曾 露，葛繼穩(wěn)，王自業(yè)，冉桂花，吳述園，唐 佳

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)濕地演化與生態(tài)恢復(fù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生態(tài)環(huán)境研究所，湖北 武漢430074）

古夫河發(fā)源于湖北省神農(nóng)架林區(qū)新華鄉(xiāng)處，在響灘匯入香溪河，是位于香溪河上游的三大支流之一。古夫河流域水資源豐富，干流全長(zhǎng)64.5km，流經(jīng)興山境內(nèi)41km。自三峽水庫(kù)建成以來(lái)，三峽庫(kù)區(qū)的水環(huán)境由典型的河流水體轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃坪此w，水流減緩，對(duì)污染物質(zhì)的擴(kuò)散和自凈能力大大降低，水環(huán)境發(fā)生了根本性變化［1］。尤其三峽水庫(kù)蓄水后，香溪河水體富營(yíng)養(yǎng)化速度不斷加快，已多次暴發(fā)水華［2］。目前，香溪河上游的古夫河流域水環(huán)境整體上較好，但是居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、小水電站建設(shè)、磷礦生產(chǎn)等產(chǎn)生的污水外源輸入造成水環(huán)境營(yíng)養(yǎng)元素氮、磷含量偏高［3］。有關(guān)研究表明，表層沉積物在水體污染中扮演著“雙重”角色：既作為污染匯不斷接納水體中沉積下來(lái)的顆粒物質(zhì)，又作為污染源向水體中釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［4—5］。河流表層沉積物作為河流上覆水的重要物質(zhì)源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮、磷的重要蓄積庫(kù)對(duì)河流上覆水物質(zhì)循環(huán)遷移起著很重要的作用［6—7］。沉積物在適當(dāng)條件下釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水環(huán)境中，成為富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子［8］。

目前，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)香溪河干流沉積物中總氮和總磷的形態(tài)、時(shí)空分布特征［9—10］和吸附特征［11］有較多的研究，但對(duì)源頭河流的研究相對(duì)較少。古夫河作為香溪河一級(jí)支流，其水質(zhì)變化將對(duì)該河流乃至香溪河水域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的影響［12］。為此，本文對(duì)古夫河從源頭追蹤到庫(kù)灣分析其上覆水和表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布特征及其相關(guān)性，了解古夫河河流上覆水和表層沉積物中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的狀況，以為古夫河水資源管理和保護(hù)提供科學(xué)、可靠的依據(jù)，并為分析香溪河水域近年生態(tài)變化、進(jìn)一步開(kāi)展源頭預(yù)防和控制水體富營(yíng)養(yǎng)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

在古夫河干流上采用GPS定位，按海拔50m間隔共設(shè)置20個(gè)采樣點(diǎn)，從2010年8月至2011年6月（1月份由于冰凍封山未采樣）對(duì)此20個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了頻度為每月一次的監(jiān)測(cè)調(diào)查。本文根據(jù)數(shù)據(jù)的完整性、可靠性與可比性的需要選擇了具有代表性的采樣點(diǎn)進(jìn)行分析，即選取了17個(gè)采樣點(diǎn)，詳見(jiàn)圖1。

圖1 古夫河流域采樣點(diǎn)布設(shè)圖Fig.1 Sample sites distribution of Gufu River

1.2 樣品采集與分析

（1）上覆水水樣的采集與處理：對(duì)于淺水河段水樣的采集，在深度允許的情況下，在水下30cm左右處取表層水樣；對(duì)于深水河段水樣的采集，使用采水器采集水下3～5m處水樣。選擇河流中間或者混合均勻且人為破壞小處采集水樣，并將采集的水樣存放在500mL容量的聚乙烯瓶中，現(xiàn)場(chǎng)加濃硫酸使水樣pH值小于2，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。水體中總氮含量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解－紫外分光光度法（GB 11894—89）測(cè)定；水體中總磷含量采用過(guò)硫酸鉀消解－鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）測(cè)定。

（2）表層沉積物的采集與處理：用改良彼得生采泥器采集表層底泥樣品，裝入保鮮袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后去除動(dòng)植物殘?bào)w及砂石等雜質(zhì)，碾碎過(guò)100目篩，裝入聚乙烯封口袋備用。采用萬(wàn)分之一精度的電子稱稱取沉積物。表層沉積物中總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解后取上清液，采用紫外分光光度法［13］測(cè)定其含量；表層沉積物中總磷的提取參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》［14］中方法，采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定其含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對(duì)上覆水和表層沉積物中的總氮和總磷含量空間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；使用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)上覆水中氮、磷含量與表層沉積物中氮、磷含量進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

古夫河是一條典型的山區(qū)河流，流域大部分區(qū)域處于崇山峻嶺中，古夫河下游臨近古夫鎮(zhèn)流域興建有水庫(kù)、水電站等水利設(shè)施，不僅明顯改變了河流的水文狀況，也破壞了河流的連續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性。根據(jù)古夫河在不同空間的水質(zhì)特點(diǎn)，將該河流劃分為古夫—神農(nóng)架河段（GF01～GF13樣點(diǎn)）和古夫—庫(kù)灣河段（GF14～GF18樣點(diǎn)）兩部分，以此來(lái)對(duì)比分析人為活動(dòng)影響下古夫河上覆水和表層沉積物中氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素含量的空間變化特征。

2.1 古夫河上覆水中總氮和總磷含量的空間分布

圖2為古夫河上覆水中總氮和總磷含量的空間分布圖。

由圖2（a）可以看出：古夫河上覆水中總氮的含量變化范圍為0.721～1.435mg/L，平均值為1.137 mg/L；上覆水中總氮含量年均值從源頭向下游總體呈現(xiàn)先遞減后增加的趨勢(shì)，不同樣點(diǎn)空間分布差異較顯著，其中源頭GF01樣點(diǎn)總氮含量最高（1.435 mg/L），最小值出現(xiàn)在 GF12樣點(diǎn)（0.721mg/L）。分析原因認(rèn)為，古夫河流經(jīng)森林、耕地、水庫(kù)和城鎮(zhèn)，根據(jù)相關(guān)研究表明［15—16］，森林河流中含氮量要低于農(nóng)田、村鎮(zhèn)，而本研究與之相反，說(shuō)明水體中的氮與所處區(qū)域的自然環(huán)境條件有著很大的關(guān)系。GF01樣點(diǎn)處于河流源頭處的陡峭山體，雨水形成的地表徑流沖刷強(qiáng)度大，降雨淋溶形成的徑流攜帶富含營(yíng)養(yǎng)的土壤和巖石碎屑進(jìn)入河流，使水體中總氮含量增高；此外，森林地區(qū)富含養(yǎng)分的土壤隨降雨形成的地表徑流進(jìn)入河流也將使水體中的總氮含量增加。富含氮的水流沿河向下，隨著支流的匯入，匯水面積增加水量增多，水體中的氮通過(guò)稀釋、水生生物利用等自凈作用，使下游水體中的總氮含量降低，如GF12（支流匯入）、GF13（水勢(shì)較緩）點(diǎn)位明顯低于其他各樣點(diǎn)，這種突變性可能受河道所處地勢(shì)較緩和支流的匯入影響。在古夫—庫(kù)灣河段，水庫(kù)蓄水淹沒(méi)的耕地中殘留化肥的釋放，以及庫(kù)區(qū)內(nèi)土質(zhì)疏松，降雨時(shí)水力沖蝕作用強(qiáng)烈，極易發(fā)生水土流失，致使河水中總氮含量增高，而GF15樣點(diǎn)出現(xiàn)的低值是否與古洞口引水式水電站蓄水放水有關(guān)，尚待進(jìn)一步研究。GF18樣點(diǎn)位于古洞口二級(jí)水庫(kù)減水河段區(qū)，緊靠古夫鎮(zhèn)（興山縣城）下游，人類生產(chǎn)生活活動(dòng)頻繁，產(chǎn)生較多的農(nóng)業(yè)污水和生產(chǎn)廢水，水體中總氮含量較高可能受人為污染的影響較大。

圖2 古夫河上覆水中總氮和總磷含量的空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus in overlying water in Gufu River

由圖2（b）可以看出：古夫河上覆水中總磷的含量變化范圍為0.013～0.076mg/L，平均值為0.030 mg/L；上覆水中總磷含量空間分布在古夫—神農(nóng)架河段差異較大：在GF01～GF09河段內(nèi)的總磷含量變化并不顯著，且處于較低含量（年均值約為0.016 mg/L），但在GF10～GF11樣點(diǎn)處異常突起，然后呈遞減趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在GF13樣點(diǎn)（0.014mg/L）。水體中總磷含量在GF10、GF11樣點(diǎn)偏高的原因可能是源于點(diǎn)源污染，GF10樣點(diǎn)附近是上游磷礦運(yùn)輸檢測(cè)站點(diǎn)，GF11樣點(diǎn)左岸有磷礦堆放點(diǎn)，雨水的沖刷作用導(dǎo)致河水總磷含量偏高，但經(jīng)河流自凈和稀釋作用后，到GF13樣點(diǎn)處，恢復(fù)到上游較低水平。在古夫—庫(kù)灣河段，由于水庫(kù)的攔截作用使水體交換受阻，對(duì)磷的擴(kuò)散和自凈能力大大降低；此外，臨近城鎮(zhèn)居民增多，生活生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)逐漸頻繁，總磷含量均值升高，與古夫—庫(kù)灣河段總氮的變化趨勢(shì)類似。大量的研究表明，當(dāng)水體中磷的供應(yīng)量充足時(shí)，藻類可以得到充分的繁殖；反之，如果磷的供應(yīng)量受到限制，藻類的生產(chǎn)量隨之受到限制［17］。目前，國(guó)際上一般認(rèn)為，磷濃度為0.02mg/L是湖泊水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的臨界濃度［18］。由圖2可以看出，古夫河下游上覆水GF10～GF12、GF14、GF18樣點(diǎn)總磷含量超過(guò)了富營(yíng)養(yǎng)化的臨界值。可見(jiàn)，古夫河下游上覆水中的磷具有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)，在不利影響顯現(xiàn)出來(lái)之前，相關(guān)部門應(yīng)給予足夠的重視。

2.2 古夫河表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布

圖3為古夫河表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布圖。

由圖3（a）可以看出：古夫河表層沉積物中總氮含量變化范圍為0.255～1.703mg/g，平均值為0.927mg/g；表層沉積物中總氮含量空間分布差異顯著，在古夫—神農(nóng)架河段，從源頭GF01～GF05樣點(diǎn)總氮含量年均值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，下游無(wú)明顯的變化規(guī)律，在GF10和GF13樣點(diǎn)出現(xiàn)兩次低谷（分別為0.255mg/g和0.259mg/g），后再呈遞增趨勢(shì)。在古夫—庫(kù)灣河段，水庫(kù)區(qū)域內(nèi)水體相對(duì)穩(wěn)定、沉積率較高，沉積物中物質(zhì)受上層水中懸浮顆粒物含量以及沉積過(guò)程影響［19］，總氮含量偏高。GF15樣點(diǎn)受上游引水式水電站取水影響，水文特征變化較大，水動(dòng)力的擾動(dòng)削弱了氮的沉積作用。GF18樣點(diǎn)位于古洞口二級(jí)水庫(kù)減水河段區(qū)，緊靠古夫鎮(zhèn)下游，所處區(qū)域土地利用程度較高，水土流失攜帶較多氮營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入河流，使沉積物中總氮含量在GF18樣點(diǎn)達(dá)到峰值（1.703mg/g）。

圖3 古夫河表層沉積物中總氮和總磷含量的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of total nitrogen and total phosphorus in sediments in Gufu River

由圖3（b）可以看出：古夫河表層沉積物中總磷含量變化范圍為0.132～0.366mg/g，平均值為0.245mg/g；整條河流表層沉積物中總磷含量總體變幅不大，無(wú)明顯的變化規(guī)律；表層沉積物中總磷含量最高值位于GF05樣點(diǎn)（0.366mg/g），可能是局部河岸帶侵蝕強(qiáng)烈所致；表層沉積物中總磷含量最低值出現(xiàn)在GF15A樣點(diǎn)，是由于古夫—神農(nóng)架河段居民分散，生產(chǎn)和生活產(chǎn)生的廢水有限，人為活動(dòng)對(duì)古夫河表層沉積物中磷的貢獻(xiàn)較小。本文推測(cè)表層沉積物中的磷主要是內(nèi)源性磷，這與古夫河流域地貌類型為巖溶地貌、地層巖性以碳酸鹽分布廣泛、磷礦資源豐富等有關(guān)：早期成巖作用過(guò)程中形成的天然磷塊巖風(fēng)化產(chǎn)生的固體碎片經(jīng)物理、化學(xué)和生物過(guò)程綜合作用后形成沉積物沉積在河道中。但沉積物中磷的積累和分布隨著沉積環(huán)境的變化而發(fā)生變化［19］，影響沉積物中磷含量的因素還有：有機(jī)質(zhì)的含量與類型，沉積物及底層水的氧化還原環(huán)境，沉積物類型，Ca、Al、Fe在沉積物及底層水中的含量，沉積物有機(jī)質(zhì)的礦化度［20］。在古夫—庫(kù)灣河段，當(dāng)受到的人為干擾增多、環(huán)境條件的變化時(shí)，如溫度、pH值、水動(dòng)力條件等物理化學(xué)條件的改變，可能使沉積物中不同形態(tài)的磷容易釋放進(jìn)入水體［21］。

2.3 上覆水中氮磷含量與表層沉積物中氮磷含量的相關(guān)性分析

沉積物在氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要角色：不僅接納上覆水體中的氮、磷，而且在一定條件下，沉積物中大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在濃度梯度的作用下釋放到上覆水體中［22］。古夫河干流各個(gè)采樣點(diǎn)上覆水中總氮和總磷含量（W上覆水TN、W上覆水TP）與其對(duì)應(yīng)的表層沉積物中總氮和總磷含量（ρ表層TN、ρ表層TP）列于表1。

表1 古夫河上覆水和表層沉積物中總氮和總磷含量Table 1 Concentrations of total nitrogen and total phosphorus in overlying water and surface sediments in Gufu River

在上游古夫—神農(nóng)架河段，上覆水中的總氮含量分布與表層沉積物中截然不同，各采樣點(diǎn)上覆水中總氮含量的高低并不與對(duì)應(yīng)的表層沉積物中總氮含量高低相對(duì)應(yīng)；而在下游古夫—庫(kù)灣河段，上覆水中與表層沉積物中的總氮?jiǎng)討B(tài)變化趨勢(shì)則大體一致。通過(guò)對(duì)古夫河17個(gè)采樣點(diǎn)的上覆水中總氮含量與表層沉積物中總氮含量進(jìn)行相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：古夫河上游古夫—神農(nóng)架河段上覆水中總氮含量與表層沉積物中總氮含量無(wú)相關(guān)性，而在下游古夫—庫(kù)灣河段上覆水中總氮含量與表層沉積物中總氮含量成顯著正相關(guān)（y＝2.466x－1.296，p＝0.014＜0.05）。分析原因認(rèn)為：古夫河屬于高山源頭河流，天然河流的流動(dòng)性影響上覆水中懸浮顆粒物質(zhì)的沉積，使得上覆水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量不會(huì)在短期內(nèi)影響到表層沉積物［3］；下游水庫(kù)蓄水期土地被淹沒(méi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥化肥的殘留物質(zhì)隨土壤匯入河道，水庫(kù)改變了河流自然流態(tài)，水庫(kù)化后的河流水流緩慢，水動(dòng)力條件差，水體穩(wěn)定，沉積率較高，使表層沉積物富集了大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。表層沉積物和上覆水間的總氮存在著一個(gè)明顯的濃度梯度，兩者間氮的平衡和轉(zhuǎn)化主要是通過(guò)發(fā)生在沉積物－水體界面的硝化和反硝化作用進(jìn)行調(diào)節(jié)的［23］，氮營(yíng)養(yǎng)鹽含量低的上覆水體有利于沉積物中氮特別是氨氮的釋放［24］。

氮在沉積物－水體界面的遷移和交換是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，沉積物和水體中各種形態(tài)氮的含量會(huì)受到多方面條件的影響［25］，如溫度和氧化還原條件引起的各種形態(tài)氮素之間的相互轉(zhuǎn)化，水動(dòng)力變化引起的沉積和再懸浮過(guò)程導(dǎo)致的氮素累積和釋放［26］。因此，古夫河下游河段小水庫(kù)以及居民人口排入的污水，帶來(lái)的水體pH值、溶解氧、溫度等因素的改變，從而引起下游河段沉積物中氮的釋放規(guī)律對(duì)上覆水的影響值得關(guān)注。

沉積物磷作為水體磷的儲(chǔ)存庫(kù)和重要磷源，在水體環(huán)境中起著重要作用。對(duì)古夫河流域上覆水中總磷含量與表層沉積物總磷含量進(jìn)行相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：古夫河上覆水中總磷含量與表層沉積物總磷含量無(wú)相關(guān)性，說(shuō)明磷在沉積物－水體界面的遷移較小，古夫河上覆水中的總磷可能是由小水電站建設(shè)、磷礦資源、生產(chǎn)生活中磷的流失和農(nóng)田磷徑流帶來(lái)的；表層沉積物中總磷含量較高與其所處的地理位置的自然環(huán)境有關(guān)，外源磷的輸入并不是古夫河表層沉積物中磷的主要來(lái)源。此外，本課題其他研究表明，沉積物磷形態(tài)中鈣磷（Ca－P）和閉蓄態(tài)磷（O－P）在沉積物總磷中占有很大比例，沉積物中生物有效性磷的含量低，說(shuō)明僅有很少一部分沉積物磷可能被生物體利用，進(jìn)而說(shuō)明磷的釋放風(fēng)險(xiǎn)較?。ùl(fā)表）。鑒于古夫河上覆水水質(zhì)和表層沉積物中生物有效性磷的現(xiàn)狀可知，影響古夫河水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素為水體中外源磷的輸入，而前面的研究表明，人為影響產(chǎn)生的外源磷對(duì)古夫河表層沉積物中磷的貢獻(xiàn)較小，因此可以認(rèn)為就目前來(lái)說(shuō)古夫河表層沉積物對(duì)其上覆水體的富營(yíng)養(yǎng)化沒(méi)有構(gòu)成威脅。

但是值得注意的是，當(dāng)外源磷輸入量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化，而人為干擾過(guò)多可能會(huì)導(dǎo)致古夫河水體的水質(zhì)發(fā)生變化，從原來(lái)的堿性變成酸性，使占據(jù)大部分沉積物磷的鈣磷很有可能釋放到水體中，將對(duì)上覆水體的富營(yíng)養(yǎng)化構(gòu)成很大的威脅。由于水域生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜性，因此對(duì)于古夫河水質(zhì)的保護(hù)亟需管理部門采取相應(yīng)的保護(hù)措施，一方面要加強(qiáng)管理，減少人為活動(dòng)產(chǎn)生的磷污染物進(jìn)入水體，控制外源磷的輸入；另一方面要考慮環(huán)境酸化引起的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防水體的酸化，控制沉積物中鈣磷的釋放。

3 結(jié) 論

（1）古夫河上覆水中總氮含量變化范圍為0.721～1.435mg/L，平均值為1.137mg/L，不同樣點(diǎn)空間分布差異較顯著；表層沉積物中總氮含量變化范圍為0.255～1.703mg/g，平均值為0.927 mg/g。總體上，在古夫河上游古夫—神農(nóng)架河段，上覆水中總氮含量與表層沉積物總氮含量無(wú)相關(guān)性，而在下游古夫—庫(kù)灣段，上覆水中總氮含量與表層沉積物總氮含量成顯著正相關(guān)（y＝2.466x－1.296，p＝0.014＜0.05）。

（2）古夫河上覆水中總磷的含量變化范圍為0.013～0.076mg/L，平均值為0.030mg/L；表層沉積物中總磷的含量變化范圍為0.132～0.366 mg/g，平均值為0.245mg/g。古夫河上覆水中總磷含量與表層沉積物中總磷含量無(wú)相關(guān)性，說(shuō)明磷在沉積物－水體界面的遷移較小，磷的釋放風(fēng)險(xiǎn)較小，但仍需加強(qiáng)環(huán)境管理，警惕缺氧條件下酸性物質(zhì)積累造成沉積物中鈣磷的溶解釋放。

（3）通過(guò)本文研究得出，古夫河上、下游氮、磷含量存在顯著的變化差異，因此在日后的水資源開(kāi)發(fā)利用中，管理者和開(kāi)發(fā)者應(yīng)重視外源輸入氮、磷的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)，加強(qiáng)對(duì)古夫河流域的農(nóng)田管理，降低水土流失，同時(shí)在庫(kù)灣河段加強(qiáng)城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污水的有效處理，防止污水直接排入古夫河中，此外還要防止因磷礦開(kāi)采可能引起的水質(zhì)污染和水土流失，以便對(duì)河流環(huán)境開(kāi)展科學(xué)有效的管理。

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