氮在水體中的遷移轉(zhuǎn)化過程研究

劉佳佳　李文潤　顧珉嘉

關(guān)鍵詞：氮形態(tài);氮遷移轉(zhuǎn)化;地表-地下水

隨著現(xiàn)代化工和農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，解決環(huán)境問題迫在眉睫。水體中的氮過量是目前較為突出的問題之一。氮既是生命元素，又是污染因子，氮污染加重了水質(zhì)型缺水問題。為了找到有效治理措施，必須深入了解氮元素及其遷移轉(zhuǎn)化過程。本研究在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出些許見解，有助于恢復(fù)水體的生態(tài)功能。

1水體中的氮來源及氮污染危害

目前，國內(nèi)外已開展關(guān)于氮遷移轉(zhuǎn)化過程的研究，結(jié)果表明，氮在水體中的形態(tài)具有多元化、不穩(wěn)定、遷移渠道多樣化的特點。在研究氮形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化過程時，必須了解氮元素的來源?？傮w而言，水體中氮的來源包括大氣氮沉降、土壤天然有機礦化和人類活動氮排放。

1.1大氣氮沉降

大氣氮沉降分為干、濕兩種，以濕沉降為主，NO_x（硝態(tài)氮）主要源于化石燃料的燃燒與大氣雷電反應(yīng)，NH_x（氨氮）主要源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮肥、土壤物質(zhì)、動物糞便揮發(fā)。劉學(xué)軍等[1]的研究表明，我國大氣氮的沉降總量可達1.8×10⁷t/a。近年來，由于化石燃料的大量燃燒、農(nóng)業(yè)氮肥的過量使用，大氣氮沉降速度與沉降量快速增長，大氣氮沉降已然成為水體氮污染的主要來源之一。

1.2土壤天然有機礦化

土壤天然有機礦化是氮形態(tài)轉(zhuǎn)化方式之一，也是生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一。趙長盛等[2]以華中地區(qū)兩種典型的菜地土壤—黃棕壤和潮土為研究對象，采集土樣進行室內(nèi)培養(yǎng)實驗。研究結(jié)果表明，黃棕壤和潮土氮素的礦化以硝態(tài)氮居多，隨著培養(yǎng)時間的延長，累計氮礦化量也有所增加。經(jīng)過地表徑流和雨水沖刷等作用，土壤中的氮進入水體，成為水體氮污染的主要來源之一。

1.3人類活動氮排放

人類生產(chǎn)生活中的氮排放是造成水體氮污染的重要原因，主要可以分為農(nóng)業(yè)污染和非農(nóng)業(yè)污染。農(nóng)業(yè)污染主要源于農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)，影響范圍較廣且治理與控制難度較大，在環(huán)境污染中的比例也日益增長。生產(chǎn)生活固液廢棄物以及其他垃圾淋溶下滲等非農(nóng)業(yè)污染會導(dǎo)致水體中的氮濃度上升，因此，人類的生產(chǎn)生活也是氮污染的主要來源之一。

1.4氮污染的主要危害及影響

氮對生態(tài)環(huán)境和人體健康的影響主要有以下兩個方面：（1）氮含量增加，引發(fā)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，同時消耗水中的氧，促使厭氧微生物大量繁殖，導(dǎo)致有機物腐敗、分解和發(fā)酵，使水體變黑、變臭，使湖泊觀賞價值流失;破壞水環(huán)境的生態(tài)平衡，導(dǎo)致生物缺氧甚至中毒死亡，并且受氨、氮等物質(zhì)污染的河湖可能會造成地下水污染。（2）影響人體健康。污染水中會有諸多污染因子，可能會導(dǎo)致人體感染，危害人體健康，有一定的生物積累性和致癌、致畸、致突變的“三致”作用[3]。氮在水體或土壤中的遷移轉(zhuǎn)化與人類生產(chǎn)生活、土壤、水體的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)等因素息息相關(guān)。

2水體中不同形態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化

2.1水體中的氮形態(tài)分布

氮在水體中有多形態(tài)特點，可分為無機氮與有機氮。無機氮有氨氮，包括游離氨態(tài)氮（NH₃^--N）、銨鹽態(tài)氮（NH₄⁺-N）等。可溶性有機氮主要有氨基酸、核酸、氨基糖等含氮有機物，主要形態(tài)為尿素與蛋白質(zhì)。其中，三氮（氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽）在河湖、地下水、土壤中廣泛存在。無機氮包括氨態(tài)氮（簡稱氨氮）和硝態(tài)氮。王梅等[4]對長江下游干流水體進行監(jiān)測分析，數(shù)據(jù)如表1所示。研究結(jié)果表明，溶解氮是氮在長江下游水體中的主要形態(tài)，且氮在不同水層中的質(zhì)量濃度也不相同。由此可以看出，氮的分布在不同水層有一定的差異。

2.2水體中的氮形態(tài)遷移轉(zhuǎn)化

三氮在自然界中進行氮循環(huán)主要有硝化、反硝化、異化還原成銨等作用，河湖水體中的氮主要以氨氮形式存在與釋放，主要由湖水和底泥中的含氮有機物分解，即其氨化過程所產(chǎn)生[5]。水中的氨氮在好氧環(huán)境與硝化菌的作用下轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮，隨水體運動變化，在缺氧環(huán)境與反硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化為氮氣，于水循環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移，最終釋放到大氣中，轉(zhuǎn)化過程如圖1所示。

2.3氮在地表水與地下水中的遷移轉(zhuǎn)化過程

地表水與地下水相互補給是自然界水循環(huán)的普遍現(xiàn)象，氮元素在水體間的遷移轉(zhuǎn)化會與周邊物質(zhì)元素發(fā)生復(fù)雜多樣的物理、化學(xué)及微生物作用。地表水滲入初期產(chǎn)生離子吸附作用，河床沉積物中含有豐富的黏土顆粒，具有較好的吸附效果[6]。滲入后期，含氧量有所降低，有機物含量逐漸降低，反硝化作用為主要反應(yīng)，并且在地表水與地下水相互補給中伴隨著諸多植物和微生物作用與反應(yīng)。

地表水與地下水相互補給的活躍區(qū)域被稱為“潛流帶”（Hyporheic Zone）。在潛流帶中，物理、化學(xué)、微生物作用均較為劇烈。潛流帶為諸多微生物提供了充足的食物，也因此對水體中氮的遷移轉(zhuǎn)化有顯著影響[7]。潛流帶中氮的存在形式主要為氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，在復(fù)雜環(huán)境及不同作用下相互轉(zhuǎn)化，反硝化作用對河湖水體的去氮效果也十分顯著，對治理氮污染有十分重要的作用[3]。

3氮遷移轉(zhuǎn)化研究方法探討

3.1物理模擬實驗

通過室內(nèi)物理模擬實驗進行檢測分析有助于克服復(fù)雜環(huán)境的干擾。常見的模擬實驗有砂柱模擬實驗和淋溶模擬實驗等。以室內(nèi)砂柱模擬實驗為例，研究者主要通過物理模擬裝置以及控制變量法模擬滲濾系統(tǒng)中氮元素的遷移轉(zhuǎn)化機制。在裝有砂柱的玻璃柱中進行模擬滲透實驗，基本原理主要為引水通過砂層，檢測其砂粒粒徑、含水量以及有機物的含量，為后續(xù)實驗和分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，實驗裝置如圖2所示。研究者通過現(xiàn)場實地考察與觀測，利用室內(nèi)砂柱實驗裝置模擬河湖滲濾系統(tǒng)以及地表水-地下水體系，通過實驗對比、化學(xué)分析，模擬氮元素在水體移動與滲濾中的遷移轉(zhuǎn)化過程[8]。

3.2化學(xué)分析實驗

化學(xué)分析法操作較為簡單、便于實行，不受時間、地點的限制。可以從多角度分析實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，與物理分析實驗相結(jié)合，得出精確的實驗結(jié)果。因此，分析測定水體中的氮含量對水環(huán)境質(zhì)量研究與水體功能評定具有重要意義，氮的分析測定主要采用分光光度法、儀器分析法和電化學(xué)分析法等[9-12]。

分光光度法是氨氮分析的常用方法之一，是基于物質(zhì)在一定波長范圍或特定波長下的吸光度或發(fā)光強度特性建立的物質(zhì)定性與定量分析方法。田波等[10]對比研究了4種分光光度法測定水中氨氮質(zhì)量濃度，并建立了標(biāo)準(zhǔn)曲線進行對比研究，如圖3所示。實驗結(jié)果表明，水楊酸-次氯酸鈉分光光度法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，檢出限較低，顏色穩(wěn)定性較好，用到的試劑相對安全，反應(yīng)靈敏，檢測準(zhǔn)確[10]。

隨著對氮污染研究的深入，測定方法也逐步多元化，開發(fā)簡便、快速、靈敏度高、選擇性較好且對環(huán)境影響較小的分析方法是發(fā)展方向，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

3.3野外采樣與樣品測定

樣品采集與預(yù)處理是影響測定實驗結(jié)果的因素之一[13]。在野外采樣實地觀察過程中，觀測者可以發(fā)揮主觀能動性，了解自然狀態(tài)下的環(huán)境變化;現(xiàn)場采樣也能保持原有的環(huán)境狀態(tài)，不破壞實驗條件。野外采樣為后續(xù)室內(nèi)模擬實驗提供了時效性好且可靠性較高的實驗數(shù)據(jù)與素材。氮污染物遷移轉(zhuǎn)化代表性研究方法對比如表2所示。

4結(jié)論

水體氮污染是國內(nèi)外的研究熱點，在水環(huán)境中，氮形態(tài)互相轉(zhuǎn)化受人類生產(chǎn)生活的影響較大。為解決氮污染問題，學(xué)者針對氮遷移規(guī)律做了大量研究，也取得了較好的成果，推動了氮污染物防治工作。總結(jié)前人的研究，提出以下建議：

（1）研究氮的遷移轉(zhuǎn)化需要對整個水體系統(tǒng)進行全方位的研究考察，應(yīng)加強對深層沉積物與水體的研究，為治理提供理論依據(jù)。

（2）在氮形態(tài)轉(zhuǎn)化方面，需要加強反硝化作用對氮污染治理的積極作用、“三氮”遷移轉(zhuǎn)化影響因素的研究，分析不同環(huán)境中氮形態(tài)的變化規(guī)律。

（3）開發(fā)簡便有效的研究測定方法，方法之間相互融合、相互補充，自動化與聯(lián)用技術(shù)是氮測定方法的發(fā)展趨勢。ED1BBBD6-1BCD-451C-95FD-F467A9EBD36B