湯遜湖·南湖及墨水湖底泥沉積物中氮磷的釋放特征

林子陽，姜應和*，程潤喜，胡 芳，周 歡，陳銘楷

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430070；2.路德環境科技股份有限公司，湖北武漢 430000)

湯遜湖位于武漢市東南部，水域面積達47.62 km2，橫跨江夏區、洪山區和東湖新技術開發區，是武漢最大的城中湖；南湖位于武昌南部，水域面積達7.67 km2，是武漢市第三大的城中湖；墨水湖位于漢陽西南，水域面積達3.64 km2，為淺水湖泊。隨著湖泊周邊城市發展，各類污染物排入湖中，造成水體污染。水中營養鹽通過一系列理化作用，逐漸蓄積于湖泊底泥之中。其中，氮、磷等營養鹽是湖泊底泥營養鹽的主要組成部分，對水體環境影響極大。在外界環境的影響下，底泥中的氮磷元素部分被沉水植物吸收，重新參與物質循環；部分以閉蓄態或結合態的形式穩定存在，難以被釋放；部分通過擴散作用重新進入上覆水中，造成二次污染[1]。這部分重新被釋放的氮磷元素，也是湖泊水體治理水質難以根本好轉的主因之一。

底泥中氮磷的釋放是一個物理、化學和生物綜合作用的過程，其釋放、累積和輸送遵循一定的規律[2]。底泥中氮磷的釋放受到如DO、溫度、pH、上覆水污染物濃度等因素的影響[3]。筆者以湯遜湖、南湖和墨水湖為研究對象，采用實驗室靜態模擬法對底泥氮磷釋放規律進行研究。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集將帶上覆水和底泥的柱樣定義為A類試驗柱樣，不帶上覆水的底泥柱樣定義為B類試驗柱樣。在湯遜湖(114°23′E,30°25′N)、南湖(114°21′E,30°30′N)和墨水湖(114°14′E，30°32′N)各設一個取樣點，每一取樣點取1個A類試驗柱樣和2個B類試驗柱樣。A類試驗柱樣取樣管長為2.5 m，上覆水采樣深度不小于1.5 m，底泥采樣深度不小于70 cm；B類試驗柱樣取樣管長為1.5 m，底泥采樣深度不小于1.0 m。取樣點具體位置如圖1所示。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points

1.2 樣品的處理各試驗柱樣被帶回試驗室后，將A類試驗柱樣的上覆水用虹吸管調整至相同深度(上覆水深度為1.5 m)。對上覆水進行測量所得各理化指標如表1所示。

表1 各湖泊上覆水理化指標Table 1 Physical and chemical indicators of overlying water in each lake

對B類試驗柱樣的表層(0～5 cm)底泥進行采樣，吸除水分后置于陰涼處自然風干，研磨后過100目篩，保存在聚乙烯袋中備用。測得底泥TN、TP含量如表2所示。

表2 各湖泊底泥中TN、TP含量Table 2 Contents of TN and TP in sediments in each lake 單位：mg/kg

1.3 底泥釋放營養鹽試驗方法將從3個湖泊各取的1個A類試驗柱樣分別命名為湯遜湖、南湖和墨水湖試驗柱。該試驗采樣時間為夏季，試驗期間水溫維持在(30±1)℃。將試驗柱中原上覆水替換為蒸餾水。監測上覆水中DO、TN、NH4+-N、NO3--N和TP的變化，前期每隔 24 h 取樣并檢測，后期取樣并檢測的時間間隔為 48 h，每次采集水樣后分別用蒸餾水補足。

累計釋放量γ(mg)用以下公式計算[4]：

(1)

式中,V為試驗柱中上覆水總體積(L)；n為采樣次數，n≥2，當n=1，僅取式右兩項中的第一項；Vj為每次采集水樣的體積(L)；Cn為第n次采樣時測出的營養鹽濃度(mg/L)；Cj為第j次采樣時測出的營養鹽濃度(mg/L)；Ca為每次取樣后補充水樣中營養鹽濃度(mg/L)；C0為各類上覆水中營養鹽的初始濃度(mg/L)。

1.4 水質檢測方法上覆水中DO采用JPB-607A溶解氧儀測定。TN、NH4+-N、NO3--N和TP采用《水和廢水監測分析方法(第四版)》提供的方法測定：TN 采用過硫酸鉀氧化，紫外分光光度法測定；TP 采用鉬酸銨分光光度法測定；NH4+-N采用納氏試劑比色法測定；NO3--N采用紫外分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 上覆水中各指標的變化不同湖泊底泥條件下，上覆水中各指標的變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，3個試驗柱中水樣各指標的變化趨勢基本一致。DO含量在10 d前持續下降，可能是好氧微生物的持續活動導致的[5];16 d后DO略有回升，此時其他營養鹽濃度基本處于平衡階段，水體環境相對穩定，說明存在一定程度的大氣復氧。TN、NO3--N和TP均呈持續上升趨勢，墨水湖試驗柱的上覆水中TN濃度最高，湯遜湖試驗柱次之，南湖試驗柱最低;NO3--N濃度排序與TN一致;南湖試驗柱的上覆水中TP濃度最高,湯遜湖試驗柱次之，墨水湖試驗柱最低。由表1可知，對于原上覆水而言，TN濃度表現為墨水湖>湯遜湖>南湖，與試驗結果相符，且各試驗柱中上覆水TN的最終濃度均小于各湖泊實測結果。這可能是因為在自然湖泊的上覆水環境內存在大量生物活動，以湯遜湖為例，現仍有相當規模的漁業養殖[6]。它們的代謝活動所產生的氮元素部分懸浮在上覆水中，進一步提高了TN的含量。TP濃度表現為南湖>湯遜湖>墨水湖，主要以溶解性磷酸鹽(SRP)的形式存在[7]，也與試驗結果相符，但各試驗柱中上覆水TP的最終濃度均大于各湖泊實測結果。該試驗在夏季進行，氣溫較高，史靜等[8]研究表明，溫度對氮磷元素釋放的影響類似，但對磷的影響更顯著。且當溫度升高到一定程度后，由于生物活性不再提高，氮的釋放不再明顯增強，而磷由于氧化還原電位的降低和含磷沉積物溶解加快等原因，釋放更為明顯[9]。而自然水體中存在藻類及沉水植物對溶解性磷酸鹽的吸收，降低了環境中磷的濃度，所以各湖泊TP的實測數據會低于試驗條件下釋放的TP。NH4+-N表現出先上升后下降的趨勢，這可能與底泥中有機氮轉化為氨氮和硝化反應有關。

圖2 各試驗柱上覆水各指標隨時間變化曲線Fig.2 Variation curve of various indicators of overlying water on each test column with time

2.2 上覆水中氮類營養鹽變化不同湖泊底泥條件下，上覆水中各類含氮營養鹽變化如圖3所示。由圖3可知，各試驗柱中TN絕大部分由NO3--N組成。說明氮元素主要以無機氮的形式向上覆水中釋放，難以以有機氮的形式釋放。在試驗初期，各試驗柱均出現NH4+-N濃度迅速上升的趨勢，這可能是由于在向試驗柱內注入蒸餾水的過程中，對底泥造成了一定擾動，且試驗初期水體中溶解氧充足。這可能是因為底泥中存在好氧微生物將有機氮轉化為氨氮[10]。在前10 d，水體中溶解氧持續下降，NH4+-N也持續下降，NO3--N則持續上升，說明水體中存在硝化反應將NH4+-N轉化為NO3--N。但也可以看出，NO3--N增長的量大于NH4+-N減少的量，說明底泥仍在向上覆水中釋放NO3--N或釋放NH4+-N并轉化為NO3--N。陶玉炎等[11]研究表明，溶解氧缺乏的條件下，沉積物氮主要以NH4+-N形式釋放，溶解氧充足條件下，沉積物氮主要以NO3--N形式釋放。王圣瑞等[12]研究表明，底泥中可釋放的氮主要以NO3--N的形式存在；且由于土壤帶負電荷，銨根帶正電荷，易被土壤吸附難以釋放，而硝酸根帶負電荷，更容易釋放。

圖3 各試驗柱上覆水含氮營養鹽隨時間變化曲線Fig.3 Variation curve of nitrogen containing nutrient salts in the overlying water of each test column with time

2.3 上覆水中TN、TP累計釋放量的變化從各試驗柱上覆水中TN和TP累計釋放量的變化趨勢(圖4)可以看出，不同湖泊底泥氮磷的累計釋放量變化趨勢基本相同。由于釋放強度受上覆水與底泥間的濃度差影響，根據Fick第一擴散定律[13]，在靜態釋放條件下，由于底泥-水界面濃度梯度的影響，底泥TN和TP的釋放速率在初期最大，隨時間的延續，釋放速率逐漸降低[14]，則累計釋放量的增長也由陡變緩；最終，隨著濃度差的不斷縮小，擴散作用不斷減弱，上覆水與底泥間逐漸達到某個平衡點，累計釋放量不再明顯增長，呈現出動態平衡狀態。試驗結束時墨水湖TN的累計釋放量最大，說明墨水湖可能具有更大的氮釋放能力；南湖TP的累計釋放量最大，說明南湖可能具有更大的磷釋放能力。

圖4 各試驗柱上覆水TN(a)和TP(b)累計釋放量隨時間變化曲線Fig.4 Variation curve of cumulative release amount of TN (a) and TP(b) in the overlying water of each test column with time

2.4 底泥沉積物氮磷存在形態對釋放的影響底泥中的氮磷元素并不都具有向上覆水中釋放的潛力。不同湖泊表層底泥TN中可轉化態氮(TAN、TTN)及TP中易轉化態磷占比區別均較大。王圣瑞等[12]對太湖等長江中下游湖泊的表層底泥測量發現，TN中可交換氮(EN)占比為6.29%～19.24%；對太湖和武漢月湖表層底泥的研究發現，TN中TAN的占比隨粒徑的降低而升高[15]，其中最容易釋放的IEF-N是可轉化態無機氮的主體,占總可轉化態氮的7.37%～22.25%。趙寶剛等[16]研究發現駱馬湖等4個湖泊表層底泥TN中TAN占比均值為50.93%～73.10%，IEF-N占TTN的6.74%～8.82%。葉華香等[17]對南山湖表層底泥測量發現，潛在可移動形態磷占TP的54.06%。馬金玉等[18]研究表明，最易釋放的EX-P占華陽河湖群表層底泥TP的0.4%～4.9%。周帆琦等[19]測得武漢南湖與東湖表層底泥TP中EX-P占比為3%～11%。上述試驗均表明，不同湖泊的表層底泥具有各自的形態分布特征，TN、TP中具有釋放潛力的部分占比也因湖泊環境和外源輸入的不同而有差異。

此次試驗測得3個湖泊表層(0～5 cm)底泥的干重約為166 g，根據表2的各湖泊底泥TN、TP含量計算得出的各湖泊累計釋放量占表層底泥內氮磷含量的比值如表3所示。從表3可以看出，該試驗中各湖泊底泥氮磷累計釋放量僅占表層底泥氮磷含量的極少部分，顯然低于潛在可釋放的氮磷總量。大量可釋放的氮磷留存在底泥中，形成內源污染，使得湖泊水質情況難以好轉，持續呈現富營養化。通過2016—2020年武漢水務局發布的武漢市水資源公報[20-24]可知，湯遜湖水質條件為Ⅴ類，中度富營養化，水質變化穩定；南湖水質條件仍為劣Ⅴ類，中度富營養化；墨水湖水質條件由劣Ⅴ類轉為Ⅴ類，中度富營養化，水質有所好轉。這說明底泥中大量富集的氮磷營養鹽對湖泊環境的治理仍形成較大阻礙。

表3 各湖泊累計釋放量占比Table 3 The proportion of cumulative release of each lake

3 結論

(1)夏季環境下各湖泊底泥樣本向上覆水中釋放的氮主要以NO3--N的形式存在，墨水湖底泥向上覆水中釋放的氮最多，有較強的釋放能力；南湖底泥向上覆水中釋放的磷最多，有較強的釋放能力。在未來的治理計劃中可針對各湖泊不同的釋放特點進行針對性治理。

(2)各湖泊底泥具備釋放潛力的氮磷元素占比具有不同特征，最終呈現出的釋放總量不一定由不同湖泊底泥間的氮磷總量簡單決定。此次試驗中向上覆水釋放的氮磷含量僅占底泥氮磷總量的極少部分，說明湯遜湖、南湖和墨水湖底泥均具有較大的氮磷釋放潛力，這也是導致各湖泊富營養化的主因之一。