湯遜湖·南湖及墨水湖底泥沉積物中氮磷的釋放特征

林子陽(yáng)，姜應(yīng)和*，程潤(rùn)喜，胡 芳，周 歡，陳銘楷

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430070；2.路德環(huán)境科技股份有限公司，湖北武漢 430000)

湯遜湖位于武漢市東南部，水域面積達(dá)47.62 km2，橫跨江夏區(qū)、洪山區(qū)和東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，是武漢最大的城中湖；南湖位于武昌南部，水域面積達(dá)7.67 km2，是武漢市第三大的城中湖；墨水湖位于漢陽(yáng)西南，水域面積達(dá)3.64 km2，為淺水湖泊。隨著湖泊周邊城市發(fā)展，各類污染物排入湖中，造成水體污染。水中營(yíng)養(yǎng)鹽通過(guò)一系列理化作用，逐漸蓄積于湖泊底泥之中。其中，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽是湖泊底泥營(yíng)養(yǎng)鹽的主要組成部分，對(duì)水體環(huán)境影響極大。在外界環(huán)境的影響下，底泥中的氮磷元素部分被沉水植物吸收，重新參與物質(zhì)循環(huán)；部分以閉蓄態(tài)或結(jié)合態(tài)的形式穩(wěn)定存在，難以被釋放；部分通過(guò)擴(kuò)散作用重新進(jìn)入上覆水中，造成二次污染[1]。這部分重新被釋放的氮磷元素，也是湖泊水體治理水質(zhì)難以根本好轉(zhuǎn)的主因之一。

底泥中氮磷的釋放是一個(gè)物理、化學(xué)和生物綜合作用的過(guò)程，其釋放、累積和輸送遵循一定的規(guī)律[2]。底泥中氮磷的釋放受到如DO、溫度、pH、上覆水污染物濃度等因素的影響[3]。筆者以湯遜湖、南湖和墨水湖為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)模擬法對(duì)底泥氮磷釋放規(guī)律進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集將帶上覆水和底泥的柱樣定義為A類試驗(yàn)柱樣，不帶上覆水的底泥柱樣定義為B類試驗(yàn)柱樣。在湯遜湖(114°23′E,30°25′N)、南湖(114°21′E,30°30′N)和墨水湖(114°14′E，30°32′N)各設(shè)一個(gè)取樣點(diǎn)，每一取樣點(diǎn)取1個(gè)A類試驗(yàn)柱樣和2個(gè)B類試驗(yàn)柱樣。A類試驗(yàn)柱樣取樣管長(zhǎng)為2.5 m，上覆水采樣深度不小于1.5 m，底泥采樣深度不小于70 cm；B類試驗(yàn)柱樣取樣管長(zhǎng)為1.5 m，底泥采樣深度不小于1.0 m。取樣點(diǎn)具體位置如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points

1.2 樣品的處理各試驗(yàn)柱樣被帶回試驗(yàn)室后，將A類試驗(yàn)柱樣的上覆水用虹吸管調(diào)整至相同深度(上覆水深度為1.5 m)。對(duì)上覆水進(jìn)行測(cè)量所得各理化指標(biāo)如表1所示。

表1 各湖泊上覆水理化指標(biāo)Table 1 Physical and chemical indicators of overlying water in each lake

對(duì)B類試驗(yàn)柱樣的表層(0～5 cm)底泥進(jìn)行采樣，吸除水分后置于陰涼處自然風(fēng)干，研磨后過(guò)100目篩，保存在聚乙烯袋中備用。測(cè)得底泥TN、TP含量如表2所示。

表2 各湖泊底泥中TN、TP含量Table 2 Contents of TN and TP in sediments in each lake 單位：mg/kg

1.3 底泥釋放營(yíng)養(yǎng)鹽試驗(yàn)方法將從3個(gè)湖泊各取的1個(gè)A類試驗(yàn)柱樣分別命名為湯遜湖、南湖和墨水湖試驗(yàn)柱。該試驗(yàn)采樣時(shí)間為夏季，試驗(yàn)期間水溫維持在(30±1)℃。將試驗(yàn)柱中原上覆水替換為蒸餾水。監(jiān)測(cè)上覆水中DO、TN、NH4+-N、NO3--N和TP的變化，前期每隔 24 h 取樣并檢測(cè)，后期取樣并檢測(cè)的時(shí)間間隔為 48 h，每次采集水樣后分別用蒸餾水補(bǔ)足。

累計(jì)釋放量γ(mg)用以下公式計(jì)算[4]：

(1)

式中,V為試驗(yàn)柱中上覆水總體積(L)；n為采樣次數(shù)，n≥2，當(dāng)n=1，僅取式右兩項(xiàng)中的第一項(xiàng)；Vj為每次采集水樣的體積(L)；Cn為第n次采樣時(shí)測(cè)出的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(mg/L)；Cj為第j次采樣時(shí)測(cè)出的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(mg/L)；Ca為每次取樣后補(bǔ)充水樣中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度(mg/L)；C0為各類上覆水中營(yíng)養(yǎng)鹽的初始濃度(mg/L)。

1.4 水質(zhì)檢測(cè)方法上覆水中DO采用JPB-607A溶解氧儀測(cè)定。TN、NH4+-N、NO3--N和TP采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》提供的方法測(cè)定：TN 采用過(guò)硫酸鉀氧化，紫外分光光度法測(cè)定；TP 采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定；NH4+-N采用納氏試劑比色法測(cè)定；NO3--N采用紫外分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水中各指標(biāo)的變化不同湖泊底泥條件下，上覆水中各指標(biāo)的變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知，3個(gè)試驗(yàn)柱中水樣各指標(biāo)的變化趨勢(shì)基本一致。DO含量在10 d前持續(xù)下降，可能是好氧微生物的持續(xù)活動(dòng)導(dǎo)致的[5];16 d后DO略有回升，此時(shí)其他營(yíng)養(yǎng)鹽濃度基本處于平衡階段，水體環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明存在一定程度的大氣復(fù)氧。TN、NO3--N和TP均呈持續(xù)上升趨勢(shì)，墨水湖試驗(yàn)柱的上覆水中TN濃度最高，湯遜湖試驗(yàn)柱次之，南湖試驗(yàn)柱最低;NO3--N濃度排序與TN一致;南湖試驗(yàn)柱的上覆水中TP濃度最高,湯遜湖試驗(yàn)柱次之，墨水湖試驗(yàn)柱最低。由表1可知，對(duì)于原上覆水而言，TN濃度表現(xiàn)為墨水湖>湯遜湖>南湖，與試驗(yàn)結(jié)果相符，且各試驗(yàn)柱中上覆水TN的最終濃度均小于各湖泊實(shí)測(cè)結(jié)果。這可能是因?yàn)樵谧匀缓吹纳细菜h(huán)境內(nèi)存在大量生物活動(dòng)，以湯遜湖為例，現(xiàn)仍有相當(dāng)規(guī)模的漁業(yè)養(yǎng)殖[6]。它們的代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的氮元素部分懸浮在上覆水中，進(jìn)一步提高了TN的含量。TP濃度表現(xiàn)為南湖>湯遜湖>墨水湖，主要以溶解性磷酸鹽(SRP)的形式存在[7]，也與試驗(yàn)結(jié)果相符，但各試驗(yàn)柱中上覆水TP的最終濃度均大于各湖泊實(shí)測(cè)結(jié)果。該試驗(yàn)在夏季進(jìn)行，氣溫較高，史靜等[8]研究表明，溫度對(duì)氮磷元素釋放的影響類似，但對(duì)磷的影響更顯著。且當(dāng)溫度升高到一定程度后，由于生物活性不再提高，氮的釋放不再明顯增強(qiáng)，而磷由于氧化還原電位的降低和含磷沉積物溶解加快等原因，釋放更為明顯[9]。而自然水體中存在藻類及沉水植物對(duì)溶解性磷酸鹽的吸收，降低了環(huán)境中磷的濃度，所以各湖泊TP的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)低于試驗(yàn)條件下釋放的TP。NH4+-N表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，這可能與底泥中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮和硝化反應(yīng)有關(guān)。

圖2 各試驗(yàn)柱上覆水各指標(biāo)隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Variation curve of various indicators of overlying water on each test column with time

2.2 上覆水中氮類營(yíng)養(yǎng)鹽變化不同湖泊底泥條件下，上覆水中各類含氮營(yíng)養(yǎng)鹽變化如圖3所示。由圖3可知，各試驗(yàn)柱中TN絕大部分由NO3--N組成。說(shuō)明氮元素主要以無(wú)機(jī)氮的形式向上覆水中釋放，難以以有機(jī)氮的形式釋放。在試驗(yàn)初期，各試驗(yàn)柱均出現(xiàn)NH4+-N濃度迅速上升的趨勢(shì)，這可能是由于在向試驗(yàn)柱內(nèi)注入蒸餾水的過(guò)程中，對(duì)底泥造成了一定擾動(dòng)，且試驗(yàn)初期水體中溶解氧充足。這可能是因?yàn)榈啄嘀写嬖诤醚跷⑸飳⒂袡C(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮[10]。在前10 d，水體中溶解氧持續(xù)下降，NH4+-N也持續(xù)下降，NO3--N則持續(xù)上升，說(shuō)明水體中存在硝化反應(yīng)將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N。但也可以看出，NO3--N增長(zhǎng)的量大于NH4+-N減少的量，說(shuō)明底泥仍在向上覆水中釋放NO3--N或釋放NH4+-N并轉(zhuǎn)化為NO3--N。陶玉炎等[11]研究表明，溶解氧缺乏的條件下，沉積物氮主要以NH4+-N形式釋放，溶解氧充足條件下，沉積物氮主要以NO3--N形式釋放。王圣瑞等[12]研究表明，底泥中可釋放的氮主要以NO3--N的形式存在；且由于土壤帶負(fù)電荷，銨根帶正電荷，易被土壤吸附難以釋放，而硝酸根帶負(fù)電荷，更容易釋放。

圖3 各試驗(yàn)柱上覆水含氮營(yíng)養(yǎng)鹽隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation curve of nitrogen containing nutrient salts in the overlying water of each test column with time

2.3 上覆水中TN、TP累計(jì)釋放量的變化從各試驗(yàn)柱上覆水中TN和TP累計(jì)釋放量的變化趨勢(shì)(圖4)可以看出，不同湖泊底泥氮磷的累計(jì)釋放量變化趨勢(shì)基本相同。由于釋放強(qiáng)度受上覆水與底泥間的濃度差影響，根據(jù)Fick第一擴(kuò)散定律[13]，在靜態(tài)釋放條件下，由于底泥-水界面濃度梯度的影響，底泥TN和TP的釋放速率在初期最大，隨時(shí)間的延續(xù)，釋放速率逐漸降低[14]，則累計(jì)釋放量的增長(zhǎng)也由陡變緩；最終，隨著濃度差的不斷縮小，擴(kuò)散作用不斷減弱，上覆水與底泥間逐漸達(dá)到某個(gè)平衡點(diǎn)，累計(jì)釋放量不再明顯增長(zhǎng)，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)墨水湖TN的累計(jì)釋放量最大，說(shuō)明墨水湖可能具有更大的氮釋放能力；南湖TP的累計(jì)釋放量最大，說(shuō)明南湖可能具有更大的磷釋放能力。

圖4 各試驗(yàn)柱上覆水TN(a)和TP(b)累計(jì)釋放量隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation curve of cumulative release amount of TN (a) and TP(b) in the overlying water of each test column with time

2.4 底泥沉積物氮磷存在形態(tài)對(duì)釋放的影響底泥中的氮磷元素并不都具有向上覆水中釋放的潛力。不同湖泊表層底泥TN中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TAN、TTN)及TP中易轉(zhuǎn)化態(tài)磷占比區(qū)別均較大。王圣瑞等[12]對(duì)太湖等長(zhǎng)江中下游湖泊的表層底泥測(cè)量發(fā)現(xiàn)，TN中可交換氮(EN)占比為6.29%～19.24%；對(duì)太湖和武漢月湖表層底泥的研究發(fā)現(xiàn)，TN中TAN的占比隨粒徑的降低而升高[15]，其中最容易釋放的IEF-N是可轉(zhuǎn)化態(tài)無(wú)機(jī)氮的主體,占總可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的7.37%～22.25%。趙寶剛等[16]研究發(fā)現(xiàn)駱馬湖等4個(gè)湖泊表層底泥TN中TAN占比均值為50.93%～73.10%，IEF-N占TTN的6.74%～8.82%。葉華香等[17]對(duì)南山湖表層底泥測(cè)量發(fā)現(xiàn)，潛在可移動(dòng)形態(tài)磷占TP的54.06%。馬金玉等[18]研究表明，最易釋放的EX-P占華陽(yáng)河湖群表層底泥TP的0.4%～4.9%。周帆琦等[19]測(cè)得武漢南湖與東湖表層底泥TP中EX-P占比為3%～11%。上述試驗(yàn)均表明，不同湖泊的表層底泥具有各自的形態(tài)分布特征，TN、TP中具有釋放潛力的部分占比也因湖泊環(huán)境和外源輸入的不同而有差異。

此次試驗(yàn)測(cè)得3個(gè)湖泊表層(0～5 cm)底泥的干重約為166 g，根據(jù)表2的各湖泊底泥TN、TP含量計(jì)算得出的各湖泊累計(jì)釋放量占表層底泥內(nèi)氮磷含量的比值如表3所示。從表3可以看出，該試驗(yàn)中各湖泊底泥氮磷累計(jì)釋放量?jī)H占表層底泥氮磷含量的極少部分，顯然低于潛在可釋放的氮磷總量。大量可釋放的氮磷留存在底泥中，形成內(nèi)源污染，使得湖泊水質(zhì)情況難以好轉(zhuǎn)，持續(xù)呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化。通過(guò)2016—2020年武漢水務(wù)局發(fā)布的武漢市水資源公報(bào)[20-24]可知，湯遜湖水質(zhì)條件為Ⅴ類，中度富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)變化穩(wěn)定；南湖水質(zhì)條件仍為劣Ⅴ類，中度富營(yíng)養(yǎng)化；墨水湖水質(zhì)條件由劣Ⅴ類轉(zhuǎn)為Ⅴ類，中度富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)。這說(shuō)明底泥中大量富集的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)湖泊環(huán)境的治理仍形成較大阻礙。

表3 各湖泊累計(jì)釋放量占比Table 3 The proportion of cumulative release of each lake

3 結(jié)論

(1)夏季環(huán)境下各湖泊底泥樣本向上覆水中釋放的氮主要以NO3--N的形式存在，墨水湖底泥向上覆水中釋放的氮最多，有較強(qiáng)的釋放能力；南湖底泥向上覆水中釋放的磷最多，有較強(qiáng)的釋放能力。在未來(lái)的治理計(jì)劃中可針對(duì)各湖泊不同的釋放特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性治理。

(2)各湖泊底泥具備釋放潛力的氮磷元素占比具有不同特征，最終呈現(xiàn)出的釋放總量不一定由不同湖泊底泥間的氮磷總量簡(jiǎn)單決定。此次試驗(yàn)中向上覆水釋放的氮磷含量?jī)H占底泥氮磷總量的極少部分，說(shuō)明湯遜湖、南湖和墨水湖底泥均具有較大的氮磷釋放潛力，這也是導(dǎo)致各湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主因之一。