富營養(yǎng)化景觀水體中氮素的遷移轉(zhuǎn)化研究進展

葉勝蘭舒曉曉

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

引言

湖泊、河流等城市濕地中封閉和半封閉景觀水體的持續(xù)富營養(yǎng)化是當前城市典型的生態(tài)環(huán)境問題之一，這導致公民生活質(zhì)量嚴重下降，身體健康得不到保障，生活環(huán)境極度惡劣。造成封閉景觀水體富營養(yǎng)化的主要原因是水中氮、磷等污染物超標，尤其當這種水體污染達到一定程度時，水體中的氮、磷元素會發(fā)生沉淀或顆粒吸附作用累積于底泥中，在一定條件下，可再次釋放于水體中造成二次污染[1-3]。因此，對于已經(jīng)富營養(yǎng)化的黑臭水體來說，即使外部污染源能夠及時得到有效控制，水中各種污染物的濃度在很長一段時間內(nèi)仍表現(xiàn)出極高的水平。其中重要的原因是底部的泥漿，底泥是湖泊、河流和池塘中污染物的重要儲存庫，也是水生態(tài)系統(tǒng)中分解和消化、物質(zhì)循環(huán)、能量流動和交換的場所。大量氮、磷營養(yǎng)物、有機物等通過各種物理作用沉積在河底淤泥中，當物質(zhì)分解分化時，會消耗大量溶解氧，使水體和底泥處于缺氧或厭氧環(huán)境中，產(chǎn)生大量有毒、有害、刺激性氣體，包括氨氮、硫化氫、甲烷等。特別是在長期厭氧環(huán)境中，沉積的污泥使耗氧量超載，形成二次內(nèi)源性污染，并再次釋放到水體中。同時，這些再生的二次污染物會增強外源氮、磷和重金屬元素的再吸收，形成惡性循環(huán)[4，5]。

1 國內(nèi)外研究進展

目前，許多專家學者通過大量研究表明，底泥與上覆水體之間氮磷養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化受多種因素影響。主要包括環(huán)境條件的影響，如水溫、pH值和溶解氧[6-8]，以及水波動的物理條件。關(guān)于丹麥淺水湖泊中磷的分布[9]、美國龐查倫湖沉積物中磷的負荷[10]以及中國尹府水庫中氮和磷的釋放規(guī)律[11]、滇池水體和沉積物中氮磷通量問題[12]等都出現(xiàn)在沉積物中過量污染物再次釋放，引發(fā)了二次污染。一些水生植物本身對養(yǎng)分的需求量很大，其可以通過根、莖、葉吸收和利用氮和磷。特別是植物根系發(fā)達的水生植物，能在底泥中生根，不僅能有效吸收養(yǎng)分，還能有效防止底泥上浮，有利于控制底泥中養(yǎng)分的釋放，降低水體二次污染的概率。該項控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程實踐[13-15]，水生植物吸收豐富的氮磷養(yǎng)分是修復、調(diào)節(jié)和控制水體富營養(yǎng)化的有效途徑[16-19]。不同物種的植類對氮磷的去除效果有很大差異。研究植物種類的氮磷去除率范圍為20%～98%。在水體修復方法中，植物生態(tài)修復是一種高效、簡單、經(jīng)濟、可持續(xù)的修復方法，已廣泛應(yīng)用于各種富營養(yǎng)化水體的修復和處理[20,21]。一些學者研究分析了水生植物鳳眼蓮對不同富營養(yǎng)化程度水體的修復效果，發(fā)現(xiàn)該植物能有效去除水體中過量的N和P元素[17]。Liu Pan等[22]研究表明，浮水植物繡球通過吸收和利用富營養(yǎng)化水體中的氮和磷，可以顯著降低其濃度。吳娟等[23]通過研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物黑藻能夠通過快速生長吸收大量氮磷，從而有效降低水體和沉積物中的氮磷含量。朱華兵等[24]比較了挺水植物鳳眼蓮和香蒲對富營養(yǎng)化水體中氮、磷的去除效果，發(fā)現(xiàn)水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)迅速下降。

實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體清潔度恢復的目標，主要是降低引起水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷的濃度。不同類型水生植物對水體和沉積物中氮磷吸收的影響已成為判斷水生植物凈化能力的重要指標。現(xiàn)有研究大多集中于不同水生植物對富營養(yǎng)化水體的有效凈化，而對不同富營養(yǎng)化程度水體形成的沉積物中氮的凈化及氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究相對較少。氮和磷是水體富營養(yǎng)化發(fā)生的最重要的限制因素。在實際工程應(yīng)用中，有必要研究不同富營養(yǎng)化程度水體沉積物中氮的釋放邊界和釋放量，以防止水體沉積物造成二次污染。對封閉景觀水體底泥氮釋放規(guī)律的研究可以應(yīng)用于景觀水體內(nèi)源污染的控制，為生態(tài)恢復提供有利條件，提高水體的自凈能力。

2 底泥—上覆水氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程

底泥與上覆水水體中氮素的主要交換形態(tài)是氨態(tài)氮，底泥和上覆水發(fā)生氮素交換的主要方式是通過氨氮的吸附和解吸附作用[25]。有研究表明[26]，底泥上覆水中氨氮的濃度變化可有效反映底泥中氨氮的吸附—解吸過程。當上覆水中氨氮濃度分別為低濃度和高濃度時，底泥中氨氮的吸附與解吸附動態(tài)變化過程呈現(xiàn)相反狀態(tài)，但變化缺失一致，均為一定波動后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同時，底泥中氨氮的濃度與底泥的吸附效率呈現(xiàn)反比，相反，上覆水中氨氮的濃度與底泥的吸附效率呈現(xiàn)正比。正是因為底泥與上覆水中存在的這一吸附—解吸動態(tài)變化過程，在控制外源性污染物質(zhì)的進入后，可通過改變底泥或水體的穩(wěn)定性來消除內(nèi)源性的污染，以改善水體質(zhì)量。

3 底泥中氮素遷移轉(zhuǎn)化的方法

3.1 上覆水環(huán)境條件促進底泥氮素釋放

底泥中的營養(yǎng)鹽分在池塘、湖泊、水庫等封閉、半封閉景觀水體中表現(xiàn)為“匯”或“源”，主要受到上覆水的物理條件、化學成分等因素的影響。當水體受到嚴重污染時，水體中大量超標的氮磷營養(yǎng)鹽分通過物理作用包括沉降、顆粒吸附作用等聚集于底泥中，而在一定條件下氮磷營養(yǎng)物質(zhì)又將反釋于水體中，造成二次污染[13,15]。影響底泥向上覆水中釋放氮磷營養(yǎng)元素的主要因素包括pH、溫度、溶解氧、水流等，見表1。

表1 影響底泥中氮磷釋放的因素

3.2 干濕交替條件促進底泥氮素釋放

當?shù)啄喑尸F(xiàn)為“濕”的狀態(tài)時，首先是進行礦化作用，此時大量的氨化微生物將通過自身的代謝作用產(chǎn)生大量的氨態(tài)氮，當累積到峰值后微生物酶促反應(yīng)將產(chǎn)生抑制作用，導致氨化微生物的數(shù)量急劇下降，其它種類的微生物以底泥中的氨態(tài)氮為能量來源進行大量繁殖，從而使得氨態(tài)氮的量迅速降低。反之，當?shù)啄啾憩F(xiàn)為“干”的狀態(tài)時，在底泥表層將聚集大量的氧氣，這有利于固氮微生物的生長代謝，同時，由于水分的蒸發(fā)帶動可溶性氮素向表層移動，出現(xiàn)總氮含量增大的現(xiàn)象。有研究表明，在干濕交替的底泥中添加砂粒，可導致底泥出現(xiàn)砂質(zhì)化，有利于降低底泥中活化的氮素含量[27]。楊斌等[26]通過研究發(fā)現(xiàn)，在底泥的上覆水層中，各類氮素的占比從大到小依次為硝氮、氨氮、亞硝氮。而底泥中的氮素則主要表現(xiàn)為有機氮，各類氮素的占比為氨氮、硝氮、亞硝氮。

3.3 控制底泥釋放的方法

底泥中的營養(yǎng)元素再次釋放已經(jīng)成為水體污染的一個重要來源。因此，在水體污染治理的過程中不僅要控制外源污染，對內(nèi)源二次釋放需要進行更多的研究與關(guān)注。有效控制底泥中營養(yǎng)元素的二次釋放對于水體污染治理具有重要意義。目前關(guān)于控制底泥釋放的主要方法有原位修復法、異位修復法，見表2。

表2 控制底泥釋放的方法

3.4 吸收底泥中氮素的植物種類研究

在底泥修復過程中，植物修復是一種長效、環(huán)保的可持續(xù)修復方法。尤其是對景觀水體造成的底泥污染狀況。植物生物修復不僅能持續(xù)有效地去除底泥、水體中過剩的氮磷物質(zhì)，還能在景觀設(shè)計中發(fā)揮美學作用。目前，已有大量研究發(fā)現(xiàn)了具有高效吸收氮磷物質(zhì)的各類水生植物，包括沉水植物、浮水植物及挺水植物。植物修復技術(shù)主要原理包括植物本身需求而直接吸收；植物根系釋放特殊的分泌物和酶；植物和根系區(qū)微生物的共同作用。

表3 植物修復方法原理

4 展望

氮磷元素過剩是造成水體富營養(yǎng)化形成底泥污染的重要物質(zhì)。而底泥中富集累積的氮磷元素存在再次釋放的潛在危險，這將對水體造成嚴重的二次污染。因此，底泥中氮磷元素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及底泥中氮磷元素釋放的控制研究都至關(guān)重要。在今后的研究中，將更多研究探索氮磷元素遷移轉(zhuǎn)化的內(nèi)在原理，開發(fā)研究新的技術(shù)、方法及新的材料以控制底泥中氮磷元素的釋放，為水體污染治理提供更為科學、有效、低價的治理方法。