酸堿度對山地農村溝渠底泥營養鹽動態遷移的影響

龔云輝，劉云根,2，楊思林，王 妍,2，王玉瑩，杜鵬睿

（1. 西南林業大學 生態與環境學院，云南 昆明 650224；2. 西南林業大學 云南省山地農村生態環境演變與污染治理重點實驗室，云南 昆明 650224）

營養鹽是水生生態系統中生物生長所必需的重要營養元素和化學物質，也是生態系統食物鏈的基礎[1]。氮、磷作為水體環境中主要營養鹽，被認為是影響水生態環境富營養化程度的關鍵性因子[2]。過量的氮、磷輸入導致農村溝渠水體富營養化程度日益加重，加快藻類的生長和異常繁殖，進而破壞溝渠水體生態系統及其功能[3]。溝渠中氮、磷等營養鹽在底泥和上覆水間存在著一定的動態平衡。當溝渠生態系統環境發生變化時，底泥會通過擴散、對流、底泥再懸浮等作用向上覆水體釋放氮磷污染物，造成“二次污染”[4]。大量研究表明：營養鹽在底泥-上覆水間的動態遷移轉化主要受溶解氧[5]、pH[6]、溫度[7]、氧化還原電位[8]、鹽度[9]、擾動和微生物[10]等因素影響，其中以pH的影響最為顯著。張茜[11]對溶解氧、pH、溫度的正交實驗發現：影響水庫沉積物中總磷、總氮釋放量的環境因子中，顯著性從大到小依次為pH、溫度、溶解氧；JENSEN等[12]發現：丹麥大部分湖泊中，強堿促進溶解性活性磷的釋放；李家兵等[13]研究表明：偏酸性條件會抑制河口濕地沉積物中氮的硝化和反硝化活性，但不直接影響氮的礦化作用。目前學者多關注于河流、湖泊、城市內河、河口濕地和水庫中的底泥研究，對山地農村溝渠底泥-水界面氮磷營養鹽的遷移釋放報道較少。云貴高原山地農村溝渠地形條件特殊，流域邊界明顯，是下游河流、湖泊富營養化治理的重點區域；溝渠污水來源差異大，主要包括廚余垃圾、畜禽糞便浸出水和生活污水等，溝中氮磷營養鹽沉降和累積明顯[14]，同時由于水深較淺、流動性差、分布密度大和流域來水量少，農村溝渠水環境污染日益嚴重[15?16]。本研究以云貴高原滇池流域典型高原山地農村溝渠底泥為對象，采用室內模擬靜態培養實驗法探析不同pH條件下溝渠底泥-水界面氮磷營養鹽動態遷移釋放特征，為進一步提高農村生態環境質量，保護高原湖泊、河流和建設美麗鄉村提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

研究區昆明市官渡區小康郎小村 (25°06′～25°07′ N，102°53′～102°54′ E )位于滇池東北岸，屬于滇池流域寶象河子流域。于2019年夏季對研究區溝渠進行現場采樣。利用彼得森采泥器采集表層(0～15 cm)底泥樣品20 kg，風干，撿出雜物，研磨后過100目不銹鋼篩，分別采用酸溶-鉬銻抗比色法和凱氏定氮法測定底泥總磷(TP)和總氮(TN)質量分數。采用四步連續提取法測定鈣結合態磷(Ca-P)、鐵鋁結合態磷(Fe/Al-P)，采用重鉻酸鉀法測定有機質(OM)。利用水質采樣器(BC-9600)采集底層原位水15 L，24 h內測定上覆水中TN、TP、溶解性總磷(DTP)、銨態氮(-N)質量濃度，具體參照文獻[17]方法進行。營養鹽基本理化指標如表1所示。利用哈希HQ30D便攜式多參數水質分析儀測定上覆水、底泥溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、pH等理化指標。

表1 溝渠營養鹽基本理化指標Table 1 Basic physical and chemical indexes of nutrients in ditch

1.2 試驗設計

農村溝渠pH通常為6.5～8.5[4]，但也有局部農村地區溝渠pH大于10.5[4, 15?16]。設置滅菌和未滅菌2個處理，4個 pH梯度 [酸性 (pH 5.5)，中性 (pH 7.5)，弱堿性 (pH 9.5)，強堿性 (pH 11.5)]，重復3次。以2 L有機玻璃容器作為靜態模擬釋放反應器，其中滅菌組為棕色瓶，上覆水高溫滅菌處理(121 ℃，30 min)，底泥三氯甲烷滅菌處理(1 L底泥與500 mL三氯甲烷均勻混合，浸泡24 h后過濾)[8]，橡膠塞塞緊瓶口并用凡士林密封，避光放置。以1 mol·L?1氫氧化鈉和 1 mol·L?1鹽酸調節上覆水 pH，處理持續30 d；隔5 d測定上覆水物理指標(pH、DO、Eh)，分別采集底泥和水樣，測定氮磷含量。每次采樣后補充等量的溝渠原位水至玻璃容器原始刻度處，以pH 7.5作為各組對照。

1.3 數據處理與計算

根據上覆水體總氮和溶解性總磷質量濃度隨時間的變化，可計算出沉積物的營養鹽氮磷釋放通量。其計算公式為[18?19]：

其中r為釋放通量 (mg·m?2·d?1)；V為上覆水體積 (L)，Cn為第n次取樣水中營養鹽質量濃度 (mg·L?1)，C0為上覆水初始營養鹽質量濃度(mg·L?1)，Vi為每次采集水樣的體積(L)，Ca為添加溝渠原水中營養鹽質量濃度 (mg·L?1)，Ci?1為第i?1次采樣時水中營養鹽的質量濃度 (mg·L?1)，A為沉積物表面積 (m2)，t為釋放時間(d)。

采用Excel預處理數據，Origin 2019制圖，Canoco 5.0進行冗余分析，用SPSS 21.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 靜態模擬培養下底泥中 TN、TP的變化特征

如圖1所示：隨著pH升高，未滅菌與滅菌處理的底泥TN質量分數均不斷下降，酸性(pH 5.5)條件下TN質量分數顯著高于弱堿性(pH 9.5)和強堿性(pH 11.5)(P＜0.05)，但和對照差異不顯著(P＞0.05)。底泥中TP質量分數未滅菌與滅菌處理均以對照最高，分別為1.43和1.53 g·kg?1；隨著pH升高，未滅菌底泥中TP質量分數持續下降，滅菌處理組在pH 11.5時又小幅上升，但不同pH條件間無顯著差異(P＞0.05)。

圖1 不同pH條件下底泥總氮、總磷質量分數變化Figure 1 Characteristics of TN and TP contents in sediment under different pH conditions

2.2 靜態模擬培養下溝渠底泥中氮的釋放

隨培養時間延長，不同pH條件下上覆水中TN質量濃度表現出不同的變化特征，平均質量濃度從大到小依次為 pH 11.5、pH 5.5、pH 9.5、pH 7.5。從圖 2可以看出：培養 0～10 d，未滅菌處理下 pH 7.5和pH 9.5條件下TN質量濃度均呈下降趨勢，10～20 d呈不同程度的上升，20 d后平緩下降，30 d時達到最小值。隨培養時間延長，pH 11.5條件下TN質量濃度不斷下降，25 d時達到最小值(101.29 mg·L?1)，此后小幅上升。pH 5.5條件下 TN 質量濃度不斷上升，25 d 時出現最大值 (103.66 mg·L?1)，此后小幅下降。培養0～10 d，滅菌組pH 5.5和pH 9.5條件下TN質量濃度呈上升趨勢，10 d后保持穩定。pH 7.5條件下，TN質量濃度在0～10 d呈下降趨勢，此后趨于穩定。而pH 11.5條件下TN質量濃度隨時間推移起伏較大，在20 d后逐漸下降并趨于平緩。

圖2 不同 pH 條件下上覆水中總氮變化特征Figure 2 Variation characteristics of total nitrogen in overlying water under different pH conditions

由圖3可知：未滅菌組和滅菌組TN釋放通量分別為39.18～305.09和145.36～359.50 mg·m?2·d?1，均在對照處理下達到最小值；隨著pH升高，TN釋放通量均呈先減小后增加的趨勢。未滅菌處理組強堿性(pH 11.5)和酸性(pH 5.5)條件下TN釋放通量分別是對照的8和4倍，不同pH條件間差異顯著(P＜0.05)；滅菌處理組強堿性、弱堿性和酸性條件下TN釋放通量均顯著高于對照(P＜0.05)，但pH 5.5和pH 9.5條件間差異不顯著(P＞0.05)。

圖3 不同 pH 條件下上覆水中總氮的釋放通量Figure 3 Total nitrogen release flux in overlying water under different pH conditions

2.3 靜態模擬培養下溝渠底泥中磷的釋放

由圖4可知：未滅菌和滅菌處理組不同pH下上覆水DTP平均質量濃度從大到小依次為pH 11.5、pH 9.5、pH 7.5、pH 5.5。pH 5.5和 pH 7.5的DTP質量濃度整個培養期均較低，趨勢相對穩定。pH 9.5和 pH 11.5條件下，0～15 d，DTP質量濃度相對穩定，之后不同程度上升，表明堿性條件下磷素在底泥-上覆水界面擴散趨勢明顯。未滅菌組pH 9.5和 pH 11.5的 DTP 質量濃度在第 30 天時最大，分別為 9.96、25.98 mg·L?1，滅菌組 pH 9.5和 pH 11.5的DTP質量濃度在第25 天時最大，分別為13.74和19.61 mg·L?1，之后相對下降。

圖4 不同 pH 條件下上覆水中溶解性總磷變化Figure 4 Characteristics of total dissolved phosphorus in overlying water under different pH conditions

未滅菌和滅菌處理，底泥-上覆水界面DTP釋放通量隨pH升高而增加，不同pH條件間存在顯著差異(P＜0.05)；堿性條件下DTP釋放通量顯著高于對照，而酸性條件和對照間差異不顯著(P＞0.05)(圖5)。未滅菌處理組 DTP釋放通量為1.67～49.85 mg·m?2·d?1，其中強堿性 (pH 11.5)和弱堿性 (pH 9.5)的DTP釋放通量分別是對照的12和4倍；滅菌處理組DTP釋放通量為0.84～34.21 mg·m?2·d?1，強堿性和弱堿性的DTP釋放通量分別是對照的30和15倍。相比之下，未滅菌處理組DTP釋放通量要高于滅菌處理組；表明溝渠底泥是溶解性總磷(DTP)的“源”，磷元素由底泥界面不斷擴散進入上覆水中。

圖5 不同 pH 條件下上覆水中溶解性總磷的釋放通量Figure 5 Total dissolved phosphorus release flux in overlying water under different pH conditions

2.4 單一因子 pH 對溝渠底泥氮/磷的影響分析

由圖6可知：pH 5.5條件下，鈣結合態磷(Ca-P)穿過紅線圈，而總磷(TP)、鐵鋁結合態磷(Fe/Al-P)、有機質(OM)、總氮(TN)和銨態氮均穿過藍線圈，表明酸性條件與Ca-P呈正相關。pH 7.5條件下，TN穿過紅線圈，而其他指標(OM、Ca-P、TP、Fe/Al-P和)均穿過藍線圈，表明中性(pH 7.5)條件與TN呈正相關，而與其他指標均為負相關。pH≥9.5時，TN、TP、Fe/Al-P穿過紅線圈，OM、Ca-P和穿過藍線圈，表明堿性條件與TN、TP和Fe/Al-P正相關，與OM、Ca-P、負 相關。Ca-P是一種惰性磷，僅酸性條件能促進Ca-P釋放，堿性條件則促進Fe/Al-P、TN、TP釋放。中性條件對底泥中氮磷釋放影響較小。

圖6 檢驗 pH 對溝渠底泥中氮/磷的影響Figure 6 Test result of pH’s influence on nitrogen and phosphorus in ditch sediment

3 討論

3.1 pH對農村溝渠底泥氮動態遷移的影響

整個研究周期內，上覆水總氮平均質量濃度和釋放通量從大到小依次為pH 11.5、pH 5.5、pH 9.5、pH 7.5；表明強堿和酸性條件有利于TN的釋放，而中性條件TN釋放相對較弱。溝渠中氮由底泥向上覆水界面遷移釋放，其釋放規律隨時間的推移表現出不同的差異。原因可能是：隨著廢水的不斷排入，溝渠上覆水酸堿度波動較大；酸性條件下，底泥中膠體吸附的銨根()與氫離子(H+)發生離子交換，pH越小，H+越多，離子交換作用就越強烈；H+和競爭吸附位置，氯離子(Cl?)則與硝酸根()競爭吸附位置[20]，促進底泥氮的釋放，上覆水中總氮質量濃度升高。而堿性條件下，上覆水中存在大量的氫氧根(OH?)，pH越大，則OH?越多，與底泥膠體中結合發生化學反應也越劇烈；底泥中以氣態形式(NH3，氨氣)逸出[21]，使上覆水中銨態氮質量濃度降低，造成兩相間濃度差變大，進而促進底泥中TN向上覆水體釋放。盧俊平等[22]對水庫和湖泊中底泥進行室內模擬釋放研究發現：酸性和堿性條件均有利于底泥中總氮的釋放，而中性條件下底泥中總氮的釋放強度最弱，與本研究結果基本一致。此外，底泥TN質量分數隨pH升高而下降，強堿性條件下底泥中TN質量分數相對最小，也說明了強堿性條件下底泥中氮營養鹽最容易從底泥向上覆水界面遷移釋放。

曾巾等[23]、PAUER等[24]研究發現：底泥表面和水體中存在比較強烈的硝化反應。本研究發現：實驗初期，pH 5.5條件下上覆水TN質量濃度不斷上升，10 d后相對穩定，表明系統初期底泥-上覆水界面存在較強的硝化作用，原因在于好氧環境和高氧化還原電位條件加快底泥表面的硝化細菌活性[10]。相比之下未滅菌處理組上覆水TN質量濃度上升更為劇烈，說明在好氧環境下，酸性條件有利于底泥中的氮素轉化。強堿(pH 11.5)條件下上覆水TN質量濃度隨著時間推移變化起伏較大，這是由于底泥和上覆水間的含氮營養鹽存在一定的質量濃度差；實驗初期營養鹽中氮由底泥迅速向上覆水釋放，隨時間延長營養鹽中氮素逐漸消耗，要使氮素營養鹽進一步釋放，則需要底泥中含氮有機質礦化；而每次采樣后加入的原位水稀釋速率大于含氮有機質的礦化速率，使得底泥中總氮的釋放量不斷減少。相比之下，未滅菌處理組微生物細菌總數相對較多，微生物活性強，可分解底泥中一些難溶形態的氮[25]；而培養時間延長，體系中微生物活性逐漸減弱，因而總氮質量濃度不斷下降。有研究表明[26]：pH為7～11時，底泥中的反硝化細菌活性隨pH升高而增大，加上水溶液中OH?較多，底泥中無機氮被快速轉化為有機氮釋放到上覆水中，是強堿條件下總氮釋放通量和上覆水質量濃度要高于其他3個pH梯度的原因。與裴佳瑤等[20]研究結果一致。由此看來，農村溝渠上覆水pH對溝渠底泥中氮釋放遷移具有一定的影響，實時監測和有效調控溝渠上覆水酸堿度是農村生態環境治理的關鍵。

3.2 pH對農村溝渠底泥磷動態遷移的影響

上覆水溶解性總磷平均質量濃度和釋放通量從大到小依次為pH 11.5、pH 9.5、pH 7.5、pH 5.5，磷元素從底泥向上覆水界面釋放，反應初期相對穩定，隨著培養時間延長，釋放速率相對增加。不同處理下DTP釋放通量和上覆水質量濃度均隨pH升高而增大，且堿性(pH≥9.5)條件顯著高于中性(pH 7.5)和酸性(pH 5.5)條件。這是由于排入物主要為廚余垃圾、農業灌溉廢水和畜禽養殖廢水，溝渠水深較淺、流域來水量少、分布密度大、流動性差，隨時間延長，上覆水酸堿度變化較大。堿性條件下，磷釋放以離子交換為主；高pH條件下水溶液中存在的大量OH?與底泥中的鐵鋁結合磷酸根離子競爭吸附位置[27]，鋁離子(Al3+)、鐵離子(Fe3+)與OH?結合生成穩定的氫氧化物，而磷元素在離子交換作用下被重新釋放到上覆水中[28]。當pH為7.5時，水溶液中的磷以磷酸二氫根和磷酸氫根的形式存在，容易與底泥中溶解的腐殖質、Fe3+等金屬元素結合而被吸附綁定在底泥表面[29]；隨著系統中磷釋放-吸附的不斷發生，中性條件下上覆水中磷釋放量不斷降低。而酸性條件下，底泥中磷釋放主要以溶解為主；低pH時，大量H+影響底泥礦物表面基團質子化，可吸附上覆水中一部分磷[30]；同時，在偏酸性條件下，底泥中的Fe3+、Al3+與上覆水中磷相互作用，形成難溶性磷酸鹽，抑制水溶液中活性磷酸酶的水解作用[31]，導致上覆水中磷質量濃度進一步降低。

農村溝渠底泥中存在的大量微生物細菌是影響底泥磷污染物釋放的另一原因。左樂等[32]研究發現：微生物可加速沉積物中有機磷向無機磷轉化，提高磷的生物可利用效率。本研究中，堿性(pH≥9.5)條件下反應前期(0～15 d)溶解性總磷質量濃度相對穩定，15 d后不同程度上升。一方面可能是底泥中解有機磷細菌的作用，隨pH升高，這種菌會將底泥中不易被植物吸收的磷轉化為可被吸收利用的可溶性磷[33]。另一方面微生物代謝過程中會產生一種促進有機磷轉化的胞外酶[34]，導致磷脂、核酸等有機磷的P?N、P?O和P?S鍵斷裂，礦化出溶解性磷酸鹽，釋放到上覆水中[35]。隨著pH升高，微生物細菌活性不斷增強，氧氣消耗量變大，底泥中氧化還原電位下降[36]，底泥中Fe3+被還原為亞鐵離子(Fe2+)，導致溶解性磷酸鹽不斷釋放到上覆水中。本研究中發現：未滅菌處理組底泥中微生物細菌較多，活性較大，分解難溶性磷能力較強；滅菌處理殺死了一部分底泥中的微生物細菌，伴隨時間推移，剩余微生物[36]的活性降低，是滅菌處理組DTP釋放通量和上覆水質量濃度均低于未滅菌處理組的原因。

山地農村溝渠是氮磷營養鹽釋放風險較高區域，上覆水酸堿度的變化直接影響底泥氮磷營養鹽的遷移釋放。加強對山地農村溝渠水環境pH的實時監控，定期清淤，保障溝渠通暢，從而降低營養鹽釋放風險。此外，需加強對溝渠上游及周邊農村的排污管控，切斷溝渠外源污染，從根本上控制農村溝渠水環境污染問題。

4 結論

山地農村溝渠底泥中氮磷元素由底泥向上覆水界面遷移釋放，隨著pH升高，底泥中總氮質量分數減少。總氮釋放通量在強堿性(pH 11.5)和酸性(pH 5.5)條件下最高，說明偏酸性和強堿性條件更利于底泥中氮的釋放。底泥中總磷質量分數隨著pH升高呈先增加后減小趨勢，上覆水溶解性總磷質量濃度和釋放通量未滅菌處理組始終高于滅菌處理組。堿性(pH≥9.5)條件更有利于底泥中磷的釋放，中性(pH 7.5)條件磷釋放量最小。不同pH條件下底泥滅菌處理會降低微生物活性，阻礙底泥中磷的釋放。冗余分析表明：酸性(pH 5.5)條件能促進Ca-P釋放，堿性(pH≥9.5)條件能促進總氮、總磷和Fe/Al-P釋放，而中性(pH 7.5)條件對底泥中氮磷釋放影響最小。