淮河淮南段底泥氮磷垂直分布研究（陈军,徐俊,陈永红,田冬,王娟,高志康）

时间：2022-02-24 15:19:00 浏览量：次

摘要: 对淮河淮南段国家控制断面柱状样底泥的岩性、理化性质及氮磷形态的垂直分布特征进行了研究。结果表明，0～20cm内底泥的含水率与有机质含量间有显著的正相关性（r=0.963）。不同断面氮的含量及形态分布差异较大，一般都在20cm处发生明显的转折，TN、#####NH+4 -N、NO-3 -N含量的最高值均出现在姚家湾;######NH+4 -N、NO-3 -N含量总和占TN的比例极小，有机氮及地质氮可能是淮河底泥氮的主要存在形式;底泥磷的形态分布特征相似，钙磷（Ca-P）含量在各层所占的比例约占该层TP的40%;闭蓄磷（O-P）在峡山口、石头埠、湖大涧3个断面所占的比例仅次于Ca-P;铁磷（Fe-P）在姚家湾、石头埠相对较高。最具释放潜力的水溶性磷、Al-P、Fe-P在4个柱状样底泥中都较低;三者之和约占TP的20%左右。研究结论为:淮河淮南段底泥磷的释放不会对淮河的富营养化起太大的作用，外源输入和底泥氮的释放是淮河水体富营养化的主要原因。

关键词: 底泥;氮;磷;形态;垂直分布;淮河

中图分类号: X132 文献标识码: A

自20世纪80年代以来，大部分时间内淮河淮南段水质处于Ⅳ类水以上的劣质状态，淮南、蚌埠等中、下游城市的饮用水源受到严重威胁。底泥营养盐的释放通常被认为是许多湖泊富营养化发生的重要因素。因此，分析底泥中氮磷的赋存形态及含量变化，有助于了解底泥中营养盐的迁移转化过程。截至目前，对淮河水体富营养化开展的研究不多，尚未发现有人对淮河底泥营养盐的分布，尤其是垂直分布做过研究。本课题组利用地处淮河岸边的地理优势，近年来在淮河淮南段进行了一系列的野外调查和取样分析工作，本文即是对淮河4个断面底泥物性及氮、磷垂直分布的研究成果，阐明淮河淮南段营养盐的内源问题，为淮河富营养化的治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理步骤

2003年11月1、2日，用自制开启式不锈钢采泥器在图1所示的峡山口（A号采样点）、石头埠（B号采样点）、姚家湾（C号采样点）、胡大涧（D号采样点）等4个采样点，分别采集柱状底泥平行样2根，现场按5cm分段后，置于密封的塑料袋内，带回实验室后立即离心分离（4000r/min，20min），一部分湿泥样立即进行NH+4 -N、NO-3 -N的测定;另一部分置于室内通风处自然风干（避免阳光直射），测定含水率。风干后的泥样按四分法取样，研磨过200目尼龙筛，分析粒度和岩性特征，测定TN，进行磷的分级提取与测定。

峡山口、石头埠、湖大涧、新城口是淮河淮南市境内的4个国家控制断面，如图1所示。峡山口显示上游来水的背景值，石头埠为淮南市主要饮用水源地水质控制断面，湖大涧为排污口控制断面，新城口是淮南市的出境断面。姚家湾位于国家大型化工企业—淮南化工总厂以及淮南主城区居民生活废水两大排污口下游约300～500m处，是课题研究选择的参考断面。

1.2 样品分析方法

水样理化性质的测定采用国家标准方法［1］进行。底泥磷的分级方法参见文献［2～5］，具体步骤见文献［6］。残留磷用灼烧法，其他各级磷的测定（PO3-4 -P）均采用钼锑抗比色法，总磷（TP）为各分级磷的总和;有机质含量（LOI）是指自然晾干的底泥在高温炉中550℃下灼烧2h的质量损失。水样总氮（TN）测定用K2 S2 O8 氧化—紫外光度法，泥样总氮（TN）测定用半微量开式法进行，NH+4 -N测定用纳氏试剂比色法，NO-3 -N的测定用双试剂比色法［7］。为了保证数据可靠，对每个样品作3个平行提取，结果用均值表示;测定过程中用国家环保局标样研究所标准样品进行质量控制。

2 结果与讨论

2.1 底泥含水率及有机质含量的分布

底泥的有机质含量（LOI）、含水率（WC）等对营养盐的沉积和释放有重要的影响，本研究以自然晾干底泥的烧失量（LOI）表示有机质含量。图2给出了4个断面沉积物LOI的垂直分布。

4个采样断面中，峡山口（A，下同）位于淮河淮南段的上游，石头埠（B，下同）及姚家湾（C，下同）在主城区内，湖大涧（D，下同）位于城市的下游。4个柱状样有机质含量的垂向分布规律不一致，位于市区内的石头埠、姚家湾两断面高于上、下游断面，且15cm向上至泥水界面越近表层含量越高，说明城市管网污水的排放，对底泥有机质含量有重要影响，且这类有机质较易分解;15cm以下有机质有累积的趋势。远离市区的峡山口、湖大涧断面的LOI变化规律类似，越近表层含量越低。

沉积物的含水率（WC）与其再悬浮潜力有密切的关系。4个沉积物含水率的垂直分布情况见图3。含水率的变化规律与有机质含量基本一致，石头埠、姚家湾断面较其它两个采样点高，且自表层向下逐渐降低，反映出上层沉积物具有较大的不稳定性，容易在外力（如风浪、船舶航行等）引起的扰动下发生再悬浮。0～20cm内4个断面的含水率与其有机质含量均具有较好的正相关性，尤以峡山口最相关（WC与LOI的相关系数为0.963）。湖大涧10cm以下含水率的垂向变化不明显，也许与该断面底泥的岩性有关。从沉积物的表观特征看，石头埠、姚家湾沉积物质地松软，主要为青灰色粘土，植物残体含量高，湖大涧沉积物主要为黄褐色粘土，无可见杂物。

2.2 底泥氮含量的垂直分布

图4所示为4个采样点0～50cm底泥内总氮（TN）、氨氮（NH+4 -N）、硝态氮（NO-3 -N）的垂直变化情况。就TN而言，姚家湾含量最高，石头埠次之，峡山口与湖大涧总体水平基本一致，但除近表层外，表现出不同的垂直变化规律。NH+4 -N含量大小总体排序为姚家湾、石头埠、峡山口、湖大涧，除峡山口外，后3个采样点NH+4 -N随深度增加浓度逐渐上升，姚家湾断面在15～20cm及35～40cm处分别出现浓度峰值，这可能与20世纪80、90年代淮南市5家化肥厂同期生产合成氨有关。90年代后期，随着产业结构的调整和市场的变化，小型合成氨厂开工不足甚至停产。因此，位于淮南市区的后3个断面25cm以上至泥水界面，底泥的NH+4 -N含量逐渐减小。4个采样点的NO-3 -N含量相当，在垂直分布上表现出前两个类似，后两个也有类似的规律。从实际考察看，峡山口上游数10km没有典型化工企业，河面狭窄，水流速度相对较大，悬浮物难以沉积;石头埠与姚家湾断面间分布有平圩发电厂、淮南化工总厂、淮南主城区居民生活污水3大主要污染源排污口及众多中小型工业企业排污口，这部分水体是淮河淮南段典型的污水区域，姚家湾断面紧邻上述排污口下游，这是该断面TN、NH+4 -N含量高的直接原因。淮河是高人工调控的河流，秋冬季上游来水少，下游蚌埠闸关闭后，石头埠泵站提水（淮南市供水量最大的三水厂取水口）会导致淮河水倒流，加上风浪及船舶航行等对水体的扰动，会使流到下游的污染物被重新带回上游，因而造成石头埠断面的TN、NH+4 -N含量仅次于姚家湾，且在垂直方向上的变化很小。从氮的形态分布看，淮河淮南段底泥中NH+4 -N及NO-3 -N占TN的比例很小，有机氮、地质氮可能是淮河底泥氮的主要存在形式，有待进一步研究。

2.3 底泥磷含量的垂直分布

磷在底泥与上覆水之间的迁移转化受其赋存形态的影响，按提取流程对4个柱状样底泥中的水溶性磷（PO3-4 -P）、铁结合态磷（简称铁磷，Fe-P）、钙结合态磷（简称钙磷，Ca-P）、铝结合态磷（简称铝磷，Al-P）、闭蓄磷（O-P，即为氧化物包裹的磷酸铝和磷酸铁）及残留磷（R-P）等，逐级进行提取，结果见图5所示，水溶性磷因含量过低未出现在此图中。

就总磷（TP）而言，总体上姚家湾采集的C柱体含量稍高，0～50cm深度内基本保持在（1kg干泥）750mg范围内;石头埠采集的B柱体与湖大涧采集的D柱体含量相当，0～45cm深度内基本保持在（1kg干泥）700mg左右。TP最高值虽出现在峡山口采集的A柱体表层5cm内，但该柱15cm以下TP含量却是4个柱体中最低的。峡山口底泥柱体TP含量由表层向下逐渐降低，可能与该断面河道狭窄、水流速度大，沉积物易被带走有关，表层含量高可能是因为2003年夏、秋两场大汛，由地表径流带来的磷因河道阻塞沉积在此所致。

从分级磷的分析结果看，4个采样点底泥磷的形态分布差异不大，Ca-P含量在4个柱体各层所占的比例都是最高的，约占TP的40%，Al-P含量最低。从变化趋势看，除峡山口由泥水界面向下，Ca-P含量逐渐降低外，其余各沉积物柱体的Ca-P、O-P含量几乎不随深度变化，说明Ca-P、O-P等形式的P是比较稳定的。Ca-P的主要贡献者是各种难溶性的磷酸钙矿物，如羟基磷灰石、过磷酸钙等，这些矿物在底泥中稳定性较高，是沉积物早期成岩过程的最终产物之一。O-P在峡山口、石头埠、湖大涧3个断面所占的比例仅次于Ca-P;姚家湾及石头埠2个柱子中的Fe-P含量相对较高，尤以姚家湾最明显，与O-P相当。

铁磷分布在一定程度上与人类的干扰有关。姚家湾采样点附近有一个小型造船厂，室外堆放的钢铁原料常年受雨水侵蚀，特别是边角料的随意丢弃，将一部分铁带入淮河，沉积在底泥中，形成铁的磷酸盐（Fe-P）或铁的氧化物胶体，采样点上游300m就是淮南市主城区居民生活污水排放口，图5（C）显示，姚家湾底泥各层Fe-P含量是4个柱子中最高的。石头埠采样点附近有一个规模较大的河沙转运站，采砂船常年穿梭于此，对该断面Fe-P含量有一定的影响。

影响沉积物中磷酸盐释放的外因主要是水深，水体pH值，间隙水中的钙浓度、氧化还原电位（Eh）［8］等;而从土壤学、植物营养学及沉积物地球化学领域的研究结果看，连续提取法中的水溶性磷、Al-P、Fe-P都是具有释放潜力的，其余几种形态的磷的释放相对要难得多［9］。淮河淮南段4个采样点底泥中水溶性磷、Al-P、Fe-P的含量都较低，三者之和只有TP的20%左右，尤以Al-P含量最低，不足TP的7%。所以，淮河淮南段底泥Al-P不会对淮河的富营养化起太大的作用;Fe-P在石头埠和姚家湾含量较高，在适宜的外因条件下，将会通过间隙水释放到上覆水中，导致淮河水体磷含量增加。

3 结语

对淮河淮南段4个断面底泥的粒度分布及岩性特征进行了分析，对不同形态氮、磷的垂直分布进行了测定。结果表明，淮河淮南段底泥自20cm向上，TN、NH+4 -N、NO-3 -N的含量总体上较下层高，明显反映了近几十年来工农业生产及沿淮人类活动，特别是城市人口密度增大对淮河水体的影响。TN、NH+4 -N自20cm起向表层，表现出逐渐减小的趋势，也反映了近10a来在淮河流域实施的环境保护措施正在取得实效。4个采样点底泥磷的总量水平接近，形态分布差异不大，Ca-P含量在4个柱体各层所占的比例最高，O-P含量次之，Al-P含量最低;Fe-P分布差异较大，石头埠、姚家湾含量占TP的20%。淮河平、枯水期水位低，水体溶解氧（DO）及氧化还原电位（Eh）较高，这对底泥Fe-P的释放有一定的抑制作用。总体来看，在严格控制外源输入的情况下，淮河淮南段底泥磷对淮河水体的富营养化近期没有多大的影响，底泥氮（很大程度上是有机氮）的释放，是导致淮河水体富营养化的主要内源。

致谢

淮南市环境监测站在野外采样过程中提供车辆与人员支持，本系王顺昌博士、安徽理工大学资源与环境工程系吴基文教授在研究工作中给予了热情的帮助，在此表示衷心的感谢。

参考文献:

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［7］ Nagaraja P，Kumar M S H.Spectrophotometric Determination of Nitrate in Polluted Water Using a New Coupling Reagent.Anal.Sci.，2002，（18）:355～357.

［8］黄清辉，王东红，王春霞等.沉积物中磷形态与湖泊富营养化的关系.中国环境科学，2003，23（6）:583～586.

［9］朱广伟，高光，秦伯强等.浅水湖泊沉积物中磷的地球化学特征.水科学进展，2003，14（6）:714～719.

作者简介: 陈军，男，淮南师范学院实验信息中心，助教。

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