Nitrogen budget at sediment-water interface altered by sediment dredging and settling particles: Benefits and drawbacks in managing eutrophication  

沉積物疏浚與沉降顆粒對沉積物-水界面氮收支的影響：富營養(yǎng)化治理中的利弊  

來源：Journal of Hazardous Materials, 406 (2021) 124691

《危險材料雜志》，第406卷，2021年，文章編號：124691

 

摘要內(nèi)容

 

論文摘要指出，沉積物疏浚是控制湖泊內(nèi)部氮負荷的常用方法，但其綜合效果尚不明確。本研究通過模擬太湖（淺水富營養(yǎng)化湖泊）沉積物疏浚，利用原位沉積柱培養(yǎng)實驗，探討了疏浚對沉積物-水界面（SWI）氮收支的長期影響，并評估了沉降顆粒（SP）在疏浚后氮循環(huán)恢復(fù)中的作用。結(jié)果表明：  

1. 疏浚的積極作用：降低沉積物有機質(zhì)和總氮含量，改善SWI氧化還原環(huán)境，減緩氮礦化、反硝化和厭氧氨氧化（anammox）速率，減少無機氮釋放通量。  

2. 沉降顆粒的負面影響：富含新鮮有機質(zhì)和氮的SP加速了SWI氮循環(huán)過程的恢復(fù)，削弱了疏浚對內(nèi)部氮釋放的長期控制效果。  

3. 治理建議：為維持疏浚對內(nèi)部氮負荷的長期控制效果，需結(jié)合流域管理減少顆粒物輸入和沉降。  

 

研究目的

 

1. 綜合評估疏浚效果：量化疏浚對沉積物-水界面氮循環(huán)過程（礦化、反硝化、厭氧氨氧化、固氮）及氮收支的長期影響。  

2. 明確沉降顆粒的作用：揭示SP在疏浚后沉積物氮循環(huán)恢復(fù)中的驅(qū)動機制。  

3. 指導(dǎo)富營養(yǎng)化治理：為優(yōu)化沉積物疏浚工程提供科學依據(jù)。  

 

研究思路

 

1. 實驗設(shè)計：  

   ? 采集太湖梅梁灣240個原位沉積柱（直徑9 cm，深度60 cm）。  

 

   ? 模擬疏浚：移除表層30 cm沉積物（基于實際工程深度），剩余25 cm作為疏浚組（D）；未疏浚組（ND）保留表層25 cm。  

 

   ? 沉降顆粒處理：部分沉積柱覆蓋18μm尼龍網(wǎng)（NDS、DS組）以阻斷SP輸入，其余暴露于自然沉降（ND、D組）。  

 

   ? 原位培養(yǎng)：在太湖湖底（水深~2 m）進行為期1年的培養(yǎng)，定期采樣分析。  

 

2. 四組處理：ND（未疏浚）、D（疏浚）、NDS（未疏浚+SP）、DS（疏浚+SP）。  

3. 測量指標：  

   ? 沉積物/SP理化性質(zhì)：含水率（WC）、燒失量（LOI，代表有機質(zhì)）、總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH??-N）、硝態(tài)氮（NO??-N）、亞硝態(tài)氮（NO??-N）——圖1。  

 

   ? SWI氧化還原環(huán)境：溶解氧（DO）濃度及氧滲透深度（OPD）——圖2（Unisense微剖面系統(tǒng)測量）。  

 

   ? 孔隙水氮分布：高分辨率滲析裝置（HR-Peeper）測定NH??-N濃度剖面——圖4。  

 

   ? 界面氮通量：靜態(tài)培養(yǎng)法計算NH??-N、NO??-N、NO??-N擴散通量——圖5。  

 

   ? 微生物過程速率：  

 

     ? 反硝化與厭氧氨氧化：1?N標記連續(xù)流培養(yǎng)+膜進樣質(zhì)譜（MIMS）——圖7a-b。  

 

     ? 固氮作用：乙炔還原法——圖7c。  

 

4. 氮收支核算：結(jié)合上述過程速率，量化SWI的氮收支——表1及圖8。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 沉積物/SP理化性質(zhì)（圖1）：  

   ? 意義：SP的有機質(zhì)（LOI平均8.81% vs. SS 6.70%）和TN（2985 vs. 2047 mg/kg）顯著高于表層沉積物，表明SP是外部氮負荷的重要載體，直接影響疏浚后沉積物氮循環(huán)的恢復(fù)。  

 

2. SWI氧化還原環(huán)境（圖2）：  

   ? 意義：疏浚后OPD增加（3.2→9 mm）、DO上升，改善氧化環(huán)境，抑制NH??-N釋放；SP沉降降低DO（NDS組DO=2.13 mg/L），促進厭氧環(huán)境和氮釋放。  

 

3. 孔隙水NH??-N剖面（圖4）：  

   ? 意義：疏浚初期深層沉積物暴露導(dǎo)致NH??-N升高，但長期受抑制；SP輸入顯著提升孔隙水NH??-N濃度（尤其在夏季），加速氮礦化。  

 

4. 界面氮通量（圖5）：  

   ? 意義：疏浚減少NH??-N釋放通量（年均27.2 vs. ND組更高），但SP沉積使其回升（DS組峰值221.4 mg m?2 d?1），證明SP削弱疏浚效果。  

 

5. 微生物過程速率（圖7）：  

   ? 反硝化與厭氧氨氧化：疏浚顯著降低反硝化（14.2 vs. ND組31.3 μmol N m?2 h?1）和厭氧氨氧化速率；SP促進恢復(fù)（DS組反硝化升至40.2 μmol N m?2 h?1）。  

 

   ? 固氮作用：疏浚抑制固氮（0.10 vs. ND組0.80 μmol N m?2 h?1），SP部分恢復(fù)。  

 

6. 氮收支（表1，圖8）：  

   ? 意義：量化顯示疏浚減少梅梁灣氮損失（642.1 vs. ND組1946.2 t/年），但SP大幅增加損失（DS組3635.2 t/年），且SP使無機氮通量貢獻率升至84%，凸顯外部輸入對治理效果的干擾。  

 

結(jié)論

 

1. 疏浚的利弊：  

   ? 利：降低沉積物有機質(zhì)和氮含量，改善SWI氧化還原環(huán)境，減少NH??-N釋放通量。  

 

   ? 弊：抑制反硝化、厭氧氨氧化和固氮作用，減少微生物氮去除能力。  

 

2. 沉降顆粒的作用：富含新鮮有機質(zhì)和氮的SP加速氮循環(huán)恢復(fù)，抵消疏浚對內(nèi)部氮釋放的抑制效果。  

3. 治理建議：疏浚工程需結(jié)合流域措施（如構(gòu)建前置庫、緩沖帶）減少顆粒物輸入與沉降，以維持長期效果。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細解讀

 

測量指標：溶解氧（DO）濃度及氧滲透深度（OPD）  

設(shè)備：Unisense微剖面系統(tǒng)（分辨率0.05 mm）  

研究意義：  

1. 揭示氧化還原微環(huán)境變化：  

   ? 疏浚后OPD從3.2 mm增至9 mm，DO濃度上升（D組6.20 vs. ND組5.39 mg L?1），證明疏浚暴露深層缺氧沉積物，增強SWI氧化條件（圖2）。  

 

   ? 生態(tài)意義：氧化環(huán)境抑制沉積物NH??-N釋放（圖5a），但高DO抑制反硝化（需缺氧條件），解釋疏浚后氮去除率下降（圖7a-b）。  

 

2. 量化SP的耗氧效應(yīng)：  

   ? SP沉降導(dǎo)致NDS組DO降至2.13 mg/L，OPD≤3.2 mm（圖2），因SP含高活性有機質(zhì)（LOI 8.81%），微生物分解耗氧。  

 

   ? 生態(tài)意義：缺氧環(huán)境促進氮礦化和NH??-N積累（圖3b, 4），增加氮釋放風險（圖5a）。  

 

3. 關(guān)聯(lián)氮轉(zhuǎn)化過程：  

   ? DO與NH??-N釋放通量呈顯著負相關(guān)（圖6），證明低氧環(huán)境通過促進有機質(zhì)礦化驅(qū)動氮釋放。  

 

   ? 機制闡釋：Unisense數(shù)據(jù)直接驗證了“氧化還原條件調(diào)控氮形態(tài)轉(zhuǎn)化”的理論，為疏浚和SP影響氮收支的機制提供關(guān)鍵證據(jù)。