影響富營(yíng)養(yǎng)化湖泊底泥氮、磷釋放的因素

史 靜, 于秀芳, 夏運(yùn)生, 張乃明

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 云南 昆明 650201)

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影響富營(yíng)養(yǎng)化湖泊底泥氮、磷釋放的因素

史 靜, 于秀芳, 夏運(yùn)生, 張乃明

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 云南 昆明 650201)

摘要：[目的] 分析水體酸堿度、溫度以及上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,為合理評(píng)估環(huán)境因素對(duì)湖泊底泥氮、磷釋放的影響提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 選擇富營(yíng)氧化比較嚴(yán)重的云南省昆明市城市景觀湖泊翠湖為研究區(qū)域，通過(guò)控制不同pH值、溫度和上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度來(lái)模擬影響底泥氮磷釋放的因素。[結(jié)果] (1) 放置時(shí)間相同條件下底泥氮、磷釋放量受到水體酸堿性的影響,中性環(huán)境下(pH=7.5)釋放量高于酸性和堿性水體條件。底泥釋放5,10 h條件下,pH值為7.5時(shí)底泥磷釋放量分別達(dá)到5.88,8.28 mg/kg; pH值為7.5時(shí)底泥氮釋放量分別達(dá)到22.8,38.4 mg/kg; (2) 底泥氮、磷釋放量隨著溫度升高而增加。溫度為20 ℃時(shí)底泥氮、磷的釋放量分別達(dá)到28.62,3.75 mg/kg; (3) 底泥氮、磷的釋放量均隨著上覆水濃度增加而減少,隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)而增加。放置時(shí)間5 h上覆水氨氮濃度0.31 mg/L底泥氮的釋放量最大,達(dá)到21.63 mg/kg。放置10 h在氨氮為2.37 mg/L時(shí)底泥氮的釋放量達(dá)到最大值(39.22 mg/kg);底泥磷釋放量在上覆水磷濃度0.14 mg/L時(shí)底泥總磷的釋放量最大;放置時(shí)間為5,10 h時(shí)分別達(dá)到4.25,4.91 mg/kg。[結(jié)論] 底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放是一相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,水體酸堿度、溫度或上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是影響釋放量的主要因素。

關(guān)鍵詞：富營(yíng)養(yǎng)化湖泊; 底泥; 氮、磷釋放; 翠湖

文獻(xiàn)參數(shù)： 史靜, 于秀芳, 夏運(yùn)生, 等.影響富營(yíng)養(yǎng)化湖泊底泥氮、磷釋放的因素[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：241-244.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.041

湖泊底泥是湖泊富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要蓄積庫(kù)，底泥在湖泊養(yǎng)分循環(huán)和水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中起著重要作用[1]。一定條件下，底泥中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽有可能成為富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子[2]，研究湖泊底泥氮、磷釋放及影響因素對(duì)闡述上覆水體營(yíng)養(yǎng)元素和初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)系和水體化學(xué)組成的控制和影響具有重要生態(tài)環(huán)境意義[3-5]。

湖泊底泥作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累的重要場(chǎng)所，在一定條件下會(huì)發(fā)生間歇性的再生釋放作用。被吸附在沉積物中的污染物質(zhì)通過(guò)解吸、溶解、生物分解等釋放作用再次返回水體，形成湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽的內(nèi)源污染負(fù)荷,并且極易受環(huán)境因素影響而釋放，再次污染湖泊水體[6]。已有研究表明杭州西湖內(nèi)源污染負(fù)荷已達(dá)到外源污染負(fù)荷的41%；巢湖內(nèi)源污染負(fù)荷是外源負(fù)荷的20%；滇池底泥中也有大量的氮磷分布[7]，湖泊底泥中氮、磷的釋放是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，釋放量的大小受到湖泊底層上覆水中溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽水平、水溫、pH值、生物活性、風(fēng)浪擾動(dòng)等多種因素的影響[8]。然而目前研究多集中于對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體沉積物氮、磷的賦存形態(tài)、剖面分布以及對(duì)水體的貢獻(xiàn)[9-10]。關(guān)于底泥內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放影響因素的相關(guān)研究也只有水—土界面的濃度梯度[11]、季節(jié)和環(huán)境溫度變化引起底泥中諸如溶解性有機(jī)質(zhì)的變化等可能導(dǎo)致內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的改變方面的研究[12]，但未能對(duì)其做進(jìn)一步探討。此外，還有研究報(bào)道溫度對(duì)鈍化劑抑制滇池底泥磷素釋放[13]以及改變底泥有機(jī)質(zhì)組分對(duì)內(nèi)源磷釋放速率的影響[14]，但目前研究多側(cè)重于單一因素對(duì)內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的影響，而關(guān)于影響底泥氮、磷釋放影響因素的綜合性研究相對(duì)較少。因此本文選擇富營(yíng)氧化比較嚴(yán)重云南省昆明市的城市景觀湖泊翠湖為研究區(qū)域，試圖通過(guò)模擬試驗(yàn)的方法，初步摸清影響湖泊底泥氮、磷釋放的主要影響因素及數(shù)量關(guān)系，以期為明確內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)化釋放提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1布點(diǎn)與采樣

翠湖最初曾是滇池中的一個(gè)湖灣，后來(lái)因水位下降而成為一汪清湖。蓄水量近1.70×106m3，水面面積1.50×105m2,平均水深1.5 m左右，水體呈中度富營(yíng)養(yǎng)化。采用均勻布點(diǎn)采樣。在湖內(nèi)選擇8個(gè)有代表性的位點(diǎn)，每1位點(diǎn)每次取3個(gè)重復(fù)，沉積物樣品用Uwitec重力采樣器(奧地利)UVP管原位采取，分表層(0—5 cm)、中層(5—10 cm)、底層(10—20 cm)3層分取沉積物樣品，每一個(gè)點(diǎn)位重復(fù)隨機(jī)采10管按同一位點(diǎn)不同層次取樣混合，作為一個(gè)復(fù)合樣品。

1.2測(cè)定項(xiàng)目與分析方法

底泥樣品采集后自然風(fēng)干、磨碎分別過(guò)1，0.25 mm篩用于分析，總磷采用高氯酸—硫酸消煮鉬藍(lán)比色法測(cè)定，總氮采用半微量開(kāi)氏法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3法。供試樣品理化性質(zhì)如表1所示。

表1　供試?yán)ッ魇写浜啄嗟睦砘再|(zhì)

1.3底泥氮磷釋放試驗(yàn)方案

1.3.1不同pH值對(duì)底泥釋放的影響以靜態(tài)釋放法考察翠湖底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，翠湖底泥與蒸餾水比為1∶13，pH值分別為6.0，7.5，9.0時(shí)，分別放置5和10 h，然后取出上清液，測(cè)水體中總磷和氨氮的含量。并計(jì)算出釋放量n，

n=Ct×V/m

(1)式中：Ct——釋放后水體中總磷或氨氮的濃度(mg/L);V——蒸餾水的體積(L)；m——底泥的質(zhì)量(kg)。

1.3.2不同溫度對(duì)底泥釋放的影響以靜態(tài)釋放法考察翠湖底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，翠湖底泥與蒸餾水比為1∶13，溫度為4，11和20 ℃時(shí)，放置5 h，然后取出上清液，測(cè)水體中總磷和氨氮的含量。并計(jì)算出釋放量n，計(jì)算方法同公式(1)。

1.3.3水體中不同營(yíng)養(yǎng)鹽濃度對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的影響以靜態(tài)釋放法考察翠湖底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，水體中總磷濃度分別為0.14,0.38，1.15 mg/L和氯化銨濃度分別為0.31，2.37，11.9 mg/L，固液比為1∶13，室溫時(shí)放置5和10 h，然后取出上清液，測(cè)水中總磷和氨氮的含量。并計(jì)算出釋放量n：

n=(Ct-C0)×V/m

(2)

式中：C0——原溶液中總磷或氨氮濃度(mg/L)；Ct——釋放后溶液總磷或氨氮濃度(mg/L)。以上模擬釋放試驗(yàn)每個(gè)水平均設(shè)3次重復(fù)。

2結(jié)果與分析

2.1水體pH值對(duì)底泥氮磷釋放的影響

本研究結(jié)果(圖1)表明，放置時(shí)間相同的條件下底泥磷釋放量為pH=7.5>pH=6.0>pH=9.0。底泥釋放5 h，pH值為7.5時(shí)釋放量最大5.88 mg/kg，明顯高于pH值為6.0時(shí)釋放量和pH值為9.0時(shí)磷的釋放量。底泥釋放10 h，pH值為7.5時(shí)底泥磷釋放量排序?yàn)椋簆H=7.5>pH=6.0>pH=9.0，pH=7.5時(shí)達(dá)到8.28 mg/kg。pH值相同的條件下，10 h底泥磷的釋放量大于5 h底泥磷的釋放量。表明隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，底泥釋放量增大。氮的釋放規(guī)律與磷基本一致。

圖1　不同時(shí)間和pH下底泥總磷、氨氮的釋放量

2.2水體溫度對(duì)底泥氮、磷釋放的影響

一般化學(xué)物質(zhì)在水體中的溶解度及與固體表面的吸附與解吸附作用都與溫度變動(dòng)有關(guān)。圖2為溫度為4，11和20 ℃時(shí)底泥氮、磷的釋放量。

圖2　不同溫度下底泥磷酸鹽、氮的釋放量

結(jié)果表明，底泥磷的釋放量，溫度為20 ℃>11 ℃>4 ℃。溫度為20 ℃時(shí)底泥磷的釋放量3.75 mg/kg明顯高于11和4 ℃時(shí)的釋放量。這可能是由于溫度升高促進(jìn)了底泥中生物活動(dòng)，特別是微生物的活性增強(qiáng)，耗氧增多，DO減少，使得底泥層中的Eh降低，磷得以釋放[17]。在相同條件下，底泥氮的釋放量，溫度為20 ℃時(shí)釋放量最大為28.62 mg/kg，與其他溫度下的釋放沒(méi)有顯著差異。

2.3上覆水中氮、磷濃度對(duì)底泥氮、磷釋放的影響

上覆水不同氯化銨濃度對(duì)底泥氮釋放的影響見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，在底泥銨鹽和水體銨鹽之間釋放與吸附未達(dá)到平衡時(shí)，其他條件相同時(shí)，放置5 h上覆水中銨鹽濃度越低，泥中氮的釋放量越多，上覆水中銨鹽濃度底越高，底泥中氮的釋放量越少。上覆水氮濃度為0.31 mg/L時(shí)底泥氮釋放量高于氮濃度2.37 mg/L時(shí)底泥氮釋放量約25%左右，是上覆水氮濃度為11.9 mg/L時(shí)底泥氮釋放量的近2倍。但是，其他條件相同時(shí)，放置10 h的釋放量水體中氯化銨濃度為2.37 mg/L時(shí)底泥氮的釋放量(39.22 mg/kg)最大，其次是水體中氯化銨濃度為0.31 mg/L時(shí)，水體中氯化銨的濃度為11.9 mg/L時(shí)底泥氮的釋放量最小。這可能是因?yàn)樯细菜然@濃度為2.37 mg/L底泥氮的釋放量和水體氨氮的濃度達(dá)到釋放與吸附平衡的緣故所致。

水體自身磷濃度較低時(shí)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)底泥中磷的釋放速率較快。隨著水中磷濃度的不斷升高，底泥中磷的釋放速率越來(lái)越??；當(dāng)?shù)啄嘀辛椎尼尫潘俾蕼p小到一定值時(shí)，底泥中磷不再釋放。圖4為上覆水中不同磷濃度對(duì)底泥中磷釋放的影響。結(jié)果表明，在底泥磷和水體磷之間釋放與吸附未達(dá)到平衡時(shí)，其他條件相同時(shí)，上覆水中磷濃度越低，底泥中磷的釋放速度越快，相同時(shí)間釋放量越多；上覆水中磷濃度較高時(shí)，隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，底泥中磷的釋放速度越慢；相同時(shí)間底泥中磷的釋放量減少。相同條件下，2個(gè)時(shí)間段內(nèi)均表現(xiàn)為底泥釋放量隨著上覆水磷濃度的升高而降低，其中上覆水磷濃度為0.14 mg/L時(shí)底泥釋放量最高，5 h達(dá)到4.25 mg/kg，10 h達(dá)到4.91 mg/L，顯著高于其他2個(gè)濃度的底泥釋放量；相同條件下，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，10 h的底泥釋放量大于5 h。

圖3　上覆水氯化銨濃度對(duì)底泥氮釋放量的影響

圖4　上覆水磷酸鹽濃度對(duì)底泥磷酸鹽釋放量的影響

3結(jié) 論

(1) 富營(yíng)養(yǎng)化湖泊底泥氮、磷釋放量受到pH值、溫度和上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的影響。本試驗(yàn)條件下，放置時(shí)間相同的條件下底泥氮、磷釋放量均為水體pH呈中性時(shí)高于酸性和堿性pH時(shí)的釋放量。放置時(shí)間10 h條件下，pH值為7.5時(shí)底泥氮、磷釋放量分別達(dá)到22.8，8.28 mg/kg。

(2) 底泥磷的釋放量隨著溫度升高而增加，溫度為20 ℃時(shí)底泥磷的釋放量分別達(dá)到3.75 mg/kg，底泥氮的釋放量未受溫度變化影響。

(3) 底泥氮、磷的釋放量均隨著上覆水氮、磷濃度增加而減少，隨放置時(shí)間延長(zhǎng)而增加。放置10 h，在上覆水氨氮為2.37 mg/L時(shí)底泥氮的釋放量達(dá)到39.22 mg/kg；底泥磷釋放量則在上覆水磷0.14 mg/L時(shí)底泥總磷的釋放量最大，達(dá)到4.91 mg/L。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Frink C R. Nutrient Budget: Rational analysis of eutrophication in a Connecticut Lake[J]. Functional Ecology, 1967,4(3):399-407.

[2]陳永川,湯利,張德剛,等.滇池沉積物總磷的時(shí)空分布特征研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(1):51-57.

[3]盧俊平,劉廷璽,馬太玲,等.不同環(huán)境要素條件下大河口水庫(kù)底泥氮磷釋放特征研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,36(1):109-113.

[4]Hill C R, Robinson J S. Phosphorus flux from wetland ditch sediments[J]. Science of the Total Environment, 2012(437):315-322.

[5]孫士權(quán),楊靜,譚萬(wàn)春,等.東洞庭湖沉積物的釋磷特性[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào).2010,7(2):87-92.

[6]徐進(jìn),徐力剛,龔然,等.鄱陽(yáng)湖沉積物中磷吸附釋放特性及影響因素研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2014,23(4):630-635.

[7]Sondergaard M, Jensen J P, Jeppesen E. Internal phosphorus loading in shallow Danish lakes[M]∥Shallow Lakes’ 98. Springer Netherlands, 1999:145-152.

[8]黃建軍,趙新華,孫井梅.城市河道底泥釋磷的影響因素分析[J].中國(guó)給水排水,2010,26(5):93-95.

[9]高海鷹,劉韜,丁士明,等.滇池沉積物有機(jī)磷形態(tài)分級(jí)特征[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(6):2137-2140.

[10]步青云,金相燦,王圣瑞.長(zhǎng)江中下游淺水湖泊表層沉積物潛在可交換性磷研究[J].地理研究,2007,26(1):117-124.

[11]高麗,楊浩,周健民,等.滇池沉積物磷的釋放以及不同形態(tài)磷的貢獻(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(4):731-734.

[12]楊逢樂(lè),吳文衛(wèi),陳建中,等.滇池沉積物中磷的釋放行為研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,32(11):48-52.

[13]鄭苗壯,盧少勇,金相燦,等.溫度對(duì)鈍化劑抑制滇池底泥磷釋放的影響[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(9):2465-2469.

[14]易文利,王圣瑞,金相燦,等.去除輕組有機(jī)質(zhì)對(duì)湖泊沉積物磷釋放速率的影響研究[J].南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,41(4):1-7.

[15]李文奇,劉娜,周懷東,等.洋河水庫(kù)底泥磷的釋放規(guī)律研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2005,3(2):104-108.

[16]李向梅,解岳,黃廷林.景觀水體底泥釋放分析[J].水處理技術(shù),2010,36(1):60-63.

[17]陸敏,張衛(wèi)國(guó).太湖北部沉積物金屬和營(yíng)養(yǎng)元素的垂向變化及其影響因素[J].湖泊科學(xué),2003,15(3):213-219.

收稿日期：2013-08-27修回日期：2015-08-06

通訊作者：張乃明(1963—),男(漢族),山西省長(zhǎng)治市人,博士,教授,從事面源污染防控方面的研究。E-mail:zhangnaiming@sina.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0241-04

中圖分類號(hào)：X52

Factors Influencing Release of Nitrogen and Phosphorus in Eutrophication Lake Sediment

SHI Jing, YU Xiufang, XIA Yunsheng, ZHANG Naiming

(CollegeofResourcesEnvironmentScience,YunnanAgricultureUniversity,Kunming,Yunnan650201,China)

Abstract：[Objective] To study the factors influencing nitrogen and phosphorus release in eutrophication lake sediment in order to provide the scientific significance for eutrophication lake management. [Methods] Taking the urban landscape lake, Cuihu lake, which eutrophication is more serious, in Kunming City, Yunnan Province, as the study area, by controlling the different pH value, temperature and nutrient concentration of overlying water to simulate factors that affect the release of nitrogen and phosphorus in sediment. [Results] (1) Under the same conditions, the release rate of nitrogen and phosphorus in sediment was affected by the pH value of the water, and the release rate of the neutral environment (pH=7.5) was higher than that of acidic and alkaline water. Under conditions of sediment release for 5 hours, 10 hours and pH=7.5, the release of phosphorus was 5.88 mg/kg and 8.28 mg/kg respectively, nitrogen emission was 22.8 mg/kg and 38.4 mg/kg. (2) The release of nitrogen and phosphorus increased with the increase of temperature. Under temperature 20 ℃, the nitrogen and phosphorus release reached 28.62 mg/kg and 3.75 mg/kg. (3) The release rate of nitrogen and phosphorus in sediment decreased with the increase of the concentration of overlying water, while it increased with the extension of storage time. When overlying water with ammonia concentration of 0.31 mg/L placed for 5 hours, the sediment nitrogen emissions reached a maximum of 21.63 mg/kg. When it was placed for 10 hours with ammonia concentration of 2.37 mg/L, the sediment nitrogen emissions reached a maximum of 39.22 mg/kg, when the phosphorus concentration of the overlying water was 0.14 mg/L, sediment total phosphorus release reached to the maximum; When it was placed for 5 hours and 10 hours respectively, the maximum release of phosphorus reached 4.25 mg/kg and 4.91 mg/kg. [Conclusion] The release of nutrients in sediment is very complex, and its release rate is influenced by the pH value, temperature, and nutrient concentration of water.

Keywords:eutrophication lake; sediment; nitrogen and phosphorus release; Cuihu lake

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“內(nèi)源磷非常態(tài)釋放與水生生物的關(guān)系”(41030640); 云南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目“滇池湖濱農(nóng)田土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境閾值研究”(2013Z025)

第一作者：史靜(1980—),女(漢族),山西省臨汾市人,博士,副教授,從事土壤—水體氮、磷元素遷移方面的研究。E-mail:383110966@qq.cm。