楊莊采煤塌陷水域沉積物中氮磷形態垂向分布特征

周慶紅+姚素平+高良敏+姚健健

摘要：以安徽省淮南市潘一礦楊莊采煤塌陷水域為研究對象，分析比較了10個采樣點沉積物中總氮（TN）、銨態氮、亞硝態氮、硝態氮、有機氮、總磷（TP）、鋁結合態磷（Al-P）、鐵結合態磷（Fe-P）、閉蓄態磷（Oc-P）、鈣結合態磷（Ca-P）的垂向分布特征。結果表明：楊莊采煤塌陷水域沉積物中總氮、氨氮、有機氮、TP、A1-P的垂向分布呈現出由淺層向深層逐漸減小的趨勢;而沉積物中亞硝態氮、硝態氮、Fe-P、Ca-P和Oc-P的垂向分布無明顯規律性;各采樣點的氮磷比都小于16 ∶ 1，因而氮是塌陷水域沉積物中最主要的限制性營養元素。

關鍵詞：塌陷水域;沉積物;氮;磷;垂向分布

中圖分類號： X52 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0321-03

收稿日期：2014-05-17

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAC10B02）;淮南礦業集團科技計劃[編號：HNKY-生態環境研究室-（2013）]。

作者簡介：周慶紅（1989—），女，江蘇淮安人，碩士研究生，研究方向為水污染控制。E-mail：zqh890902@163.com。

大規模的煤炭資源開發造成了大面積地下采空區，形成大面積的地表塌陷水域，改變了土壤成分，破壞了原有的生態地質環境。隨著礦區煤炭資源持續開采，未來還將形成更多的塌陷水體。預計到2015年，安徽省淮南市在產礦區累計塌陷面積將達29 734 hm2，其中積水面積約16 534 hm2，最大積水深度可達10 m。因此，塌陷水體的綜合治理已成為礦區的主要生態環境問題，必須盡快研究和采取有效措施加以解決。 本研究以安徽省淮南市潘一礦楊莊采煤塌陷水域沉積物為研究對象，分析了沉積物中氮、磷形態分布，對礦區水體的綜合利用和進一步加強采煤塌陷區的水域管理，具有可持續發展的意義[1-6]。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

楊莊采煤塌陷水域面積約4 km2，與淮河支流的泥河相連，泥河從該水域西南方流入、東南方流出，塌陷水域的西北方向堆放著大量煤矸石，現今已堆積成矸石山，塌陷水域周邊遍布村莊、農田，整個塌陷水域被失地農民用于漁業養殖，每年都投放魚苗，但不飼喂餌料，屬自然散養型[7-10]，因此選此塌陷水域具有典型性。

1.2 采樣與分析方法

2012年8月，用柱狀采樣器采集0～10 cm的樣品，布置了10個采樣點（圖1），以每層2 cm現場分割成5層，共得50個樣品，密封保存。

沉積物樣品自然風干后，用錘子壓散，研缽研磨后過100目篩，貯存備用。測定方法：總氮（TN）采用凱氏消煮法，銨態氮、亞硝態氮和硝態氮采用氯化鉀溶液提取-分光光度法，總磷（TP）用酸溶-鉬銻抗分光光度法，鋁結合態磷（Al-P）、鐵結合態磷（Fe-P）、閉蓄態磷（Oc-P）、鈣結合態磷（Ca-P）

采用化學分級提取法。每個樣品做3個平行樣，含量用平均值表示。

2 結果與分析

2.1 沉積物中氮形態垂直分布特征

深度為0～2、2～4、4～6、6～8、8～10 cm的沉積物中TN的平均含量分別為 1 273.91、1 051.48、997.15、836.54、74169 mg/kg，呈現出由淺層向深層逐漸減少的趨勢，各采樣點的TN含量都隨沉積物深度的增加而不斷減少（圖2）。各層沉積物中銨態氮的平均含量分別為106.48、90.31、79.96、68.14、54.77 mg/kg，呈現出由淺層向深層逐漸減少的趨勢，各采樣點的銨態氮含量都隨沉積物深度的增加而不斷減少（圖3）。由于沉積物表層與水體直接接觸，微生物的種類較多、活性較強，在微生物作用下，有機氮經硝化作用轉化為銨態氮的量較深層的多，因而，沉積物中的銨態氮可以呈現出隨沉積物深度的增加而不斷減少的趨勢。各層沉積物中亞硝態氮的平均含量分別為0.26、0.22、0.18、0.37、0.46 mg/kg，各點垂向分布含量略有不同，但沒有明顯的層次性，沒有明顯的規律（圖4）。各層沉積物中硝態氮的平均含量分別為4.23、4.24、397、3.73、4.09 mg/kg，各點垂向分布含量隨沉積深度有升有降，沒有明顯的規律（圖5）。各層沉積物中有機氮平均含量分別為1 162.96、956.71、913.03、764.30、682.36 mg/kg，呈現出由淺層向深層逐漸減少的趨勢，各采樣點的有機氮含量也隨沉積物深度的增加而不斷減少（圖6）。

2.2 沉積物中磷形態垂直分布特征

深度為0～2、2～4、4～6、6～8、8～10 cm的沉積物中TP的平均含量分別為345.54、302.63、264.06、234.76、

225.86 mg/kg，呈現出由淺層向深層逐漸減少的趨勢，且在各采樣點TP的垂向分布特征為由表層向深層逐漸遞減（圖7）。各層沉積物中Al-P的平均含量分別為73.43、58.16、4445、37.44、32.35 mg/kg，呈現出由淺層向深層逐漸減少的趨勢;除了個別采樣點（P2、P3和P7），Al-P在沉積物中的垂向分布大體上呈現出由表層向深層逐漸減少的趨勢（圖8）。因為沉積物中Al-P活性較高，釋放強度在氧化還原條件的影響下，其在接近上覆水的沉積物表層，沉積環境相對好氧的狀態下，Al-P 的“形成—釋放—擴散”作用較顯著，在沉積物表層與上覆水體的不斷交換中，造成了沉積物表層中Al-P的含量較高。各層沉積物中Fe-P的平均含量分別為6722、4876、34.86、28.17、25.15 mg/kg，各采樣點垂向分布含量有增有減，規律不明顯（圖9）。各層沉積物中Ca-P的 平均含量分別為98.09、84.67、82.48、78.97、70.99 mg/kg，呈現出由淺層向深層逐漸減少的趨勢，但各點垂向分布含量有升有降，變化不大，無明顯規律（圖10）。各層沉積物中Oc-P的平均含量分別為30.91、24.11、20.08、22.33、21.10 mg/kg，各點垂向分布含量有增有減，規律不顯著（圖11）;因為Oc-P的含量與鈣的沉積相關，在非強烈的還原條件下很難釋放，性質相對比較穩定。endprint

2.3 氮磷比

Redfield比值“N ∶ P=16 ∶ 1”經常被應用于評價水體的限制性營養元素。當Redfield比值>16時即為磷限制，當Redfield比值<16時即為氮限制[11]。本研究運用“N ∶ P=16 ∶ 1”

作為界限，來判斷楊莊采煤塌陷水域沉積物各采樣點的限制因子。由采樣點沉積物中氮磷的物質的量之比（表1）可以看出，各采樣點和采樣深度的氮磷比均小于16 ∶ 1，因此楊莊采煤塌陷區水域各采樣點的限制因子均為氮。

表1 采樣點沉積物中氮磷的物質的量之比

沉積物

深度（cm）

各采樣點沉積物中氮磷的物質的量之比

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 平均值

0～2 2.88 5.07 6.91 10.56 7.35 10.25 7.37 12.64 11.89 6.64 8.16

2～4 2.42 4.83 7.19 9.43 9.13 7.42 8.04 9.54 12.61 6.69 7.73

4～6 2.41 4.92 8.49 10.82 10.60 8.55 9.78 9.05 13.47 7.26 8.53

6～8 2.07 4.80 8.15 10.39 8.90 7.41 8.34 8.64 11.46 6.45 7.66

8～10 2.36 4.17 8.45 10.85 7.21 5.52 8.09 5.74 13.57 7.15 7.31

平均值 2.43 4.76 7.84 10.41 8.64 7.83 8.32 9.12 12.60 6.84

3 結論

在0～10 cm的沉積深度內，楊莊采煤塌陷水域沉積物中總氮、銨態氮、有機氮的垂向分布特征呈現出由淺層向深層逐漸減少的趨勢;而沉積物中亞硝態氮與硝態氮的垂向分布無明顯規律性。

在0～10 cm的沉積深度內，楊莊采煤塌陷水域沉積物中TP、Al-P的垂向分布特征呈現出由表層向深層遞減的趨勢;而沉積物中Fe-P、Ca-P、0c-P的垂向分布無明顯規律性。

在0～10 cm的沉積深度內，各采樣點的氮磷比都小于Redfield比值，因而氮是楊莊采煤塌陷水域沉積物最主要的限制性營養元素

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