长江口潮滩沉积物-水界面无机氮交换通量

长江口潮滩沉积物-水界面无机氮交换通量 长江口潮滩沉积物-水界面无机氮交换通量 第60卷第2期 2005年3月 地理 ACTAGEOGRAPHICASINICA VO1.60.NO.2 Mar..2005 长江口潮滩沉积物一水界面无机氮交换通量 许世远,张兴正,刘杰 陈振楼,王东启, f华东师范大学资源与环境科学学院,地理信息科学教育部重点实验室,上海200062) 摘要:对长江口滨岸潮滩7个典型断面三态氮的界面交换通量进行了三年多的季节性连续观 测,结果明无机氮的界面交换行为存在复杂的空间分异和季节变化.NO一N和NH一N的界 面交换通量正负变化范围较大,分别介于一32.82~24.13mmo1.m-2.d和一l8.45,l0.65mmo1.m-2d 之间;而NO,-N的界面交换通量很小,仅为一1.15,2.82mmo1..d?.NO-N的界面交换具有 明显的上下游季节性时空分异特征,而NH一N的界面交换则表现为南北岸季节性时空分异现 象.盐度是控制长江口滨岸潮滩NH一N界面交换行为的主要因素,而沉积物粒度,水体 NO一N浓度,沉积物有机质含量,水温和溶解氧含量则以不同的组合方式,共同制约着 NO一N在潮滩界面交换的时空分异格局. 关键词:无机氮;交换通量;沉积物一水界面;潮滩;长江口 河口滨岸潮滩是净化陆源污染物,削减其入海通量的一道天然屏障,作为河口生态 系统中氮的主要归宿场所之一,在河口营养状况的控制和氮循环过程中扮演着十分重要 的角色[】一.近3O年来,其削减转化入海径流营养元素(主要是N,P)负荷的能力受到越 来越多的关注[3-7].根据Ogilvie等对Colne河口,Trimmer等对GreatOuse河口,Nixon 等对Narragansett湾,Stockenberg等对Bothnia湾,Barnes等对Humber河151,Berelson 等对PortPhillip湾以及Beusekom等对Ems河口的研究表明,河口沉积物是氮的一个有 效汇库,通常可清除20%,60%的陆源氮负荷,大大减缓了河口及近海水域的富营养化进 程2/.但是河口沉积物又是氮的一个重要次生污染源,在某些条件下可能进一步加重河 口和近海水域的富营养化程度[11z一68-9]. 非点源营养盐随长江径流输 近2O年来,随着长江流域经济的高速发展,大量点源, 入河口地区,导致长江口地区硝酸盐含量成倍增长,水体处于严重的富营养化状态,口 外赤潮频频爆发,且发生频率和分布面积逐年增长,极大地影响了该地区经济的可持续 发展.61.作为我国主要的淤泥质潮滩分布区之一,每年数十米甚至数百米的淤涨速率使 长江口滨岸发育了宽达数公里的良好滩地.但是,由于长期以来对长江口滨岸潮滩氮的 生物地球化学行为一直缺乏比较系统,深入的研究和探讨,因此至今对这一滩地在长江 口富营养化进程中所扮演的源汇作用缺乏应有的了解和认识.为此,我们选择长江口滨 岸潮滩的部分典型断面,对2000年以来沉积物一水界面无机氮的交换行为进行了持续数 年的长期观测和研究,以期为长江口滨岸潮滩的规划,管理,环境保护和持续利用提供 科学依据.本文着重报道长江口滨岸潮滩无机氮界面交换通量及其时空分异规律. 收稿日期:2004—09—16;修订日期:2004—11-18 基金项目:国家自然科学基金项目(40173030;40131020);国家教育部优秀青年教师资助项目;上海市基础研究重 点项目(02DJ14029)【Foundation:NationalNamr~ScienceFoundationofChina,No.40173030;No.40131020 ; ExcellentYoungTeacherProgramoftheMinistryofEducation;KeyProgramofShanghmSc ienceFoundation, No.02DJ14029】 作者简介:陈振楼(1964一),男,上海人,教授,博士生导师,中国地理学会理事,主要从事城市水环境和水资源,河口滨 岸生物地球化学研究.E.mail:zlchen@geo.ecnu.edu.cn 2期陈振楼等:长江口潮滩沉积物一水界面无机氮交换通量329 1样品采集和实验方法 1.1野外采样' 长江口地区属于典型的亚热带季风区.年平均气温约为160C,多年平均最高水温28 oC(8月),最低水温6.7oC(2月).降雨量充沛,多年平均降雨量1144nllYl,主要集中 在4,9月.长江口径流量丰沛,5月至10月为洪季,l1月至次年4月为枯季,洪季下水 量占全年的71%.长江泥沙含量丰富,每年携带的4.86亿吨泥沙中将近一半堆积于河口 滨岸潮滩,使滩地淤涨迅速,以每年数十甚至上百米的淤涨速率不断向海推进.潮 滩沉 积物一般以细颗粒为主,自然地貌和沉积分带明显,自陆向海依次发育高,中,低潮滩. 通常,高潮滩沉积物最细,以黑色一青灰色粉砂质黏土和粘土质粉砂为主,滩面上芦苇 和海三棱蔗草发育茂盛,呈连绵片状分布;中潮滩沉积物由青灰色的粘土质粉砂和粉砂 组成,滩地植被以斑状分布的海三棱蔗草为主;低潮滩沉积物最粗,多为粉砂和细砂质 粉砂,局部为细砂,滩面上无植被发育[18】.近年来,由于受滩涂围垦,工业园区开发建设 等影响,长江口许多岸段实际上已无自然高,中潮滩出露. 2000年10月-2004年4月期间,根据长江口滨岸潮滩的地貌空间分异和环境污染特 征,分别在南岸的浒浦(XP),顾路(GL),老港(LG),芦潮港(LC),北岸的青龙港 (QL),启东寅阳(YY),以及冲积岛屿崇明东滩(CM)布设了7个典型采样观测断面(图 1).在每个采样断面退潮期间的低潮滩,使用内径为8ClYI,长50cm的有机玻璃采样管, 按季节(每年的1,4,7,10月)在相互比较接近的小区域内用负压法采集=三个30,35cm 长度的沉积物柱样,同时采集三个表层沉积物样和25L表层水样,并现场测定水体的温 度,溶解氧,盐度,pH,Eh等易变的地球化学参数. 1.2实验室培养,样品及通量计算 野外样品采集后立即运回实验室,调整柱样管中沉积物的高度,使每个管中预留10 cm高的空间用于放置上覆水,然后将每个采样点的3根沉积物柱置于黑色通量培养箱 中,小心灌入现场采集的表层水并浸没所有的沉积物柱,用电磁式空气泵向培养箱 水体 和每个管上覆水中通入空气进行 均衡避光培养,并控制培养箱内 水体的温度与野外现场一致.均"" 衡24小时后,调整管内上覆水 的通气强度,使水体不断上下流 动循环但又不让表层沉积物发 生再悬浮,然后按0,2,4,6 小时的时间间隔,在距离沉积5 物表面约1cm的高度,用50 mL注射器吸取40mL管内上覆 水样.吸取的水样用0.45mlYl 滤膜过滤后,置于50mL塑料 瓶中,加入2滴饱和HgC1,,然 后放在冰箱中0-4oC保存待测". [, .若24小时内不能完成测 试的样品,则在取样后直接放 入冰柜于一2OoC保存.所有采 样工具皆经稀酸,自来水,蒸 馏水充分洗涤.Fig.1 图1长江口滨岸潮滩采样断面分布示意图 MapofsamplingsitesalongthetidalflatoftheYangtzeestuary 330地理60卷 水样分析项目主要为无机氮的三种形态,包括NO3-N,NO-N和NH-N.其中, NO:.N用锌.镉还原法测定,NO.N用磺胺和盐酸萘乙二胺试剂法测定,NH-N用次 溴 酸钠氧化法测定『20],分析误差均控制在+5%以内.表层沉积物低温烘干(<40.C)后,采 用燃烧失重法测定有机质含量. 潮滩沉积物一水界面无机氮的交换通量根据培养试验前后水体浓度变化直接计算获 得[一1921-23],其中正值表示无机氮由沉积物进入水体,负值则相反. 2结果分析 2.1长江口潮滩水中无机氮的分布特征 大量监测结果的统计分析表明,长江口滨岸潮滩存在严重的水体氮污染,各典型断 面水体总无机氮(TIN)浓度介于63.60,556.39ixmol?L.之间,平均149.25ixmol?L,,远 高于36LLmol?L.的国家海水四类,监测到的最低浓度也超标1.8倍,平均超标4倍, 最大超标在一个数量级以上,高达15倍(表1). 三态氮中,NO.N占据绝对优势,其浓度一般占水体无机氮组成的80%以上;其次 ,20%;而NO,.N的浓度非常低,一般不超过无机氮组成的1%.为NH.N,一般占10 这 与长江入海径流无机氮的组成形态基本一致[].从各断面水体无机氮的分布情况来看,长 江口南岸的老港(LG1断面因受附近上海最大的填埋式垃圾场一老港垃圾场渗滤污水漫滩 排放的直接影响,水体总无机氮(TIN)和三态氮浓度显着偏高.同时,受长江口沿岸城 市污水直排的影响,芦潮港(LC),启东寅阳(YY)等河口下游断面的TIN和NO.N浓度 明显高于上游断面,而青龙港(QL)和顾路(GL)断面的NH.N浓度明显高于其他断面. 值得注意的是,崇明东滩(CM)断面虽然处于河1:3下游,但其水体TIN和NO.N浓度却 比其他下游断面明显偏低,显然与其地处岛屿,较少受到长江口南北两岸城市污水岸边 排放的直接影响有关. 表1长江口滨岸潮滩典型断面水体无机氮浓度(ttmol?L一.) Tab.1ConcentrationsofinorganicnitrogenincoastalwatersattypicalsitesalongtheYangtze estuary(pmol'L-) 2期陈振楼等:长江口潮滩沉积物一水界面无机氮交换通量331 2.2长江口潮滩无机氮界面交换通量 根据各断面每季度测定的通量值,统计分析了长江口滨岸潮滩三态氮界面交换通量 的年平均值及其变化范表2长江口滨岸潮滩典型断面沉积物一水界面无机氮交换通量 围,并由三态氮界面交换(mmol?m?d) 通量之和计算了总无机氮Tab.2Exchangefluxesofinorganicnitrogenatthesediment—waterinterfaceof (TIN)的界面交换通量 (表2).由表2可见,长 江口滨岸潮滩各断面无机 氮的界面交换通量均存在 范围很大的正负变化,并 不呈单一的正值或负值, 表明本区潮滩沉积物一水 界面无机氮的迁移转化行 为非常复杂,存在活跃的 季节性源汇转换现象. 从总无机氮(TIN)的 界面交换通量来看,各断 面均存在一至两个数量级 的正负变化,其分布范围 介于一49.84~24.19mmol? rflt?d之间,平均一3.84mmol?rfl.?d-1,潮滩沉积物总体上表现为水体无机氮的一个有效 汇库.但各断面TIN的年平均交换通量表现出不同的源汇特征,其中长江口北岸的青龙 港(OL),启东寅阳(YY)以及长江口南岸的顾路(GL)断面以TIN的释放为主,而长江 口南岸的浒浦(XP),老港(LG),芦潮港(LC)以及崇明东滩(CM)断面以TIN的吸收为 主.从三态氮的界面交换通量来看,各断面NO一N和NH一N的通量值较高,正负变化 范围较大,分别介于一32.82~24.13mmol?m.?d-和一18.45~10.65mmol?m_2.d.之间;而 NO:一N的通量值很小,仅为一1.15,2.82mmo1.m-2.d,.各断面NO一N和NH一N的年平均通 量具有类似的源汇特征,并与TIN的源汇特征相一致,但NO,一N的年平均通量除顾路 (GL1和崇明东滩(CM)表现为汇外,其他断面均为源.因此,就年平均通量而言,长江 口潮滩沉积物总体上表现为水体NO一N,NII一N的汇和NO,一N的源. 但需要指出的是,由于长江口滨岸潮滩无机氮界面交换通量的时空差异很大,因此 年平均值在此仅具有统计学上的意义,并不完全反映无机氮界面交换的真实情况,其可 靠性取决于统计样本的多寡.在目前情况下,受各方面条件的限制,长江口滨岸潮滩无 机氮界面交换通量的测定数据还非常有限,尚需要进一步的研究工作积累. 2.3长江口潮滩无机氮界面交换的时空分异特征 持续数年的季节性定点观测结果表明,长江口滨岸潮滩沉积物一水界面无机氮的迁 移转化具有复杂的时空分异,存在活跃的季节性源汇转换现象(图2).除个别数据外,图 中大部分数据均为多年同一季节测定结果的平均值,以消除个别年份可能出现的 异常值. 长江KI滨岸潮滩NO一N的界面交换具有明显的上下游季节性时空分异特征(图 2):在 河KI上游,不管是北岸的青龙港(QL)还是南岸的浒浦(XP),潮滩沉积物在春夏季 均表 现为水体NO一N的汇,秋冬季则表现为水体NO一N的源;而在河口下游,从北 岸的启东 332地理60卷 七 E 三 E E Z ? l Z 一 勺 昌 三 0 昌 昌 Z ? _ 0 Z 西.j : : ,一壬.一—— 冒一r冒 上 勺 ? g 三 0 g g Z : n一… :士一r一 rf1..=,国 . 臼-uulj盯' g YYXP【LLGLCCMQLYYXP(LLGLCCM 图2长江口滨岸潮滩典型断面沉积物一水界面无机氮交换通量的季节性变化 (mmoIom-2~d—t, Fig?2seasonalandspatialVariationofinorganicnitrogenexchangefiuxesatthesediment. waterinterfaceoftypica1 sitesalongthetidalfiatoftheYangtzeestuary(mmol?m?d.) 寅阳(YY),南岸的芦潮港(LC),到崇明东滩(CM),潮滩沉积物基本上在春季均表现 为 水体NO一N的源,夏,秋,冬季则转变为水体NO一N的汇;介于河IZl上下游间的顾路 (GL)和老港(LG),其NO一N界面交换行为则表现出十分有趣的上下游调和互补特征, 春,夏,秋季沉积物在顾路表现为No:一N的源,而在老港表现为汇,冬季则正好相反. 与NO一N明显不同,长江口滨岸潮滩NH:一N的界面交换行为则表现出南北岸季节I1 时空分异规律(图2):在长江IZl北岸的青龙港(QL)和启东寅阳(YY),潮滩沉积物一年 四季基本上表现为水体NH:一N的一个有效释放源,仅在青龙港的春季有少量NH:一N进入 沉积物;而在长江口南岸的浒浦(xP),老港(LG),芦潮港(LC)以及崇明东滩(CM),潮 滩沉积物一年四季均表现为水体NH:_N的一个有效汇,仅在老港和崇明东滩的冬季以及 芦潮港的秋季有少量NH:一N从沉积物逸出.但顾路(GL)断面NH:一N的界面交换比较复 杂,与上述规律不符. 作为硝化和反硝化过程的中间产物,NO2一N在水体中相当不稳定,浓度很低,测得 的界面交换通量一般很小.由图2可见,长江口滨岸潮滩No一N的界面交换行为比较简 单,除顾路(GL)外,各断面基本上均表现为水体NO:一N的一个有效源. 总体来看,由于No:一N的界面交换通量在无机氮中占据绝对优势,因此长江口滨岸 潮滩无机氮界面交换的时空分异行为基本上由No一N控制,各断面总无机氮(TIN)的季 m0 ^.p.E三0EE—z.}{z ???m0?如? 如O如? DOOOOOO432?O?23 2期陈振楼等:长江口潮滩沉积物一水界面无机氮交换通量333 节性源汇转换特征与NO.N完全一致,也表现出上下游季节性时空分异规律(图2). 3讨论 作为一个世界级的大型多泥沙混浊河口,受亚热带季风气候和高强度人类活动的影 响和干扰,长江口滨岸潮滩的各种环境因子复杂多变,在空间和时间上均存在很大差异, 尤其是季节性动态变化相当突出,使长江口滨岸潮滩无机氮的行为也表现出复杂的季节 性时空变化.从已经测定的无机氮界面交换通量看,与世界其他河口相比,长江口滨岸 潮滩无机氮的界面交换通量在数量级上基本与其他河口一致,但其正负变化范围比多数 河口明显大得多(表3),表明长江口滨岸潮滩无机氮的界面交换和源汇转换行为非常活 跃. 影响长江口潮滩无机氮界面交换行为的因素很多,包括盐度,温度,溶解氧含量, NO?N和NIt.N浓度,有机质含量,沉积物类型等,25-30】.统计分析表明,这些因素与 长江口潮滩无机氮界面交换通量之间并不存在单独的非常显着的相关性,而是以各种不 同的组合方式共同影响着沉积物一水界面的矿化,硝化和反硝化速率,控制着无机氮界 面交换通量的大小和方向,使长江口潮滩无机氮界面交换行为表现出复杂的时空 分异现 象. 已有研究表明,盐度对NH.N的界面交换行为往往起着决定性的控制作用,NH可 与海水中的阴离子形成离子对,降低其在沉积物上的吸附能力,因此盐度增加引起的离 子配位体的增加可导致NIt从沉积物中解析释放,抛.长江口滨岸潮滩NH.N界面交 换行为的南北岸空间分异特征明显地表现出盐度的控制作用:在长江入海的南北两支中, 南支是主要的入海通道,其上下游水体盐度(上游0.1,0.2%0,下游5.7,13.9%o)明显低于 北支(上游0.1-7.7%o,下游l4.2,25.4%o),因此高盐度的北岸潮滩成为水体NH.N的源, 而低盐度的南岸潮滩主要表现为水体NH.N的汇. 与NH:.N界面交换主要受盐度的控制不同,长江口滨岸潮滩NO;.N的界面交换在上 表3世界各地河口滨岸潮滩沉积物一水界面无机氦交换通量的对比(mmol?m-2?d一-) Tab.1Comparisonofexchangefluxesofinorganicnitrogenatthesediment-waterinterface betweendifferentestuariesintheworld(retool?nl?d—I,[. a:ReportedasNO3'+No2 334地理60卷 下游问表现出不同的控制机制.在河口上游,由于潮滩沉积物粒径较细(中值粒径27-37 mm),此春夏季较高的NO.N浓度(80.1-173.9mmol/L),有机质含量(2.53%-3.82%), 水温(16.1,29.50C)和较低的溶解氧含量(7.2,8.6mg/L),有利于反硝化作用的进行[7_29-3o], 潮滩沉积物成为水体NO.N的汇;而秋冬季较低的NO.N浓度(51.5-101.1mmol/L), 有 机质含量(1.17,3.34%),水温(6.9,17.5oc)和较高的溶解氧含量(8.5-12_3mg/L),有利 于矿化作用和硝化作用的进行29-3o],潮滩沉积物成为水体NO.N的源.在河口下游,由 于潮滩沉积物粒径较粗(中值粒径49,70mm),溶解氧的渗透深度较大,不利于反硝化作 用的进行,因此虽然春季的NO.N浓度和有机质含量明显高于其他季节,但界面的矿化 作用和硝化作用可能比反硝化作用更为活跃,从而使潮滩沉积物成为水体NO:.N的释放 源;而夏秋冬季则可能反硝化作用较强,潮滩沉积物成为水体NO.N的吸收汇. 根据目前尚在进行的崇明东滩(CM)沉积物反硝化速率的初步研究,证实春季的反 硝化速率确实明显偏低,而夏秋冬季,尤其是夏季反硝化速率明显偏高.由此可见,在 长江口滨岸潮滩沉积物粒度组成基本上控制了NO.N界面交换的空间分异格局,而水体 NO.N浓度,沉积物有机质含量,水温和溶解氧含量的不同组合方式,则基本上控制了 NO.N界面交换的季节性分异格局. NO,.N的界面交换行为主要取决于沉积物中的硝化和反硝化作用,由于不管是硝化 还是反硝化反应均可产生NO,.N,且反应越活跃产生的NO,.N就越多,因此一般情况下 NO,.N总是由沉积物向上覆水体扩散释放[2_3].长江口滨岸潮滩NO,.N的界面交换行为基 本上反映了这一现象. 此外,长江口沿岸局地污染源的存在往往对潮滩无机氮的界面交换行为产生深刻的 影响.如老港(LG)垃圾填埋场附近滩地,由于受大量未经处理的垃圾渗滤水漫滩连续排 放的影响,潮滩水体中NO.N和NH:.N浓度居高不下(表1),因此除冬季外,春夏秋季 潮滩沉积物均表现为水体NO.N和NH:.N的一个有效汇,而且交换通量显着高于其他断 面,这对减轻上覆水体的无机氮污染程度显然具有良好的促进作用. 4结论 (1)长江口作为一个典型的巨型亚热带季风河口,其复杂的环境条件和高强度的人类 活动使滨岸潮滩无机氮的界面交换和源汇转换行为非常活跃.这不仅表现在NO.N和 NH:.N的界面交换通量具有比世界其他河口大得多的正负变化范围,而且也表现在 NO.N和NH.N的界面交换具有各自的季节性时空分异特征. (2)NO一N界面交换的季节性时空分异主要体现在上下游问,而NH.N则主要体现 在南北岸间. (3)盐度是控制长江口滨岸潮滩NH:.N界面交换行为的主要因素. (4)沉积物粒度,水体NO.N浓度,沉积物有机质含量,水温和溶解氧含量以不同 2期陈振楼等:长江口潮滩沉积物一水界面无机氮交换通量335 的组合方式,共同制约着NO;.N在潮滩界面交换的时空分异格局. 参考文献(1ferences) 『11JickellsTD.Nutrientbiogeochemistryofthecoastalzone.Science,1998.281:217-222. 『21NedwellDB,RaffaelliDG.AdvancesinEcologicalResearch:Estuaries.London:Acad emicPress,1999. [3]NedwellDB.Inorganicnitrogenmetabolisminaeutrophicatedtropicalmangroveestuar yWaterRes.,1975,9: 221.231. 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However,thefluxesofNO2一Nwereverylow,andonlyvariedfrom一 1.15to2.82mmol.m'. d-.ThespatialandseasonaldifferencesbetweentheupperandlowerestuaryfortheNO3一N + fluxeswereobservedclearly,buttheNH4一Nfluxesexhibitedthespatialandseasonal differencesbetweenthesouthandnorthbank.IthadbeenrecognizedthattheNH4-N exchangebehaviorwasmainlycontrolledbythesalinity,whereastheNO一Nexchange behaviorwasinfluencedbythedifferentcombinationsofthesedimentgrainsize,nitrate concentrationinoverlyingwater,sedimentorganicmattercontent,watertemperatureand dissolvedoxygenconcentration. Keywords:inorganicnitrogen;exchangeflux;sediment— waterinterface;tidalflat;Yangtze estuary