[发明专利]一种底泥呼吸及氮内源释放的原位测定装置和测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于湖泊、河流及湿地等污染水体底泥内源污染的测定装置和方法，特别涉及一种以底泥呼吸和氨氮释放原位同步测定为特征的底泥内源污染测定装置和方法，属于生态和环境技术领域。

背景技术

近年来，随着湖泊、河流及湿地等受人类活动影响，这些水体的污染越趋严重。由于底泥是这些水体污染物的最终承纳者，其污染状况反映和记录了水体及流域的污染状况。同时，污染底泥也对这些水体的环境状况产生密切的反馈作用，称为内源污染。而底泥的呼吸作用以及氨氮的内源污染，常常是底泥内源污染中表现最为明显的和强烈的。其主要原因是，内源污染来自于表层底泥中有机质，包括有机氮的有氧呼吸和矿化，以及更为强烈的下层底泥的厌氧呼吸和有机氮矿化。前一个过程首先形成了底泥对氧气的消耗，与底栖生物对氧气的直接利用共同形成底泥呼吸作用，并产生上层底泥氨氮的蓄积。后一个过程中的厌氧呼吸作用虽然其速率较有氧呼吸慢，但由于上层底泥的阻隔，往往在底泥下层形成大量的氨氮蓄积，并在分子扩散、底栖生物扰动、水流扰动等作用下，向水体迁移，从而形成氮的内源负荷。底泥呼吸形成的缺氧状态，强烈影响底泥氨氮的蓄积和释放。因此，底泥呼吸以及氮内源污染的测定对于了解水体污染的来源和强度等具有重要作用。

国内乃至世界上许多国家都将底泥疏浚作为改善湖泊、河流以及湿地水体较严重的底泥内源污染的手段之一，而疏浚的位置、面积等因素的决策，常常依赖于底泥呼吸和氨氮释放强度的分析。而且底泥疏浚的效果，也将底泥呼吸作用和氨氮释放强度的改善作为指标之一。因此，一种能快速、原位进行底泥呼吸和氮内源释放的测定方法，将有助于上述问题的解决。

底泥的呼吸作用和氨氮内源释放测定，传统上采用底泥柱样采集-室内培养-实验室分析-结果计算的步骤得到。由于湖泊、河流和湿地底泥的物理化学特征在空间上往往存在差异（底泥空间异质性），因此，较小直径的底泥柱样往往只能代表范围较小的底泥特征。而由于底泥柱样采样器的限制，往往不能获得直径较大的底泥柱样，必须通过多柱样平行来解决，也因此增加了采样和后续培养分析的工作量。采集的底泥柱样在进入实验室培养前，往往需要长距离运输，运输过程中的颠簸和晃动带来的压实和扰动效应，往往会改变底泥，特别是影响底泥呼吸和内源释放关键的表层底泥的物理化学特性，使得培养的样品与原位样品具有一定差异。因而样品采集和培养的过程中往往带来表层底泥物理化学特征的变化，如溶解氧、上层水体营养盐含量等。现有技术中解决的方法往往是缩短运输距离和小心运输。而这些解决方案往往不能彻底解决样品代表性的问题。室内培养过程中，无论是静态培养法，还是流动培养法，均是在模拟现场条件（如温度、溶解氧、pH）下进行的，尽管模拟条件可以接近现场条件，但仍无法完全再现现场的环境条件。室内培养法测定底泥呼吸和氨氮释放过程必须测定上覆水的溶解氧变化和氨氮变化，因此涉及到较繁复的样品分析工作，虽然有其他测定的替代方案，但培养过程的冗长和操作的繁复仍无法克服。

底泥呼吸和氨氮内源释放的测定，也可借助于底泥间隙水扩散模型计算得到。但是，底泥间隙水的获取，往往需要长时间（20-30天）的平衡（Peeper法），或者需要采集原状底泥后，再采用压榨、离心、Rizhon抽提、DET、DGT等方式，尽管通过一些复杂的间隙水获取技术，能得到间隙水垂向变化剖面，并在此基础上利用Fick第一定律计算理论上的释放通量，但是，技术的复杂性和操作的冗长，都是间隙水扩散模型不能克服的缺点。同时，扩散模型计算的释放通量往往是理论上的，具有一定的前提假设和条件，如不考虑底栖生物扰动、扩散过程完全受控于溶解态氨氮的浓度梯度等因素，也因此往往不能代表氨氮的原位实际释放通量。

通过以上分析可知，一种能用于野外的，原位快速测定底泥呼吸作用和氨氮释放的测定方法，将有助水生态、水环境研究中涉及底泥呼吸和氨氮内源释放问题的解决，以及疏浚方案制定和疏浚效果分析的背景参数获取。

发明内容

针对上述底泥呼吸及氮内源释放测定方法中现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种便于在湖泊、河流及湿地现场进行原位同步测定底泥呼吸及氮内源释放的装置和方法，达到有效降低样品采集及室内模拟分析测定工作量，提高样品代表性和分析准确度的效果。

本发明的内容包括原位测定装置制作和原位测定方法。其中，原位测定装置提供了底泥呼吸和氮内源释放的封闭水体，并采用具有快速响应和测定功能的溶解氧和氨氮电极（以及其他辅助性测定电极），获取实时测定的、随时间变化的水体溶解氧和氨氮等物质浓度；通过数据线与测定仪进行数据采集和计算，可实时获取溶解氧、氨氮等物质的浓度和变化速率。