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

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 Influencing 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 Criteria 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 tidal 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,Mn,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 14.02-52.44 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 temperature 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 higher 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 China(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 summer 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 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、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 ofsediments 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、Mn、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 8.63 mg/(m2h)；30 时，不同采样点沉积物 SOD 为 14.0252.44 mg/(m2h)，平1520环境科学研究第 36 卷均值为 29.08 mg/(m2h)，这表明 30 时 SOD 的平均值是 22 时的 3.37 倍.因此，温度对木兰溪沉积物SOD 有很大影响，夏季水温较高时沉积物耗氧应尤为引起重视，这也与以往研究较为相似.如 Liu26发现基隆河的 SOD 值随季节变化波动，夏季由于受到高温影响 SOD 值更高；张敬旺等27发现家鱼池塘底泥耗氧率与温度呈极显著相关；Lee 等28发现韩国四大河流堰筑物上游沉积物的夏季耗氧速率明显高于6.00123422(左岸)30(左岸)22(河道中间)30(河道中间)22(右岸)30(右岸)56t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S1采样点6.00123456t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S2采样点6.00123456t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S3采样点6.00123456t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S4采样点6.50123456t/h789 10 11 127.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S5采样点6.00123456t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S6采样点6.50123456t/h789 10 11 127.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S10采样点6.06.50123456t/h789 10 11 127.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S13采样点5.56.00123456t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S11采样点6.00123456t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S12采样点6.00123456t/h789 10 11 126.57.0DO浓度/(mg/L)7.58.08.5S7采样点5.00123456t/h789 10 11 126.06.5DO浓度/(mg/L)7.08.07.58.55.06.06.5DO浓度/(mg/L)7.08.07.58.5S8采样点0123456t/h789 10 11 12S9采样点22(左岸)30(左岸)22(右岸)30(右岸)22(左岸)30(左岸)22(右岸)30(右岸)22(左岸)30(左岸)22(右岸)30(右岸)22(左岸)30(左岸)22(河道中间)30(河道中间)22(右岸)30(右岸)22(左岸)30(左岸)22(河道中间)30(河道中间)22(右岸)30(右岸)22(左岸)30(左岸)22(河道中间)30(河道中间)22(右岸)30(右岸)22(左岸)30(左岸)22 30 22 30 22 30 22(左岸)30(左岸)22(河道中间)30(河道中间)22(右岸)30(右岸)22(左岸)30(左岸)22(河道中间)30(河道中间)22(右岸)30(右岸)图 2 不同采样点沉积物 22 和 30 时的耗氧速率拟合曲线Fig.2 Fitted curves of oxygen consumption rates at 22 and 30 C for sediments at different points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1521秋季，这归因于不同季节温度的差异.温度对 SOD 的影响主要是由于温度升高，沉积物中微生物的活性增大，新陈代谢加快，从而使耗氧量增加，另外，一些化学氧化反应速率的加快也会增加沉积物耗氧量17.表 1 不同采样点沉积物 22 和 30 时的 SODTable 1 SOD in sediments of different points at 22 and 30 采样点22 时的SOD/mg/(m2h)30 时的SOD/mg/(m2h)左岸河道中间右岸平均值左岸河道中间右岸平均值S18.698.9911.299.6624.1819.1818.2520.54S216.646.7712.6512.0216.7126.8716.1119.90S313.7815.9414.8620.7727.5124.14S48.776.7210.918.8022.2414.0226.2120.82S514.4811.666.0610.7327.5515.5627.9723.69S66.027.216.6235.6030.6833.14S75.603.066.395.0229.5214.5336.5926.88S86.576.356.4651.8927.8639.88S98.558.557.988.3645.4552.4433.0043.63S103.903.9031.8531.85S117.127.1245.5645.56S125.625.6235.4035.40S135.405.4040.8540.85注：S11、S12、S13 为养殖区采样点，在每个采样点进行一次沉积物样品采集.木兰溪感潮河段沉积物 SOD 分布如图 3 所示.从图 3(a)可以看出，22 时，左岸 SOD 从上游到下游逐渐减小，最大值和最小值分别出现在 S2 采样点16.64 mg/(m2h)和 S10 采样点3.90 mg/(m2h)，平均值为 9.30 mg/(m2h)；30 时，SOD 的变化趋势与22 相反，从上游到下游逐渐增加，最大值和最小值分别出现在 S8 采样点51.89 mg/(m2h)和 S2 采样点16.71 mg/(m2h)，平均值为 22 时的 3.3 倍30.58mg/(m2h).右岸沉积物 SOD 平均值和变化趋势与左岸相似见图 3(b)，22 时，沉积物 SOD 在 6.0615.94 mg/(m2h)之间，平均值为 9.42 mg/(m2h)，SOD从上游到下游逐渐减小最后趋于稳定；30 时，SOD 在 16.1136.59 mg/(m2h)之间，平均值为 27.13mg/(m2h)，SOD 最小值和最大值分别出现在 S2 和S7 采样点.木兰溪感潮河段河道中间和养殖区沉积物 SOD变化如图 3(c)所示.22 时，河道中间 SOD 在 3.0611.66 mg/(m2h)之间，平均值为 7.63 mg/(m2h)，SOD从上游到下游呈减小趋势；30 时，SOD 在 14.0252.44 mg/(m2h)之间，平均值为 23.77 mg/(m2h)，最大值出现在 S9 采样点，主要是由于 S9 采样点河道变宽，流速减慢，有利于污染物的沉降，从而增加了对氧气的消耗.通过与左岸、右岸比较，不同温度条件下河道中间沉积物 SOD 都明显低于两岸，这一方面主要是由于木兰溪两岸沉积物相比于河道中间，存在大量底栖动物和沉水植物，呼吸作用将消耗大量氧气；另一方面人类活动产生的污染物和垃圾在地表径流等因素的影响下，将更多地在两岸沉积物中赋存并消耗 DO.同时，在水力冲刷和摩擦的作用下，河道中间的沉积物含沙量较高，吸附的有机质以及可耗氧的生物和还原性物质较少，从而造成 SOD 偏小29.对于养殖区 S11、S12、S13 采样点，在相同温度条件下，SOD 变化较小，但是温度对 SOD 的影响较为明显，30 时的 SOD 平均值40.60 mg/(m2h)是 22 时6.05 mg/(m2h)的 6.7 倍.其主要原因是养殖区域沉积物相比于河道含沙量更低，沉积物中赋存的有机质等耗氧物质更多，同时还有更多微生物在温度较高时生物呼吸作用增强，使 SOD 大幅提升，该结果在萨旺尼河上游沉积物中也有相似发现，SOD 与含沙量成反比关系30-31.不同温度条件下，木兰溪沉积物 SOD 的空间变化规律差异较大.在温度较低时，由于上游采样点两岸存在钢材厂、铸造厂等重金属加工工厂，生产废水排入河流，将增加沉积物中 Fe 和 Mn 的含量，并且附近还有大型码头，大量船舶停靠在此，在海水腐蚀的作用下，Fe 和 Mn 等重金属也会沉降到沉积物中，Fe和 Mn 等构成的化学耗氧占据主导优势，因此上游采样点沉积物 SOD 较大；而在温度较高时，靠近海口的1522环境科学研究第 36 卷沉积物中含有更多的微生物，温度升高导致其活性增大，新陈代谢加快，生物耗氧占据主导优势，从而使耗氧量增加，因此更靠近海口的沉积物 SOD 更大32.2.2 国内外河流沉积物 SOD 比较已有研究表明不同地区河流沉积物 SOD 差异较大，由于河口海湾处于陆海交汇地带，通过河流径流和污水排放，接收了大量陆源输入污染物33-34，造成河口海湾处沉积物污染严重，因此河口海湾等区域SOD 比河流湖泊高.木兰溪感潮河段沉积物 SOD 与国内外河流比较如表 2 所示.表 2 国内外不同水域沉积物耗氧速率对比Table 2 Comparison of sediment oxygen demand in different waters at home and abroad水体类型地点温度/SOD/mg/(m2h)数据来源河口海湾木兰溪感潮河段223.116.6该研究3014.052.4黄海桑沟湾和胶州湾152616.761.3文献35长江口10.524.212.183.3文献22中国台湾基隆河201065.8文献26日本广岛湾10244.225.4文献32印度科钦回水水域28.0332.8532.182.1文献36河流湖泊河北白洋淀255.824.6文献37北京凉水河16.193.3文献38太湖流域5.217.7文献39美国阿罗约科罗拉多河5.456.7文献40美国佐治亚州沿海平原黑水流204.295.8文献31S10102030SOD/mg/(m2h)405022 30 60S2S3S4S5采样点(a)左岸S6S7S8S9S10S10102030SOD/mg/(m2h)405060S2S3S4S5采样点(b)右岸S6S7S8S922 30 S10102030SOD/mg/(m2h)405060S2S4S5采样点(c)河道中间和养殖区河道中间养殖区S7S9S13S11S1222 30 图 3 木兰溪感潮河段沉积物 22 和 30 时的 SOD 分布Fig.3 SOD distribution of sediments of Mulan River tidal reach at 22 and 30 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152322 时，木兰溪感潮河段沉积物 SOD 处在较低水平，与太湖流域、河北白洋淀和日本广岛湾相近，但远低于长江口、中国台湾基隆河等区域；而 30 时，沉积物 SOD 低于温度相近的印度科钦回水水域、黄海桑沟湾和胶州湾，但明显高于其他区域.荣楠41在对海河流域 SOD 进行研究时，确定了其评价标准，即 SOD20.8 mg/(m2h)时，处在较高水平.该研究中，木兰溪感潮河段 22 时的 SOD 均处在较低水平，而 30 时的 SOD 有 71.4%处于较高水平，因此温度对木兰溪感潮河段沉积物 SOD 的影响较为显著，温度较高时木兰溪感潮河段的沉积物耗氧严重，在温度较高的夏季，木兰溪感潮河段沉积物耗氧显著升高，会极大地影响水体 DO 浓度，造成木兰溪感潮河段水体 DO浓度偏低.2.3 Pearson 相关性分析结果S1S13 采样点左岸、河道中间、右岸全部沉积物中主要耗氧物质与 SOD 的 Pearson 相关性分析结果见表 3.沉积物中的 Mn 含量与 22 时的 SOD 存在显著的正相关关系，表明 Mn 在温度较低的季节对木兰溪沉积物耗氧具有重要贡献，这主要是由于 Mn的氧化过程属于化学耗氧，相比于生物耗氧，受温度影响较小，低温时对 SOD 的影响更大32,42.而沉积物中的 NH4+-N、S 含量与 30 时的 SOD 均存在极显著的正相关关系，表明 NH4+-N 和 S 可能是夏季温度较高时木兰溪沉积物耗氧的重要贡献者，这主要是由于 NH4+-N 和 S 的氧化过程需要硝化细菌和硫氧化细菌的参与，温度升高，细菌活性变大，促进了硝化作用和硫化作用，从而增加了对耗氧速率的贡献43-44.此外，沉积物中的 TOC 含量与 TN 含量、Fe 含量与Mn 含量均存在极显著的正相关关系，表明沉积物中的 TOC 和 TN 具有相同或相近的污染物质来源和输入途径，Fe 和 Mn 可能来自同一污染源.因此，判断和追溯这些污染物质的来源，可以有效减少沉积物中的耗氧物质，从而降低沉积物耗氧对水体 DO 浓度偏低的贡献.表 3 沉积物中耗氧物质与 SOD 的 Pearson 相关性分析Table 3 Pearson correlation analysis of SOD and oxygen-consuming substances in sediments项目22 时的SOD30 时的SODTOC含量TN含量Fe含量Mn含量NH4+-N含量S含量22 时的SOD1.00030 时的SOD0.3461.000TOC含量0.2200.0061.000TN含量0.1230.0660.716*1.000Fe含量0.1940.1220.3690.1941.000Mn含量0.436*0.1580.431*0.1840.857*1.000NH4+-N含量0.2600.500*0.1400.2210.423*0.2971.000S含量0.0820.545*0.2680.0080.0260.1980.0811.000注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关；*表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关.不同季节下，S1S13 采样点在左岸、河道中间、右岸的 SOD 平均值和上覆水 DO 浓度的 Pearson 相关性分析结果见表 4.木兰溪感潮河段 3 月的实测平均水温为 20.4，与 22 相近，而 9 月的实测平均水温为 29.5，与 30 相近.从表 4 可以看出，3 月DO 浓度与 22 时的 SOD 存在一定的负相关，但不显著，因此在温度较低的季节，除了沉积物耗氧，水体耗氧和潮汐等其他因素对上覆水 DO 的影响也不可忽视；9 月的 DO 浓度与 30 时的 SOD 呈显著负相关，因此在温度较高的夏季，沉积物耗氧可能对木兰溪感潮河段 DO 具有重要影响.SOD 对 DO 浓度的影响存在季节差异，夏季 SOD 对 DO 的影响大于低温季节，除了受到温度影响，来水水质及水动力条件等也会产生一定的影响，夏季在人类活动的影响下，大量氮、磷营养物质排入河流，刺激沉积物中大部分生物活动，促进生物呼吸作用，从而消耗大量氧气19；同时，夏季雨水多，水动力条件较好，水流速度加快引起沉积物再悬浮，导致营养物质和有机物更多地释放到上覆水体中，进而增加了对氧气的消耗45.表 4 沉积物 SOD 与上覆水 DO 浓度的 Pearson 相关性分析Table 4 Pearson correlation analysis of SOD and DO of theoverlying water项目3月的DO浓度9月的DO浓度22 时的SOD30 时的SOD3月的DO浓度1.0009月的DO浓度0.2491.00022 时的SOD0.2960.3341.00030 时的SOD0.3070.588*0.5461.000注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关.1524环境科学研究第 36 卷 2.4 沉积物中主要耗氧物质对 SOD 的影响 2.4.1 沉积物中 TOC 含量对 SOD 的影响沉积物 SOD 受到水利条件、沉积物理化性质和赋存化合物等多种因素的影响，其中耗氧化合物对DO 的消耗更为直接，沉积物中的还原性物质可直接消耗水体中的 DO，而类似有机质等化合物可通过微生物的降解作用间接消耗水体中的 DO46-47.已有研究表明有机质含量对沉积物 SOD 有较强的影响作用，在黄海桑沟湾和胶州湾35、美国东南部沿海平原黑水流域48、地中海西北部罗讷河49等区域沉积物SOD 与 TOC 含量均呈正相关，而在河北白洋淀37和北京凉水河38等区域，由于其他因素的影响，沉积物SOD 与 TOC 含量的相关性较弱.木兰溪感潮河段沉积物中 TOC 含量分布如图 4所示.由图 4 可见，不同区域沉积物中 TOC 含量由河流到河口呈现波动变化，整体上呈现一定的下降趋势.TOC 平均含量表现为左岸(9.25104 mg/kg)养殖区(8.80104 mg/kg)河道中间(8.45104 mg/kg)右岸(8.21104 mg/kg)，其中木兰溪左岸、河道中间、右岸 沉 积 物中 TOC 含 量 分 别 为 6.571041.18105、3.941041.13105和 2.781041.23105 mg/kg，养殖区沉积物中 TOC 含量为 5.191041.12105 mg/kg.沉积物中 TOC 含量最低点出现在 S7 采样点.通过与图 3 比较，发现在 22 条件下，木兰溪沉积物中TOC 含量对 SOD 的影响较小，而在 30 条件下，沉积物 SOD 与 TOC 含量呈现一定的相关性，尤其是左岸趋势更为明显，从 S4 采样点开始，SOD 随 TOC 含量的升高而升高，因此在温度较高时，沉积物中 TOC含量极大地影响着 SOD.主要是由于温度升高，微生物活性增大，能够促进沉积物中有机质的降解，从而更多地消耗水体中的 DO，造成沉积物 SOD 与 TOC含量变化趋势较为一致.沉积物 SOD 与 TOC 含量的关系在左岸、河道中间、右岸也表现出一定的差异性.右岸沉积物中的 TOC 含量与 SOD 的变化趋势相关性较低，一方面，这可能是由于右岸沉积物中 TOC平均含量是最低的，对 SOD 的影响较小；另一方面，TOC 只能表示沉积物中有机质