平原河網河流氮素的環境生物－地球化學行為定量關系及水環境效應

馬 嚴，黎 曉，嚴炎杰，沈 杰，楊琦丹，吳 敏

（湖州市環境監測中心站，浙江湖州313000）

氮素環境生物－地球化學行為的定量關系，是水體氮素宏觀水質現象的微觀基礎。平原河網河流一般都有充足的碳源、氮源供給，水體氮素在環境生物－地球化學行為作用下，會發生持續的釋放、去除和形態轉換。氮素的環境生物－地球化學行為包括沉積物釋放、沉降－再懸浮、水生植物吸收、氨化、硝化、反硝化等環境行為，氮素的這些環境行為速率變化會產生水體氮素增量來源、去除、周期性循環、含量極限等水環境效應。為了準確把握各種形態氮素的來源及去除，為了對氮素進行準確評價和調控，有必要對水體氮素的環境生物－地球化學行為定量關系進行研究。

當前研究水體氮素環境行為的文獻很多［1－5］，但很少涉及氮素的環境生物－地球化學機制的定量關系。嘗試著探求平原河網水體氮素的環境生物－地球化學行為，為準確評價和調控氮素污染提供一個科學基礎。

1 氮素環境生物－地球化學行為的定量關系

由于所研究區域范圍內的平原河流流程短，最長只有20km，水力停留時間最長只有2d，水力停留時間短，因此不考慮河流水體－大氣界面的氮素交換。

選擇3類平原河流作為水體氮素環境生物－地球化學行為定量關系的研究對象：第1類為高懸浮物含量的主航道河流；第2類為中等懸浮物含量的非主航道河流；第3類為低懸浮物含量的非航道河流。

由于平原河網河流有充足的碳源、氮源供給，水體基本為中性，水體DO質量濃度一般＞2.00mg／L，因此，根據文獻［6］，應重點討論氮素環境生物－地球化學行為定量關系與水溫和懸浮物含量的關系。

1.1 高懸浮物含量河流氮素環境生物－地球化學過程的定量關系

選擇京杭大運河作為研究對象。大運河春、夏、秋、冬季水體懸浮物質量濃度分別為130.4，105.2，125.6，184.0mg／L。大運河沒有顯著的水生植物生物量，不考慮水生植物對氮素的吸收作用。氮素的沉降－再懸浮速率包括顆粒態氮素的沉降－再懸浮速率以及船舶攪動水溶態氮素的釋放速率。各種定量關系的計算方法請參見文獻［7］。氮素環境行為定量關系見表1。

表1 高懸浮物含量河流的氮素環境生物－地球化學行為定量關系 ×10－5 mg／（L·s）

由表1可知，各種氮素的沉積物靜態釋放速率比其他環境行為速率小若干數量級，因此沉積物靜態釋放產生的氮素增量和去除均可以忽略不計。夏季，大運河水位高，總氮、有機氮發生沉降去除。氨化、硝化、反硝化速率與水溫的季節性正相關，與懸浮物含量正相關。春、夏、秋季，氨化速率＜硝化速率＜反硝化速率，冬季，氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率。

1.2 中等懸浮物含量河流的氮素環境生物－地球化學過程定量關系

選擇非主航道的千金塘作為研究對象。春、夏、秋、冬季，千金塘水體懸浮物質量濃度分別為58.8，64.0，93.2，136.0mg／L。4個季節，千金塘均沒有顯著的水生植物生物量，不考慮水生植物對氮素的吸收作用。氮素環境行為定量關系見表2。

表2 中等懸浮物含量河流的氮素環境生物－地球化學行為定量關系 ×10－6 mg／（L·s）

由表2可知，由于千金塘氮素各種環境行為速率都較小，因此，各種氮素沉積物靜態釋放速率雖然小，但除夏季釋放速率可以忽略外，其他季節均不可忽略。千金塘船舶通航量小，4個季節，氮素均存在沉降去除。4個季節，千金塘氨化、硝化、反硝化速率變化規律與大運河基本相同。

1.3 低懸浮物含量河流氮素的環境生物－地球化學過程定量關系

選擇練市塘作為研究對象。春、夏、秋、冬季，練市塘水體懸浮物含量分別為46.4，44.0，13.6，49.6 mg／L。夏、秋季，練市塘有顯著的水生植物生物量，應考慮水生植物對氮素的吸收作用。氮素環境行為定量關系見表3。

表3 低懸浮物含量河流的氮素環境生物－地球化學行為定量關系 ×10－6 mg／（L·s）

由表3可知，由于練市塘懸浮物含量比大運河、千金塘低，各季節氨化、硝化、反硝化速率相應要減小，但是這3種速率隨季節水溫的變化規律與前2類河流基本相同。由于懸浮物含量低，懸浮物中吸附態的氨氮含量可以忽略，因此練市塘氨氮沉降－再懸浮速率作歸零處理。練市塘總氮和有機氮的沉降－再懸浮速率不可忽略。由于各種形態氮素的沉積物靜態釋放速率與其他環境行為速率差異小，因此，不可忽略。

2 氮素環境生物－地球化學過程的水環境效應

平原河網水體氮素的環境生物－地球化學行為，會產生氮素的來源增量效應、去除效應、周期性循環效應、氮素含量的上下限極值效應。

2.1 氮素的來源增量效應

由于氮素各種環境行為速率的差異，水體各種形態氮素會出現累積，產生來源增量效應（見表4）。

表4 水體氮素環境生物－地球化學行為的來源增量效應 ×10－5 mg／（L·s）

由表4可知，夏季，由于各種形態氮素沒有再懸浮，只有沉降去除，3類河流均沒有再懸浮產生的增量；夏季，反硝化速率＞硝化速率＞氨化速率，3類河流的氨化、硝化作用均無法產生氨氮、硝氮增量。

春季，大運河水體總氮再懸浮速率＞反硝化速率、有機氮再懸浮速率＞氨化速率，大運河水體產生總氮、有機氮增量來源；大運河的氨氮再懸浮速率＋氨化速率＜硝化速率，硝化速率＜反硝化速率，大運河沒有氨氮和硝氮的增量來源。千金塘、練市塘水體總氮、氨氮沒有再懸浮，因此，沒有再懸浮產生的增量來源；千金塘和練市塘的氨化速率＜硝化速率，這2類河流沒有氨氮的增量來源；千金塘和練市塘的硝化速率＞反硝化速率，硝氮略有遞增。

秋季，3類河流氮素的增量來源效應與春季基本相同。

冬季，大運河總氮再懸浮速率＞反硝化速率，有機氮再懸浮速率＞氨化速率，產生總氮、有機氮的來源增量效應。千金塘和練市塘這兩種形態氮素只有沉降，沒有再懸浮，因此總氮、有機氮沒有增量來源。冬季，3類河流的氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率，因此，出現氨氮、硝氮的積累，產生硝氮、氨氮的增量來源。

綜合上述，得出以下結論：當河流存在強烈再懸浮，并且再懸浮速率＞反硝化速率或氨化速率，就會產生總氮或有機氮的來源增量效應。當氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率，就會產生氨氮、硝氮的來源增量效應。這種情形一般發生在冬季至下年度的初春時段，這個時段積累的氨氮、硝氮為夏、秋季生態系統演化儲備了充足的氮源。各種形態氮素來源增量效應很小，只有經歷1個季節才具有顯著效應（見表5）。

2.2 氮素的去除效應

由于水體氮素各種環境行為速率的差異，會產生氮素的去除效應（見表5）。

表5 水體氮素環境生物－地球化學行為的去除效應 ×10－5 mg／（L·s）

由表5可知，春、夏、秋季，3類河流基本上均存在氨氮、硝氮的去除效應。氨氮去除的原因為硝化速率＋水生植物吸收速率＋沉降速率＞氨化速率，以硝化去除為主，水生植物吸收去除次之，再次為沉降去除。硝氮去除的原因為反硝化速率＋水生植物吸收速率＞硝化速率，以反硝化去除為主，水生植物吸收去除次之。作為主航道的大運河只在夏季高水位時才發生總氮、有機氮的去除。千金塘、練市塘4個季節均發生總氮、有機氮的去除。總氮去除以沉降為主，反硝化次之，再次為水生植物吸收。有機氮去除以沉降為主，氨化次之。

各種形態氮素的去除效應均很小，只有經歷1個季節才具有顯著效應。

2.3 氮素的周期性循環效應

根據2.1～2.2章節分析，作為主航道的大運河1個年度內各種形態氮素均發生來源增量效應和去除效應，千金塘、練市塘的總氮、有機氮雖然沒有來源增量效應，但由于上游進水口來水的總氮、有機氮含量呈周期性變化，這樣3類河流各種形態氮素含量均發生周期性循環變化。根據實測的氮素數據，各形態氮素周期性循環效應如圖1～圖4所示。

圖1 總氮的周期性循環

圖2 有機氮的周期性循環

圖3 氨氮的周期性循環

圖4 硝氮的周期性循環

由圖1～圖4知，3類河流的各種形態氮素春季→冬季，完成氮素含量變化1個循環周期。

由圖1可知，大運河春季→夏季，總氮遞減，夏季→冬季遞增。總氮周期循環的時間折點為夏秋之交時段。

千金塘、練市塘總氮春季→夏季→秋季連續遞減；秋→冬季遞增，原因為上游進水口外部來水總氮的再懸浮速率＞反硝化速率。總氮周期循環的時間折點為秋冬季之交時段。

由圖2知，各類河流有機氮的周期性循環規律與總氮基本相同。

由圖3知，3類河流氨氮的周期性變化規律基本為春季→夏季→秋季連續遞減，主要原因為該時段水體氮素的硝化速率＞氨化速率，大運河夏季→秋季氨氮遞增，原因為上游企業排放含氨污水，干擾了氨氮的自然循環規律。秋季→冬季氨氮遞增，主要原因為硝化速率＜氨化速率。氨氮的再懸浮行為對氨氮的周期性循環影響不顯著。3類河流氨氮周期循環的時間折點均為秋冬季之交時段。

由圖4知，硝氮的周期性變化與氨氮相同，周期循環的時間折點也與氨氮相同。

2.4 氮素含量變化的極限效應

由2.3章節分析知，雖然各種形態氮素發生周期性循環，但除氨氮的夏、秋季下限值會接近零值外，其他形態氮素含量均有明確的上限值和下限值，這樣就保證了水生生態系統中有充足的氮庫儲備和有充足的生物可利用氮源供給。

對于作為航道的河流，由于河流攜沙能力的限制，河流總氮、有機氮的沉降去除和再懸浮增量均不是無限量，而是在某個量值會達成動態平衡；對于非航道河流，根據1.3章節和2.1章節分析，由于水生植物參與氮素循環，水生植物同化無機氮的同時釋放出有機氮，春、冬季無水生植物生長時，水生植物殘體就是有機氮的氮庫，因此非航道平原河流只要有一定流速，水體中就會攜帶一定量的有機氮。這樣就形成了有機氮含量的極限效應。

氨氮、硝氮含量基本上取決于氨化與硝化、硝化與反硝化2種相反環境行為的速率差，一種行為的速率對另一種行為有制約作用，并且在另一時段，這2種行為的速率差會發生逆轉，此時氮素的增減趨勢就會發生逆轉。這樣就形成了氨氮、硝氮含量的極限效應。

3 結 論

作為主航道的高懸浮物含量河流總氮、氨氮、有機氮的沉積物靜態釋放速率可以忽略不計。中低懸浮物含量河流含量相應氮素沉積物靜態釋放速率不可忽略。

3類河流春季→夏季→秋季，氨化速率＜硝化速率＜反硝化速率；冬季→下年度初春，氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率。

春、秋、冬季，主航道河流由于再懸浮速率，發生總氮、有機氮的累積增量。冬季→下年度初春，3類河流的氨化速率＞硝化速率＞反硝化速率，發生氨氮、硝氮累積增量。

主航道河流僅在夏季總氮、有機氮發生沉降和反硝化去除、沉降和氨化去除。其他類型河流4個季節均發生總氮、有機氮的去除。春季→夏季→秋季，氨氮、硝氮發生硝化去除、反硝化去除。

在氮素的環境生物－地球化學行為作用下，各種形態氮素含量在春季→冬季完成1個循環周期。

由于河流攜沙能力限制，水體總氮、有機氮均存在上下限極值。生物可利用的氨氮、硝氮由兩種相反方向的環境行為決定，同樣存在上下限極值。氨氮、硝氮下限極值存在，保證了水生生態系統生物可利用氮素的供給。

［1］ 陳效民，潘根興，沈其榮.太湖地區農田土壤中硝態氮垂直運移的規律［J］.中國環境科學，2001，21（6）：481－484.

［2］ 陳利頂，傅伯杰，張淑榮，等.于橋水庫流域地表水中水溶性氮季節變化特征［J］.中國環境科學，2003，23（2）：210－214.

［3］ 夏星輝，周勁松，楊志峰，等.黃河流域河水氮污染分析［J］.環境科學學報，2001，21（5）：563－568.

［4］ 胡雪峰，許世遠，陳振樓，等.上海市效中小河流氮磷污染特征［J］.環境環境學報，2001，22（6）：66－71.

［5］ 范成新，王春霞.長江中下游湖海環境地球化學與富養化［M］.北京：科學出版社，2007：243.

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［7］ 馬 嚴，吳錦芳，馮 杰，等.河流水污染物環境生物－地球化學過程定量分析的技術方法［J］.三峽環境與生態，2010，32（4）：58－62.