水流扰动强度对农村沟渠底泥磷释放的影响

杜鹏睿 刘云根，2 杨思林，2 王 妍，2 龚云辉

( 1. 西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650233；2. 西南林业大学水科学与工程中心，云南 昆明 650233)

目前很多农村存在污水混流、垃圾堆积现象，很难采用统一的管网收集集中处理[1-2]。当居民生产生活排水及固体垃圾浸出液汇入沟渠，导致沟渠底泥污染物成分复杂，破坏农村居民生活环境[3-4]。沟渠是农村河流水系统的重要组成部分[5-6]，是氮、磷汇集、传输、转运的重要场所[7-8]，可以反应农村一段时间内的污染情况[9-10]。梅涵一等[11]对云南省不同类型农村沟渠底泥全磷的分布特征进行调查发现，养殖型农村汇流沟渠全磷最大值达3.74 g/kg，属于中度污染。底泥磷的大量积累存在不可忽视的二次污染风险[12-14]，但是当前研究主要集中在沟渠底泥磷分布特征、赋存形态、污染评价等[15-16]，对于农村沟渠水体扰动影响下，水体-底泥界面污染物的迁移转化还较少[17-18]。代政等[19]通过考察上覆水环境因子对滨海水库沉积物磷释放的影响发现扰动、温度、溶解氧对底泥磷释放的影响较大。对于农村沟渠底泥而言，温度随季节、气候等变化不受人为控制，溶解氧在很大程度上受水流扰动强度的影响，是造成农村沟渠底泥磷释放的主要因素。因此本研究以云南省昆明市小康郎小村这一畜禽养殖型农村沟渠底泥为对象，通过室内模拟试验，设置5 种水流扰动强度探索农村沟渠底泥磷的迁移转化规律，研究结果将对于揭示农村汇流沟渠水体-底泥界面磷的迁移转化规律、治理农村生态环境、降低富营养化风险及农村沟渠修建提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试底泥

本研究供试沟渠底泥取自云南省昆明市官渡区小康郎小村（102°89′E，25°11′N），采集出村汇流沟渠（沟渠宽40 cm，深60 cm，侧面与底部均为混凝土铸成，底泥垂直深度约为12 cm）的表层（3 cm）底泥样品共112.5 kg（以湿质量计）。采样时观察到此农村沟渠中普遍无植物生长，故试验中不考虑湿生植物对沟渠底泥中磷释放的影响。将底泥样品采回后经过水泥混凝土搅拌机（杭鸽起重机械设备有限公司）搅拌均匀备用。底泥基本性质如表1 所示，底泥粒径采用激光粒度分析仪（ZetaPALS，USA）测定。

具体测定方法为：将0.50 g 干沉积物放置在烧杯中，加入50 mL 蒸馏水，用手摇晃5 min，使得沉积物充分混匀，然后用激光粒度分析仪测定。底泥总有机碳（TOC）采用外加热法测定。底泥全磷（TP）采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定；底泥磷形态采用分级连续浸提法[20]测定，包括弱吸附态磷（Rabile-P）、可还原态磷（RSP）、铁铝结合态磷（Fe/Al-P）、钙结合态磷（Ca-P）。

表1 供试底泥的基本性质Table 1 Basic properties of test sediment

1.2 试验设计

试验采取室内模拟的方式在自制的模拟沟渠中开展，装置结构如图1 所示，由160 mm PVC管、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，调节阀可调节水体流量水平，可调节鸭嘴喷头可调节水流使得布水均匀，网纱可拦截水体流动对表层底泥的冲刷。

试验共设置5 种沟渠水体流量水平：静置、5、15、30、60 L/h，每个水体流量水平设置3个平行样，共15 条模拟沟渠。水体流量水平越大则水流扰动强度越强。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实现其正常持续运作。通过观察浮子流量计读数，调节调节阀开关，模拟试验设置的5种沟渠水流扰动水平，每种水流扰动水平均连续30 d 不断循环流动。

图1 沟渠装置示意图Fig. 1 Schematic of the ditch device

1.3 样品采集及试验方法

沟渠水体每5 d 采一次样，试验周期为30 d，每次采水样20 mL。测定水体溶解氧（DO）、pH、电导率、氧化还原电位、总磷（TP）、总溶解性磷（TDP），采集水样在24 h 内做分析。水体物理指标DO、pH、电导率、氧化还原电位采用HACH 便携式仪器测定，水体TP 采用过硫酸钾紫外分光光度法，TDP 抽滤后采用过硫酸钾紫外分光光度法测定3 组平行样。

沟渠底泥采集第0 天（背景值）及第30 天的表层1 cm 处的底泥样品1.5 g，置于阴凉处晾干，去除杂质与沙粒，研磨后过100 目筛。底泥全磷（TP）采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法测定；底泥磷形态采用分级连续浸提法测定，该方法将沉积物中的可转换态磷（TTP）分为弱吸附态磷（Rabile-P）、可还原态磷（RSP）、铁铝结合态磷（Fe/Al-P）、钙结合态磷（Ca-P）。

1.4 数据处理及评价方法

1.4.1 数据处理

应用SPSS 19.0 软件对水体DO、pH、电导率、氧化还原电位、TP 及TDP 等指标同一水流扰动强度随时间变化的浓度及同一时间随水流扰动强度增大的浓度进行单因素方差分析，差异显著性水平设定为P= 0.05；对不同水流扰动强度随时间变化的水体TP、TDP 浓度进行双因素方差分析，差异显著性水平设定为P= 0.05；用Pearson法对水体TP、TDP 浓度与底泥TP、TTP 含量之间进行相关性分析。采用Excel 2010 软件绘图，数据为平均值±标准差。试验装置图采用Adobe Photoshop CS2 软件绘制。

1.4.2 单因子评价法

采用国际上常用的单因子评价法来评价农村沟渠底泥磷污染风险，单因子污染指数评价公式为：Si=Ci/Cs。Si表示单因子污染指数，g/kg；Ci表示评价因子的实测值，g/kg；Cs表示评价因子的评价标准值；评价因子的评价标准值以加拿大安大略省环境和能源部发布的沉积物TP含量为准（TP=2.00 g/kg）[21]。当Si＞1 时，表示底泥TP 含量超过评价标准。底泥单因子指数评价标准值见表2。

表2 底泥单因子指数评价标准Table 2 The standard of single factor index evaluation for sediment

1.4.3 淡水水生环境底泥质量指导值

因为沟渠属于湿地生态系统水域地类与湖泊、河流、水库等平级且存在大量贝类等底栖动物，故采用淡水水生环境底泥质量指导值（CCME）评价底泥TP 含量的生态风险[22]。LEL 值为最低效应水平，也是多数底栖动物的耐受含量，底泥TP的LEL 值为0.60 g/kg；SEL 值为最高效应水平会对底栖动物产生不利影响，底泥TP 的SEL 值为2.00 g/kg。当底泥TP 低于LEL 值时，为无生态风险；当底泥TP 在LEL 与SEL 值之间，为较低生态风险；高于SEL 值时则为较高生态风险。

2 结果与分析

2.1 不同水流扰动强度下农村沟渠水体指标的特征规律

2.1.1 物理指标特征

不同水流扰动强度下沟渠水体物理指标DO、氧化还原电位、pH、电导率在扰动开始后均发生明显变化，如表3 所示。静置水体因长时间厌氧产生大量悬浮絮状物。

静置至60 L/h 的沟渠水体DO 浓度随时间变化的规律均表现为0～15 d 持续下降，后呈稳定状态；同一时间上随水流扰动强度的增大，DO浓度升高。当向蓄水池注水时水体扰动强烈故而水体DO 浓度较高。试验开始后受微生物耗氧影响导致沟渠水体DO 浓度逐渐下降，其中静置水体因扰动为0 而DO 浓度最低。静置～60 L/h 沟渠水体氧化还原电位随时间而持续降低至第10 天开始稳定，其中静置水体扰动为0 而氧化还原电位最低。同一时间上，沟渠水体的氧化还原电位总体随水流扰动强度的增大而升高，一般认为底泥中Fe/Al-P 的释放或累积与氧化还原条件密切相关[23]。沟渠水体电导率受底泥磷酸盐的释放均表现为随时间而持续升高；电导率一定程度上能够反应水体营养盐浓度情况[24]，并影响水体-底泥界面营养盐浓度差进而对底泥磷的释放或吸附产生一定影响。沟渠水体pH 值随时间变化的规律总体表现为上升后呈波动状态，pH 值稳定在8～9 之间呈碱性，有利于底泥磷释放。

表3 不同水流扰动强度下沟渠水体物理指标浓度变化特征Table 3 Changes of physical indexes in ditch water with different water flow disturbance intensities

2.1.2 磷浓度特征

不同水流扰动强度下底泥营养盐-磷释放使得水体TP、TDP 浓度升高，变化规律见图2。单因素方差分析结果表明5 种水流扰动强度下水体TP、TDP 浓度的时间分布差异显著（P＜0.05），同一时间下水体TP、TDP 浓度的水流扰动强度差异显著（P＜0.05），进一步进行双因素方差分析表明，时间、水流扰动强度、时间与水流扰动强度交互效应对沟渠水体P 浓度的影响均较大。

图2 不同水流扰动强度下沟渠水体TP、TDP 浓度变化特征Fig. 2 Changes of TP and TDP concentration in ditch water with different water flow disturbance intensities

静置水体中TP 浓度随时间持续增加，TDP浓度随时间表现为波动状态。5～60 L/h 的扰动水体TP、TDP 浓度随时间总体表现为先上升至第20 天浓度达最大值平衡。扰动水体的P 浓度在整个实验过程中均高于静置水体。静置至60 L/h随水流扰动强度增大，0～20 d 的TP 释放速率分别为1.63、5.76、5.80、5.18、4.33 mg/（m2·d），0～30 d 的TP 释放量分别为9.48、16.91、17.19、16.30、15.79 mg/L，其中15 L/h 的水流扰动强度对底泥磷释放速率、释放量影响最大。同一时间上比较发现，静置至15 L/h的水流扰动强度下水体P 浓度随扰动强度增强而升高，30～60 L/h 的水流扰动强度下则相反，总体上15 L/h 水流扰动强度下的水体P 浓度最高。

2.2 不同水流扰动强度下农村沟渠底泥磷的释放特征

不同水流扰动强度下的沟渠底泥TP 和TTP含量变化规律如图3 所示，静置至60 L/h 水流扰动强度下的沟渠底泥TP 含量随水流扰动强度增大呈现先减少后增多的趋势，释放率分别为9.04%、7.40%、15.17%、8.50%、7.47%，15 L/h 水流扰动强度下的沟渠底泥磷释放率最大。TTP 平均释放率随磷活性从高到低（Labile-P＞RSP＞Fe/Al-P＞Ca-P）分别为46.33%、16.48%、-3.59%、4.95%，其中Labile-P、RSP、Ca-P 受水流扰动释放。沟渠底泥Labile-P 随水流扰动强度加大释放量先升高至15 L/h 后降低，这与水体TP 释放量规律相同。Labile-P 释量率随水流扰动强度增大分别为37.29%、51.33%、52.33%、47.67%、43.01%。底泥RSP 释放量随水流扰动强度增大而减少。其释放率随扰动强度增大分别为24.56%、17.49%、7.72%、7.54%、3.51%，RSP 受氧化还原电位影响较大，当氧化还原电位降低，RSP 被释放。静置水体下的沟渠底泥Fe/Al-P 释放率为4.50%。扰动水体的DO 浓度随水流扰动强度增大而升高呈好氧状态，使沟渠底泥Fe/Al-P 含量累积并高于背景值，累积量随水流扰动强度增大而增大，平均释放率为-3.59%。Fe/Al-P 与Labile-P 含量呈显著负相关（P＜0.05）。Ca-P 总体释放并低于背景值，其含量呈现出随扰动强度增大而先升高至15 L/h 后减少。水体TP 浓度与Ca-P 含量呈极显著正相关（P＜0.01）。底泥中磷的活性比是活形态磷（Labile-P、RSP、Fe/Al-P）与非活性态磷（Ca-P）质量分数的比值，底泥背景值的磷活性比为0.65，第30 天试验结束时的磷活性比随水流扰动强度增大表现为0.58、0.54、0.54、0.58、0.61，一定程度上表现出随水流扰动强度的增大而先减小后增大的趋势，水流扰动促进了活性磷的占比降低。

2.3 不同水流扰动强度影响下农村沟渠底泥磷风险评价

沟渠底泥TP 背景值的单因子污染指数（Si）为2.95，Si≥1.5，污染等级为Ⅳ，属于重度污染，说明农村在最近一段时间内排放的磷含量大，导致农村沟渠底泥磷污染情况严重。第30 天，静置至60 L/h 沟渠底泥TP 的Si分别为2.69、2.74、2.51、2.70、2.73，这表明虽然沟渠底泥磷经过水流扰动释放但依然Si≥1.5，属于重度污染。静置～60 L/h水流扰动下沟渠底泥TP 的单因子污染指数（Si）呈现出先减小后增大的趋势，其中15 L/h 的水流扰动强度影响下的沟渠底泥Si最小。说明15 L/h的沟渠底泥磷污染风险最小但同时又说明其向水体释放磷含量最多。沟渠底泥磷仍然存在继续释放的风险，对环境具有潜在及持久的危害，其含量水平决定了对底栖生物的危害程度，潜在生态风险评价结果显示，底泥中TP＞2.00 g/kg，均高于SEL 值具有较高生态风险并且可能对周围环境及底栖动物产生不利影响。

图3 不同水流扰动强度下沟渠底泥TP 和TTP 含量Fig. 3 The concentrations of TP and TTP in ditch sediment with different water flow disturbance intensities

3 结论与讨论

3.1 水体指标的特征规律

静置～60 L/h 的水流扰动强度下水体P 浓度上升是因为底泥中P 向水体的迁移，泥面随水流发生错动，稀释层发生悬扬使得底泥颗粒物悬浮，增加了水土界面磷的交换[25]，故水体P 浓度不断上升。静置水体DO 浓度逐渐下降并趋于厌氧导致水体TP 浓度随时间持续增加。5～60 L/h扰动水体的DO、mV、pH 在20 d 后开始呈稳定状态，稳定后沟渠水体DO＞2.00 mg/L，属于好氧条件一方面促进Fe3+磷酸盐形成不溶的磷酸铁，另一方面有机质好氧分解成有机胶体-腐殖质，以胶膜形态覆在无机物固体表面降低了扰动水体下的底泥P 释放[26]。同时电导率可反应水体营养盐浓度情况，从表3 中可以看出扰动水体的电导率在第20 天后稳定，一定程度说明水体-底泥界面浓度差减小，底泥P 释放减弱导致了扰动水体TP、TDP 浓度后期趋于稳定。

水流扰动加快沟渠底泥磷的释放使得扰动水体P 浓度均高于静置水体，这与李一平等[27]流速增大使得水体P 浓度上升并高于静置水体的研究结果相一致。同时静置水体DO 持续降低产生大量悬浮絮状物对水体中TDP 的吸附也是导致静置水体P 浓度低的重要原因。水体P 释放速率、释放量随水流扰动强度增大呈现先增大后减小的规律，并不与水流扰动强度呈正比，这与蔡景波等[28]研究发现扰动强度不与磷的释放量成正比的这一结论相似。静置～15 L/h 较小的水流扰动强度促进了泥水混合与交换，水流对底泥剪切作用是底泥磷释放的主要原因[29]。但随30～60 L/h 水流扰动强度增加，DO 的影响越来越重要，因为DO 浓度升高在很大程度上抑制了底泥P 的释放[30]，导致水体P 释放速率、释放量相对降低。5～60 L/h扰动水体P 浓度超过地表水环境质量标准的Ⅲ类水标准（0.10 mg/L），水流扰动影响底泥磷的内源释放会对下游水体富营养化的影响较大，因此探究不同水流扰动强度下底泥磷释放规律对于控制底泥磷释放到水体中导致的二次污染具有重要的意义。

3.2 释放特征

不同水流扰动强度下底泥TTP 平均释放率随磷活性从高到低（Labile-P＞RSP＞Fe/Al-P＞Ca-P）分别为46.33%、16.48%、-3.59%、4.95%，总体来说底泥磷活性越高越容易受水流扰动等环境因子的影响释放。其中Labile-P 释量率随水流扰动强度增大而先升高至15 L/h 后降低，与水体TP释放量规律相同。Labile-P 活性最高最容易受水体扰动等影响而释放[31]。底泥RSP 容易受氧化还原电位及环境因子影响释放，释放率随扰动强度增大而逐渐降低。静置～60 L/h 水体的氧化还原电位随水流扰动强度增大而上升，一定程度抑制了底泥磷的释放，从而导致RSP 释放率随扰动强度增大而降低[32]。水体TP 浓度与RSP 含量呈显著正相关（P＜0.05），说明RSP 的释放对水体TP浓度的升高具有很大贡献，这一规律与刘文斌[33]BD 提取态磷和水体中的DTP 浓度有较好的线性关系这一结论相同。静置水体下的沟渠底泥Fe/Al-P 受水体DO 呈厌氧而释放，而扰动水体的沟渠底泥因水体DO＞2.00 mg/L，属于好氧条件，最易发生Fe2+→Fe3+，好氧促进Fe3+与磷酸盐结合成不溶磷酸铁使得其含量增加并高于背景值[34]。Fe/Al-P 含量与Labile-P 含量呈显著负相关（P＜0.05），形态之间存在着相互转化，蔡顺智等[35]在扰动对梅梁湾沉积物磷迁移转化影响中也发现随扰动强度的增加Labile-P 向Fe/Al-P 转化的规律相同。Ca-P 总体释放，Pérez[36]等发现有异养细菌促进对底泥中的磷酸钙的溶解，所以可能是在高磷含量的背景下微生物活动使得 Ca-P 降解释放到水体。水体TP 与Ca-P 呈极显著正相关（P＜0.01）。水体扰动一定程度促进底泥活性磷含量减少，从而降低农村沟渠底泥磷释放的生态风险。其中扰动水体下的沟渠底泥中Fe/Al-P 含量增加，因为Fe/Al-P 属于活性磷也是生物可利用态磷故可建设生态沟渠，通过生物利用以降低其含量及释放风险。其中15 L/h 的水流扰动强度下的沟渠底泥TP 含量及磷活性比最低，水体生态风险最小。故调整水流扰动强度为15 L/h 有利于降低沟渠底泥磷的污染风险及二次污染风险。

3.3 结论

1）沟渠水体P 浓度随时间表现为先上升至20 d 后稳定，同一时间水体P 浓度及释放量随水流扰动强度增大表现为上升至15 L/h 后下降，其中扰动水体P 浓度超过地表水环境质量标准Ⅲ类水标准（0.10 mg/L）。

2）沟渠底泥RSP、Ca-P 释放对水体P 浓度影响较大；底泥TTP 受水流扰动影响磷形态发生转化导致磷活性比均降低，且随水流扰动强度增大表现为先减小至15 L/h 后增大趋势。

3）静置至60 L/h 沟渠底泥单因子污染指数（Si）≥1.5 属于重度污染，且底泥TP＞SEL 值对周围生态环境及底栖动物产生不利影响。