氮在水體中的遷移轉化過程研究

劉佳佳　李文潤　顧珉嘉

關鍵詞：氮形態;氮遷移轉化;地表-地下水

隨著現代化工和農業的飛速發展，解決環境問題迫在眉睫。水體中的氮過量是目前較為突出的問題之一。氮既是生命元素，又是污染因子，氮污染加重了水質型缺水問題。為了找到有效治理措施，必須深入了解氮元素及其遷移轉化過程。本研究在總結前人研究的基礎上，提出些許見解，有助于恢復水體的生態功能。

1水體中的氮來源及氮污染危害

目前，國內外已開展關于氮遷移轉化過程的研究，結果表明，氮在水體中的形態具有多元化、不穩定、遷移渠道多樣化的特點。在研究氮形態及其遷移轉化過程時，必須了解氮元素的來源。總體而言，水體中氮的來源包括大氣氮沉降、土壤天然有機礦化和人類活動氮排放。

1.1大氣氮沉降

大氣氮沉降分為干、濕兩種，以濕沉降為主，NO_x（硝態氮）主要源于化石燃料的燃燒與大氣雷電反應，NH_x（氨氮）主要源于農業生產氮肥、土壤物質、動物糞便揮發。劉學軍等[1]的研究表明，我國大氣氮的沉降總量可達1.8×10⁷t/a。近年來，由于化石燃料的大量燃燒、農業氮肥的過量使用，大氣氮沉降速度與沉降量快速增長，大氣氮沉降已然成為水體氮污染的主要來源之一。

1.2土壤天然有機礦化

土壤天然有機礦化是氮形態轉化方式之一，也是生態系統氮循環的重要環節之一。趙長盛等[2]以華中地區兩種典型的菜地土壤—黃棕壤和潮土為研究對象，采集土樣進行室內培養實驗。研究結果表明，黃棕壤和潮土氮素的礦化以硝態氮居多，隨著培養時間的延長，累計氮礦化量也有所增加。經過地表徑流和雨水沖刷等作用，土壤中的氮進入水體，成為水體氮污染的主要來源之一。

1.3人類活動氮排放

人類生產生活中的氮排放是造成水體氮污染的重要原因，主要可以分為農業污染和非農業污染。農業污染主要源于農業以及畜牧業，影響范圍較廣且治理與控制難度較大，在環境污染中的比例也日益增長。生產生活固液廢棄物以及其他垃圾淋溶下滲等非農業污染會導致水體中的氮濃度上升，因此，人類的生產生活也是氮污染的主要來源之一。

1.4氮污染的主要危害及影響

氮對生態環境和人體健康的影響主要有以下兩個方面：（1）氮含量增加，引發水體富營養化現象，同時消耗水中的氧，促使厭氧微生物大量繁殖，導致有機物腐敗、分解和發酵，使水體變黑、變臭，使湖泊觀賞價值流失;破壞水環境的生態平衡，導致生物缺氧甚至中毒死亡，并且受氨、氮等物質污染的河湖可能會造成地下水污染。（2）影響人體健康。污染水中會有諸多污染因子，可能會導致人體感染，危害人體健康，有一定的生物積累性和致癌、致畸、致突變的“三致”作用[3]。氮在水體或土壤中的遷移轉化與人類生產生活、土壤、水體的物理、化學、生物性質等因素息息相關。

2水體中不同形態氮的遷移轉化

2.1水體中的氮形態分布

氮在水體中有多形態特點，可分為無機氮與有機氮。無機氮有氨氮，包括游離氨態氮（NH₃^--N）、銨鹽態氮（NH₄⁺-N）等。可溶性有機氮主要有氨基酸、核酸、氨基糖等含氮有機物，主要形態為尿素與蛋白質。其中，三氮（氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽）在河湖、地下水、土壤中廣泛存在。無機氮包括氨態氮（簡稱氨氮）和硝態氮。王梅等[4]對長江下游干流水體進行監測分析，數據如表1所示。研究結果表明，溶解氮是氮在長江下游水體中的主要形態，且氮在不同水層中的質量濃度也不相同。由此可以看出，氮的分布在不同水層有一定的差異。

2.2水體中的氮形態遷移轉化

三氮在自然界中進行氮循環主要有硝化、反硝化、異化還原成銨等作用，河湖水體中的氮主要以氨氮形式存在與釋放，主要由湖水和底泥中的含氮有機物分解，即其氨化過程所產生[5]。水中的氨氮在好氧環境與硝化菌的作用下轉變成硝態氮，隨水體運動變化，在缺氧環境與反硝化菌的作用下轉化為氮氣，于水循環系統中轉移，最終釋放到大氣中，轉化過程如圖1所示。

2.3氮在地表水與地下水中的遷移轉化過程

地表水與地下水相互補給是自然界水循環的普遍現象，氮元素在水體間的遷移轉化會與周邊物質元素發生復雜多樣的物理、化學及微生物作用。地表水滲入初期產生離子吸附作用，河床沉積物中含有豐富的黏土顆粒，具有較好的吸附效果[6]。滲入后期，含氧量有所降低，有機物含量逐漸降低，反硝化作用為主要反應，并且在地表水與地下水相互補給中伴隨著諸多植物和微生物作用與反應。

地表水與地下水相互補給的活躍區域被稱為“潛流帶”（Hyporheic Zone）。在潛流帶中，物理、化學、微生物作用均較為劇烈。潛流帶為諸多微生物提供了充足的食物，也因此對水體中氮的遷移轉化有顯著影響[7]。潛流帶中氮的存在形式主要為氨氮、硝態氮和亞硝態氮，在復雜環境及不同作用下相互轉化，反硝化作用對河湖水體的去氮效果也十分顯著，對治理氮污染有十分重要的作用[3]。

3氮遷移轉化研究方法探討

3.1物理模擬實驗

通過室內物理模擬實驗進行檢測分析有助于克服復雜環境的干擾。常見的模擬實驗有砂柱模擬實驗和淋溶模擬實驗等。以室內砂柱模擬實驗為例，研究者主要通過物理模擬裝置以及控制變量法模擬滲濾系統中氮元素的遷移轉化機制。在裝有砂柱的玻璃柱中進行模擬滲透實驗，基本原理主要為引水通過砂層，檢測其砂粒粒徑、含水量以及有機物的含量，為后續實驗和分析提供準確的數據信息，實驗裝置如圖2所示。研究者通過現場實地考察與觀測，利用室內砂柱實驗裝置模擬河湖滲濾系統以及地表水-地下水體系，通過實驗對比、化學分析，模擬氮元素在水體移動與滲濾中的遷移轉化過程[8]。

3.2化學分析實驗

化學分析法操作較為簡單、便于實行，不受時間、地點的限制。可以從多角度分析實驗現象與數據，與物理分析實驗相結合，得出精確的實驗結果。因此，分析測定水體中的氮含量對水環境質量研究與水體功能評定具有重要意義，氮的分析測定主要采用分光光度法、儀器分析法和電化學分析法等[9-12]。

分光光度法是氨氮分析的常用方法之一，是基于物質在一定波長范圍或特定波長下的吸光度或發光強度特性建立的物質定性與定量分析方法。田波等[10]對比研究了4種分光光度法測定水中氨氮質量濃度，并建立了標準曲線進行對比研究，如圖3所示。實驗結果表明，水楊酸-次氯酸鈉分光光度法的相對標準偏差較小，檢出限較低，顏色穩定性較好，用到的試劑相對安全，反應靈敏，檢測準確[10]。

隨著對氮污染研究的深入，測定方法也逐步多元化，開發簡便、快速、靈敏度高、選擇性較好且對環境影響較小的分析方法是發展方向，符合我國可持續發展戰略的要求。

3.3野外采樣與樣品測定

樣品采集與預處理是影響測定實驗結果的因素之一[13]。在野外采樣實地觀察過程中，觀測者可以發揮主觀能動性，了解自然狀態下的環境變化;現場采樣也能保持原有的環境狀態，不破壞實驗條件。野外采樣為后續室內模擬實驗提供了時效性好且可靠性較高的實驗數據與素材。氮污染物遷移轉化代表性研究方法對比如表2所示。

4結論

水體氮污染是國內外的研究熱點，在水環境中，氮形態互相轉化受人類生產生活的影響較大。為解決氮污染問題，學者針對氮遷移規律做了大量研究，也取得了較好的成果，推動了氮污染物防治工作。總結前人的研究，提出以下建議：

（1）研究氮的遷移轉化需要對整個水體系統進行全方位的研究考察，應加強對深層沉積物與水體的研究，為治理提供理論依據。

（2）在氮形態轉化方面，需要加強反硝化作用對氮污染治理的積極作用、“三氮”遷移轉化影響因素的研究，分析不同環境中氮形態的變化規律。

（3）開發簡便有效的研究測定方法，方法之間相互融合、相互補充，自動化與聯用技術是氮測定方法的發展趨勢。ED1BBBD6-1BCD-451C-95FD-F467A9EBD36B