环境因子对沉积物氮磷释放潜力的模拟研究

许 佟，高 凡,2，郭家选,2，黄艳虹

(1.农业农村部华北都市农业重点实验室/北京农学院 资源与环境系，北京 102206；2.北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京 102206)

沉积物既是水环境中营养物质及污染物质的蓄积库，也是水生动植物所需物质及能量循环的场所[1]，是湖泊生态系统的重要组成部分。随着中国社会经济的快速发展，大量污染物质进入湖泊[2]，其中以N、P为主的化合物排入量最大，N、P元素的大量汇入会使湖泊水质不断恶化，最终导致水体富营养化进程明显加快[3-5]。此外，聚集在沉积物中的N、P可在环境改变的条件下再次释放到上覆水中，造成湖泊内源污染[6-7]。近年来，以沉积物—水界面为题的研究呈上升趋势[8]，已有研究表明，外源污染得到较好控制后，湖泊水体富营养化形势仍然严峻的主要原因就是沉积物N、P内源污染负荷的再释放作用[9-10]。基于此，本研究采用烧杯—恒温振荡器的模拟系统，研究不同上覆水动力、温度、pH对沉积物TN、TP释放浓度的影响，并对其释放强度进行了估算，以期为有效控制内源N、P污染释放提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集和分析

沉积物样品于2018年7月(丰水期时段)在南四湖采集。采用抓斗式采泥器采集表层(0～20 cm)沉积物，并用便携式GPS定位采样点。表层沉积物的含水率为65.35%，平均pH值为7.37，有机质的平均含量为5.13%，TN、TP的平均含量分别为0.89、0.46 g/kg。

1.2 试验设计

上覆水均采用由纯净水配制的0.01 mol/L的KCl溶液。在每个系统中的上覆水中加入2滴0.1%的氯仿[11-12]。

采用恒温振荡器(HZQ-X300C)调节水体扰动强度和温度，设置为高温组(25 ℃)和低温组(15 ℃)，并以200、100、0 r/min为代表进行强扰动、轻微扰动和静态条件的模拟；选取pH=5和pH=9的偏酸偏碱条件以及pH=7的中性条件进行湖泊水体pH变化的模拟探究。每组设3个平行样，定期(12 h)对上覆水的pH值检测和校正。各试验组均在21 d内特定时间进行取样测量，并定期用超纯水配制的KCl溶液补充因蒸发、取样等原因造成的水分缺失。

1.3 试验步骤与指标测定

称取85 g(湿质量)左右的样品平铺在烧杯底部。将少量纯净水沿杯壁缓慢加入到烧杯底部，稍没过底泥，静置24 h。随后少量多次加入0.01 mol/L的KCl溶液至250 mL刻度线处，溶液总体积约为150 mL，尽量保持上清液呈清澈状态，并用锡箔纸和封口膜将烧杯口封住。在模拟试验的第1、3、7、14、21 天的8:00时对上覆水体进行取样，每个平行样品取50 mL样品备用，经5 000 r/min离心10 min后用0.45 μm GF/C滤膜进行过滤，再进行测定分析。

上覆水TN、TP分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)和钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)进行测定。沉积物TN、TP的测定方法分别采用重铬酸钾-硫酸消化法和ICP—AES法测定。所有样品均重复测定3次，结果取平均值，数据采用Excel分析，OriginPro 2015作图。

1.4 释放强度计算

2 结果与分析

2.1 不同扰动强度下沉积物中N、P的释放特征

注：试验条件为pH=7±0.5、25 ℃

2.2 不同温度条件下沉积物中N、P的释放特征

如图2所示，25 ℃条件下，TN、TP的释放浓度峰值均在第7天出现；15 ℃条件下，TN的释放浓度峰值延迟在第14天出现，而TP的释放浓度峰值仍在第7天出现，其浓度峰值分别为2.94 mg/L和0.96 mg/L，仅为25 ℃条件下的69.82%和76.87%。南四湖是典型的草—藻型湖泊，N是其富营养化的限制因子[23]，TN的含量能在较高程度上反映当地的沉积物的富营养化水平[24]。15 ℃条件下TN的浓度峰值(2.94 mg/L，D14)不及25 ℃条件下(6.86 mg/L，D7)的50%，说明低温可有效减缓沉积物中N向上覆水体中的释放。P作为能量流动及物质合成的必要元素，其浓度的变化对生物的生长乃至种群的演替都有着至关重要的影响[25]。溶解态磷和颗粒态磷是磷在沉积物中存在的主要形态[26]，Wang[27]等发现，温度升高的条件下，会促进沉积物中NaOH-P的迁移，是因为适当升高温度可以提高有机质的矿化速率和微生物的活性，该过程在消耗溶解氧的条件下会促进NaOH-P的释放，有机质矿化生成的有机酸又能螯合铁铝等金属，促进了金属结合态磷的释放[28]，进而加快了TP的释放。

注：试验条件为100 r/min、pH=7±0.5

2.3 不同pH条件下沉积物中N、P的释放特征

注：试验条件为100 r/min、25 ℃

2.4 上覆水环境因子对TN、TP释放强度的影响

图4 不同上覆水环境因子对总氮释放强度的影响

2.4.2 不同上覆水环境因子对TP释放强度的影响 如图5所示，TP在不同上覆水环境条件下的释放强度范围在0～0.3 g/m2之间，均呈先快速后缓慢的增长趋势，即释放前期(D1～D7)呈快速增长，而释放中后期(D8～D14)呈缓慢增长。不同上覆水环境因子中，与温度、pH相比，水体扰动对TP的释放强度影响作用更大，由图5(a)可知，TP在200 r/min条件的释放强度可达静态(0 r/min)的2.55倍。浅水湖泊模拟系统受上覆水环境变化影响显著，释放前期，沉积物—上覆水界面间的浓度差值较大，表层沉积物中含P物质极易随浓度梯度扩散至上覆水中，水体扰动对该过程起促进作用，使大量SRP随扰动释放至上覆水环境中。释放后期，储存在沉积物和间隙水中的Fe2+、Mn2+与溶解氧结合，生成的铁锰(氢)氧化物对SRP有强烈的吸附作用[22]，导致释放中后期(D8～D21)增长幅度远小于释放前期(D1～D7)。此外，由图5(b)可知，由于浅水湖泊模拟系统热力分层效果不明显，对温度变化缓冲作用弱，导致25℃条件TP的释放强度为比15 ℃高出0.04 g/m2。由图5(c)可知，偏酸或偏碱上覆水环境均有利于内源P释放，碱性条件下TP释放强度(0.26 g/m2)最高，酸性条件下(0.21 g/m2)次之，中性条件下(0.18 g/m2)最弱。

图5 不同上覆水环境因子对总磷释放强度的影响

3 结 论

(1)沉积物TN、TP释放浓度随水体扰动强度增强而增加，200 r/min条件下TN、TP的平均释放浓度是100 r/min条件的1.16倍和1.29倍，是0 r/min条件的1.41倍和2.55倍；高温有利于沉积物N、P的释放，温度由15 ℃增加至25 ℃，沉积物TN、TP释放强度可增加1.2～2.3倍；偏酸或偏碱上覆水环境均有利于沉积物TN、TP的释放，而中性条件可有效抑制沉积物TN、TP的释放。

(2)在一定的释放强度范围内，湖泊沉积物TN的释放强度呈先缓慢后快速的增长趋势，其变化受pH的影响最大，温度次之，水体扰动最小；沉积物TP的释放强度呈先快速后缓慢的增长趋势；其变化受水体扰动的影响最大，温度和pH均较小。