采煤塌陷水体温度和pH值对底泥氮磷释放影响

陈晓晴，高良敏，胡友彪，张海涛

(安徽理工大学地球与环境学院, 安徽 淮南 232001)

煤炭是我国的主要能源，其中95%都来自于地下开采。煤炭开采之前地表多以农田为主，主要种植有小麦、大豆、玉米和水稻等农作物，因此，农业施肥成为农田土壤中氮、磷元素的主要来源。由于长期采煤活动，造成地表发生沉降和塌陷，原始农田不断积水直至淹没，土壤中的氮、磷以内源氮、磷的形式逐渐释放出来。随着煤矿开采强度、范围和深度不断的增加，采煤塌陷区的面积也在不断增长。据不完全统计，截至2013a由于地下煤炭开挖形成的塌陷区面积已达1.0×10km，预计2020a前后，全国采煤塌陷区域面积将会增至1.5×10km。氮、磷元素不仅是水体中生物的营养元素，也是富营养化成因的主要控制因素。近年来，国内外学者对湖泊、水库和采煤塌陷区等水体富营养化研究时发现，水体温度和pH值对底泥氮、磷元素的释放和水体中氮、磷元素的富集和释放起着十分重要的作用。随着采煤塌陷区面积的不断增大，塌陷区水体富营养化问题也日益突出，严重影响着周边居民的正常生活和农、林、渔业的发展。

潘集采煤塌陷区位于安徽淮南中部，是淮南矿区目前最大的塌陷区域大之一。该塌陷区面积达18.82km，平均水深为3.48m，最深处达9m。塌陷水域周围分布着农田，水体总体上处于富营养化状态，且有加重趋势。为此，本文以潘集采煤塌陷区为例，通过现场采样、室内测试和模拟实验，研究不同水体温度和pH值条件下底泥氮、磷释放的变化特征和规律，为今后采煤塌陷区水体富营养化的科学、有效防控提供理论支持和参考依据。

1 材料与方法

1.1 采样布点与采集

2012年8月，采用均匀布点采样方法，在塌陷水域周围均匀布置18个采样点(见图1)，去除土壤表面的杂物，用土壤采样器(型号：XDB03B)采集0～20cm土样。采样结束后，将所有样品均匀混合后作为一整个样品，装入密封塑料袋中保存。所采集的土样分成两份，一份研磨、过筛(100目)后测试相关指标，一份用于模拟试验。

图1 土壤采样点

1.2 测试项目与分析方法

土样有机质的测定方法参照《土壤农业化学分析方法1999》书中KCrO容量法(稀释热法)，速效钾采用GB7856-1987中乙酸铵提取法，总磷采用碳酸盐熔融法，总氮采用开氏消煮法，氨氮、硝态氮、亚硝酸盐氮采用氯化钾溶液提取分光光度计法，供试样品理化性质如表1所示。

表1 供试土壤的理化性质指标

1.3 模拟实验

1)实验方法及步骤 常年观测发现，塌陷水域水体pH值为6～10之间，水体温度年平均水温为15℃。因此，本次试验将pH和温度分别设计为3个水平，pH值为6、8、10，温度为5℃、15℃、30℃。

试验采用大型模拟装置，直径0.1m、高度2m的有机玻璃柱，将供试样品混合均匀铺在柱底部，厚度为20cm，上覆水沿柱壁缓慢加至1.5m刻度处，过程中尽量避免对底泥的扰动。用1mol/L HCl和1mol/L NaOH调节上覆水初始pH，分别为6.0、8.0、10.0，每天用pH计进行矫正，不施加扰动，温度均为室温15℃。通过室外、室内空调及保温箱的调节，来控制水体的温度分别在5℃、15℃，并保持稳定，允许误差±1℃。加入上覆水静置1d，使悬浮的底泥沉淀后开始测试，试验总共进行42d左右，平均每3d取样测定。取样过程中采用虹吸法，用直径为5mm的聚四氟乙烯管子采集200mL水样，离心分离，取上清液，测定氮、磷含量。氮、磷含量分别采用过硫酸钾氧化紫外分光光度计和钼锑抗分光光度方法测定。

2)实验数据处理 按照公式(1)计算底泥氮、磷释放量

γ

=

V

(

C

-

C

)+∑

V

(

C

-1-

C

)

(1)

式中：

V

表示为土壤上方水的体积，L；

C

表示为第

n

次采样时水中物质浓度，mg/L；

C

表示为土样上方水的起始物质浓度，mg/L；

C

表示为添加水后土壤上方水的物质浓度，mg/L；

V

表示为每次采水样的体积，L；

n

表示为采水样的次数；

γ

表示土样中氮、磷的瞬时释放量，mg。

按照公式(2)计算底泥氮、磷累计释放量

(2)

式中：

Q

表示土壤氮、磷的累计释放量，mg；

γ

表示土样中不同时间段的氮、磷瞬时释放量，mg。

2 结果分析与讨论

2.1 温度对底泥氮、磷释放的影响

不同温度下底泥释氮量的差异较大，但整体变化趋势基本一致，如图2所示。实验前7d，5℃、15℃、30℃条件下底泥释氮量均为正值，并都在第7d出现了最大值，最大值分别为0.97mg、1.45mg、1.46mg。5℃和15℃条件下底泥释氮量为正值(0～1.45mg)，但30℃条件下底泥释氮量在实验第20d和第32d出现了负值，最小值为-0.34mg(第32d)，之后底泥释氮量有较快回升。这表明30℃不仅有利于底泥中氮的释放，也有利于氮的吸收，底泥和水体中氮处于一个动态平衡的过程。

图2 不同温度下底泥每次释氮量

从图3和表2可以看出， 不同温度下底泥累计释氮量差异较大。 整个实验过程中(42d)， 15℃底泥累计释氮量为10.27mg，日平均释氮量为0.79mg/d；5℃底泥累计释氮量为7.07mg，日平均释氮量为0.54mg/d；30℃底泥累计释氮量为3.82mg，日平均释氮量为0.29mg/d。出现这一现象的原因在于，15℃和30℃时微生物的反硝化作用都强于5℃，但30℃时微生物不仅反硝化作用强、硝化作用也最强，致使15℃时底泥释放氮量最大，其次是5℃，30℃时最小。

表2 不同温度条件下底泥氮、磷释放量

图3 不同温度下底泥累计释氮量

从图4可以看出，15℃的底泥释磷量变化幅度较大，最大释磷量出现在第10d，其值为0.32mg；5℃和30℃的底泥释磷量变化趋势基本一致，最大释磷量均出现在第16d，其值分别为0.08mg和0.07mg。实验第37d后，5℃、15℃和30℃温度下的底泥释磷量均减小到0.01mg左右，并趋于稳定，表明底泥对磷的释放与吸附达到了相对平衡状态。

图4 不同温度下底泥每次释磷量

从图5和表2可知，15℃的底泥累计释磷最大，为1.48mg，日平均释磷量为0.11mg/d；5℃和30℃的累计释磷量分别为0.28mg、0.27mg，日平均释磷量分别为0.02mg/d、0.02mg/d，两者几乎相等。究其原因与前文氮释放现象一样，低温(本文指5℃)不利于磷的释放，但高温(本文指30℃)虽然有利于磷的释放，但同时也利于磷的吸收。

图5 不同温度下底泥累计释磷量

因此，15℃时底泥释放磷量最大，其次是5℃、30℃时最小。

2.2 pH值对底泥氮、磷释放的影响

从图6和图7可知，不同pH值条件下，底泥每次释氮量和累计释氮量存在着较大差异，pH与底泥每次释氮量、累计释氮量均呈负相关性，即随着pH的增加(pH =6,8,10)底泥每次释氮量和累计释氮量均减小。但从图5可知，不同pH值底泥每次释氮量的变化趋势基本一致，实验第37d后，底泥释氮量与吸氮量基本相等。从图5和图6还可以看出，实验前20d，不同pH值的每次释氮量和底泥累计释氮量都呈处于正增长状态；之后，这两个指标(每次释氮量和底泥累计释氮量)都表现为负增长状态，直至本次实验结束时才达到动态平衡。

图6 不同pH值下底泥每次释氮量

图7 不同pH值下底泥累计释氮量

表3 不同pH值条件下底泥氮、磷释放量

图8 不同pH值下底泥每次释磷量

图9 不同pH值下底泥累计释磷量

3 结论

本文以潘集采煤塌陷区为研究对象，通过现场采样、室内测试和模拟实验，研究分析了水体不同温度和pH值条件下底泥氮、磷释放的变化特征，得出了以下几点认识：

(1)底泥中氮、磷释放的最佳水体温度是15℃，其次是5℃,30℃时底泥氮、磷释放的效果最差；

(2)30℃是底泥微生物的硝化和反硝化作用的最佳温度，既有利于氮、磷的释放又有利于氮、磷的吸收，致使30℃时底泥释放氮量小于15℃和5℃；

(3) 水体pH值与底泥释氮量呈负相关性，与底泥释磷量呈正相关性，随着水体pH值的增加(pH =6,8,10)底泥释氮量减小，而底泥释磷量增加；