2019, Vol. 39
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近些年来, 氮素污染一直是困扰城市水环境治理的棘手难题.由于氮磷营养丰富, 加之水体流动性偏弱、大型水生植物不足, 导致城市河流普遍面临富营养化风险.反硝化作用被视为水生生态系统中氮损失的主要自然途径(Fernandes et al., 2016), 而硝化作用则为反硝化过程的先行条件, 两者之间往往存在重要的耦合关系(Xia et al., 2017).沉积物是河流氮素污染的重要源和汇, 表层沉积物通常保持在一定的有氧条件下, 是河流硝化过程的重要参与者(Dang et al., 2018).目前, 有关水体沉积物硝化作用的研究很多, 主要集中在大型河口滩涂湿地(白洁等, 2010; Bellinger et al., 2014; 周雪芳等, 2016)、植物生长区(Forshay et al., 2011; 李家兵等, 2017)及近岸海域等(徐继荣等, 2007).虽然针对城市河流的研究也有很多, 但对城乡梯度层面河流沉积物硝化速率的空间演化规律和态势的分析仍不够充分.作为全球氮循环的重要环节和组成部分, 沉积物硝化过程相当复杂, 涉及物理、化学和生物等多种因素的综合作用, 为科学调控沉积物硝化反硝化作用, 有必要弄清影响硝化过程的主要环境因素(李如忠等, 2017).
巢湖水体富营养化严重(唐晓先等, 2017; 李振涵等, 2018), 针对入湖河流氮负荷的削减和调控势在必行.十五里河是巢湖重要入湖支流之一, 是该流域氮、磷污染最为严重的河道.在天鹅湖坝下的十五里河左侧, 虽然原红四方化工集团、江淮化肥厂等两个化肥厂已停产或搬迁多年, 但在厂区内土壤或地下水中积蓄的大量氮素污染物并未清除, 依旧源源不断通过地下水渗流补给而污染十五里河水质.而且, 以往化肥厂生产废水直排导致的河流沉积物氨氮富集程度高, 使得沉积物也成为河水氨氮的重要内源(李如忠等, 2010; 2012).此外, 上游汇流区域两岸城市排水管网的渗漏, 也成为十五里河不可忽视的氨氮来源.众所周知, 河流水体中参与反硝化作用的硝态氮未必都是来自河道内氨氮的硝化过程, 即有些可能来自外源汇入, 但就已实现排污口截污的十五里河而言, 沉积物在河水硝态氮来源中具有举足轻重的地位.为此, 有必要弄清十五里河沉积物硝化潜力及其时空动态变化特征.本研究拟从十五里河干流筛选若干采样点位, 解析城乡梯度层面河流表层沉积物硝化速率的时空演化特性, 识别主要影响因素, 以期为十五里河氮素负荷的削减和科学调控提供依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况十五里河发源于合肥市大蜀山东南麓, 自西北流向东南, 流经合肥市包河区和蜀山区等主城区, 并在义城镇附近汇入巢湖, 河流流域面积达111.25 km2, 河流全长约35 km, 河流所处地带属亚热带季风气候, 全年四季分明, 其中3—5月为春季, 6—8月为夏季, 9—11月为秋季, 12月—翌年2月为冬季.
十五里河河道弯曲延长, 河道最窄处宽约5 m, 最宽处可达30 m, 汇流区以低洼平原和低矮丘陵岗地为主.该河上游为合肥市行政文化中心, 河道上拦河筑坝建有人工景观湖泊—天鹅湖.天鹅湖周边及水坝以下为城市建成区和在建区; 在邻近入湖河口附近, 因环湖生态湿地工程建设而基本保持乡村特色.其中, 建成区主要为居民住宅和部分工业园区, 在建区则主要为商住区.近年来, 虽然重污染企业已陆续停产或搬迁, 沿河管道截污工作也已经完成, 但河道水质污染问题依旧没有得到解决, 水质依旧稳居劣Ⅴ类水平(李如忠等, 2015; 奚姗姗等, 2016).
2.2 样品采集与预处理根据河道以及周边汇流区土地利用情况, 在十五里河干流上沿城乡梯度方向, 筛选5个采样点位, 分别位于天鹅湖坝下(SP1)、南门换乘中心梳背桥附近(SP2)、徽州大道高王桥附近(SP3)、包河大道十五里河桥附近(SP4)和义城镇附近(SP5), 见图 1.其中, SP1、SP2处于城市建成区, 采样点SP3、SP4附近为城乡交错带的城市在建区, SP5附近为乡村地区.
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| 图 1 十五里河水系及采样点位示意 Fig. 1 Water system and sampling sites of the Shiwuli stream |
2017年7、9、11月和2018年1、3、5月, 采集表层沉积物(5 cm左右)及对应点位的上覆水样.为增强代表性, 每个采样点均以河流中心处1 m2范围内3个不同空间点的表层沉积物充分混合样来代表.利用便携式测量计现场测定上覆水的氧化还原电位(ORP)、电导率(EC)、水温(T)和pH, 将采集的新鲜沉积物一部分用于测定硝化速率, 另一部分经自然风干、去除杂质、碾碎和过筛后, 用于沉积物理化指标测定.
2.3 样品分析与测试实验室测定的水质指标, 主要包括TN、TP、NH4+-N、NO3--N、COD和可溶性活性磷(SRP), 其中TN、NO3--N采用紫外分光光度法测定, TP、SRP采用钼酸盐分光光度法测定, NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定, COD采用污水COD速测仪测定.
沉积相理化指标主要包括TN、TP、NO3--N、NH4+-N、有机质(OM)和pH, 其中NH4+-N和NO3--N利用氯化钾溶液浸提后, 分别以纳氏试剂分光光度法和紫外分光光度法测定; TN利用高压灭菌锅在120~125 ℃条件下消解30 min, 以过硫酸钾消解法测定; TP利用钼锑抗比色法测定; 将风干样置于恒温干燥箱内105 ℃下烘干12 h, 再以马弗炉550 ℃下煅烧5 h, 利用前后烘失量计算OM; 称取4 g干样, 并与20 mL蒸馏水混合均匀, 静置30 min左右, 再利用pH计测定相应的pH值.
2.4 硝化速率测定本研究所指沉积物硝化速率包括潜在硝化速率和表面硝化速率.其中, 潜在硝化速率采用振荡培养测定, 反映无溶解氧限制情形下沉积物所能达到的最大硝化速率; 表面硝化速率则通过静置培养测定, 刻画实际条件下水体沉积物的硝化速率, 具体方法参见文献(王超等, 2015; 秦如彬等, 2017).
2.5 数据处理上覆水和沉积物理化指标的统计分析、硝化速率时空变化性及其与环境影响因素的相关关系等, 均采用SPSS软件处理.采用Mann-Whitney U检验法分析采样点位的差异性, 其中p＜0.01表示差异性极显著; 0.01＜p＜0.05表示差异性显著; p>0.05表示差异性不显著.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 沉积物与上覆水理化特性 3.1.1 上覆水理化特性十五里河城乡梯度方向6次采样获得的上覆水理化指标统计结果见表 1.TN平均浓度高达24.73 mg · L-1, 超过《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅳ Ⅴ类水标准阈值的11.37倍, 相应的NH4+-N浓度显著高于NO3--N, 且较Ⅳ Ⅴ类水标准超标3.07倍, 因此, 十五里河具有明显的高氮、高氨氮污染特征.十五里河TP平均浓度达1.05 mg · L-1, 超过Ⅳ Ⅴ类水标准阈值的1.62倍, 且SRP占TP百分比平均为57.79%, 表明生物可利用磷含量较为可观.河水COD平均为32.33 mg · L-1, 达到Ⅳ类水标准.由于ORP平均仅为19.97 mV, 甚至部分采样点位多次出现负值, 表明河水氧化性较弱.由表 1可知, 除SP5外, 沿城乡梯度方向河水NH4+-N含量逐步升高, SP4是SP1浓度的5.56倍; 地处乡村地区的SP5的NO3--N含量最高, 明显超过城市建成区和在建区河段; 但TN并未表现出显著的梯度规律性; TP和SRP均表现为城市在建区河段明显高于上游城市建成区和下游乡村河段.综合来看, 城市建成区、城市在建区和乡村地区之间多个水质指标存在显著差异性(p＜0.05), 尤其以氨氮差异最为明显, 多数采样点表现出极显著差异性(p＜0.01).
| 表 1 上覆水理化特征 Table 1 Physical and chemical properties of the overlying waters |
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根据水质数据测试分析结果, 十五里河水体表现出春(3、5月)、夏季(7月)水质污染较秋(9、11月)、冬季(1月)更为严重的特点.夏季NH4+-N平均含量为14.11 mg · L-1, 春、秋和冬季分别为7.34、6.76和6.53 mg · L-1; NO3--N浓度的季节波动不大.TN、TP、SRP均表现为冬季含量明显低于其他季节; COD值也大体表现为春夏季高于秋冬季.此外, 夏季ORP数值均为正值, 其他季节基本都有部分点位出现负值, 特别是SP4.
3.1.2 沉积物理化特性十五里河干流城乡梯度方向的5个采样点位表层沉积物基本物理性状见表 2.根据风干样测定的沉积物基本化学指标见表 3.可以看出, 十五里河沉积物也表现出高氮磷、高氨氮污染特点.根据加拿大安大略省环境和能源部发布指南中能引起最低级别生物毒性效应的TN和TP质量浓度(分别为550 mg · kg-1和600 mg · kg-1)(李任伟, 1998), 十五里河5个采样点表层沉积物的TN和TP含量全部超标明显.从空间上看, SP2和SP5的沉积物TN含量较其他采样点略高.TP、NO3--N和OM含量表现为城区高于乡村, 且NH4+-N和NO3--N都表现出城市在建区河段含量相对最高的变化特点.NH4+-N和NO3--N平均含量都表现为夏季＞秋季＞冬季＞春季, 且NO3--N含量四季的波动性强于NH4+-N, 这与上覆水也有所不同.
| 表 2 沉积物物理性状 Table 2 Physical properties of the collected sediments |
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| 表 3 沉积物化学特征 Table 3 Chemical properties of the collected sediments |
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从季节上看, 该河流沉积物TN平均含量呈现出冬季＞秋季＞夏季＞春季, 分别为2102.95、1975.75、1836.18和1530.55 mg · kg-1, 与上覆水季节变化规律基本相反.TP平均含量呈现的季节性规律为冬季＞春季＞夏季＞秋季, 分别为1182.50、1169.78、1010.92和988.57 mg · kg-1.
3.2 硝化速率及其时空变化性 3.2.1 潜在硝化速率十五里河沿城乡梯度方向5个采样点沉积物潜在硝化速率的季节变化特征见图 2a.不难看出, SP2和SP3的潜在硝化速率基本相当, 且高于其它3个采样点; 其次是SP5;SP1和SP4大体相当.从空间来看, 采样点SP1~SP5的潜在硝化速率平均值依次为0.007、0.015、0.014、0.008和0.012 μmol · g-1 · h-1, 并没有表现出显著的城乡梯度规律性, 甚至在同一季度下也没有显示出明显的城乡梯度特征.但从季节来看, 5个采样点的潜在硝化速率基本都表现出相同的季节变化规律, 即夏季＞春季＞秋季＞冬季.总体上, 十五里河沉积物潜在硝化速率的最大值为0.021 μmol · g-1 · h-1, 出现在SP2的夏季; 最小值为0.003 μmol · g-1 · h-1, 出现在SP1的冬季.5个采样点春季潜在硝化速率平均值为0.012 μmol · g-1 · h-1, 夏季为0.016 μmol · g-1 · h-1, 秋季为0.011 μmol · g-1 · h-1, 冬季为0.006 μmol · g-1 · h-1, 且夏季为冬季潜在硝化速率的2.67倍.
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| 图 2 十五里河城乡梯度方向潜在硝化速率(a)和表面硝化速率(b)的季节变化性 Fig. 2 Seasonal variation of potential nitrification rates (a) and areal nitrification rates(b) in the Shiwuli River |
王若冰等(2018)采用氯酸钾抑制法估算了滏阳河沉积物的潜在硝化速率, 得到PNR的变幅为0~0.043 μmol · g-1 · h-1(0.001~0.598 μg · g-1 · h-1), 均值为0.011 μmol · g-1 · h-1 (0.152 μg · g-1 · h-1), 与十五里沉积物潜在硝化速率平均水平大体相当.秦如彬等(2017)采用与本研究相同的技术方法, 估算了合肥城郊结合部3条不同污染程度溪流沟渠沉积物的潜在硝化速率, 得到PNR变化范围为0.001~0.015 μmol · g-1 · h-1, 3条溪流沟渠平均值分别为0.003、0.005和0.007 μmol · g-1 · h-1, 与合肥市十五里河冬季情形基本相当.王超等(2015)以同样方法, 评估了滏阳河水系沉积物潜在硝化潜力, 得到PNR的变幅为0.001~0.387 μmol · g-1 · h-1, 中值为0.103 μmol · g-1 · h-1, 总体水平明显高于十五里河.而Strauss等(2002)在对美国中西部地区36条小河流的分析中, 得到PNR变化范围为0~0.0016 μmol · g-1 · h-1. 周磊榴等(2013)对洞庭湖岸边带沉积物硝化速率的测定中, 得到PNR变化范围为0.001~0.006 μmol · g-1 · h-1, 都明显低于十五里河沉积物.上述比较表明, 十五里河沉积物的PNR处于正常的经验值范围内.
3.2.2 表面硝化速率十五里河沿城乡梯度方向5个采样点沉积物表面硝化速率的季节变化特征见图 2b.可以看出, 5个采样点位夏季沉积物的表面硝化速率都明显高于其它3个季节, 而且位于河流两端的采样点位SP1和SP5的夏季表面硝化速率, 显著高于人为干扰活动相对较为强烈的城乡过渡带, 即SP2~SP4所在河段.除夏季以外, 采样点SP1、SP3和SP4相同季节的表面硝化速率基本相当, SP2和SP5同一季节表面硝化速率较为相近.具体地, SP1表面硝化速率为5.34 μmol · m-2 · h-1, SP2~SP5依次为3.74、2.66、2.40和6.79 μmol · m-2 · h-1, 并未发现明显的空间梯度规律性.
十五里河表面硝化速率最大值为15.23 μmol · m-2 · h-1, 最小值为0.73 μmol · m-2 · h-1, 两者悬殊20.86倍.其中, 夏季硝化速率最高, 冬季最低, 春、秋季基本相当, 这与秦如彬等(2017)在对合肥城郊结合部3条溪流沟渠沉积物表面硝化速率季节变化规律的研究结论相似.总体上, 十五里河春季表面硝化速率均值为3.48 μmol · m-2 · h-1, 夏天为8.74 μmol · m-2 · h-1, 秋季为3.37 μmol · m-2 · h-1, 冬季为1.16 μmol · m-2 · h-1, 夏季是冬季的7.53倍.秦如彬等(2017)对合肥城郊3条溪流沟渠的研究, 得到ANR变化范围为30~139 μmol · m-2 · h-1, 显著高于十五里河水体; Kemp等(2001)对美国曼哈顿地区二级支流沉积物的研究, 得到ANR变幅为218~413 μmol · m-2 · h-1, 远高于十五里河.王超等(2015)分析了滏阳河水系沉积物的表面硝化速率, 得到ANR变化范围为3~143 μmol · m-2 · h-1(中值为38 μmol · m-2 · h-1), 结果发现少数小河流与十五里河表面硝化速率接近.显然, 与国内外其它一些河流水体相比, 十五里河表面硝化速率整体处于较低水平, 表明十五里河实际脱氮能力相对较弱.
3.3 差异性分析根据各采样点春、夏、秋和冬季的沉积物硝化速率信息, 采用Mann-Whitney U检验法, 开展不同采样点位硝化速率差异性分析, 结果见表 4.可以看出, 在5个采样点位彼此PNR的10种可能比较组合情景中, 极显著和显著差异性水平占60%, 并以极显著性差异占绝对优势.类似地, 在对5个采样点ANR两两比较的10种可能组合情形中, 显著和极显著差异程度也达到60%, 且两种差异程度所占比率相同.总体上, 十五里河干流水体沉积物ANR的差异性程度稍弱于PNR; 而且不论是PNR还是ANR, 5个采样点之间均没有表现出完全的差异性.
| 表 4 不同采样点沉积物硝化速率的差异性 Table 4 Differences of nitrification rates among different sampling sites |
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十五里河干流城乡梯度5个采样点PNR、ANR与上覆水理化指标的Spearman相关系数见表 5.上覆水理化指标对表层沉积物PNR、ANR的影响或重要性程度存在明显差异, 即便是同一指标, 也可能因采样点环境影响条件的差异而对PNR或ANR产生不同程度的影响效应.总体上, 上覆水理化指标与沉积物PNR相关性的空间变化性相对较大, 但与ANR的相关关系则相对较为集中.大体上, PNR与水温T相关性的空间稳定性较好; 对ANR整体影响较为显著的上覆水理化指标, 主要为NH4+-N、NO3--N等生物可利用性氮素指标.而且, 上覆水SRP与PNR或ANR关系均不显著, ORP甚至与PNR、ANR也都没有表现出明显的相关性, 这与人们的经验认知似乎存在出入(Lee et al., 2003).
| 表 5 硝化速率与水质指标相关性分析结果 Table 5 Results of correlation analysis between nitrification rates and water quality indexes |
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十五里河干流城乡梯度5个采样点PNR、ANR与沉积物理化指标的Spearman相关系数见表 6.在沉积相理化指标中, TN、NH4+-N和pH与PNR相关关系较为突出, 其他指标特别是TP影响较弱; 与ANR相关性较为显著且这种理化指标相关关系空间稳定性较好, 也主要为TN、NH4+-N和pH等.另外, PNR、ANR与沉积相的TP关系都不显著, 甚至与NO3--N、OM的相关性也不十分突出.
| 表 6 硝化速率与沉积物指标相关性分析结果 Table 6 Results of correlation analysis between nitrification rates and sediment indexes |
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氨氮可以为硝化反应的第一阶段, 即氨氧化提供反应底物, 并且氨氧化也常被人们视为硝化作用的主要限速过程(Li et al., 2018), 适当增加反应底物的氨氮含量可以提高硝化反应速率.但该过程的发生, 离不开充分的溶氧补给条件.作为巢湖流域污染最为严重的入湖河道, 长期以来十五里河氮、磷污染一直十分严重(表 1), 特别是氨氮长期全年维持在较高水平.由于污染物的降解需要大量消耗水中的溶解氧, 致使十五里河水体溶解氧浓度一直很低, 甚至长期处于缺氧状态(王书航等, 2011).本研究中, 整个十五里河水体氧化还原条件较差, ORP经常出现负值或在负值附近徘徊, 限制了十五里河沉积物硝化作用的发挥.十五里河沉积物的硝化速率特别是ANR偏低, 表明在现有条件下氨氮负荷很难通过硝化过程转化为硝态氮, 从而降低了反硝化脱氮效果.在上覆水与沉积物硝化速率相关性分析中, 水体ORP与PNR、ANR都没有表现出明显的相关性, 与人们的经验认知存在一定的出入, 这可能由于十五里河干流氧化还原条件较差, 加之不同采样点的氧化还原条件颇为相近, 导致PNR、ANR对ORP的响应不显著.
虽然硝化过程中微生物需要一定的碳和磷素作为生源物质, 但由于十五里河沉积物的硝化作用较弱, 因此对碳、磷等生源物质的需求量不高.十五里河中丰富的有机质和较高的TP含量, 使得碳和磷已经不再成为限制微生物活性的因素, 这可能是十五里河水相和沉积相中有机质、TP等与硝化系数相关性并不突出的主要原因.另外, 有机质被硝化细菌吸收后使硝化细菌活性增强, 从而提高硝化细菌的耗氧需求, 十五里河沉积物中丰富的有机质含量, 使得当河水溶解氧量无法满足硝化细菌需求时, 导致硝化作用减弱, 从而可能进一步弱化了十五里河沉积物的硝化作用过程(王若冰等, 2018).
无论是PNR还是ANR, 十五里河干流5个采样点位并未表现出明显的城乡梯度规律, 而且PNR与ANR空间变化特征也不一致.根据现场调查和相关资料分析, 近10年来围绕十五里河水污染控制和水环境治理, 合肥市地方政府已开展了河流水环境综合整治和沿河排水管道的截污工作, 特别是对天鹅湖坝下至采样点SP2之间河段完成了河岸渠道化改造, 并对采样点SP2~SP5之间的绝大部分河段开展了河道整治和滨岸生态修复等.不仅如此, 为发挥十五里河水环境和水景观的功能效果, 合肥市目前正在入湖河口修建控制闸门以提高河流水位.因此, 本研究相关成果可以为下游闸门启用后河流沉积物硝化潜力演化趋势的比较, 提供很好的背景资料.这里, 由于河口闸门工程施工的需要, 对采样点SP5下方河道进行了临时改道, 致使SP5处沉积物的冲刷作用受到一定程度的影响.毫无疑问, 这种频繁、高强度的河道扰动行为, 不可避免影响了河流沉积物的理化特性和微生物种群活动, 从而加剧十五里河沉积物硝化潜力的变化性和不确定性.
随着合肥市城市建设布局不断向巢湖方向推进, 近年来十五里河地处城乡交错带的汇流区土地利用类型发生了剧烈变化, 即由传统的农业用地, 陆续转化为商住用地和工业园区, 使得入河污染负荷的种类、数量、组成等也都随之发生很大的改变, 从而深刻影响了十五里河沉积物的氮循环.此外, 作为一条城市河流, 十五里河河槽受到河岸的严重束缚, 河槽内缺乏漫滩的缓冲作用, 暴雨期间汇集的径流裹挟着泥沙快速冲刷河床, 使得部分沉积物受到搅动而发生掺混, 并随水流向下游传输和沉积, 这在一定程度上也影响了十五里河表层沉积物硝化速率的空间分布格局.
4 结论(Conclusions)1) 十五里河水体氮、磷污染严重, 并具有氨氮浓度相对较高的污染特点.
2) 沉积物PNR和ANR都未呈现明显的城乡梯度规律, 但都表现出较为明显的季节性变化规律, 即夏季＞春季＞秋季＞冬季.
3) 不同采样点PNR和ANR均没有表现出完全的差异性, 且ANR差异性程度稍弱于PNR.
4) 沉积物PNR与水温相关性显著, ANR与上覆水NH4+-N和NO3--N等生物可利用性氮素指标相关性较为显著; PNR和ANR都与沉积物中TN、NH4+-N和pH存在显著的相关性.
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