刘佳佳　李文润　顾珉嘉

关键词：氮形态;氮迁移转化;地表-地下水

随着现代化工和农业的飞速发展，解决环境问题迫在眉睫。水体中的氮过量是目前较为突出的问题之一。氮既是生命元素，又是污染因子，氮污染加重了水质型缺水问题。为了找到有效治理措施，必须深入了解氮元素及其迁移转化过程。本研究在总结前人研究的基础上，提出些许见解，有助于恢复水体的生态功能。

1水体中的氮来源及氮污染危害

目前，国内外已开展关于氮迁移转化过程的研究，结果表明，氮在水体中的形态具有多元化、不稳定、迁移渠道多样化的特点。在研究氮形态及其迁移转化过程时，必须了解氮元素的来源。总体而言，水体中氮的来源包括大气氮沉降、土壤天然有机矿化和人类活动氮排放。

1.1大气氮沉降

大气氮沉降分为干、湿两种，以湿沉降为主，NO_x（硝态氮）主要源于化石燃料的燃烧与大气雷电反应，NH_x（氨氮）主要源于农业生产氮肥、土壤物质、动物粪便挥发。刘学军等[1]的研究表明，我国大气氮的沉降总量可达1.8×10⁷t/a。近年来，由于化石燃料的大量燃烧、农业氮肥的过量使用，大气氮沉降速度与沉降量快速增长，大气氮沉降已然成为水体氮污染的主要来源之一。

1.2土壤天然有机矿化

土壤天然有机矿化是氮形态转化方式之一，也是生态系统氮循环的重要环节之一。赵长盛等[2]以华中地区两种典型的菜地土壤—黄棕壤和潮土为研究对象，采集土样进行室内培养实验。研究结果表明，黄棕壤和潮土氮素的矿化以硝态氮居多，随着培养时间的延长，累计氮矿化量也有所增加。经过地表径流和雨水冲刷等作用，土壤中的氮进入水体，成为水体氮污染的主要来源之一。

1.3人類活动氮排放

人类生产生活中的氮排放是造成水体氮污染的重要原因，主要可以分为农业污染和非农业污染。农业污染主要源于农业以及畜牧业，影响范围较广且治理与控制难度较大，在环境污染中的比例也日益增长。生产生活固液废弃物以及其他垃圾淋溶下渗等非农业污染会导致水体中的氮浓度上升，因此，人类的生产生活也是氮污染的主要来源之一。

1.4氮污染的主要危害及影响

氮对生态环境和人体健康的影响主要有以下两个方面：（1）氮含量增加，引发水体富营养化现象，同时消耗水中的氧，促使厌氧微生物大量繁殖，导致有机物腐败、分解和发酵，使水体变黑、变臭，使湖泊观赏价值流失;破坏水环境的生态平衡，导致生物缺氧甚至中毒死亡，并且受氨、氮等物质污染的河湖可能会造成地下水污染。（2）影响人体健康。污染水中会有诸多污染因子，可能会导致人体感染，危害人体健康，有一定的生物积累性和致癌、致畸、致突变的“三致”作用[3]。氮在水体或土壤中的迁移转化与人类生产生活、土壤、水体的物理、化学、生物性质等因素息息相关。

2水体中不同形态氮的迁移转化

2.1水体中的氮形态分布

氮在水体中有多形态特点，可分为无机氮与有机氮。无机氮有氨氮，包括游离氨态氮（NH₃^--N）、铵盐态氮（NH₄⁺-N）等。可溶性有机氮主要有氨基酸、核酸、氨基糖等含氮有机物，主要形态为尿素与蛋白质。其中，三氮（氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐）在河湖、地下水、土壤中广泛存在。无机氮包括氨态氮（简称氨氮）和硝态氮。王梅等[4]对长江下游干流水体进行监测分析，数据如表1所示。研究结果表明，溶解氮是氮在长江下游水体中的主要形态，且氮在不同水层中的质量浓度也不相同。由此可以看出，氮的分布在不同水层有一定的差异。

2.2水体中的氮形态迁移转化

三氮在自然界中进行氮循环主要有硝化、反硝化、异化还原成铵等作用，河湖水体中的氮主要以氨氮形式存在与释放，主要由湖水和底泥中的含氮有机物分解，即其氨化过程所产生[5]。水中的氨氮在好氧环境与硝化菌的作用下转变成硝态氮，随水体运动变化，在缺氧环境与反硝化菌的作用下转化为氮气，于水循环系统中转移，最终释放到大气中，转化过程如图1所示。

2.3氮在地表水与地下水中的迁移转化过程

地表水与地下水相互补给是自然界水循环的普遍现象，氮元素在水体间的迁移转化会与周边物质元素发生复杂多样的物理、化学及微生物作用。地表水渗入初期产生离子吸附作用，河床沉积物中含有丰富的黏土颗粒，具有较好的吸附效果[6]。渗入后期，含氧量有所降低，有机物含量逐渐降低，反硝化作用为主要反应，并且在地表水与地下水相互补给中伴随着诸多植物和微生物作用与反应。

地表水与地下水相互补给的活跃区域被称为“潜流带”（Hyporheic Zone）。在潜流带中，物理、化学、微生物作用均较为剧烈。潜流带为诸多微生物提供了充足的食物，也因此对水体中氮的迁移转化有显著影响[7]。潜流带中氮的存在形式主要为氨氮、硝态氮和亚硝态氮，在复杂环境及不同作用下相互转化，反硝化作用对河湖水体的去氮效果也十分显著，对治理氮污染有十分重要的作用[3]。

3氮迁移转化研究方法探讨

3.1物理模拟实验

通过室内物理模拟实验进行检测分析有助于克服复杂环境的干扰。常见的模拟实验有砂柱模拟实验和淋溶模拟实验等。以室内砂柱模拟实验为例，研究者主要通过物理模拟装置以及控制变量法模拟渗滤系统中氮元素的迁移转化机制。在装有砂柱的玻璃柱中进行模拟渗透实验，基本原理主要为引水通过砂层，检测其砂粒粒径、含水量以及有机物的含量，为后续实验和分析提供准确的数据信息，实验装置如图2所示。研究者通过现场实地考察与观测，利用室内砂柱实验装置模拟河湖渗滤系统以及地表水-地下水体系，通过实验对比、化学分析，模拟氮元素在水体移动与渗滤中的迁移转化过程[8]。

3.2化学分析实验

化学分析法操作较为简单、便于实行，不受时间、地点的限制。可以从多角度分析实验现象与数据，与物理分析实验相结合，得出精确的实验结果。因此，分析测定水体中的氮含量对水环境质量研究与水体功能评定具有重要意义，氮的分析测定主要采用分光光度法、仪器分析法和电化学分析法等[9-12]。

分光光度法是氨氮分析的常用方法之一，是基于物质在一定波长范围或特定波长下的吸光度或发光强度特性建立的物质定性与定量分析方法。田波等[10]对比研究了4种分光光度法测定水中氨氮质量浓度，并建立了标准曲线进行对比研究，如图3所示。实验结果表明，水杨酸-次氯酸钠分光光度法的相对标准偏差较小，检出限较低，颜色稳定性较好，用到的试剂相对安全，反应灵敏，检测准确[10]。

随着对氮污染研究的深入，测定方法也逐步多元化，开发简便、快速、灵敏度高、选择性较好且对环境影响较小的分析方法是发展方向，符合我国可持续发展战略的要求。

3.3野外采样与样品测定

样品采集与预处理是影响测定实验结果的因素之一[13]。在野外采样实地观察过程中，观测者可以发挥主观能动性，了解自然状态下的环境变化;现场采样也能保持原有的环境状态，不破坏实验条件。野外采样为后续室内模拟实验提供了时效性好且可靠性较高的实验数据与素材。氮污染物迁移转化代表性研究方法对比如表2所示。

4结论

水体氮污染是国内外的研究热点，在水环境中，氮形态互相转化受人类生产生活的影响较大。为解决氮污染问题，学者针对氮迁移规律做了大量研究，也取得了较好的成果，推动了氮污染物防治工作。总结前人的研究，提出以下建议：

（1）研究氮的迁移转化需要对整个水体系统进行全方位的研究考察，应加强对深层沉积物与水体的研究，为治理提供理论依据。

（2）在氮形态转化方面，需要加强反硝化作用对氮污染治理的积极作用、“三氮”迁移转化影响因素的研究，分析不同环境中氮形态的变化规律。

（3）开发简便有效的研究测定方法，方法之间相互融合、相互补充，自动化与联用技术是氮测定方法的发展趋势。ED1BBBD6-1BCD-451C-95FD-F467A9EBD36B