夏婷婷

（吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

南湖不同功能區(qū)底泥氮洗脫實(shí)驗(yàn)研究

夏婷婷

（吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

本文采用實(shí)驗(yàn)室模擬的方法，研究長(zhǎng)春市南湖由冰封期到解凍后不同功能區(qū)底泥中TN、NH4+的累積洗脫量.根據(jù)底泥中TN、NH4+在一系列時(shí)間內(nèi)的洗脫量繪制洗脫曲線，進(jìn)而得出不同功能區(qū)底泥的含氮量和最大釋氮能力.以期為預(yù)測(cè)低溫條件下南湖發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的可能性和采取預(yù)防手段提供理論支持.

冰封；洗脫；TN；NH4+

1 前言

富營(yíng)養(yǎng)化是指生物生長(zhǎng)發(fā)育所需的N、P等無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽大量進(jìn)入湖泊、海灣、河口等相對(duì)封閉、半封閉或水流緩慢的水體，在特定的外界環(huán)境因素作用下，引起藻類及其他浮游生物迅速增長(zhǎng)，水體DO下降，水質(zhì)惡化，水生生物大量死亡的現(xiàn)象[1-3].水體富營(yíng)養(yǎng)化按按污染來源分為內(nèi)源型污染和外源型污染.內(nèi)源污染是指在外源污染控制住后，水體底泥與上覆水會(huì)發(fā)生物質(zhì)交換，當(dāng)溫度、pH值、溶解氧、擾動(dòng)等環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，水底沉積物中的液態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽向上覆水中釋放，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化.

隨著人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)內(nèi)源污染導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行了許多研究.PeterM.Vitousek，Miller，JamesA等對(duì)氮在底泥—水界面的遷移、轉(zhuǎn)化、循環(huán)等進(jìn)行了研究，并建立了系統(tǒng)的沉積物循環(huán)模型[4-5].李文紅等就溶解氧對(duì)底泥中不同形態(tài)氮釋放的影響問題進(jìn)行了研究[6].周賢兵等就pH對(duì)底泥TN的凈釋放量的影響進(jìn)行研究[7].劉培芳等就溫度和pH對(duì)長(zhǎng)江口潮灘沉積物中NH4+釋放量的影響進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究[8].但是現(xiàn)有研究多針對(duì)南方水體，對(duì)北方水體尤其是冬季結(jié)冰的水體研究甚少.故本文以長(zhǎng)春南湖為研究對(duì)象，通過底泥洗脫釋放實(shí)驗(yàn)，模擬水—土界面處底泥向水體釋放營(yíng)養(yǎng)鹽的過程，確定底泥在水土界面不同時(shí)間釋放出的氮含量，最終確定底泥釋放氮的能力及其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)和潛在影響[9].

2 樣品采集、處理及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 采樣點(diǎn)布置

根據(jù)南湖功能分區(qū)，本研究將南湖分為游泳區(qū)、荷花池區(qū)、湖心島區(qū)、南湖大橋等幾個(gè)功能區(qū).本文于上述四個(gè)區(qū)域共布設(shè)6個(gè)采樣點(diǎn)，具體布設(shè)情況見圖1.

2.2 樣品的采集與處理

利用采樣器采集表層沉積物樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集2個(gè)重復(fù)樣品.采集完成后，于自然狀況下陰干，并去除植物殘?bào)w、石塊等雜質(zhì)，研磨后于低溫條件下密封避光保存?zhèn)溆?按照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法的標(biāo)準(zhǔn)及SMT法對(duì)備用底泥進(jìn)行預(yù)處理：用80目分子篩過濾后的底泥樣品用于TN的測(cè)定；用2mm篩過濾后的底泥樣品用于測(cè)定土壤中的NH4+.

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

為了研究底泥釋放氮隨著時(shí)間的變化，自行設(shè)計(jì)柱狀實(shí)驗(yàn)裝置，主體為有機(jī)玻璃柱，內(nèi)徑為5厘米，高度為40厘米，下部塞具孔膠塞并密封，如圖2所示.

稱取前文處理備用的土樣100g放入設(shè)計(jì)裝置內(nèi)飽水.飽水結(jié)束后，每次從上部注入100mL蒸餾水并密封，持水一定時(shí)間后放水，測(cè)定出水的TN、NH4+含量[9].持水時(shí)間間隔按照10、20、30、40、50、60、120、180、240、300、360、540、720、1440分鐘延長(zhǎng)，直到TN和NH4+無法測(cè)出為止.

圖1 采樣點(diǎn)布設(shè)圖

圖2 底泥洗脫實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.4 數(shù)據(jù)處理

底泥中氮釋放量的計(jì)算公式：

式中Gi－第i次試驗(yàn)中底泥氮的釋放量，mg/kg；

Ci－第i次試驗(yàn)底泥洗脫水中氮的濃度，mg/L；

W－底泥的質(zhì)量，100g；

V－每次洗脫出水的體積，100mL；

G－底泥中氮的總釋放量.

3 結(jié)果與討論

3.1 TN洗脫實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖3所示，不同功能區(qū)底泥氮洗脫實(shí)驗(yàn)中，隨著持水時(shí)間的延長(zhǎng)，所有實(shí)驗(yàn)用底泥樣品TN累積釋放量均不同程度增加，當(dāng)持水時(shí)間達(dá)到4110min時(shí)，除樣品1-2外，其他底泥樣品TN釋放量均達(dá)到最大值.點(diǎn)1-2底泥TN釋放量最大，為131.99mg/kg，其次是點(diǎn)3-2為79.50mg/kg、點(diǎn)2-1為69.25mg/kg、點(diǎn)3-1為43.38mg/kg、點(diǎn)3-3為41.71mg/kg，點(diǎn)2-3TN釋放量最小，為35.55mg/kg.其原因?yàn)辄c(diǎn)1-2為截污之前的污水排放口，在截污之后未采取處理措施，大量含氮鹽沉積于底泥中，且點(diǎn)1-2為荷花池區(qū)，大量枯萎的荷花殘?bào)w腐爛在底泥中，致使該點(diǎn)位底泥中TN含量最大，洗脫實(shí)驗(yàn)過程中TN釋放量也最大.點(diǎn)3-2為南湖大橋正下方，受人為活動(dòng)影響較大，游客向水中投入的魚食、魚類的代謝產(chǎn)物以及掉入的含氮有機(jī)垃圾等都是導(dǎo)致該點(diǎn)位TN釋放量較高的因素.點(diǎn)2-1為游船區(qū)，受人為活動(dòng)影響亦較大，因此TN釋放量相對(duì)較高.點(diǎn)2-3為湖心島區(qū)，底泥較少且大部分為砂質(zhì)，底泥本底含氮量小，因此釋放量最少.

圖3 TN釋放量隨持水時(shí)間變化曲線

3.2 NH4+洗脫實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖4所示，隨著持水時(shí)間的累積，所有底泥樣品累積NH4+釋放量均不同程度增加，當(dāng)持水時(shí)間達(dá)到4110min時(shí)，除樣品1-2外，其他底泥樣品NH4+釋放量均達(dá)到最大值.點(diǎn)1-2底泥NH4+釋放量最大，為115.30mg/kg，其次是點(diǎn)3-2為62.17mg/kg、點(diǎn)2-1為47.22mg/kg、點(diǎn)3-3為18.71mg/kg、點(diǎn)2-3為17.21mg/kg，點(diǎn)3-1 NH4+釋放量最小，為14.83 mg/kg.對(duì)比TN釋放量數(shù)據(jù)可知，點(diǎn)1-2、點(diǎn)3-2、點(diǎn)2-1NH4+釋放量排序與TN釋放量排序一致，說明上述三個(gè)點(diǎn)位受人為影響活動(dòng)較大的區(qū)域底泥中NH4+含量亦較高，因此釋放量較大.點(diǎn)3-3、點(diǎn)2-3、點(diǎn)3-1等區(qū)域受人為活動(dòng)影響相對(duì)較小，底泥受攪動(dòng)影響小，故底泥中氨氮所占TN比例相對(duì)較小，因此釋放的也少.

圖4 氨氮釋放量隨持水時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

根據(jù)氮洗脫模擬實(shí)驗(yàn)，南湖不同功能區(qū)底泥中荷花池底泥TN、NH4+累積釋放量均最大，南湖大橋底泥次之.單位質(zhì)量底泥TN累積釋放量在35.55～131.99mg/kg之間，占樣品本底值的3.31%～11.68%，平均值為5.57%；單位質(zhì)量NH4+的累積釋放量在14.83～115.30mg/kg之間，占樣品本底值的5.32%～29.63%，平均值為10.97%.對(duì)比知NH4+要比TN更容易從沉積物中釋放出來.故底泥中大量?jī)?chǔ)積的營(yíng)養(yǎng)鹽是富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ).

〔1〕姜登嶺，馬軒凱，倪國葳，等.氮、磷對(duì)陡河水庫藻類生長(zhǎng)的影響[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，31（1）：98-101.

〔2〕尹華，昌鏡偉，章光新，孫曉梅，等.新立城水庫水體富營(yíng)養(yǎng)化成因及治理對(duì)策 [J].東北師大學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2010，42（1）:152-156.

〔3〕王淑芳.富營(yíng)養(yǎng)化防治研究與展望[J].環(huán)境科技，2005，8 (4):54—56.

〔4〕Peter M.Vitousek，John D.Aber，Robert W.Howarth，et al.Teehnical RePort:Hunan Alteration of the Global Nitrogen Cycle:Sourcesand Consequenees.Ecological Applications，1997，7(3):737-750.

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〔6〕李文紅，陳英旭，孫建平.不同溶解氧水平對(duì)控制底泥向上覆水體釋放污染物的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22(2):170-173.

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2016-08-09