夏婷婷

（吉林建筑大学 城建学院，吉林 长春 130000）

南湖不同功能区底泥氮洗脱实验研究

夏婷婷

（吉林建筑大学 城建学院，吉林 长春 130000）

本文采用实验室模拟的方法，研究长春市南湖由冰封期到解冻后不同功能区底泥中TN、NH4+的累积洗脱量.根据底泥中TN、NH4+在一系列时间内的洗脱量绘制洗脱曲线，进而得出不同功能区底泥的含氮量和最大释氮能力.以期为预测低温条件下南湖发生富营养化的可能性和采取预防手段提供理论支持.

冰封；洗脱；TN；NH4+

1 前言

富营养化是指生物生长发育所需的N、P等无机营养盐大量进入湖泊、海湾、河口等相对封闭、半封闭或水流缓慢的水体，在特定的外界环境因素作用下，引起藻类及其他浮游生物迅速增长，水体DO下降，水质恶化，水生生物大量死亡的现象[1-3].水体富营养化按按污染来源分为内源型污染和外源型污染.内源污染是指在外源污染控制住后，水体底泥与上覆水会发生物质交换，当温度、pH值、溶解氧、扰动等环境条件发生变化时，水底沉积物中的液态营养盐向上覆水中释放，造成水体富营养化.

随着人类环境保护意识的增强，国内外学者对内源污染导致水体富营养化进行了许多研究.PeterM.Vitousek，Miller，JamesA等对氮在底泥—水界面的迁移、转化、循环等进行了研究，并建立了系统的沉积物循环模型[4-5].李文红等就溶解氧对底泥中不同形态氮释放的影响问题进行了研究[6].周贤兵等就pH对底泥TN的净释放量的影响进行研究[7].刘培芳等就温度和pH对长江口潮滩沉积物中NH4+释放量的影响进行模拟实验研究[8].但是现有研究多针对南方水体，对北方水体尤其是冬季结冰的水体研究甚少.故本文以长春南湖为研究对象，通过底泥洗脱释放实验，模拟水—土界面处底泥向水体释放营养盐的过程，确定底泥在水土界面不同时间释放出的氮含量，最终确定底泥释放氮的能力及其对富营养化的贡献和潜在影响[9].

2 样品采集、处理及实验方法

2.1 采样点布置

根据南湖功能分区，本研究将南湖分为游泳区、荷花池区、湖心岛区、南湖大桥等几个功能区.本文于上述四个区域共布设6个采样点，具体布设情况见图1.

2.2 样品的采集与处理

利用采样器采集表层沉积物样品，每个采样点分别采集2个重复样品.采集完成后，于自然状况下阴干，并去除植物残体、石块等杂质，研磨后于低温条件下密封避光保存备用.按照土壤农业化学分析方法的标准及SMT法对备用底泥进行预处理：用80目分子筛过滤后的底泥样品用于TN的测定；用2mm筛过滤后的底泥样品用于测定土壤中的NH4+.

2.3 实验装置与方法

为了研究底泥释放氮随着时间的变化，自行设计柱状实验装置，主体为有机玻璃柱，内径为5厘米，高度为40厘米，下部塞具孔胶塞并密封，如图2所示.

称取前文处理备用的土样100g放入设计装置内饱水.饱水结束后，每次从上部注入100mL蒸馏水并密封，持水一定时间后放水，测定出水的TN、NH4+含量[9].持水时间间隔按照10、20、30、40、50、60、120、180、240、300、360、540、720、1440分钟延长，直到TN和NH4+无法测出为止.

图1 采样点布设图

图2 底泥洗脱实验装置图

2.4 数据处理

底泥中氮释放量的计算公式：

式中Gi－第i次试验中底泥氮的释放量，mg/kg；

Ci－第i次试验底泥洗脱水中氮的浓度，mg/L；

W－底泥的质量，100g；

V－每次洗脱出水的体积，100mL；

G－底泥中氮的总释放量.

3 结果与讨论

3.1 TN洗脱实验结果分析

如图3所示，不同功能区底泥氮洗脱实验中，随着持水时间的延长，所有实验用底泥样品TN累积释放量均不同程度增加，当持水时间达到4110min时，除样品1-2外，其他底泥样品TN释放量均达到最大值.点1-2底泥TN释放量最大，为131.99mg/kg，其次是点3-2为79.50mg/kg、点2-1为69.25mg/kg、点3-1为43.38mg/kg、点3-3为41.71mg/kg，点2-3TN释放量最小，为35.55mg/kg.其原因为点1-2为截污之前的污水排放口，在截污之后未采取处理措施，大量含氮盐沉积于底泥中，且点1-2为荷花池区，大量枯萎的荷花残体腐烂在底泥中，致使该点位底泥中TN含量最大，洗脱实验过程中TN释放量也最大.点3-2为南湖大桥正下方，受人为活动影响较大，游客向水中投入的鱼食、鱼类的代谢产物以及掉入的含氮有机垃圾等都是导致该点位TN释放量较高的因素.点2-1为游船区，受人为活动影响亦较大，因此TN释放量相对较高.点2-3为湖心岛区，底泥较少且大部分为砂质，底泥本底含氮量小，因此释放量最少.

图3 TN释放量随持水时间变化曲线

3.2 NH4+洗脱实验结果分析

如图4所示，随着持水时间的累积，所有底泥样品累积NH4+释放量均不同程度增加，当持水时间达到4110min时，除样品1-2外，其他底泥样品NH4+释放量均达到最大值.点1-2底泥NH4+释放量最大，为115.30mg/kg，其次是点3-2为62.17mg/kg、点2-1为47.22mg/kg、点3-3为18.71mg/kg、点2-3为17.21mg/kg，点3-1 NH4+释放量最小，为14.83 mg/kg.对比TN释放量数据可知，点1-2、点3-2、点2-1NH4+释放量排序与TN释放量排序一致，说明上述三个点位受人为影响活动较大的区域底泥中NH4+含量亦较高，因此释放量较大.点3-3、点2-3、点3-1等区域受人为活动影响相对较小，底泥受搅动影响小，故底泥中氨氮所占TN比例相对较小，因此释放的也少.

图4 氨氮释放量随持水时间变化曲线

4 结论

根据氮洗脱模拟实验，南湖不同功能区底泥中荷花池底泥TN、NH4+累积释放量均最大，南湖大桥底泥次之.单位质量底泥TN累积释放量在35.55～131.99mg/kg之间，占样品本底值的3.31%～11.68%，平均值为5.57%；单位质量NH4+的累积释放量在14.83～115.30mg/kg之间，占样品本底值的5.32%～29.63%，平均值为10.97%.对比知NH4+要比TN更容易从沉积物中释放出来.故底泥中大量储积的营养盐是富营养化发生的物质基础.

〔1〕姜登岭，马轩凯，倪国葳，等.氮、磷对陡河水库藻类生长的影响[J].河北理工大学学报(自然科学版)，2010，31（1）：98-101.

〔2〕尹华，昌镜伟，章光新，孙晓梅，等.新立城水库水体富营养化成因及治理对策 [J].东北师大学报 (自然科学版)，2010，42（1）:152-156.

〔3〕王淑芳.富营养化防治研究与展望[J].环境科技，2005，8 (4):54—56.

〔4〕Peter M.Vitousek，John D.Aber，Robert W.Howarth，et al.Teehnical RePort:Hunan Alteration of the Global Nitrogen Cycle:Sourcesand Consequenees.Ecological Applications，1997，7(3):737-750.

〔5〕Miller，JamesA，Bowrnan，Craig T.Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion.Energy and Combustion Seience.1989，15（4）：287-338.

〔6〕李文红，陈英旭，孙建平.不同溶解氧水平对控制底泥向上覆水体释放污染物的影响研究[J].农业环境科学学报，2003，22(2):170-173.

〔7〕周贤兵，齐泽民，杨凯，等.pH对蒙溪河底泥氮磷释放影响的研究[J].内江师范学院学报，2006，21(增):232-234.

〔8〕刘培芳，陈振楼，刘杰，许，等.环境因子对长江口潮滩沉积物中NH4+的释放影响 [J].环境科学研究，2002，15(5): 28-32.

〔9〕彭祥捷.中国北方湖泊营养盐的迁移转化及富营养化风险分析-以长春南湖为例[D].吉林大学环境与资源学院环境工程系，2011.

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2016-08-09