汉丰湖与高阳湖沉积物氮形态时空特征比较研究

来源 :重庆师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lebaishi310
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沉积物是湖泊重要的氮储库,对湖泊的氮循环具有十分重要的意义。在一定条件下,沉积物中的氮可以通过迁移转化等过程进入上覆水体,对湖泊水体产生影响。相关研究表明,水位变化是驱动氮素在环境中迁移转化的重要因子,是导致湖泊沉积物氮含量、组分特征和释放能力变化的重要影响因素。三峡水库自建成以来,由于受到独特的调水制度,使得库区全年水位依时期不同而发生变化。作为河道型水库,因其采取冬蓄夏排的水位调度方式,水库长江干、支流水文形势发生了重大变化,由于受到干流的顶托作用,库区支流水面较宽处会形成库湾回水区,库湾回水区水体流动性极弱,水力停留时间长,水体流态及悬浮物沉降条件的改变可能导致库区表层沉积物性状的改变,氮磷污染物更易在此积累,导致库湾回水区水体富营养化及水华问题多发。本研究选取三峡库区腹地的两个典型湖泊—(高阳湖、汉丰湖)作为研究对象。通过对不同水位波动湖区沉积物氮形态的研究,探讨不同水动力过程影响下沉积物氮形态组成特征及其差异,阐明氮形态组成的时空演变过程,揭示三峡水库不同回水湖区沉积物氮转化的关键驱动机制,为三峡水库水位波动对水体养分循环及其生态影响提供科学支撑;同时,为三峡库区水体污染防控提供理论基础。主要结论包括以下几方面:(1)汉丰湖沉积物全氮含量显著高于高阳湖,具体为:汉丰湖沉积物全氮含量180-1852mg/kg;高阳湖沉积物全氮含量156-795mg/kg。同时,两个湖区沉积物全氮含量时空特征随水位变化也有所差异,其中高阳湖沉积物全氮含量在12月份(高水位期)达到最大值,在5月份(消落期)达到最低值。而汉丰湖则是在6月份(调节坝水位期170.28m)沉积物全氮含量达到最大值,在8月份达到最低值。空间分布特征两湖区基本保持一致,自湖区上游至湖心处全氮含量波动式增加,而后至下游逐渐降低。(2)三种无机氮形态中,两湖区表层沉积物均以NH4+-N为主,NO3--N次之,NO2--N最低。两个湖区沉积物无机氮含量及时空变异性有所区别,具体表现为:汉丰湖总无机氮含量变化范围为3.9-74.8mg/kg,高阳湖总无机氮含量变化范围为:4-165mg/kg,两湖区沉积物总无机氮含量均具有极强的时空变异性,高阳湖沉积物总无机氮含量时空变异性高于汉丰湖。两个湖区无机氮组分特征也有所区别,汉丰湖沉积物冬季(高水位期)以铵态氮为主,夏季(低水位期)以硝态氮为主,水位波动对无机氮组分特征影响较大。而高阳湖在9月份(蓄水期)以铵态氮为主,在12月份(高水位期)以硝态氮为主。两个湖区水位波动对湖区沉积物无机氮组分空间分布特征影响较大。汉丰湖沉积物无机氮含量总体从入湖区至湖心处降低,后至调节坝总无机氮含量又缓慢增加。支流汇入口沉积物总无机氮含量略低于汉丰湖(湖区)。高阳湖总无机氮含量自湖区上游-湖心-下游呈先增后减的趋势。(3)不同水位波动下对两个回水湖区沉积物氮素赋存形态的影响主要表现在:汉丰湖沉积物TF-N含量变化为:130-395mg/kg,平均含量为254 mg/kg;高阳湖沉积物TF-N含量变化为为:111-324mg/kg,平均含量为209 mg/kg。汉丰湖四种各形态可转化态氮含量均高于高阳湖,表明汉丰湖水域面临的內源氮负荷高于高阳湖,这可能与汉丰湖特殊的水位调动和周围城市发展等人类活动干扰程度有关。汉丰湖与高阳湖沉积物TF-N含量均在7月份(调节坝水位运行期)含量达到最大值。汉丰湖沉积物TF-N含量在10月份(蓄水期)达到最低值。而高阳湖沉积物TF-N含量在3月份(消落期)达到最低值,两湖区沉积物TF-N含量随水位波动变化明显。(4)两个回水湖区沉积物各形态可转化态氮含量大小均为:SOEF-N>IEF-N>SAEF-N>WAEF-N。其中汉丰湖沉积物IEF-N含量大小在7月(夏季-调节坝水位运行期)达到峰值,在3月(春季)达到最低值。高阳湖在7月(夏季-低水位期)达到峰值,在1月份(冬季-高水位期)达到最低值。汉丰湖沉积物SOEF-N含量在季节分布上表现为(冬季-高水位期>(春季-调节坝运行期)>(夏季-调节坝水位运行期)>(秋季-水位波动期)。高阳湖沉积物SOEF-N含量在季节上表现为(冬季-高水位期>春季消落期>夏季-低水位期>秋季蓄水期)。汉丰湖沉积物SAEF-N含量在季节上表现为春季(调节坝水位运行期)>冬季(高水位期)>夏季(调节坝水位运行期)>秋季(水位波动期)高阳湖沉积物SAEF-N含量在季节上变化不明显,春、夏、冬含量相差不大,秋季(蓄水期)最低。水位波动的差异和季节因素是其各可转化态氮形态含量转化的主要影响因素。(5)两个湖区沉积物各形态可转化态氮含量空间分布特征明显不同,汉丰湖各可转化态氮含量自入湖区-湖心-调节坝缓慢波动增加。高阳湖何可转化态氮形态含量自入湖区-湖心-湖区下游缓慢降低。汉丰湖沉积物WAEF-N含量季节表现为(夏季调节坝水位期>春季调节坝水位期≌秋季水位波动期>冬季高水位期),高阳湖沉积物WAEF-N含量(冬季高水位期>夏季低水位期>秋季蓄水期≌春季)整体来看,水位波动促进了沉积物氮素转化,增加了活性氮含量。空间上看,两个湖区沉积物各形态氮分布特征明显不同,汉丰湖自入湖区-湖心-调节坝含量波动式缓慢增加。而高阳湖则相反,呈现出缓慢降低趋势。水环境带来的差异引起了沉积物氮素组分特征的时空变异性。(6)两湖区沉积物氮素释放潜势均随时间的增加而增强。其中汉丰湖与高阳湖沉积物铵态氮释放量均在在7月份出现峰值。夏季温度高,沉积物中氮素向水体中扩散的能力增强,同时促使沉积物中微生物矿化活动更加活跃,导致以氨氮为主的无机氮在底泥-上覆水界面的释放大大加强。汉丰湖沉积物硝态氮释放量在9月份出现峰值,高阳湖沉积物硝态氮释放量在11月份达到峰值。汉丰湖9月份为水位波动期,加上温度较高,硝化作用强烈,此时沉积物中氮素的释放呈现氮素释放总体较弱,硝氮释放为主,氨氮释放微弱的现象。而高阳湖则是由于冬季温度低,低温环境能够抑制微生物对底泥的降解作用,降低溶解氧的消耗,也使氮素在沉积物-水系统中的扩散活动性大大降低,此时沉积物氮素释放以硝氮为主。两湖区沉积物各无机态氮释放量在不同水文区表现特征有所区别,水文条件的改变和人类活动的影响的差异是其主要影响因素。
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