許 佟，高 凡,2，郭家選,2，黃艷虹

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京農(nóng)學(xué)院 資源與環(huán)境系，北京 102206；2.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 102206)

沉積物既是水環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及污染物質(zhì)的蓄積庫(kù)，也是水生動(dòng)植物所需物質(zhì)及能量循環(huán)的場(chǎng)所[1]，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量污染物質(zhì)進(jìn)入湖泊[2]，其中以N、P為主的化合物排入量最大，N、P元素的大量匯入會(huì)使湖泊水質(zhì)不斷惡化，最終導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程明顯加快[3-5]。此外，聚集在沉積物中的N、P可在環(huán)境改變的條件下再次釋放到上覆水中，造成湖泊內(nèi)源污染[6-7]。近年來(lái)，以沉積物—水界面為題的研究呈上升趨勢(shì)[8]，已有研究表明，外源污染得到較好控制后，湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化形勢(shì)仍然嚴(yán)峻的主要原因就是沉積物N、P內(nèi)源污染負(fù)荷的再釋放作用[9-10]?；诖?，本研究采用燒杯—恒溫振蕩器的模擬系統(tǒng)，研究不同上覆水動(dòng)力、溫度、pH對(duì)沉積物TN、TP釋放濃度的影響，并對(duì)其釋放強(qiáng)度進(jìn)行了估算，以期為有效控制內(nèi)源N、P污染釋放提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和分析

沉積物樣品于2018年7月(豐水期時(shí)段)在南四湖采集。采用抓斗式采泥器采集表層(0～20 cm)沉積物，并用便攜式GPS定位采樣點(diǎn)。表層沉積物的含水率為65.35%，平均pH值為7.37，有機(jī)質(zhì)的平均含量為5.13%，TN、TP的平均含量分別為0.89、0.46 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

上覆水均采用由純凈水配制的0.01 mol/L的KCl溶液。在每個(gè)系統(tǒng)中的上覆水中加入2滴0.1%的氯仿[11-12]。

采用恒溫振蕩器(HZQ-X300C)調(diào)節(jié)水體擾動(dòng)強(qiáng)度和溫度，設(shè)置為高溫組(25 ℃)和低溫組(15 ℃)，并以200、100、0 r/min為代表進(jìn)行強(qiáng)擾動(dòng)、輕微擾動(dòng)和靜態(tài)條件的模擬；選取pH=5和pH=9的偏酸偏堿條件以及pH=7的中性條件進(jìn)行湖泊水體pH變化的模擬探究。每組設(shè)3個(gè)平行樣，定期(12 h)對(duì)上覆水的pH值檢測(cè)和校正。各試驗(yàn)組均在21 d內(nèi)特定時(shí)間進(jìn)行取樣測(cè)量，并定期用超純水配制的KCl溶液補(bǔ)充因蒸發(fā)、取樣等原因造成的水分缺失。

1.3 試驗(yàn)步驟與指標(biāo)測(cè)定

稱取85 g(濕質(zhì)量)左右的樣品平鋪在燒杯底部。將少量純凈水沿杯壁緩慢加入到燒杯底部，稍沒(méi)過(guò)底泥，靜置24 h。隨后少量多次加入0.01 mol/L的KCl溶液至250 mL刻度線處，溶液總體積約為150 mL，盡量保持上清液呈清澈狀態(tài)，并用錫箔紙和封口膜將燒杯口封住。在模擬試驗(yàn)的第1、3、7、14、21 天的8:00時(shí)對(duì)上覆水體進(jìn)行取樣，每個(gè)平行樣品取50 mL樣品備用，經(jīng)5 000 r/min離心10 min后用0.45 μm GF/C濾膜進(jìn)行過(guò)濾，再進(jìn)行測(cè)定分析。

上覆水TN、TP分別采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)和鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)進(jìn)行測(cè)定。沉積物TN、TP的測(cè)定方法分別采用重鉻酸鉀-硫酸消化法和ICP—AES法測(cè)定。所有樣品均重復(fù)測(cè)定3次，結(jié)果取平均值，數(shù)據(jù)采用Excel分析，OriginPro 2015作圖。

1.4 釋放強(qiáng)度計(jì)算

2 結(jié)果與分析

2.1 不同擾動(dòng)強(qiáng)度下沉積物中N、P的釋放特征

注：試驗(yàn)條件為pH=7±0.5、25 ℃

2.2 不同溫度條件下沉積物中N、P的釋放特征

如圖2所示，25 ℃條件下，TN、TP的釋放濃度峰值均在第7天出現(xiàn)；15 ℃條件下，TN的釋放濃度峰值延遲在第14天出現(xiàn)，而TP的釋放濃度峰值仍在第7天出現(xiàn)，其濃度峰值分別為2.94 mg/L和0.96 mg/L，僅為25 ℃條件下的69.82%和76.87%。南四湖是典型的草—藻型湖泊，N是其富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子[23]，TN的含量能在較高程度上反映當(dāng)?shù)氐某练e物的富營(yíng)養(yǎng)化水平[24]。15 ℃條件下TN的濃度峰值(2.94 mg/L，D14)不及25 ℃條件下(6.86 mg/L，D7)的50%，說(shuō)明低溫可有效減緩沉積物中N向上覆水體中的釋放。P作為能量流動(dòng)及物質(zhì)合成的必要元素，其濃度的變化對(duì)生物的生長(zhǎng)乃至種群的演替都有著至關(guān)重要的影響[25]。溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷是磷在沉積物中存在的主要形態(tài)[26]，Wang[27]等發(fā)現(xiàn)，溫度升高的條件下，會(huì)促進(jìn)沉積物中NaOH-P的遷移，是因?yàn)檫m當(dāng)升高溫度可以提高有機(jī)質(zhì)的礦化速率和微生物的活性，該過(guò)程在消耗溶解氧的條件下會(huì)促進(jìn)NaOH-P的釋放，有機(jī)質(zhì)礦化生成的有機(jī)酸又能螯合鐵鋁等金屬，促進(jìn)了金屬結(jié)合態(tài)磷的釋放[28]，進(jìn)而加快了TP的釋放。

注：試驗(yàn)條件為100 r/min、pH=7±0.5

2.3 不同pH條件下沉積物中N、P的釋放特征

注：試驗(yàn)條件為100 r/min、25 ℃

2.4 上覆水環(huán)境因子對(duì)TN、TP釋放強(qiáng)度的影響

圖4 不同上覆水環(huán)境因子對(duì)總氮釋放強(qiáng)度的影響

2.4.2 不同上覆水環(huán)境因子對(duì)TP釋放強(qiáng)度的影響 如圖5所示，TP在不同上覆水環(huán)境條件下的釋放強(qiáng)度范圍在0～0.3 g/m2之間，均呈先快速后緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，即釋放前期(D1～D7)呈快速增長(zhǎng)，而釋放中后期(D8～D14)呈緩慢增長(zhǎng)。不同上覆水環(huán)境因子中，與溫度、pH相比，水體擾動(dòng)對(duì)TP的釋放強(qiáng)度影響作用更大，由圖5(a)可知，TP在200 r/min條件的釋放強(qiáng)度可達(dá)靜態(tài)(0 r/min)的2.55倍。淺水湖泊模擬系統(tǒng)受上覆水環(huán)境變化影響顯著，釋放前期，沉積物—上覆水界面間的濃度差值較大，表層沉積物中含P物質(zhì)極易隨濃度梯度擴(kuò)散至上覆水中，水體擾動(dòng)對(duì)該過(guò)程起促進(jìn)作用，使大量SRP隨擾動(dòng)釋放至上覆水環(huán)境中。釋放后期，儲(chǔ)存在沉積物和間隙水中的Fe2+、Mn2+與溶解氧結(jié)合，生成的鐵錳(氫)氧化物對(duì)SRP有強(qiáng)烈的吸附作用[22]，導(dǎo)致釋放中后期(D8～D21)增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)小于釋放前期(D1～D7)。此外，由圖5(b)可知，由于淺水湖泊模擬系統(tǒng)熱力分層效果不明顯，對(duì)溫度變化緩沖作用弱，導(dǎo)致25℃條件TP的釋放強(qiáng)度為比15 ℃高出0.04 g/m2。由圖5(c)可知，偏酸或偏堿上覆水環(huán)境均有利于內(nèi)源P釋放，堿性條件下TP釋放強(qiáng)度(0.26 g/m2)最高，酸性條件下(0.21 g/m2)次之，中性條件下(0.18 g/m2)最弱。

圖5 不同上覆水環(huán)境因子對(duì)總磷釋放強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

(1)沉積物TN、TP釋放濃度隨水體擾動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)而增加，200 r/min條件下TN、TP的平均釋放濃度是100 r/min條件的1.16倍和1.29倍，是0 r/min條件的1.41倍和2.55倍；高溫有利于沉積物N、P的釋放，溫度由15 ℃增加至25 ℃，沉積物TN、TP釋放強(qiáng)度可增加1.2～2.3倍；偏酸或偏堿上覆水環(huán)境均有利于沉積物TN、TP的釋放，而中性條件可有效抑制沉積物TN、TP的釋放。

(2)在一定的釋放強(qiáng)度范圍內(nèi)，湖泊沉積物TN的釋放強(qiáng)度呈先緩慢后快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其變化受pH的影響最大，溫度次之，水體擾動(dòng)最小；沉積物TP的釋放強(qiáng)度呈先快速后緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)；其變化受水體擾動(dòng)的影響最大，溫度和pH均較小。