Resolving the influence of nitrogen abundances on sediment organic matter in macrophyte-dominated lakes, using fluorescence spectroscopy

A controlled experiment was designed to resolve the influence of nitrogen abundance on sediment organic matters in macrophyte-dominated lakes using fluorescence analysis. Macrophyte biomass showed coincident growth trends with time, but different variation rates with nitrogen treatment. All plant growth indexes with nitrogen addition (N, NH₄Cl 100, 200, 400 mg/kg, respectively) were lower than those of the control group. Four humiclike components, two autochthonous tryptophan-like components, and one autochthonous tyrosine-like component were identified using the parallel factor analysis model. The results suggested that the relative component changes of fluorescence in the colonized sediments were in direct relation to the change of root biomass with time. In the experiment, the root formation parameters of the plants studied were significantly affected by adding N in sediments, whichmay be related to the reason that the root growthwas affected byNaddition. Adding a low concentration of N to sediments can play a part in supplying nutrients to the plants. However, the intensive uptake of NH₄⁺ may result in an increase in the intracellular concentration of ammonia, which is highly toxic to the plant cells. Hence, our experiment results manifested that organic matter cycling in the macrophyte-dominated sediment was influenced by nitrogen enrichment through influencing vegetation and relevant microbial activity.     

滇池水生植物分布对沉积物间隙水中不同形态氮的影响

为揭示水生植物分布对滇池沉积物间隙水中各形态氮质量浓度的影响,于2015年6月在滇池分别采集有植物区域和无植物区域的沉积物柱状样,检测间隙水及上覆水中DTN(溶解性总氮)、NH₄+-N、NO₃--N和DON(溶解性有机氮)的质量浓度,分析其垂向变化特征以及水生植物对间隙水中各形态氮的释放控制效果. 结果表明:①水生植物改变了柱状沉积物间隙水中不同形态氮的分布规律,并且这种改变随湖区不同而表现不尽一致;②水生植物显著降低了沉积物间隙水中DON的贡献率,有植物分布区域ρ(DON)对ρ(DTN)的平均贡献率为41.05%,无植物区域可达58.48%;③水生植物显著抑制了沉积物中无机氮的释放,促进了DON的转化,同一采样点有植物区域NH₄+-N和NO₃--N的沉积物-水界面扩散通量分别比无植物区域平均降低了87.52%和91.99%;④水生植物生长显著削减了沉积物间隙水中氮的质量浓度,其中ρ(DON)的削减率达到了53.27%~80.42%. 研究显示,水生植物根系作为微生物和多种活性酶的主要载体,为沉积物有机氮的矿化降解起到了促进作用.      

呼伦湖表层沉积物有机质的释放效应分析

沉积物有机质是湖泊物质循环的重要组成部分之一,研究沉积物有机质的赋存和迁移转化特征对于湖泊生态保护具有重要意义.以位于我国寒旱区的蒙新湖区典型代表湖泊——呼伦湖为例,利用连续提取法、三维荧光激发发射矩阵光谱-平行因子法（EEMs-PARAFAC）和碳稳定同位素（δ13C）、碳氮比值（C/N）指标测定,并结合室内模拟试验,研究了呼伦湖表层沉积物有机质的赋存特征、释放效应及影响因素.结果表明:①呼伦湖表层沉积物有机质含量在26.67~38.09 g/kg之间,其主要组分为胡敏素（HM）,HM占沉积物有机质的相对比例为74.1%.沉积物有机质主要来自于陆源,陆源相对贡献率在80%左右.②沉积物室内静态释放模拟试验结果表明,沉积物有机质释放会导致上覆水中溶解性有机质（DOM）浓度和组分均发生改变,上覆水中溶解性有机碳（DOC）浓度由30.85 mg/L升至37.57 mg/L,类腐殖质组分所占比例升高.沉积物有机质释放还导致上覆水中氮磷浓度升高,其中溶解性总氮（DTN）和溶解性总磷（DTP）的浓度分别升高了0.89和0.16 mg/L.③近年来,呼伦湖流域温度升高,导致呼伦湖沉积物有机质的释放效应增强.研究显示,虽然呼伦湖沉积物有机质主要以难降解组分为主,但是其释放效应对水体碳、氮、磷浓度的影响仍然不容忽视.      

不同氨氮填加量下沉水植物对沉积物DOM荧光特性的影响

采用三维荧光光谱技术,模拟研究了不同氨氮添加量(0,100,200和400 mg/kg)下沉水植物对湖泊沉积物DOM(溶解性有机质)荧光特性的影响.结果表明:不同氨氮添加量下,沉水植物的存在明显增强沉积物DOM荧光强度,其中对类蛋白质和类氨基酸组分荧光强度影响较大(荧光强度分别增大了20%～77%和27%～56%);而对类腐殖酸和类富里酸组分影响相对较小(荧光强度分别增大了5%～25%和21%～29%). 添加氨氮可增强沉水植物对沉积物DOM荧光强度影响的程度,当添加量为100 mg/kg时,沉水植物生长最旺盛,沉积物DOM中类蛋白质和类氨基酸组分荧光强度增幅最大(分别约77%和56%);即外源氨氮通过增加沉积物蛋白质和氨基酸含量增强了沉积物有机氮的生物有效性;而在其他添加量下,DOM各荧光组分强度增幅不大,即适当添加外源氨氮,可通过促进沉水植物生长增加沉积物中蛋白质和氨基酸等含量,从而提高沉积物有机氮的生物有效性.      

狐尾藻在不同营养底泥腐解过程中胡敏酸的变化

采用平行因子分析方法,结合紫外吸收光谱、三维荧光光谱以及傅里叶变换红外光谱技术,研究了沉水植物狐尾藻在低、中、高营养底泥腐解过程中胡敏酸（HA）的变化,进一步揭示了不同营养底泥对沉水植物腐解的影响机制.结果表明,底泥营养水平越高,狐尾藻腐解得越快（P<0.05）,释放出更多的溶解性有机碳（DOC）、溶解性总氮（DTN）、溶解性总磷（DTP）和腐殖质;底泥营养程度与HA的疏水性、分子复杂性、分子量大小呈正相关（P<0.05）;荧光鉴别出不同营养底泥HA都含有1种类蛋白质组分C2和2种类富里酸组分C1、C3,且类富里酸组分和类蛋白质组分在不同腐解条件下具有相似的组分特征;不同营养底泥不同时间提取的HA红外图谱较为相似,表明不同腐解条件不同时间提取的HA含有相似的官能团,狐尾藻腐烂高营养底泥组提取的HA含有更多的芳香性物质和有机磷.采用光谱分析法对狐尾藻腐烂分解HA成分的化学结构特征进行系统的研究,可深入了解不同营养底泥对沉水植物腐解的影响机制,为湖泊水环境生态治理和修复提供理论参考.     

洞庭湖沉积物及上覆水体氮的空间分布

2009年12月底在洞庭湖全湖20个采样点采样,通过测量该20个沉积物样和对应的20个上覆水样的总氮、氨氮、硝氮浓度和沉积物的含水率,揭示洞庭湖沉积物及其上覆水体氮的空间分布。研究表明:洞庭湖各点位沉积物全氮平均浓度为547.0mg/kg,与滇池、太湖和巢湖相比较低。洞庭湖各分区沉积物氮形态分布比例相差不大,主要形态为有机氮,占全氮的比例达59.9%。洞庭湖各点位沉积物上覆水体总氮平均浓度为2.45mg/L,已经达《地表水环境质量标准》劣V类水体的标准。洞庭湖各分区沉积物上覆水体氮形态分布不一,硝氮所占比例最大,为35.6%。其中东洞庭湖水体主要氮形态为氨氮,西、南洞庭水体主要氮形态为硝氮。造成这种差异的主要原因是东西洞庭湖的人类生活方式以及城市、工业发展水平的不同。     

崇明东滩海三棱藨草生物硅分布及季节变化

利用Na2CO3连续提取法,分析了崇明东滩海三棱藨草(Scirpus mariqueter)体内生物硅(BSi)含量与分布特征.结果表明,BSi在海三棱藨草体内的分布存在明显的季节变化差异,在生物体中连续积累是BSi的一个主要特征.地上部分BSi含量变化范围为0.26% ~ 0.93%,地下部分为0.31% ~ 0.92%,果实中则为0.24% ~0.43%.地上部分含量明显高于其他部分,说明BSi主要沉积在蒸发强烈的叶片中,植株个体生长阶段是决定地上部分BSi含量的主要因素.统计分析显示,根际沉积物BSi和植物各器官BSi相关性均显著,说明海三棱藨草依从主动吸硅机制,从根际沉积物获取所需的Si.地上、地下部分BSi含量与有机氮(ON)、C/N、土壤温度、植株高度也存在明显的相关性.     

低溶解氧状态下河网区不同类型沉积物的氮释放规律

采集浙江温州温瑞塘河河网中4个受不同人类行为干扰的沉积物样品,分别代表受河道上游来水、制革厂排水、建筑垃圾和生活污水排放的影响,研究了低溶解氧(DO)状态下不同类型沉积物各形态氮(N)的释放规律.结果表明,低DO状态下,不同上覆水条件能明显影响沉积物-水系统中N迁移转化.上覆水污染越重越不利于沉积物中N释放,水质改善后易促进沉积物中N的释放.屿田河高营养盐水平的上覆水中的N仍能在扩散作用下进入沉积物,并导致已严重污染的沉积物中总氮(TN)和硝酸盐氮(NO3--N)含量增加,控制河流外源N持续输入利于沉积物污染负荷的降低.低DO状态下各类沉积物中氨氮(NH4+-N)均会释放进入上覆水,而NO3--N则迁至沉积物中,并在反硝化作用下脱离系统.NH4+-N的释放量取决于其在沉积物中的含量.低DO状态下NO3--N释放的风险小于NH4+-N.     

多方法研究呼伦湖表层沉积物有机质的赋存特征及来源

湖泊沉积物有机质是全球碳循环的重要组成部分之一.寒旱区湖泊由于地理位置和气候条件的特殊性,其沉积物有机质的赋存和迁移转化特征更容易受到气候变化的影响.以我国寒旱区典型代表湖泊——呼伦湖为例,采用连续提取法、C/N（碳氮比值）、δ13C（碳稳定同位素）、三维荧光光谱技术对呼伦湖表层沉积物有机质的含量和组分的时空分布特征、污染来源及稳定性进行了研究.结果表明:①2018年10月（秋季）、2019年3月（冬季）、2019年5月（春季）、2019年7月（夏季）,呼伦湖表层沉积物中w（TOC）的平均值分别为（25.05±9.73）（26.92±11.60）（24.68±10.19）（24.36±10.01）g/kg,呈冬季高、夏季低,由西北部向东南部递减的时空分布趋势.②w（WEOM）（WEOM为水提态有机质）、w（FA）（FA为富里酸）、w（HA）（HA为胡敏酸）和w（HM）（HM为胡敏素）的年均值分别为（0.63±0.33）（2.31±1.26）（3.42±1.49）（19.21±7.83）g/kg,w（WEOM）:w（FA）:w（HA）:w（HM）为1.0:3.7:5.5:30.7,其中HM为有机质的优势组分.③WEOM包括类富里酸组分C1,类腐殖酸组分C2和C3,以及类色氨酸组分C4共4个荧光组分,其中,类腐殖质组分（C1+C2+C3）贡献了总荧光强度的79.2%,为优势荧光组分.④沉积物有机质主要来自于陆源,陆源有机质的平均贡献率在80%左右.⑤沉积物PQ值（胡敏酸占腐殖酸的比例）和WEOM的HIX（腐殖化指数）年均值分别为0.55和6.39,表明现阶段呼伦湖表层沉积物有机质腐殖化程度较高且相对稳定.研究显示:呼伦湖表层沉积物有机质含量较高,表现出季节和空间分布差异性;有机质主要来自陆源,以类腐殖质为主,具有腐殖化程度高和相对稳定的特点.      

沉水植物黑藻腐解过程中营养盐释放过程

为探究沉水植物衰亡过程中营养盐的释放规律,采用黑藻(Hydrilla verticillata Royle)作为研究用沉水植物,在实验室内模拟了黑藻在初春温度下腐解过程中的主要营养盐碳、氮、磷的释放过程.结果表明:黑藻在试验初期迅速腐解,该过程中向水体释放大量碳(81.31%)、氮(81.62%)、磷(85.94%).但随着时间的推移,黑藻向水体释放的磷大部分沉积进入底泥,而氮有部分沉积进入底泥,同时有部分以气体形式移出水体.黑藻腐烂分解产生的厌氧条件以及高TOC供给促进水体反硝化作用加快氮素移出水体.但是较大生物残留量会引起水体缺氧,植物残体分解加剧,导致水质严重恶化,因此需要适时收割水生植物来控制水体残留生物量.     

外加氮源对滇池沉积物氮矿化影响的研究

采用连续培养法,在淹水条件下研究了添加外源氮对滇池沉积物氮矿化过程的影响.结果表明,在本研究条件下,添加水生植物残体或无机氮,均未改变沉积物氮矿化的总体趋势,表现为培养前期矿化量迅速升高并达到峰值,之后逐渐下降.各处理累积氮矿化量最大值为722.34~625.67mg/kg,约占总氮的10.5%~20.3%,与土壤相比,具有较大的矿化潜能.外加水生植物(孤尾藻,芦苇)残体的处理约在21d达到累积氮矿化量的峰值,比原沉积物分别增加了15.9%和9.3%.外加水生植物(孤尾藻,芦苇)残体和无机氮的处理比仅添加水生植物残体的处理累积氮矿化量达到峰值的时间晚一周,其最大累积氮矿化量分别减少了7.5%,9.8%和8.3%.运用Two–pool模型对试验结果进行了非线性回归拟合,通过参数和实际应用可能性剖析,Two–pool模型能较为准确地描述沉积物氮矿化过程.     

湖泊沉积物溶解性有机氮组分的藻类可利用性

选择乌梁素海和洱海沉积物样品,利用XAD-8树脂分离和三维荧光光谱技术,在室内培养条件下,研究了其溶解性有机氮(DON)不同组分的藻类可利用性.结果表明:①DON分组后,所研究湖泊沉积物DON及DOC平均损失低于5%,即XAD-8树脂分离技术可以用于湖泊沉积物DON的分组研究.②通过三维荧光光谱分析,湖泊沉积物DON亲水组分以类蛋白质为主,疏水组分以类腐殖质为主.③亲水组分培养条件下,来自乌梁素海和洱海沉积物的DON处理,其藻类生长分别呈"S"型曲线和直线上升趋势,最大藻密度分别达到535.5×104个·mL-1和709.5×104个·mL-1;其ρ(DON)均呈显著降低趋势,培养后ρ(DON)分别降低了2.46 mg·L-1和2.98 mg·L-1,表明湖泊沉积物亲水DON组分是藻类可利用的有机氮形态.④疏水组分培养条件下,来自乌梁素海和洱海沉积物的DON处理,其藻类生长均呈"单峰"曲线变化,最大藻密度分别达到113.5×104个·mL-1和275.5×104个·mL-1;ρ(DON)均在培养初期迅速下降,培养后期几乎不变,表明湖泊沉积物疏水DON组分在短时间内藻类可利用性较低,对藻类生长几乎无贡献作用.     

洱海沉积物水提取态有机氮特征及与其他来源溶解性有机氮的差异

选取洱海不同季节全湖47个沉积物表层样品,探讨水提取态有机氮(WEON)与不同来源(上覆水、间隙水、入湖河流和湿沉降)溶解性有机氮(DON)组分特征差异,并分析其对沉积物影响.结果表明,(1)洱海沉积物WEON含量季节性变化为夏季春季秋季冬季;空间分布规律呈北部南部中部.(2)洱海沉积物WEON腐殖化程度较高,腐殖质主要以富里酸为主,主要含有紫外区类腐殖质荧光峰A和高激发类色氨酸荧光峰B,受陆源输入和湖内生物共同影响.(3)洱海沉积物及其他来源DON均含有2个荧光组分,其中组分C1为内源性可见紫外区腐殖质峰是生物降解形成的荧光峰;组分C2为类色氨酸峰;湿沉降样品类蛋白峰峰强最大,生物可利用性较高;入湖河流DON生物可利用性最低.(4)洱海上覆水DON荧光C1和C2组分和沉积物WEON含量为显著相关(r=-0.79,P0.01;r=-0.944,P0.01),上覆水DON的荧光组分特征能够很好指示沉积物WEON含量特征.研究洱海不同样品DON结构组分特征,揭示洱海富营养化的潜在风险,为防治规划提供依据.     

草型湖区沉积物营养盐分布与污染评价

为阐明太湖草型湖区表层沉积物营养盐的空间分布及其污染特征,测定了胥口湾60个表层沉积物样中的总氮(TN)、总磷(TP)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)和有机质(OM)的含量,分析其污染水平与来源.结果表明,胥口湾表层沉积物中TN、TP、AN、AP和OM平均含量分别为1 027. 5、423. 2、46. 4、15. 3和17 096. 6 mg·kg-1,且在空间分布上均呈现出胥口湾东北部湖区高于其他湖区的特点.胥口湾表层沉积物中TN和TP单项评价指数(STN和STP)平均值分别为1. 75和0. 91,表明TN和TP分别处于中度和轻度污染状态;综合污染指数(FF)的平均值为1. 57,整体上处于中度污染状态.在有机指数和有机氮评价中,整体上处于清洁状态. C/N比值表明胥口湾表层沉积物中生物沉积的有机质主要来源为无纤维束植物和浮游植物.相关性分析表明,胥口湾表层沉积物中有机质与总氮具有同源性,但与总磷不具有同源性.     

湖泊沉积物有机质的连续提取与荧光光谱特征分析

采用化学连续提取与三维荧光光谱相结合的方法研究了蠡湖沉积物中可提取有机质的组成、结构和空间分布特征,并探讨了可提取态有机质组分与可交换态氮和弱吸附态磷之间的相关关系.结果表明,蠡湖沉积物中有机质含量为5.59~22.11 g·kg~(-1)(以C计),均值为12.28g·kg~(-1),其中水可提取态有机质(WSOM)、富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)的比例分别为5.14%、11.81%、9.63%和73.42%,空间上呈现由西向东逐渐递增,湖岸大于湖心的分布趋势.WSOM鉴别出3个荧光组分,以类氨基酸荧光峰(W-C1)占优势,占总荧光强度的比例为42.49%;FA鉴别出2个荧光组分,以富里酸荧光峰(F-C2)为主,比例为67.63%;HA的3个荧光峰中,以类胡敏酸荧光峰(H-C1和H-C3)为主,两者之和的比例为71.55%.多元回归统计表明,可提取有机质组分与游离态氮和易解析态磷含量之间均显著正相关,且与氮的相关性系数大于与磷,反映了可提取有机质与可交换态氮的关系更为密切,可用于指示沉积物生物可利用性氮磷的污染状况.     

有机质腐解对穗花狐尾藻生长及生理的影响

以原沉积物和分别添加0.5%与1%有机质(植物残体)的沉积物作为底质培养沉水植物,采用室内模拟实验研究了有机质的腐解过程对穗花狐尾藻生长及生理作用的影响.结果表明,在试验的早期阶段,有机质的腐解对狐尾藻的生长有一定的抑制,但在整个培养阶段,与原沉积物组相比,0.5%有机质的加入,在一定程度上可促进植株生长, 狐尾藻生物量和根系生物量平均增加了12.99%和125.31%,而1%有机质的加入,狐尾藻生长受到抑制.在培养的前16d,有机质的添加抑制了沉水植物狐尾藻叶绿素和可溶性蛋白含量的增加,在培养中后期,0.5%有机质的加入,可促进植株体内可溶性蛋白和叶绿素含量的积累.0.5%有机质添加条件下, 超氧化物歧化酶(SOD)活性持续升高,添加1%有机质和较长时间处理时,狐尾藻抗氧化酶系统活性先升高后降低. 在培养前期,1%有机质添加组植株丙二醛(MDA)含量比原沉积物组提高了20.13%,但与0.5%组差异不显著,即低浓度有机质的增加能促进狐尾藻生长及生理代谢,但随着有机质增加量的升高对狐尾藻的生理活动将产生不利影响.     

Biogenic silica in intertidal marsh plants and associated sediments of the Yangtze Estuary

Biogenic silica (BSi) contents in the marsh plants (Phragmites australis, Scirpus mariqueter and Spartina alterniflora) and associated sediments in Chongming Island eastern intertidal flat of the Yangtze Estuary were determined. The BSi contents in P. australis, S. mariqueter and S. alterniflora varied from 25.78-42.74 mg/g, 5.71-19.53 mg/g and 6.71-8.92 mg/g, respectively. Over the entire growth season, P. australis and S. mariqueter were characterized by linear accumulation patterns of BSi. The abovegroun...     

蓝藻暴发对巢湖表层沉积物氮磷及形态分布的影响

以巢湖表层沉积物及上覆水体为对象,于蓝藻暴发前(4月)和蓝藻暴发期(7月)采集水样及沉积物样品,分析了氮磷及其形态赋存特征,并探讨了沉积物氮磷及其形态与蓝藻暴发的关系.结果发现,蓝藻暴发时,巢湖表层沉积物总磷减少,总氮增加,同时削弱了磷在空间上分布的异质性.从氮磷形态来看,蓝藻暴发未造成巢湖表层沉积物氮形态(NH4+-N、NO3--N和Org-N)含量和比例的明显波动,但却造成了活性磷(弱吸附态磷和铁铝结合态磷之和)含量及比例的下降,钙结合态磷(Ca-P)以及有机磷(OP)含量及比例增加,生物有效性磷(AAP)的含量的减小.相关性分析表明,上覆水中叶绿素a(Chl-a)的浓度与铁铝结合态磷(Fe/Al-P)以及有机磷(OP)的含量显著相关(P<0.05),却与氮形态(铵态氮,硝态氮和有机氮)相关性不显著.巢湖沉积物磷(Fe/Al-P及AAP)对巢湖水体蓝藻暴发具有促进作用,而氮及其形态对蓝藻暴发作用较弱.     

太湖西岸湖滨带沉积物氮磷有机质分布及评价

采集了太湖西岸湖滨带的表层沉积物,研究了沉积物中氮、磷和有机质的空间分布并进行评价.结果表明,表层沉积物氮、磷和有机质含量基本上呈由近岸向远岸递增的趋势,各点表层沉积物有机质平均含量7 124.00 mg.kg-1,介于2 261.78～11 963.10 mg.kg-1;总氮平均含量819.20 mg.kg-1,介于343.20～1 390.12 mg.kg-1;总磷平均含量379.39 mg.kg-1,介于197.46～570.85 mg.kg-1.沉积物中C/N值为9.5.沉积物中有机质及营养盐来源于湖中藻类和水生高等植物.采用有机指数和有机氮评价太湖西岸湖滨带沉积物的环境质量,有机指数平均为0.037,有机氮为0.044%,总体上属于尚清洁范畴.远岸端点位沉积物有机指数及有机氮含量均较高,存在转为有机污染的风险.     

江汉平原中部浅层地下水中氨氮的有机质来源探究

江汉平原地下水氨氮浓度普遍超标，但是氮污染来源尚不明晰，尤其是对潜在的有机来源氮的认识还很不充分。本研究对江汉平原中部浅层地下水和沉积物中的溶解性有机质（Dissolved organic matter，DOM）荧光组分与氨氮关系进行了调查研究，并对沉积物的氮形态进行分析，探讨了沉积物中有机质向氨氮的潜在转化过程。研究表明研究区内浅层地下水中广泛分布溶解性有机碳与NH₄⁺，并且两者浓度呈现正相关关系（R²=0.42，p<0.01），该区域地下水呈现强还原环境有利于DOC与NH₄⁺的赋存。DOM荧光光谱谱图的平行因子分析（Parallel factor analysis，PARAFAC）结果表明：地下水与沉积物中DOM均含有类氨基酸与类富里酸组分。有机质组分荧光强度与氨氮浓度相关性结果表明：沉积物DOM中类富里酸和类氨基酸组分与氨氮均呈现强正相关性（R²=0.92~0.96，p<0.01）；地下水中DOM类富里酸组分与氨氮呈现较强的正相关性（R²=0.62~0.66，p<0.01），而类氨基酸组分与氨氮的正相关性不明显。地下水中相较沉积物中，DOM的类富里酸和类氨基酸组分与氨氮相关性减弱，这种变化可能指示了类富里酸稳定赋存在含水层，而类氨基酸更容易分解消耗。沉积物中凯氏氮占总氮的87.04%~93.51%，表明沉积物中的氮主要为可以转变为NH₄⁺的有机氮形态，因而满足了地下水中的NH₄⁺由沉积物有机氮转化产生的必备条件。江汉平原沉积物中有机氮的分解是浅层地下水氨氮的重要来源。