上覆水環(huán)境條件對(duì)底泥氮磷釋放的影響研究*

張 茜 馮民權(quán) 郝曉燕

(西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

受上覆水的影響，底泥在湖泊、水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)中既可能扮演“匯”的角色，也可能扮演“源”的角色[1-4]。水體污染嚴(yán)重時(shí)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽可通過(guò)沉降或者顆粒吸附作用而聚集于底泥中，再懸浮作用又會(huì)向上覆水體釋放氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽[5-8]。學(xué)者們對(duì)丹麥的淺湖[9]、美國(guó)的龐特查雷恩湖[10]以及中國(guó)的白洋淀[11]、尹府水庫(kù)[12]、北里湖[13]、翠湖[14]、滇池[15]、湯峪水庫(kù)[16]、產(chǎn)芝水庫(kù)[17]的研究發(fā)現(xiàn)，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽在底泥與上覆水之間的遷移轉(zhuǎn)化受到溫度、pH、DO等[18-22]環(huán)境條件的影響。但這些環(huán)境條件對(duì)底泥的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽釋放影響的規(guī)律尚處于探索階段。

本研究探索了溫度、pH、DO對(duì)底泥向上覆水釋放總氮、總磷影響的規(guī)律，從而為底泥總氮、總磷污染的防治提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采用抓斗式采樣器在內(nèi)源污染為主的漳澤水庫(kù)淤積嚴(yán)重的庫(kù)尾處(36°14′36.64″N，113°2′34.12″E)采集底泥，裝入聚乙烯桶后帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除雜質(zhì)后冷凍保存。底泥樣品的主要理化指標(biāo)見表1。

表1 底泥樣品的主要理化指標(biāo)

在同一地點(diǎn)采集底泥以上0.5 m處的上覆水帶回實(shí)驗(yàn)室，4 ℃冷藏保存。由于上覆水中總氮和總磷已經(jīng)達(dá)到飽和，因此將上覆水稀釋到《山西省地表水功能區(qū)劃》要求的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值后再使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)包括有機(jī)玻璃圓筒(內(nèi)徑10 cm，高度35 cm)、恒溫水浴、進(jìn)氣管、取樣管。

將底泥放入有機(jī)玻璃圓筒中，控制高度為5 cm，將上覆水沿筒壁緩緩注入有機(jī)玻璃圓筒中，控制高度為25 cm。將有機(jī)玻璃圓筒用帶進(jìn)氣管和取樣管的橡膠塞塞住，取樣管伸至底泥上方5 cm處，進(jìn)氣管伸至上覆水面以上，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用夾子夾住進(jìn)氣管與取樣管進(jìn)行封閉。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

(1) 控制上覆水pH為7，DO為8 mg/L，改變溫度為15、20、25、30 ℃，研究溫度對(duì)底泥中總氮、總磷釋放到上覆水的影響。

(2) 控制溫度為20 ℃，上覆水DO為8 mg/L，調(diào)節(jié)pH為5、7、9、10，研究pH對(duì)底泥中總氮、總磷釋放到上覆水的影響。

(3) 控制溫度為20 ℃，上覆水pH為7，調(diào)節(jié)DO為2、4、6、8 mg/L，研究DO對(duì)底泥中總氮、總磷釋放到上覆水的影響。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案平行做2次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.4 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)和計(jì)算

采集每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案0、12、24、36、48、60、72、84、96、108、120 h時(shí)的水樣，每次取200 mL，并用上覆水補(bǔ)充。

總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解/紫外分光光度法測(cè)定；總磷采用過(guò)硫酸鉀消解/鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

總氮和總磷的釋放強(qiáng)度計(jì)算參考文獻(xiàn)[23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水溫度對(duì)底泥總氮、總磷釋放的影響

圖2(a)顯示，36 h后，底泥總氮釋放強(qiáng)度與上覆水溫度之間顯現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，隨著溫度的升高，底泥總氮釋放強(qiáng)度增加。96 h后，總氮釋放強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。120 h時(shí)，30 ℃條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度是15 ℃條件下的1.65倍。因?yàn)闇囟壬邥?huì)使得各種物理、化學(xué)、生物反應(yīng)條件(如擴(kuò)散、有機(jī)質(zhì)降解等)發(fā)生改變。盧俊平等[24]發(fā)現(xiàn)，溫度升高，底泥中的有機(jī)氮分解加速，向上覆水的釋放強(qiáng)度也增大。

圖2 不同溫度條件下總氮、總磷釋放強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.2 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different temperature conditions

圖2(b)顯示，上覆水溫度對(duì)底泥中總磷釋放強(qiáng)度的影響規(guī)律與總氮基本相似，也是36 h后，底泥總磷釋放強(qiáng)度與上覆水溫度之間顯現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，隨著溫度的升高，底泥總磷釋放強(qiáng)度增加，不過(guò)總磷120 h時(shí)釋放強(qiáng)度還未達(dá)到穩(wěn)定。120 h時(shí)，30 ℃條件下底泥總磷釋放強(qiáng)度是15 ℃條件下的3.40倍。主要原因可能是因?yàn)樯邷囟葧?huì)促進(jìn)底泥中微生物及底棲動(dòng)物的活動(dòng)，加快氧化分解作用；同時(shí)，升高溫度對(duì)底泥中有機(jī)物的礦化也有較大影響，從而使底泥中的有機(jī)磷和顆粒態(tài)磷釋放加速。

不同溫度條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度如表2所示。利用SPSS 19.0軟件將溫度分別與底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度進(jìn)行各種曲線擬合(見表3)發(fā)現(xiàn)，在15～30 ℃范圍內(nèi)，底泥中總氮平均釋放強(qiáng)度與溫度的關(guān)系最符合二次曲線(R2為0.998)，總磷的平均釋放強(qiáng)度與溫度的關(guān)系最符合三次曲線(R2為0.999)。底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度與溫度的回歸方程分別見式(1)和式(2)。F檢驗(yàn)表明，式(1)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)為0.041，式(2)的為0.048，均小于0.05。

P總氮=0.362×T2+7.248×T+322.763

(1)

P總磷=0.001×T3+0.014×T2+3.626

(2)

式中：P總氮、P總磷分別為總氮和總磷的平均釋放強(qiáng)度，mg/m2；T為上覆水溫度，℃。

2.2 上覆水pH對(duì)底泥總氮、總磷釋放的影響

圖3(a)顯示，pH中性不利于底泥中總氮的釋放，而強(qiáng)堿最有利于總氮釋放。120 h時(shí)，pH=10時(shí)底泥總氮釋放強(qiáng)度是pH=7.0時(shí)的1.34倍。該釋放規(guī)律也基本是在36 h后逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，96 h后，總氮釋放強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。

圖3(b)顯示，pH對(duì)底泥總磷釋放強(qiáng)度的影響規(guī)律從一開始就已顯現(xiàn)出來(lái)，總磷釋放強(qiáng)度堿性>酸性>中性。120 h時(shí)pH=10、pH=9條件下總磷釋放強(qiáng)度分別達(dá)到179.22、86.69 mg/m2。這是由于在堿性條件下，水體中OH-能與結(jié)合態(tài)磷(如鐵結(jié)合態(tài)磷和鋁結(jié)合態(tài)磷)發(fā)生交換，從而使得磷向上覆水釋放。酸性條件下總磷釋放強(qiáng)度較大，可能是因?yàn)镠+對(duì)部分結(jié)合態(tài)磷具有溶出作用，另一方面微生物對(duì)有機(jī)磷進(jìn)行降解，釋放CO2和溶解態(tài)磷也會(huì)促使pH降低和磷的釋放。

不同pH條件下總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度如表4所示。利用SPSS 19.0軟件將pH分別與底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度進(jìn)行各種曲線擬合(見表5)發(fā)現(xiàn)，在pH為5～10的范圍內(nèi)，底泥中總氮和總磷的平均釋放強(qiáng)度與pH的關(guān)系均最適合用三次曲線擬合(R2分別為0.976、0.999)，回歸方程分別如式(3)和式(4)所示。F檢驗(yàn)表明，式(3)、式(4)的σ分別為0.016、0.038，也均小于0.05。

P總氮=2.319×X3-25.308×X2+1 049.285

(3)

表2 不同溫度條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度

表3 總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度與溫度的R2

圖3 不同pH條件下總氮、總磷釋放強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.3 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different pH conditions

表4 不同pH條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度

表5 總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度與pH的R2

P總磷=673.000×X3-6.860×X2+117.715

(4)

式中：X為上覆水pH。

2.3 上覆水DO對(duì)底泥總氮、總磷釋放的影響

從圖4(a)可以看出，36 h后，底泥中總氮釋放強(qiáng)度總體隨上覆水DO濃度的升高而降低，但DO=6 mg/L和DO=8 mg/L差別變小，這可能與底泥中含氮化合物的存在形式及微生物作用方式有關(guān)[23]。

不同DO條件下總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度如表6所示。利用SPSS 19.0軟件將DO分別與底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度進(jìn)行各種曲線擬合(見表7)發(fā)現(xiàn)，在DO為2～8 mg/L的范圍內(nèi)，底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度與DO的關(guān)系均最適合用三次曲線擬合(R2分別為1.000、1.000)，回歸方程分別如式(5)和式(6)所示。F檢驗(yàn)表明，式(5)、式(6)的σ均小于0.01。

P總氮=3.879×Y3-55.265×Y2+177.568×Y+750.199

(5)

P總磷=-0.030×Y3+0.590×Y2-4.691×Y+29.082

(6)

式中：Y為上覆水DO，mg/L。

圖4 不同DO條件下底泥總氮、總磷釋放強(qiáng)度隨時(shí)間變化Fig.4 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different DO conditions

表6 不同DO條件下底泥中總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度

表7 總氮、總磷的平均釋放強(qiáng)度與DO的R2

2.4 不同環(huán)境條件對(duì)底泥氮磷釋放影響的大小

為了比較不同環(huán)境條件對(duì)底泥中總氮、總磷釋放強(qiáng)度的影響大小，計(jì)算不同環(huán)境條件下底泥中總氮、總磷平均釋放強(qiáng)度的極差。15～30 ℃范圍內(nèi)，總氮平均釋放強(qiáng)度極差為357.63 mg/m2，總磷為24.37 mg/m2；pH為5～10的范圍內(nèi)，總氮平均釋放強(qiáng)度極差為227.44 mg/m2，總磷為91.53 mg/m2；DO為2～8 mg/L的范圍內(nèi)，總氮平均釋放強(qiáng)度極差為295.69 mg/m2，總磷為8.04 mg/m2。極差分析表明，環(huán)境條件對(duì)底泥總氮釋放影響的大小表現(xiàn)為溫度>DO>pH，對(duì)底泥總磷釋放影響的大小表現(xiàn)為pH>溫度>DO。

3 結(jié) 論

(1) 隨著溫度升高，總氮、總磷釋放強(qiáng)度增加；中性(pH=7)不利于底泥總氮、總磷的釋放，強(qiáng)堿性(pH=10)條件下總氮、總磷釋放強(qiáng)度最大；底泥中總氮、總磷的釋放強(qiáng)度總體隨DO濃度的升高而降低。

(2) 底泥中總氮平均釋放強(qiáng)度與溫度(R2為0.998)的關(guān)系符合二次曲線，與pH(R2為0.976)和DO(R2為1.000)的關(guān)系都符合三次曲線；總磷平均釋放強(qiáng)度與溫度(R2為0.999)、pH(R2為0.999)和DO(R2為1.000)的關(guān)系均符合三次曲線。

(3) 極差分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境條件對(duì)底泥總氮釋放影響的大小表現(xiàn)為溫度>DO>pH，對(duì)底泥總磷釋放影響的大小表現(xiàn)為pH>溫度>DO。