去除有機質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, 吳代赦

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

沉積物是湖泊生態系統的重要組成部分，是湖泊中氮磷等營養鹽的重要儲存場所。氮和磷則是導致湖泊富營養化的最主要的營養元素。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，當湖泊環境條件發生改變時，原本蓄積在底泥中的污染物質會通過分解、溶解等反應再次進入到水體，造成湖泊的內源污染。城市湖泊由于深度較淺更易受到風吹、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鹽的交換作用更加充分[1]。

象湖風景區坐落在江西省南昌城區西南角，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湖之一。總面積為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、養殖、景觀等多功能的淺水湖泊。水流自南向北流經撫河故道、撫河、贛江，最后與長江進行換水[7]。隨著城市的快速發展，象湖水體受到人類活動的影響越來越大，大量未經處理的生活污水直接排放進入象湖中，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湖體，導致象湖中營養物質不斷累積。經過對外源污染物的有效控制，象湖水質情況由劣Ⅴ類[8]逐漸好轉。為防止內源污染導致湖泊富營養化程度加劇，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化控制和生態環境修復提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預處理

2019年12月，利用沉積物采樣器采集象湖各區域水下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備用。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]測定有機質含量后，通過對比各采樣點地理位置、環境狀態及沉積物特征從北到南選取點L1，L2，L3，L4作為研究對象，其地理位置及環境狀態見表1。根據前人研究[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質進行去除，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，此過程反復進行，直到再次加入過氧化氫后無氣泡產生。

表1 各采樣點環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試驗 磷釋放動力學試驗[17]：準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]：按水土質量比25，50，100，200，500，1 000，1 500，2 500，5 000稱取不同質量的沉積物樣品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。根據鉬銻抗分光光度法測定磷(SRP)的釋放量。

Qt=Qmax×(1-e-kt)

(1)

2 結果與分析

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方程擬合參數

圖3 去除有機質后象湖表層沉積物中的釋放動力學特征

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，相比于未去除有機質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才趨于穩定。以水土比5 000時的氨氮釋放量與沉積物中總氮和有機質進行相關性分析，得出在該條件下氨氮釋放量與總氮和有機質含量都呈現顯著正相關(p<0.01)。由此可得，沉積物中有機質的含量是影響沉積物中氨氮釋放量的主要因素之一，沉積物有機質的含量高低一定程度上能夠體現沉積物向上覆水釋放氨氮量的多少。

圖4 去除有機質后象湖表層沉積物中的釋放潛能

表3 去除有機質后象湖沉積物中釋放一級動力學方程擬合參數

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釋放一級動力學方程擬合參數

2.2.2 去除有機質后沉積物溶解性活性磷SRP的釋放特征 去除沉積物中有機質后，磷的釋放釋放特征見圖7。沉積物釋放動力學曲線趨勢相比去除有機質之前幾乎不變。通過公式(1)對SRP釋放量過程一級動力學擬合，結果見表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]對比發現，象湖除去有機質后SRP的釋放量相比貢湖、五里湖的2.33～2.97倍明顯偏高。說明除了有機質外，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質與無機膠體結合在一起，形成有機無機復合膠體，其中腐殖質和鐵、鋁形成有機無機復合體，為磷酸鹽提供了重要的吸附位點[27]。在過氧化氫的作用下，有機質中極性官能團被氧化，使得磷酸鹽的吸附點位減少，磷酸鹽被釋放到水體。根據相關研究[28-29]，當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存在形態多樣且易受到各種理化性質影響。所以可以推斷出，象湖沉積物中有機質吸附著大量FeP，當通過過氧化氫去除有機質后，沉積物氧化還原電位升高，大量FeP被氧化成可交換態磷釋放到水體。

圖7 去除有機質后象湖表層沉積物中溶解性活性磷SRP的釋放動力學特征

表5 去除有機質后象湖沉表層積物中溶解性活性磷SRP釋放一級動力學方程擬合參數

圖8 去除有機質后象湖表層沉積物中溶解性活性磷SRP的釋放潛能

3 結 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，最后趨于穩定，釋放量達到一定最大值。釋放潛能與釋放量呈正比例關系，釋放平衡量大的區域釋放潛能也高。

(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域的生態環境有關，高等水生植物為優勢植株的區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質含量呈顯著正相關(p<0.01)，沉積物中有機質的含量是影響沉積物中氮釋放特征的主要因素之一，沉積物有機質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不僅與有機質含量有關還受有機質活性、成組成分、吸附與結合的鐵鋁磷含量等多因素共同影響。