中国滇池湖表层沉积物中氨氮的吸附和释放特性外文翻译资料

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附录A 外文参考文献（译文）

中国滇池湖表层沉积物中氨氮的吸附和释放特性

Jia He1,2 bull; Weiming Deng2 bull; Chunyu Chen2 bull; Xiaomei Xu2 bull; Shengrui Wang3 bull; Wenbin Liu3 bull; Xue Wu2

Received: 22 December 2014 / Accepted: 13 July 2015 / Published online: 8 August 2015 Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015

摘要：为了确定滇池表层沉积物中氨氮的吸附和释放特性，在2013年间采集了36个表层沉积物（0～10cm）样品。结果表明，与中国其他湖泊（如洱海湖、太湖湖、滇池湖）相比含有高浓度的氨氮（NH₄ -N）吸附容量、释放速率和释放能力。滇池沉积物氨氮释放风险相对较高。与表面沉积物和滇池的上覆水的平均氨浓度相比较，滇池沉积物的平均氨浓度较高。因此，滇池湖沉积物是污染源，氨氮的释放风险较高，是因为表层沉积物受到了严重的氮污染。滇池沉积物中总氮（TN）和（NH₄ -N）的含量对氨氮吸附释放过程有较大影响。所以除了对总氮、氮组分进行评估，也需要对湖泊沉积物中污染物释放风险进行评估。氮（NH₄ -N）是沉积物释放氮的主要组成部分，在评价沉积物释放量时具有极显著意义。沉积物氮的释放能力和释放潜力为评价释放风险提供了重要信息。

关键词：滇池 表层沉积物；氨氮 吸收和释放

介绍

沉积物不仅是湖泊和河流流域污染物的储存场所，也是污染物本身的来源。内源性污染负荷影响范围大，作用时间长（Zhou等，2001）。当外界环境条件改变，内源性污染首先从沉积物上被释放到覆水层中，然后进行扩散、对流和再悬浮过程，从而导致湖泊污染和富营养化（Portielje和lijklema,1999）。湖泊富营养化，这是由沉积物释放营养物质引起的，可以持续几十年（Kuwabara et al. 2003）具有对水生生物的不可逆性的负面影响（Hecky and Kilham1988; Philippart et al. 2000）。

铵态氮（NH4 -N）是沉积物中可交换态氮的主要部分（Ex-N）。沉积物中释放NH4 -N，沉积物中的与上覆水之间的交换NH4 -N（Mitsch et al. 2000）。本文在前人研究的基础上，发现沉积物中的氨氮在吸收和释放过程中，受温度、pH，水–土壤比、沉积物类型、物理化学性质、盐度等的影响（Yin and Harrisson 2000; Gardner et al. 1991）。

滇池湖是一个浅水区的城市高原湖泊，是一个复杂的生态系统。从第九个五年计划（1996–2000）开始在中国被列为三个加强污染控制湖泊（Liu et al,2015）。滇池接收和储存来自农业，工业的一些废水，还有一些沿其路线的生活污水。

各种流入河流以中心模式进入滇池湖（Yang et al. 2010）。利用底部沉积物的特点，如利用粒度和力矩的关系，表明运输的过程，选择性夹带运输和沉积的变化（McLaren and Bowels 1985; Gao and Collins 1992; Le Roux 1994; Le Roux et al. 2002）。因此，表层沉积物的养分分布和吸附释放特征复杂。氮沉降到有机沉积物中，有几种方法可以用来研究养分的吸附特性和滇池表层沉积物释放特性（William and Frank 2002; Kuwabara et al.2003）。沉积物与上覆水体的氨氮交换可以直观地反映氮素对水质的影响。以前滇池湖的研究是有限的。没有人关注水-沉积物界面特性，而且研究并没有覆盖整个地区。为了进一步揭示水沙界面的特性，在综合采样的基础上，提出了研究滇池表层沉积物中氨氮的吸附和释放特征的方案。此外，对氨氮吸附和释放分析结果进行了与其他湖泊的比较，尝试评价滇池湖氨氮的释放风险。

amp; Xiaomei Xu 25472087@qq.com 1 College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, Peoplersquo;s Republic of China 2 Kunming Institute of Environmental Science, Kunming 650032, Yunnan, Peoplersquo;s Republic of China 3 Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, Peoplersquo;s Republic of China

材料与方法

本研究采用的数据来自于，2013年10个国家对滇池湖36个实验样点沉积物的质量控制和质量调查（D4样品已疏浚，所以没有样本）。这些实验样点都位于草海、外海北部、中部和南部外海湖。在滇池湖的取样地点如图1所示。每个采样点都有定位全球定位系统（GPS）（表1），水样带回后立即进行了化学分析。使用彼得森采样器收集表层沉积物（0 - 10厘米）样品。沉积物样品冷冻干燥保存，底物在通过100目筛筛选之后进行分析。

沉积物的氮组分

在这项研究中，总氮（TN）用碱性过硫酸钾法测定（Ebina et al. 1983）利用氮硝酸盐和硝酸盐的后续分析转换，用分光光度计6-dimethylphenol测定（Qian and Fu 1987).）。NO3 ^-- N采用分光光度法测定酚二磺酸。NO2^-- N利用N-（1-萘基）- 乙二胺分光光度法测定。NH₄ –N是用比色法测定（Strickland and Parson 1972）。滇池湖不同类型沉积物样品的氮含量如表2所示

氨氮吸附动力学实验

沉积物样品（0.5克）被放置在一系列装有50毫升10毫克L-1氯化铵溶液的100毫升离心管中。设置温度为25plusmn;1 C和转速为200转，将离心管放在一个振动筛。然后分别在5分钟，10分钟，30分钟，60分钟，90分钟，120分钟，150分钟和180分钟时将离心管从振动筛取出。立即以每分钟4000转的转速，转10分钟进行悬浮液离心，NH₄ –N浓度通过纳氏试剂分光光度法和计算吸附容量（国家环保总局2002）。

氨氮吸附热力学实验

实验采用两个浓度范围。低浓度范围从0至5毫克的L-1（0，0.4，0.8，1.2，2和5 mg L^-1），高浓度范围从20至200毫克每升（20，60，80，120，150和200 mg L^-1）。沉积物样品（0.5克）被放置在一个系列的装有50毫升NH4Cl溶液的100毫升离心管中。实验条件与吸附动力学实验相同。经过2小时的平衡，解决方案是以4000 rpm转速离心5 min，通过分析纳氏试剂分光光度法计算氨氮的浓度。

氨氮释放动力学实验

沉积物样品（0.5克）被放置在一系列装有50毫升氯化铵溶液的100毫升离心管中。设置温度为25plusmn;1 C和转速为200转，将离心管放在一个振动筛。然后分别在5分钟，10分钟，30分钟，60分钟，90分钟，120分钟，150分钟和180分钟时将离心管从振动筛取出。立即以每分钟4000转的转速，离心15min，利用0.45mu;m GF/C的滤膜过滤。氨氮浓度通过纳氏试剂分光光度法分析。

结果与讨论

氨氮吸附动力学

滇池表面沉积物中的氨氮的吸附动力学曲线如图2所示。沉积物上的氨氮吸附涉及两个过程：一个快速的初始反应和随后的缓慢反应。在不同湖泊剖面上沉积物氨氮的吸附过程表现出相同的趋势。在第一个2小时内观察到，氨氮快速吸附在沉积物中，在水溶液中的氨氮的浓度，并没有明显的改变。

V= Q/ t

其中V是在沉积物上的吸附率，Q是吸附在沉积物中磷的量（mg·kg-1），t是时间（min），吸附率是用来描述沉积物中氨氮的吸附动力。沉积物氨氮的最大吸附速率（Vmax）出现在前5分钟，范围从4.90到88.09毫克（kg·min-1）。5 min后，吸附速率逐渐降低。根据滇池不同湖段的沉积物氨氮的最大吸附速率，提出以下序列南部外海[ 34.62plusmn;22.09 mg/（kg·min）- 1 ] [湖中央[ 27.15plusmn;14.99 mg/（kg·min）- 1 ] [北部外海[ 23.44plusmn;15.54 mg/（kg·min）- 1 ] [草海[ 21.22plusmn;4.69 mg/（kg·min）- 1 ]（表3）。

图1 滇池湖采样点位置

表1采样点的GPS坐标

滇池湖中不同形式沉积物样品中氮的含量表2（mg·kg^-1）

氨氮吸附-解吸平衡浓度

滇池表层沉积物中氨氮吸附解吸特性如图3所示（NH4 –N初始浓度在0和5毫克的L^-1之间）。沉积物中NH4 –N的吸附在和在溶液中NH4 –N浓度表现出良好的线性关系，数据与亨利方程拟合。

Q = KC t C0

Q为沉积物中氨氮吸附的量，mg kg-1；C是溶液中NH4 –N浓度 mg L-1；C0是溶液中氨氮的初始浓度 k是斜率。当吸附量为零时，C是吸附平衡浓度（ENC0），C0是天然吸附NH4 –N含量。(NAN)

图2在滇池表层沉积物中氨氮吸附动力学曲线的分布

表3在滇池表面沉积物不同的时间间隔氨氮的吸附率mg (kg min)^-1

图3在滇池表层沉积物中氨氮吸附解吸特性曲线的分布

如图3所示，滇池湖表层沉积物中NH₄ –N的解吸过程。当初始浓度的NH₄ –N低时，沉积物中NH₄ –N解吸。当初始浓度的NH₄ –N增加，沉积物吸附水中的NH₄ –N。沉积物中氨氮的吸附量，与溶液中的氨氮的初始浓度呈线性关系。当覆水的氨氮浓度高于沉积物孔隙水氨氮浓度，氨氮吸附到沉积物；否则，沉积物中的氨氮解吸到覆水中（Jin et al. 2005）。当覆水NH₄ –N浓度的超过0.2

mg L^-1，将面对湖泊富营养化的风险。当沉积物中的氨氮和水中的氨氮达到吸附-解吸平衡时，本研究中氨氮解吸吸附平衡浓度为1.40～9.62 mg L^-1（表4）。根据在不同的湖段沉积物ENC0提出以下序列：南部外海（5.56plusmn;1.21 mg L^-1）[草海（5.04plusmn;0.85 mg L^-1）[湖中央（3.93plusmn;1.02 mg L^-1）[北部外海（3.56plusmn;1.86 mg L^-1）。沉积物中NH₄ –N浓度高于上覆水（除D1样）的NH₄ –N浓度（1.56 mg L^-1），沉积物中的NH₄ –N可以解吸。因此，滇池表层沉积物氨氮污染严重，氨氮向上覆水释放的风险较高（图4）。

表4在滇池表层沉积物中氨氮吸附解吸特性参数的分布

图4表层沉积物与上覆水中氨氮含量吸附解吸平衡浓度比较

沉积物吸附氨氮的量，包括吸附实验和天然吸附。从沉积物中天然吸附NH4 –N的含量与湖泊的污染状况密切相关。滇池湖的天然吸附氨氮含量为116.28～1340.32 mg·kg^-1（平均499.03 mg·kg^-1）。天然吸附NH4 –N含量在不同的湖段顺序如下：湖中央（670.99plusmn;168.71 mg kg^-1）[南部外海（622.23plusmn;325.94 mg·kg^-1）[北部外海（404.52plusmn;166.12 mg·kg^-1）[草海（175.92plusmn;52.11 mg·kg^-1）。滇池在沉积物中天然吸附NH4 –N含量2–3倍高于在中国的其它湖泊（表5）。氨氮释放到覆水中的风险较高。

氨氮吸附等温线

在实验数据的基础上，吸附到沉积物中NH4 –N量随着溶液中NH4 –N的平衡浓度的增加而增加。在溶液中，当初始浓度的NH4 –N低（NH4 –N初始浓度在0到5 mg L-1之间），滇池沉积物吸附氨氮的量与初始浓度呈线性关系。当初始浓度的NH4 –N高（NH4 –N初始浓度5和200 mg L-1之

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