蠡湖水体氮、磷时空变化及差异性分析

蠡湖是一个典型处于从浊水藻型向清水草型转换过渡时期的浅水湖泊.根据2012~2013年周年的现场调查资料和历史监测资料,分析了水体氮、磷的空间分布、变化规律及主要影响因素,并探讨了水体氮、磷形态的时空差异及其相应的控制对策.结果表明,蠡湖仍然没有从根本上解决水体的富营养化问题,水体中氮、磷浓度仍处于一种不稳定的状态,各采样点总氮(TN)浓度在0.74~4.93mg/L之间,平均值为1.35mg/L;总磷(TP)浓度在0.03~0.31mg/L之间,平均值为0.073mg/L.空间上,TN和TP浓度自东向西依次递减,呈现东蠡湖高于西蠡湖,沿岸区高于湖心区的趋势;季节上,TN、TP浓度呈现夏季、秋季较高,而冬季、春季低的特点;水体中氮主要以溶解态为主,DTN占TN的比例在35%~99%之间,平均为77.98%;而磷主要是以颗粒态的形态占优势,颗粒态磷占TP的比例在11%~90%之间,平均值为59%.多元统计表明,TN与DTN和总悬浮物(TSS)之间呈正相关关系,但与TSS的相关性系数较小,而TP与DTP和TSS都呈显著正相关.因此,要降低水体中氮磷浓度,可以从减少通过干湿沉降进入湖泊水体的氮磷或者降低沉积物再悬浮、抑制底泥氮磷释放两个方面入手.     

蠡湖水体透明度的时空变化及其影响因素

为揭示浅水湖泊水体SD(透明度)下降的主导因子,根据2012—2013年现场调查资料和历史监测资料,分析了浅水湖泊蠡湖SD的时空分布特征、变化规律及主要影响因素,并重点探讨了SD与ρ(TSS)(TSS为总悬浮物)、ρ(Chla)和ρ(DOC)的相互关系. 结果表明:SD在年内变化范围为20.0～209.0 cm,平均值为64.1 cm,总体上呈西蠡湖大于东蠡湖、湖心大于沿岸区的分布趋势;春、夏、秋、冬四季的SD分别为(51.1±15.1)、(41.3±10.6)、(28.3±7.4)和(127.1±43.2)cm,表现为冬季>春季>夏季>秋季,冬季SD平均值可达127.1 cm,而秋季仅有28.3 cm. 多元回归分析表明,ρ(TSS)是影响水体SD的最主要因子,其次为浮游藻类生物量;SD与ρ(TSS)呈幂函数关系,拟合方程为y=220.61x-0.545 0.      

环境治理工程对蠡湖水体中氮空间分布的影响

为评估蠡湖水环境治理工程措施对蠡湖水体营养状况的影响,于2012年4月及10月对蠡湖湖区及环湖河口共64个采样点进行了采样及分析,探讨了水体及表层沉积物中各形态氮的空间分布特征及其影响因素. 结果表明:蠡湖上覆水中ρ(TN)为0.82~3.20mg/L,平均值为1.35mg/L;间隙水中ρ(DTN)为1.28~5.36mg/L,平均值为2.51mg/L. 上覆水和间隙水分布趋势均为自西向东递增,并且环湖河口ρ(TN)显著高于湖区. 研究期间蠡湖NH₄+-N平均扩散通量为4.80mg/(m2·d),并且NH₄+-N扩散通量与表层沉积物中w(TN)和w(E-NH₄+-N)呈显著正相关. 2003年以来,经过一系列水环境治理工程后,蠡湖水质改善较为明显,但仍未从根本上解决蠡湖的富营养化问题,因此在外源污染得到严格控制的情况下,需加强对蠡湖水体沉水植物的恢复,优化调控蠡湖目前的生态系统结构.      

呼伦湖水体磷的时空演变及其影响因素

呼伦湖是我国北方第一大湖泊,其水环境质量对区域生态环境调节具有重要影响.针对近年来呼伦湖水体的ρ（TP）超标问题,分别于春、夏、秋、冬四季采集呼伦湖水体样品,结合入湖河流断面多年月均数据对呼伦湖水体ρ（TP）的时空分布、赋存特征、污染来源和影响因素进行分析.结果表明:①秋季、冬季、春季和夏季呼伦湖水体ρ（TP）分别为0.145~0.301、0.090~0.360、0.104~0.434和0.049~0.219 mg/L,总体处于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》V类水质标准;呼伦湖水体ρ（TP）空间分布上季节性差异显著,冬季呈现湖周高于湖心的特征,秋季呈湖心高于湖周的特征,春季和夏季克鲁伦河入湖河口处ρ（TP）均较高.②冬季与其他3个季节水体磷形态组成差异较大,冬季冰封期以DTP（溶解态磷）为主,ρ（DTP）占ρ（TP）的比例为76.2%,春季、夏季和秋季均以PP（颗粒态磷）为主,其占ρ（TP）的比例分别为55.1%、64.1%和58.9%.③呼伦湖3条入湖河流ρ（TP）表现为克鲁伦河>呼伦沟河>乌尔逊河的特征.研究显示,呼伦湖水体ρ（TP）的主要影响因素为水量变化、冰封、入湖河流输入和底泥再悬浮.      

环境治理工程对蠡湖水体中磷空间分布的影响

为评估水环境治理工程措施对蠡湖水体营养状态的影响,2012年4月对湖体与环湖河口调查分析,研究了蠡湖磷元素空间分布特征及其影响因素.结果表明:蠡湖水体总磷浓度介于0.03~0.31mg/L之间,平均为0.06mg/L,呈由西向东逐渐递增的趋势,且环湖河口磷含量明显高于湖体;沉积物中总磷空间分布趋势类似于水体,湖体总磷含量在321.77~1062.08mg/kg之间,平均为593.75mg/kg,而环湖河口总磷含量在523.38~1396.39mg/kg之间,平均为784.51mg/kg;结合历年监测数据可以看出,一系列水环境治理工程使得蠡湖水质有了大幅度的改善,水体中总磷的年均值由治理前0.18mg/L下降到0.06mg/L,但仍没有完全从根本上解决水体的富营养化问题.主要原因是沉积物中总磷对水体影响较大,相关性分析表明磷的扩散通量与沉积物总磷和可交换态磷成显著正相关.     

蠡湖水环境综合整治工程实施前后水质及水生态差异

为探讨水环境综合治理工程措施对蠡湖水生态环境的改善效果,对工程实施前后蠡湖水生态环境的变化及趋势进行了分析. 结果表明,水环境综合治理工程实施后,蠡湖水质明显好转,水体中ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(COD_Mn)和ρ(Chla)年均值显著下降(P<0.01),ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)分别由综合治理前 (1992—2002年平均值) 的5.77、0.19 mg/L和59.90 μg/L降至综合治理后的3.13、0.13 mg/L和27.12 μg/L,ρ(COD_Mn)则由7.09 mg/L降至5.00 mg/L以下;表层沉积物中w(OM)、w(TN)和w(TP)分别由2001年的40.40、1.19、2.61 g/kg降至2012年的19.60、1.16、0.59 g/kg;2012年生态修复工程区内初步形成了一个水生植物较为完整的生态系统. 综合整治后,水质改善效果明显,但部分水体感观指标〔如ρ(TSS)、SD(透明度)〕改善效果不明显,底栖动物优势种群仍为耐污种,生态系统完全恢复还需时日. 因此,有必要进一步开展以提高透明度、恢复沉水植物为核心的生态优化调控,促进蠡湖由藻型浊水稳态向草型清水稳态转变.      

保定大气颗粒物中水溶性无机离子质量浓度及粒径分布

为研究保定市大气颗粒物中水溶性无机离子的质量浓度水平、季节变化和粒径分布特征,于2010年8月—2011年8月利用Andersen分级采样器采集大气颗粒物样品,并用离子色谱分析其中的离子组成. 结果表明,细粒子(PM_2.1)中主要水溶性无机离子为SO₄2-、NO₃-和NH₄+,三者质量浓度平均值分别为23.18、21.99和11.44μg/m3;粗粒子(PM>2.1)中主要水溶性无机离子为NO₃-、Ca2+和SO₄2-,三者质量浓度平均值分别为10.60、10.39和10.14μg/m3. 细粒子中ρ(SO₄2-)、ρ(NO₃-)、ρ(NH₄+)、ρ(Cl-)和ρ(K+)的季节性变化相似,均为冬季>秋季>夏季>春季;粗粒子中ρ(NH₄+)、ρ(K+)和ρ(NO₃-)呈现出与细粒子不同的季节性变化趋势,ρ(NH₄+)和ρ(K+)均为冬季>夏季>秋季>春季,而ρ(NO₃-)则为夏季>秋季>冬季>春季. 粗、细粒子中ρ(Ca2+)和 ρ(Mg2+)的季节性变化特征相似,均为冬季最高、夏季最低. ρ(SO₄2-)、ρ(NO₃-)、ρ(Na+)和ρ(K+)均呈双峰分布,分别在＞0.43~1.1μm和＞4.7~5.8μm出现峰值; ρ(NH₄+)和ρ(Cl-)呈细模态单峰分布,在＞0.43~1.1μm出现峰值; ρ(Mg2+)和 ρ(Ca2+)呈粗模态单峰分布,在＞4.7~5.8μm出现峰值. 二次源和生物质燃烧是细粒子的主要来源,扬尘对粗粒子影响较大.      

基于光补偿深度的蠡湖沉水植物恢复区划分

为分析蠡湖沉水植物恢复的光补偿深度和透明度条件,根据2012年4月和2013年4月蠡湖水下PAR(光合有效辐射)强度、ρ(SS)、透明度等监测数据以及沉水植物相关资料,探讨了沉水植物光补偿深度的空间分布特征及其影响因素. 结果表明:水下PAR强度随水深呈指数递减,α(光衰减系数)在0.97~6.04 m-1之间变化;光补偿深度空间分布格局均表现为西蠡湖大于东蠡湖、沿岸大于湖心的趋势,并且与水体透明度呈显著正相关;狐尾藻、金鱼藻、菹草、黑藻、苦草的光补偿深度及水体真光层深度分别是透明度的1.83、1.92、2.05、2.12、2.57和3.04倍. 回归分析表明,光补偿深度主要受ρ(SS)影响,其次为ρ(Chla). 以沉水植物群落光补偿深度(水体真光层深度)与水深的比值作为划分沉水植物群落恢复区域的参考依据,将蠡湖水域初步划分为“适宜区”“过渡区”和“暂不适宜区”,其中“适宜区”占蠡湖水域面积的29%.      

蠡湖沉积物不同形态氮赋存特征及其释放潜力

为了揭示蠡湖沉积物中氮对上覆水体的影响,采用连续分级提取法研究了各形态氮的空间分布特征;根据Fick第一扩散定律及相关性分析识别了潜在生物可利用性氮对沉积物氮释放的影响;同时,结合室内矿化实验,评估了有机氮的矿化潜力及其主要来源.结果表明:沉积物w(TN)均值为1417.97mg/kg,东蠡湖明显高于西蠡湖,TN主要存在形式为HN(酸解态氮),w(HTN)占w(TN)的平均比例为66.5%.沉积物NH_4~+-N释放通量为1.93-20.88mg/(m~2·d),主要受F-NH_4~+-N(游离态NH_4~+-N)和E-NH_4~+-N(可交换态NH_4~+-N)的影响.沉积物氮平均矿化势为248.55mg/kg,F-ON(游离态有机氮)和AAN(酸解氨基酸态氮)是可矿化态有机氮最有效的贡献者,直接影响沉积物向上覆水体释放氮的能力.     

丹江口水库水体氮的时空分布及入库通量

为解析丹江口水库水体氮的时空分布特征及主要污染来源,以丹江口库区及主要入库河流为研究对象,分析了水体氮的空间分布、季节及年际变化;利用回归分析,解析了氮污染驱动因素;并估算了入库河流氮通量及对库区氮污染负荷的贡献率. 结果表明:研究区水体ρ(TN)、ρ(NH₄+-N)分别在0.07~16.73和0.01~10.65 mg/L之间,年均值分别为2.34和0.71 mg/L,空间分布呈入库河流高于库区的趋势;季节特征表现为春季、冬季>秋季>夏季. 2005—2014年库区水体ρ(TN)整体呈先升后降的趋势,其中取水口陶岔断面ρ(TN)上升较快,2012年较2007年增加了1.5倍,2013年开始ρ(TN)有所下降,但仍然维持在较高水平. 近10年来库区水体ρ(NH₄+-N)始终维持在较低水平. 神定河、犟河、泗河、剑河等环库支流河口氮污染最严重,城镇化是造成流域水体氮污染的主要驱动力. 汉江TN入库量贡献最大,占63.0%,其中境外来水TN入库量占总量的59.2%,为达到丹江口水库生态环境保护要求的Ⅲ类水质(GB 3838—2002《地表水环境质量标准》)目标,汉江TN需削减量为16 715.0 t/a. 境内河流中,环库河流的TN入库量最大,其中泗河、老灌河、神定河、金钱河、犟河和天河等TN入库量较大,TN需削减量分别为 2 286.7、2 197.7、1 493.6、1 106.9、979.1和728.9 t/a.      

蠡湖沉积物质量评估体系的构建

为有效地开展蠡湖的生态环境保护工作,在对其上覆水、沉积物及底栖生物调查基础上,识别了蠡湖沉积物的主要问题,建立了由1个目标层、3个要素层、10个指标层构成的沉积物质量综合评估体系,开展了沉积物质量评估.结果表明,影响蠡湖沉积物质量评估的3个要素层相对重要性排序为底泥污染特征(0.522)>生态特征(0.322)>水体污染特征(0.146);指标层中的10个评估指标中权重较大的是底栖动物多样性指数(0.282)、氨氮释放通量(0.208)、水质类别(0.128)和溶解磷释放通量(0.109).蠡湖沉积物质量综合指数在49~79之间,处于轻度污染和中度污染,整体上呈现西蠡湖大于东蠡湖,沿岸小于湖心的分布趋势.各评估指标对沉积物质量综合指数的多元回归分析结果表明,蠡湖沉积物的主要问题是沉积物中氮磷的释放及底栖生物多样性单一.该评价结果与蠡湖各分区的实际调查情况相符,可为其他湖泊的沉积物质量评估提供一定的参考.     

蠡湖表层沉积物中磷的形态与赋存特征及其生物有效性

采用连续分级提取法研究了蠡湖表层沉积物中有机磷和无机磷的形态及其赋存特征,同时结合间隙水体中DTP(溶解性总磷)的空间分布特征,讨论了各形态磷的生物有效性及其释放风险. 结果表明,蠡湖沉积物中的磷以IP(无机磷)为主,w(IP)占w(TP)的58.09%. IP中以生物可利用性差的Ca-P_i(Ca结合态无机磷)占优势,w(Ca-P_i)为(207.75±48.56)mg/kg,占w(IP)的48.97%;沉积物OP(有机磷)中以活性最差的NA-P_o(非活性有机磷)占绝对优势,w(NA-P_o)为(195.33±50.73)mg/kg,占w(OP)的67.09%. 间隙水中的磷以DIP(溶解性无机磷)为主,ρ(DIP)占ρ(DTP)的11.86%~86.13%,平均值为59.65%. WA-P_i(弱吸附态无机磷)、PA-P_i(潜在活性无机磷)、Fe/Al-P_i(Fe/Al结合态无机磷)、WA-P_o(弱吸附态有机磷)、PA-P_o(潜在活性有机磷)的质量分数均与间隙水中ρ(DTP)呈极显著正相关(P<0.01),w(Ca-P_i)与间隙水中ρ(DTP)呈正相关(P<0.05),w(NA-P_o)与间隙水中ρ(DTP)无显著的相关性. 因此,即使在外源磷得到有效控制的情况下,沉积物中的IP及高活性有机磷的释放仍有可能导致湖泊富营养化状态维持不变.      

滇池水体BOD5和CODMn空间变化研究

通过对滇池进行全湖集中采样和分析,揭示了滇池水体五日生化需氧量(BOD5)和高锰酸盐指数(CODMn)的空间变化规律.BOD5和CODMn变化范围分别是2.3～7.9mg/L,5.1～15.4mg/L,BOD5平均值草海(5.9mg/L)高于外海(5.1mg/L)CODMn平均值外海(10.17mg/L)高于草海(8.67mg/L),2个指标在入河口水域都相对较高.水平方向上,BOD5变化特点是南北高,中间低,西部高,东部低.垂直方向向上BOD5随水深增加递减.而CODMn的高值区域主要出现在草海和外海海埂、盘龙江、大青河入湖口水域、西部观音水域以及东北部宝象河、东部梁王河和捞鱼河入湖口水域、东南柴河入湖口水域.垂直方向上,从表层到水-沉积物界面水体,其CODMn都呈增加趋势.随着工业点源污染的控制,城市生活污水的排入和面源有机污染物的输入以及内源释放是决定滇池BOD5和CODMn空间变化的主要原因.     

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.