去除有机质对城市浅水湖泊氮磷释放特征的影响

向速林, 吴涛哲, 龚聪远, 吴代赦

(1.华东交通大学 环境工程系, 江西 南昌 330013;2.南昌大学 教育部鄱阳湖湖泊生态与生物资源利用重点实验室, 江西 南昌 330047)

沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，是湖泊中氮磷等营养盐的重要储存场所。氮和磷则是导致湖泊富营养化的最主要的营养元素。上覆水中的污氮磷通过吸附、沉积等作用在底泥中逐渐积累，当湖泊环境条件发生改变时，原本蓄积在底泥中的污染物质会通过分解、溶解等反应再次进入到水体，造成湖泊的内源污染。城市湖泊由于深度较浅更易受到风吹、波浪等扰动而引起的沉积物再悬浮。扰动使沉积物与水体的接触机会增加，对水体的影响也更为直接和频繁，使得沉积物与水之间营养盐的交换作用更加充分[1]。

象湖风景区坐落在江西省南昌城区西南角，由南江、北江、东江、西江，以及青山湖的水流汇聚而成，是江西省省会南昌市重要的城市内湖之一。总面积为533.6 hm2，其中绿地面积约322.5 hm2，水面积211.1 hm2，平均水深2.5 m，最大水深3.5 m。是具有集蓄水、养殖、景观等多功能的浅水湖泊。水流自南向北流经抚河故道、抚河、赣江，最后与长江进行换水[7]。随着城市的快速发展，象湖水体受到人类活动的影响越来越大，大量未经处理的生活污水直接排放进入象湖中，伴随湖中存在的大量动植物死亡后其残骸沉入湖底，再加上常年的雨水径流带入的污染物流进湖体，导致象湖中营养物质不断累积。经过对外源污染物的有效控制，象湖水质情况由劣Ⅴ类[8]逐渐好转。为防止内源污染导致湖泊富营养化程度加剧，本文以象湖为例研究湖泊的释放特征，旨在为城市小型浅水湖泊富营养化控制和生态环境修复提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集及预处理

2019年12月，利用沉积物采样器采集象湖各区域水下0—5 cm的表层沉积物若干。沉积物样品充分混合并装入干净的聚氯乙烯袋中，放入带有冰块的保温箱中，经冷冻后，剔除沙石、动植物碎片等，并混合均匀。干燥研磨后过0.15 mm尼龙筛，装入聚乙烯塑料自封袋，放入冰箱中冷冻保存备用。用凯氏定氮法[9]测定总氮，SMT法[10]测定总磷和铁铝磷，重铬酸钾容量法—外加热法[11]测定有机质含量后，通过对比各采样点地理位置、环境状态及沉积物特征从北到南选取点L1，L2，L3，L4作为研究对象，其地理位置及环境状态见表1。根据前人研究[12-14]，之后将沉积物分成两份，其中一份用30%的过氧化氢将样品中的有机质进行去除，称取适量沉积物干样放入50 ml的离心管中，按比例的加入30%的过氧化氢(土液比为1 g∶10 ml)，放入50 ℃烘箱中烘干，此过程反复进行，直到再次加入过氧化氢后无气泡产生。

表1 各采样点环境特征及沉积物特征

1.2 试验方法

1.2.2 沉积物磷释放动力学试验 磷释放动力学试验[17]：准确称取各样点干燥后过100目筛的沉积物样品8份(每份0.5 g)到100 ml离心管中，加入50 ml 0.02 mol/L KCL溶液，放入恒温震荡中震荡(25 ℃，200 r/min)，分别在0.5，1.5，3，5，7，12，18，24 h时取出一份样品，离心 15 min(5 000 r/min)后，用0.45 μm滤膜抽取适量上清液于比色管中。根据钼锑抗分光光度法测定磷(SRP)的释放量[16]。

1.2.4 沉积物磷释放潜能试验 沉积物磷释放潜能试验[19]：按水土质量比25，50，100，200，500，1 000，1 500，2 500，5 000称取不同质量的沉积物样品9份于100 ml离心管中，依次加入50 ml 0.02 mol/L KCL溶液，放入恒温震荡中震荡24 h(25 ℃，200 r/min)后，离心15 min(5 000 r/min)后，用0.45 μm滤膜抽取适量上清液于比色管中。根据钼锑抗分光光度法测定磷(SRP)的释放量。

Qt=Qmax×(1-e-kt)

(1)

2 结果与分析

2.1 象湖沉积物氮的释放特征

注：L1，L2，L3，L4为不同采样点。下同。

图2 象湖表层沉积物中的释放潜能

表2 象湖表层沉积物中释放一级动力学方程拟合参数

图3 去除有机质后象湖表层沉积物中的释放动力学特征

从图4可以看出，象湖中各点位氮的释放潜能也与平衡释放量相似，相比于未去除有机质之前都呈一定比例增多。但未去除前释放潜能在水土比2 500就达到氨氮的最大释放量，而去除后释放量到水土比5 000才趋于稳定。以水土比5 000时的氨氮释放量与沉积物中总氮和有机质进行相关性分析，得出在该条件下氨氮释放量与总氮和有机质含量都呈现显著正相关(p<0.01)。由此可得，沉积物中有机质的含量是影响沉积物中氨氮释放量的主要因素之一，沉积物有机质的含量高低一定程度上能够体现沉积物向上覆水释放氨氮量的多少。

图4 去除有机质后象湖表层沉积物中的释放潜能

表3 去除有机质后象湖沉积物中释放一级动力学方程拟合参数

2.2 象湖沉积物磷的释放特征

图5 象湖表层沉积物中溶解性活性磷SRP的释放动力学特征

图6 象湖表层沉积物中溶解性活性磷SRP的释放动力潜能

表4 象湖表层沉积物中溶解性活性磷SRP释放一级动力学方程拟合参数

2.2.2 去除有机质后沉积物溶解性活性磷SRP的释放特征 去除沉积物中有机质后，磷的释放释放特征见图7。沉积物释放动力学曲线趋势相比去除有机质之前几乎不变。通过公式(1)对SRP释放量过程一级动力学拟合，结果见表5。Qmax为12.48～15.26 mg/kg，平均14.14 mg/kg。与去除之前相比，沉积物中SRP释放量增加了167～384倍。而通过与前人研究[13]对比发现，象湖除去有机质后SRP的释放量相比贡湖、五里湖的2.33～2.97倍明显偏高。说明除了有机质外，还有其他因素也影响了磷的释放。资料显示，沉积物中大部分有机质与无机胶体结合在一起，形成有机无机复合胶体，其中腐殖质和铁、铝形成有机无机复合体，为磷酸盐提供了重要的吸附位点[27]。在过氧化氢的作用下，有机质中极性官能团被氧化，使得磷酸盐的吸附点位减少，磷酸盐被释放到水体。根据相关研究[28-29]，当被过氧化氢氧化处理过后，土壤中游离的氧化铁、全铁、无定型氧化铁都明显增加。象湖中铁铝磷占总磷含量的48%～74%，为沉积中磷的主要成分，而沉积物中FeP存在形态多样且易受到各种理化性质影响。所以可以推断出，象湖沉积物中有机质吸附着大量FeP，当通过过氧化氢去除有机质后，沉积物氧化还原电位升高，大量FeP被氧化成可交换态磷释放到水体。

图7 去除有机质后象湖表层沉积物中溶解性活性磷SRP的释放动力学特征

表5 去除有机质后象湖沉表层积物中溶解性活性磷SRP释放一级动力学方程拟合参数

图8 去除有机质后象湖表层沉积物中溶解性活性磷SRP的释放潜能

3 结 论

(1) 沉积物中氨氮和溶解性活性磷的释放趋势相似，释放速率都是由高到低，最后趋于稳定，释放量达到一定最大值。释放潜能与释放量呈正比例关系，释放平衡量大的区域释放潜能也高。

(2) 沉积物中氨氮的释放量与释放速率与沉积物中总氮含量成正比，溶解性活性磷的释放则与所处区域的生态环境有关，高等水生植物为优势植株的区域通过生物作用使得象湖沉积物中溶解性活性磷等可交换态磷含量降低，向上覆水中释放的磷减少。

(3) 氨氮的释放量与表层沉积物中有机质含量呈显著正相关(p<0.01)，沉积物中有机质的含量是影响沉积物中氮释放特征的主要因素之一，沉积物有机质的含量越高沉积物氮的释放的Qmax也越高。而沉积物中磷释放的Qmax不仅与有机质含量有关还受有机质活性、成组成分、吸附与结合的铁铝磷含量等多因素共同影响。