北大港水库沉积物中有机碳和营养盐的分布特征

摘要

近年来，湖泊和水库的污染日趋严重，其中富营养化是水体污染最为严重的类型之一，其形成是由物理、化学及生物等诸多因素共同作用的结果，而沉积物作为容纳污染物的载体扮演着十分重要的角色，它对水体中氮、磷等富营养化的主要污染因子具有汇集和释放的双重作用，当水体中的某些环境因素发生改变时，沉积物中的营养物质就会释放到上覆水中。因此沉积物中营养物质含量超过一定范围时将引起再悬浮，从而造成湖泊水库的二次污染，即使在有效控制外源污染的情况下，也很难保证水质状况。湖泊和水库的沉积物具有连续性好、信息量大和稳定性好等特点，其空间分布规律在一定程度上能反应出水体受污染的特点和当地水文及气候的变化特点等。
　　因此，本文对北大港水库柱状剖面沉积物样品中有关物质的垂直分布规律进行详细的研究，采集了10个30 cm左右的沉积物剖面样品。首先对采集到的样品进行了去水处理，计算沉积物含水率的垂直变化规律，同时记录沉积物垂直方向不同深度的外观变化;其次，通过对不同采样点柱状沉积物中有机碳进行分析，对比分析北大港水库在表层沉积物中有机碳的分布状况，分析其主要来源及污染水平，着重探讨沉积物中有机碳的垂直分布特征，对其沉积规律进行分析;然后，通过沉积物剖面中TN、TP两种元素含量水平的分析，了解该区域的富营养化程度及其他污染水平，探讨其TN、TP含量的垂直分布特征，总结变化趋势;并对本次实验数据进行整理，分析北大港水库沉积物柱状剖面中TOC、TN和TP各元素之间的变化关系及柱状沉积物中的C/N、C/P和N/P的比值大小，利用C/N以及碳氮稳定同位素综合分析该地区有机质和营养盐等污染物的主要来源，并为改善水库生态环境状况提供理论依据。主要研究结果如下:
　　(1)北大港水库沉积物含水率垂直分布特征
　　对水库沉积物纵向含水率及相关物理性质的实验结果显示，其表层沉积物成灰色流塑状，含水率较高，随着深度的增加，沉积物逐渐紧实，颜色也逐渐由深灰色变为淡胶泥黄色，含水率降低，且其整体变化趋势明显，随深度的增加而减少，其中在0-10cm深度时变化趋势明显，而10cm深度以下减少趋势较缓慢，0-28cm的具体含水率分别为53.04、44.44、38.10、32.48、29.39、28.08、29.43、27.78、26.65、25.61、24.32、22.38、21.68、22.65。
　　(2)北大港水库沉积物中总有机碳(TOC)含量分布特征
　　对其表层0-4cm沉积物中TOC含量的统计计算得出，北大港水库表层沉积物中TOC的平均含量为3.678％，对其有机污染指数的计算得出其数值为0.76，通过查表发现0.76≥0.50，属于Ⅳ级有机污染;在垂直方向上有机质含量分布变化特征明显，其整体变化趋势是随深度的增加而减少，并且TOC含量的减少趋势在0-10cm深度范围内明显大于10cm以下，可能与该区域表层沉积物中残留有大量鱼饵和动植物残骸有关。
　　(3)北大港水库沉积物中营养盐(TN和TP)的含量分布特征
　　北大港水库0-4cm表层沉积物中营养盐TN和TP的平均含量分别为0.296％、0.545％，其中有机氮的含量明显大于0.133，根据有机氮评价分级标准表的分类，其含量水平属于Ⅳ级有机氮污染。对于营养物质含量水平的汇总分析，结果显示，北大港水库已处于富营养化污染状态，与我国其他湖泊水库营养物质含量水平相比，仍处于比较良好的状态;与有机碳类似，营养盐剖面含量变化趋势整体随着深度的增加而减少，其中TN变化趋势比较明显，其含量的减少趋势在0-10cm深度范围内明显大于10cm以下，而TP虽然变化趋势波动较大，但整体仍然显示出随深度增减而减少的变化方向。
　　(4)北大港水库沉积物中有机污染和营养盐污染评价
　　通过对实验数据分析，结果显示，沉积物中有机指数为0.76≥0.50，属于Ⅳ级有机污染，表明北大港水库沉积物中有机质含量已经严重超标;营养盐中氮元素的含量为0.296％≥0.133％，属于Ⅳ级有机氮污染;磷元素平均含量为544.6mg/kg，与我国其他湖泊污染水平相比，处于中营养化;综合结果，表明水库渔业以及农村灌溉已经污染了北大港水库，水环境受到一定程度的影响。
　　(5)沉积物中总有机质与营养盐的关系分析
　　在纵向分布上，总有机碳(TOC)与总氮(TN)含量变化趋势呈现出明显的相似性，通过SPSS数据处理分析，结果得出，TOC与TN垂直含量分布的相关方程为y=13.44x-0.199，两者相关性系数为0.977，呈显著相关性关系，两者具有同源性;而总有机碳与总磷的计算结果是无明显相关性，说明北大港水库沉积物中磷主要来源于外源污染，而有机质的释放只占很少比例，总氮与总磷的相关性分析的计算结果（无明显相关性）也说明了氮元素与磷元素的来源不同，原因可能是氮元素主要是通过有机质的释放产生的，氮元素与有机质具有同源性，而磷元素的来源比较复杂，大部分来源于外来输入。北大港水库不同采样点柱状沉积物中营养物质含量的比值基本上变化不大，其中C/N值范围为11.000-13.432，平均值为12.388，根据C/N比值的大小，可以判定北大港水库中营养物质的主要来源是藻类植物;C/P值和N/P值的变化范围分别为4.935-24.182、0.401-1.892,平均值分别为9.528、0.775，其中C/P值变化较大，目前对C/P和N/P比值的结果评价还没有统一的标准，但这也从另一方面体现出该区域的污染来源及吸收转化的特征。
　　(6)北大港水库沉积物中C和N同位素组成分布特征
　　有机质中碳、氮同位素联合C/N能够更加准确地估算有机质的来源。综合分析表明，北大港水库中有机质的δ13C值的变化范围为-15.5‰～-24.8‰，平均值为(-21.1±2.2)‰。有机质中δ15N值的变化趋势与δ13C值的相似，变化区间为-1.9‰～3.1‰，平均值为(1.5±1.1)‰，由此说明，北大港水库有机质中δ13C、δ15N历史来源稳定，根据其数值的变化范围可以初步判断出，近年来北大港水库中有机质为混合来源，一部分来源于陆源土壤有机质，另一部分来源于水库中水生浮游植物。
　　(7)沉积物中有机碳和营养盐的环境意义
　　近代人口的急剧增加和工农业的发展是造成水体富营养化的主要原因，这几方面的污染因素的迅速发展向环境中的不同介质中释放了大量的污染物，深入了解探究污染物的环境行为，提供治理和保护环境的有效措施迫在眉睫，在本文中主要研究水库沉积物中有机碳和营养盐的垂直分布特征及它们的相互关系不仅可以为人类对水污染的防治和保护提供理论依据，还能帮助人类深入了解地球上不同环境介质间水体的环境行为及其存在状况，另外，水体富营养化是一个需要经历长时间演变的过程，所以，研究沉积物的垂直分布规律还能作为环境记录的一种手段，为分析湖泊水库中营养物质的积累过程提供有力的证据。

目录

声明

摘要

1 前沿

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 沉积物中有机碳的研究

1．2．2 沉积物中营养盐的研究

1．2．3 水体富营养化的研究近况

1．2．4 沉积物中C、N同位素的研究近况

1．3 研究内容

2 研究区域

2．1 地理概况

2．2 水质状况

3 材料与方法

3．1 样品采集和预处理

3．2 测试方法

3．3 测试分析

3．3．1 含水率

3．3．2 总磷(TP)

3．3．3 有机碳(TOC)、总氮(TN)

3．3．4 碳同位素(δ13C)和氮同位素(δ15N)

4 结果与讨论

4．1 沉积物中含水率分布特征

4．2 沉积物中TOC分布特征

4．3 沉积物中营养盐(TN和TP)分布特征

4．4 沉积物中有机污染和营养盐污染评价

4．4．1 有机指数

4．4．2 营养盐与同类地区比较

4．5 沉积物中有机质与营养盐的关系

4．5．1 有机碳与营养盐的关系

4．5．2 沉积物中C、N和P的关系

4．6 沉积物中C和N同位素组成分布特征

4．7 沉积物中有机碳和营养盐的环境意义

5 结论和展望

5．1 结论

5．2 不足之处

5．3 展望

参考文献

致谢