污染水体沉积物营养盐释放过程*

梁 文 张 生 李畅游 张 俊 韩璞璞

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特，010018)

污染水体沉积物营养盐释放过程*

梁 文 张 生＊＊李畅游 张 俊 韩璞璞

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特，010018)

通过实验室模拟试验，以富营养化湖泊-乌梁素海沉积物为试验材料，模拟了在零外源污染状态下沉积物中营养盐的释放特征，揭示了沉积物中TN、TP的释放规律和过程，量化了营养盐的释放速率.试验结果显示，在无扰动的静态水力条件下，沉积物中营养盐在向上覆水体的释放过程中，伴随着解吸-平衡的动态过程，其中TP的释放量是调控水体富营养化程度的主要因素.通过各种途径淡化污染水体，可以在短时间内降低污染水体中TN和TP的浓度，但沉积物中污染物在短时间内难以得到迅速的消减，且逐渐向上覆水体释放，会在一定程度上较长时间地影响上覆水体的水质.

沉积物，营养盐，释放.

随着人们对于湖泊富营养化问题的研究与治理，营养丰富的沉积物内负荷对水体富营养化的贡献不容忽视.大量的研究表明，湖泊沉积物既是水体污染物的汇，又是水体污染物的源.随着各种形式输入湖泊水体营养元素的增加，在一系列物理、化学及生物的作用下，大部分沉积于湖底，形成大的内源负荷，当环境发生变化时，这些营养元素又会从沉积物中释放出来，进入上覆水体中，继而影响湖泊水体的富营养化水平［1-2］.目前国内外有关沉积物的营养盐释放及其各种影响因素的实验研究报道很多，比如:从定性的角度出发分析不同环境因素对沉积物污染物释放的影响［3-9］，也有从定量的角度分析湖泊沉积物-水界面的交换乃至内源负荷的工作［10-11］.

本文的研究基于前人关于众多沉积物释放规律研究的基础上，选择室内模拟试验研究方法，对比众多室内模拟试验［6，11-15］，模拟系统设计为静态系统，实验装置直接在完全自然状态下，温度、pH等完全不受人为控制，观察在不受控条件下，沉积物中氮、磷的释放过程和规律.从不同污染控制角度出发，对污染水体沉积物释放过程进行模拟研究，旨在揭示外源污染得到一定控制以及最理想零外源污染状态下沉积物营养盐的释放特性，基于实验室内模拟试验获得的结果，量化了沉积物营养盐的释放速率，并对营养盐的释放量进行了初步的估算.以此来评价通过不同途径淡化水体沉积物营养盐的释放规律以及对上覆水水质的影响及其环境效应，从而为正确选择控制治理污染水体沉积物内源释放的措施提供基本依据.

1 材料与方法

1.1 实验装置及样品的采集

实验所用沉积物及上覆水的采样点选在乌梁素海总排干水文站断面的南部500 m处，该处水域较宽阔，水动力条件较好，周围有大片的芦苇湿地，是水陆相互作用的重要地带，也是一个复杂的多功能生态系统，具有水动力作用强烈、泥沙输移和物质交换频繁、物理化学要素梯度变化大、生物种类丰富多样等特点.由于受到水陆作用的交互影响，这里各种物理、化学、生物因素变化剧烈，易受各种人为活动的干扰和破坏.因此此处沉积物-水界面污染物的动态交换和扩散对上覆水体的环境质量具有重要影响，对于污染水体的控制也具有实际的参考意义.

实验所用装置为4个规格相同的圆柱状有机玻璃柱，直径为10 cm，高为65 cm，上下都加设了可开启封口盖，底部密封性良好，上盖设有取样小口，另有通气口，60 cm处设有刻度线，30 cm处设有出水口，可自行关闭.沉积物样品，采用自制的柱状沉积物取样器，在现场距离不到0.5 m处平行采集4个原柱状沉积物样品，直接推入制好的有机玻璃柱中，避光低温保存运回实验室内.实验所用上覆水采集为同期同地点上覆水10 L，桶装带回实验室，并且当场记录下上覆水样的常规指标.

1.2 样品的处理及监测方法

将带回的柱状样，分别记为1#、2#、3#、4#，设置分为两组，每组两个平行样.首先将10 L水样，经过0.45 μm孔径的滤膜过滤，以减少藻类等浮游生物和有机质对实验的干扰，将此过滤好的水样沿1#、2#实验柱壁边缓慢注入，直至到刻度线，此时沉积物泥样和水样的高度比值接近于1∶1;另外3#、4#实验柱使用同样方法注入蒸馏水至刻度线，4个实验柱均放置在实验室干燥避光处，使其静沉达到平衡.1#、2#号为平行样不换水，为了模拟固定水位以及引入洁净水的稀释作用，隔天用蒸馏水补充因蒸发损失的水分以及取样造成的损失(通常是补充到刻度线).3#、4#为平行样，为了模拟湖水的更换作用，隔天换清水试验，实验用水为蒸馏水.实验周期为32 d，取样频率为两天1次，取样时间为早上9点，同时测定上覆水常规物理指标.每次取样重复测试2次，测定结果取平均值.

测试项目有水样的总氮、总磷以及水温、pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、溶解性总固体.实验均按照相关规范进行操作，使用野外监测的各种探头进行水样常规指标的测试，水样总氮的测定使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894—89)，总磷的测试使用钼酸铵分光光度法(GB11893—89).

1.3 释放量及释放速率的计算

水体营养盐的释放量根据质量守恒原理，参考范成新［10］等人沉积物释放速率的计算，考虑到实验柱开口直径仅10 cm，且实验静沉期间加盖封口，只留有两个直径为0.5 cm的小口通气和取样，氨气的挥发量较小，因此在计算时不考虑氨气挥发的情况.另外，由于实验补充水所用的是蒸馏水，同时也忽略了蒸馏水中TN、TP的值.因此在计算TN、TP时均采用同一个计算式来计算实验期间沉积物的释放量以及释放速率.针对本实验的实际情况，通过不同方法的修正，按照以下式子计算:

3#、4#实验柱计算采用:WΔt=VCn

由此可以推得相应的Δt时间段内沉积物营养盐释放速率计算公式为:

3#、4#实验柱:R=WΔt/(A ×t)=VCn/(A ×t)

式中，WΔt为 Δt时间段内营养盐释放量(mg);V 为实验柱中上覆水水体体积(L);Cn、Cn－1、Ci－1为第 n次、第n－1、第i－1次采样时某物质含量(mg·L－1);Vi－1为第i－1次采样体积(L);A为柱样中沉积物-水接触面积(m2);t为释放时间(d).

2 结果与讨论

2.1 静态条件下上覆水物理指标随着时间的变化

研究表明［3，9，16］，沉积物污染物的释放与水温、pH、溶氧等有关.季节温度的变化不仅影响湖泊水体和沉积物物理化学性质的改变，同时也导致了微生物数量、活性以及种类的变化.水温升高，沉积物中的微生物活性增强，底栖生物活性加强，提高了生物扰动作用和沉积物有机物的矿化速率;pH可以改变N、P等赋存形态，在一定程度上上覆水起始pH也会影响沉积物中氮磷污染物的释放;DO的高低与水体氧化还原环境、水生生物种类及其活性、有机物的矿化过程密切相关，而这些因素都会对沉积物释放产生重要的影响;而EC(电导率)、ORP(氧化还原电位)、TDS(溶解性固体)作为水质中其它重要指标，虽然它们不能单独反映水质的好坏，但是可以结合其它水质指标来反映水族系统中的生态环境.由于受温度、pH、DO的影响较大，其变化幅度也比较大.

水温:实验周期内不设置固定温度，由于模拟时间为夏季，室内温度较高，实验柱内水温随室温变化，也比较高，各个实验柱内水温变化幅度在(30±3)℃内，除了在实验初期有微小的差异外，各实验柱内水温基本保持一致.

pH:1#、2#上覆水初始pH值为7.37，实验过程中未加以控制，实验周期内pH值变化幅度为7.50±0.04;3#、4#上覆水为蒸馏水，pH应属中性条件，但由于受温度影响，实验周期内也有所波动，变化幅度为7.10 ±0.50.

DO:各实验柱内DO水平在实验周期内都有所差异，但大致变化趋势一致.初期，溶解氧水平一致较低，随着实验天数的增加逐渐升高至最大值，在实验后期又回落到初期水平.1#、2#内变化范围为6.66—1.54 mg·L－1，均值为 3.24 mg·L－1，3#、4#变化范围为 5.42—0.88 mg·L－1，均值为 2.63 mg·L－1.

其它:各实验柱内ORP值在实验周期内均表现出逐渐减小的趋势，且变化幅度比较大，最大幅度达到107 mV，3#、4#表现出来的波动性是由于长期换水底层水体环境不稳定造成的.另外，除了初期1#、2#EC有所波动，在其余时间EC、TDS基本处于稳定状态.图1给出了上覆水各物理指标随实验时间的变化趋势图.

图1 各实验柱上覆水各物理指标随时间变化趋势图Fig.1 Change of physical parameters in overlying water over time

2.2 静态状态下上覆水TN、TP的变化规律

各实验柱在相同不受控的实验条件下，进行静态沉积物释放模拟试验，计算并分析了在实验周期内上覆水TN、TP的浓度变化趋势.通过结果可以看出，在两种不同上覆水条件下进行的静态沉积物释放实验，沉积物营养盐释放存在着较大的差异(图2).

图2 各实验柱上覆水TN(a)、TP(b)浓度随时间变化关系曲线Fig.2 Change of total nitrogen(a)and total phosphorus(b)concentration in overlying water over time

静态条件下，沉积物上覆水水质变化均处于波动的状态.从整个实验周期来看，两种上覆水条件下TN含量随着模拟时间的变化与TP基本相似.

1#、2#实验柱:覆水初期，由于上覆水与沉积物(湿的)的充分混合，上覆水与沉积物间隙水间TN、TP浓度的巨大差异致使上覆水中TN、TP颗粒很快进入表层沉积物中，又很快被释放出来，造成TN、TP浓度的迅速减小又迅速增大的巨大波动，之后进入相对平衡状态;虽然总体上，浓度都有下降的趋势，但TN下降的幅度要比TP的大，这也看出了沉积物N释放的复杂性.另外，在达到平衡状态之后，上覆水TP浓度基本保持在0.30 mg·L－1左右，与我国地表水环境质量标准相比，由于沉积物的释放仍然可以导致上覆水的TP浓度超过五类水质标准中的限定值0.2 mg·L－1(GB 3838—2002)，这就说明沉积物P释放是影响污染水体水质级别划分的一个主要因子.而上覆水TN浓度基本保持在1.2 mg·L－1左右，小于五类水标准限定值2.0 mg·L－1(GB 3838—2002)，这说明平衡后沉积物的释放不会造成上覆水TN含量的超标，但这并不意味着沉积物的释放不会引起N的环境问题，因为水体N的问题，还有NO3-N、NH4-N、有机氮等其它问题，这还需要在以后的工作中做进一步的研究.

3#、4#实验柱:在覆水初期，由于注入清水，造成沉积物与上覆水之间营养盐浓度梯度增大，沉积物发生了爆发性的释放，上覆水TN、TP浓度迅速增大，并且达到了整个实验周期内的最大值，之后随着换水次数的增多，又迅速的减小，达到一种相对平衡的状态.TN在一段短时期内浓度降低到了整个实验周期内的最小值，最小仅有0.080 mg·L－1左右，之后又有上升的趋势，然其变化波动较大;而TP虽然浓度变化也有一定的波动性，但其基本维持在0.150 mg·L－1左右，个别仍然超过了五类水质标准中TP的浓度限定值.

2.3 实验周期内不同时间段内实验柱沉积物释放量

表1为各实验柱不同时段内沉积物TN、TP释放量计算结果.从表1中可以看出，在不同时段内，不同实验柱，不同上覆水条件下，沉积物TN、TP的释放量是有所差异的，4个实验柱中TP的释放量均远小于 TN，并且 1#、2#的 TN、TP 释放量要小于 3#、4#的释放量.

表1 各实验柱不同时段内沉积物TN、TP释放量Table 1 Release quantity of total phosphorus and total nitrogen in different periods of the release experiment

在无扰动静态条件下，沉积物中的营养元素被释放到水体中，1#、2#内个别释放量出现负值，说明水体中TN、TP的量减少了，其原因可能有:(1)TN、TP颗粒附着在水中固体颗粒上，随着固体颗粒被吸附到表层沉积物;(2)水中的光合作用及呼吸作用改变了沉积物中氮的赋存形式;(3)如果有少量微生物存在情况下，含氮盐可能被分解转变为气体溢出水面，造成一定量的损失.实验周期内沉积物TN累积释放量为1.9 mg，释放量表现为很大的波动性;而TP的释放虽然在初期和后期表现出一定的负值，但是总体上有持续不断释放的趋势，累积释放量为0.58 mg，这也表明了在外源污染得到一定控制之后，沉积物中TP的释放仍然是制约湖泊富营养化进程的重要因子.3#、4#由于所使用的上覆水为蒸馏水，蒸馏水中TN、TP的浓度几乎为零，有利于沉积物中TN、TP向上覆水体的扩散，实验周期内，沉积物一直处于释放状态，TN、TP的累积释放量分别为25.1 mg、6.2 mg，这也表明了上覆水体污染物浓度低有利于沉积物氮磷的释放.而沉积物的不断释放，说明了更换水体引起的TN、TP的释放，尤其是TP的释放还是湖泊水质重要的且长期存在的污染源.

2.4 实验周期内不同时间段内实验柱沉积物释放速率

为了更好地描述沉积物释放的动态过程，衡量沉积物的释放强度，图3给出了各实验柱TN、TP释放速率随时间变化关系曲线.在不同时段内，不同实验柱，不同上覆水条件下，沉积物TN、TP的释放速率也是有所差异的，4个实验柱中TP的释放速率远远小于TN，并且1#、2#的TN、TP释放速率要小于3#、4#的释放速率.

有研究表明沉积物释放到上覆水中的N以及沉积物表层和内部的N均可以通过硝化-反硝化作用转化为N2或直接以NH3的形式扩散到大气当中，离开沉积物-上覆水系统，而P由于受环境条件的干扰小，受沉积物的控制作用较强，它可以在上覆水-沉积物系统中循环、周转，释放到上覆水中的P就不会脱离该系统，沉积物对上覆水中P的吸收能力也就大于对N的吸收能力，因此沉积物释放到上覆水中的P比N有更多的机会重新回到沉积物当中.1#、2#在实验初期，TN、TP的释放速率变化波动较大，初始出现负值表明了沉积物的吸附作用，之后，强度减弱，释放速率回落到一个相对稳定的过程，释放速率的正负值正是体现了静态条件下，沉积物中的营养盐向水体释放的过程中伴随着解吸-平衡的动态过程，并且沉积物P的解吸-平衡状态更为明显一些;而3#、4#在实验初期TN、TP的释放速率均达到最大，之后又迅速减小，在一段短时期内，TN的释放强度很弱，之后又有上升的趋势，上升幅度不大，但有所波动，实验后期，TN的平均释放速率为93.38 mg·m－2·d－1;而TP的释放量在达到最大之后，逐渐减小到一个相对稳定的状态，平均释放速率为21.13 mg·m－2·d－1，这也更好地体现了沉积物P释放的解吸-平衡动态过程，沉积物中如果活性P库存量很大，一旦上覆水中TP浓度下降，沉积物可以很快释放出P来重新建立平衡.

图3 各实验柱沉积物TN(a)、TP(b)释放速率随时间变化关系曲线Fig.3 Change of release rates of total nitrogen(a)and total phosphorus(b)in the release experiment over time

3 结论

(1)沉积物的释放可能与水体中污染物浓度、水温、pH、溶解氧以及沉积物中污染物的含量、沉积物的性质、组成等因素有关，不同上覆水条件下沉积物的释放过程有很大的差异.

(2)在外源污染得到一定的控制之后，通过各种途径淡化污染水体，均可以在短时间内降低污染水体中TN和TP的浓度，尤其是换水清洗可以迅速削减上覆水中TN的浓度，但TP的释放量仍然是调控水体富营养化程度的主要因素.

(3)在无扰动的静态水力条件下，沉积物中营养盐在向上覆水体的释放过程中，伴随着解吸-平衡的动态过程，并且沉积物P的释放更为明显一些.沉积物向上覆水体逐渐的释放，在一定程度上较长时间地影响了上覆水体的水质，因此沉积物是一个重要的且长期存在的污染源.

由此看来，控制污染水体通过直接引入洁净水甚至更换部分湖水，达到稀释营养物质的目的，该方法收效快，但治标不治本，对于没有大的理想水源的地方也无法采用，控制沉积物污染释放还应当同时结合其它物理、化学等条件来控制平衡.

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RELEASE PROCESSES OF NUTRIENTS FROM THE SEDIMENT UNDER CONTAMINATED WATER BODIES

LIANG Wen ZHANG Sheng LI Changyou ZHANG Jun HAN Pupu
(College of Water Resources and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，010018，China)

A laboratory test was carried out on modelling the release processes of nutrients from the sediment of contaminated water bodies.The sediment was sampled from Lake Wuliangsuhai，which had been highly eutrophicated.The work revealed the release processes and characteristic nutrients from the sediment，and quantified the release rates.The results showed that at static state of water bodies the release processes were accompanied by dynamic transport processes.TP was the key element in controlling the eutrophication level of the water bodies.As a result，although dilution could decrease the concentrations of TN and TP in the water bodies within a short period of time，the comtamintants in the sediment would be difficult to eliminate quickly.They would be gradually released into the water bodies and affect the water quality for quite a long time.

sediment，nutrient，release.

2010年12月13日收稿.

*国家自然科学基金(50869007，50969005，40901262)联合资助.

＊＊通讯联系人，Tel:0471-4310175;E-mail:shengzhang@imau.edu.cn