不同因素对华北地区弱透水层中硝酸盐反硝化作用影响的研究

蔡 敏，辛立勋，张 旭，崔娜欣，周 丽，邹国燕，陈桂发*

(1上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海 201403；2上海低碳农业工程技术研究中心，上海 201415；3上海琸源水生态环境工程有限公司，上海 200003)

1 材料与方法

1.1 采样地点

采样点位于北京市通州区东南部张家湾镇张家湾村的通州试验场。该试验场位于潮白河冲洪积平原，试验场周围有北运河和潮白河两条河流分布，该区域含水层弱透水层多层互层，非均质性明显，地下水位埋藏较浅，随季节变动大约0.5—1 m，存在明显的因开采漏斗导致的垂向流。本研究采样区为地表以下30 m范围内的浅部含水层。采样区域含水层层位分布及采样井层位分布如图1所示。

1.2 试验材料

黏土、沙土、粉土分别采集于北京通州试验场的弱透水层、含水层和包气带。采样深度：黏土为14—19.2 m； 沙土为21—21.2 m； 粉土为2.2—2.35 m。土样自然风干，碾碎，过2 mm筛，去除大的颗粒和杂物，备用。土样粒径组成采用激光可吸入尘分析仪(Malvern mastersize 2000)进行分析；土样碳氮含量采用碳氮元素分析仪(Thermo Flash 2000)测定，结果如表1所示。土样有机质和有机碳含量采用重铬酸钾容量法及加热法进行测定。

表1 土壤介质粒径和碳氮含量

1.3 反硝化动力学试验

考虑硝酸盐初始浓度、固液比、溶解氧(DO)、土壤类型和微生物活性对反硝化过程的影响，具体设计参数见表2。

(1)硝酸盐初始浓度：设置质量浓度为25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L的KNO3溶液，使用前灭菌处理。

(2)固液比：称取一定质量的(1.00 g、0.50 g、0.33 g)土壤样品，放入16 mm×150 mm的灭菌硼硅玻璃血清管中，加入10 mL配置好的KNO3溶液，形成1∶10、1∶20和1∶30三种固液比。

(3)DO：在固液比为1∶10的处理中，设置2个试验组，一组用高纯氮气去除溶液中的DO，达到准厌氧状态(DO<0.2 mg/L)，另一组保持常氧状态(DO=5—6 mg/L)。

(4)微生物：无菌组的土壤处理过程为121℃灭菌30 min，在无菌台上静置1d，使芽孢进一步生长，再次灭菌，重复3次。

表2 反硝化动力学试验设计

2 结果与分析

2.1 不同土壤类型反应体系中DOC含量变化及反硝化速率常数

如表3所示，不同类型土壤反应体系中的DOC含量随时间变化较小，表明试验过程中有机质的含量可以满足微生物的反硝化过程，结果可靠。所有反应体系中的硝酸盐在18—20 d内基本全部降解，符合一级动力学过程，拟合后其反应速率常数和R2如表4所示。产物亚硝酸盐浓度在第35—52天内低于检测限，表明已被完全降解。

表3 不同土壤类型反应体系中DOC随时间变化

2.2 不同初始浓度及固液比下的反硝化特征

表4 反硝化反应速率常数

2.3 不同DO含量和土壤类型下的反硝化特征

2.4 微生物影响下的反硝化过程差异

3 讨论与结论

本研究通过比较不同硝酸盐初始浓度的反硝化特征，发现硝酸盐作为电子受体其初始浓度对反应速率的影响几乎可以忽略，说明较低污染水平(25 mg/L)时，地下水层的弱透水层可以保证显著的反硝化过程的发生；但是高初始浓度(100 mg/L)时，亚硝酸盐含量的峰值出现明显延迟，且其浓度显著增加，表明硝酸盐含量的增高可能会显著增加反硝化过程产物的浓度和累积量，这也是污染水平高的地区潜在健康风险较大的重要原因[21]。固液比对反应过程中硝酸盐降解及亚硝酸盐的累积影响较小，在固液比为1∶30的情况下，土壤中的DOC和微生物可以满足反硝化的需求。相较于其他两个比例(1∶10、1∶20)，固液比为1∶30条件下反硝化速率最快，表明在有机质、微生物及硝酸盐含量充分的情况下，大的接触面积更有利于反硝化的发生，这与已有的文献报道一致[22-23]。

反硝化过程主要发生在低氧或者厌氧条件下[24]。本研究中，当DO含量为5—6 mg/L时，硝酸盐浓度随时间无明显降低，亦没有出现反硝化中间产物亚硝酸盐的累积，反硝化速率极低或近乎未发生，表明弱透水层中DO含量是反硝化过程能否顺利进行的决定性因素。主要原因是，当电子受体是微生物优先利用的氧气时，反硝化菌群的活性往往会受到抑制，从而阻止了反硝化过程的发生[24]。但是，地下水弱透水层特别是黏土层中的DO可达到准厌氧的状态，因此该区域可为反硝化过程的进行提供适宜的厌氧条件[25]。

Ahn等[26]认为土壤性质对反硝化过程起到了至关重要的作用。邹刚华等[27]对稻田土壤反硝化动力学参数进行估算，结果表明粉粒的反硝化作用显著，与本研究结果一致。本研究中,虽然不同土壤类型下的反硝化速率差别较少，但反硝化过程产物亚硝酸盐的累积及降解过程存在明显差异，说明在地下包气带不同土质中亚硝酸盐的累积和降解速率存在差异，其中沙土介质中的积累量最大，消耗速率最慢，这可能是硝酸盐的汇[28]。