雷曉寒　李林陽　張晴晴　李想　羅康寧　劉茂松

摘要：為了研究覆蓋底泥對水質(zhì)指標的影響，在溫室中建立黃花鳶尾（Iris wilsonii）微生態(tài)系統(tǒng)，利用河沙覆蓋底泥，并向河沙覆蓋和無河沙覆蓋處理中加入2、4 mg/L營養(yǎng)鹽溶液，同時設置無營養(yǎng)鹽的對照處理，在試驗1、2、3、5、7、9、11、13、17、21 d測定不同處理下水中氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量、磷酸鹽含量和總磷含量。研究結果表明，加入營養(yǎng)鹽后不同處理組各水質(zhì)指標變化過程存在一定差異。其中，加入營養(yǎng)鹽處理組水體中氨態(tài)氮含量在處理后2 d最大，硝態(tài)氮含量大都在處理后7 d最大，總氮含量在2～5 d內(nèi)先后達到最大，水體磷酸鹽和總磷含量在處理后2～3 d最大。加入營養(yǎng)鹽后，河沙覆蓋處理下的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量最大值明顯高于相應的無河沙覆蓋處理，而處理后11～21 d河沙覆蓋和無河沙覆蓋處理間上述水質(zhì)指標差異不顯著。無河沙覆蓋處理下水中氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量大都分別在試驗5、9、11 d降至較低（該處理組平均質(zhì)量濃度），而河沙覆蓋處理下大都分別在處理后7、13、13 d降至較低;無河沙覆蓋處理下水中磷酸鹽含量和總磷含量降至較低所需時間為7～9 d，河沙覆蓋處理下所需時間為9～11 d。河沙覆蓋處理下的各水質(zhì)指標降至較低所需的時間長于無河沙覆蓋處理，河沙覆蓋對黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)指標影響大于加入營養(yǎng)鹽濃度對其的影響。

關鍵詞：底泥覆蓋;黃花鳶尾;微生態(tài)系統(tǒng);水質(zhì)指標

中圖分類號： X524? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）19-0308-05

收稿日期：2020-02-07

基金項目：國家重點研究計劃（編號：2017YFC0506200）。

作者簡介：雷曉寒（1992—），女，四川綿陽人，碩士研究生，主要從事濕地生態(tài)學研究。E-mail： sophielxh@163.com。

通信作者：劉茂松，副教授，主要從事濕地生態(tài)學及景觀生態(tài)學研究。E-mail： msliu@nju.edu.cn。

底泥覆蓋技術最早用于處理污染底泥中的多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和重金屬等有毒有害物質(zhì)[1-2]，具有方便快捷和費用較低等優(yōu)點[3]，近年來廣泛應用于富營養(yǎng)化水體底泥的生態(tài)修復中[4-5]。底泥覆蓋主要通過在底泥表面覆蓋1層或多層清潔覆蓋物，隔離底泥與上層水體的物質(zhì)交換，穩(wěn)固沉積物，防止再懸浮，從而阻止底泥中污染物向水體中遷移[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，采用改性土壤和覆蓋底泥，可提高水體的氧化還原電位和pH值，抑制沉積物中氮、磷的釋放[9-10]。

底泥覆蓋可阻滯底泥中營養(yǎng)鹽等向水體釋放，但其對沉積物表層物理和化學特征的改變[11-12]，也會影響生態(tài)系統(tǒng)中植物的生長以及動物和微生物的活動[8，13]，影響水體與沉積物間的物質(zhì)遷移。研究發(fā)現(xiàn)，底泥覆蓋對水質(zhì)的作用因試驗條件、覆蓋材料和持續(xù)時間不同存在較大差異[3，14]。

黃花鳶尾（Iris wilsonii）有較強的氮、磷去除能力，是濕地生態(tài)修復中常用的濕地植物之一[15-16]。本試驗以種植黃花鳶尾的濕地微生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，比較了在加入營養(yǎng)鹽的濕地微生態(tài)系統(tǒng)中覆蓋底泥與未覆蓋底泥的水質(zhì)變化及其規(guī)律，以期為水體生態(tài)修復提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的黃花鳶尾購自江蘇省無錫市，選用生長狀況良好、大小相近的黃花鳶尾，平均鮮質(zhì)量為（3.10±1.07） g/株，洗凈根系后，浸入生根液（主要成分為萘乙酸NAA）中1 h，之后移入清水中，培養(yǎng)備用。

試驗所用的底泥采自江蘇省南京市棲霞區(qū)九鄉(xiāng)河，共采底泥約100 kg。底泥中總有機碳含量為（8 278.13±496.92） mg/kg，全磷含量為（666.84±18.12） mg/kg，全氮含量為（659.09±116.11） mg/kg。

在蒸餾水中加入（NH4）2SO4、KNO3和KH2PO4，配制營養(yǎng)鹽溶液，配制的溶液中氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽質(zhì)量濃度都為230 mg/L。

1.2 試驗設計

試驗于2016年12月在南京大學智能溫室內(nèi)進行，溫室內(nèi)氣溫為18 ℃，空氣濕度為71.59%。選用長48 cm、寬34 cm、高25 cm的塑料箱作為培養(yǎng)箱，共設置24個培養(yǎng)箱。在每個培養(yǎng)箱中加入底泥4 kg，在箱中均勻種植6株黃花鳶尾，加入蒸餾水至水深9 cm。濕地微生態(tài)系統(tǒng)中的平均水溫為15.5 ℃。

培養(yǎng)7 d后，在其中12個培養(yǎng)箱中均勻撒入粒徑為0.7～1.0 mm的細河沙，用以覆蓋底泥表面，鋪設厚度約1 cm，其他12個培養(yǎng)箱不加河沙。

在河沙覆蓋和無河沙覆蓋的培養(yǎng)箱中，分別加入營養(yǎng)鹽溶液0、100、200 mL，再加入蒸餾水，使各培養(yǎng)箱中的水位保持基本一致（水深10 cm，體積約11.5 L），此時加入100 mL營養(yǎng)鹽溶液的培養(yǎng)箱水中的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽含量都為2 mg/L，加入200 mL營養(yǎng)鹽溶液的培養(yǎng)箱水中的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽含量都為4 mg/L。

共設6個處理，分別為河沙覆蓋+無營養(yǎng)鹽處理（SC0）、河沙覆蓋+2 mg/L營養(yǎng)鹽處理（SC1）、河沙覆蓋+4 mg/L營養(yǎng)鹽處理（SC2）、無河沙覆蓋+無營養(yǎng)鹽處理（NC0）、無河沙覆蓋+2 mg/L營養(yǎng)鹽處理（NC1）、無河沙覆蓋+4 mg/L營養(yǎng)鹽處理（NC2），每個處理有4個培養(yǎng)箱。

2016年12月20日加入營養(yǎng)鹽，試驗共持續(xù)21 d。在試驗后1、2、3、5、7、9、11、13、17、21 d，利用蒸餾水淋洗過的塑料廣口瓶，采集水樣，共采集水樣10次。每天補充蒸餾水，以保持水位。將采集的水樣放入保溫箱中，立即帶回實驗室，測定水樣的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量、磷酸鹽含量和總磷含量。

本研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)箱中加入營養(yǎng)鹽溶液后，各水質(zhì)指標都快速上升，達到最高值后下降，但除硝態(tài)氮含量外，都未達到加入的營養(yǎng)鹽配制濃度。這是由于營養(yǎng)鹽溶液在微生態(tài)系統(tǒng)中擴散的同時，系統(tǒng)中的黃花鳶尾和微生物對營養(yǎng)物質(zhì)具有吸收轉化和物理吸附作用，消耗了輸入的部分營養(yǎng)鹽。硝態(tài)氮含量在其他指標達到最高值后，仍持續(xù)上升并超過加入的營養(yǎng)鹽中的含量，直到氨態(tài)氮含量下降到較低時，硝態(tài)氮含量才開始下降，表明在微生態(tài)系統(tǒng)中，除了外加營養(yǎng)鹽，硝態(tài)氮還有其他來源，考慮到微生態(tài)系統(tǒng)中硝態(tài)氮與氨態(tài)氮含量變化的對應關系，推測氨態(tài)氮經(jīng)硝化作用轉化為硝態(tài)氮可能是其主要來源。各形態(tài)氮含量在試驗后期持續(xù)下降但仍有小幅波動，而磷酸鹽和總磷含量達到最大后即持續(xù)下降，其變化過程比各形態(tài)氮含量變化相對簡單。

在無植物且厭氧條件的底泥覆蓋試驗中發(fā)現(xiàn)，沙土（粒徑約2 mm）覆蓋和熱改性凹凸棒黏土覆蓋對底泥總磷釋放的抑制率達40%以上[21];在無植物且非厭氧條件的系統(tǒng)中使用生物炭（粒徑為0.15～1.00 mm）覆蓋底泥，覆蓋處理的氨態(tài)氮累計釋放量比未覆蓋的平均少82.71%[22]。底泥覆蓋能夠阻滯底泥中的營養(yǎng)鹽向水體釋放，但同時也可能降低水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力。研究發(fā)現(xiàn)，當有外源營養(yǎng)鹽輸入時，底泥覆蓋+水生植物處理下水中的總氮含量和總磷含量高于底泥裸露+水生植物處理[23];也有研究發(fā)現(xiàn)，物理材料覆蓋率高的處理下水中氨態(tài)氮含量高于覆蓋率低的處理[24]。因此，不同的試驗條件、對底泥的覆蓋材料以及覆蓋率，都對水質(zhì)指標有不同的影響。

本研究中黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)加入營養(yǎng)鹽溶液后，河沙覆蓋處理的各水質(zhì)指標最大值都顯著大于相應的無河沙覆蓋處理，在試驗后期有無河沙覆蓋處理之間水中的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和總氮含量無顯著差異;河沙覆蓋處理下各水質(zhì)指標降至較低水平所需時間顯著大于無河沙覆蓋處理，而加入營養(yǎng)鹽含量為4 mg/L處理下水質(zhì)指標降至較低所需時間僅略大于2 mg/L處理。表明底泥覆蓋后，黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力減弱，相較于加入營養(yǎng)鹽的含量，覆蓋對各水質(zhì)指標的下降速度影響更大。

研究認為，覆蓋材料能夠對底泥營養(yǎng)鹽的釋放產(chǎn)生抑制作用主要是通過覆蓋效應、化學效應和吸附效應，不同覆蓋材料起作用的原因不同。其中，河沙主要通過覆蓋效應（物理隔離）來抑制底泥中營養(yǎng)鹽的釋放[24]。而底泥-水界面是水中氮、磷等物質(zhì)交換較頻繁和復雜的區(qū)域，任何環(huán)境條件的變化都會直接或間接影響界面的物質(zhì)交換和能量交換[25]。在底泥營養(yǎng)鹽含量高、水體pH值高[26]、底泥擾動[27-28]和水中溶氧量較低[29]等情況下，會促進底泥中的營養(yǎng)鹽向水體中釋放。底泥覆蓋還會改變沉積物-水界面的氧化還原條件，影響底泥表面的物化環(huán)境[30]。底泥覆蓋可以通過物理隔離抑制底泥營養(yǎng)鹽釋放，同時有外源營養(yǎng)鹽輸入時，底泥覆蓋對沉積物-水界面的影響會使水中的營養(yǎng)鹽無法順利通過底泥表面吸附、沉積以及硝化作用和反硝化作用等過程消減。

在本研究中，河沙覆蓋對水質(zhì)指標降低速度的影響大于營養(yǎng)鹽濃度對其的影響，一方面可能是由于清潔的河沙作為覆蓋層，阻礙了水中的營養(yǎng)鹽向底泥中轉移，同時河沙的吸附作用并不明顯，沒有有效去除水中的營養(yǎng)鹽，使得覆蓋處理后微生態(tài)系統(tǒng)中加入的營養(yǎng)鹽需要更長的時間來降到相對較低的濃度;另一方面，河沙覆蓋阻礙了底泥與上覆水的直接接觸，改變了沉積物-水界面環(huán)境，這種對界面過程的影響可能導致水中營養(yǎng)鹽濃度的下降速度減慢，減弱黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)的水體自凈能力。

3.2 結論

加入營養(yǎng)鹽后不同處理組各水質(zhì)指標變化過程存在一定的差異，水中氨態(tài)氮、磷酸鹽和總磷含量在試驗后2～3 d即可達到最大，總氮含量在試驗后2～5 d內(nèi)達到最大，硝態(tài)氮含量達到最大的時間較晚，大都在試驗后7 d。當氨態(tài)氮含量開始下降時，硝態(tài)氮含量仍在上升，與氨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量變化不同，水中總氮含量的變化相對平緩。在不同處理條件下，水中磷酸鹽含量和總磷含量的變化規(guī)律相似。未加營養(yǎng)鹽的處理下，水質(zhì)指標變化相對平緩。

相較于加入的營養(yǎng)鹽濃度，河沙覆蓋對黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)指標影響更大。加入營養(yǎng)鹽后，河沙覆蓋處理下的氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、總氮含量最大值明顯高于相應的無河沙覆蓋處理。無河沙覆蓋處理下水中氨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量和總氮含量大都分別在試驗后5、9、11 d降至較低，而河沙覆蓋處理下大都分別在試驗后7、13、13 d降至較低。無河沙覆蓋處理下水中磷酸鹽含量和總磷含量降至較低所需時間為7～9 d，河沙覆蓋處理下所需時間為9～11 d。河沙覆蓋處理下的各水質(zhì)指標降至較低所需時間長于無河沙覆蓋處理。河沙覆蓋一定程度上影響了黃花鳶尾微生態(tài)系統(tǒng)對加入的營養(yǎng)鹽的消減能力。

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