干濕交替對(duì)溝渠沉積物中氮素的去除效果研究

石 闖，高良敏，孫 銳，趙興蘭

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

氮、磷等營養(yǎng)元素是農(nóng)業(yè)面源污染的主要污染物質(zhì)。控制農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)亟待解決的自然水域中富營養(yǎng)化問題有著非常重要的作用。溝渠作為農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移通道[1]，含氮物質(zhì)在遷移過程中經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)和生物學(xué)變化，這些變化對(duì)于研究溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的控制意義重大。影響溝渠沉積物中氮素轉(zhuǎn)變的因素很多，如溫度、降雨、干濕交替、動(dòng)植物活動(dòng)等[2,3]。

在野外，溝渠水分受各種因素影響不斷變化。自然降水或人為灌溉后的農(nóng)田排水進(jìn)入溝渠，隨后在地勢及蒸發(fā)作用下，溝渠內(nèi)水分又逐漸流失，因此溝渠常常處于干濕交替的狀態(tài)。研究表明：干濕交替過程對(duì)氮素在土壤中的累積、遷移、損失等過程有重要影響[4,5]。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溝渠處于豐水期時(shí)，此時(shí)溝渠底部微生物以氨化生物為主，沉積物中先是產(chǎn)生大量銨態(tài)氮，當(dāng)達(dá)到高峰時(shí)，其他微生物以氨化生物產(chǎn)生的銨態(tài)氮為氮源大量繁殖，逐漸成為優(yōu)勢物種，并使沉積物中的銨態(tài)氮快速下降[6,7]。當(dāng)溝渠處于枯水期時(shí)，沉積物直接與空氣接觸，使其表層含氧量升高，反硝化作用減弱，硝化作用增強(qiáng)，又由于沉積物底部的水分在蒸發(fā)作用下向上遷移，使可溶性氮也向上轉(zhuǎn)移，因此總氮含量會(huì)增大。進(jìn)一步導(dǎo)致當(dāng)溝渠再次覆水時(shí)，沉積物中的氨氮、可轉(zhuǎn)化態(tài)氮會(huì)向水中釋放[8,9]。然而上述氮素的遷移與轉(zhuǎn)化并不確定統(tǒng)一，甚至表現(xiàn)出截然相反的效應(yīng)[10]。

因此研究干濕交替驅(qū)動(dòng)下氮素的遷移轉(zhuǎn)化，對(duì)發(fā)現(xiàn)溝渠在控制農(nóng)業(yè)面源污染方面的作用有非常重要的意義。

2 材料與方法

2.1 區(qū)域概況

試驗(yàn)所用溝渠沉積物取自安徽阜陽王家壩段附近入淮河溝渠(32°25′46.19″N，115°36′00.44″E)的表層沉積物，共0.5 m3，該溝渠主要用于農(nóng)田灌溉排水，周邊土地利用類型為坡耕地和水田。該地區(qū)位于暖溫帶南緣，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。季風(fēng)明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中。具有以暖溫帶向北亞熱帶漸變的過渡帶氣候特征。全年平均降水在820～950 mm，是典型的平原地形，地勢平坦。溝渠兩岸的農(nóng)作物以小麥、大豆和水稻為主。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用4個(gè)同規(guī)格燒杯(2000 mL)，燒杯內(nèi)沉積物高度設(shè)置為10 cm。設(shè)置4個(gè)等級(jí)的干濕交替實(shí)驗(yàn)，分別為低強(qiáng)度、中強(qiáng)度、高強(qiáng)度和長期淹水實(shí)驗(yàn)。其中低強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行一次干濕交替，中強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次干濕交替，高強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次干濕交替，長期淹水實(shí)驗(yàn)一直保持覆水狀態(tài)。當(dāng)將沉積物改“干”為“濕”時(shí)，使用去離子水上覆沉積物約2cm，當(dāng)將沉積物改“濕”為“干”時(shí)，使用針筒將燒杯內(nèi)上覆水取出。每次改變狀態(tài)后用封口膜將燒杯封住，以避免外來污染物的干擾，并在封口膜上戳3、4個(gè)1 cm左右的小孔以方便燒杯內(nèi)外的氣體流通。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前先將采集的溝渠底泥在生化培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)3 d。在25 ℃下盡可能恢復(fù)沉積物在采集及運(yùn)輸過程中受損的生物群落。之后整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)27 d，共分為4個(gè)周期，每個(gè)周期7 d。每個(gè)周期結(jié)束后收集沉積物樣品進(jìn)行硝態(tài)氮、氨氮、總氮、DOC的測定。

3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS25和Excel2016完成。考察不同干濕交替強(qiáng)度下各形態(tài)氮的變化情況，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)氨氮、硝態(tài)氮、DOC、總氮等因子之間的相關(guān)性。采用Origin 2019作圖(圖1)。

圖1 不同干濕交替強(qiáng)度下各污染物去除效果

圖1(a)反映了沉積物中硝態(tài)氮在不同強(qiáng)度干濕交替驅(qū)動(dòng)下隨時(shí)間的變化情況。可以看出，各處理組的硝態(tài)氮含量都經(jīng)歷了先上升后下降的過程。其中前期上升幅度表現(xiàn)為高強(qiáng)度(194.12%)>中強(qiáng)度(81.48%)>長期淹水(73.65%)>低強(qiáng)度(45.50%)。在前期，氨氮含量較高，由于硝化作用，氨氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，所以一段時(shí)間以后，硝態(tài)氮含量逐漸達(dá)到峰值，由于氨氮在此期間被大量消耗，硝化作用減弱，又由于硝態(tài)氮含量較高，使沉積物中反硝化菌活動(dòng)增強(qiáng)，反硝化作用增強(qiáng)，所以后一階段硝態(tài)氮含量下降。相較于最高值各組下降幅度表現(xiàn)為中強(qiáng)度(81.70%)>高強(qiáng)度(67.92%)>長期淹水(67.22%)>低強(qiáng)度(67.06%)。在第一階段，高強(qiáng)度的干濕交替促進(jìn)了硝化作用，所以前期高強(qiáng)度處理組硝態(tài)氮增加量最大，而到第二階段，中強(qiáng)度的干濕交替對(duì)反硝化作用效果明顯。

圖1(b)反映了沉積物中DOC在不同強(qiáng)度干濕交替驅(qū)動(dòng)下隨時(shí)間的變化情況。由圖可以看出，長期淹水的DOC下降幅度較緩，不同干濕交替強(qiáng)度下DOC均呈波動(dòng)下降趨勢。下降幅度表現(xiàn)為中強(qiáng)度(39.18%)>高強(qiáng)度(24.82%)>低強(qiáng)度(17.45%)>長期淹水(9.89%)，DOC(溶解性有機(jī)碳)可以被沉積物中的微生物作為碳源，每當(dāng)沉積物由覆水轉(zhuǎn)為干水時(shí)，沉積物內(nèi)的微生物會(huì)大量減少，而由干水轉(zhuǎn)為覆水時(shí)，微生物又會(huì)大量增加，在這個(gè)過程中沉積物中溶解性有機(jī)碳會(huì)被微生物吸收，當(dāng)干濕交替處于中強(qiáng)度時(shí)，DOC的下降幅度最大，說明此強(qiáng)度下，微生物的生長-衰落循環(huán)過程最為強(qiáng)烈。

圖1(c)反映了沉積物中氨氮在不同強(qiáng)度干濕交替驅(qū)動(dòng)下隨時(shí)間的變化情況。由圖可以看出各組沉積物中氨氮含量均呈穩(wěn)定下降趨勢，下降幅度表現(xiàn)為低強(qiáng)度(75.70%)>中強(qiáng)度(59.12%)>高強(qiáng)度(44.52%)>長期淹水(29.78%)。說明低強(qiáng)度下氨氮的去除效率最高，長期淹水下的沉積物氨氮去除率最低。

利用SPSS25軟件對(duì)氨氮、硝態(tài)氮、DOC、總氮之間進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。氨氮可以通過揮發(fā)作用釋放出去，使系統(tǒng)中總的氮素含量減少，所以沉積物中氨氮與總氮呈極顯著相關(guān)性；沉積物中的氨化微生物發(fā)生一系列水解、氧化、還原、轉(zhuǎn)位等作用將沉積物中溶解性有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨氮，使得沉積物中DOC減少。所以沉積物中氨氮與DOC亦呈極顯著相關(guān)性。沉積物中溶解性有機(jī)碳可以為其中的微生物提供碳源，而部分形態(tài)的氮又可以為微生物提供氮源，當(dāng)微生物群落的發(fā)展與碳源和氮源的供給息息相關(guān)，所以DOC和總氮亦呈極顯著相關(guān)性。

表1 氨氮、硝態(tài)氮、DOC、總氮之間的相關(guān)性(n=20)

4 結(jié)論

干濕交替對(duì)沉積物中總氮、氨氮、硝態(tài)氮、DOC均有顯著影響，其中低強(qiáng)度下的干濕交替對(duì)氨氮的去除效果最好，中強(qiáng)度的干濕交替對(duì)總氮、硝態(tài)氮、DOC的去除效果最好。說明在適當(dāng)?shù)母蓾窠惶骝?qū)動(dòng)下，沉積物中的氮素可以被較好的去除。

沉積物中氨氮與總氮、DOC呈顯著相關(guān)性，DOC和總氮呈顯著相關(guān)性，沉積物中氮素的相互轉(zhuǎn)化并不影響總氮的含量，說明沉積物中的氮素?fù)p失有很大一部分是以氨氮的形式被去除，而DOC與氮素有很強(qiáng)的協(xié)同去除效應(yīng)。