污染水體沉積物營養(yǎng)鹽釋放過程*

梁 文 張 生 李暢游 張 俊 韓璞璞

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特，010018)

污染水體沉積物營養(yǎng)鹽釋放過程*

梁 文 張 生＊＊李暢游 張 俊 韓璞璞

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特，010018)

通過實驗室模擬試驗，以富營養(yǎng)化湖泊-烏梁素海沉積物為試驗材料，模擬了在零外源污染狀態(tài)下沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放特征，揭示了沉積物中TN、TP的釋放規(guī)律和過程，量化了營養(yǎng)鹽的釋放速率.試驗結(jié)果顯示，在無擾動的靜態(tài)水力條件下，沉積物中營養(yǎng)鹽在向上覆水體的釋放過程中，伴隨著解吸-平衡的動態(tài)過程，其中TP的釋放量是調(diào)控水體富營養(yǎng)化程度的主要因素.通過各種途徑淡化污染水體，可以在短時間內(nèi)降低污染水體中TN和TP的濃度，但沉積物中污染物在短時間內(nèi)難以得到迅速的消減，且逐漸向上覆水體釋放，會在一定程度上較長時間地影響上覆水體的水質(zhì).

沉積物，營養(yǎng)鹽，釋放.

隨著人們對于湖泊富營養(yǎng)化問題的研究與治理，營養(yǎng)豐富的沉積物內(nèi)負荷對水體富營養(yǎng)化的貢獻不容忽視.大量的研究表明，湖泊沉積物既是水體污染物的匯，又是水體污染物的源.隨著各種形式輸入湖泊水體營養(yǎng)元素的增加，在一系列物理、化學(xué)及生物的作用下，大部分沉積于湖底，形成大的內(nèi)源負荷，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，這些營養(yǎng)元素又會從沉積物中釋放出來，進入上覆水體中，繼而影響湖泊水體的富營養(yǎng)化水平［1-2］.目前國內(nèi)外有關(guān)沉積物的營養(yǎng)鹽釋放及其各種影響因素的實驗研究報道很多，比如:從定性的角度出發(fā)分析不同環(huán)境因素對沉積物污染物釋放的影響［3-9］，也有從定量的角度分析湖泊沉積物-水界面的交換乃至內(nèi)源負荷的工作［10-11］.

本文的研究基于前人關(guān)于眾多沉積物釋放規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，選擇室內(nèi)模擬試驗研究方法，對比眾多室內(nèi)模擬試驗［6，11-15］，模擬系統(tǒng)設(shè)計為靜態(tài)系統(tǒng)，實驗裝置直接在完全自然狀態(tài)下，溫度、pH等完全不受人為控制，觀察在不受控條件下，沉積物中氮、磷的釋放過程和規(guī)律.從不同污染控制角度出發(fā)，對污染水體沉積物釋放過程進行模擬研究，旨在揭示外源污染得到一定控制以及最理想零外源污染狀態(tài)下沉積物營養(yǎng)鹽的釋放特性，基于實驗室內(nèi)模擬試驗獲得的結(jié)果，量化了沉積物營養(yǎng)鹽的釋放速率，并對營養(yǎng)鹽的釋放量進行了初步的估算.以此來評價通過不同途徑淡化水體沉積物營養(yǎng)鹽的釋放規(guī)律以及對上覆水水質(zhì)的影響及其環(huán)境效應(yīng)，從而為正確選擇控制治理污染水體沉積物內(nèi)源釋放的措施提供基本依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及樣品的采集

實驗所用沉積物及上覆水的采樣點選在烏梁素海總排干水文站斷面的南部500 m處，該處水域較寬闊，水動力條件較好，周圍有大片的蘆葦濕地，是水陸相互作用的重要地帶，也是一個復(fù)雜的多功能生態(tài)系統(tǒng)，具有水動力作用強烈、泥沙輸移和物質(zhì)交換頻繁、物理化學(xué)要素梯度變化大、生物種類豐富多樣等特點.由于受到水陸作用的交互影響，這里各種物理、化學(xué)、生物因素變化劇烈，易受各種人為活動的干擾和破壞.因此此處沉積物-水界面污染物的動態(tài)交換和擴散對上覆水體的環(huán)境質(zhì)量具有重要影響，對于污染水體的控制也具有實際的參考意義.

實驗所用裝置為4個規(guī)格相同的圓柱狀有機玻璃柱，直徑為10 cm，高為65 cm，上下都加設(shè)了可開啟封口蓋，底部密封性良好，上蓋設(shè)有取樣小口，另有通氣口，60 cm處設(shè)有刻度線，30 cm處設(shè)有出水口，可自行關(guān)閉.沉積物樣品，采用自制的柱狀沉積物取樣器，在現(xiàn)場距離不到0.5 m處平行采集4個原柱狀沉積物樣品，直接推入制好的有機玻璃柱中，避光低溫保存運回實驗室內(nèi).實驗所用上覆水采集為同期同地點上覆水10 L，桶裝帶回實驗室，并且當(dāng)場記錄下上覆水樣的常規(guī)指標(biāo).

1.2 樣品的處理及監(jiān)測方法

將帶回的柱狀樣，分別記為1#、2#、3#、4#，設(shè)置分為兩組，每組兩個平行樣.首先將10 L水樣，經(jīng)過0.45 μm孔徑的濾膜過濾，以減少藻類等浮游生物和有機質(zhì)對實驗的干擾，將此過濾好的水樣沿1#、2#實驗柱壁邊緩慢注入，直至到刻度線，此時沉積物泥樣和水樣的高度比值接近于1∶1;另外3#、4#實驗柱使用同樣方法注入蒸餾水至刻度線，4個實驗柱均放置在實驗室干燥避光處，使其靜沉達到平衡.1#、2#號為平行樣不換水，為了模擬固定水位以及引入潔凈水的稀釋作用，隔天用蒸餾水補充因蒸發(fā)損失的水分以及取樣造成的損失(通常是補充到刻度線).3#、4#為平行樣，為了模擬湖水的更換作用，隔天換清水試驗，實驗用水為蒸餾水.實驗周期為32 d，取樣頻率為兩天1次，取樣時間為早上9點，同時測定上覆水常規(guī)物理指標(biāo).每次取樣重復(fù)測試2次，測定結(jié)果取平均值.

測試項目有水樣的總氮、總磷以及水溫、pH、溶解氧、氧化還原電位、電導(dǎo)率、溶解性總固體.實驗均按照相關(guān)規(guī)范進行操作，使用野外監(jiān)測的各種探頭進行水樣常規(guī)指標(biāo)的測試，水樣總氮的測定使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894—89)，總磷的測試使用鉬酸銨分光光度法(GB11893—89).

1.3 釋放量及釋放速率的計算

水體營養(yǎng)鹽的釋放量根據(jù)質(zhì)量守恒原理，參考范成新［10］等人沉積物釋放速率的計算，考慮到實驗柱開口直徑僅10 cm，且實驗靜沉期間加蓋封口，只留有兩個直徑為0.5 cm的小口通氣和取樣，氨氣的揮發(fā)量較小，因此在計算時不考慮氨氣揮發(fā)的情況.另外，由于實驗補充水所用的是蒸餾水，同時也忽略了蒸餾水中TN、TP的值.因此在計算TN、TP時均采用同一個計算式來計算實驗期間沉積物的釋放量以及釋放速率.針對本實驗的實際情況，通過不同方法的修正，按照以下式子計算:

3#、4#實驗柱計算采用:WΔt=VCn

由此可以推得相應(yīng)的Δt時間段內(nèi)沉積物營養(yǎng)鹽釋放速率計算公式為:

3#、4#實驗柱:R=WΔt/(A ×t)=VCn/(A ×t)

式中，WΔt為 Δt時間段內(nèi)營養(yǎng)鹽釋放量(mg);V 為實驗柱中上覆水水體體積(L);Cn、Cn－1、Ci－1為第 n次、第n－1、第i－1次采樣時某物質(zhì)含量(mg·L－1);Vi－1為第i－1次采樣體積(L);A為柱樣中沉積物-水接觸面積(m2);t為釋放時間(d).

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)條件下上覆水物理指標(biāo)隨著時間的變化

研究表明［3，9，16］，沉積物污染物的釋放與水溫、pH、溶氧等有關(guān).季節(jié)溫度的變化不僅影響湖泊水體和沉積物物理化學(xué)性質(zhì)的改變，同時也導(dǎo)致了微生物數(shù)量、活性以及種類的變化.水溫升高，沉積物中的微生物活性增強，底棲生物活性加強，提高了生物擾動作用和沉積物有機物的礦化速率;pH可以改變N、P等賦存形態(tài)，在一定程度上上覆水起始pH也會影響沉積物中氮磷污染物的釋放;DO的高低與水體氧化還原環(huán)境、水生生物種類及其活性、有機物的礦化過程密切相關(guān)，而這些因素都會對沉積物釋放產(chǎn)生重要的影響;而EC(電導(dǎo)率)、ORP(氧化還原電位)、TDS(溶解性固體)作為水質(zhì)中其它重要指標(biāo)，雖然它們不能單獨反映水質(zhì)的好壞，但是可以結(jié)合其它水質(zhì)指標(biāo)來反映水族系統(tǒng)中的生態(tài)環(huán)境.由于受溫度、pH、DO的影響較大，其變化幅度也比較大.

水溫:實驗周期內(nèi)不設(shè)置固定溫度，由于模擬時間為夏季，室內(nèi)溫度較高，實驗柱內(nèi)水溫隨室溫變化，也比較高，各個實驗柱內(nèi)水溫變化幅度在(30±3)℃內(nèi)，除了在實驗初期有微小的差異外，各實驗柱內(nèi)水溫基本保持一致.

pH:1#、2#上覆水初始pH值為7.37，實驗過程中未加以控制，實驗周期內(nèi)pH值變化幅度為7.50±0.04;3#、4#上覆水為蒸餾水，pH應(yīng)屬中性條件，但由于受溫度影響，實驗周期內(nèi)也有所波動，變化幅度為7.10 ±0.50.

DO:各實驗柱內(nèi)DO水平在實驗周期內(nèi)都有所差異，但大致變化趨勢一致.初期，溶解氧水平一致較低，隨著實驗天數(shù)的增加逐漸升高至最大值，在實驗后期又回落到初期水平.1#、2#內(nèi)變化范圍為6.66—1.54 mg·L－1，均值為 3.24 mg·L－1，3#、4#變化范圍為 5.42—0.88 mg·L－1，均值為 2.63 mg·L－1.

其它:各實驗柱內(nèi)ORP值在實驗周期內(nèi)均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，且變化幅度比較大，最大幅度達到107 mV，3#、4#表現(xiàn)出來的波動性是由于長期換水底層水體環(huán)境不穩(wěn)定造成的.另外，除了初期1#、2#EC有所波動，在其余時間EC、TDS基本處于穩(wěn)定狀態(tài).圖1給出了上覆水各物理指標(biāo)隨實驗時間的變化趨勢圖.

圖1 各實驗柱上覆水各物理指標(biāo)隨時間變化趨勢圖Fig.1 Change of physical parameters in overlying water over time

2.2 靜態(tài)狀態(tài)下上覆水TN、TP的變化規(guī)律

各實驗柱在相同不受控的實驗條件下，進行靜態(tài)沉積物釋放模擬試驗，計算并分析了在實驗周期內(nèi)上覆水TN、TP的濃度變化趨勢.通過結(jié)果可以看出，在兩種不同上覆水條件下進行的靜態(tài)沉積物釋放實驗，沉積物營養(yǎng)鹽釋放存在著較大的差異(圖2).

圖2 各實驗柱上覆水TN(a)、TP(b)濃度隨時間變化關(guān)系曲線Fig.2 Change of total nitrogen(a)and total phosphorus(b)concentration in overlying water over time

靜態(tài)條件下，沉積物上覆水水質(zhì)變化均處于波動的狀態(tài).從整個實驗周期來看，兩種上覆水條件下TN含量隨著模擬時間的變化與TP基本相似.

1#、2#實驗柱:覆水初期，由于上覆水與沉積物(濕的)的充分混合，上覆水與沉積物間隙水間TN、TP濃度的巨大差異致使上覆水中TN、TP顆粒很快進入表層沉積物中，又很快被釋放出來，造成TN、TP濃度的迅速減小又迅速增大的巨大波動，之后進入相對平衡狀態(tài);雖然總體上，濃度都有下降的趨勢，但TN下降的幅度要比TP的大，這也看出了沉積物N釋放的復(fù)雜性.另外，在達到平衡狀態(tài)之后，上覆水TP濃度基本保持在0.30 mg·L－1左右，與我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比，由于沉積物的釋放仍然可以導(dǎo)致上覆水的TP濃度超過五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的限定值0.2 mg·L－1(GB 3838—2002)，這就說明沉積物P釋放是影響污染水體水質(zhì)級別劃分的一個主要因子.而上覆水TN濃度基本保持在1.2 mg·L－1左右，小于五類水標(biāo)準(zhǔn)限定值2.0 mg·L－1(GB 3838—2002)，這說明平衡后沉積物的釋放不會造成上覆水TN含量的超標(biāo)，但這并不意味著沉積物的釋放不會引起N的環(huán)境問題，因為水體N的問題，還有NO3-N、NH4-N、有機氮等其它問題，這還需要在以后的工作中做進一步的研究.

3#、4#實驗柱:在覆水初期，由于注入清水，造成沉積物與上覆水之間營養(yǎng)鹽濃度梯度增大，沉積物發(fā)生了爆發(fā)性的釋放，上覆水TN、TP濃度迅速增大，并且達到了整個實驗周期內(nèi)的最大值，之后隨著換水次數(shù)的增多，又迅速的減小，達到一種相對平衡的狀態(tài).TN在一段短時期內(nèi)濃度降低到了整個實驗周期內(nèi)的最小值，最小僅有0.080 mg·L－1左右，之后又有上升的趨勢，然其變化波動較大;而TP雖然濃度變化也有一定的波動性，但其基本維持在0.150 mg·L－1左右，個別仍然超過了五類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中TP的濃度限定值.

2.3 實驗周期內(nèi)不同時間段內(nèi)實驗柱沉積物釋放量

表1為各實驗柱不同時段內(nèi)沉積物TN、TP釋放量計算結(jié)果.從表1中可以看出，在不同時段內(nèi)，不同實驗柱，不同上覆水條件下，沉積物TN、TP的釋放量是有所差異的，4個實驗柱中TP的釋放量均遠小于 TN，并且 1#、2#的 TN、TP 釋放量要小于 3#、4#的釋放量.

表1 各實驗柱不同時段內(nèi)沉積物TN、TP釋放量Table 1 Release quantity of total phosphorus and total nitrogen in different periods of the release experiment

在無擾動靜態(tài)條件下，沉積物中的營養(yǎng)元素被釋放到水體中，1#、2#內(nèi)個別釋放量出現(xiàn)負值，說明水體中TN、TP的量減少了，其原因可能有:(1)TN、TP顆粒附著在水中固體顆粒上，隨著固體顆粒被吸附到表層沉積物;(2)水中的光合作用及呼吸作用改變了沉積物中氮的賦存形式;(3)如果有少量微生物存在情況下，含氮鹽可能被分解轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w溢出水面，造成一定量的損失.實驗周期內(nèi)沉積物TN累積釋放量為1.9 mg，釋放量表現(xiàn)為很大的波動性;而TP的釋放雖然在初期和后期表現(xiàn)出一定的負值，但是總體上有持續(xù)不斷釋放的趨勢，累積釋放量為0.58 mg，這也表明了在外源污染得到一定控制之后，沉積物中TP的釋放仍然是制約湖泊富營養(yǎng)化進程的重要因子.3#、4#由于所使用的上覆水為蒸餾水，蒸餾水中TN、TP的濃度幾乎為零，有利于沉積物中TN、TP向上覆水體的擴散，實驗周期內(nèi)，沉積物一直處于釋放狀態(tài)，TN、TP的累積釋放量分別為25.1 mg、6.2 mg，這也表明了上覆水體污染物濃度低有利于沉積物氮磷的釋放.而沉積物的不斷釋放，說明了更換水體引起的TN、TP的釋放，尤其是TP的釋放還是湖泊水質(zhì)重要的且長期存在的污染源.

2.4 實驗周期內(nèi)不同時間段內(nèi)實驗柱沉積物釋放速率

為了更好地描述沉積物釋放的動態(tài)過程，衡量沉積物的釋放強度，圖3給出了各實驗柱TN、TP釋放速率隨時間變化關(guān)系曲線.在不同時段內(nèi)，不同實驗柱，不同上覆水條件下，沉積物TN、TP的釋放速率也是有所差異的，4個實驗柱中TP的釋放速率遠遠小于TN，并且1#、2#的TN、TP釋放速率要小于3#、4#的釋放速率.

有研究表明沉積物釋放到上覆水中的N以及沉積物表層和內(nèi)部的N均可以通過硝化-反硝化作用轉(zhuǎn)化為N2或直接以NH3的形式擴散到大氣當(dāng)中，離開沉積物-上覆水系統(tǒng)，而P由于受環(huán)境條件的干擾小，受沉積物的控制作用較強，它可以在上覆水-沉積物系統(tǒng)中循環(huán)、周轉(zhuǎn)，釋放到上覆水中的P就不會脫離該系統(tǒng)，沉積物對上覆水中P的吸收能力也就大于對N的吸收能力，因此沉積物釋放到上覆水中的P比N有更多的機會重新回到沉積物當(dāng)中.1#、2#在實驗初期，TN、TP的釋放速率變化波動較大，初始出現(xiàn)負值表明了沉積物的吸附作用，之后，強度減弱，釋放速率回落到一個相對穩(wěn)定的過程，釋放速率的正負值正是體現(xiàn)了靜態(tài)條件下，沉積物中的營養(yǎng)鹽向水體釋放的過程中伴隨著解吸-平衡的動態(tài)過程，并且沉積物P的解吸-平衡狀態(tài)更為明顯一些;而3#、4#在實驗初期TN、TP的釋放速率均達到最大，之后又迅速減小，在一段短時期內(nèi)，TN的釋放強度很弱，之后又有上升的趨勢，上升幅度不大，但有所波動，實驗后期，TN的平均釋放速率為93.38 mg·m－2·d－1;而TP的釋放量在達到最大之后，逐漸減小到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，平均釋放速率為21.13 mg·m－2·d－1，這也更好地體現(xiàn)了沉積物P釋放的解吸-平衡動態(tài)過程，沉積物中如果活性P庫存量很大，一旦上覆水中TP濃度下降，沉積物可以很快釋放出P來重新建立平衡.

圖3 各實驗柱沉積物TN(a)、TP(b)釋放速率隨時間變化關(guān)系曲線Fig.3 Change of release rates of total nitrogen(a)and total phosphorus(b)in the release experiment over time

3 結(jié)論

(1)沉積物的釋放可能與水體中污染物濃度、水溫、pH、溶解氧以及沉積物中污染物的含量、沉積物的性質(zhì)、組成等因素有關(guān)，不同上覆水條件下沉積物的釋放過程有很大的差異.

(2)在外源污染得到一定的控制之后，通過各種途徑淡化污染水體，均可以在短時間內(nèi)降低污染水體中TN和TP的濃度，尤其是換水清洗可以迅速削減上覆水中TN的濃度，但TP的釋放量仍然是調(diào)控水體富營養(yǎng)化程度的主要因素.

(3)在無擾動的靜態(tài)水力條件下，沉積物中營養(yǎng)鹽在向上覆水體的釋放過程中，伴隨著解吸-平衡的動態(tài)過程，并且沉積物P的釋放更為明顯一些.沉積物向上覆水體逐漸的釋放，在一定程度上較長時間地影響了上覆水體的水質(zhì)，因此沉積物是一個重要的且長期存在的污染源.

由此看來，控制污染水體通過直接引入潔凈水甚至更換部分湖水，達到稀釋營養(yǎng)物質(zhì)的目的，該方法收效快，但治標(biāo)不治本，對于沒有大的理想水源的地方也無法采用，控制沉積物污染釋放還應(yīng)當(dāng)同時結(jié)合其它物理、化學(xué)等條件來控制平衡.

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RELEASE PROCESSES OF NUTRIENTS FROM THE SEDIMENT UNDER CONTAMINATED WATER BODIES

LIANG Wen ZHANG Sheng LI Changyou ZHANG Jun HAN Pupu
(College of Water Resources and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，010018，China)

A laboratory test was carried out on modelling the release processes of nutrients from the sediment of contaminated water bodies.The sediment was sampled from Lake Wuliangsuhai，which had been highly eutrophicated.The work revealed the release processes and characteristic nutrients from the sediment，and quantified the release rates.The results showed that at static state of water bodies the release processes were accompanied by dynamic transport processes.TP was the key element in controlling the eutrophication level of the water bodies.As a result，although dilution could decrease the concentrations of TN and TP in the water bodies within a short period of time，the comtamintants in the sediment would be difficult to eliminate quickly.They would be gradually released into the water bodies and affect the water quality for quite a long time.

sediment，nutrient，release.

2010年12月13日收稿.

*國家自然科學(xué)基金(50869007，50969005，40901262)聯(lián)合資助.

＊＊通訊聯(lián)系人，Tel:0471-4310175;E-mail:shengzhang@imau.edu.cn