1.提取液中的ρ(NH4+-N)采用次溴酸盐氧化法测定;ρ(NO3--N)采用镉柱还原法测定;ρ(NO2--N)采用萘乙二胺分光光度法测定.数据分析采样SPSS17.0和Excel2003软件进行,空间分布图采用Mapinfoprofessional软件绘制.2结果与分析2.1wtn与wtn相关性分析洱海表层沉积物中氮形态的空间分布如图2所示.由图2可见,不同形态氮的空间分布不同.w(TN)为2354~6174mg/kg,平均值为4207mgue4d4kg,最大值出现在北部沙坪湾(21号采样点),最小值出现在北部弥苴河冲击扇下缘深水区(19号采样点).w(TN)空间分布总体呈北部(4707mg/kg)>南部(4620mg/kg)>中部(2988mg/kg).高值区主要分布在北部湖湾和南部湖心平台两侧深沟区.w(TTN)为1158~2921mg/kg,平均值为1808mg/kg,占w(TN)的43%,与w(TN)呈极显著正相关(R=0.8701,P<0.01);最大值和最小值出现的区域与w(TN)大致相同,空间分布总体呈南部>北部>中部,高值区主要分布在北部湖湾和南部的浅水区域.w(NTN)为1196~3872mg/kg,平均值为2004mg/kg,占w(TN)的57%,与w(TN)呈极显著正相关(R=0.9542,P<0.01);最大值出现在南部湖心平台西侧深沟区(177号采样点),最小值出现在北部弥苴河冲击扇下缘深水区(19号采样点),空间分布总体呈北部>南部>中部.王娟研究表明,长江中下游湖泊沉积物中w(TN)平均值为2010mg/kg,其中w(TTN)平均值为969mg/kg,占w(TN)的54%;洱海沉积物中w(TN)明显高于长江中下游湖泊,其中TN以非可转化态氮为主,氮的活性较弱,因此洱海沉积物内源释放量较低,近年来其上覆水水质较好,ρ(TN)稳定在GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水平.IEF-N为最容易释放的氮形态.洱海沉积物中w(IEF-N)为66~130mg/kg,平均值为87mg/kg,占w(TTN)的4.8%,与w(TTN)呈极显著正相关,最大值出现在北部沙坪湾(21号采样点),最小值出现在中部狭口区域(84号采样点),总体呈北部>南部>中部.WAEF-N为溶解性有机物结合的有机氮及碳酸盐结合的无机氮,w(WAEF-N)为91~210mg/kg,平均值为134mg/kg,占w(TTN)的7.4%,与w(TTN)呈显著正相关,最大值出现在南部出湖口(221号采样点),最小值出现在南部湖心区(209号采样点),总体呈北部>南部>中部.SAEF-N为对氧化还原环境敏感的、与铁锰化合物结合的氮形态,w(SAEF-N)为38~198mg/kg,平均值为128mg/kg,占w(TTN)的7.1%,与w(TTN)呈负相关,但相关系数较小,最大值出现在洱海最深处(105号采样点),最小值出现在海舌湾(73号采样点),总体呈中部>南部>北部.SOEF-N主要指与有机质和硫化物结合的氮形态,w(SOEF-N)为974~2515mg/kg,平均值为1459mg/kg,占w(TTN)的81%,与w(TTN)呈极显著正相关,最大值出现在北部沙坪湾(21号采样点),最小值出现在洱海最深处(105号采样点),总体呈南部>北部>中部.洱海表层沉积物中w(SOEF-N)>w(WAEF-N)>w(SAEF-N)>w(IEF-N).王娟研究表明,长江中下游湖泊沉积物中w(SOEF-N)>w(IEF-N)>w(WAEF-N)>w(SAEF-N),可见洱海沉积物中w(IEF-N)相对较小,IEF-N为沉积物-水界面交换的主要氮形态,表明洱海沉积物氮释放量较小,但生物可利用氮(WAEF-N)的质量分数及其所占比例均较高,因此洱海沉积物氮的释放风险较大.2.2不同季节动态洱海沉积物中不同形态氮的季节性变化如图3所示.由图3可见,w(TN)和w(NTN)在夏季(7月)最高,w(TTN)在冬季(1月)最高,w(TN)、w(TTN)和w(NTN)秋季(10月)最低;w(TN)和w(TTN)季节间差异不显著,w(NTN)夏季和秋季差异显著(P<0.05),可见洱海沉积物中w(NTN)季节性变化较明显.洱海流域7月为雨季,大量外源污染物随雨水进入洱海,其携带的大量含氮污染物使沉积物中w(TN)和w(NTN)升高,但由于洱海水体扰动较强,污染物会悬浮再沉积,因此w(TN)和w(TTN)季节性变化不明显.7—10月洱海水生植物大量生长,促进NTN向TTN转化,从而使沉积物中w(NTN)的变化较大,冬季植物衰退,吸收TTN的量减少,从而使w(TTN)升高.洱海表层沉积物中w(IEF-N)和w(SAEF-N)夏季最低,冬季最高;w(WAEF-N)春季最低,冬季最高;w(SOEF-N)秋季最低,冬季最高.各形态氮不同季节间差异不显著.这主要是因为夏季水生植物生长旺盛,沉积物中活性氮(IEF-N)向上覆水中释放并被植物吸收利用,使沉积物中w(IEF-N)下降;同时,由于植物的活动及外源水体的进入,使湖泊水体中ρ(DO)增加,沉积物中铁锰化合物结合态氮向活性氮转化,w(SAEF-N)降低.春季洱海风浪较大,水体扰动增强,促进了溶解性有机物结合的有机氮及碳酸盐结合的无机氮向上覆水中的释放,沉积物中w(WAEF-N)降低.SOEF-N主要指与有机质和硫化物结合的氮形态,7月由于外源氮的输入w(SOEF-N)略有升高,秋季由于植物长时间的转化作用而减少.2.3形态氮质量分数洱海沉积物中不同形态氮垂向分布如图4所示.由图4可见,10个采样点各形态氮质量分数的平均值随着沉积物深度的增加均呈下降趋势,在10cm处出现拐点,除w(IEF-N)和w(WAEF-N)以外,其他形态氮在0~10cm基本保持稳定.其中,w(IEF-N)在10~16cm略有升高,在16~40cm保持稳定;w(WAEF-N)在10~26cm呈波动式变化,26~40cm基本保持稳定.IEF-N为沉积物中最活跃的TTN,是沉积物与间隙水交换的主要氮形态,因为水-土界面的元素迁移主要发生在沉积物0~15cm内,因此,w(IEF-N)在0~16cm随深度呈下降趋势.w(WAEF-N)在0~25cm呈波动式上升趋势,主要是因为其为溶解性有机物结合的有机氮及碳酸盐结合的无机氮,受环境影响较大.张振克等研究表明,洱海流域在该时段为宋元朝代交替,人类对流域生态环境影响波动较大,使外源有机质输入发生波动,从而影响WAEF-N的沉积.w(IEF-N)与w(TN)呈负相关,但相关性较小,其他形态氮质量分数与w(TN)均呈极显著正相关(P<0.01),表明除IEF-N外其他形态氮均与TN同步沉积.总体上洱海沉积物不同形态氮均呈表层富集现象,主要是因为近年来流域经济发展及湖泊水生植被退化所致.利用指数增长模型对洱海沉积物各形态氮质量分数随沉积深度的变化进行拟合:式中:y为各形态氮的质量分数,mg/kg;x为沉积物深度,cm;a为随着沉积物深度的增加不同形态氮质量分数的变化速率,mg/(kg·cm);b为沉积物表层w(N)的最大容量值,mg/kg.洱海沉积物中不同形态氮的拟合参数见表2.根据R2可见,除w(IEF-N)外各形态氮的质量分数随着沉积物深度的变化均符合指数增长模型.除w(IEF-N)外各形态氮质量分数拟合模型的a值均为负值,表明随着沉积物深度的增加各形态氮的质量分数均呈下降趋势,表现为表层富集.根据a值可见,各形态氮表层富集程度为NTN>TN>TTN,TTN中WAEF-N的表层富集程度最小,表明近年来洱海沉积物中氮主要以NTN形态沉积,TTN主要以SAEF-N及WAEF-N形态沉积.3讨论3.1海底沉积特征沉积物中不同形态氮的分布是外源污染物输入后在水体动力的作用下在不同区域沉降的结果,同时沉积后的氮素在水体扰动下会发生悬浮再分配.稳定沉积后的氮素在生物及pH、DO等环境因子作用下发生形态转化,逐步向下沉积或释放到水体中并被生物吸收利用.洱海沉积物中w(TN)和w(NTN)总体呈北部>南部>中部,主要是因为洱海水体总体上由北向南运动,在水动力作用下,外源输入的氮素随水流逐步沉积所致.6~7月洱海流域为雨季之初,入湖河流氮负荷较高,因此7月表层沉积物中w(TN)和w(NTN)年内最高.由表3可见,表层沉积物中w(TN)、w(TTN)和w(NTN)与w(TOM)呈显著正相关,说明氮素主要赋存于有机残体和轻质颗粒物中;洱海水体在北部、中部和南部形成3个环流,在各湖湾形成小的环流,在环流作用下表层沉积物中w(TN)、w(TTN)和w(NTN)与水深呈负相关,致使中部w(TN)、w(TTN)和w(NTN)较低.北部19号采样点沉积物中w(TN)最低,主要是因为该区域在弥苴河冲击扇下缘,以大的砂质颗粒沉积为主.TTN的一部分来源于外源,另一部分来源于沉积物中氮素的转化.洱海沉积物中w(TTN)南部较高,主要是因为北部水体交换快,使沉积物中TTN进入水体,同时北部水生植物覆盖面积较大,沉积物中TTN被植物吸收利用,使其质量分数降低;而南部水体交换相对较慢,有利于氮的沉积.10月降水量减少,洱海开始蓄水,水体交换变慢,氮素沉积,使该月表层沉积物中w(TTN)较高.不同形态TTN的分布不仅受水体动力学影响,同时受生物及环境影响相互转化.由表3可见,洱海表层沉积物中w(IEF-N)、w(WAEF-N)和w(SOEF-N)与水深均呈极显著负相关,随水深的增加而减少,因此中部较低.洱海表层沉积物中w(SAEF-N)与水深呈正相关,与w(TOM)呈负相关,主要是因为SAEF-N为金属氧化物结合态氮,以铝氧化物结合态氮为主,水体越深,w(TOM)越低,受生物影响越小,铝氧化物越稳定,因此在洱海最深处表层沉积物中w(SAEF-N)最高,总体上中部最高.在垂向分布上,沉积物中w(TN)、w(TTN)和w(NTN)随着沉积物深度的增加均呈下降趋势,并且与w(TOM)、pH呈显著正相关(见表4),表明随着沉积物深度的增加,在生物作用下氮素随有机质逐渐矿化释放,并且逐渐减弱趋于稳定.沉积物中w(WAEF-N)、w(SAEF-N)和w(SOEF-N)随着深度的增加均呈下降趋势,最后保持稳定.3种形态氮与w(TOM)、pH呈极显著正相关,表明其与有机质同步沉积,同时在沉积过程中,由于生物的作用3种形态氮逐步释放直至稳定.w(IEF-N)与w(TOM)和pH呈负相关,因为IEF-N是与水体交换的主要氮形态,受有机质吸附和生物利用影响较大.3.2控制外源氮素输入,加强湖泊生态修复洱海在沉积物中w(TN)在空间分布上表现为北部较高,并且高值区主要分布在北部湖湾和南部浅水区域,雨季(7月)w(TN)明显升高,各形态氮表层富集现象明显,说明近年来洱海外源氮输入量增加;w(TN)和w(TOM)呈正相关,说明近年来入湖氮素主要为NTN,农田面源及生活废水是主要来源,因此应加强控制外源氮素的输入.虽然洱海沉积物中w(TN)较高,但是w(NTN)所占比例较高,w(TTN)中w(IEF-N)所占比例较低,因此沉积物可释放氮量较低,这也是洱海水体中ρ(TN)较低的重要原因之一.洱海沉积物中各形态氮表层富集现象明显,w(TTN)及其所占比例高于长江中下游湖泊,在平水期(1月)w(