唐夢園 邱春生,2# 田 豐 白金超 王晨晨,2 王少坡,2 孫力平,2

(1.天津城建大學環(huán)境與市政工程學院,天津 300384;2.天津市水質科學與技術重點實驗室,天津 300384;3.天津水務集團有限公司,天津 300202)

沉積物是湖泊、水庫等生態(tài)系統(tǒng)中污染物質的重要載體,在一定條件下,沉積物中的氮、磷和有機物等會通過擴散、物理擾動和生物代謝等作用進入上覆水,造成水體的二次污染[1-2]。氮水平是導致水體富營養(yǎng)化和影響供水安全的關鍵因素[3],沉積物中氮的含量和賦存形態(tài)對其環(huán)境地球化學行為和內源釋放特征有直接影響。

根據(jù)氮形態(tài)與沉積物結合程度的不同,可將沉積物中的總氮(TN)分為可轉化態(tài)氮(TTN)和非轉化態(tài)氮(NTN),TTN又分為離子交換態(tài)氮(IEF-N)、弱酸可浸取態(tài)氮(WAEF-N)、強堿可浸取態(tài)氮(SAEF-N)和強氧化劑可浸取態(tài)氮(SOEF-N)4類[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)沉積物中高占比的TTN可增大氮釋放的風險,而且TTN中IEF-N含量對上覆水中的氮含量影響較大[6-7]。沉積物pH、有機質含量和粒度分布等與氮形態(tài)分布有一定相關性[8]837,[9]30,上覆水水質、人類活動和地域特征等也會在一定程度上影響氮形態(tài)的分布[10-12]。沉積物中氮形態(tài)分布與影響因素研究對考察沉積物-上覆水界面間氮遷移轉化的過程有重要意義[8]837,[13]1-2。

南水北調工程沿途由于風力、大氣干濕沉降及其他因素,水中攜帶一定量的泥沙和有機體等懸浮物[14-15]。承擔著給水廠供水任務的原水樞紐泵站是南水北調工程的最末端,調節(jié)池是泵站唯一取水調節(jié)設施和原水下游最終受水端。上游原水中的懸浮物進入調節(jié)池后因水流減緩大量沉積,沉積物內源污染物釋放會對供水安全產生潛在威脅。當前對沉積物氮形態(tài)的研究主要集中在湖庫、城市河道和近海等水體沉積物,但調節(jié)池具有流速快、水力停留時間短和污染物來源單一等特點,針對南水北調泵站調節(jié)池沉積物氮形態(tài)分布的研究鮮見報道。

本研究以天津市區(qū)兩個原水樞紐泵站調節(jié)池為研究對象,考察春、夏兩季調節(jié)池不同采樣點表層沉積物(以下簡稱沉積物)理化特征,包括pH、TN、總磷(TP)、無機磷(IP)、有機質含量以及粒度分布等;并采用分級浸提法分析沉積物中氮的形態(tài)分布,在此基礎上對沉積物中不同形態(tài)氮與其他指標的相關性進行分析,為調節(jié)池沉積物內源污染釋放控制和供水安全保障提供支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與預處理

南水入津后經暗涵分為兩道,分別進入A泵站調節(jié)池(池長350 m,寬220 m,深度10.9 m,有效容積46.0萬m3)與B泵站調節(jié)池(總凈寬185 m,進口導流段南北向長335 m,其余部分南北向長250 m,有效容積31.1萬m3)。根據(jù)調節(jié)池結構、流向和實際淤積情況,A 泵站調節(jié)池設5個采樣點(XH1～XH5),B泵站調節(jié)池設4個采樣點(CZ1～CZ4)，具體見圖1。取樣時間分別為2021年4月23日和8月21日,現(xiàn)場采用抓泥斗采集沉積物樣品,混合均勻后立即裝入封口鋁箔袋置于保溫箱,2 h內運送回實驗室。沉積物樣品經冷凍干燥處理,去除枝干等生物殘體,研磨后過100目篩,置于鋁箔袋4 ℃保存。

圖1 采樣點分布示意圖Fig.1 Distributions of sediment sampling points

1.2 樣品的測定方法

沉積物樣品pH采用電極法現(xiàn)場測定;TN采用過硫酸鹽消化法測定[16];TP和IP采用SMT法提取后用鉬酸鹽分光光度法測定[17];有機質含量采用燒失量法測定[18];粒度經預處理[19]后采用馬爾文Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定;沉積物氮形態(tài)采用分級浸提法[8]838-839測定。所有沉積物樣品均平行測定3次。

1.3 沉積物污染評價

TN的單項評價指數(shù)計算公式(見式(1))和污染評價標準(見表1)參照文獻[20]。

STN=CTN/CS

(1)

式中：STN為TN單項評價指數(shù);CTN為TN實測質量濃度,mg/kg;CS為TN污染程度標準限值,mg/kg，取440.00 mg/kg。

表1 TN污染程度評價標準Table 1 Pollution degree evaluation criteria of TN

2 結果與討論

2.1 調節(jié)池沉積物基本理化指標

調節(jié)池沉積物基本理化性質見表2。沉積物pH為6.75～7.32。春季調節(jié)池沉積物TP為255.68～408.76 mg/kg,均值為342.93 mg/kg,其中磷形態(tài)以IP為主,占比(以質量分數(shù)計,下同)為72.30%～84.97%;B泵站調節(jié)池進水口(CZ1)沉積物TP和IP含量較高,可能與磷多負載于顆粒物易沉積有關[13]7-10;沉積物有機質為8.22%～16.23%,均值為11.53%,進水口(XH1、CZ1)沉積物有機質含量高于其他采樣點。夏季調節(jié)池沉積物TP為318.25～400.97 mg/kg,均值為363.90 mg/kg,磷形態(tài)也以IP為主(占比54.37%～81.71%);有機質為6.50%～10.04%,均值為8.48%,夏季調節(jié)池沉積物有機質較春季略低,可能與夏季沿途雨水沖刷部分泥沙進入水體有關[21]。調節(jié)池沉積物依據(jù)應用較為廣泛的粒級劃分方法[22]可劃分為泥(<10 μm)、粉砂(10～<100 μm)、砂(100～1 000 μm)和礫(>1 000 μm)。兩個調節(jié)池不同采樣點沉積物粒徑分布存在差異,進水口沉積物粒徑較大,距進水口較遠且流速較緩處小粒徑顆粒物占比較大,這與不同粒徑顆粒物的沉降速率和局部流速有關,大顆粒沉積物沉降速度快易沉積在流速較大的采樣點[23];春、夏季同一采樣點沉積物的粒度組成也不同,春季沉積物粒徑較大,以砂為主,夏季以粉砂為主。

表2 沉積物基本理化性質1)Table 2 General physicochemical properties of the sediments

2.2 沉積物TN分布特征

TN含量在很大程度上決定了沉積物內源污染程度與釋放潛力[24]103。由圖2可知,兩個調節(jié)池春季TN為3 676.51～7 515.99 mg/kg,均值為5 504.48 mg/kg;夏季TN為1 924.12～3 615.93 mg/kg,均值為2 689.16 mg/kg。春季調節(jié)池STN=12.5,夏季STN=6.1,均屬于重度污染,且春季調節(jié)池沉積物氮營養(yǎng)鹽污染程度為夏季的2倍。由圖2可知,9個采樣點中,TN含量分布不均,差異明顯,季節(jié)變化也明顯,除XH5夏季未取到沉積物外,其他采樣點TN含量均為春季>夏季。春季兩個調節(jié)池進水口沉積物TN含量最大,均高于其他采樣點,可能是由于原水懸浮物進入調節(jié)池后主要沉積在進水口。夏季調節(jié)池沉積物TN含量較春季低,主要與夏季進水泥和粉砂含量高(見表2)且夏季進水懸浮物(29.25 mg/L)高于春季(11.75 mg/L)有關,其次與夏季高溫下沉積物中的氮釋放速度較快有關[25-26]。

圖2 調節(jié)池沉積物TNFig.2 TN of the sediment in regulating reservoir

2.3 沉積物不同形態(tài)氮的含量和分布特征

2.3.1 沉積物TTN含量及分布

TTN是沉積物氮中可參與循環(huán)的部分,在環(huán)境發(fā)生變化時可以釋放并重新參與循環(huán)[27]。圖3展示了春、夏季調節(jié)池各采樣點沉積物中TTN及其在TN中的占比(均以質量分數(shù)計，下同)。春季調節(jié)池沉積物中的TTN為794.48～2 331.17 mg/kg,在TN中的占比為19.42%～38.54%;夏季TTN為854.68～1 372.16 mg/kg,在TN中的占比為24.46%～46.14%。與夏季相比,春季不同采樣點TTN含量差異較大,春季兩個調節(jié)池進水口沉積物TTN含量均較其他采樣點高。雖然春季沉積物中TTN含量總體較夏季高,但夏季TTN在TN中的占比總體高于春季,這可能與夏季調節(jié)池沉積物中小粒徑顆粒物含量較高有關。呂曉霞等[28]研究不同粒級沉積物中TTN的含量表明,沉積物中小粒徑顆粒物的含量越高,沉積物中TTN占比越高;焦立新[29]32-35的研究結果也與此一致。夏季TTN在TN中的占比增大,表明沉積物中能夠釋放并且參與循環(huán)的氮含量增加,進一步加大沉積物氮釋放風險[24]103。

圖3 不同采樣點TTN及其在TN中的占比Fig.3 TTN and its proportions in TN at different sampling points

2.3.2 沉積物不同氮形態(tài)的含量及分布

調節(jié)池沉積物春、夏兩季各形態(tài)氮在TTN中的占比見圖4。4種形態(tài)氮在TTN中的占比均值表現(xiàn)為IEF-N(47.48%)>SAEF-N(21.34%)>WAEF-N(15.85%)>SOEF-N(15.33%)。

圖4 春、夏季不同形態(tài)氮在TTN中的占比Fig.4 Proportions of different forms of nitrogen in TTN

IEF-N是與沉積物結合能力最弱的氮形態(tài),易釋放參與氮循環(huán)[30]。兩個調節(jié)池春、夏季各采樣點沉積物4種形態(tài)氮中IEF-N占比較高。研究顯示,IEF-N含量受到沉積物有機質含量和粒度的影響,其在細軟的黏土質軟泥和粉砂質黏土等小顆粒中含量要高于較粗的砂質地大顆粒沉積物[31-32]。春季進水口沉積物IEF-N占比均大于其他采樣點,與沉積物有機質含量較高有關。兩個調節(jié)池除進水口外,其他采樣點夏季IEF-N占比均高于春季,可能與夏季沉積物中小粒徑顆粒物占比高有關,沉積物粒徑越大其營養(yǎng)鹽等交換越頻繁,不利于IEF-N沉積[33]。

表3 沉積物氮形態(tài)與其主要理化性質的相關性分析1)Table 3 Correlation analysis between nitrogen forms and major physicochemical properties of sediments

SAEF-N是沉積物中與鐵錳氧化物結合的氮,也是無機氮的主要存在形式,還原環(huán)境有利于SAEF-N的釋放。各采樣點間SAEF-N占比變化不大,季節(jié)變化規(guī)律亦不明顯,可能是由于調節(jié)池水流量較大,各采樣點氧化還原環(huán)境類似。

SOEF-N主要是沉積物TTN中唯一存在的有機氮形態(tài),也是可轉化態(tài)氮中最難釋放的氮形態(tài)[37-38]。SOEF-N占比最低,且時空差異也不明顯。

2.4 沉積物氮形態(tài)影響因素分析

沉積物氮形態(tài)與其主要理化性質的相關性見表3。TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N與TN之間的相關性表現(xiàn)為NTN>SAEF-N>TTN>WAEF-N>SOEF-N>IEF-N,所有形態(tài)氮均與TN呈極顯著相關性或顯著相關性,表明各形態(tài)氮的分布特征均與TN的分布特征類似,說明TN含量與分布特征在一定程度上能夠反映調節(jié)池沉積物氮內源污染程度。IEF-N作為TTN重要的組成部分,與TTN間呈極顯著正相關性,說明IEF-N是TTN參與氮循環(huán)釋放的主要貢獻形態(tài)[29]24-28。TN、各形態(tài)氮與TP、IP間的相關性較弱,說明沉積物中的氮與磷的來源可能不同,同時磷含量對各形態(tài)氮的分布影響較小。TN、各形態(tài)氮與pH間表現(xiàn)出負相關性,可能是由于沉積物pH會影響氮循環(huán)中微生物的活性,從而影響硝化與反硝化過程,進一步影響各形態(tài)氮的含量與分布。TN、各形態(tài)氮與有機質含量表現(xiàn)出極顯著正相關性,說明調節(jié)池沉積物中氮可能主要來源于有機質,這與趙寶剛等[8]837,[9]35-36的研究結果一致,沉積物中有機質含量會影響微生物的活性從而影響微生物對有機氮及SOEF-N的礦化程度,進而影響了各形態(tài)氮的含量[39]。因此,有機質含量是調節(jié)池沉積物中氮形態(tài)的影響因素。

TN、TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SOEF-N與泥、粉砂均呈不同程度正相關性,而與砂、礫呈現(xiàn)負相關性,這可能是因為粒徑較大的沉積物在環(huán)境劇烈變化時也不易破碎從而釋放氮,粒徑小的沉積物易受環(huán)境的影響使氮溶出[29]30-35,同時NTN更容易保存在粒徑較小的顆粒物中[9]36,因此粒徑較小的沉積物也是氮循環(huán)釋放的貢獻主體。SAEF-N與泥、粉砂均呈負相關性,而與砂、礫呈正相關性,這可能是因為較小粒徑顆粒物容易形成還原環(huán)境,有利于沉積物中SAEF-N的釋放[40]。因此,粒徑分布也是調節(jié)池沉積物中氮形態(tài)的影響因素。

3 結 語

A、B泵站調節(jié)池進水口沉積物IP是TP的主要成分,進水口有機質均高于其他采樣點。沉積物在春季以砂為主,夏季以粉砂為主。調節(jié)池進水口大顆粒沉積物占比較大,隨水流方向小粒徑沉積物占比升高。春季進水口TN、NTN均高于其他采樣點,調節(jié)池春、夏季TN均達到重度污染級別,沉積物內源氮釋放的潛力較大。IEF-N是TTN的主要組成部分,春季沉積物TN、TTN含量總體高于夏季,但夏季TTN在TN中的占比及IEF-N在TTN中的占比基本高于春季。夏季溫度較高,TTN釋放潛力加大,氮元素向上覆水釋放增強。WAEF-N在TTN中占比較低,SAEF-N與SOEF-N在各采樣點間時空差異不明顯。沉積物各形態(tài)氮與TP、IP含量相關性較弱。沉積物中的各形態(tài)氮與有機質間均呈極顯著相關性,有機質的礦化作用會影響各形態(tài)氮的含量及組成。沉積物粒徑分布對氮形態(tài)的分布影響較為明顯,TN、TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SOEF-N的含量均與泥、粉砂占比存在正相關性。