木兰溪感潮河段沉积物耗氧速率及其相关影响因素研究.pdf
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1、木兰溪感潮河段沉积物耗氧速率及其相关影响因素研究周佳男1,2,方梦园2,雷啟焘2,侯国庆2,赵天慧2,张思远2,赵晓丽2,汤智2*1.北京科技大学能源与环境工程学院,北京1000832.中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京100012摘要:溶解氧(DO)是衡量水环境质量、水生态健康的主要指标,感潮河段 DO 浓度偏低是河口区域水生态环境质量显著改善亟待解决的问题.本研究以木兰溪感潮河段为研究对象,系统研究了不同温度条件下,不同区域沉积物耗氧速率(SOD)的变化,分析了不同区域沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、Fe、Mn、氨氮(NH4+-N)、S 等耗氧物质的含量分
2、布以及对沉积物 SOD 的影响,阐明了耗氧物质对沉积物 SOD 的影响机制.结果表明:木兰溪感潮河段春秋季的 SOD 为 3.0616.64 mg/(m2h),夏季的SOD 为 14.0252.44 mg/(m2h),温度对 SOD 有很大影响,夏季沉积物耗氧严重.上游河流受化学耗氧影响较大,低温季节 SOD大于海口区域,而海口受生物耗氧影响较大,高温季节 SOD 明显大于上游河流区域;左、右岸的 SOD 大于河道中间,夏季养殖区的 SOD 大于木兰溪河道.相关性分析显示,SOD 与沉积物中的 TOC、TN 和 Fe 含量均没有显著的相关关系,春秋季的 SOD与沉积物中的 Mn 含量具有显著的
3、正相关关系,夏季的 SOD 与沉积物中的 NH4+-N 和 S 含量均具有极显著的正相关关系,且夏季 DO 浓度与 SOD 具有显著的负相关关系.研究显示,木兰溪感潮河段沉积物 SOD 时空差异性明显,夏季沉积物 SOD 显著升高,对上覆水 DO 浓度偏低具有潜在风险.关键词:木兰溪;感潮河段;溶解氧(DO);沉积物耗氧速率(SOD);相关性中图分类号:X703文章编号:1001-6929(2023)08-1518-14文献标志码:ADOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2023.06.12Sediment Oxygen Demand and Related Influe
4、ncing Factors in Mulan River TidalReachZHOU Jianan1,2,FANG Mengyuan2,LEI Qitao2,HOU Guoqing2,ZHAO Tianhui2,ZHANG Siyuan2,ZHAO Xiaoli2,TANG Zhi2*1.School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China2.State Key Laboratory of Environmental Cr
5、iteria and Risk Assessment,Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing100012,ChinaAbstract:Dissolved oxygen(DO)is a key indicator for water environmental quality and water ecological health.Low level of DO poses aserious problem for improving water ecological environment quality in ti
6、dal reach.In this study,the tidal reach of the Mulan River wasselected as the research area.The sediment oxygen demand(SOD)in different regions was studied under different temperature conditions.The distribution of oxygen consuming substances such as total organic carbon(TOC),total nitrogen(TN),Fe,M
7、n,ammonia nitrogen(NH4+-N)and sulfur (S)in the sediments of different regions were analyzed,which clarified the influence of oxygen consumptionsubstances on SOD level in sediments.The results showed that:(1)The SOD in the tidal reach of Mulan River was 3.06-16.64 mg/(m2h)in spring and autumn,and 14.
8、02-52.44 mg/(m2h)in summer.The significant influence of temperature on the SOD was confirmed in thisstudy.In addition,the results of summer revealed the grim situation of oxygen consumption in sediment.(2)The upstream river wasaffected by chemical oxygen depletion with high SOD in the low temperatur
9、e season,while the estuary was affected by biological oxygendepletion with significantly high SOD in the high temperature season than upstream river areas.The SOD in the left and right banks of theMulan River was higher than that in the middle.Moreover,the SOD in the mudflat aquaculture area was hig
10、her in summer.(3)The 收稿日期:2023-01-12修订日期:2023-04-16作者简介:周佳男(1998-),男,山东济宁人,.*责任作者,汤智(1982-),男,山东东营人,副研究员,博士,主要从事环境科学研究,基金项目:国家自然科学基金项目(No.42077349);国家重点研发计划项目(No.2022YFF1303304)Supported by National Natural Science Foundation of China (No.42077349);National Key Research and Development Program of Ch
11、ina(No.2022YFF1303304)第 36 卷第 8 期环境科学研究Vol.36,No.82023 年 8 月Research of Environmental SciencesAug.,2023correlation analysis showed that the SOD had no significant correlation with TOC,TN or Fe in the sediments,the SOD in spring andautumn had significant positive correlation with Mn,and the SOD in su
12、mmer had extremely significant positive correlation with NH4+-Nand S in the sediments.Besides,there was a significant negative correlation between DO concentration and SOD in summer.This studyindicated that the temporal and spatial variability of SOD in the tide reach of Mulan River was obvious,and
13、the sediment oxygenconsumption rate was significantly higher in summer,which had a potential risk for low DO level in the overlying water.Keywords:Mulan River;tidal reach;dissolved oxygen(DO);sediment oxygen demand(SOD);correlation 溶解氧(DO)是指溶解在水体中的分子态氧,是水环境质量的重要参数1-2,适宜的 DO 浓度是维持水体自净能力和水生生物生命活动的必要条件
14、3-5.水体中 DO 浓度通常保持动态平衡,一方面通过大气复氧和浮游植物的光合作用得到补充,同时水体和沉积物中的有机质和还原性物质又会不断消耗 DO6.近年来,由于水体热分层和富营养化等原因,全世界范围内的诸多水域均被 DO 浓度偏低等问题所困扰,其中入海口感潮河段的缺氧问题尤为严重7-9.感潮河段水体 DO 浓度偏低是物理、化学、生物等多种因素共同作用的结果.一方面,感潮河段受到潮汐、径流冲淡水和全球气候变暖等物理因素的影响,使水文动力条件复杂,水体层化现象严重,容易造成缺氧10-11;另外,沿海地区经济水平和工业化程度更高,人类生活和工业活动产生的大量污水排入河流,水体中有机污染物的降解、
15、无机物的氧化、浮游植物的呼吸作用以及底泥耗氧等生物化学过程也将加剧 DO 的消耗12.木兰溪位于福建省莆田市,两岸是莆田市主要的人口聚居区,承担着重要的水生态功能,其综合治理被写入中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要.木兰溪感潮河段约为 20 km,近年来其水环境质量大幅提高,但该区域水体 DO 浓度偏低问题严重阻碍了向“生态之河”的迈进.除了受到潮汐和人类活动的影响,沉积物也是造成 DO 浓度偏低的重要因素.研究表明,部分河流中的沉积物耗氧对总耗氧量的贡献率达到50%13,在较浅的移动床河流中,甚至超过了 90%14.通常用沉积物耗氧速率(SOD)表征
16、沉积物耗氧水平,SOD 是指底部沉积物对上覆水体中 DO 的消耗速率,一般以单位表面积沉积物在单位时间内消耗的 DO 量表示15.一般认为,沉积物耗氧包括生物耗氧和化学耗氧两个过程,生物耗氧包括底栖生物和微生物的呼吸作用耗氧,化学耗氧则主要是一些无机还原性物质 Fe2+、Mn2+、S2和氨氮(NH4+-N)等被氧化过程中的耗氧16.已有研究17表明,SOD 的影响因素较多,根本因素是沉积物自身的组成和性质,其他因素包括水温、上覆水流速和水质等.水温的升高将提高微生物活性和化学反应速率,进而增加对氧气的消耗;上覆水流速的增加会减小扩散边界层的厚度,使传输的氧气增多,增加耗氧量;水体中较多的有机质
17、可为底泥生物活动提供养分,促进生物对氧气的消耗,从而使 SOD 升高18-19.目前,国内外有关沉积物中耗氧物质对 SOD 的影响已有部分研究,发现生物耗氧和化学耗氧对 SOD的贡献在不同水体中存在差异,如 Hartwell 湖沉积物中生物耗氧占 SOD 的 91%,耗氧过程主要是由于细菌的呼吸作用20,而子牙河沉积物的化学耗氧对SOD 的贡献较大,达 58.87%,其中 Fe2+的贡献最大,其次是 S2和 Mn2+21.我国河口及近岸水体的沉积物耗氧研究主要集中在长江口22和珠江口23等海口低氧区域,而针对木兰溪这类感潮河段的相关研究仍然较少.因此,研究木兰溪感潮河段沉积物 SOD 以及相关
18、影响因素对于科学判断感潮河段沉积物对水体影响具有重要意义.该研究以木兰溪感潮河段沉积物为研究对象,分析了不同温度条件下沉积物的耗氧速率变化以及主要耗氧物质对 SOD 的影响.通过研究不同区域沉积物中有机质、总氮(TN)、NH4+-N、重金属污染物(Fe、Mn)和硫(S)等因素变化,明确各因素对 SOD 的影响及其机理,采用 Pearson 相关分析检验了沉积物中各耗氧物质的含量以及上覆水 DO 浓度与 SOD 的相关性,以期为科学评估木兰溪沉积物耗氧速率提供数据基础,为感潮河段水质提升提供理论依据.1 材料与方法 1.1 研究区域概况木兰溪是福建省东部独流入海的河流,发源于戴云山脉,流经莆田市
19、仙游县和市区,至三江口经兴化湾流入台湾海峡.干流全长 105 km,流域面积 1 732km2,天然落差 784 m,被称为莆田的“母亲河”.气候属于亚热带海洋性季风气候,日照充足,雨量充沛,温度适宜,年均气温 1621,年均降水量 1 0002 300 mm.自木兰陂以下至入海口为感潮河段,水深约为 35 m,河面宽度达到 50150 m,受潮水影响较第 8 期周佳男等:木兰溪感潮河段沉积物耗氧速率及其相关影响因素研究1519大,并且沿岸有村庄、工业区及码头,受人类活动影响也较大.1.2 样点设置木兰溪感潮河段采样点如图 1 所示.根据木兰溪感潮河段的情况,以宁海大桥西侧为起点,沿入海的方向
20、依次设置了 13 个采样点,其中 S11、S12、S13 采样点为近海养殖区.由于木兰溪感潮河段河面宽度较大,且两岸植被、自然条件存在一定的差异性,因此在 S1S10 采样点横断面沿着入海方向设置了左、中、右 3 个采样点比较不同区域沉积物的差异.其中 S3、S6 和 S8 采样点河道中间为沙质底,未采集到沉积物样品.S10 采样点接近入海口,只采集了左岸的沉积物.S1S2S3S4S5S6N木兰溪木兰溪兴化湾木兰溪宁海大桥S7S8S9S10S11S12S1302 km图 1 木兰溪感潮河段沉积物采样点示意Fig.1 Schematic diagram of sampling points of
21、sediments in the tidal reach of Mulan River 1.3 样品采集与分析方法样品的采集时间为 2022 年 3 月,采用抓泥斗采集木兰溪感潮河段 05 cm 的沉积物样品,将采集到的样品放入密闭的自封袋内,置于 4 冰箱中冷藏保存并尽快运到实验室,然后放到20 冰箱中冷冻保存.新鲜沉积物样品用于测定 SOD 和 NH4+-N 含量,NH4+-N 含量采用土壤氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定 氯化钾溶液提取-分光光度法(HJ 6342012)测定.还有一部分沉积物样品经冷冻干燥后研磨过筛测定总有机碳(TOC)、TN、Fe、Mn 和 S 含量,其中TOC 含量
22、采用土壤有机碳的测定 重铬酸钾氧化-分光光度法(HJ 6152011)测定;TN 含量采用土壤全氮测定法(半微量开氏法)(NY/T 531987)测定;Fe 和Mn 含量采用电感耦合等离子体质谱仪(iCAP RQ型,美国赛默飞世尔科技公司)测定;S 含量采用元素分析仪(Elemantar:Vario EL cube 型,德国元素分析系统公司)测定.1.4 SOD 的测定方法目前国内外关于 SOD 的测定方法主要分为原位和实验室模拟测定,原位测定对沉积物的扰动小,更接近水体实际环境,而实验室模拟测定更容易控制环境条件,能够更好地反映不同因素对 SOD 的影响24.因此,为了研究温度对 SOD 的
23、影响,采用较为成熟的实验室柱培养法测定木兰溪沉积物 SOD.试验装置为高 32 cm、内径 6 cm 的带底座有机玻璃管.试验开始前,将混合均匀的沉积物放入有机玻璃管中,使沉积物厚度达到 8 cm,保证沉积物表面平整,沿管壁缓慢注入超纯水,水柱高度约为 22 cm,注入过程中避免引起沉积物的再悬浮,有机玻璃管顶端用橡胶塞密封.DO 探头位于上覆水的一半,确保装置内没有气泡,保持整个装置的密封性.为减少上覆水中初始DO 浓度对 SOD 测定结果的误差,将超纯水的起始DO 浓度控制在 7.58.5 mg/L 之间.在恒温水浴锅中于 22 和 30 (试验温度的选取依照木兰溪春秋季和夏季的水温)下避
24、光培养,待水温达到目标温度并稳定后,记录此时的 DO 浓度,即为起始 DO 浓度,每隔 1 h 记录 DO 仪读数,直至培养到 12 h(由于此河段为感潮河段,且为半日潮,故选取一次涨落潮的时间).SOD 的计算公式如下:SOD=S V/A(1)式中:SOD 为任意温度下的沉积物耗氧速率,mg/(m2h);S 为测得的时间(t)-DO 曲线的斜率,mg/(Lh);V 为封闭容器内上覆水的体积,L;A 为封闭容器内所截沉积物的表面积,m2.1.5 数据处理采样点分布图使用 ArcGIS 10.5 软件结合现场样点位置进行绘制,SOD 拟合曲线、沉积物 SOD、TOC、TN、NH4+-N、Fe、M
25、n、S 含量分布图使用 Origin 软件绘制,各耗氧物质的含量以及上覆水 DO 浓度与 SOD的相关性使用 SPSS 22.0 软件进行分析.2 结果与讨论 2.1 SOD 空间变化木兰溪感潮河段沉积物 SOD 拟合曲线如图 2 所示,经计算后的不同点位沉积物 SOD 值见表 1.各采样点沉积物 SOD 拟合曲线的 R2均大于 0.96,表明线性拟合可以较好地表征沉积物的耗氧速率.已有研究25表明,温度会极大地影响沉积物 SOD,因此该研究分别选择 22 和 30,研究温度对沉积物 SOD 的影响.22 时,不同采样点沉积物 SOD 为 3.0616.64 mg/(m2h),平均值为 8.6
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