太湖潛流帶膠體分布特征及對(duì)氨氮分布的影響

錢(qián)佳寧，李 勇,2，李 娜,2，單雅潔，馮家成，徐 鴻

（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

0 引言

水體和土壤介質(zhì)中通常含有豐富的膠體物質(zhì)，對(duì)污染物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化存在重要影響，從而進(jìn)一步影響污染物質(zhì)在水-土界面的交換[1-3]。膠體通常指粒徑范圍在1 nm ～ 1 μm 的懸浮分散體系[4]，主要由各種有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、金屬氧化物等組成[5]。由于膠體粒徑小，比表面積大，對(duì)污染物的吸附能力較強(qiáng)，能吸附大量的污染物質(zhì)。膠體的含量分布及聚沉懸浮等行為特征對(duì)攜帶的物質(zhì)特別是（重）金屬、氮、磷、放射性污染物的遷移轉(zhuǎn)化和吸附具有明顯的促進(jìn)或阻滯作用[6]，從而影響它們的分布。XU H C 等[7]研究表明沉積物中的膠體可以吸附沉積物中的Pb2+，且有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)提高膠體的吸附能力。JUDY J D 等[8]發(fā)現(xiàn)低氮含量土壤中，高達(dá)45%的土壤全氮為膠體結(jié)合態(tài)，增加了土壤中氮的流動(dòng)性。磷在土壤介質(zhì)中通常遷移性較弱，但在釋放的膠體物質(zhì)的輔助遷移下，膠體攜帶的磷在土壤中的遷移速度更快且遷移距離更遠(yuǎn)[9-10]。QIAN K 等[11]發(fā)現(xiàn)適宜條件下膠體會(huì)促進(jìn)碘在地下水中的溶解，且膠體粒徑影響著碘與鐵和天然有機(jī)物的相關(guān)性。

潛流帶作為地表水和地下水之間物質(zhì)和能量交換的活躍過(guò)渡區(qū)域，其膠體含量分布及攜帶的污染物對(duì)水-沉積物界面物質(zhì)的交換有重要影響[6]。NH4+-N 是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和藻華暴發(fā)的重要影響因素之一[12-13]，其與帶負(fù)電荷的膠體物質(zhì)容易結(jié)合并隨之遷移交換。研究顯示，太湖深層潛流帶中NH4+-N 含量較高，在沉積物中占無(wú)機(jī)氮總量的73.2%，在孔隙水中占86.4%[14]。膠體物質(zhì)的含量和遷移能力影響著這部分NH4+-N 的垂向遷移及向水體的釋放交換通量[6]。王博等[15]采用土柱試驗(yàn)研究表明，膠體既會(huì)促進(jìn)NH4+-N 遷移，也會(huì)阻礙NH4+-N遷移，這取決于膠體的含量及其自身的吸附釋放和遷移特性。膠體對(duì)NH4+-N 遷移的能力還受離子價(jià)態(tài)的影響，研究發(fā)現(xiàn)含水介質(zhì)中Ca2+比Na+對(duì)膠體阻礙NH4+-N 遷移的作用更明顯[16]。

膠體物質(zhì)在水體和土壤沉積物介質(zhì)中廣泛存在[17-19]，太湖等大型淺水湖泊潛流帶膠體的空間分布差異及其對(duì)NH4+-N 分布的影響目前鮮有報(bào)道。本文以太湖潛流帶為研究對(duì)象，通過(guò)采集東、南、西、北、中5 個(gè)湖區(qū)的沉積物柱狀樣，分析不同粒徑范圍膠體的分布特征及相應(yīng)NH4+-N 的含量分布特征，討論膠體物質(zhì)粒徑分布與其所攜帶NH4+-N 含量的關(guān)系，研究膠體含量分布對(duì)NH4+-N 含量分布的影響，為太湖等淺水湖泊水體內(nèi)源控制及綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況及采樣方法

太湖為中國(guó)第三大淡水湖泊，水域面積約為2 340 km2，多年平均水深1.9 m。為探究太湖不同區(qū)域潛流帶膠體及NH4+-N 的分布特征，于2018年7月進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，采樣地點(diǎn)為太湖東部E（E120°19′45.91′′,N31°15′05′′）、南部S（E120°12′55′′,N30°56′50.74′′）、西部W（E119°58′42.00′′,N31°10′00′′）、北部N（E120°09′37′′,N31°30′50.29′′）及中部C （E120°09′00′′,N31°18′00′′）。使用內(nèi)徑為70 mm 的PVC 管，手動(dòng)垂直插入太湖沉積物中約100 cm，現(xiàn)場(chǎng)將沉積物柱狀樣均分為5 層，分別裝入黑色聚乙烯塑料袋中并密封編號(hào)，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后測(cè)定其有機(jī)質(zhì)、膠體及NH4+-N 含量，上述各指標(biāo)均設(shè)置3 個(gè)平行樣測(cè)定，以沉積物干樣計(jì)。采樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

圖1 采樣點(diǎn)位置

1.2 樣品分析和數(shù)據(jù)處理

將沉積物樣品風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩混合均勻，取樣品40 g，根據(jù)常見(jiàn)濾膜孔徑利用超濾杯分別提取粒徑范圍為0.45～1，0.22～0.45，0.1～0.22 及≤0.1 μm 的膠體；分別取風(fēng)干后的各粒徑范圍內(nèi)的膠體各5 g，測(cè)定其所吸附的NH4+-N 含量。沉積物中NH4+-N 采用KCl 浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[20]。

采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析，Origin 9.0繪制相關(guān)圖表，SPSS 23.0 進(jìn)行單因素方差分析（Duncan 多重比較）與Pearson 相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠體分布差異的影響因素

太湖潛流帶中膠體含量分布差異顯著 （P ＜0.05），各區(qū)域平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低依次為228.7（N），137.1（W），127.7（E），119.8（S）和90.7（C）g/kg。有機(jī)質(zhì)是膠體的重要組成部分，太湖北部、西部和東部膠體含量較高，主要原因?yàn)樵摵^(qū)有機(jī)質(zhì)含量豐富，北部和西部為藻型湖區(qū)，有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于藻類(lèi)碎屑和陸源高等植物殘?bào)w；東部為草型湖區(qū)，有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于沉水植物和硅藻[21-22]。湖中部膠體平均含量最少，可能是該區(qū)域沉積物在風(fēng)浪作用下易往岸邊堆積[23]，因此有機(jī)質(zhì)含量相比其他湖區(qū)最低。

膠體含量垂向分布結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可知，各湖區(qū)潛流帶中膠體含量垂向分布特征基本一致，均隨深度的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)。水流的影響造成潛流帶膠體垂向分布不均[24]，一方面，膠體在水流作用下遷移的過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚或分散，團(tuán)聚的膠體受重力作用逐漸沉降，又在水動(dòng)力作用下分散破碎，重新釋放到水體中，進(jìn)而影響所吸附污染物的遷移轉(zhuǎn)化；另一方面，水流攜帶DO 及部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入潛流帶，使一些金屬離子易形成金屬氧化物膠體，如氫氧化鐵膠體等，研究發(fā)現(xiàn)太湖西岸聚藻區(qū)沉積物中鐵氧化物主要分布在沉積物40～60 cm 深度處[25]。

在水流的影響下，各區(qū)域表層沉積物（0～20 cm深度）中膠體含量普遍較低。通過(guò)水流變化，水體在沉積物表面形成切向力場(chǎng)[26]，當(dāng)水動(dòng)力作用大于顆粒物間的黏合力時(shí)，膠體將隨水流遷移。潛流帶中的膠體可隨下行水流遷移到沉積物深處，隨上行水流進(jìn)入上覆水中。同時(shí)，太湖水深較淺，地勢(shì)平坦，在風(fēng)浪擾動(dòng)的影響下表層沉積物與水體交換作用強(qiáng)烈，膠體易受水的擾動(dòng)遷移到水體中。

圖2 太湖潛流帶中膠體含量垂向分布

2.2 NH4+-N 分布差異的影響因素

太湖潛流帶中NH4+-N 含量垂向分布見(jiàn)圖3。由圖3 可知，潛流帶中NH4+-N 分布差異較大，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低分別為2.35（E），2.35（N），1.07（C），0.79（S），0.72（W）g/kg。南部及西部NH4+-N 含量垂向分布特征相同且隨深度增加先下降后有所上升，但變幅較小。東部和北部NH4+-N 垂向呈鋸齒狀分布且各層含量極為相近，總體上隨深度大幅上升。湖區(qū)中部NH4+-N 垂向亦呈鋸齒狀分布，但變化趨勢(shì)與東部和北部相反且總體含量明顯更低。

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，太湖潛流帶中膠體與NH4+-N總含量之間相關(guān)性不顯著（r=0.376，P ＞0.05）。可能是由于膠體在沉積物中占比極少，大部分非膠體粒級(jí)的沉積物中也存在著一部分NH4+-N（約占27.3%）。然而，被膠體吸附的NH4+-N 量卻占到了沉積物中NH4+-N 總量的72.7%，說(shuō)明膠體很大程度上控制著NH4+-N 的含量與分布。大多數(shù)膠體帶負(fù)電，因而可通過(guò)靜電作用吸附具有正電荷的NH4+-N。膠體對(duì)NH4+-N 的影響作用并不是單一的促進(jìn)或阻滯作用，而是與膠體濃度有關(guān)[15]。同時(shí)，膠體遷移過(guò)程中粒徑的變化能夠引起自身的形態(tài)改變[26]，進(jìn)一步影響NH4+-N 的遷移。若膠體團(tuán)聚體的粒徑大于沉積物顆粒間的孔隙，則會(huì)阻礙膠體的遷移，反之，膠體可借助潛流和布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散遷移。

圖3 太湖潛流帶中NH4+-N 含量垂向分布

2.3 不同粒徑的膠體對(duì)所吸附的NH4+-N 含量和分布的影響

太湖潛流帶中屬于膠體粒級(jí)的沉積物占沉積物總質(zhì)量的0.01%。各區(qū)域膠體粒徑分布及NH4+-N 分布情況見(jiàn)圖4。由圖4 可知，膠體粒徑分布差異較明顯，其中粒徑范圍為0.45～1，0.1～0.22 μm 的膠體含量相對(duì)較高 （分別約占膠體總量的33.7%和31.2%），粒徑≤0.1 μm 的膠體含量較低 （約占10.0%）。粒徑范圍0.1～0.22 μm 的膠體所吸附的NH4+-N 最多（占膠體吸附NH4+-N 總量的34.1%），其次是粒徑范圍為0.45～1 μm（占24.3%）和≤0.1 μm（占22.0%）的膠體，0.22 ～ 0.45 μm 吸附相對(duì)最少（占19.7%）。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)粒徑范圍為0.45～1 μm 和0.1 ～ 0.22 μm 的膠體與NH4+-N 的吸附量相關(guān)性顯著（相關(guān)系數(shù)分別為r=0.597，P ＜0.01；r=0.413，P ＜0.05），而粒徑范圍為0.22～0.45 與≤0.1 μm 的膠體與所吸附的NH4+-N 量相關(guān)性均不顯著（相關(guān)系數(shù)分別為r=0.361，P ＞0.05；r=-0.144，P ＞0.05），表明粒徑范圍為0.45～1，0.1～0.22 μm 的膠體對(duì)NH4+-N 分布影響更大。

圖4 各區(qū)域不深度膠體及NH4+-N 含量分布

膠體對(duì)NH4+-N 的吸附能力受粒徑大小和表面積影響，膠體粒徑越小，比表面積越大，表面能越大，其吸附能力就越強(qiáng)[27]。因此，大顆粒膠體的吸附能力較小顆粒膠體弱。粒徑范圍為0.45～1 μm 的膠體雖吸附能力相對(duì)較弱，但其在沉積物中含量比粒徑范圍為0.22～0.45 μm 和≤0.1 μm 的膠體高，因此吸附的NH4+-N 量也相對(duì)較高。粒徑更?。ā?.1 μm）的膠體容易短時(shí)間內(nèi)聚集成0.1 ～ 1 μm 的粒子[28]，導(dǎo)致粒徑≤0.1 μm 的膠體數(shù)量較少，因此NH4+-N的吸附量也較少。

膠體的團(tuán)聚分散不僅影響其粒徑變化，也影響周?chē)难趸€原環(huán)境。團(tuán)聚的膠體可看作獨(dú)立的微生態(tài)系統(tǒng)，其內(nèi)部為缺氧/低氧環(huán)境，可能發(fā)生反硝化或厭氧氨氧化作用[29-31]。當(dāng)太湖表層沉積物中團(tuán)聚的膠體破碎分散后與水流等介質(zhì)的接觸面積增大時(shí)，吸附在膠體表面及裹挾在內(nèi)部的NH4+-N 反應(yīng)路徑可能因此發(fā)生變化。由此可見(jiàn)，膠體的氧化還原反應(yīng)將對(duì)膠體的形態(tài)、膠體吸附物的價(jià)態(tài)產(chǎn)生深刻影響，并最終影響膠體的遷移規(guī)律以及所結(jié)合污染物的環(huán)境效應(yīng)[26]。膠體對(duì)NH4+-N 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化將很大程度地影響湖泊的水質(zhì)，在今后湖泊內(nèi)源污染治理及富營(yíng)養(yǎng)化控制中需考慮膠體在沉積物中的含量與對(duì)NH4+-N 遷移的輔助作用。

3 結(jié)論

（1）太湖潛流帶中屬于膠體粒級(jí)的沉積物占沉積物總量的0.01%，不同區(qū)域含量分布差異顯著，北部膠體含量最高，中部相對(duì)最低。各區(qū)域沉積物膠體垂向分布規(guī)律基本一致，膠體含量隨深度的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)。膠體的粒徑分布及相應(yīng)含量存在明顯差異，其中粒徑范圍為0.45～1 μm 的膠體最多（約占膠體總量的33.7%），≤0.1 μm 的膠體含量相對(duì)最少（約占10.0%）。

（2）太湖潛流帶中膠體粒徑對(duì)NH4+-N 的含量分布有重要影響。膠體所吸附的NH4+-N 總量占沉積物中NH4+-N 總量的72.7%，粒徑范圍為0.1 ～0.22 μm 的膠體吸附NH4+-N 最多，其次是粒徑范圍為0.45～1 μm 和≤0.1 μm，粒徑范圍0.22 ～0.45 μm 的膠體吸附量最少。

（3）對(duì)于容易被膠體吸附的帶正電荷的NH4+-N等污染物質(zhì)，膠體物質(zhì)是介質(zhì)中除水流外的另一種重要載體，研究NH4+-N 等物質(zhì)在土壤和沉積物介質(zhì)中的遷移的特性時(shí)應(yīng)充分考慮膠體的影響作用，特別是粒徑范圍在0.45～1 μm 和0.1～0.22 μm 的膠體物質(zhì)對(duì)NH4+-N 遷移的輔助作用。