田莊水庫沉積物與水體之間氮素交換過程研究

宋 輝，劉慶福，公偉花

（沂源縣水資源管理辦公室，山東 沂源 256100）

水庫沉積物是水庫生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是入庫物質（如有機質和無機質污染物、營養(yǎng)鹽）的主要蓄積場所。在水庫環(huán)境演變過程中，進入庫的大部分無機和有機物的污染物、水庫內水生生物的死亡殘體和排泄物等，經(jīng)過絮凝、沉降等各種物理、化學和生物過程，不斷地沉積到水庫底部，形成新的沉積物。同時，在適當條件下，沉積物可以向上覆水體釋放營養(yǎng)物，為上覆水體的生態(tài)系統(tǒng)提供養(yǎng)分，形成水庫的內源。田莊水庫由于多年接受山東聯(lián)合化工有限公司高含氨氮污水以及高含硝氮河水，其沉積物中沉積了大量氮素，因此有必要調查沉積物-水界面的氮素交換規(guī)律，并確定交換通量。因此，查明水體沉積物-水界面的物質交換量，對定量研究該水庫水質變化趨勢具有重要意義。

1 試驗裝置與方法

試驗所用的底泥為采用箱式沉積物取樣器取得的長約20cm的原狀樣。并分別采自田莊水庫中放水洞、北放水洞、聯(lián)合化工排污口南、水庫中心及聯(lián)堿車間以西5個點。釋放模擬部分底泥的上覆水體為水庫水。

1.1 底泥及其孔隙水硝氮和氨氮垂向分布特征分析

1.1.1 底泥分析

將新鮮底泥柱狀樣在自制厭氧（通氮氣）切泥裝置中按2～4cm進行分層切割。將切割后的底泥高速離心（3800r/min）20min，取上清液待測；離心后底泥樣經(jīng)自然風干并篩分后測定氨氮、硝氮和總氮的含有量。氨氮（NH3-N）測定方法采用 2mol·L-1KCl浸提－靛酚藍比色法，硝酸鹽氮（NO3--N）采用酚二磺酸比色法；總氮采用元素分析儀進行檢測。

1.1.2 底泥孔隙水分析

將分層切割的新鮮底泥樣品經(jīng)高速離心（3800r/min，20min）得到不同層位的底泥孔隙水，經(jīng)過濾后測定氨氮、硝氮和總氮的含量。

1.2 底泥與上覆水之間氮素交換的試驗裝置與方法

1.2.1 試驗裝置

本項試驗的裝置為自制有機玻璃柱 （Φ=10cm，H＝50cm）。柱中底泥厚20cm，上覆水層厚度為25cm（見圖1）。反應器頂部設有一個可開啟的蓋，在頂蓋和反應器之間涂上玻璃膠，以防止外部空氣的滲入，試驗過程中可以分別將頂蓋打開或者封閉，使反應器分別處于開蓋好氧或封閉厭氧狀態(tài)。另外，頂蓋上設兩個小孔，取樣孔和通氣孔，取樣孔處粘有有機玻璃管，長至距反應器底部25cm處；通氣孔處粘有細橡膠管，分別與氮氣裝置和充氧裝置相連。

圖1 底泥氮釋放試驗裝置示意

1.2.2 試驗方法

釋放試驗前，用虹吸法注入水庫水，使沉積物之上的水位為25cm，加水樣時盡量避免擾動底泥，反應器中水樣總體積約為2L。試驗主要包括兩個處理方式：（1）反應器開蓋，使水面與大氣連通，并對其充氧，每天充氧5h，進行好氧釋放試驗；（2）反應器頂部密封并通入氮氣（每天5h），進行厭氧釋放試驗，整個試驗過程中用黑布遮住，避免光合作用的影響。

釋放試驗過程中，每隔一天用注射器由取樣口采集50ml水樣，測定水樣中硝氮和氨氮的濃度，試驗共進行16d。每次取樣后立即補充相同體積的試驗用水，加水樣時注意避免劇烈擾動。

2 試驗結果與分析

2.1 氮素垂向分布特征分析

田莊水庫北放水洞處（2006年4月）底泥中硝氮、氨氮和總氮濃度的垂向分布 (見圖2)。由圖2可以看出，底泥中的氨氮含量自表層向下具有先升后降的趨勢；并且含量較高。表層氨氮含量較低（556mg/kg），在約5cm處達到最大為725mg/kg，底層為412mg/kg。底泥中硝氮的含量很低，在1.5～4.0mg/kg之間。總氮含量也是先升后降的趨勢，含量在860～1010 mg/kg之間。可以看出，在底泥中氨氮在總氮中的比例最大。

圖2 水庫中洞底泥中氨氮、硝氮和總氮濃度隨深度變化曲線

圖3 中洞底泥孔隙水中氨氮、硝氮和總氮濃度隨深度變化曲線

由圖3可以看出，中洞底泥孔隙水中的氨氮濃度表層4cm內變化較為劇烈，4cm以下趨于穩(wěn)定，氨氮含量在25～30mg/L之間；硝氮濃度則在表層10cm范圍內由0.80mg/L快速降低至檢測限以下；總氮濃度由表層向下有降低趨勢。在底泥孔隙水中，氨氮在總氮中所占的比例最大。

在靜水環(huán)境中，通常可以采用Fick第一定律，粗略估算沉積物與上覆水體之間物質交換量，并且可以通過交換通量的正負判斷溶質在沉積物與上覆水之間運移的方向，即可以判斷沉積物是該溶質的源還是匯。Fick第一定律的表達式如下：

其中，F(xiàn)lux為通過沉積物-水界面的擴散通量；Φ為表層沉積物的孔隙度；為沉積物-水界面的濃度梯度；Ds為分子擴散系數(shù)。如果通量為正，則表明溶質從沉積物擴散至上覆水體，即沉積物為該溶質的源；如果為負，表明溶質從上覆水體進入沉積物，即沉積物為該溶質的匯。

表1是田莊水庫中洞位置沉積物-水界面氨氮與硝氮對比表。可以看出，氨氮在沉積物孔隙水與上覆水體之間存在顯著的濃度梯度，且通量為正，表明有大量的氨氮自沉積物釋放進入上覆水體，沉積物是水庫水體氨氮的源。同樣可以看出，沉積物是水庫水體硝氮的匯，但孔隙水與上覆水之間的濃度梯度明顯小于氨氮的濃度梯度。

表1 表層沉積物孔隙水與上覆水體氨氮與硝氮含量對比表

另外，經(jīng)測定田莊水庫底泥中硝氮含量的平均值為 2.16mg/kg，氨氮平均含量則高達 587.29mg/kg，總氮含量為843.85mg/kg。氨氮含量在底泥氮中的比例為最高，占總氮含量的69.6﹪，其次為有機氮。

由以上分析可以看出，田莊水庫底泥是氨氮的蓄積庫，底泥中大量的氨氮會通過沉積物-水界面向上覆水體擴散。而底泥是上覆水體中硝氮的匯，由上覆水體進入沉積物的硝氮在沉積物表層發(fā)生反硝化作用，生成氣體，最終進入大氣，沉積物表層發(fā)生的反硝化作用是水庫水體氮素的一個重要的去除途徑。

2.2 底泥與上覆水之間氮素交換的試驗結果分析

圖4 上覆水為水庫水時氨氮和硝氮濃度隨時間的變化曲線

2.3 底泥與上覆水間氨氮和硝氮交換量的計算

根據(jù)費克定律，計算得出的放水洞、聯(lián)合化工排污口南、水庫中心以及聯(lián)堿車間以西區(qū)域底泥-上覆水之間氨氮與硝氮的交換通量，結果見表2。

表2 底泥-水界面物質交換通量 單位：mg/(m2.d)

對水庫底泥進行分區(qū)。其中聯(lián)合化工排污口、水庫中心、中放水洞和南放水洞所占面積分別為223680m2、533200m2、374000m2、267834m2， 聯(lián)堿車間以西的水庫面積為2027486m2。根據(jù)不同區(qū)域的交換通量以及各區(qū)域的面積可計算得出田莊水庫年釋放量，其中氨氮的釋放量為135.02t/a，硝氮的釋放量為-49.65t/a。

3 結 語

通過對底泥及其孔隙水硝氮和氨氮垂向分布特征的試驗分析，對底泥與上覆水之間氮素交換的試驗研究以及對底泥與上覆水之間氨氮和硝氮交換量的計算，得出以下主要結論：

（1）底泥中氨氮在總氮中的比例最大。底泥中的氨氮含量自表層向下具有先升后降的趨勢。表層氨氮含量較低，在約5cm處達到最大。底泥中硝氮的含量很低。總氮含量也是呈先升后降的趨勢。

（2）在底泥孔隙水中，氨氮在總氮中所占的比例最大。孔隙水中的氨氮濃度表層4cm內變化較為劇烈，4cm以下趨于穩(wěn)定；硝氮濃度則在表層10cm范圍內由0.80mg/L快速降低至檢測限以下；總氮濃度由表層向下有降低趨勢。

（3）田莊水庫底泥是氨氮的蓄積庫，底泥中大量的氨氮會通過沉積物-水界面向上覆水體擴散。而底泥是上覆水體中硝氮的匯，由上覆水體進入沉積物的硝氮在沉積物表層發(fā)生反硝化作用。沉積物表層發(fā)生的反硝化作用是水庫水體氮素的一個重要的去除途徑。

（4）通過對底泥與上覆水之間氮素交換的試驗研究得出，在好氧條件下，上覆水中的氨氮濃度變化不大，硝氮則有所上升。這與Fick定律計算結果不一致，這主要是由于上覆水體中的氨氮在好氧條件下發(fā)生了硝化反應造成的。

（5）通過對底泥與上覆水之間氨氮和硝氮交換量的計算可以得出，水庫不同區(qū)域的氮交換量。根據(jù)得出的不同區(qū)域的氮交換量以及所對應區(qū)域的面積計算得出田莊水庫年釋放量，其中，氨氮的釋放量為135.02t/a，硝氮的釋放量為-49.65t/a。

本研究得到了中國海洋大學博士生導師鄭西來教授、高增文博士的悉心指導，在此一并致謝。

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