上覆水环境条件对底泥氮磷释放的影响研究*

2020-01-15冯民权郝晓燕

环境污染与防治 2020年1期

张茜冯民权郝晓燕

(西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048)

受上覆水的影响，底泥在湖泊、水库的营养盐循环中既可能扮演“汇”的角色，也可能扮演“源”的角色[1-4]。水体污染严重时氮磷营养盐可通过沉降或者颗粒吸附作用而聚集于底泥中，再悬浮作用又会向上覆水体释放氮磷营养盐[5-8]。学者们对丹麦的浅湖[9]、美国的庞特查雷恩湖[10]以及中国的白洋淀[11]、尹府水库[12]、北里湖[13]、翠湖[14]、滇池[15]、汤峪水库[16]、产芝水库[17]的研究发现，氮磷营养盐在底泥与上覆水之间的迁移转化受到温度、pH、DO等[18-22]环境条件的影响。但这些环境条件对底泥的氮磷营养盐释放影响的规律尚处于探索阶段。

本研究探索了温度、pH、DO对底泥向上覆水释放总氮、总磷影响的规律，从而为底泥总氮、总磷污染的防治提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采用抓斗式采样器在内源污染为主的漳泽水库淤积严重的库尾处(36°14′36.64″N，113°2′34.12″E)采集底泥，装入聚乙烯桶后带回实验室，剔除杂质后冷冻保存。底泥样品的主要理化指标见表1。

表1 底泥样品的主要理化指标

在同一地点采集底泥以上0.5 m处的上覆水带回实验室，4 ℃冷藏保存。由于上覆水中总氮和总磷已经达到饱和，因此将上覆水稀释到《山西省地表水功能区划》要求的《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质标准值后再使用。

1.2 实验装置

实验装置(见图1)包括有机玻璃圆筒(内径10 cm，高度35 cm)、恒温水浴、进气管、取样管。

将底泥放入有机玻璃圆筒中，控制高度为5 cm，将上覆水沿筒壁缓缓注入有机玻璃圆筒中，控制高度为25 cm。将有机玻璃圆筒用带进气管和取样管的橡胶塞塞住，取样管伸至底泥上方5 cm处，进气管伸至上覆水面以上，实验过程中用夹子夹住进气管与取样管进行封闭。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

1.3 实验方案

(1) 控制上覆水pH为7，DO为8 mg/L，改变温度为15、20、25、30 ℃，研究温度对底泥中总氮、总磷释放到上覆水的影响。

(2) 控制温度为20 ℃，上覆水DO为8 mg/L，调节pH为5、7、9、10，研究pH对底泥中总氮、总磷释放到上覆水的影响。

(3) 控制温度为20 ℃，上覆水pH为7，调节DO为2、4、6、8 mg/L，研究DO对底泥中总氮、总磷释放到上覆水的影响。

每个实验方案平行做2次重复，结果取平均值。

1.4 实验监测和计算

采集每个实验方案0、12、24、36、48、60、72、84、96、108、120 h时的水样，每次取200 mL，并用上覆水补充。

总氮采用碱性过硫酸钾消解/紫外分光光度法测定；总磷采用过硫酸钾消解/钼酸铵分光光度法测定。

总氮和总磷的释放强度计算参考文献[23]。

2 结果与讨论

2.1 上覆水温度对底泥总氮、总磷释放的影响

图2(a)显示，36 h后，底泥总氮释放强度与上覆水温度之间显现出明显的规律性，随着温度的升高，底泥总氮释放强度增加。96 h后，总氮释放强度基本趋于稳定。120 h时，30 ℃条件下底泥总氮释放强度是15 ℃条件下的1.65倍。因为温度升高会使得各种物理、化学、生物反应条件(如扩散、有机质降解等)发生改变。卢俊平等[24]发现，温度升高，底泥中的有机氮分解加速，向上覆水的释放强度也增大。

图2 不同温度条件下总氮、总磷释放强度随时间变化Fig.2 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different temperature conditions

图2(b)显示，上覆水温度对底泥中总磷释放强度的影响规律与总氮基本相似，也是36 h后，底泥总磷释放强度与上覆水温度之间显现出明显的规律性，随着温度的升高，底泥总磷释放强度增加，不过总磷120 h时释放强度还未达到稳定。120 h时，30 ℃条件下底泥总磷释放强度是15 ℃条件下的3.40倍。主要原因可能是因为升高温度会促进底泥中微生物及底栖动物的活动，加快氧化分解作用；同时，升高温度对底泥中有机物的矿化也有较大影响，从而使底泥中的有机磷和颗粒态磷释放加速。

不同温度条件下底泥中总氮、总磷的平均释放强度如表2所示。利用SPSS 19.0软件将温度分别与底泥中总氮、总磷的平均释放强度进行各种曲线拟合(见表3)发现，在15～30 ℃范围内，底泥中总氮平均释放强度与温度的关系最符合二次曲线(R2为0.998)，总磷的平均释放强度与温度的关系最符合三次曲线(R2为0.999)。底泥中总氮、总磷的平均释放强度与温度的回归方程分别见式(1)和式(2)。F检验表明，式(1)的标准偏差(σ)为0.041，式(2)的为0.048，均小于0.05。

P总氮=0.362×T2+7.248×T+322.763

(1)

P总磷=0.001×T3+0.014×T2+3.626

(2)

式中：P总氮、P总磷分别为总氮和总磷的平均释放强度，mg/m2；T为上覆水温度，℃。

2.2 上覆水pH对底泥总氮、总磷释放的影响

图3(a)显示，pH中性不利于底泥中总氮的释放，而强碱最有利于总氮释放。120 h时，pH=10时底泥总氮释放强度是pH=7.0时的1.34倍。该释放规律也基本是在36 h后逐渐显现出来，96 h后，总氮释放强度基本趋于稳定。

图3(b)显示，pH对底泥总磷释放强度的影响规律从一开始就已显现出来，总磷释放强度碱性>酸性>中性。120 h时pH=10、pH=9条件下总磷释放强度分别达到179.22、86.69 mg/m2。这是由于在碱性条件下，水体中OH-能与结合态磷(如铁结合态磷和铝结合态磷)发生交换，从而使得磷向上覆水释放。酸性条件下总磷释放强度较大，可能是因为H+对部分结合态磷具有溶出作用，另一方面微生物对有机磷进行降解，释放CO2和溶解态磷也会促使pH降低和磷的释放。

不同pH条件下总氮、总磷的平均释放强度如表4所示。利用SPSS 19.0软件将pH分别与底泥中总氮、总磷的平均释放强度进行各种曲线拟合(见表5)发现，在pH为5～10的范围内，底泥中总氮和总磷的平均释放强度与pH的关系均最适合用三次曲线拟合(R2分别为0.976、0.999)，回归方程分别如式(3)和式(4)所示。F检验表明，式(3)、式(4)的σ分别为0.016、0.038，也均小于0.05。

P总氮=2.319×X3-25.308×X2+1 049.285

(3)

表2 不同温度条件下底泥中总氮、总磷的平均释放强度

表3 总氮、总磷的平均释放强度与温度的R2

图3 不同pH条件下总氮、总磷释放强度随时间变化Fig.3 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different pH conditions

表4 不同pH条件下底泥中总氮、总磷的平均释放强度

表5 总氮、总磷的平均释放强度与pH的R2

P总磷=673.000×X3-6.860×X2+117.715

(4)

式中：X为上覆水pH。

2.3 上覆水DO对底泥总氮、总磷释放的影响

从图4(a)可以看出，36 h后，底泥中总氮释放强度总体随上覆水DO浓度的升高而降低，但DO=6 mg/L和DO=8 mg/L差别变小，这可能与底泥中含氮化合物的存在形式及微生物作用方式有关[23]。

不同DO条件下总氮、总磷的平均释放强度如表6所示。利用SPSS 19.0软件将DO分别与底泥中总氮、总磷的平均释放强度进行各种曲线拟合(见表7)发现，在DO为2～8 mg/L的范围内，底泥中总氮、总磷的平均释放强度与DO的关系均最适合用三次曲线拟合(R2分别为1.000、1.000)，回归方程分别如式(5)和式(6)所示。F检验表明，式(5)、式(6)的σ均小于0.01。

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

(5)

P总磷=-0.030×Y3+0.590×Y2-4.691×Y+29.082

(6)

式中：Y为上覆水DO，mg/L。

图4 不同DO条件下底泥总氮、总磷释放强度随时间变化Fig.4 Variation of total nitrogen and total phosphorus release intensity with time under different DO conditions

表6 不同DO条件下底泥中总氮、总磷的平均释放强度

表7 总氮、总磷的平均释放强度与DO的R2

2.4 不同环境条件对底泥氮磷释放影响的大小

为了比较不同环境条件对底泥中总氮、总磷释放强度的影响大小，计算不同环境条件下底泥中总氮、总磷平均释放强度的极差。15～30 ℃范围内，总氮平均释放强度极差为357.63 mg/m2，总磷为24.37 mg/m2；pH为5～10的范围内，总氮平均释放强度极差为227.44 mg/m2，总磷为91.53 mg/m2；DO为2～8 mg/L的范围内，总氮平均释放强度极差为295.69 mg/m2，总磷为8.04 mg/m2。极差分析表明，环境条件对底泥总氮释放影响的大小表现为温度>DO>pH，对底泥总磷释放影响的大小表现为pH>温度>DO。