太湖潜流带胶体分布特征及对氨氮分布的影响

钱佳宁，李 勇,2，李 娜,2，单雅洁，冯家成，徐 鸿

（1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

0 引言

水体和土壤介质中通常含有丰富的胶体物质，对污染物质的迁移转化存在重要影响，从而进一步影响污染物质在水-土界面的交换[1-3]。胶体通常指粒径范围在1 nm ～ 1 μm 的悬浮分散体系[4]，主要由各种有机质、黏土矿物、金属氧化物等组成[5]。由于胶体粒径小，比表面积大，对污染物的吸附能力较强，能吸附大量的污染物质。胶体的含量分布及聚沉悬浮等行为特征对携带的物质特别是（重）金属、氮、磷、放射性污染物的迁移转化和吸附具有明显的促进或阻滞作用[6]，从而影响它们的分布。XU H C 等[7]研究表明沉积物中的胶体可以吸附沉积物中的Pb2+，且有机质的存在会提高胶体的吸附能力。JUDY J D 等[8]发现低氮含量土壤中，高达45%的土壤全氮为胶体结合态，增加了土壤中氮的流动性。磷在土壤介质中通常迁移性较弱，但在释放的胶体物质的辅助迁移下，胶体携带的磷在土壤中的迁移速度更快且迁移距离更远[9-10]。QIAN K 等[11]发现适宜条件下胶体会促进碘在地下水中的溶解，且胶体粒径影响着碘与铁和天然有机物的相关性。

潜流带作为地表水和地下水之间物质和能量交换的活跃过渡区域，其胶体含量分布及携带的污染物对水-沉积物界面物质的交换有重要影响[6]。NH4+-N 是导致水体富营养化和藻华暴发的重要影响因素之一[12-13]，其与带负电荷的胶体物质容易结合并随之迁移交换。研究显示，太湖深层潜流带中NH4+-N 含量较高，在沉积物中占无机氮总量的73.2%，在孔隙水中占86.4%[14]。胶体物质的含量和迁移能力影响着这部分NH4+-N 的垂向迁移及向水体的释放交换通量[6]。王博等[15]采用土柱试验研究表明，胶体既会促进NH4+-N 迁移，也会阻碍NH4+-N迁移，这取决于胶体的含量及其自身的吸附释放和迁移特性。胶体对NH4+-N 迁移的能力还受离子价态的影响，研究发现含水介质中Ca2+比Na+对胶体阻碍NH4+-N 迁移的作用更明显[16]。

胶体物质在水体和土壤沉积物介质中广泛存在[17-19]，太湖等大型浅水湖泊潜流带胶体的空间分布差异及其对NH4+-N 分布的影响目前鲜有报道。本文以太湖潜流带为研究对象，通过采集东、南、西、北、中5 个湖区的沉积物柱状样，分析不同粒径范围胶体的分布特征及相应NH4+-N 的含量分布特征，讨论胶体物质粒径分布与其所携带NH4+-N 含量的关系，研究胶体含量分布对NH4+-N 含量分布的影响，为太湖等浅水湖泊水体内源控制及综合治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点概况及采样方法

太湖为中国第三大淡水湖泊，水域面积约为2 340 km2，多年平均水深1.9 m。为探究太湖不同区域潜流带胶体及NH4+-N 的分布特征，于2018年7月进行现场采样，采样地点为太湖东部E（E120°19′45.91′′,N31°15′05′′）、南部S（E120°12′55′′,N30°56′50.74′′）、西部W（E119°58′42.00′′,N31°10′00′′）、北部N（E120°09′37′′,N31°30′50.29′′）及中部C （E120°09′00′′,N31°18′00′′）。使用内径为70 mm 的PVC 管，手动垂直插入太湖沉积物中约100 cm，现场将沉积物柱状样均分为5 层，分别装入黑色聚乙烯塑料袋中并密封编号，运回实验室后测定其有机质、胶体及NH4+-N 含量，上述各指标均设置3 个平行样测定，以沉积物干样计。采样点位置见图1。

图1 采样点位置

1.2 样品分析和数据处理

将沉积物样品风干后过2 mm 筛混合均匀，取样品40 g，根据常见滤膜孔径利用超滤杯分别提取粒径范围为0.45～1，0.22～0.45，0.1～0.22 及≤0.1 μm 的胶体；分别取风干后的各粒径范围内的胶体各5 g，测定其所吸附的NH4+-N 含量。沉积物中NH4+-N 采用KCl 浸提-靛酚蓝比色法测定[20]。

采用Excel 2016 进行数据整理分析，Origin 9.0绘制相关图表，SPSS 23.0 进行单因素方差分析（Duncan 多重比较）与Pearson 相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 胶体分布差异的影响因素

太湖潜流带中胶体含量分布差异显著 （P ＜0.05），各区域平均质量分数由高到低依次为228.7（N），137.1（W），127.7（E），119.8（S）和90.7（C）g/kg。有机质是胶体的重要组成部分，太湖北部、西部和东部胶体含量较高，主要原因为该湖区有机质含量丰富，北部和西部为藻型湖区，有机质主要来源于藻类碎屑和陆源高等植物残体；东部为草型湖区，有机质主要来源于沉水植物和硅藻[21-22]。湖中部胶体平均含量最少，可能是该区域沉积物在风浪作用下易往岸边堆积[23]，因此有机质含量相比其他湖区最低。

胶体含量垂向分布结果见图2。由图2 可知，各湖区潜流带中胶体含量垂向分布特征基本一致，均随深度的增加呈先增加后减少的趋势。水流的影响造成潜流带胶体垂向分布不均[24]，一方面，胶体在水流作用下迁移的过程中发生团聚或分散，团聚的胶体受重力作用逐渐沉降，又在水动力作用下分散破碎，重新释放到水体中，进而影响所吸附污染物的迁移转化；另一方面，水流携带DO 及部分营养物质进入潜流带，使一些金属离子易形成金属氧化物胶体，如氢氧化铁胶体等，研究发现太湖西岸聚藻区沉积物中铁氧化物主要分布在沉积物40～60 cm 深度处[25]。

在水流的影响下，各区域表层沉积物（0～20 cm深度）中胶体含量普遍较低。通过水流变化，水体在沉积物表面形成切向力场[26]，当水动力作用大于颗粒物间的黏合力时，胶体将随水流迁移。潜流带中的胶体可随下行水流迁移到沉积物深处，随上行水流进入上覆水中。同时，太湖水深较浅，地势平坦，在风浪扰动的影响下表层沉积物与水体交换作用强烈，胶体易受水的扰动迁移到水体中。

图2 太湖潜流带中胶体含量垂向分布

2.2 NH4+-N 分布差异的影响因素

太湖潜流带中NH4+-N 含量垂向分布见图3。由图3 可知，潜流带中NH4+-N 分布差异较大，平均质量分数由高到低分别为2.35（E），2.35（N），1.07（C），0.79（S），0.72（W）g/kg。南部及西部NH4+-N 含量垂向分布特征相同且随深度增加先下降后有所上升，但变幅较小。东部和北部NH4+-N 垂向呈锯齿状分布且各层含量极为相近，总体上随深度大幅上升。湖区中部NH4+-N 垂向亦呈锯齿状分布，但变化趋势与东部和北部相反且总体含量明显更低。

相关性分析发现，太湖潜流带中胶体与NH4+-N总含量之间相关性不显著（r=0.376，P ＞0.05）。可能是由于胶体在沉积物中占比极少，大部分非胶体粒级的沉积物中也存在着一部分NH4+-N（约占27.3%）。然而，被胶体吸附的NH4+-N 量却占到了沉积物中NH4+-N 总量的72.7%，说明胶体很大程度上控制着NH4+-N 的含量与分布。大多数胶体带负电，因而可通过静电作用吸附具有正电荷的NH4+-N。胶体对NH4+-N 的影响作用并不是单一的促进或阻滞作用，而是与胶体浓度有关[15]。同时，胶体迁移过程中粒径的变化能够引起自身的形态改变[26]，进一步影响NH4+-N 的迁移。若胶体团聚体的粒径大于沉积物颗粒间的孔隙，则会阻碍胶体的迁移，反之，胶体可借助潜流和布朗运动扩散迁移。

图3 太湖潜流带中NH4+-N 含量垂向分布

2.3 不同粒径的胶体对所吸附的NH4+-N 含量和分布的影响

太湖潜流带中属于胶体粒级的沉积物占沉积物总质量的0.01%。各区域胶体粒径分布及NH4+-N 分布情况见图4。由图4 可知，胶体粒径分布差异较明显，其中粒径范围为0.45～1，0.1～0.22 μm 的胶体含量相对较高 （分别约占胶体总量的33.7%和31.2%），粒径≤0.1 μm 的胶体含量较低 （约占10.0%）。粒径范围0.1～0.22 μm 的胶体所吸附的NH4+-N 最多（占胶体吸附NH4+-N 总量的34.1%），其次是粒径范围为0.45～1 μm（占24.3%）和≤0.1 μm（占22.0%）的胶体，0.22 ～ 0.45 μm 吸附相对最少（占19.7%）。相关性分析发现粒径范围为0.45～1 μm 和0.1 ～ 0.22 μm 的胶体与NH4+-N 的吸附量相关性显著（相关系数分别为r=0.597，P ＜0.01；r=0.413，P ＜0.05），而粒径范围为0.22～0.45 与≤0.1 μm 的胶体与所吸附的NH4+-N 量相关性均不显著（相关系数分别为r=0.361，P ＞0.05；r=-0.144，P ＞0.05），表明粒径范围为0.45～1，0.1～0.22 μm 的胶体对NH4+-N 分布影响更大。

图4 各区域不深度胶体及NH4+-N 含量分布

胶体对NH4+-N 的吸附能力受粒径大小和表面积影响，胶体粒径越小，比表面积越大，表面能越大，其吸附能力就越强[27]。因此，大颗粒胶体的吸附能力较小颗粒胶体弱。粒径范围为0.45～1 μm 的胶体虽吸附能力相对较弱，但其在沉积物中含量比粒径范围为0.22～0.45 μm 和≤0.1 μm 的胶体高，因此吸附的NH4+-N 量也相对较高。粒径更小（≤0.1 μm）的胶体容易短时间内聚集成0.1 ～ 1 μm 的粒子[28]，导致粒径≤0.1 μm 的胶体数量较少，因此NH4+-N的吸附量也较少。

胶体的团聚分散不仅影响其粒径变化，也影响周围的氧化还原环境。团聚的胶体可看作独立的微生态系统，其内部为缺氧/低氧环境，可能发生反硝化或厌氧氨氧化作用[29-31]。当太湖表层沉积物中团聚的胶体破碎分散后与水流等介质的接触面积增大时，吸附在胶体表面及裹挟在内部的NH4+-N 反应路径可能因此发生变化。由此可见，胶体的氧化还原反应将对胶体的形态、胶体吸附物的价态产生深刻影响，并最终影响胶体的迁移规律以及所结合污染物的环境效应[26]。胶体对NH4+-N 等营养物质的迁移转化将很大程度地影响湖泊的水质，在今后湖泊内源污染治理及富营养化控制中需考虑胶体在沉积物中的含量与对NH4+-N 迁移的辅助作用。

3 结论

（1）太湖潜流带中属于胶体粒级的沉积物占沉积物总量的0.01%，不同区域含量分布差异显著，北部胶体含量最高，中部相对最低。各区域沉积物胶体垂向分布规律基本一致，胶体含量随深度的增加呈先增加后减少的趋势。胶体的粒径分布及相应含量存在明显差异，其中粒径范围为0.45～1 μm 的胶体最多（约占胶体总量的33.7%），≤0.1 μm 的胶体含量相对最少（约占10.0%）。

（2）太湖潜流带中胶体粒径对NH4+-N 的含量分布有重要影响。胶体所吸附的NH4+-N 总量占沉积物中NH4+-N 总量的72.7%，粒径范围为0.1 ～0.22 μm 的胶体吸附NH4+-N 最多，其次是粒径范围为0.45～1 μm 和≤0.1 μm，粒径范围0.22 ～0.45 μm 的胶体吸附量最少。

（3）对于容易被胶体吸附的带正电荷的NH4+-N等污染物质，胶体物质是介质中除水流外的另一种重要载体，研究NH4+-N 等物质在土壤和沉积物介质中的迁移的特性时应充分考虑胶体的影响作用，特别是粒径范围在0.45～1 μm 和0.1～0.22 μm 的胶体物质对NH4+-N 迁移的辅助作用。