水流扰动强度对高原山地农村沟渠底泥氮释放的影响

郑淑君，王铁运，刘云根,2①，杜鹏睿，王 妍,2，贾玉洁，文明发

(1.西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224；2.云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，云南 昆明 650224；3.云南省德源绿创环保科技有限公司，云南 昆明 650041)

氮是农作物的重要营养元素，同时也是重要的农业非点源污染物[1-2]。据统计，2016年农村污水排放量达202亿 t，处理率不足22%。截至2018年底，乡村生活污水处理率不足31%，农村污水俨然成为影响农村居民良好生活环境的重要限制因素[3-4]。目前我国大部分农村还没有完善的污水管网收集系统，农户产生的生活污水基本处于散排状态，大多通过房屋旁的自然沟渠排入附近水体[5-6]。沟渠是连接农村生活污水与农田、河流及湖泊等受纳水体的纽带，不仅具有排水功能，还是截留和转化污染物的关键场所[7]。沟渠底泥以其较大的表面积吸附水体中较多的氮，以沉积物间隙水为载体与上覆水进行物理、化学及生物作用，进行物质交换。作为氮的重要蓄积库，底泥既可以作为收集上覆水体氮的“汇”，又可以作为将氮释放回上覆水体的“源”，进而导致水体的二次污染[8-10]。

高原山地农村因其独特的地形条件和封闭性特点，造成农村污水对下游湖泊、河流存在极大的潜在性污染风险[11]。水-沉积物界面污染物的释放是控制内源性污染的基础科学问题，水动力条件是造成沉积物起悬、污染物释放的关键因素之一[12]，而扰动对于高原山地农村沟渠底泥氮释放特征的研究却鲜有报道。因此，探析扰动对高原山地农村沟渠底泥氮释放特征，揭示水体扰动对农村沟渠底泥氮产生的具体影响，对高原湖泊流域保护具有重要意义。缪静等[13]研究发现，农村水质水量变化范围较大，具体表现为早中晚3个高峰时段污水量大，其余时段污水量小。而水量的大小影响着水体对底泥的扰动强度。孙小静等[14]对湖泊底泥胶体氮释放与水动力的关系进行了相关研究，但该试验是以搅拌子模拟扰动，与真实的水体流动存在差异。笔者以云南省典型高原山地农村沟渠底泥为研究对象，通过模拟沟渠系统，设置5组不同的水量，对水流扰动影响下农村沟渠氮赋存形态的分布特征展开研究，结果可为农村环境污染综合治理及污染风险评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试底泥取自云南省昆明市官渡区某村(25°11′ N，102°89′ E)出村汇流沟渠，沟渠中普遍无植物生长，侧面与底部均为混凝土铸成，沟渠宽40 cm，深60 cm，底泥垂直深度约为12 cm。取表层(0～3 cm)底泥样品共112.5 kg(以湿重计)。将底泥样品采回后经过水泥混凝土搅拌机搅拌均匀备用。

1.2 试验装置

试验采用自制的模拟沟渠，通过室内模拟的方式开展，装置结构如图1所示，由160 mm聚氯乙烯(PVC)管、小型水泵(RS-468B)、蓄水池、调节阀、浮子流量计、可调节鸭嘴喷头及网纱构成。水泵可使水体持续循环流动，浮子流量计可显示水体流量水平，调节阀可调节水流大小，鸭嘴喷头可调节水流使得布水均匀，网纱可拦截水体流动冲刷的表层底泥。

1.3 试验设计

将搅拌均匀的湿润沟渠底泥平铺入模拟装置，厚度为3 cm，质量约为7.5 kg，将模拟沟渠中铺设的底泥静置24 h，可以很大程度上使表层底泥沉降，有效抑制水体对底泥的冲刷和扰动引起的悬浮。置15 L去离子水于蓄水池中，淹没水泵使水泵正常持续运作。

设置静置(0 L·h-1)及扰动试验(5、15、30、60 L·h-1)，5种沟渠水体流量水平，水体流量水平与扰动强度成正比，每种水流扰动影响下的模拟沟渠装置均连续30 d不断循环流动。每5 d采1次样，每次采水样30 mL，24 h内测定3组平行样水体理化指标，每次取样结束后，补充去离子水以确保上覆水体积保持不变。采集第1天(背景值)及第30天的表层1 cm处底泥样品1.5 g，置于阴凉处晾干，去除杂质与沙粒，研磨后过0.15 mm孔径筛，测定3组平行样的底泥理化指标。

1.4 测定指标及方法

上覆水及底泥中pH值(水土质量比为2.5∶1)、氧化还原电位(Eh)及电导率(EC)采用HACH便携式仪器(HQ40d)测定，水体TN浓度采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定，底泥TN含量采用凯氏定氮法测定；水体NH4+-N浓度采用纳氏试剂紫外分光光度法测定，水体总有机碳(TOC)浓度采用燃烧氧化红外吸收法测定，底泥TOC含量采用重铬酸钾油浴法测定；底泥氮形态采用沉积物可转化态氮分级连续浸提法测定，该方法将沉积物中的形态氮分为可转换态氮(TTN)，离子交换态氮(IEF-N)、弱酸可提取态氮(WAEF-N)、强碱可提取态氮(SAEF-N)、强氧化剂可提取态氮(SOEF-N)。

1.5 数据分析

利用Excel 2010对数据进行初步处理，并采用Origin 2018进行绘图，统计软件SPSS 22.0进行单因素方差分析，用Pearson法进行相关性分析。以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水标准值为背景值，分析农村上覆水体氮污染特征。

2 结果与讨论

2.1 不同水流扰动强度下农村沟渠上覆水氮污染特征

不同水流扰动强度下上覆水pH值、Eh差异不显著，pH值均在8～9之间，属于弱碱性水体，Eh均为正值，属于氧化性水体。由图2可知，在试验初期的0～10 d，扰动可加快NH4+-N从底泥向上覆水的释放速率，表现为5>15>30>60>0 L·h-1。在第5天，5 L·h-1水流扰动条件下上覆水中的NH4+-N浓度显著高于静置条件下的浓度，平均值为14.26 mg·L-1，约为后者的1.3倍。各组上覆水中TN和NH4+- N浓度均在第5 天急速升高，主要是由于上覆水和底泥间隙水之间的氮浓度差较大，表现出沉积物中具有较高的氮释放潜力，这与朱元荣等[15]的研究一致。

图2 不同水流扰动强度下上覆水体NH4+-N和TN浓度

在释放10 d后，静置组上覆水中NH4+-N浓度均显著高于扰动组，平均值为18.18 mg·L-1。随着时间变化，在15～30 d内NH4+-N释放速率趋于稳定。总体来说，TN和NH4+-N迁移转化遵循着相似的规律，都是先升高后下降的变化趋势，这与陈红等[16]、韩宁等[17]、刘福兴等[18]研究结论一致。在此阶段，底泥TN的释放规律可近似地看作是NH4+-N的释放规律，这与杜旭等[19]的研究结果一致。分析原因，水中的氮以NH4+-N和NH3形式存在，各占一定的比例，氮浓度的降低可能是因为NH3脱离泥水系统而导致；也有可能是扰动使得上覆水体中氧化还原电位处于较高水平，促进NH4+-N向硝态氮的生物化学转化，降低了NH4+-N浓度。相关研究表明，在做底泥氮释放特性研究时总氮和氨氮会出现上覆水中的氮向底泥沉积的现象[20]。《城镇污水处理厂污染物排放标准》对水体TN质量浓度的一级标准为15 mg·L-1，NH4+-N质量浓度的一级标准为5 mg·L-1，因此试验中静置水体氮浓度高于城镇污水排放标准，污染风险最高；扰动水体TN浓度总体低于这一标准，而NH4+-N浓度均高于5 mg·L-1，超出水体NH4+-N排放标准。总体上水体扰动充氧有利于抑制底泥氮的“二次释放”对水体的污染，可有效降低下游水体富营养化风险。

2.2 不同水流扰动强度下农村沟渠底泥总氮变化特征

沉积物中TN含量是判断水域污染程度的重要指标，但并不能完全标志氮在循环中的作用。如图3所示，第30天0～60 L·h-1水流扰动影响下的沟渠底泥TN含量排序为0<5<30<15<60 L·h-1，表现为随扰动强度的增大，底泥TN含量增加[21]。在模拟扰动条件下，底泥沉积物有明显的吸附作用，这种吸附作用对水体氮具有显著的缓冲能力。当点源污染的输入造成局部沟渠水体的氮浓度突然增大时，底泥沉积物的吸附缓冲作用将迅速减轻氮对沟渠水体的环境压力，此时底泥表现为氮汇。

TN—总氮，TTN—可转化态氮，NTN—非转化态氨。同一组直方柱上方英文小写字母表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

通过相关性分析可知，上覆水体中氨氮浓度与IEF-N和TN含量呈显著负相关关系(P<0.05)，静置水体的氨氮浓度高于扰动组，而水体较高的氨氮浓度会促进沉积物中IEF-N和TN的释放，这与王梅等[22]的研究结果一致。

总氮(TN)由非转化态氮(NTN)与可转化态氮(TTN)相加得到，对于生物来说，除了NTN之外，IEF-N、WAEF-N、SAEF-N以及SOEF-N均为生物有效性氮，即TTN。由图3可知，TN组分以TTN为主，且其变化趋势也基本一致。

2.3 不同水流扰动强度下农村沟渠底泥氮释放特征

2.3.1农村沟渠底泥IEF-N的分布特征

IEF-N作为沉积物-上覆水交换的主要氮形态，相对于其他3种形态的氮，更容易释放到上覆水中参与氮循环，是最不稳定的吸附态氮，在氮循环中具有重要地位[23]。由图4可知，水流扰动下的农村沟渠底泥w(IEF-N)明显高于静置时，随着水流扰动强度的增大，底泥IEF-N含量呈现先增大后降低的趋势；静置时最低，平均值为351.38 mg·kg-1。在30 L·h-1水流扰动下，沟渠底泥IEF-N含量达到最高，平均值为639.72 mg·kg-1。在静置或处于较强的扰动强度下，更有利于沟渠底泥中IEF-N向水体中释放，从而增加上覆水体中IEF-N含量。

同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间N含量差异显著(P<0.05)。

2.3.2农村沟渠底泥WAEF-N的分布特征

WAEF-N为可转化的有机物和碳酸盐相结合的氮形态，释放能力仅次于IEF-N，其分布主要与沉积物有机质矿化过程中pH值的变化有关，在酸性条件下易从沉积物中转移到间隙水，其变化使 CaCO3沉淀或溶解，与NH4+或 NO3-结合。沟渠底泥中WAEF-N含量在扰动时均高于静置，在5 L·h-1扰动下最高值达到926.38 mg·kg-1。相关研究表明，洱海表层沉积物中w(WAEF-N)达91～210 mg·kg-1，且具有较高的氮释放风险。而该沟渠底泥中WAEF-N含量远高于洱海，这表明该农村沟渠底泥中氮的潜在释放风险高[24]。

2.3.3农村沟渠底泥SAEF-N的分布特征

SAEF-N是可由强碱提取的铁锰氧化物吸附的氮，其形成与分布主要由沉积物的氧化还原环境控制。静置时沟渠底泥的SAEF-N含量与扰动时存在显著性差异，总体呈5>15>30>60>0 L·h-1。5 L·h-1水流扰动下沟渠底泥SAEF-N含量最高，平均值为320.00 mg·kg-1； 静置时最低，平均值为160.00 mg·kg-1。一般认为，沉积物中氧化环境下SAEF-N可以较稳定存在，在还原环境下，利于SAEF-N释放并被生物重新利用[25]。该研究结果表明，不同水流扰动下农村沟渠均处于还原环境，说明各村沟渠底泥均利于SAEF-N的释放，静置时作用最强。静置水体沟渠底泥DO、Eh相对底泥背景值下降，试验初期注水阶段水体的扰动使得水体复氧，当静置沟渠底泥有机污染物降解和还原性无机物氧化大量消耗氧时易导致静置沟渠底泥DO含量和Eh降低[26]。因此，SAEF-N是农村沟渠底泥氮含量过高的重要影响因子，w(SAEF-N)过高会加剧农村生态环境的恶化。

2.3.4农村沟渠底泥SOEF-N的分布特征

强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N)是可转化态氮中含量最大的一种形态，主要是与不易降解的大分子有机物或硫化物结合的氮形态，不易释放，是最稳定的氮形态[27]。王梅等[22]指出，SOEF-N的分布与有机质在底泥中的含量相关性密切。在60 L·h-1水流扰动下农村沟渠底泥的有机质含量略高于其余扰动强度，扰动强度过大，使得沟渠底泥有机碳和有机氮的蓄积量增加，这可能是造成其沟渠底泥中w(SOEF-N)较高的原因。由图4可见,在各种扰动强度下底泥SOEF-N含量差异不大，这可能是由于SOEF-N本身就是一种较为稳定且不易释放的氮形态。静置时底泥DO含量最低，处于缺氧条件，SOEF-N释放量却最高；而扰动条件下，更有利于SOEF-N向底泥中吸附沉淀，这与WANG等[28]研究结论相反。这可能是因为底泥在受到扰动后发生再悬浮，上覆水体中悬浮颗粒物的含量和中值粒径增大，扰动作用增加了水体颗粒物的含量，沟渠部分表层底泥颗粒态氮和胶体氮及底泥微生物附着于这些颗粒物上，减少了微生物的腐败分解反应。所以当沟渠处于静置时，会导致SOEF-N被释放出来，对环境造成严重的氮污染，而扰动则会降低这一风险。

2.4 不同水流扰动强度下农村沟渠底泥碳含量及变化规律

底泥有机碳含量可以反映沟渠底泥有机污染程度且有机质的分解影响底泥营养盐释放。0～60 L·h-1水流扰动影响下底泥TOC释放、变化规律如图5所示，总体呈先减小后增大的趋势，其中15 L·h-1水流扰动影响下沟渠底泥TOC含量最低[29]。

直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间TOC含量差异显著(P<0.05)。

扰动水体沟渠底泥TOC释放量高于静置水体。沟渠底泥中的TOC通过矿化、分解向沟渠水体扩散，测定沟渠物理指标发现其pH值皆在8～9之间，而在碱性条件下大量可溶解性有机碳被释放到水中，被Ca2+、Fe3+等吸附，试验结果表明静置时pH值最高且呈碱性，所以此时上覆水中有机碳浓度最低而底泥中含量较高[30]。5～60 L·h-1水流扰动影响下水体流动冲刷导致沟渠底泥TOC汇入水体，同时沟渠水体流动导致底泥复氧可能产生兼氧或好氧细菌，使得有机质被降解，生成氨氮释放[31]。

2.5 沟渠底泥氮形态影响因素分析

2.5.1上覆水体水质对底泥氮形态的影响

通过对上覆水体w(TN)和w(NH4+-N)与沟渠底泥各形态氮含量的相关性分析(表1)可知，上覆水体氮浓度与底泥氮形态的相关性显著，均呈显著负相关，说明沟渠底泥氮含量与上覆水体水质之间存在相互影响。当水流扰动底泥表面时，沉积物中含氮颗粒物悬浮，降低上覆水体与间隙水间的传质限制，减少了释放阻力，加快底泥氮向上覆水体的释放[32]，同时也可能导致铁锰氧化物等胶体悬浮，进而吸附水中的氮化合物[33]。农村沟渠底泥上覆水水体较高的氨浓度可能是由于沟渠底泥氮释放造成的。

表1 上覆水体氮与沟渠底泥氮的相关系数

2.5.2底泥理化指标对氮形态的影响

如表2所示，底泥DO浓度与底泥形态氮中的IEF-N、WAEF-N、SAEF-N含量呈正相关，相关系数分别为0.603、0.827、0.534，其中WAEF-N含量与底泥DO浓度呈极显著正相关，这说明底泥DO浓度对底泥TTN含量及释放具有显著影响，当水流扰动强度增大，底泥DO浓度增强，一定程度会抑制底泥氮的释放，导致底泥氮含量较高[34-35]。底泥氧化还原电位(Eh)与底泥TTN含量呈极显著正相关。底泥pH值与底泥WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N、TOC含量呈显著负相关，底泥形态氮受pH值影响较大，底泥pH值呈碱性，促进沟渠底泥中吸附态NH4+的释放，使得氨化细菌的矿化作用活跃，NH4+的释放量明显增大[36]。沟渠底泥电导率EC与底泥TN含量呈显著正相关(0.562)，底泥电导率也是反映底泥营养盐含量的重要指标，底泥中的营养物质大多来自底泥有机质的分解。底泥电导率较高，说明底泥氮磷等营养盐含量较高[37]。沟渠底泥TN含量与SAEF-N、SOEF-N含量均呈正相关，且与TTN含量之间互为极显著正相关。

沟渠底泥TOC含量与WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N含量之间呈正相关，这一结论与冯峰等[38]的研究结论相同，丰富的有机质有利于微生物的繁殖分解，使得底泥氮释放。

表2 底泥微环境因子与沟渠底泥氮的相关性

3 结论与展望

(1)水体静置条件下NH4+-N浓度高于扰动时，底泥为氮源，逐步向水体释放氮；扰动下水体NH4+-N浓度随扰动强度表现为上升趋势，扰动可加快其从底泥向上覆水的释放速率，但均低于静置时；水体TN浓度随水流扰动强度增大表现为下降至30 L·h-1后上升，其中扰动水体NH4+-N浓度高于城镇污水排放标准(5 mg·L-1)，静置水体TN浓度高于城镇污水排放标准(15 mg·L-1)。

(2)沟渠底泥DO对底泥TTN作用显著。扰动条件下底泥为氮汇，在一定程度上吸附水体中的氮；当扰动强度增大时，底泥DO含量增加，同时会促进底泥对水体氮的吸附。

(3)不同水流扰动强度影响下底泥TN、TOC含量随扰动强度的增加而增多；底泥IEF-N、WAEF-N、SAEF-N受水体扰动呈不同程度释放，而SOEF-N含量累积，底泥可转化态氮的迁移转化对底泥营养盐释放产生影响。

(4)以往对底泥的研究较集中于平原地区的湖泊、河流及水库等，但对高原山地农村沟渠底泥氮形态释放特征与扰动的关系探究较少。通过室内模拟水流扰动对农村沟渠底泥氮释放影响研究，在一定程度上对于保护下流湖泊具有重要意义，但是由于高原山地农村独特的地形条件和封闭性特点，且农村居住密度较大，污染源比较复杂，如何探析氮在农村环境中的迁移转化以及后续可持续利用，同时开展农村污染实时在线监测，厘清污水流动对底泥污染物的释放影响及两者之间产生的交互效应是今后的探究方向。