Nitrogen exchange across the sediment-water interface after dredging: The influence of contaminated riverine suspended particulate matter

水界面氮交換受污染河流懸浮顆粒物的影響

來源：Environmental Pollution 229 (2017) 879-886

 

論文摘要

摘要指出，疏浚被廣泛應用于淺水湖泊以減少內源氮負荷。來自污染河流的懸浮顆粒物通常含有高濃度的氮，并最終沉積在河口區域疏浚后的沉積物表面。為研究疏浚后河流懸浮顆粒物對沉積物-水界面氮交換的影響，本研究進行了一項為期360天的實驗，比較了中國巢湖未疏浚和疏浚沉積物的情況。結果表明，盡管有懸浮顆粒物的沉積，疏浚處理沉積物中的孔隙水銨態氮濃度和銨態氮通量均顯著低于未疏浚沉積物。疏浚沉積物的氧氣產生速率和氧滲透深度均高于未疏浚沉積物。疏浚沉積物中硝化螺旋菌門的增加與其較低的銨態氮濃度和界面通量相一致。因此，界面氧化條件的增強、氧產生/消耗速率的變化以及硝化螺旋菌相對豐度的增加被認為是疏浚沉積物氮交換速率較低的原因。盡管為實現長期內源氮負荷削減需要考慮河流懸浮顆粒物的影響，但在河口區域通過疏浚來減少內源氮負荷是可行的。

研究目的

本研究旨在探究一個關鍵環境問題：在受污染河流懸浮顆粒物持續輸入的河口區域，疏浚工程對減少沉積物內源氮負荷的長期有效性如何？具體目的包括：

 

量化影響：直接評估河流懸浮顆粒物沉積對疏浚后沉積物-水界面氮交換的動態影響。

對比氮磷行為：將氮的交換行為與團隊此前在同一實驗系統中對磷的研究結果進行對比，揭示兩種關鍵營養鹽對疏浚和懸浮顆粒物輸入的響應差異。

 

揭示機制：從沉積物化學特性（如氮形態、氧化還原條件）和微生物群落結構變化兩個角度，闡明控制疏浚后氮交換過程的內在機制。

 

研究思路

研究遵循了“現場模擬-長期觀測-多指標關聯”的思路：

 

樣本采集與實驗設計：從巢湖西北部污染嚴重的河口區采集原狀沉積物柱。在實驗室立即進行模擬疏浚（去除表層25厘米沉積物）。同時，每月從流入該湖的南淝河口收集懸浮顆粒物。

控制實驗：設置了6個處理組進行長達360天的培養，包括未疏浚沉積物、疏浚沉積物，并在這兩種基礎上分別添加無菌懸浮顆粒物和非無菌懸浮顆粒物，以區分物理沉積和生物活性的影響。

多參數監測：在實驗期間，每月監測以下指標：

 

沉積物固相：總氮和有效銨態氮濃度。

孔隙水：銨態氮的垂直剖面濃度。

沉積物-水界面：使用微電極測量氧氣分布，計算氧滲透深度和氧產生/消耗速率；基于菲克定律計算銨態氮的擴散通量。

 

微生物群落：在特定時間點分析表層沉積物中細菌群落的組成和變化。

 

數據分析：通過統計學方法分析不同處理組間的差異、各參數間的相關性，從而解釋懸浮顆粒物影響疏浚效果的途徑與機理。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多個方面的數據，其意義和來源如下：

 

沉積物氮含量與形態（反映物質基礎）

 

測量指標：沉積物總氮和有效銨態氮濃度。

研究意義：圖1顯示，懸浮顆粒物的沉積顯著提高了疏浚沉積物的總氮濃度，使其在實驗末期恢復到接近疏浚前的水平。然而，無論是疏浚還是未疏浚沉積物，其有效銨態氮濃度均未受懸浮顆粒物添加的顯著影響。這表明懸浮顆粒物輸入的主要是相對穩定的有機氮，而非易釋放的銨態氮，這為理解后續通量差異提供了物質基礎。

 

數據來源：圖1。

 

界面氧微環境（揭示氧化還原條件）

 

測量指標：氧產生/消耗速率、氧滲透深度。這項關鍵數據是使用丹麥Unisense微電極測量的。

研究意義：圖2的數據表明，疏浚后沉積物-水界面的氧滲透深度增加，氧化性增強。盡管懸浮顆粒物的沉積在夏季引起了一定的氧氣消耗，但疏浚處理整體的氧化條件仍優于未疏浚處理。氧化環境不利于銨態氮的釋放，這是控制疏浚后氮通量的關鍵環境因子。

 

數據來源：圖2。

 

孔隙水銨態氮剖面與擴散通量（直接表征交換強度）

 

測量指標：孔隙水銨態氮垂直剖面濃度、銨態氮擴散通量。

研究意義：圖3顯示疏浚后初期孔隙水銨態氮濃度較高，但隨后迅速下降并顯著低于未疏浚沉積物。圖4清晰地表明，疏浚沉積物的銨態氮釋放通量在整個實驗期間（尤其是60天后）持續顯著低于未疏浚沉積物，且不受懸浮顆粒物添加的顯著影響。這直接證明了疏浚在抑制內源氮釋放方面的有效性，并與磷的行為（懸浮顆粒物會顯著增加磷通量）形成鮮明對比。

 

 

數據來源：圖3和 圖4。

 

微生物群落結構（從生物學角度解釋過程）

 

測量指標：表層沉積物中主要細菌門類的相對豐度，特別是與硝化作用相關的硝化螺旋菌門。

研究意義：圖5顯示，疏浚后沉積物中硝化螺旋菌門（一類重要的亞硝酸鹽氧化細菌）的相對豐度增加。硝化作用（將銨態氮轉化為硝酸鹽）的增強，是導致疏浚沉積物中銨態氮濃度和通量降低的重要生物機制。

 

數據來源：圖5。

 

關鍵參數相關性（整合性證據）

 

測量指標：銨態氮通量與氧滲透深度等參數的相關性分析。

研究意義：圖6顯示，銨態氮通量與氧滲透深度呈顯著負相關。這從統計學上強有力地證實了沉積物-水界面的氧化還原條件是控制氮交換的關鍵因素。氧化性越強（氧滲透越深），氮釋放通量越低。

 

數據來源：圖6。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在研究中，丹麥Unisense微電極系統被用于高分辨率地測量沉積物-水界面附近的氧氣濃度剖面。其研究意義至關重要，主要體現在以下幾個方面：

 

精準量化界面氧化還原狀態：Unisense微電極能夠以0.05毫米的垂直分辨率測量氧氣濃度的微小變化。這使研究人員能夠精確確定氧滲透深度，即氧氣從上覆水體擴散到沉積物中的最大深度。本研究中發現疏浚沉積物的氧滲透深度大于未疏浚沉積物，這直接證明了疏浚操作有效地改善了沉積物表層的氧化環境。氧化環境會促進銨態氮的硝化作用，并抑制沉積物中厭氧微生物活動導致的氮釋放，這是解釋疏浚后氮通量降低的物理化學基礎。

計算關鍵過程速率：基于測量得到的氧氣濃度剖面，研究人員可以應用擴散-反應模型，計算出沉積物-水界面的氧產生/消耗速率。該速率反映了界面附近凈的生物和化學活動強度（如光合作用、呼吸作用、化學氧化）。如圖2所示，疏浚沉積物（D處理）的氧消耗速率很低，而添加了非無菌懸浮顆粒物的疏浚沉積物（D+FP處理）在夏季顯示出較高的氧消耗，這暗示了懸浮顆粒物引入的有機質被微生物降解消耗氧氣。這些數據將界面環境的靜態描述（氧濃度）與動態過程（消耗速率）聯系起來，深化了對界面行為的理解。

 

建立過程關聯的決定性證據：通過Unisense電極獲得的高質量數據，使得進行可靠的統計學分析成為可能。如圖6所示，銨態氮通量與氧滲透深度之間存在顯著的負相關關系。這一關鍵發現直接將環境條件（氧化性）與環境效應（氮釋放強度）定量地聯系在一起，從機理上強有力地支撐了核心結論：疏浚通過改善沉積物表層的氧化條件，有效抑制了內源氮的釋放。沒有微電極提供的高分辨率數據，這種因果關系將難以如此清晰地證實。

 

總之，Unisense微電極在本研究中扮演了“環境顯微鏡”的角色。它提供的不僅是關于氧氣分布的精確數據，更重要的是，它將宏觀的通量觀測與微觀的界面過程和條件聯系起來，為闡明疏浚影響氮循環的內在機制提供了不可替代的關鍵證據。

研究結論

 

疏浚有效抑制內源氮釋放：即使在河口區有污染河流懸浮顆粒物持續輸入的情況下，環境疏浚也能顯著且長期地降低沉積物-水界面的銨態氮釋放通量。其效果在疏浚后約60天開始穩定顯現。

氮磷行為存在關鍵差異：與磷不同，河流懸浮顆粒物的沉積雖然提高了疏浚沉積物的總氮儲量，但并未顯著增加其易釋放的銨態氮庫，也未能扭轉疏浚對銨態氮釋放的抑制效應。這表明在受懸浮顆粒物影響的河口區，疏浚對控制內源氮負荷比控制內源磷負荷更具優勢和應用潛力。

作用機制的核心是氧化環境：疏浚后沉積物-水界面氧化條件的增強（表現為氧滲透深度增加）是抑制氮釋放的主要因素。這一物理化學條件的改變得到了微生物過程的強化，即硝化細菌（如硝化螺旋菌門）的相對豐度增加，促進了銨態氮向硝酸鹽的轉化，從而減少了其向水體的擴散釋放。

 

長期管理建議：雖然短期內懸浮顆粒物不影響疏浚的控氮效果，但長期看，懸浮顆粒物輸入導致的總氮積累可能構成潛在風險。因此，為實現湖泊內源氮負荷的長期有效控制，在實施疏浚工程的同時，必須加強對流域點源和面源污染的控制，削減入湖河流的懸浮顆粒物及營養鹽負荷。

 

綜上所述，本研究證實了在面臨外源輸入的現實場景下，環境疏浚作為控制湖泊河口區內源氮負荷的有效性，并從化學和微生物學角度闡明了其作用機理，為類似區域的湖泊治理實踐提供了重要科學依據。