太湖沉积物中碳、氮、磷的空间分布及影响因子

论文总字数：16576字

目 录

摘要 1

1 引言 3

1.1 研究背景 3

1.2 研究进展 3

1.2.1 沉积物中的碳 3

1.2.2 沉积物中的氮 4

1.2.3 沉积物中的磷 4

1.2.4 沉积物中碳、氮、磷的相互关系 4

1.3 研究方案 5

1.3.1 样品采集 5

1.3.2 研究方法 5

1.3.3 仪器设备 6

2 研究结果 6

2.1 沉积物中总有机碳、总氮、总磷含量的空间分异规律 6

2.1.1 沉积物中TOC含量的水平分布特征 6

2.1.2 沉积物中TN的水平分布特征 7

2.1.3 沉积物中TP的水平分布特征 8

2.1.4 TOC与TN、TP的相关性分析 9

2.2 太湖沉积物中碳-氮-磷耦合研究 9

2.2.1 C/N比值及其环境意义 9

2.2.2 C/P比值研究 10

2.2.3 N/P比值研究 10

2.3影响太湖沉积物中碳、氮、磷空间分布特征的因子 11

3 讨论 12

4 结论与展望 12

4.1 结论 12

4.2 研究展望 13

参考文献 13

致谢 16

太湖沉积物中碳、氮、磷的空间分布及影响因子

张岚岚

，China

Abstract: Horizontal distribution characteristics and its influencing factors of total organic 

carbon, total nitrogen and total phosphorus in sediments of Taihu Lake were studied through field sampling 72 sites combined with laboratory analysis, the results showed that the contents of  TOC

in the sediments of Taihu between 4.21-21.96g/kg, TN contents between 0.43-2.35g/kg, TP contents in sediment between 0.27-0.89g/kg .TN and TOC contents of sediment in Zhushan Bay, Meiliang Bay and East Taihu were high, and decreased from the shores to centre areas of Taihu Lake. as 

compared with TN and TOC, TP of sediments showed different change patterns in Taihu,TP contents decreased from west to east. The maximum of TP contents appears in the northern part of Taihu and the second maximum value appeared in west Taihu. The ratio of TOC/TN was higher than that of TN/TP, and the distribution characteristics of the ratio of TN/TP was similar as that of TOC/TP. The correlation analysis showed that water conductivity, salinity was significantly and positively related to the contents of TOC,TN and TP in the sediments.TOC and TP showed a significant negative correlation with dissolved oxygen in the water.Predictably, TOC, TN and TP content existed significant spatial difference.The conductivity,salinity and dissolved oxygen affected the distribution of TOC,TN and TP contents.

Key Words：Taihu; sediment; nutrient; influence factor

1 引言

1.1 研究背景

太湖是我国第三大淡水湖泊,面积约2338平方公里，平均水深1.19米，最大水深约3.14米^[1]。太湖流域总面积31650平方公里,是全国人口最密集、工农业生产最发达的地区，城市化进程居全国之首^[2]。由于人类活动的影响,大量工农业废水及生活污水进入太湖，导致湖泊富营养化，破坏了湖泊生态系统的平衡，并制约周边地区经济的发展^[3,4]。太湖是国家重点治理的湖泊之一，富营养化水域占总面积的81.2%^[5]。近年来，各级政府不断加大治理污染源的力度，水体内源污染（沉积物中营养盐的释放）对湖泊富营养化的形成起到不容忽视的作用^[6]。

水体富营养化(eutrophication)过程是指氮、磷营养盐大量进入河流湖泊，促使藻类水生生物大量繁殖，有机物的产生和消耗不平衡，引起水体透明度和溶解氧降低，水质恶化，最终导致水体生态系统失衡。随着富营养化程度加重，“水华”、“赤潮”现象频发，严重影响到饮用水、工农业用水等水资源的利用，并制约水产养殖业和旅游业的发展，带来巨大的经济损失。碳(C)、氮(N)、磷(P)含量是影响水体水质的重要因素，故研究水环境中C、N、P营养盐的迁移转化、生物地球化学循环对控制水体内源污染具重要的理论和现实意义。

沉积物是河流湖泊等水体的重要组成部分，它是底栖动物、微生物的主要活动场所，也是氮磷等污染物贮存较稳定的场所^[7]，对研究污染物在环境中的行为起着重要作用^[8]。污染物的排放减少或停止后，环境条件 ( 如氧化还原电位、pH 及水温等) 发生变化时，沉积物中的营养盐会释放到上覆水体中，造成水环境的二次污染，这将严重影响湖泊水质^[9-10]。众多研究表明当限制外源污染物的输入后，沉积物中营养盐的释放作用是引起或维持水体富营养化的关键因素^[11-15]。例如:芬兰vesijarvi湖的绝大部分外源磷输入被截断后，十几年来依然大面积爆发了蓝藻水华^[16]。美国辅助员工发展计划(EAP)在一份调查报告^[17]中指出:在21世纪以前,美国由于沉积物污染引起的鱼类被污染事件已多达2000多起。

有研究证明水体沉积物具有一定的生物毒性^[18]。因此，水质状况和富营养化程度可以由沉积物污染状况来表征 ^[19-20]。

1.2 研究进展

1.2.1 沉积物中的碳

沉积物中的碳大体上可分为有机碳和无机碳两种 ^[21]，它不仅为植物提供生长所需的碳源，还是水生生物多样性的影响因素。沉积物中有机碳的来源主要是水体自身生长的浮游生物、藻类等水生生物的残体和人类向水体中排放的工农业废水及日常生活垃圾带来的外源有机物污染^[22]。当水体受到严重的污染时，水生植物会大量生长繁殖,生物死亡后的残体也会急剧增多，累积到沉积物中的有机碳也会大量增加。

有机碳结合其他有机化合物以有机质的形式存在于沉积物中，对沉积物的理化特征及生物性状具有重要影响^[23]。有机质的矿化会大量耗消耗氧气，并将碳、氮、磷等营养盐释放到上覆水体中，使水质恶化甚至引起水体富营养化^[24]。有机质可以通过吸附、络合等方式，对沉积物中污染物的生物毒性、迁移转化等行为起着重要作用^[25-27]。此外，有机质矿化过程中还能产生大量破坏臭氧层的气体，如二氧化碳、甲烷以及挥发性卤代有机化合物等。有研究表明^[28]:南非Modder河的水华现象是由有机质污染所引起的。

1.2.2 沉积物中的氮

自然界中，氮主要以氨态氮、硝态氮、亚硝态氮、有机含氮物和大气中游离的气态氮这五种形式存在^[29]。沉积物的氮分为两种，一种是含量较多的有机氮，另一种是以NH₄ 、NO₃^-、NO₂^-和固定态铵形态存在的无机氮。NH₄ 、NO₃^-等对湖泊水体环境的研究具有十分重要的意义，它是能够直接被绿色植物、蓝藻等初级生产者吸收利用于光合作用的可交换性氮^[30]。沉积物和上覆水体之间主要通过分子扩散来进行氮素交换^[31]。沉积物有机氮的赋存形态大致可分为腐殖质与未分解和部分分解的有机物残体两类^[32]。

经过硝化和反硝化作用，氮在湖泊沉积物-水界面进行迁移和转换^[33]。氮素可在沉积物-水界面进行双向转移，沉积物中的氮素可释放到水体中，上覆水体中的氮素也能扩散进入沉积物中。在氧气充足的条件下，沉积物中的有机氮化物能转化为铵态氮，铵态氮进入上覆水中，经硝化作用进一步氧化成硝态氮，进而提髙水体中氮的含量。在氧气缺乏的条件下，上覆水体中的硝态氮也能经反硝化作用还原成氮气和大气污染物一氧化二氮等气体。

氮素的生物地球化学循环与富营养化之间的关系对治理水体污染具有十分重要的意义，有研究表明^[34]对湖泊中氮含量与浮游植物初级生产力进行相关性分析后发现两者之间呈显著正相关的关系。氮对维持水体生态系统的平衡具有重要作用。

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