光照对底泥中氮磷动态变化的影响研究

书书书光照对底泥中氮、磷动态变化的影响研究＊刘国1，2何娟1，2李兵1，2程香菊3裴昭君1，2许文来1，2(1．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059;2．四川省环境保护地下水污染防治与资源安全重点实验室成都610059;3．华南理工大学广州510640)摘要采集大亚湾底泥，在室内模拟0～23W不同光照条件，研究其对沉积物中氮、磷释放的影响，得出如下结论:光照主要是通过浮游植物和藻类的光合作用来影响上覆水pH及其他物理化学性质，从而影响上覆水中氮、磷的赋存形态。当水体中营养盐的浓度充足时，光照能够明显加强水体富营养化的程度。关键词水体富营养化底泥氮磷光照水动力StudyontheInfluencesoftheLightontheDynamicsofN＆PintheSedimentLIUGuo1，2HEJuan1，2LIBing1，2CHENGXiangju3PEIZhaojun1，2XUWenlai1，2(1．LaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnologyChengdu610059)AbstractInthisstudy，thesedimentsamplesintheDayaBayarecultivatedtostudytheinfluencesoflightonN＆Preleaseinthesedimentindifferentlightconditionsrangedfrom0～23Windoor．ThefollowingconclusionsaredrawnthatlightmainlyaffectspHandphysicochemicalpropertiesthroughphotosynthesisoffloatingplantsandalgae，soastoaffecttheexistenceofN＆P．Whenitisfullofnutrientsinwaterbody，lightcanevidentlystrengthenwaterbodyeutrophication．KeyWordseutrophicationsedimentnitrogenphosphoruslighthydrodynamics0引言氮、磷是引起水体富营养化的主要营养元素，以往的观点认为只要控制营养盐的外源性输入便能很好地抑制水体的富营养化，然而研究表明在营养盐的外源性输入得到有效控制的情况下，水体富营养化仍时有发生［1－2］。这引起人们开始关注水体富营养化的另一重要原因，即营养盐的内源性输入。在氮、磷的外源输入得到有效控制的情况下，底泥中的氮、磷的再释放是导致水体富营养化的一个重要原因，因此有必要对底泥中影响氮、磷释放的因素开展研究，过往的研究主要集中于DO、pH、温度等对氮、磷营养盐动态变化的影响，而对光照和水流对底泥中氮、磷动态变化影响的研究较少。本研究在室内模拟了不同光照和水动力条件，研究它们对沉积物中氮、磷释放的影响，对完善沉积物中氮、磷动态变化理论做出了一定的贡献，并且对水体富营养化防治、水体初级生产力的调控、水产养殖等具有一定的现实指导意义。1材料与方法1．1试验材料本次研究采集的是大亚湾底泥样品，分别从澳头、深水港、虎头门3个采样点的表层沉积物样品，采样深度为20～30cm，沉积物上预留空管用以采集上覆水。弃去较大石块、有机碎屑、底栖生物、垃圾等，然后充分混和均匀。1．2试验设计室内培养温度设定为25±1℃，每个反应器充入空气使水中氧浓度达到饱和。其中1个反应器以铝箔包裹来模拟黑暗条件;以人造光作为光照条件，选择6W的冷光灯模拟不同光照强度。取样周期为1次/d，每次取样量为300mL，然后根据取走的量，将原样海水加入到培养装置中并更换新的氨氮收集瓶。对采集的水样用0．45μm的滤膜过滤，测定其中的氨氮、溶解性磷酸盐、总氮、DO。待上覆水中的各项测量指标没有显著变化后，停止培养。1．3分析测试沉积物中氨氮、凯氏氮、总磷按照《湖泊富营养化调查规范》的方法测定［3］。沉积物中各形态无机磷按照分级浸取的方法测定［4］。孔隙水和上覆水中的氨氮、亚硝酸盐、总氮根据国标测定［5］。DＲP用磷钼蓝分光光度法测定。2结果与分析*基金项目:国家自然科学基金(41272266)。·05·工业安全与环保IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection2015年第41卷第8期August20152．1光照对底泥中氮、磷释放的影响2．1．1光照对上覆水pH的影响不同光照条件下，pH的变化见图1，由图1可知，黑暗条件下，沉积物上覆水pH值先降低，培养17d左右趋于稳定;而光照条件下pH要比黑暗组大，且光照强度越大，pH越大。光照组上覆水的pH值随着时间的推移缓慢增加，培养13d左右趋于稳定。黑暗条件下，整个培养体系中的优势微生物群体是好氧微生物。其不断从环境中摄取营养物质，并放出CO2，H2O，NH3等代谢产物。在氧气充足的条件下，有机氮先被转化为氨氮，再被转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，故上覆水pH下降，当有机物消耗殆尽，pH趋于稳定。在光照条件下，由于微生物的光合作用，影响了CO2/HCO－3/CO2－3的平衡，导致水体pH上升［6］。图1pH在不同光照条件下随时间的变化趋势在未曝气和黑暗条件下培养沉积物，沉积物上覆水中pH先下降后升高，最后趋于稳定。这主要是由于沉积物和上覆水处于缺氧状态，这种条件有利于该体系中厌氧微生物和兼性厌氧微生物的生长，细菌首先分解碳水化合物，产生大量有机酸，上覆水pH迅速下降，这一阶段称之为酸性消化期，酸性消化后期，pH不再下降，并逐渐上升。而在有光照条件下，各组上覆水的pH均为先上升后下降，最后趋于稳定。这可能是不同光照强度对浮游藻类的生长周期的影响［7］。光照越强，藻类的生长周期越短［8］。2．1．2光照对上覆水中氨氮含量的影响不同光照条件下，NH+4－N的变化见图2，由图2可知，无论是否在曝气条件下培养，上覆水中的氨氮浓度都随光照强度增加而减少。在同一光照强度下，上覆水中的氨氮浓度随着时间的推移而增加，开始增加速度较快，随后趋于平稳。在光强很大时，上覆水中氨氮的浓度几乎没有变化，这是由于沉积物向上覆水中释放的氨氮在浮游微生物的光合作用下被吸收。可以看出，曝气组氨氮浓度比未曝气组大，这与氨氮在氧气充足的情况下会转化为硝酸盐和亚硝酸盐［9］相矛盾。产生这一现象的主要原因是无氧条件有利于沉积物中DＲP的释放，从而有助于浮游生物对上覆水中氨氮的吸收［10］，而在有氧组中，微生物的生长受DＲP浓度所限，沉积物释放的氨氮仅有少部分被浮游微生物吸收。图2NH+4－N在不同光照条件下随时间的变化趋势2．1．3光照对上覆水中总氮含量的影响不同光照条件下，TN的变化见图3，由图3可知，无论是否在曝气条件下培养，上覆水中的TN浓度都随光照强度增加而增加，各组上覆水中总氮浓度比较接近，说明光照对沉积物中氮的释放影响较小。光照仅仅是影响上覆水中氮的赋存形态。2．1．4光照对上覆水中DＲP含量的影响不同光照条件下，DＲP的变化见图4，由图4可知，在曝气和未曝气条件下，沉积物释放磷的情况差异显著。曝气条件下，沉积物几乎没有向上覆水中释放DＲP，各组间DＲP浓度的变化均较小。而沉积物在黑暗和未曝气条件培养，上覆水中DＲP先升高，后趋于平衡。而在有光照时且光照较弱的情况下，上覆水中DＲP先升后降。随着光照的增强，上覆水中的DＲP浓度几乎没有变化且接近于零。这·15·主要是浮游植物对DＲP的吸收所致，光强越强，浮游植物的生长速度越快［11］，沉积物中释放的DＲP还来不及在上覆水中积累便被浮游植物所吸收。随着培养的进行，DＲP出现小幅的增加，这可能是浮游植物残体分解释放出DＲP的原因。由图4可知，在自然光照下，上覆水中DＲP的浓度也接近于零。光照对沉积物－水界面磷的动态变化没有明显的影响，可能是通过某些间接作用来影响磷的动态变化。图3TN在不同光照条件下随时间的变化趋势图4DＲP在不同光照条件下随时间的变化趋势2．2上覆水中氮、磷的动态变化相关性分析将上覆水中NH+4－N，TN浓度对培养时间进行拟合，拟合结果如表1、表2所示，再将所得线性方程的斜率比上沉积物－水界面面积，可得到氨氮和总氮的平均释放速率。由于各组上覆水中的DＲP含量几乎为零，故在此不做DＲP浓度与时间的线性拟合。表1上覆水中NH+4－N浓度对时间的拟合方程光强曝气拟合曲线Ｒ2dC·dt－1/(mg·L－1·d－1)非曝气拟合曲线Ｒ2dC·dt－1/(mg·L－1·d－1)黑暗y=0．1856x+2．35310．85850．1856y=0．2172x+3．68310．87080．21723Wy=0．0794x+1．9040．91490．0794y=0．0707x+1．71410．95490．07075Wy=0．047x+1．96140．9860．047y=0．0191x+1．91930．97450．01919Wy=0．0158x－1．94210．95510．0158y=0．0129x+1．91080．96090．012913Wy=0．005x+2．00150．93650．005y=0．0056x+1．97060．98560．005615Wy=0．0012x+1．99280．57530．0012y=0．0026x+1．87110．7250．002623Wy=0．0023+2．0070．78130．0023y=0．0045x+1．8240．48440．0035表2上覆水中TN浓度对时间的拟合方程光强曝气拟合曲线Ｒ2dC·dt－1/(mg·L－1·d－1)非曝气拟合曲线Ｒ2dC·dt－1/(mg·L－1·d－1)黑暗y=0．158x+2．87130．77210．158y=0．1748x=1．12860．91190．17483Wy=0．1473x－3751．80．9250．1473y=0．137x+2．37740．89220．1375Wy=0．1453x+2．09750．91780．1453y=0．1396x+2．3940．90570．13969Wy=0．1409x+2．24410．91750．1409y=0．1279x+2．63270．8890．127913Wy=0．1401x+2．3420．91530．1401y=0．1203x+3．18880．80690．120315Wy=0．127x+2．65470．87810．127y=0．1176x+3．33880．78140．117623Wy=0．1265x+2．74520．86970．1265y=0．113x+3．62750．73950．113·25·从表1、表2可知，沉积物在曝气状态或是在未曝气状态下培养，各组上覆水中NH+4－N和TN的浓度都随时间的变化呈线性增加，相关系数平均为0．865，最小为0．4844，最大为0．986，相关性较好，说明在较短的培养周期内，采用该拟合线性计算NH+4－N和TN浓度随时间的变化是合理可行的。由表1可知，光照强度增加，沉积物向上覆水中释放氨氮的速度减慢，但表2显示，光照对总氮的释放速率没有明显影响，各组之间沉积物向上覆水释放速率相差不大。这一现象说明，光照对沉积物中氮的释放没有明显影响，沉积物向上覆水中释放的氨氮在光合作用下被浮游微生物所吸收，且光照强度增加，浮游藻类光合作用增强，故这就直观地表现出光照抑制了沉积物向上覆水释放氨氮。从总氮的变化不大可知，无论在有无光照的条件下，沉积物都一直在向上覆水释放氨氮，光照对沉积物－水界面上氮的动态变化没有较为明显的影响，光照只影响上覆水氮的赋存形态。再将各组氨氮、TN、pH、DＲP的平均值与光照强度的相关关系分析，结果见表3。表3光照与各项指标平均值的相关系数项目pHNH+4－NTNDＲP曝气光照0．855＊＊－0．756*－0．028－0．944＊＊未曝气光照0．