去除有機(jī)質(zhì)對城市淺水湖泊氮磷釋放特征的影響

向速林, 吳濤哲, 龔聰遠(yuǎn), 吳代赦

(1.華東交通大學(xué) 環(huán)境工程系, 江西 南昌 330013;2.南昌大學(xué) 教育部鄱陽湖湖泊生態(tài)與生物資源利用重點實驗室, 江西 南昌 330047)

沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是湖泊中氮磷等營養(yǎng)鹽的重要儲存場所。氮和磷則是導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的最主要的營養(yǎng)元素。上覆水中的污氮磷通過吸附、沉積等作用在底泥中逐漸積累，當(dāng)湖泊環(huán)境條件發(fā)生改變時，原本蓄積在底泥中的污染物質(zhì)會通過分解、溶解等反應(yīng)再次進(jìn)入到水體，造成湖泊的內(nèi)源污染。城市湖泊由于深度較淺更易受到風(fēng)吹、波浪等擾動而引起的沉積物再懸浮。擾動使沉積物與水體的接觸機(jī)會增加，對水體的影響也更為直接和頻繁，使得沉積物與水之間營養(yǎng)鹽的交換作用更加充分[1]。

象湖風(fēng)景區(qū)坐落在江西省南昌城區(qū)西南角，由南江、北江、東江、西江，以及青山湖的水流匯聚而成，是江西省省會南昌市重要的城市內(nèi)湖之一?？偯娣e為533.6 hm2，其中綠地面積約322.5 hm2，水面積211.1 hm2，平均水深2.5 m，最大水深3.5 m。是具有集蓄水、養(yǎng)殖、景觀等多功能的淺水湖泊。水流自南向北流經(jīng)撫河故道、撫河、贛江，最后與長江進(jìn)行換水[7]。隨著城市的快速發(fā)展，象湖水體受到人類活動的影響越來越大，大量未經(jīng)處理的生活污水直接排放進(jìn)入象湖中，伴隨湖中存在的大量動植物死亡后其殘骸沉入湖底，再加上常年的雨水徑流帶入的污染物流進(jìn)湖體，導(dǎo)致象湖中營養(yǎng)物質(zhì)不斷累積。經(jīng)過對外源污染物的有效控制，象湖水質(zhì)情況由劣Ⅴ類[8]逐漸好轉(zhuǎn)。為防止內(nèi)源污染導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化程度加劇，本文以象湖為例研究湖泊的釋放特征，旨在為城市小型淺水湖泊富營養(yǎng)化控制和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預(yù)處理

2019年12月，利用沉積物采樣器采集象湖各區(qū)域水下0—5 cm的表層沉積物若干。沉積物樣品充分混合并裝入干凈的聚氯乙烯袋中，放入帶有冰塊的保溫箱中，經(jīng)冷凍后，剔除沙石、動植物碎片等，并混合均勻。干燥研磨后過0.15 mm尼龍篩，裝入聚乙烯塑料自封袋，放入冰箱中冷凍保存?zhèn)溆?。用凱氏定氮法[9]測定總氮，SMT法[10]測定總磷和鐵鋁磷，重鉻酸鉀容量法—外加熱法[11]測定有機(jī)質(zhì)含量后，通過對比各采樣點地理位置、環(huán)境狀態(tài)及沉積物特征從北到南選取點L1，L2，L3，L4作為研究對象，其地理位置及環(huán)境狀態(tài)見表1。根據(jù)前人研究[12-14]，之后將沉積物分成兩份，其中一份用30%的過氧化氫將樣品中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行去除，稱取適量沉積物干樣放入50 ml的離心管中，按比例的加入30%的過氧化氫(土液比為1 g∶10 ml)，放入50 ℃烘箱中烘干，此過程反復(fù)進(jìn)行，直到再次加入過氧化氫后無氣泡產(chǎn)生。

表1 各采樣點環(huán)境特征及沉積物特征

1.2 試驗方法

1.2.2 沉積物磷釋放動力學(xué)試驗 磷釋放動力學(xué)試驗[17]：準(zhǔn)確稱取各樣點干燥后過100目篩的沉積物樣品8份(每份0.5 g)到100 ml離心管中，加入50 ml 0.02 mol/L KCL溶液，放入恒溫震蕩中震蕩(25 ℃，200 r/min)，分別在0.5，1.5，3，5，7，12，18，24 h時取出一份樣品，離心 15 min(5 000 r/min)后，用0.45 μm濾膜抽取適量上清液于比色管中。根據(jù)鉬銻抗分光光度法測定磷(SRP)的釋放量[16]。

1.2.4 沉積物磷釋放潛能試驗 沉積物磷釋放潛能試驗[19]：按水土質(zhì)量比25，50，100，200，500，1 000，1 500，2 500，5 000稱取不同質(zhì)量的沉積物樣品9份于100 ml離心管中，依次加入50 ml 0.02 mol/L KCL溶液，放入恒溫震蕩中震蕩24 h(25 ℃，200 r/min)后，離心15 min(5 000 r/min)后，用0.45 μm濾膜抽取適量上清液于比色管中。根據(jù)鉬銻抗分光光度法測定磷(SRP)的釋放量。

Qt=Qmax×(1-e-kt)

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 象湖沉積物氮的釋放特征

注：L1，L2，L3，L4為不同采樣點。下同。

圖2 象湖表層沉積物中的釋放潛能

表2 象湖表層沉積物中釋放一級動力學(xué)方程擬合參數(shù)

圖3 去除有機(jī)質(zhì)后象湖表層沉積物中的釋放動力學(xué)特征

從圖4可以看出，象湖中各點位氮的釋放潛能也與平衡釋放量相似，相比于未去除有機(jī)質(zhì)之前都呈一定比例增多。但未去除前釋放潛能在水土比2 500就達(dá)到氨氮的最大釋放量，而去除后釋放量到水土比5 000才趨于穩(wěn)定。以水土比5 000時的氨氮釋放量與沉積物中總氮和有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出在該條件下氨氮釋放量與總氮和有機(jī)質(zhì)含量都呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(p<0.01)。由此可得，沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量是影響沉積物中氨氮釋放量的主要因素之一，沉積物有機(jī)質(zhì)的含量高低一定程度上能夠體現(xiàn)沉積物向上覆水釋放氨氮量的多少。

圖4 去除有機(jī)質(zhì)后象湖表層沉積物中的釋放潛能

表3 去除有機(jī)質(zhì)后象湖沉積物中釋放一級動力學(xué)方程擬合參數(shù)

2.2 象湖沉積物磷的釋放特征

圖5 象湖表層沉積物中溶解性活性磷SRP的釋放動力學(xué)特征

圖6 象湖表層沉積物中溶解性活性磷SRP的釋放動力潛能

表4 象湖表層沉積物中溶解性活性磷SRP釋放一級動力學(xué)方程擬合參數(shù)

2.2.2 去除有機(jī)質(zhì)后沉積物溶解性活性磷SRP的釋放特征 去除沉積物中有機(jī)質(zhì)后，磷的釋放釋放特征見圖7。沉積物釋放動力學(xué)曲線趨勢相比去除有機(jī)質(zhì)之前幾乎不變。通過公式(1)對SRP釋放量過程一級動力學(xué)擬合，結(jié)果見表5。Qmax為12.48～15.26 mg/kg，平均14.14 mg/kg。與去除之前相比，沉積物中SRP釋放量增加了167～384倍。而通過與前人研究[13]對比發(fā)現(xiàn)，象湖除去有機(jī)質(zhì)后SRP的釋放量相比貢湖、五里湖的2.33～2.97倍明顯偏高。說明除了有機(jī)質(zhì)外，還有其他因素也影響了磷的釋放。資料顯示，沉積物中大部分有機(jī)質(zhì)與無機(jī)膠體結(jié)合在一起，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體，其中腐殖質(zhì)和鐵、鋁形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，為磷酸鹽提供了重要的吸附位點[27]。在過氧化氫的作用下，有機(jī)質(zhì)中極性官能團(tuán)被氧化，使得磷酸鹽的吸附點位減少，磷酸鹽被釋放到水體。根據(jù)相關(guān)研究[28-29]，當(dāng)被過氧化氫氧化處理過后，土壤中游離的氧化鐵、全鐵、無定型氧化鐵都明顯增加。象湖中鐵鋁磷占總磷含量的48%～74%，為沉積中磷的主要成分，而沉積物中FeP存在形態(tài)多樣且易受到各種理化性質(zhì)影響。所以可以推斷出，象湖沉積物中有機(jī)質(zhì)吸附著大量FeP，當(dāng)通過過氧化氫去除有機(jī)質(zhì)后，沉積物氧化還原電位升高，大量FeP被氧化成可交換態(tài)磷釋放到水體。

圖7 去除有機(jī)質(zhì)后象湖表層沉積物中溶解性活性磷SRP的釋放動力學(xué)特征

表5 去除有機(jī)質(zhì)后象湖沉表層積物中溶解性活性磷SRP釋放一級動力學(xué)方程擬合參數(shù)

圖8 去除有機(jī)質(zhì)后象湖表層沉積物中溶解性活性磷SRP的釋放潛能

3 結(jié) 論

(1) 沉積物中氨氮和溶解性活性磷的釋放趨勢相似，釋放速率都是由高到低，最后趨于穩(wěn)定，釋放量達(dá)到一定最大值。釋放潛能與釋放量呈正比例關(guān)系，釋放平衡量大的區(qū)域釋放潛能也高。

(2) 沉積物中氨氮的釋放量與釋放速率與沉積物中總氮含量成正比，溶解性活性磷的釋放則與所處區(qū)域的生態(tài)環(huán)境有關(guān)，高等水生植物為優(yōu)勢植株的區(qū)域通過生物作用使得象湖沉積物中溶解性活性磷等可交換態(tài)磷含量降低，向上覆水中釋放的磷減少。

(3) 氨氮的釋放量與表層沉積物中有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量是影響沉積物中氮釋放特征的主要因素之一，沉積物有機(jī)質(zhì)的含量越高沉積物氮的釋放的Qmax也越高。而沉積物中磷釋放的Qmax不僅與有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)還受有機(jī)質(zhì)活性、成組成分、吸附與結(jié)合的鐵鋁磷含量等多因素共同影響。