平原河網(wǎng)河流氮素的環(huán)境生物－地球化學行為定量關(guān)系及水環(huán)境效應

馬 嚴，黎 曉，嚴炎杰，沈 杰，楊琦丹，吳 敏

（湖州市環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江湖州313000）

氮素環(huán)境生物－地球化學行為的定量關(guān)系，是水體氮素宏觀水質(zhì)現(xiàn)象的微觀基礎(chǔ)。平原河網(wǎng)河流一般都有充足的碳源、氮源供給，水體氮素在環(huán)境生物－地球化學行為作用下，會發(fā)生持續(xù)的釋放、去除和形態(tài)轉(zhuǎn)換。氮素的環(huán)境生物－地球化學行為包括沉積物釋放、沉降－再懸浮、水生植物吸收、氨化、硝化、反硝化等環(huán)境行為，氮素的這些環(huán)境行為速率變化會產(chǎn)生水體氮素增量來源、去除、周期性循環(huán)、含量極限等水環(huán)境效應。為了準確把握各種形態(tài)氮素的來源及去除，為了對氮素進行準確評價和調(diào)控，有必要對水體氮素的環(huán)境生物－地球化學行為定量關(guān)系進行研究。

當前研究水體氮素環(huán)境行為的文獻很多［1－5］，但很少涉及氮素的環(huán)境生物－地球化學機制的定量關(guān)系。嘗試著探求平原河網(wǎng)水體氮素的環(huán)境生物－地球化學行為，為準確評價和調(diào)控氮素污染提供一個科學基礎(chǔ)。

1 氮素環(huán)境生物－地球化學行為的定量關(guān)系

由于所研究區(qū)域范圍內(nèi)的平原河流流程短，最長只有20km，水力停留時間最長只有2d，水力停留時間短，因此不考慮河流水體－大氣界面的氮素交換。

選擇3類平原河流作為水體氮素環(huán)境生物－地球化學行為定量關(guān)系的研究對象：第1類為高懸浮物含量的主航道河流；第2類為中等懸浮物含量的非主航道河流；第3類為低懸浮物含量的非航道河流。

由于平原河網(wǎng)河流有充足的碳源、氮源供給，水體基本為中性，水體DO質(zhì)量濃度一般＞2.00mg／L，因此，根據(jù)文獻［6］，應重點討論氮素環(huán)境生物－地球化學行為定量關(guān)系與水溫和懸浮物含量的關(guān)系。

1.1 高懸浮物含量河流氮素環(huán)境生物－地球化學過程的定量關(guān)系

選擇京杭大運河作為研究對象。大運河春、夏、秋、冬季水體懸浮物質(zhì)量濃度分別為130.4，105.2，125.6，184.0mg／L。大運河沒有顯著的水生植物生物量，不考慮水生植物對氮素的吸收作用。氮素的沉降－再懸浮速率包括顆粒態(tài)氮素的沉降－再懸浮速率以及船舶攪動水溶態(tài)氮素的釋放速率。各種定量關(guān)系的計算方法請參見文獻［7］。氮素環(huán)境行為定量關(guān)系見表1。

表1 高懸浮物含量河流的氮素環(huán)境生物－地球化學行為定量關(guān)系 ×10－5 mg／（L·s）

由表1可知，各種氮素的沉積物靜態(tài)釋放速率比其他環(huán)境行為速率小若干數(shù)量級，因此沉積物靜態(tài)釋放產(chǎn)生的氮素增量和去除均可以忽略不計。夏季，大運河水位高，總氮、有機氮發(fā)生沉降去除。氨化、硝化、反硝化速率與水溫的季節(jié)性正相關(guān)，與懸浮物含量正相關(guān)。春、夏、秋季，氨化速率＜硝化速率＜反硝化速率，冬季，氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率。

1.2 中等懸浮物含量河流的氮素環(huán)境生物－地球化學過程定量關(guān)系

選擇非主航道的千金塘作為研究對象。春、夏、秋、冬季，千金塘水體懸浮物質(zhì)量濃度分別為58.8，64.0，93.2，136.0mg／L。4個季節(jié)，千金塘均沒有顯著的水生植物生物量，不考慮水生植物對氮素的吸收作用。氮素環(huán)境行為定量關(guān)系見表2。

表2 中等懸浮物含量河流的氮素環(huán)境生物－地球化學行為定量關(guān)系 ×10－6 mg／（L·s）

由表2可知，由于千金塘氮素各種環(huán)境行為速率都較小，因此，各種氮素沉積物靜態(tài)釋放速率雖然小，但除夏季釋放速率可以忽略外，其他季節(jié)均不可忽略。千金塘船舶通航量小，4個季節(jié)，氮素均存在沉降去除。4個季節(jié)，千金塘氨化、硝化、反硝化速率變化規(guī)律與大運河基本相同。

1.3 低懸浮物含量河流氮素的環(huán)境生物－地球化學過程定量關(guān)系

選擇練市塘作為研究對象。春、夏、秋、冬季，練市塘水體懸浮物含量分別為46.4，44.0，13.6，49.6 mg／L。夏、秋季，練市塘有顯著的水生植物生物量，應考慮水生植物對氮素的吸收作用。氮素環(huán)境行為定量關(guān)系見表3。

表3 低懸浮物含量河流的氮素環(huán)境生物－地球化學行為定量關(guān)系 ×10－6 mg／（L·s）

由表3可知，由于練市塘懸浮物含量比大運河、千金塘低，各季節(jié)氨化、硝化、反硝化速率相應要減小，但是這3種速率隨季節(jié)水溫的變化規(guī)律與前2類河流基本相同。由于懸浮物含量低，懸浮物中吸附態(tài)的氨氮含量可以忽略，因此練市塘氨氮沉降－再懸浮速率作歸零處理。練市塘總氮和有機氮的沉降－再懸浮速率不可忽略。由于各種形態(tài)氮素的沉積物靜態(tài)釋放速率與其他環(huán)境行為速率差異小，因此，不可忽略。

2 氮素環(huán)境生物－地球化學過程的水環(huán)境效應

平原河網(wǎng)水體氮素的環(huán)境生物－地球化學行為，會產(chǎn)生氮素的來源增量效應、去除效應、周期性循環(huán)效應、氮素含量的上下限極值效應。

2.1 氮素的來源增量效應

由于氮素各種環(huán)境行為速率的差異，水體各種形態(tài)氮素會出現(xiàn)累積，產(chǎn)生來源增量效應（見表4）。

表4 水體氮素環(huán)境生物－地球化學行為的來源增量效應 ×10－5 mg／（L·s）

由表4可知，夏季，由于各種形態(tài)氮素沒有再懸浮，只有沉降去除，3類河流均沒有再懸浮產(chǎn)生的增量；夏季，反硝化速率＞硝化速率＞氨化速率，3類河流的氨化、硝化作用均無法產(chǎn)生氨氮、硝氮增量。

春季，大運河水體總氮再懸浮速率＞反硝化速率、有機氮再懸浮速率＞氨化速率，大運河水體產(chǎn)生總氮、有機氮增量來源；大運河的氨氮再懸浮速率＋氨化速率＜硝化速率，硝化速率＜反硝化速率，大運河沒有氨氮和硝氮的增量來源。千金塘、練市塘水體總氮、氨氮沒有再懸浮，因此，沒有再懸浮產(chǎn)生的增量來源；千金塘和練市塘的氨化速率＜硝化速率，這2類河流沒有氨氮的增量來源；千金塘和練市塘的硝化速率＞反硝化速率，硝氮略有遞增。

秋季，3類河流氮素的增量來源效應與春季基本相同。

冬季，大運河總氮再懸浮速率＞反硝化速率，有機氮再懸浮速率＞氨化速率，產(chǎn)生總氮、有機氮的來源增量效應。千金塘和練市塘這兩種形態(tài)氮素只有沉降，沒有再懸浮，因此總氮、有機氮沒有增量來源。冬季，3類河流的氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率，因此，出現(xiàn)氨氮、硝氮的積累，產(chǎn)生硝氮、氨氮的增量來源。

綜合上述，得出以下結(jié)論：當河流存在強烈再懸浮，并且再懸浮速率＞反硝化速率或氨化速率，就會產(chǎn)生總氮或有機氮的來源增量效應。當氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率，就會產(chǎn)生氨氮、硝氮的來源增量效應。這種情形一般發(fā)生在冬季至下年度的初春時段，這個時段積累的氨氮、硝氮為夏、秋季生態(tài)系統(tǒng)演化儲備了充足的氮源。各種形態(tài)氮素來源增量效應很小，只有經(jīng)歷1個季節(jié)才具有顯著效應（見表5）。

2.2 氮素的去除效應

由于水體氮素各種環(huán)境行為速率的差異，會產(chǎn)生氮素的去除效應（見表5）。

表5 水體氮素環(huán)境生物－地球化學行為的去除效應 ×10－5 mg／（L·s）

由表5可知，春、夏、秋季，3類河流基本上均存在氨氮、硝氮的去除效應。氨氮去除的原因為硝化速率＋水生植物吸收速率＋沉降速率＞氨化速率，以硝化去除為主，水生植物吸收去除次之，再次為沉降去除。硝氮去除的原因為反硝化速率＋水生植物吸收速率＞硝化速率，以反硝化去除為主，水生植物吸收去除次之。作為主航道的大運河只在夏季高水位時才發(fā)生總氮、有機氮的去除。千金塘、練市塘4個季節(jié)均發(fā)生總氮、有機氮的去除?？偟コ猿两禐橹?，反硝化次之，再次為水生植物吸收。有機氮去除以沉降為主，氨化次之。

各種形態(tài)氮素的去除效應均很小，只有經(jīng)歷1個季節(jié)才具有顯著效應。

2.3 氮素的周期性循環(huán)效應

根據(jù)2.1～2.2章節(jié)分析，作為主航道的大運河1個年度內(nèi)各種形態(tài)氮素均發(fā)生來源增量效應和去除效應，千金塘、練市塘的總氮、有機氮雖然沒有來源增量效應，但由于上游進水口來水的總氮、有機氮含量呈周期性變化，這樣3類河流各種形態(tài)氮素含量均發(fā)生周期性循環(huán)變化。根據(jù)實測的氮素數(shù)據(jù)，各形態(tài)氮素周期性循環(huán)效應如圖1～圖4所示。

圖1 總氮的周期性循環(huán)

圖2 有機氮的周期性循環(huán)

圖3 氨氮的周期性循環(huán)

圖4 硝氮的周期性循環(huán)

由圖1～圖4知，3類河流的各種形態(tài)氮素春季→冬季，完成氮素含量變化1個循環(huán)周期。

由圖1可知，大運河春季→夏季，總氮遞減，夏季→冬季遞增?？偟芷谘h(huán)的時間折點為夏秋之交時段。

千金塘、練市塘總氮春季→夏季→秋季連續(xù)遞減；秋→冬季遞增，原因為上游進水口外部來水總氮的再懸浮速率＞反硝化速率。總氮周期循環(huán)的時間折點為秋冬季之交時段。

由圖2知，各類河流有機氮的周期性循環(huán)規(guī)律與總氮基本相同。

由圖3知，3類河流氨氮的周期性變化規(guī)律基本為春季→夏季→秋季連續(xù)遞減，主要原因為該時段水體氮素的硝化速率＞氨化速率，大運河夏季→秋季氨氮遞增，原因為上游企業(yè)排放含氨污水，干擾了氨氮的自然循環(huán)規(guī)律。秋季→冬季氨氮遞增，主要原因為硝化速率＜氨化速率。氨氮的再懸浮行為對氨氮的周期性循環(huán)影響不顯著。3類河流氨氮周期循環(huán)的時間折點均為秋冬季之交時段。

由圖4知，硝氮的周期性變化與氨氮相同，周期循環(huán)的時間折點也與氨氮相同。

2.4 氮素含量變化的極限效應

由2.3章節(jié)分析知，雖然各種形態(tài)氮素發(fā)生周期性循環(huán)，但除氨氮的夏、秋季下限值會接近零值外，其他形態(tài)氮素含量均有明確的上限值和下限值，這樣就保證了水生生態(tài)系統(tǒng)中有充足的氮庫儲備和有充足的生物可利用氮源供給。

對于作為航道的河流，由于河流攜沙能力的限制，河流總氮、有機氮的沉降去除和再懸浮增量均不是無限量，而是在某個量值會達成動態(tài)平衡；對于非航道河流，根據(jù)1.3章節(jié)和2.1章節(jié)分析，由于水生植物參與氮素循環(huán)，水生植物同化無機氮的同時釋放出有機氮，春、冬季無水生植物生長時，水生植物殘體就是有機氮的氮庫，因此非航道平原河流只要有一定流速，水體中就會攜帶一定量的有機氮。這樣就形成了有機氮含量的極限效應。

氨氮、硝氮含量基本上取決于氨化與硝化、硝化與反硝化2種相反環(huán)境行為的速率差，一種行為的速率對另一種行為有制約作用，并且在另一時段，這2種行為的速率差會發(fā)生逆轉(zhuǎn)，此時氮素的增減趨勢就會發(fā)生逆轉(zhuǎn)。這樣就形成了氨氮、硝氮含量的極限效應。

3 結(jié) 論

作為主航道的高懸浮物含量河流總氮、氨氮、有機氮的沉積物靜態(tài)釋放速率可以忽略不計。中低懸浮物含量河流含量相應氮素沉積物靜態(tài)釋放速率不可忽略。

3類河流春季→夏季→秋季，氨化速率＜硝化速率＜反硝化速率；冬季→下年度初春，氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率。

春、秋、冬季，主航道河流由于再懸浮速率，發(fā)生總氮、有機氮的累積增量。冬季→下年度初春，3類河流的氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率，發(fā)生氨氮、硝氮累積增量。

主航道河流僅在夏季總氮、有機氮發(fā)生沉降和反硝化去除、沉降和氨化去除。其他類型河流4個季節(jié)均發(fā)生總氮、有機氮的去除。春季→夏季→秋季，氨氮、硝氮發(fā)生硝化去除、反硝化去除。

在氮素的環(huán)境生物－地球化學行為作用下，各種形態(tài)氮素含量在春季→冬季完成1個循環(huán)周期。

由于河流攜沙能力限制，水體總氮、有機氮均存在上下限極值。生物可利用的氨氮、硝氮由兩種相反方向的環(huán)境行為決定，同樣存在上下限極值。氨氮、硝氮下限極值存在，保證了水生生態(tài)系統(tǒng)生物可利用氮素的供給。

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