低温期浅水湖泊氮的分布及无机氮扩散通量:以白洋淀为例

本文以我国华北地区最大的浅水湖泊白洋淀为研究对象,探究其低温期沉积物-水界面无机氮的分布特征,分析沉积物孔隙水中无机氮扩散通量对上覆水水质的影响.结果表明,低温期白洋淀表层水总氮（TN）平均浓度范围为4.83~8.23 mg·L^-1,氨氮（NH₄⁺-N）平均浓度维持在0.21~0.34 mg·L^-1之间,硝氮（NO₃^--N）平均浓度在0.01~2.75 mg·L^-1之间.TN污染较严重,超过地表水Ⅴ类水质标准.表层沉积物TN平均含量在681~4365 mg·kg^-1之间,其中有机氮（TON）为氮素的主要存在形式,占总氮比例61.6%~93.1%.NH₄⁺-N为无机氮（TIN）的主要存在形式,平均含量范围为28.9~116.3 mg·kg^-1,NO₃^--N含量整体较低,平均值范围为5.2~23.7mg·kg^-1.低温期白洋淀0~30 cm沉积物孔隙水中NH₄⁺-N浓度是上覆水中的3~16倍,呈现逐渐累积趋势.沉积物-水界面NH₄⁺-N、NO₃^--N和NO₂^--N扩散通量范围分别为-0.55~4.09、-1.44~3.67和-0.88~0.04 mg·（m²·d）^-1,冬季低温期仍具有潜在释放风险.低温期沉积物中积累大量的NH₄⁺-N,可能会在温度升高后影响白洋淀上覆水体水质.因此研究低温期白洋淀沉积物-水界面氮的分布特征和沉积物中无机氮的内源释放风险对于改善白洋淀水质和认识浅水湖泊内源氮污染具有重要意义.     

滇池沉积物氮内源负荷特征及影响因素

研究了滇池沉积物间隙水氮浓度垂向分布特征,根据Fick扩散定律定量估算了沉积物-水界面氮扩散通量,并探讨了其影响因素.结果表明:滇池沉积物间隙水溶解性总氮(DTN)主要以氨态氮(NH4+-N)形式存在,占其总量的72.30%,其浓度随深度增加而升高;其次为溶解性有机氮(DON),占其总量的24.59%,其浓度随深度的增加先升高后降低,最后趋于稳定;硝态氮(NO3--N)所占比例较低,浓度随深度的增加而降低.滇池沉积物-水界面NH4+-N扩散通量分布范围为12.73~59.74mg/(m2·d)[均值30.18mg/(m2·d)],全湖年均氨氮释放量为3305.04t,其中草海、外海北部、东北部及南部湖区扩散通量较大,达35mg/(m2·d),全湖呈由北向南逐渐降低的空间分布特征;全湖年均DON释放量为1147.55t,其全湖分布特征与氨氮一致;NO3--N扩散通量分布范围为-2.70~0.27mg/(m2·d)[均值-0.50mg/(m2·d)],总体表现为由上覆水向沉积物扩散.与我国其他湖泊相比,滇池具有较大沉积物氮内负荷,其沉积物-水界面NH4+-N扩散通量较高,对湖泊水体氨氮浓度贡献较大,且其与沉积物总氮、有机质、可交换态氮和可交换态氨氮含量呈显著正相关,即滇池沉积物NH4+-N释放主要受其可交换态氮,特别是可交换态中氨氮含量影响;同时,滇池沉积物DON潜在释放风险也较大,且与沉积物C/N有关.     

昌黎近岸海域扇贝养殖区沉积物-水界面溶解无机氮磷及尿素扩散通量研究

分别于2015年12月、2016年4月和2016年9月,分3个航次采集了昌黎近岸海域扇贝养殖区沉积物柱状样品和原位底层海水,通过实验室培养法对该水域沉积物-海水界面DIN,DIP和尿素的扩散通量进行了测定。结果表明,昌黎近岸海域扇贝养殖区沉积物-海水界面DIN的扩散通量平均为52.72 μmol/（m2·h）,DIP年平均通量为0.074 μmol/（m2·h）,尿素年平均通量为1.00 μmol/（m2·h）,扩散方向总体表现为从沉积物向上覆水扩散。昌黎近岸扇贝养殖区沉积物-海水界面尿素的通量为胶州湾通量的2~3倍,为黄海通量的2倍多,沉积物所提供的尿素为北戴河抑食金球藻褐潮的爆发提供了可能。沉积物每年向养殖系统输入的DIN总量估算为1680.73 t,溶解无机磷为2.36 t,尿素为136.66 t,表明沉积物是昌黎近岸海域扇贝养殖区水体氮磷,尤其是溶解无机氮和尿素的重要输入源。     

河蚬(Corbicula fluminea)扰动对湖泊沉积物性质及磷迁移的影响

为探讨河蚬(Corbicula fluminea)扰动对湖泊沉积物性质及磷在沉积物-水界面迁移转化过程,以太湖西岸富营养化湖区大浦口为对象,开展室内培养实验,利用Rhizon间隙水采集器获取实时间隙水,测定溶解活性磷(soluble reactive phosphorus,SRP)在沉积物-水界面通量、分析沉积物基本性...     

黄渤海氮磷营养盐的分布、收支与生态环境效应

基于在黄渤海的综合调查结果,分析了水体和沉积物间隙水中溶解无机氮（DIN）和溶解无机磷（DIP）的分布;结合历史数据构建了黄渤海DIN和DIP的收支模型,并分析了陆源输入变化对研究区域生态环境的影响.结果表明,黄渤海DIN和DIP的含量受季节、河流输入和沉积物界面扩散作用的影响,具有秋季高于春季和近岸高于离岸的时空分布特征.收支模型计算结果表明,底界面扩散是黄渤海水体DIN的主要来源,其次是大气、周边河流、地下水和东海的输入;黄渤海水体DIN的支出主要是通过沉积埋藏和反硝化.黄渤海水体DIP的来源主要是磷酸盐吸附解吸,占91%,底界面扩散和大气输入为其次,河流和地下水的输入贡献较小.DIP的支出主要是通过沉积埋藏和向东海的输出.黄渤海每年有11Gmol的氮在水体积累,并导致其浓度提高约0.6μmol/（L·a）.近些年来陆地向黄渤海输入氮的持续增加,加剧了氮营养盐的积累,导致非硅藻类浮游植物比例以及赤潮发生频率和面积显著增加,同时还提高了水体初级生产力和海洋磷的埋藏量以及加剧了磷限制的趋势,并可能威胁生态系统的稳定.     

霍甫水丝蚓对太湖梅梁湾沉积物影响——水界面无机氮、磷交换

根据太湖梅梁湾大型底柄动物的自然分布特征,运用沉积物-水微宇宙的实验方法评估了霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeristeri)对太湖沉积物无机氮和磷释放的影响,通过对比分析沉积物和上覆水无机氮浓度、沉积物和上覆水之间无机氮的循环规律及沉积物中无机氮的剖面特征在有/无水蚯蚓活动背景下的差异,探讨了寡毛类底...     

中国湖泊温度变化特征及其对气候变化的响应

利用2000~2015年MODIS温度产品数据MOD11A1,以中国不同自然地理单元且面积大于250km²的9大湖泊（呼伦湖、兴凯湖、洪泽湖、太湖、抚仙湖、纳木错、色林错、青海湖、博斯腾湖）为研究对象,利用小波变换的方法对湖泊温度的季节与年际变化特征以及对气候变化的响应进行了研究.结果表明：9大湖泊温度季节变化特征明显;湖泊温度的年温差从北向南随纬度变小而逐渐减小.在2000~2015年,湖泊温度的年际变化趋势均表现为先上升后下降.抚仙湖、色林错和博斯腾湖湖温年际变化的拐点均为2009年,其余6个湖泊年际变化的拐点均为2010年.根据再分析资料得到的湖泊气温均在2011~2015年呈下降趋势.所有湖泊水温对湖泊气温的响应程度强,湖温和气温的变化趋势基本一致.在气候变暖的背景下,各个湖泊结冰期出现了不同的响应特征.在2000~2015年,色林错结冰开始日期延后趋势最明显,而纳木错结冰开始日期提前趋势明显;呼伦湖融冰日期提前趋势最明显,而纳木错融冰日期呈延后趋势明显;呼伦湖和青海湖的结冰期缩短,纳木错和色林错的结冰期延长,而兴凯湖和博斯腾湖结冰期变化趋势不显著.     

长江口北支潮滩沉积物-水界面无机氮的交换通量及季节变化

对长江口北支地区沉积物--水界面无机氮的交换通量及季节变化进行了研究。由于沉积物--水界面无机氮的交换行为受到不同环境因子的影响，随着季节更替，氮的界面交换行为有较大的差异。一方面，滨岸地区的沉积物对水体中的氮有着良好的去除能力，是水体中硝氮、氨氮的汇；另一方面，由于河口滨岸生态系统是一个脆弱的并且处于动态变化的系统，随着外界条件的变化，河口沉积物--水界面的物质交换会受到很大的影响，有可能从营养盐的汇转化为营养盐的源，对水体造成二次污染。研究揭示：生物活动、温度、溶解氧等环境因子在沉积物--水界面氮的季节交换行为中作用明显，而盐度、Eh等因子的作用是次要的。     

浅水湖泊群水质模型的近似解析解法

为了实现在一般微机上也能模拟浅水湖泊群的水质变化，从水质变化的基本控制方程出发，根据浅水湖泊群的水流特征与污染物迁移特性，首先建立了浅水湖泊群ＢＯＤ－ＤＯ模型，然后针对恒定水流和污染源稳定排放污水的情形，把处于湖泊边界上的污染源所面临的湖面视为半无限区域，并考虑到浓度的可叠加性，提出了浅水湖泊群ＢＯＤ－ＤＯ模型的近似解析解法。实例结果表明，这种解法计算工作量和存储量都较小，在一般微机上即能进行，且计算准确度基本上能满足工程实际要求。     

太湖草、藻型湖区沉积物-水界面厚度及环境效应研究

在太湖草、藻型湖区采样,分别测定了1,3,5,10,15cm 5层沉积物和沉积物表面以上5,20,35cm处及水表面以下20cm处4层水的多项指标.结果表明:草型湖泊水柱中SS总、SS有机、Ch1-a、TN、TDN、TP和TDP等指标显著低于藻型湖区;草型湖区水柱中SS总、SS有机、TN、TDN和TP都呈现出越往下浓度越高的趋势,而藻型湖区各水层间差异不明显.两类湖区沉积物的TN、TP、TOC和粒径都在3～5cm处出现拐点;草型湖区沉积物溶解氧层厚度(＜1mm)小于藻型湖区(＜2.5mm).可见在不同的生境类型以及不同的指标体系下,沉积物-水界面的厚度也相应不同.     

一种可实现不同水深条件下采样的湖泊沉积物柱芯采样装置

沉积物柱芯采样器是一种广泛应用于生态环境研究的科研装备.在前人研究的基础上,我们研制了一套携带方便、操作简单、适用范围广、取样效果好的湖泊沉积物茬芯采样装置.通过组件的不同组合,该采样装置可实现不同水深条件下的沉积物柱芯采样,采集的沉积物厚度可达80～150 cm.该采样装置具有体积小、重量轻、结构简单、性能可靠的特点...     

New insights into eutrophication management: Importance of temperature and water residence time

Eutrophication and harmful cyanobacterial blooms threaten water resources all over the world. There is a great controversy about controlling only phosphorus or controlling both nitrogen and phosphorus in the management of lake eutrophication. The primary argument against the dual nutrients control of eutrophication is that nitrogen fixation can compensate the nitrogen deficits. Thus, it is of great necessary to study the factors that can significantly affect the nitrogen fixation. Due to the dif...     

大型底栖动物对长江口潮滩沉积物-水界面无机氮交换的影响

基于实验模拟,通过对比分析潮滩无机氮长短期通量交换、循环规律及沉积物中无机氮的剖面特征在有/无底栖动物活动背景下的差异,探讨了双壳类底栖动物河蚬对长江口潮滩沉积物-水界面无机氮交换的影响及其机制.研究发现:潮滩无机氮界面交换中,河蚬的钻穴活动能增加向上覆水方向氨氮和硝氮的通量值;河蚬长期栖息对界面的生物扰动和代谢物排放能促进氨氮向上覆水的释放并逐渐加强沉积物氧化层中的硝化活动;界面附近河蚬的扰动和喷灌活动改变了沉积物中无机氮的垂直剖面特征,加速了沉积物中有机质的矿化分解和两相界面间氨氮的离子交换,促进沉积物氮库向滨岸水体的释放输出.     

Spatial and historical distribution of organic phosphorus driven by environment conditions in lake sediments

The chemistry of sedimentary organic phosphorus (OP) and its fraction distribution in sediments are greatly influenced by environmental conditions such as terrestrial inputs and runoffs. The linkage of OP with environmental conditions was analyzed on the basis of OP spatial and historical distributions in lake sediments. The redundancy analysis and OP spatial distribution results suggested that both NaOH-OP (OP extracted by NaOH) and Re-OP (residual OP) in surface sediments from the selected 13 lakes reflected the gradient effects of environmental conditions and the autochthonous and/or allochthonous inputs driven by latitude zonality in China. The lake level and salinity of Lake Hulun and the runoff and precipitation of its drainage basin were reconstructed on the basis of the geochemistry index. This work showed that a gradient in weather conditions presented by the latitude zonality in China impacts the OP accumulation through multiple drivers and in many ways. The drivers are mainly precipitation and temperature, governing organic matter (OM) production, degradation rate and transportation in the watershed. Over a long temporal dimension (4000 years), the vertical distributions of Re-OP and NaOH-OP based on a dated sediment profile from HLH were largely regulated by the autochthonous and/or allochthonous inputs, which depended on the environmental and climate conditions and anthropogenic activities in the drainage basin. This work provides useful environmental geochemistry information to understand the inherent linkage of OP fractionation with environmental conditions and lake evolution.     

巢湖水华暴发期水-沉积物界面溶解性氮形态的变化

2008年4~10月,连续对巢湖8个样点进行采样,分析了上覆水和表层沉积物间隙水中溶解性氮形态在水华暴发过程中的变化,估算了水-沉积物界面无机氮的扩散通量.结果表明,上覆水中NH4+-N含量随水华暴发强度的增加而减小,溶解性总氮(DTN)含量在水华暴发后明显升高,而NO3--N含量只在水华暴发严重时才明显减少.在大规模水华暴发前(4~5月)上覆水中DTN的主要组成部分是NO3--N和NH4+-N,在水华暴发后则是溶解性有机氮(DON).间隙水中PDTN以NH4+-N为主,其浓度随温度的增加而升高; DON在水华暴发过程中呈先下降后上升的趋势.通量计算结果表明,沉积物作为NH4+-N的“源”一直由间隙水向上覆水释放,西半湖扩散通量在13.06~32.94mg/(m2·d)之间,东半湖扩散通量在4.54~17.41mg/(m2·d)之间.沉积物-水界面交换是湖泊营养盐重要的补充途径,为水华持续暴发提供营养来源.     

黄海溶解无机氮及颗粒有机氮收支与转化模型

为了解黄海氮营养盐的循环规律与收支情况,利用一个高分辨率物理-生物地球化学耦合模型（ECSECOM）,模拟了黄海溶解无机氮（DIN）、颗粒有机氮（PON）的循环收支情况,分析了各源汇项的空间分布特征及季节变化规律及不同形态之间转化规律.结果表明：黄海DIN浓度在春、夏季较低,秋、冬季恢复至高水平.PON浓度在冬、春季较低,在夏、秋季有升高的趋势.浮游植物光合作用和呼吸作用是DIN最主要的汇和源,初级生产消耗的DIN中29.47%由水体内碎屑物质矿化分解提供,外源输入的DIN占总浮游植物生长需求的14.60%.浮游植物死亡是PON最大的源,沉积物为PON的净汇.大气氮沉降对黄海的影响范围全面,底沉积物释放和河流输入的DIN对黄海的影响是局地的.从PON与DIN之间的循环转化来看,PON中有48.50%转化为DIN,其余大部分都沉积到海底界面,而DIN向PON的转化率为38.85%.     

九龙江流域上游浅水湖泊富营养化机制

基于对九龙江上游龙潭湖富营养化水体和沉积物现状的监测结果,通过与国内富营养化深水湖库和流域下游大型富营养化浅水湖泊进行对比,深入探讨了流域上游浅水湖泊富营养化发生的原因及主导机制.流域上游浅水湖泊具有外源污染物输入较少的特点,较下游大型浅水湖泊更易受温度等气候条件和沉积物氧化还原状态的影响,以及外源输入总磷控制具有较强的滞后效应,因此对流域上游浅水湖泊富营养化的控制必须重视内源营养盐释放,特别是结合态磷的内源释放问题.     

我国湖泊系统氮磷时空变化及对富营养化影响研究

本文收集整理了32篇已公开发表的学术论文的湖泊富营养化有效监测数据约140组,对湖泊氮磷时空特征和富营养化的关系进行分析。结果表明,我国湖泊总氮(TN)和总磷(TP)的变化范围分别为0.11~29.2 mg/L和0.006~1.04 mg/L,其中氮的变异性比磷大。TN/TP的变化范围在0.86~84,几何平均值为16.43,这说明磷素是我国湖泊富营养化的一个主要限制因子。TN与纬度存在极显著的相关关系,随着纬度的升高,TN含量极显著地减少,但TN与经度的相关关系较弱(p=0.126),这可能与氮在经度上变异性大有关。TP与纬度和经度的相关关系都达到显著水平,随着经纬度的升高,TP显著地减少。TN/TP与经纬度也都存在显著的相关关系,随经度和纬度的升高,我国湖泊的TN/TP显著升高,表明磷素富集可能是造成南方湖泊的富营养化程度高的重要原因。我国湖泊水体氮素和磷素在化学计量上的变化,可能与我国目前湖泊富营养化频发密切相关。自上个世纪90年代至今,我国湖泊磷素含量上升极为显著,但氮素则变化不大(p=0.275),从而引起TN/TP显著下降,所以,解决我国湖泊富营养化问题的关键在于"磷"素的输入控制。     

青年湖沉积物中氮赋存形态的季节性变化

通过对青年湖中心区和浅滩区近1 a的野外观测,分析其沉积物、间隙水和上覆水中TN、EN(可交换态氮)和Fixed-NH4+-N(固定态铵)的含量及表层沉积物Eh和温度的季节变化.结果表明:沉积物中w(TN)较高,且中心区大于浅滩区;NH4+-N是沉积物中EN的主要形式,约占w(EN)的95%,是氮自沉积物向表层水扩散的主要形态;沉积物中w(NO3--N)和w(NO2--N)较低;青年湖沉积物具有较强的吸持Fixed-NH4+-N的能力,浅滩区和中心区w(Fixed-NH4+-N)占w(TN)的比例分别为18.57%和20.84%,Fixed-NH4+-N是潜在氮源;沉积物中w(可交换态NH4+-N)和w(Fixed-NH4+-N)呈现春、夏季降低,秋、冬季升高的变化趋势,w(NO3--N)呈春、夏季升高而秋、冬季降低的变化趋势,且浅滩区变幅大于中心区;植物根系、温度的季节性变化可改变表层沉积物的还原环境,进而影响氮的硝化-反硝化作用和矿化作用.      

太湖草型湖区沉积物再悬浮对水体营养盐的影响

再悬浮过程中沉积物对水体营养盐的内源贡献是湖泊,特别是浅水湖泊富营养化研究中的重要问题.采用原位沉积物柱样和原状上覆水的Y型扰动装置,被用来研究常规风情下太湖草型湖区沉积物的再悬浮和沉降过程对水体营养盐负荷的影响.结果表明,小风和中风的再悬浮过程导致水体氨氮和磷酸根磷含量显著下降,单位面积水柱含量最大变化量分别为-0.140 g·m-2和-1.59 mg·m-2;大风条件下,水体氨氮含量下降幅度很小,磷酸盐则出现明显增加趋势,最大增量为0.81mg·m-2.再悬浮过程之后的沉降过程中,中、小风条件的水体氨氮含量变小,大风条件的含量没有明显变化.磷酸根磷含量在中、小风条件下与风浪前差别较小,大风条件的含量则明显增大,最大增量为1.36 mg·m-2.因此,沉积物的再悬浮过程和沉降过程对上覆水体的营养盐动态负荷都产生重要影响.与太湖无植被湖区的研究结果对比说明,水生植物的存在对风浪作用下沉积物与上覆水的物质交换有一定的抑制作用.