上覆水環(huán)境條件對底泥氮磷釋放的影響研究*

張 茜 馮民權(quán) 郝曉燕

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

受上覆水的影響，底泥在湖泊、水庫的營養(yǎng)鹽循環(huán)中既可能扮演“匯”的角色，也可能扮演“源”的角色[1-4]。水體污染嚴重時氮磷營養(yǎng)鹽可通過沉降或者顆粒吸附作用而聚集于底泥中，再懸浮作用又會向上覆水體釋放氮磷營養(yǎng)鹽[5-8]。學(xué)者們對丹麥的淺湖[9]、美國的龐特查雷恩湖[10]以及中國的白洋淀[11]、尹府水庫[12]、北里湖[13]、翠湖[14]、滇池[15]、湯峪水庫[16]、產(chǎn)芝水庫[17]的研究發(fā)現(xiàn)，氮磷營養(yǎng)鹽在底泥與上覆水之間的遷移轉(zhuǎn)化受到溫度、pH、DO等[18-22]環(huán)境條件的影響。但這些環(huán)境條件對底泥的氮磷營養(yǎng)鹽釋放影響的規(guī)律尚處于探索階段。

本研究探索了溫度、pH、DO對底泥向上覆水釋放總氮、總磷影響的規(guī)律，從而為底泥總氮、總磷污染的防治提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采用抓斗式采樣器在內(nèi)源污染為主的漳澤水庫淤積嚴重的庫尾處(36°14′36.64″N，113°2′34.12″E)采集底泥，裝入聚乙烯桶后帶回實驗室，剔除雜質(zhì)后冷凍保存。底泥樣品的主要理化指標見表1。

表1 底泥樣品的主要理化指標

在同一地點采集底泥以上0.5 m處的上覆水帶回實驗室，4 ℃冷藏保存。由于上覆水中總氮和總磷已經(jīng)達到飽和，因此將上覆水稀釋到《山西省地表水功能區(qū)劃》要求的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質(zhì)標準值后再使用。

1.2 實驗裝置

實驗裝置(見圖1)包括有機玻璃圓筒(內(nèi)徑10 cm，高度35 cm)、恒溫水浴、進氣管、取樣管。

將底泥放入有機玻璃圓筒中，控制高度為5 cm，將上覆水沿筒壁緩緩注入有機玻璃圓筒中，控制高度為25 cm。將有機玻璃圓筒用帶進氣管和取樣管的橡膠塞塞住，取樣管伸至底泥上方5 cm處，進氣管伸至上覆水面以上，實驗過程中用夾子夾住進氣管與取樣管進行封閉。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

1.3 實驗方案

(1) 控制上覆水pH為7，DO為8 mg/L，改變溫度為15、20、25、30 ℃，研究溫度對底泥中總氮、總磷釋放到上覆水的影響。

(2) 控制溫度為20 ℃，上覆水DO為8 mg/L，調(diào)節(jié)pH為5、7、9、10，研究pH對底泥中總氮、總磷釋放到上覆水的影響。

(3) 控制溫度為20 ℃，上覆水pH為7，調(diào)節(jié)DO為2、4、6、8 mg/L，研究DO對底泥中總氮、總磷釋放到上覆水的影響。

每個實驗方案平行做2次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.4 實驗監(jiān)測和計算

采集每個實驗方案0、12、24、36、48、60、72、84、96、108、120 h時的水樣，每次取200 mL，并用上覆水補充。

總氮采用堿性過硫酸鉀消解/紫外分光光度法測定；總磷采用過硫酸鉀消解/鉬酸銨分光光度法測定。

總氮和總磷的釋放強度計算參考文獻[23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水溫度對底泥總氮、總磷釋放的影響

圖2(a)顯示，36 h后，底泥總氮釋放強度與上覆水溫度之間顯現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，隨著溫度的升高，底泥總氮釋放強度增加。96 h后，總氮釋放強度基本趨于穩(wěn)定。120 h時，30 ℃條件下底泥總氮釋放強度是15 ℃條件下的1.65倍。因為溫度升高會使得各種物理、化學(xué)、生物反應(yīng)條件(如擴散、有機質(zhì)降解等)發(fā)生改變。盧俊平等[24]發(fā)現(xiàn)，溫度升高，底泥中的有機氮分解加速，向上覆水的釋放強度也增大。

圖2 不同溫度條件下總氮、總磷釋放強度隨時間變化Fig.2 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different temperature conditions

圖2(b)顯示，上覆水溫度對底泥中總磷釋放強度的影響規(guī)律與總氮基本相似，也是36 h后，底泥總磷釋放強度與上覆水溫度之間顯現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，隨著溫度的升高，底泥總磷釋放強度增加，不過總磷120 h時釋放強度還未達到穩(wěn)定。120 h時，30 ℃條件下底泥總磷釋放強度是15 ℃條件下的3.40倍。主要原因可能是因為升高溫度會促進底泥中微生物及底棲動物的活動，加快氧化分解作用；同時，升高溫度對底泥中有機物的礦化也有較大影響，從而使底泥中的有機磷和顆粒態(tài)磷釋放加速。

不同溫度條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強度如表2所示。利用SPSS 19.0軟件將溫度分別與底泥中總氮、總磷的平均釋放強度進行各種曲線擬合(見表3)發(fā)現(xiàn)，在15～30 ℃范圍內(nèi)，底泥中總氮平均釋放強度與溫度的關(guān)系最符合二次曲線(R2為0.998)，總磷的平均釋放強度與溫度的關(guān)系最符合三次曲線(R2為0.999)。底泥中總氮、總磷的平均釋放強度與溫度的回歸方程分別見式(1)和式(2)。F檢驗表明，式(1)的標準偏差(σ)為0.041，式(2)的為0.048，均小于0.05。

P總氮=0.362×T2+7.248×T+322.763

(1)

P總磷=0.001×T3+0.014×T2+3.626

(2)

式中：P總氮、P總磷分別為總氮和總磷的平均釋放強度，mg/m2；T為上覆水溫度，℃。

2.2 上覆水pH對底泥總氮、總磷釋放的影響

圖3(a)顯示，pH中性不利于底泥中總氮的釋放，而強堿最有利于總氮釋放。120 h時，pH=10時底泥總氮釋放強度是pH=7.0時的1.34倍。該釋放規(guī)律也基本是在36 h后逐漸顯現(xiàn)出來，96 h后，總氮釋放強度基本趨于穩(wěn)定。

圖3(b)顯示，pH對底泥總磷釋放強度的影響規(guī)律從一開始就已顯現(xiàn)出來，總磷釋放強度堿性>酸性>中性。120 h時pH=10、pH=9條件下總磷釋放強度分別達到179.22、86.69 mg/m2。這是由于在堿性條件下，水體中OH-能與結(jié)合態(tài)磷(如鐵結(jié)合態(tài)磷和鋁結(jié)合態(tài)磷)發(fā)生交換，從而使得磷向上覆水釋放。酸性條件下總磷釋放強度較大，可能是因為H+對部分結(jié)合態(tài)磷具有溶出作用，另一方面微生物對有機磷進行降解，釋放CO2和溶解態(tài)磷也會促使pH降低和磷的釋放。

不同pH條件下總氮、總磷的平均釋放強度如表4所示。利用SPSS 19.0軟件將pH分別與底泥中總氮、總磷的平均釋放強度進行各種曲線擬合(見表5)發(fā)現(xiàn)，在pH為5～10的范圍內(nèi)，底泥中總氮和總磷的平均釋放強度與pH的關(guān)系均最適合用三次曲線擬合(R2分別為0.976、0.999)，回歸方程分別如式(3)和式(4)所示。F檢驗表明，式(3)、式(4)的σ分別為0.016、0.038，也均小于0.05。

P總氮=2.319×X3-25.308×X2+1 049.285

(3)

表2 不同溫度條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強度

表3 總氮、總磷的平均釋放強度與溫度的R2

圖3 不同pH條件下總氮、總磷釋放強度隨時間變化Fig.3 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different pH conditions

表4 不同pH條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強度

表5 總氮、總磷的平均釋放強度與pH的R2

P總磷=673.000×X3-6.860×X2+117.715

(4)

式中：X為上覆水pH。

2.3 上覆水DO對底泥總氮、總磷釋放的影響

從圖4(a)可以看出，36 h后，底泥中總氮釋放強度總體隨上覆水DO濃度的升高而降低，但DO=6 mg/L和DO=8 mg/L差別變小，這可能與底泥中含氮化合物的存在形式及微生物作用方式有關(guān)[23]。

不同DO條件下總氮、總磷的平均釋放強度如表6所示。利用SPSS 19.0軟件將DO分別與底泥中總氮、總磷的平均釋放強度進行各種曲線擬合(見表7)發(fā)現(xiàn)，在DO為2～8 mg/L的范圍內(nèi)，底泥中總氮、總磷的平均釋放強度與DO的關(guān)系均最適合用三次曲線擬合(R2分別為1.000、1.000)，回歸方程分別如式(5)和式(6)所示。F檢驗表明，式(5)、式(6)的σ均小于0.01。

P總氮=3.879×Y3-55.265×Y2+177.568×Y+750.199

(5)

P總磷=-0.030×Y3+0.590×Y2-4.691×Y+29.082

(6)

式中：Y為上覆水DO，mg/L。

圖4 不同DO條件下底泥總氮、總磷釋放強度隨時間變化Fig.4 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different DO conditions

表6 不同DO條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強度

表7 總氮、總磷的平均釋放強度與DO的R2

2.4 不同環(huán)境條件對底泥氮磷釋放影響的大小

為了比較不同環(huán)境條件對底泥中總氮、總磷釋放強度的影響大小，計算不同環(huán)境條件下底泥中總氮、總磷平均釋放強度的極差。15～30 ℃范圍內(nèi)，總氮平均釋放強度極差為357.63 mg/m2，總磷為24.37 mg/m2；pH為5～10的范圍內(nèi)，總氮平均釋放強度極差為227.44 mg/m2，總磷為91.53 mg/m2；DO為2～8 mg/L的范圍內(nèi)，總氮平均釋放強度極差為295.69 mg/m2，總磷為8.04 mg/m2。極差分析表明，環(huán)境條件對底泥總氮釋放影響的大小表現(xiàn)為溫度>DO>pH，對底泥總磷釋放影響的大小表現(xiàn)為pH>溫度>DO。

3 結(jié) 論

(1) 隨著溫度升高，總氮、總磷釋放強度增加；中性(pH=7)不利于底泥總氮、總磷的釋放，強堿性(pH=10)條件下總氮、總磷釋放強度最大；底泥中總氮、總磷的釋放強度總體隨DO濃度的升高而降低。

(2) 底泥中總氮平均釋放強度與溫度(R2為0.998)的關(guān)系符合二次曲線，與pH(R2為0.976)和DO(R2為1.000)的關(guān)系都符合三次曲線；總磷平均釋放強度與溫度(R2為0.999)、pH(R2為0.999)和DO(R2為1.000)的關(guān)系均符合三次曲線。

(3) 極差分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境條件對底泥總氮釋放影響的大小表現(xiàn)為溫度>DO>pH，對底泥總磷釋放影響的大小表現(xiàn)為pH>溫度>DO。