東江沉積物-水界面氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響因素*

熊蕾1，彭清靜1，陽立平2

(1.吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 吉首 416000；

2.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655)

摘要：對東江東莞河段上覆水及底泥氮素的分布特征進(jìn)行研究.采用室內(nèi)土柱模擬實(shí)驗(yàn)方法，分析水體中和底泥-水體中氮素的轉(zhuǎn)化過程，探討環(huán)境因素對水體中氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，東江東莞河段總氮質(zhì)量濃度范圍為2.13～4.48 mg/L，硝酸鹽氮是主要的污染物存在形態(tài)，占總氮的64.9%；沉積物是水體氨氮的源，是酸鹽硝氮和亞硝酸鹽氮的匯；光照和擾動(dòng)都能夠降低氨氮的質(zhì)量濃度；溫度和初始pH值越高，越有利于氨氮的轉(zhuǎn)化.

關(guān)鍵詞：東江；沉積物-水界面；擴(kuò)散通量；影響因素

文章編號(hào)：1007-2985(2015)06-0063-07

中圖分類號(hào)：X52；X142文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.06.015

收稿日期：*2015-07-25

作者簡介：熊蕾(1990—)，女，浙江桐鄉(xiāng)人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院碩士研究生，主要從事水污染控制研究

通信作者：彭清靜(1961—)，男，湖南龍山人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授，主要從事水污染控制研究.

東江作為中國南方大河珠江的支流之一，發(fā)源于江西省贛州市尋烏縣，向西南流入廣東省，經(jīng)虎門出海，是華南地區(qū)重要的水源地，為香港特別行政區(qū)及東江流域地區(qū)的生命之水，總供水人口達(dá)4 000余萬人[7-8].近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長和人口的不斷增加，進(jìn)入東江的污染負(fù)荷量增大，水體富營養(yǎng)化趨勢加重，給東江供水帶來了極大的安全隱患.筆者通過研究東江沉積物-水界面的擴(kuò)散通量及環(huán)境因子對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響，旨在了解東江流域的污染狀況，為污染治理提供基礎(chǔ)資料.

1試驗(yàn)材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布置與樣品收集

2013—2014年在珠江水系東江東莞河段中選取長度大約為26km的一段作為研究對象，每5km選取1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，共設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位(圖1).6個(gè)采樣點(diǎn)分別為劍潭泵站、河唇路、曾屋村、蘇村、永平橋、龍溪大橋.將1L有機(jī)玻璃采水器置于水深0.5m處采集水樣，采樣后迅速送回實(shí)驗(yàn)室保存，并測定各形態(tài)氮素含量.沉積物樣品采集后，用上頂法取其表面0～10cm沉積物樣，按2～4cm進(jìn)行分層切割，取分層沉積物于離心管內(nèi)，置于離心機(jī)中以3 000r/min離心10min，取上清液，用0.45μm濾膜過濾，并測定氮素各形態(tài)的含量.沉積物樣品于110 ℃條件下干燥，保存?zhèn)溆?

圖1　采樣點(diǎn)分布

1.2 樣品分析

1.3 擴(kuò)散通量計(jì)算方法

沉積物-水界面的無機(jī)氮交換通過沉積物間隙水的無機(jī)氮質(zhì)量濃度梯度間接估算.利用Fick第一定律[10-15]可知擴(kuò)散通量為

(1)

2結(jié)果與討論

2.1東江上覆水氮形態(tài)季節(jié)性變化

a 不同采樣點(diǎn)的總氮質(zhì)量濃度分布

b 不同采樣點(diǎn)NH + 4N質(zhì)量濃度分布

c 不同采樣點(diǎn)NO - 3N質(zhì)量濃度分布

圖2　不同采樣點(diǎn)各季節(jié)氮素不同形態(tài)的質(zhì)量濃度分布

(2)東江河流中氨氮質(zhì)量濃度普遍不高，大部分時(shí)間大部分采樣點(diǎn)均小于0.5mg/L.采樣點(diǎn)D3，D4，D5的氨氮質(zhì)量濃度較高，和這3個(gè)點(diǎn)人為影響有較大的關(guān)系.這3個(gè)點(diǎn)與農(nóng)村居住地都很近，附近的廢水和徑流流入河道中是造成氨氮質(zhì)量濃度高的主要原因.每個(gè)采樣點(diǎn)硝氮的質(zhì)量濃度均高于氨氮的質(zhì)量濃度，這與河流中的溶解氮質(zhì)量濃度和氧化還原電位有較大的關(guān)系.河道中的溶解氮的質(zhì)量濃度和氧化還原電位相對較高，因此硝化作用明顯.反之，反硝化作用受到抑制，使得硝氮質(zhì)量濃度較高.

2.2 沉積物-水界面氮擴(kuò)散通量規(guī)律

上覆水、間隙水和沉積物中的氮在不同條件下進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化.一方面，間隙水和沉積物中的氮通過分子擴(kuò)散作用和上覆水進(jìn)行交換；另一方面，沉積物對間隙水和上覆水中的氮有吸附作用，沉積物和間隙水中的氮向上覆水?dāng)U散的過程主要受質(zhì)量濃度梯度支配，研究其擴(kuò)散通量就可以了解其轉(zhuǎn)化過程[17].

表1　沉積物-水界面氮素不同形態(tài)的擴(kuò)散通量　 mmol· m -2· d -1

東江東莞河段與其他區(qū)域氮擴(kuò)散通量的對比見表2.

表2　東江東莞河段與其他區(qū)域氮擴(kuò)散通量對比　 mmol· m -2· d -1

2.3 水體中氮氨轉(zhuǎn)化過程的影響因素

(2)擾動(dòng).取水體至2個(gè)相同的容器中，考察曝氣和不曝氣對氨氮質(zhì)量濃度的影響，其試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，曝氣和不曝氣主要影響水中的溶解氧的質(zhì)量濃度.溶解氧質(zhì)量濃度高，氨氮氧化變成亞硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮氧化變成硝酸鹽氮的速度加快.因此，溶解氧質(zhì)量濃度增加導(dǎo)致氨氮的質(zhì)量濃度降低，而硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度會(huì)有所增加.

圖3　溫度對NH + 4N質(zhì)量濃度變化的影響

圖4　擾動(dòng)對NH + 4N質(zhì)量濃度變化的影響

圖5　不同pH值下NH + 4N質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系

圖6　不同光照下NH + 4N質(zhì)量濃度與時(shí)間關(guān)系

3結(jié)論

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InfluentialFactorsonNitrogenMigrationandTransformationin

Sedimen-WaterInterfaceintheDongjiangRiver

XIONGLei1,PENG Qingjing1,YANG Liping2

(1CollegeofBiologyandEnvironmentalSciences,JishouUniversity,Jishou416000,HunanChina;2SouthChina

InstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Guangzhou510655,China)

Abstract:This paper studies the nitrogen distribution in overlying water and sediment in the Dongguan segment of Dongjiang River.The indoor column experiment of nitrogen exchange between overlying water and sediment was conducted,and the influential factors on the nitrogen migration were investigated.The results indicated that TN concentration ranged from 2.13 to 4.48 mg/L,and nitrate was found to be the main form of contaminant,which accounted for 64.9% of TN.Sediment is an important source for ammonium and a sink for nitrate and nitrite.Illumination and disturbance are conducive to decrease the concentration of ammonia nitrogen;and higher temperature and initial pH value are conducive to the transformation of ammonia nitrogen.

Keywords:TheDongjiangRiver;sediment-waterinterface;diffusionflux；influentialfactors

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))