（环境科学专业论文）珠江广州河段底泥氮营养库特性及对上覆水的潜在影响.pdf

0 , 3 2 - 4 5 4 r a g m 产d 1 ，平均为2 5 4 m g i n - 2 f 。 本文分析了河流中不同沉积物一水界面各形态间的存在关系并进一步估算了底泥氮营 养库的释放通量，迄今为止，尚未见有系统地对河流底泥、问隙水及上覆水氮分布特征的研 究报道。 关键词：底泥，形态特征，营养库，释放能力 t h en i t r o g e n o u sp o o l sc h a r a c t e r i s t i ca n di t sp o t e n t i a le f f e c to n o v e r l y i n gw a t e r i ng u a n g z h o ur e a c ho f t h ep e a r lr i v e r m a j o r ：w a t e rp o l l u t i o n a q u a t i ce n v i r o n m e n tm a n a g e m e n t n a m e ：w uw e n c h e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w uq u n h e a b s t r a c t b a s e do i lt h ec o n t e n t so fd i f f e r e n tf o r m so fn i t r o g e ni nt h es e d i m e n t st h a tw e f e r a n g e df r o m0t o5 0 c ml e v e l ，p o r ew a t e rw h i c hw a sm s e df r o m0t ol o c ma n di t s o v e r l y i n gw a t e r , t h ec o r r e l a t i v i t i e so ft h e mw e r es t u d i e d t h e nw ee s t i m a t e dt h e d i f f u s i o nf l u x e so fn i t r o g e na c r o s ss e d i m e n t - w a t e ri n t e r f a c ea c c o r d i n gt ot h e n i t r o g e n o u sc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t sa tt h ei n t e r f a c eb yt h ef i c k sf i r s tl a w 1 1 嵋t h e s i s h a si n d i c a t e dt h ef e a t u r e so f n i t r o g e nn u t r i e n tp o o lo fs e d i m e n ti ng u a n g z h o ur e a c h o f t h ep e a r lr i v e ra n di t sp o t e n t i a li m p a c to nw a t e r t h er e s u l t sl i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) d i s t r i b u t i o n a lf e a t u r e so f n i t r o g e nn u t r i e n tp o o li ns e d i m e n t t 1 l ec o n t e n t so fo r g a n i cm a h e r ( 0 m ) ，t o t a ln i t r o g e n ) a n dn h 4 + - nw e r e w i d e l yh i g hi nt h es e d i m e n t ss a m p l e df r o mg u a n g z h o ur e a c ho f t h ep e a r lr i v e r n 地 c o n t e n t so fo r g a n i cm a t t e rw e r ec l o s et ot h ev e g e t a b l eg a r d e ns o i l ，o u t c l 勰s e d b a c k g r o u n dv a l u eo f t h ep a d d ys o i l t h ep o l l u t e ds a m p l e sb yo mr e a c h e dt o9 0 o f t h et o t a ls a m p l e s ，a n d1 2 o f t h e mw e r eh e a v yp o l l u t e d , t h ea v e r a g eo mc o n t e n to f t h et o t a ls a m p l e sw a sa p p r o a c h e dt ow a t e r w a y sw h e r ew e r el o c a t e di nu r b a na r e a si n g u a n g z h o u t h ea v e r a g et nc o n t e n to f t h et o “s a m p l e sw a sf i tt ot h ev e g e t a b l eg a r d e ns o i l w h i c hd i s p l a y e dd i f f e r e n tf e a t u r ew i t ht h ed e p t h , m o s tp o i n t ss h o w e dd o w u t r e n df r o m 2 0 c mt os u r f a c el a y e r , w h i c hs h o w e dt h ea l l o g e n i cm a t e r i a lr e d u c e d t nw a s c o n s i s t e dm a i n l yo f o r g a n i cn i t r o g e ni nt h es e d i m e n t s ，t h e yh a dt h es a l v ed o w n t r e n d , a n ds h o w e ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nw i t l lt h er e g r e s s i o ne q u a t i o no fy = o 0 4 18 x 0 0 2 0 5 ( r = 0 8 4 ，p o 0 1 ) t o t a li n o r g a n i cn i t r o g e n ( t i n ) w a sc o n s i s t e dm a i n l yo f n h 4 + - n ，t h e yp r e s e n t e ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nw i t ht h er e g r e s s i o ne q u a t i o no f y = 0 2 5 2 3 x + 0 0 7 6 8 ( r = 0 5 4 ，p 0 0 5 ) t h ec o n t e n t so f n h 4 + - nr o s ew i t hd e p t hi na l l s a m p l i n gp o i n t se s p e c i a l l yi n0 - 1 0 c m 1 1 1 ec o n t e n t so f n o r , n 0 2 w e r ev e r yl o w , a n d h a dn oe v i d e n tr e g u l a ro nh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n , w h i c hl a i do nt h e o x i d a t i o n - r e d u c t i o nc o n d i t i o ni nt h es e d i m e n t s t h ew a t e rw a ss e r i o u s l yp o l l u t e db yo r g a n i cm a t t e ri ng u a n g z h o ur e a c ho ft h e p e a r lr i v e r , am a s so f o r g a n i cm a t t e rh a db e e na c c u m u l a t e di nt h es e d i m e n t s ( 2 ) nd i s t r i b u t i n gf e a t u r e si no v e r l y i n gw a t e ra n dp o r ew a t e r t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so ft n ，t o t a lo r g a n i cn i t r o g e n ( t o n ) i no v e r l y i n g i i i w a t e ri nf o r ec h a n n e lw e r ee v i d e n th i g h e rt h a nw e s tc h a n n e l 。 i nw a sc o n s i s t e d m a i n l yo f t o n a ta l lp o i n t s ，t h e yp r e s e n t e ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nw i t ht h er e g r e s s i o n e q u a t i o no fy = o 9 1 0 7 x 5 4 4 6 3 ( r = o 9 5 ，p o 0 1 ) 1 na n dt o t a lo r g a n i cc a r b o n ( t o c ) ，t o t a ld i s s o l v e dn i t r o g e nf r o m ) a n dn h 4 + - na l s op r e s e n t e ds i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so ft n ，t d n ，t o n ，n h 4 + - ni np o r ew a t e ri nf o r e c h a n n e lw e r ee v i d e n th i g h e rt h a nw e s tc h a n n e l ，a n dh i g h e ri ns u p e r s t r a t u mt h a ni n s u b s t r a t e t nw a sc o n s i s t e dm a i n l yo f n l + - na ta l lp o i n t s ，t h e yp r e s e n t e ds i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o nw i t ht h er e g r e s s i o ne q u a t i o no f y = o 5 8 8 7 x + 6 1 1 7 5 ( r - - 0 9 8 ，p o 0 1 ) i n a d d i t i o n , i ta l s op r e s e n t e ds i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nb e t w e e nt na n dt d n ，t o n ；t d n a n dn i - 1 4 + d t o n ；n 1 + - na n dt o n ( p 0 0 1 ) ( 3 ) p o t e n t i a la b i l i t yo f n i t r o g e nr e l e a s e df r o ms e d i m e n t 1 1 1 ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o nr a t i o so ft n t d na n dn 1 + - ni np o r ew a t e rt o o v e r l y i n gw a t e rw e r e4 8 5 4a n d1 0r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o nr a t i o so f n 0 3 + n 0 2 。- na n dt o ni np o r ew a t e rt oo v e r l y i n gw a t e rw c t e0 1 8e n d3 1 r e s p e c t i v e l y s ot n ，t d n ，t o na n dn 1 + - nw e r cd i f f u s i n gf r o mp o r ew a t e rt o o v e r l ：n gw a t e r , h o w e v e rn 0 3 - + n 0 2 - nw e f ed i f f u s i n gf r o mo v e r l y i n gw a t e ri n t o p o r ew a t e r 1 r i 地c o n c e n t r a t i o n 蓼a d i e n to fn 1 + - nw a st h eh i g h e s t , w h i c hs h o w sn r e l e a s e sf r o mp o r ew a t e rt oo v e r l y i n gw a t e rw a sm a i n l yo f n i - 1 4 + - n t h ed i f f u s i o nf l u xo f d i s s o l v e di n o r g a n i cn i t r o g e n ( d i n ) w a sp o s i t i v e , a n dd i n d i f f u s i n gf r o mp o r ew a t e rt oo v e r l y i n gw a t e rw a sm a i n l yo f n l + - n ，w h i c hv a l u ew a s o 3 2t o4 5 4m g m - 2 d t h ea v e r a g ew a s2 5 4m g n l - 2 d - 1 b a s e do nt h er e l a t i o n s h i p so f d i f f e r e n tf o r m sa tt h es e d i m e n t - w a t e ri n t e r f a c e , t h e t h e s i se s t i m a t e dt h ed i f f u s i o nf l u xo fn u t r i e n tp o o lo fs e d i m e n ti ng u a n g z h o ur e a c h o ft h ep e a r lr i v e ra n di t sp o t e n t i a li m p a c to nw a t e rf u r t h e r , t h er e p o r tw h i c hs t u d i e d t h en i t r o g e nm o r p h o l o g i c a lf e a t u r ea b o u ts e d i m e n t , p o r ew a t e ra n do v e r l y i n gw a t e ro f f i v e rs y s t e m a t i c a l l yh a s n tb e e nf o u n ds of a r k e y w o r d s ：s e d i m e n t ；m o r p h o l o g i c a lf e a t u r e ；n u t r i e n tp o o l ；a b i l i t yo fn i t r o g e n r e l e a s e d i v 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 沉积物是河流内源负荷的重要源、库已成为共识。美国e p a 在1 9 9 8 年9 月 关于“污染沉积物战略总报告”中指出，“在全美国许多水域污染沉积物都造成生 态和人体健康的危机，沉积物成为污染物的储存库坩“。随着工农业的迅速发展 和人口的急剧膨胀，城市河流每年都要接纳大量从两岸排放的生活污水和工农业 废水，长期的外源输入和水生生物残渣的沉积，沉积物中富集了大量有机质、氮 等营养物质，这正是珠江广州河段水质发黑发臭的主要原n t 2 1 。当河流污染严重 时，相对而言，底泥与河水间存在着一种吸收和释放的动态平衡，污染物释放尚 不明显，但在河流外源污染得到有效控制后，如实施城市污水截流工程，河水污 染物含量减少，此时底泥中污染物的释放量有可能增加，内源污染的问题将凸现 出来，成为影响城市河流水体水质的重要因素。 珠江作为流经广州的重要水体，自上世纪八十年代以来受到了严重的污染， 部分江段江水黑臭油腻。自2 0 0 0 年政府对工业企业、内河涌进行综合整治后， 珠江广州河段水质已明显好转，2 0 0 5 年底恢复到v 类；2 0 0 6 年7 月1 2 日，广东 省省长黄华华、广州市市长张广宁和广州市各界3 5 0 0 多名市民一起畅游了珠江， 但珠江广州河段仍未达到水环境功能要求，氨氮( n i - - 1 4 + - n ) 、粪大肠杆菌、溶解 氧( d o ) 、化学需氧量( c o d ) 等依然出现超标现象。另外，广州市的饮用水质 状况也不容乐观，饮用水源水质达标率只有7 1 1 蚶3 1 ，西村水厂和石门水厂的总 氮( t n ) 、n h 4 + - n 、c o d 和n 0 2 。- n 均出现超标现象。在外环境得到有效控制后， 对内源污染即沉积物的控制是治理珠江广州河段的重要途径，国内外对受污染河 流的治理措施较多，主要分为物理( 疏浚、覆盖) 、化学( 原位处理) 和生物措 施，其中疏浚是比较常用的手段，许多受污染河流、湖泊均采用此种方式 4 & 6 1 。 但白晓慧等【7 1 研究了城市内河污染沉积物对水体污染修复的影响，其结果表明疏 浚底泥不是消除河流污染的必要条件，李文红等【5 】研究了疏浚对底泥向上覆水体 释放污染物的影响，结果表明疏浚对控制底泥向上覆水体释放污染物质的效果并 不明显。珠江属于大型河流，采用疏浚措施不但工程量巨大，而且还可能会因扰 动而导致水体悬移质大大增加，加剧营养物质的释放，并通过潮汐进一步影响上 游吸水口的水质。生物修复具有操作简便、对周围环境干扰少、费用低和无二次 污染等优点，近年来已成为污染控制的热点【8 】，并可能成为未来珠江广州河段治 理的发展方向。本文旨在系统的了解珠江广州河段底泥n 营养库中不同形态的 垂向分布特征、相关关系及对水体的潜在影响，为可能实施的生物修复提供基础 理论依据。 对珠江n 的研究最早可追溯到上世纪八十年俐9 】，其后也有一些报道【1 0 , i l l ， 但多集中在珠江口，且尚未见有对珠江广州河段沉积物、孑l 隙水及上覆水各形态 n 的分布及相关关系的研究报道。笔者于2 0 0 5 年3 月曾参加对珠江广州河段的 沉积物污染物调查的研究，从所选定的1 1 个断面来看，测得t n 含量在1 2 1 4 1 g - k 9 1 之间，表明该河段某些地段已受到较严重的n 污染。 本研究将通过对珠江广州河段河道包括市区内主要内河涌沉积物、上覆水及 间隙水的采样与分析，对不同形态间n 的赋存形态、相关关系进行讨论，通过 释放通量的估算，进一步探讨珠江广州河段底泥n 营养库地释放能力及对水体 的潜在影响。 1 2 研究内容和方法 1 2 1 研究内容 ( 1 ) 通过对珠江广州河段污染源的调查，测定底泥( 垂向) 、孔隙水及上覆 水不同形态氮的含量，了解其分布特征。 ( 2 ) 根据底泥，间隙水及上覆水中不同形态n 含量之间的相关分析，由浓 度差分析其潜在释放能力。 ( 3 ) 通过所得到的间隙水、上覆水可溶态n 的浓度梯度，估算珠江广州河 段的释放通量。 1 2 2 研究方法 本文的研究方法见图1 1 。 2 图i - i 研究方法 f i 孚l - ls t u d y m e t t h o d s 1 3 研究动态 我国对沉积物n 污染的研究可追溯至在上世纪五十年代，当时的科学工作 者就已发现底泥高的含氮量对水体造成不良影响；上世纪七十年代后，随着富营 养化的加居4 ，许多学者开始注意内源氮的研究；九十年代以后，关于沉积物氮的 来源，形态特征及其生物有效性的研究报道逐趋多见 1 2 j 3 。 河流底泥( s e d i m e n t s ) & p 河流沉积物，对其至今已形成较多的认识，如称之为 “河流演变过程中的产物”，“河流生产系统的重要组成部分”、“水土界面各类物 质的特殊缓冲载体，营养物质的聚集库”、“大型水生植物赖以生长固定的基础”、 底栖动物繁衍的场所”以及“水土界面物质( 物理的、化学的、生物的) 积极交替带” 等等。底泥时刻与水体进行着能量和物质的交换，因此，它不仅可以间接地反映 水体的污染情况、水动力状态，而且它在外界水动力因素牵动下向上覆水体释放 营养成分，影响了水体水质和富营养化过程。早期研究认为沉积物是一种简单的 贮积库，一旦沉积下来，就很少或者根本不与水体发生作用，这些沉积物被看作 河流的历史纪录。随着水体富营养化现象的出现和进一步加剧，人们越来越认识 到沉积物在水生生态系统中所起到的作用。 依据底泥的颜色、含水量和气味等形状差别，可将其自上而下分为三层：第 一层为淤泥层，为近年来人类活动的产物，多呈现黑色或深黑色，含水丰富，呈 微流动状态，有腥臭味，这一部分是水一沉积物的交换界面，通常是沉积物控制 的主要研究对象；第二层为过渡层，含大量沉水植物根系及茎叶残骸，颜色呈黑 黄相间、黄褐色或灰色；第三层为正常河流沉积层，一般保持周围土壤母质的岩 相特征，多为粘质夹粉质粘土质地密实。根据沉积物的沉积作用及底栖生物的生 长活动范围，国内外的研究一般在0 - 3 0 c m 沉积物范围内进行，本实验考虑珠江 广州河段的污染特点，将研究深度扩展到5 0 c r a ，污染物质在此区域所发生的物 理、化学和生物过程，在很大程度上控制其在水相和沉积相之间的传输。 近几十年来，人类的生产生活对水体造成了很大的化学干扰，沉积物尤其是 表层沉积物，有机质和氮磷含量大大增加。在水体与沉积物的相互作用过程中， 沉积物中相当部分的污染物会重新释放到水体中，成为影响水质的重要物源，是 河流中潜在的“化学定时炸弹疆1 4 1 。在外来污染源存在的情况下，这种内负荷与外 源输入发生叠加作用，由于外源污染物的输入通量较大，来不及降解的部分就直 接进入沉积物，此时沉积物是河流污染物质的“汇”。然而，在某些情况下，由于 河流系统的物理化学条件发生突变，在外来污染全部切断以后，沉积物中污染物 向水体的释放过程变得极为重要，沉积物中积累的大量污染物伴随有机质的降解 要发生一系列变化，污染物重新回到水体，此时沉积物成为造成水体污染的“源”。 据研究，珠江口伶仃洋氨氮的年释放量为1 2 3 x l0 4 t ，约占珠江进入伶仃洋t n 总 4 量的9 0 t b 】；另外，对瑞典一个湖泊的研究表明，夏季水体总营养量的9 9 来 源于沉积物【i6 】。因此，沉积物中氮释放对水体氮浓度的补充，是一个不可忽视的 来源。沉积物一水界面是河流系统中重要的物理化学界面和重要的物质传输和交 换终结，对河流沉积物一水界面营养元素及其影响因子的研究，一直是环境科学 研究的重要课题。 河流因其污染物来源、水文条件相对复杂，底泥的各种物理、化学性质更易 受外界的影响而呈现复杂多变，并且河流底泥与上覆水水体之间的氮交换过程也 十分复杂，常包括氮的生物循环、颗粒的沉降与再悬浮、溶解态物质的吸附和解 吸、沉淀与溶解等等，这都给河流底泥氮的研究带来很多困难。因此，目前相关 的研究主要集中在湖泊、河口等相对封闭的水体，并多为研究底泥营养盐，即氮、 磷的释放机理为主，对河流尤其是特大型河流的研究报道不多。 1 3 1 研究方法现状 在河流、湖泊以及水库等水体开展修复工程之前，对底泥污染物分布的调查 研究是一项必不可少的工作。其通常的做法是在实地调查采样的基础上，通过实 验分析，对各种污染物造成的污染程度进行分析和统计，从而掌握底泥污染物的 分布特点。底泥样品的分析指标一般包括两类：( 1 ) 感官指标：在野外采样时记 录样品的泥质状态、外观颜色和嗅昧；( 2 ) 理化指标：为实验室分析项目，通常 根据自己的研究内容设定。 目前对底泥氮污染的研究已形成较完整的方法，传统的调查方法有水平分布 调查法和垂直分布调查法，数理统计方法为相关分析法。 水平分布调查法的是为了了解调查区域内底泥污染程度的空问变化情况，其 通常的做法是根据河道或湖泊的形态和地貌特征，设计和采集布点断面上的表层 样或柱状样，经过实验室分析测定各调查元素的含量，从而掌握其变化的规律。 在各国学者对底泥污染物水平分布的调查研究中发现，底泥污染物的污染程度主 要与沿岸排污量、支流汇入情况以及空自j 位置、河道类型等密切相关。此外，还 有部分学者对各种污染物在同一断面的两、三个采样点间平均含量数值大小进行 排序统计，结果表明【1 1 ，多数断面底泥中各污染物在不同采样点间的分布呈现大 致相同的规律。另一方面，对断面分布的统计结果表明，在中采样点中污染物含 量最低者居多。这与一些河流主航道多次进行局部工程疏浚，以及河道中部相对 于近岸的较大流速导致相对较多的底泥释放有关。 垂直分布调查法是采集一定深度的柱状样，并对其进行分层，测定不同点位 不同深度底泥中污染物的含量，分析它们在垂向上的分布特征及其成因。大多数 研究结果显示，底泥一般由上部污染底泥和下部未受污染的黄色自然泥层组成， 其中污染底泥又可分为混合层( 黑色流动浮泥层，松散易流动，含水丰富且有臭 味，主要为近二、三十年来人类活动的产物，是污染内源的主要蓄积库) 与富集 5 层( 黑色或灰黑色污染淤泥层) 上、下两层，从而表现出十分明显的三层层序结构， 也有学者将此三层结构称为正常泥层、污染过渡层和污染泥层【博】。污染物在垂向 上含量大小变化的曲线类型大致可以分为以下几类：( 1 ) 下部含量低，到表层逐 渐升高。( 2 ) 从深部到表层含量呈s 形变化的。( 3 ) 表层和深部差别不大。( 4 ) 从深部到表层含量略变少。( 5 ) 从深部到表层升高。 相关分析法是应用较多的分析方法之一，通过对底泥污染特征和理化性质的 实验结果进行多元回归等相关分析，求解相关方程，或计算线性相关系数获得相 关矩阵和应用秩相关系数法作污染趋势变量分析【1 9 1 等，以此了解同一柱状样不同 层位间的污染物、同一断面不同采样点污染物的含量、底泥中污染物含量和河水 或湖水中同种污染物含量水平、有机污染物含量以及外源负荷与底泥中污染物含 量、以不同形态存在的营养盐等是否存在联系等。如日本的山岐秀夫唧l 曾经运用 过浓度相关矩阵法评价了日本琵琶湖沉积物的化学特性，我国的范成新等1 2 1 】对太 湖底泥和间隙水中氮的相关性进行了分析，结果表明，间隙水中的氨氮与底泥中 的总氮几乎无对应关系，相关水平较低，由此推断太湖底泥中赋存氮物质的多少， 不是其间隙水中氨氮含量大小的决定因素。胡俊等【2 2 】对滇池间隙水不同形态氮的 相关性进行了研究，结果表明间隙水中t d n 与n h 4 + - n 、t o n 显著正相关，与 n 0 3 - n 呈负相关，研究还发现氮从甸隙水向上覆水扩散的形态主要是n h 4 + - n 。 另外，裘祖楠等【 l 在对苏州河市区段底泥的分析测定和研究中，谢丽强等 2 3 】在 对东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究中均采用了类似的相关分析法。 1 3 2n 的赋存形态研究 对沉积物中氮形态的研究，各国学者的看法基本一致。按存在形式可分为有 机态和无机态，按化学组成成分可分硝态氮、亚硝态氮、铵态氮。在实际研究中， 研究者常根据具体的研究需要而划分。如d el a n g e 【2 4 沉积物氮划分为可交换 氮、固定氮和有机氮，并指出沉积物中可交换氮和沉积物中的有机碳相关，与间 隙水中的氨态氮不相关，而且有机氮和有机碳的相关性极好。何清溪等f 2 s 】从氮的 各种化学结合形式来研究大亚湾沉积物中氮的存在形态，他把氮分为总氮、有机 结合态氮和无机结合态氮，并进一步将无机结合态氮细分为可交换态和非交换 态，指出氮的主要形态是有机态。马红波等【2 6 荆用分级迸取分离法将自然粒度下 渤海表层沉积物中的氮分为可转化态氮和非转化态氮，并将可转化态氮区分为离 子交换态氮、碳酸盐结合态氮、铁锰氧化态氮和有机物硫化物结合念氮。吕晓霞 等【2 7 】对南黄海表层沉积物不同形态的氮进行研究，分离出离子交换态氮、弱酸可 浸取态氮、强碱可浸取态氮和强氧化剂可浸取态氮，认为海洋自生氮对沉积物中 氮的形态、含量、分布的影响比陆源输入更重要。 这些研究虽对n 赋存形态做了各种探讨，但仅分析了表层沉积物，并且未对 与之相关的水相作进一步的考虑。 6 1 3 3 释放通量及其影响因素的研究 国内对于水体氮营养盐释放作用的研究，以太湖、西湖、滇池以及巢湖等富 营养化较为严重的湖泊为主，通常采用静态释放法。内源污染物的释放，类似于 非点源污染，其释放面积大，释放时间、途径和释放量具有不确定性。对河流的 底泥氮磷负荷和释放规律，国内研究还不多，且模拟试验大多数是底泥释磷m , 2 9 3 0 】 及其相关性研究【3 1 3 2 1 ，而对于底泥释氮，尤其是河流底泥释氮特征的模拟试验研 究较少。 目前国内对底泥氮释放的研究主要有中科院南京地理与湖泊研究所的范成 新、淮培民、秦伯强等人。范成新等【3 埘于1 9 9 8 年采用柱状芯样模拟法并结合孔 隙水扩散模型法对骆马湖沉积物氮释放负荷进行模拟，结果得到氮释放速率为 7 3 7 7 9 m g m - 2 d 1 ，用代表性季节温度得出全湖的氮磷释放总量为 1 1 1 3 2 ：t ：7 1 3 t a 1 ；张路等【卅于2 0 0 2 2 0 0 3 年采用同样的方法研究了东太湖氨氮释 放通量的季节变化，结果得到冬季氨氮的释放通量为0 6 3 3 8 2n a g m - 2 d 。，夏 季为2 1 1 1 1 3 8m g 1 2 d 1 ，表明氨氮夏季的释放通量大于冬季；丘耀文等【”】于 1 9 9 8 年采用浓度扩散模型估算了大亚湾养殖水域冬季的营养盐扩散通量，结果 得到冬季氨氮的释放通量为5 4 4m g m - 2 d - 1 ：周伟华等【划分别于1 9 9 7 年冬季和 1 9 9 9 年夏季对南沙群岛海域进行了现场调查，采用浓度扩散模型对营养盐释放 进行了估算，结果表明氨氮是营养盐释放的主要组分，其冬季和夏季的释放分别 为：2 1 9 m g n 1 2 d 和1 3 4r a g m - 2 d - 1 。 影响沉积物氮释放通量的因素较多，并且也是众多研究者一直关注的焦点， 徐晓峰等【3 7 】研究了滇池底泥氮营养的释放及上覆水体中氮营养的浓度变化特征， 结果表明，在扰动下，底泥向上覆水体明显地释放氮营养，而消亡的水华更可以 激发底泥中有机氮的释放，底泥中有机氮的矿化释放与沉积到底泥表层的水华呈 密切相关，释放进入上覆水体中氮首先以铵氮存在，并快速向亚硝态氮转化，此 后才向硝态氮转化，水中铵氮浓度高，存在时暗j 长，是比较主要的氮形态：张丽 萍等1 3 8 】于研究了沼泽化湖泊近春湖底泥污染物释放，研究发现底泥在受到扰动时 对水体溶解氧的消耗速率是未受扰动时的l o 倍。胡雪峰等【3 9 】对上海市郊中小河 流底泥在通气和厌气条件下氮的释放规律，结果表明：厌气条件下，底泥n h 4 + - n 释放速率和释放量高于通气条件，培养液n i - 1 4 + _ n 可在较长时间内维持峰值水平； 通气条件下，由于硝化作用较强，培养液n h 4 + n 含量达到峰值厚，迅速下降； 邢雅囡等【4 荆用苏州市古城区南园河底泥柱状样，研究了不同疏浚深度下，底泥 中营养物氮和磷的释放规律，结果表明：不同层位底泥样中氮的质量分数随着沉 积深度的增加而减小；底泥中t o c 的质量分数及释放量对总氮的累积与释放有 较大影响，底泥中氮和磷的释放量与疏浚深度有关，当疏浚深度为5 c m 或1 5 e r a 时，从泥水界面向水中扩散的氮和磷的通量均较小；陈永红等【帅l 以淮河( 淮南段) 底泥为研究对象，实验室模拟研究了溶解氧( d 0 ) 含量、温度及扰动等环境因 素对底泥n 释放的影响，结果表明扰动情况下底泥氮营养盐的释放速率明显高 于静态对照组。对底泥氮释放的研究，人们还比较关注风浪的作用，这也是底泥 释放的一个较为直接的原因。国内也有人研究风浪对底泥释放的影响，例如秦伯 强等【4 i 】通过在太湖开展室内释放模拟实验和风浪期间底泥悬浮及上覆水中营养 盐浓度变化的野外观测，提出了静态与动态二种浅水湖泊内源释放模式，静态情 况下，营养盐主要通过浓度梯度扩散从沉积物进入上覆水，其释放强度受控于沉 积物一水界面的温度，氧化还原环境及营养盐浓度差：动态条件下，沉积物由于 动力扰动而发生悬浮，沉积物中溶解性及颗粒态的营养盐随着沉积物的悬浮而释 放，虽然动态总的营养盐释放较静态条件大，但由于湍流导致水体及水土界面充 氧，铁，锰等金属元素因氧化而吸附溶解性营养盐的能力增强，因此动力扰动仅 引起总的营养盐释放，而并非导致溶解性营养盐的释放。因此，在动态条件下， 营养盐总释放量受控于动力扰动强度，底泥可悬浮量及沉积物中的营养盐含量； 对于可溶性的营养盐，其释放还受控于动力复氧的强度，沉积物中铁的含量及沉 积物间隙水与上覆水中营养盐的浓度差。 国内外在沉积物一水体界面营养物交换方面的现有研究普遍以湖泊、河口或 海湾为研究对象，尚未见有对河流的研究。本文采用相同的方法对珠江广州河段 的氮释放通量进行研究，并与之作比较，以分析河流与湖泊( 或河口等) 的区别。 1 4 研究区域概况 1 4 1 珠江流域概况 珠江是我国南方的大河，流经滇、黔、桂、粤、湘、赣等省( 区) 及越南社 会主义共和国的东北部，流域面积4 5 3 6 9 0 平方公里，其中我国境内面积4 4 2 1 0 0 平方公里。 珠江流域北靠五岭，南临南海，西部为云贵高原，中部丘陵、盆地相间，东 南部为三角洲冲积平原，地势西北高，东南低。全流域土地资源共6 6 3 0 0 万亩， 其中耕地7 2 0 0 万亩，林地1 8 9 0 0 万亩，耕地率低于全国平均水平，流域人均拥 有土地仅有9 3 1 亩，约为全国人均拥有土地的五分之三。珠江流域地处亚热带， 北回归线横贯流域的中部，气候温和多雨，多年平均温度在1 4 2 2 之间，多 年平均降阿量1 2 0 0 2 2 0 0 m m ，降雨量分布明显呈由东向西逐步减少，降雨年内 分配不均，地区分布差异和年际变化大。珠江年均河川迳流总量为3 3 6 0 亿立米， 其中西江2 3 8 0 亿立米，北江3 9 4 亿立米，东江2 3 8 亿立米，三角洲3 4 8 亿立米。 迳流年内分配极不均匀，汛期4 9 月约占年迳流总量的8 0 ，6 、7 、8 三个月 则占年迳流量的5 0 以上。珠江水资源丰富，全流域人均水资源量为4 7 0 0 立米， 相当于全国人均的1 7 倍，但年际变化大，时空分布不均匀，致使流域洪、涝、 旱、咸等自然灾害频繁。 珠江属少沙河流，多年平均含沙量为o 2 4 9 千克每立米，年平均含沙量8 8 7 2 万吨。据统计分析，每年约有2 0 的泥沙淤积于珠江三角洲网河区，其余8 0 的泥沙分由八大口门输出到南海。珠江口门的潮汐属不规则的半日周潮。珠江口 为弱潮河口，潮差较小，平均潮差为0 8 6 - - 1 6 米，最大潮差为2 2 虬3 3 6 米。八 大口门涨潮总量多年平均为3 7 6 2 亿立米，落潮多年平均值为7 0 2 2 亿立米，净减 量为3 2 6 0 亿立米。珠江流域是一个复合的流域，由西江、北江、东江及珠江三 角洲诸河等四个水系所组成。西、北两江在广东省三水市思贤窖、东江在广东省 东莞市石龙镇汇入珠江三角洲，经虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、 虎跳门及崖门等八大口门汇入南海。 珠江三角洲面积2 6 8 2 0 平方公里，河网密布，水道纵横。入注珠江三角洲的 主要河流有流溪河、潭江、深圳河等十多条。流域内各河流水量充沛，河道稳定， 具有良好的航运条件，现有通航河道1 0 8 8 条，通航总里程1 4 1 5 6 k m ，约占全国 通航里程的1 3 ，年货运量仅次于长江而居第二位。 珠江污染非常严重，据统计，2 0 0 4 年珠江流域污水排放总量1 8 2 亿多吨， 其中入河废污水量1 3 9 亿多吨，珠江三角洲废污水排放量占总量的5 2 。在珠江 口近6 0 0 0 平方公里的水域水体中的重金属、无机氮、石油几乎百分之百超标。 目前，珠江口已经成为华南第一大、中国第二大的污染型口岸。珠江口海域约有 9 5 的海水被重度污染，剩下的5 也是中度污染。有专家称，珠江很可能成为 第二条黄河，又有专家说，虎门附近海域是珠江口海水污染最严重的地区之一， 有可能成为中国的死海。最让人震撼的一句话是：“即使是所有人的眼泪，也无 法汇成一条清澈的珠江。，珠江的污染，正在威胁着珠江两岸人民的生存环境。 1 4 2 珠江广州河段概况 珠江广州河段( 1 1 3 0 3 0 ：t ：3 0 e ，2 3 0 1 0 圭1 0 n ) 是指自鸦岗至白鹅潭，再经前( 东) 后( 南) 航道到虎门的河段，流经整个市区，包括西航道、前航道、后航道、黄埔 水道，河段总长8 2 5 5 k m ，是广州市的主要水体，其中西航道、前航道、后航道 是广州市的重要水源地。广州市有与干流水体相通的河涌2 3 1 条，总长9 1 3 k m ， 分别汇入流溪河、白坭河及珠江广州河段，主要分布在白云区、荔湾区、越秀区、 芳村区、东山区、天河区、黄埔区、海珠区，它们担负泻洪、排污、纳潮的功能， 部分兼有灌溉与航运功能。 珠江广州河段的水流形态属感潮区非恒定流。上边界以径流影响为主，下边 界为潮流所控制。潮型为不下规半日混合潮。潮波在沿河道上溯传播过程中，受 床面摩擦和下泄迳流的阻挡，同时部分潮量转化为潮蓄，涨潮量自下游向上游递 减。落潮时落潮量则沿程递增。据珠江水利委员会统计，珠江广州河段黄埔航道 涨潮量向上游沿程递减率约为1 2 2 4 万m 3 k i n l ，前航道为7 6 万n 1 3 k i n l 。落潮量 9 向下游沿程递增率约为1 3 1 0 万m 3 k m 一，前航道为7 8 万m 3 k m 一。 从各水位站潮汐特征分析，大虎( 取舢板洲潮位站的资料) 、黄埔、浮标厂， 雅岗四站的潮差分别为1 6 0 米、1 6 4 米、1 3 8 米和1 0 7 米，差别不大。在上游 迳流来量变化不大的情况下，大虎高潮位每升高0 1 0 米，黄埔则相应升高0 1 0 米，而浮标厂约长高o 0 8 0 1 0 米，在黄埔站潮位相同的情况下，雅岗来水流量 增加1 0 0 0 m ，浮标厂水位相应抬升0 1 0 米。 本区水量充沛，但年内时空分配不均。珠江广州河段上游的流溪河，集水面 积2 3 7 7 平方公里，汛期大量径流汇入广州河段。西北江洪水也可通过芦苞涌和 西南涌进入西航道，故珠江广州河段上游区外径流补给，以西航道雅岗方向的来 水为主。枯水期流溪河来水锐减，芦苞涌和西南涌断流，北江水只能通过平洲水 道和陈村水道进入后航道。珠江广州河段上游区外迳流补给主要来自沙洛方向， 使本区河网枯水期的水流状态有明显改变。 与2 0 世纪七八十年代相比，随着珠江广州河段外源截污工程的进行以及城 市污水处理厂处理能力的不断提高，当前该河段的工业污染得到了有效的控制， 但氨氮和溶解氧浓度却严重超标，有机污染指标继续保持在较高水平，根据广州 市环保局发布( 2 0 0 3 年广州市环境质量报告书的统计资料，2 0 0 3 年，广州市 废水排放总量1 3 4 1 1 3 万吨，比2 0 0 2 年增加1 9 0 2 7 万吨，其中工业废水排放量 2 1 2 1 3 万吨，比2 0 0 2 年减少2 9 3 5 万吨：排放达标率为8 6 6 6 ( 达标排放量1 8 3 8 4 万吨) ，比2 0 0 2 年上升1 5 6 个百分点。广州市内有1 4 条较大的河涌通往珠江， 这些河涌每天将1 0 0 万t 以上的城市生活污水排入珠江，且排放量以每年1 0 左 右的速度增长，这些生活污水中含有氮、磷等种类繁多的有机污染物质，导致水 体富营养化，再加上广州市郊的畜禽养殖业尤其是养猪业日排放污水总量超过 5 0 0 万t ，汇入珠江和生活污水一起成为广州市水体有机污染的主要污染源之一， 造成水体c o d 、b o d 、氮、磷的超标；尚无法统计的是江上行船的污染物，流 域周围农业用水中残余的化肥、农药等也汇入珠江，成为不容忽视的面源污染。 由于管理的疏忽，珠江为广州人每天向下