引起水体污染的来源可以分为内源和外源，外源污染包括点源污染和面源污染，而内源污染是指在水体中积累下来并且自身能在一定环境条件下发生物理化学作用，并造成水体二次污染的污染源. 底泥是水生生态系统的关键组成部分，污染物通过物理化学、 生物作用进入水体，最后沉积到水体底泥中^[1]，其积累的大量污染物在外界水动力因素制约下向上覆水体释放营养物质，导致污染物重新回到水体，因此底泥成为水体污染物的内负荷^[2]. 由于水体的外源污染日益严重，造成底泥累积的污染物越来越多，这些污染物在适当的条件下释放到水体中，将影响水体富营养化进程^{[3, 4]}. 我国作为多湖泊国家，水体面临着严重的富营养化问题，根据调查我国典型湖区的25个湖泊发现在2009～2010年有52%的处于富营养化状态，且其中有16个湖泊在近30年来的富营养化水平有所上升^[5].

水体富营养化导致水质下降，水体功能减退，扰乱水生生态系统的平衡^[6]，水体中氮、 磷等营养物质的增加是造成水体富营养化的根本原因^{[7, 8]}. 在控制外源输入的情况下，水体富营养化与底泥内源氮、 磷释放之间的关系成为水体富营养化热点关注的研究问题^[9]. 余荣台^[10]对某河段底泥进行静态室内模拟实验探索硝态氮的释放行为机制时发现：中性条件和温度都能促进硝态氮的释放； 荣伟英等^[11]在实验室模拟条件下考察上覆水的pH、 温度等对底泥释放总氮的影响时发现：酸性条件下底泥释放总氮的强度高于碱性条件且扰动可提高底泥释放总氮的强度； 孙飞跃等^[12]对南淝河入湖区夏季底泥氮的释放通量进行估算，结果为0.597 t ·km^-2.

虽然目前关于内源氮、 磷释放的研究较多，但是主要集中于定量或半定量研究，而水体内源污染物的释放途径、 释放量及其释放对水体污染的贡献率等定量研究仍具有不确定性^{[13, 14, 15, 16, 17]}. 本文以亚热带丘陵区香溪河流域为研究对象，利用基于正交试验的底泥氮释放模拟控制实验，并通过对流域基流过程中氮输出的研究，探索底泥氮释放行为机制及其对流域氮输出的贡献，以期为揭示底泥营养盐释放在流域水体富营养化的作用，进一步控制亚热带流域氮素非点源输出提供科学依据.

本实验研究区域位于中国科学院地理科学与资源研究所千烟洲红壤丘陵区生态网络试验站(115°04′13″E，26°44′48″N)，所选取的香溪河流域位于江西省泰和县境内(图 1). 站内平均海拔为110.8 m，属于典型的亚热带季风气候，年均气温17.9℃，年均降水量为1 542 mm，雨季多集中于3～9月，其中4～6月降雨量约占全年的一半，7～8月高温少雨^{[18, 19]}. 香溪流域的面积约为97 hm²，流域内河流流经林地、 稻田、 桔园，最终汇入架竹河，架竹河水系为长江鄱阳湖水系赣江流域的二级支流^[20].

图 1

Fig. 1

图 1 流域采样点分布及土地利用方式 Fig. 1 Sampling point distribution of watersheds and different land-use types

常规水样采集：在研究区域内自上游至下游设置8个采样点(图 1)，供基流常规采样. A点位于上游鱼塘出口处，B、 C两点位于上游的林地外缘，D、 E和F位于中游的农田、 桔园交错带，G、 H两点位于下游，所处地区为桔园. 采样时间为2013年9月至2014年8月，采样频率为2013年9、 10两月为每月10日采样一次，11月至次年8月为每月9日和19日采样(人工采样). 在G点设置截留三角堰，并安装ISCO水质采样仪，可实时监测记录水位变化. 底泥样品采集：底泥采样点的布设同常规水样采集点一致，分别于2013～2014年的8月17日、 9月17日、 2月17日、 4月17日、 6月17日和7月17日在设立的这8个常规采样点采集0～10 cm和10～20 cm处底泥样品，样品采集后立即带回实验室进行分析. 2013年9月至次年2月为千烟洲地区的旱季，旱季为农田歇耕期； 2014年3～8月为千烟洲地区的雨季，雨季为农田漫灌期.

实验控制因素为pH、 温度和扰动，根据该区水体pH变化、 温度变化：pH设置为4.4、 5.5、 6、 6.5、 7、 7.5、 8、 8.5、 9共9个梯度，温度设置为5、 20和35℃共3个梯度，扰动设置水动力条件为静止、 轻微扰动和剧烈扰动共3个梯度. 利用正交试验方法，设计27组实验(表 1). 将混合均匀的底泥平铺于250mL烧杯中并使其厚度达到50 mL处，向烧杯中加入超纯水至200 mL刻度线，每天取样一次，每次取样为10 mL(取水样时用注射器抽取)，测定水中TN浓度. 取样后加入超纯水至200 mL刻度线，实验周期为7 d.

表 1 (Table 1)

表 1 底泥氮释放模拟正交试验方案 Table 1 Orthogonal experiment scheme for simulation of N release from sediment 编号 pH 扰动 温度/℃ 1 1(4.4) 1(无) 1(5) 2 1(4.4) 1(无) 2(20) 3 1(4.4) 1(无) 3(35) 4 2(5.5) 2(轻) 1(5) 5 2(5.5) 2(轻) 2(20) 6 2(5.5) 2(轻) 3(35) 7 3(6) 3(重) 1(5) 8 3(6) 3(重) 2(20) 9 3(6) 3(重) 3(35) 10 4(6.5) 3(重) 1(5) 11 4(6.5) 3(重) 2(20) 12 4(6.5) 3(重) 3(35) 13 5(7) 1(无) 1(5) 14 5(7) 1(无) 1(20) 15 5(7) 1(无) 3(35) 16 6(7.5) 2(轻) 1(5) 17 6(7.5) 2(轻) 2(20) 18 6(7.5) 2(轻) 3(35) 19 7(8) 2(轻) 1(5) 20 7(8) 2(轻) 2(20) 21 7(8) 2(轻) 3(35) 22 8(8.5) 3(重) 1(5) 23 8(8.5) 3(重) 2(20) 24 8(8.5) 3(重) 3(35) 25 9(9) 1(无) 1(5) 26 9(9) 1(无) 2(20) 27 9(9) 1(无) 3(35)

表 1 底泥氮释放模拟正交试验方案 Table 1 Orthogonal experiment scheme for simulation of N release from sediment

常规水样测定：将水样用过硫酸钾消煮后用ALLANCE流动注射分析仪(法国)测定TN、 DTN(溶解性总氮)、 NH₄⁺-N(氨氮)和NO₃^--N(硝氮). 底泥TN的测定：将底泥风干后过100目筛准确称取1 g，并采用浓硫酸消解法，消煮液冷却后导入100 mL容量瓶进行定容. 最后取上清液，采用ALLANCE流动注射分析仪测定上清液的TN. 底泥有效氮的测定：采用扩散法，将底泥风干后过60目筛准确称取2 g，加入0.2 g FeSO₄(催化剂)和10 mL 1 mol ·L^-1的NaOH溶液，在40℃恒温箱中培养24 h后取出，用0.01 mol ·L^-1的H₂SO₄标准液进行滴定.

采用式(1)计算静水水体底泥氮的释放强度^[21]：

采用式(3)对氮释放通量进行估算^[12]：

对第7 d上覆水TN浓度进行极差分析，针对水平数不等的正交试验，其极差值需要根据式(6)进行折算：

表 2 (Table 2)

表 2 折算系数 Table 2 Convert coefficient 水平数i 2 3 4 5 6 7 8 9 10 折算系数di 0.71 0.52 0.45 0.4 0.37 0.35 0.34 0.32 0.31

表 2 折算系数 Table 2 Convert coefficient

由于极差分析不能估计实验过程及实验结果测定中必然存在的误差而无法估计实验误差的大小，所以一般采用方差分析法来弥补极差分析法的不足. 对底泥释放实验的结果进行方差分析可以得到表 3的计算数据(由于扰动存在较大的人为误差，因此将扰动条件视为误差项).

表 3 (Table 3)

表 3 底泥释放实验各因素方差分析 Table 3 Analysis of variance of N release experiment 差异源 SS df MS F 显著性 A(pH) 0.09 8 0.011 3.59 0.00 C(温度) 1.07 2 0.54 178.63 0.01 误差e 0.048 16 0.003 总计 1.21 26

表 3 底泥释放实验各因素方差分析 Table 3 Analysis of variance of N release experiment

由图 2可知底泥TN的释放速率在初期最大，最大值为36mg ·(m² ·d)^-1，第2 d上覆水的TN浓度达最大值1.03mg ·L^-1，这是由于实验初期底泥-水界面浓度梯度较大，所以会有一个明显的释放过程^[12]. 在1～3 d时，底泥TN的释放速率急剧降低，到第3 d降低至12.4 mg ·(m² ·d)^-1，这是由于随着时间的延续，底泥-水界面之间的浓度梯度变小，所以TN的释放速率不断下降. 第7 d以后TN的释放速率趋于缓和，且上覆水TN的浓度保持在0.86～0.97mg ·L^-1范围内，底泥TN还处于释放状态，最后释放与吸附会逐渐趋于动态平衡.

图 2

Fig. 2

图 2 静态底泥的TN释放速率 Fig. 2 TN release rate of static sediment

根据公式(6)计算第7 d上覆水的TN浓度得到极差值的顺序为：R′_A=0.69>R′ _B=0.11>R′_C=0.09(A、 B、 C分别代表pH、 扰动和温度). R′的大小代表影响底泥氮释放的主次顺序，因此3个因素影响底泥氮释放的主次为：温度>扰动>pH. 方差分析结果列于表 3，对A、 C因素进行显著性检验并查表可得：F_α=0.01(9,27)=3.15，F_α=0.01(3,27)=4.60，F_A=3.59>F_α=0.01(9,27)，F_C=178.63>F_α=0.01(3,27)，则温度和pH对底泥氮释放的影响均为极显著.

底泥释放实验模拟了3个温度条件下底泥TN的释放规律，选取pH=7、 无扰动即编号为13、 14、 15的样品进行分析. 由图 3可见，TN释放速率与温度呈正比例关系，随着温度升高，TN释放速率也随之加快. 由公式(2)计算出3个温度下底泥的氮累积释放量，结果见表 4. 从中可知，3个温度下底泥的氮累积释放量分别为50.45、 50.35、 73.15 mg； 温度为35℃时底泥的氮累积释放量高于其他温度，说明温度为35℃时底泥释放了更多的TN.

图 3

Fig. 3

图 3 不同温度条件下底泥TN释放速率 Fig. 3 TN release rate of sediment at different temperatures

表 4 (Table 4)

表 4 不同温度条件下氮累积释放量 Table 4 Cumulative release of N at different temperatures 温度/℃ 氮累积释放量/mg 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 5 28.88 33.43 29.90 40.25 41.18 41.65 50.45 20 36.00 40.95 37.22 41.63 44.30 45.12 50.35 35 39.38 44.63 47.05 57.70 66.25 63.90 73.15

表 4 不同温度条件下氮累积释放量 Table 4 Cumulative release of N at different temperatures

在温度和水动力条件不变的情况下，选取pH为酸性、 中性和碱性的情况进行分析. 如图 4所示，实验进行1 d时出现最大释放速率，在pH为9时TN释放速率的最大值为37.88mg ·(m² ·d)^-1，高于酸性和中性的最大释放速率. 随着时间的延续，酸性和碱性条件均能增加TN释放速率，且酸性条件的促进作用更强. pH=4.4和pH=9时上覆水TN浓度的峰值分别为1.31mg ·L^-1和1.20 mg ·L^-1，且酸性和碱性条件下的上覆水TN浓度在实验过程中明显高于中性条件，这个结果表明酸性和碱性条件均能促进底泥的氮释放.

图 4

Fig. 4

图 4 不同pH条件下TN变化特征 Fig. 4 Variation of TN under different pH conditions

分析整合采样点B(林地)，D、 E、 F(林地+桔园)，G、 H(桔园)的监测数据，分析结果如图 5所示. 图 5为研究区域在不同土地利用方式下0～10 cm和10～20 cm处的底泥TN及有效氮含量的变化特征，其中2、 9月为流域的旱季，4、 6、 7、 8月为流域的雨季. 从中可以看出，底泥有效氮含量和TN含量变化趋势基本一致； 该区TN及有效氮含量波动范围较大，分别为：414.7～899.6mg ·kg^-1和17.5～58.9 mg ·kg^-1，有效氮含量占TN的质量分数为3%～10%，说明流域底泥的氮存在一定的潜在释放性. 雨季和旱季底泥TN含量的均值分别为662.7 mg ·kg^-1和588.6 mg ·kg^-1，旱季底泥TN含量相对低于雨季，这可能是由于雨季时大气中的氮通过沉降的方式进入水体，且土壤中的氮素随着地表径流迁移进入水体，使得水体中氮素含量增加^{[22, 23]}，进而导致底泥中氮素含量的增加. 在不同土地利用方式下，底泥TN及有效氮的含量及分布特征存在显著差异. 林地+桔园和桔园的TN含量普遍高于林地； 林地+桔园的有效氮含量普遍高于林地和桔园； 林地0～10 cm处底泥TN及有效氮的含量显著高于10～20 cm处，而农田+桔园和桔园区的垂直分布则无显著规律. 有研究表明不同土地利用方式对土壤养分迁移有着重要的影响，这与土壤的理化性质、 植被覆盖度等因素有关^[24].

图 5

Fig. 5

图 5 底泥TN及有效氮含量变化特征 Fig. 5 Variation of contents of TN and available N from sediment

根据全年对流域监测的数据进行分析，分别用5、 20、 35℃代表流域冬季、 春季和秋季、 夏季的温度. 从图 3和表 4可以看出在7 d以前3个温度下底泥氮累积释放量都为正值，底泥氮都处于释放状态. 用公式(1)计算出3个温度条件下的氮平均释放速率分别为7.07、 7.36、 10.55mg ·(m² ·d)^-1，香溪流域水域面积约为3.6 hm²，由得到的氮释放速率的均值用公式(3)计算氮释放通量. 用5℃计算流域冬季氮释放通量为22.91kg ·a^-1； 用20℃计算流域春季和秋季氮释放通量为48.49 kg ·a^-1； 用35℃计算流域夏季氮释放通量为34.94 kg ·a^-1. 所以香溪流域底泥氮释放通量约为106.34 kg ·a^-1，其中雨季氮释放通量为59.32 kg ·a^-1，旱季氮释放通量为47.02 kg ·a^-1.

3 讨论 3.1 环境因素对底泥氮释放的影响

温度较高能促进底泥氮释放的原因一方面是温度升高会增强微生物的活性，从而增加氮的释放量； 另一方面是微生物活性增强会导致氧消耗速率加快，环境中的溶解氧减少并且由氧化状态转化为还原状态，加快了底泥中有机氮的转化和释放^[9]. 有研究发现，厌氧状态下底泥氨氮会很快释放出来^[25]； 荣伟英等^[11]在pH=7的条件下观测上覆水TN浓度变化时发现：TN浓度大小为T=25℃﹥T=15℃﹥T=5℃.

pH能影响水体中离子交换吸附和化学平衡等机制，因此pH对底泥氮释放的影响机制比较复杂^[26]. 本实验结果表明酸性条件(pH=4.4)和碱性条件(pH=9)均能促进底泥的氮释放，这可能是由于在酸性条件下上覆水的H⁺浓度高，其与底泥胶体吸附的NH₄⁺发生离子交换，使NH₄⁺释放到上覆水中，导致上覆水中氮的浓度增加； 而在碱性条件下，OH^-会促进(7)式的化学平衡向右侧方向进行，从而减少了水体中的NH₄⁺，增大了泥-水界面NH₄⁺的浓度差，因而促进底泥中铵态氮向上覆水的释放，增加了上覆水中氮的浓度^{[27, 28, 29]}.

以8个采样点的平均值作为流域水体氮含量，其变化趋势如图 6. 在旱季，随着农事活动的减弱及气温的降低，水体TN含量逐渐降低. 研究中NH₄⁺-N和NO₃^--N约占DTN的60%以上，成为水体DTN的主要组成部分； 且在监测期间NO₃^--N与DTN的比值绝大多数都高于1/2，成为旱季地表水体DTN的主要存在形态. 在雨季，TN浓度在4月和8月较高，这是因为小流域会在4月和8月中期进行水稻追肥(肥料为尿素)，因此在追肥期间流域内水体TN含量会高于其他月份. NH₄⁺-N和NO₃^--N仍然是水体DTN的主要存在形态，但是NH₄⁺-N和NO₃^--N的变化无明显规律. 旱季和雨季水体TN浓度的范围分别为0.58～2.40mg ·L^-1和1.73～4.87 mg ·L^-1. 2014年国际上一般认为TN浓度为0.2 mg ·L^-1是湖泊富营养化的发生浓度^[30]，河流水体富营养化的阈值为1.5 mg ·L^{-1 [31]，香溪流域的河流已经存在水体富营养化的风险.}

图 6

Fig. 6

图 6 流域干湿季交替下氮变化规律 Fig. 6 Change of N under dry and wet season alternation

根据式(4)和式(5)计算出旱季和雨季流域的径流量和氮输出量如图 7. 在2013年9月～2014年8月间流域氮输出总量为864.15 kg； 流域在雨季氮输出量为765.81 kg ·a^-1，在旱季氮输出量为98.34 kg ·a^-1. 流域底泥氮释放对河流氮输出的年贡献量约为106.34 kg，所以底泥氮释放对流域水体氮输出的贡献率约为12.31%. 这说明香溪河流域底泥氮释放对水体氮输出贡献巨大，影响了水体富营养化的进程. 水体富营养化会导致水生生物特别是藻类大量繁殖，导致水生生态系统紊乱，还会降低水体透明度、 释放有毒物质等. 香溪流域内底泥氮释放已经成为水体氮来源的重要部分，要高度重视流域底泥氮释放对水体富营养化的贡献，以防造成不可挽回的损失.

图 7

Fig. 7

图 7 流域干湿季交替下氮输出量变化 Fig. 7 Change of N export of basin under wet and dry season alternation

(1)在静止状态下，流域底泥TN的释放速率在第1 d达最大值36mg ·(m² ·d)^-1，随后随着时间的延续TN释放速率不断降低，直到底泥TN释放与吸附达到动态平衡； 对正交试验的结果进行极差分析，3个控制因素对底泥氮释放影响的主次为：温度>扰动>pH； 进行方差分析时，如把扰动作为误差项，则温度和pH对底泥氮释放的影响均为极显著.

(2)温度与底泥TN释放速率呈正比例关系，随着温度升高，TN释放速率增大； 酸性和碱性条件均能促进底泥氮释放，且酸性条件的促进作用更强.

(3)流域底泥TN及有效氮含量范围为414.7～899.6mg ·kg^-1和17.5～58.9 mg ·kg^-1，有效氮含量占TN的质量分数为3%～10%，香溪流域的底泥存在潜在释放性； 在旱季流域TN浓度的范围为0.58～2.40mg ·L^-1，雨季TN浓度的范围为1.73～4.87mg ·L^-1，已经存在发生水体富营养化的风险.

(4)香溪流域底泥氮释放通量约为106.34 kg ·a^-1，流域氮输出总量为864.15 kg ·a^-1，底泥氮释放对流域水体氮输出的贡献率约为12.31%，底泥氮释放对水体富营养化的贡献不容忽视.