叶胜兰舒晓晓

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

引言

湖泊、河流等城市湿地中封闭和半封闭景观水体的持续富营养化是当前城市典型的生态环境问题之一，这导致公民生活质量严重下降，身体健康得不到保障，生活环境极度恶劣。造成封闭景观水体富营养化的主要原因是水中氮、磷等污染物超标，尤其当这种水体污染达到一定程度时，水体中的氮、磷元素会发生沉淀或颗粒吸附作用累积于底泥中，在一定条件下，可再次释放于水体中造成二次污染[1-3]。因此，对于已经富营养化的黑臭水体来说，即使外部污染源能够及时得到有效控制，水中各种污染物的浓度在很长一段时间内仍表现出极高的水平。其中重要的原因是底部的泥浆，底泥是湖泊、河流和池塘中污染物的重要储存库，也是水生态系统中分解和消化、物质循环、能量流动和交换的场所。大量氮、磷营养物、有机物等通过各种物理作用沉积在河底淤泥中，当物质分解分化时，会消耗大量溶解氧，使水体和底泥处于缺氧或厌氧环境中，产生大量有毒、有害、刺激性气体，包括氨氮、硫化氢、甲烷等。特别是在长期厌氧环境中，沉积的污泥使耗氧量超载，形成二次内源性污染，并再次释放到水体中。同时，这些再生的二次污染物会增强外源氮、磷和重金属元素的再吸收，形成恶性循环[4，5]。

1 国内外研究进展

目前，许多专家学者通过大量研究表明，底泥与上覆水体之间氮磷养分的迁移转化受多种因素影响。主要包括环境条件的影响，如水温、pH值和溶解氧[6-8]，以及水波动的物理条件。关于丹麦浅水湖泊中磷的分布[9]、美国庞查伦湖沉积物中磷的负荷[10]以及中国尹府水库中氮和磷的释放规律[11]、滇池水体和沉积物中氮磷通量问题[12]等都出现在沉积物中过量污染物再次释放，引发了二次污染。一些水生植物本身对养分的需求量很大，其可以通过根、茎、叶吸收和利用氮和磷。特别是植物根系发达的水生植物，能在底泥中生根，不仅能有效吸收养分，还能有效防止底泥上浮，有利于控制底泥中养分的释放，降低水体二次污染的概率。该项控制技术已广泛应用于工程实践[13-15]，水生植物吸收丰富的氮磷养分是修复、调节和控制水体富营养化的有效途径[16-19]。不同物种的植类对氮磷的去除效果有很大差异。研究植物种类的氮磷去除率范围为20%～98%。在水体修复方法中，植物生态修复是一种高效、简单、经济、可持续的修复方法，已广泛应用于各种富营养化水体的修复和处理[20,21]。一些学者研究分析了水生植物凤眼莲对不同富营养化程度水体的修复效果，发现该植物能有效去除水体中过量的N和P元素[17]。Liu Pan等[22]研究表明，浮水植物绣球通过吸收和利用富营养化水体中的氮和磷，可以显著降低其浓度。吴娟等[23]通过研究发现，沉水植物黑藻能够通过快速生长吸收大量氮磷，从而有效降低水体和沉积物中的氮磷含量。朱华兵等[24]比较了挺水植物凤眼莲和香蒲对富营养化水体中氮、磷的去除效果，发现水体中氮、磷等营养物质迅速下降。

实现富营养化水体清洁度恢复的目标，主要是降低引起水体富营养化的主要营养物质氮、磷的浓度。不同类型水生植物对水体和沉积物中氮磷吸收的影响已成为判断水生植物净化能力的重要指标。现有研究大多集中于不同水生植物对富营养化水体的有效净化，而对不同富营养化程度水体形成的沉积物中氮的净化及氮迁移转化规律的研究相对较少。氮和磷是水体富营养化发生的最重要的限制因素。在实际工程应用中，有必要研究不同富营养化程度水体沉积物中氮的释放边界和释放量，以防止水体沉积物造成二次污染。对封闭景观水体底泥氮释放规律的研究可以应用于景观水体内源污染的控制，为生态恢复提供有利条件，提高水体的自净能力。

2 底泥—上覆水氮素的迁移转化过程

底泥与上覆水水体中氮素的主要交换形态是氨态氮，底泥和上覆水发生氮素交换的主要方式是通过氨氮的吸附和解吸附作用[25]。有研究表明[26]，底泥上覆水中氨氮的浓度变化可有效反映底泥中氨氮的吸附—解吸过程。当上覆水中氨氮浓度分别为低浓度和高浓度时，底泥中氨氮的吸附与解吸附动态变化过程呈现相反状态，但变化缺失一致，均为一定波动后趋于稳定状态。同时，底泥中氨氮的浓度与底泥的吸附效率呈现反比，相反，上覆水中氨氮的浓度与底泥的吸附效率呈现正比。正是因为底泥与上覆水中存在的这一吸附—解吸动态变化过程，在控制外源性污染物质的进入后，可通过改变底泥或水体的稳定性来消除内源性的污染，以改善水体质量。

3 底泥中氮素迁移转化的方法

3.1 上覆水环境条件促进底泥氮素释放

底泥中的营养盐分在池塘、湖泊、水库等封闭、半封闭景观水体中表现为“汇”或“源”，主要受到上覆水的物理条件、化学成分等因素的影响。当水体受到严重污染时，水体中大量超标的氮磷营养盐分通过物理作用包括沉降、颗粒吸附作用等聚集于底泥中，而在一定条件下氮磷营养物质又将反释于水体中，造成二次污染[13,15]。影响底泥向上覆水中释放氮磷营养元素的主要因素包括pH、温度、溶解氧、水流等，见表1。

表1 影响底泥中氮磷释放的因素

3.2 干湿交替条件促进底泥氮素释放

当底泥呈现为“湿”的状态时，首先是进行矿化作用，此时大量的氨化微生物将通过自身的代谢作用产生大量的氨态氮，当累积到峰值后微生物酶促反应将产生抑制作用，导致氨化微生物的数量急剧下降，其它种类的微生物以底泥中的氨态氮为能量来源进行大量繁殖，从而使得氨态氮的量迅速降低。反之，当底泥表现为“干”的状态时，在底泥表层将聚集大量的氧气，这有利于固氮微生物的生长代谢，同时，由于水分的蒸发带动可溶性氮素向表层移动，出现总氮含量增大的现象。有研究表明，在干湿交替的底泥中添加砂粒，可导致底泥出现砂质化，有利于降低底泥中活化的氮素含量[27]。杨斌等[26]通过研究发现，在底泥的上覆水层中，各类氮素的占比从大到小依次为硝氮、氨氮、亚硝氮。而底泥中的氮素则主要表现为有机氮，各类氮素的占比为氨氮、硝氮、亚硝氮。

3.3 控制底泥释放的方法

底泥中的营养元素再次释放已经成为水体污染的一个重要来源。因此，在水体污染治理的过程中不仅要控制外源污染，对内源二次释放需要进行更多的研究与关注。有效控制底泥中营养元素的二次释放对于水体污染治理具有重要意义。目前关于控制底泥释放的主要方法有原位修复法、异位修复法，见表2。

表2 控制底泥释放的方法

3.4 吸收底泥中氮素的植物种类研究

在底泥修复过程中，植物修复是一种长效、环保的可持续修复方法。尤其是对景观水体造成的底泥污染状况。植物生物修复不仅能持续有效地去除底泥、水体中过剩的氮磷物质，还能在景观设计中发挥美学作用。目前，已有大量研究发现了具有高效吸收氮磷物质的各类水生植物，包括沉水植物、浮水植物及挺水植物。植物修复技术主要原理包括植物本身需求而直接吸收；植物根系释放特殊的分泌物和酶；植物和根系区微生物的共同作用。

表3 植物修复方法原理

4 展望

氮磷元素过剩是造成水体富营养化形成底泥污染的重要物质。而底泥中富集累积的氮磷元素存在再次释放的潜在危险，这将对水体造成严重的二次污染。因此，底泥中氮磷元素的迁移转化规律及底泥中氮磷元素释放的控制研究都至关重要。在今后的研究中，将更多研究探索氮磷元素迁移转化的内在原理，开发研究新的技术、方法及新的材料以控制底泥中氮磷元素的释放，为水体污染治理提供更为科学、有效、低价的治理方法。