酸性矿山废水对稻田上覆水理化特征及氮转化的影响

张春辉  吴永贵  付天岭  王娅  杨少博  刘桂华

（1．贵州大学资源与环境T程学院，贵州  贵阳550025;

2．贵州大学应用生态研究所，贵州  贵阳550025）

  摘要：酸性矿山废水( acid mine drainage，AMD)对周边农田的污染是煤等含硫矿产资源开采过程中普遍存在的问题。通过模拟实验，研究了AMD对稻田上覆水pH、EC(电导率)和Eh(氧化还原电位)等理化特征和对其中氮形态转化的影响。结果表明，AMD持续污染对稻田上覆水pH、EC和Eh等综合理化指标、重金属含量以及稻田上覆水中的总氮、氨氮、可溶性有机氮、亚硝酸盐氮含量产生了极显著影响(p<0.01)。AMD污染后上覆水总氮、可溶性有机氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮含量分别从3.92、3.27、0.005 0、0.33 mg/L变为9.33、8.67、0.017、0.18 mg/L；同时AMD的灭菌处理实验表明，AMD中的铁硫杆菌等微生物具有影响稻田上覆水中氮转化的作用，灭菌后的AMD可显著降低稻田土壤氮的损失，有效降低稻田上覆水总氮（比对照降低42.01%）、可溶性有机氮（比对照降低73.34%）以及亚硝态氮（比对照降低70.59%）含量，提高土壤上覆水硝态氮浓度（比对照提高93.71%）。说明，AMD持续污染可通过对稻田水环境特征产生显著的直接影响，继而直接或间接地影响着稻田上覆水中可溶性有机氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮形态及总氮的数量变化，同时AMD及稻田中的微生物在其中发挥着重要作用。

  关键词：稻田上覆水；酸性矿山废水；理化特征；氮转化

  中国是世界上最大的煤炭生产和消耗国家，煤炭开采导致大量煤矸石露天堆放，从而持续产生大量具有低pH、高盐度、高氧化还原电位和富含多种有害金属离子等特征的AMD。严重危害流域内的农田生态系统。水稻是我国最重要的农作物之一，淹水栽培和强度耕作形成了水田复杂的土壤化学和微生物群落反应，使水稻土壤成为独特的农业生态系统。土壤氮循环是自然氮循环的重要组成部分，稻田土壤正常的氮循环过程对水稻产量及农田生态系统的健康和稳定有着至关重要的作用。前人的工作表明，AMD的持续污染，对周边及下游地区稻田土壤pH、氧化还原状况、盐分及EC等土壤理化特性指标以及土壤有机质、铁、其他养分及比率、土壤微生物类群等产生显著影响。而有资料表明，pH、Eh、盐度、高价铁、微生物及动物等都能显著影响稻田氮的形态变化。

  近年来，国内外对AMD对稻田土壤的污染做了许多相关的工作，包括重金属、土壤酶活性、微生物效应和植被影响等。但对于AMD对稻田上覆水的理化特征和氮循环的影响鲜有报道。本文以贵阳市花溪麦坪废弃煤矿周边稻田为研究对象，分析了受AMD影响下稻田上覆水pH、EC及Eh等综合理化特征，并对AMD污染下稻田上覆水中氮的形态进行了详细的测定。同时，为考察AMD中硫铁细菌等微生物是否对稻田环境的理化特性与氮形态转化的影响，还同步进行了灭菌处理的对照试验。初步探讨了AMD持续污染对稻田水体氮形态变化的影响，为煤矿地区及含硫矿区AMD对农田系统氮转化的潜在影响及其风险评价提供理论依据。

1材料与方法

1.1样品采集

  实验时间为2012年11月至2013年3月，实验地点设在贵阳市花溪区贵州大学应用生态研究所。

  稻田土壤采集于贵州省贵阳市花溪区（东经106007，~107017 ’，北纬260ll'—27022’）正常耕作的周期性水淹的稻田表层0—20 cm新鲜土壤。土壤相关养分分别为：全氮(2 782.40+41.86) mg/kg、速效氮(235.20+3.96) mg/kg、硫酸根(3.28+0.13)g/kg、水溶性盐(5.00+1.41) g/kg，基本理化特征：pH( 6.20+0.04)、Eh(333.50+4.95) mV、EC( 306.00+8.49)  uS/cm、含水率( 55.00+1.84)%．Fe、Mn、Cu和Zn含量分别为( 836.87  +23.05)、(72.03  +5.12)、(4.86 +0.36)、(32.07+2.76) mg/kg试验用煤矿酸性外排废水(AMD)采集于贵州省贵阳市花溪麦坪镇附近的废弃煤矿区矸石堆场，基本理化特征：pH( 2.13+0.00)、Eh(584.00+1.41) mV、EC(3 252.50+2.12) yS/cmo Fe、Mn、Cu和Zn含量分别为(1 688.38+48.26)、(47.27+3.04)、(3.35+0.40)和(76.89+6.18)  mg/L.

1.2  实验设计及方法

  采回的新鲜稻田土壤去除植物残渣及石头等杂物，预留200 g土壤自然风干，研磨过100目样品筛测定其背景值。根据文献方法[16]，结合预实验结果，于1.5 L聚乙烯瓶中放入厚度为100 mm的稻田土600 g（新鲜湿土），添加600 mL不同稀释比例AMD，（按照土壤与AMD的质液比，以600 g土600 mLAMD原液为100%）设置9个梯度：O%、0.1%、0.5%、1%、10%、50%、75%、100%、200%，其中200%为1 200mL AMD原液，每组设置3个平行。为考察AMD中硫铁细菌等微生物是否对稻田环境的理化特性与氮形态转化的影响，试验同时采用添加苯甲酸钠做抗菌剂设置灭菌处理作为对照。实验样品置于20℃条件下稳定6周，然后将稻田土上覆水虹吸过滤检测，土样自然风干，研磨过100目样品筛待测。

  总氮用硫酸一高氯酸消解后半微量凯式滴定法测定；氨氮、硝态氮、亚硝态氮用KC1溶液提取后用UV-1800PC型紫外可见光分光光度计测定；溶解性有机氮用溶解总氮值差减溶解无机氮求得；pH用上海大普SH2601型精密酸度计测定、Eh用ZD-2精密自动电位滴定仪测定、EC用DDS-11A型电导率仪测定；上覆水溶液过滤后用火焰原子吸收分光光度法测定其铁、锰、铜、锌的含量。

1.3数据处理

  数据分析采用IBM SPSS Statistics 19分析软件进行，对不同指标随AMD梯度变化的相关性进行Pearson相关性分析，并运用DPS作单因素实验统计分析（duncan新复极差法），采用Origin 8.0进行作图。

2结果与讨论

2.1 AMD污染对稻田水环境pH、Eh及EC含量的影响

如图1所示，随AMD浓度的增加，pH显著降低，Eh、EC含量显著升高。0%．1%浓度的AMD污染对稻田上覆水的pH影响不大，从1%~50%稻田水pH迅速降低，从50%—200%稻田水pH下降趋于平缓，说明稻田水环境pH已经接近AMD的pH水平。Eh受AMD影响从0%一1%变化不大，从1%—200%是显著升高的。EC受AMD影响同样也是0%N1%变化不明显，从1%—100%是显著升高的，100%—200%趋于平缓。这是AMD低pH、高Eh、EC的综合污染所致。

  不同浓度AMD灭菌处理同AMD未灭菌出处理的稻田上覆水在pH、Eh及EC方面的总体趋势表现出基本一致的变化，但两者之间仍然存在显著的不同（图1），说明AMD中硫铁细菌等微生物对稻田水环境的理化特性具有显著的影响，灭菌稻田上覆水pH、EC普遍高于未灭菌的，(图1(a)(c))。Eh则是灭菌组明显低于未灭菌(图1(b))。

2.2 AMD污染对稻田上覆水重金属Fe、Mn、Cu、Zn含量的影响

从模拟AMD污染对稻田上覆水环境影响的实验结果来看，稻田水环境中Fe、Mn、Cu、Zn含量都出现不同浓度的变化，总体水平都是随AMD浓度的增加而升高（图2）。在0%~10%的5个浓度范围内稻田土上覆水中Fe、Mn含量基本无变化，随着AMD浓度的升高至50%—100%时稻田土上覆水中Fe、Mn含量显著升高，超过100%后稻田土对Fe、Mn的缓冲能力消失，Fe、Mn含量增加到最大值后变化趋于平缓。Cu、Zn含量在0%~10%变化并不明显，10%—200%含量显著增加。不同浓度AMD灭菌处理同AMD未灭菌出处理的稻田上覆水在Fe、Mn、Cu、Zn方面的浓度水平总体趋势表现出基本一致的变化，略有一点差异，说明AMD中硫铁细菌等微生物对稻田水环境中重金属Fe、Mn、Cu、Zn没有明显的影响。

2.3 AMD污染对稻田上覆水中总氮含量的影响

实验结果（图3）表明，AMD的持续污染明显降低了土壤总氮的含量，且随着AMD浓度的增加土壤总氮含量总体呈显著降低趋势，证实了稻田上覆水氮的变化。随AMD浓度的增加稻田上覆水总氮含量明显升高，稻田土壤总氮的减少（从2 558.00 mg/kg降至1009.00 mg/kg）为上覆水氮来源提供了可靠依据。在低浓度(0%~1%)区间内该趋势变化并不明显，当AMD浓度大于1%后，稻田水环境中总氮显著升高。这主要是AMD的流人使得pH及盐度等环境的变化促进了土壤有机氮的矿化，使得上覆水体总氮含量升高。

为评估AMD中硫铁细菌对稻田土壤氮的影响情况，对AMD进行灭菌后添加的实验表明，总氮含量的减少与AMD中微生物的生长及活性有很大关系。灭菌组绝大部分微生物被灭亡，而氮矿化是需要微生物参与作用。说明AMD进入农田后，可以大大促进土壤氮的矿化，加快了土壤有机氮向无机氮形态的转化，同时，减少的氮中也包含了微生物体所固持的氮，微生物死后矿化为无机氮，矿化量的增加致使被反硝化释放的氮增加，最终可能导致全氮含量减少。灭菌处理与未灭菌相比，稻田上覆水中总氮表现出基本一致的变化趋势，1%N75%灭菌高于未灭菌，100%—200%灭菌低于未灭菌水平。可见，AMD持续污染对稻田上覆水全氮有着显著的影响，加速了土壤氮向水环境的释放。

2.4 AMD污染对稻田上覆水溶液中氨氮、可溶性有机氮含量的影响

氨氮对人体健康以及生态环境都有极大的危害作用，2008年重点流域水污染考核结果显示，重点流域氨氮超过V类标准值的断面比例为18.9%—22.1%．氨氮已超过化学需氧量成为影响地表水水环境质量的首要指标。AMD对稻田的持续污染造成稻田土壤氮形态的转化，进而影响了水环境氨氮、可溶性有机氮变化(图4(a)~(b))：氨氮从0%N1%变化很小，从1%N50%氨氮含量是显著升高的，这是因为1%N50% pH是显著降低的，过低的pH对硝化细菌影响很大，抑制了微生物的活性，使其硝化反应难以进行。另外随着AMD浓度的增加矿化作用也可能随之增加，从而导致氨氮含量的聚集。50%—200%氨氮逐渐降低，这个区域主要是Fe含量剧增，环境氧化性增强，促进了硝化反应氨的氧化，使得氨氮含量降低。可溶性有机氮0%~1%同样变化不明显，1%N50%可溶性有机氮明显降低，这个区域矿化速率增加导致可溶性有机氮转化而减少。50%—200%显著升高，这个区域随AMD增加矿化减弱，可溶性有机氮得以聚集。

  氨氮的灭菌处理同未灭菌处理表现出基本一致的变化趋势，且1%—100%灭菌处理有着相对较高的浓度水平(图4(a))。可溶性有机氮灭菌与未灭菌变化差异比较大(图4(b))，灭菌组可溶性有机氮变化比较平缓，这应该是灭菌后，矿化所需微生物被杀死，矿化作用无法正常所致o可见，AMD里硫铁细菌等微生物对水稻田氮形态影响还是比较明显的，经灭活硫铁细菌等微生的AMD相对未灭菌显著降低了上覆水可溶性有机氮。

2．S AMD污染对稻田上覆水中硝酸盐氮、亚硝酸盐氮含量的影响

  酸性矿山废水的流入，造成稻田水环境pH、Eh、EC理化性质以及铁锰等重金属含量的极大改变，对稻田上覆水硝态氮、亚硝态氮含量也有一定影响(图4(c)~(d))。随着AMD浓度的增加，稻田上覆水硝酸盐氮的含量总体呈逐渐降低趋势(图4(c))，这主要是因为随AMD浓度增加pH随之降低而在某种程度上抑制了硝化反应进行。AMD中硫铁细菌等微生物对稻田上覆水硝酸盐氮的含量有着显著的影响(图4(c))，灭菌AMD加入后稻田上覆水硝酸盐氮含量显著高于未灭菌的，且随AMD浓度的增加硝酸盐氮含量显著升高。导致这个结果的前因是灭菌组土壤氮矿化比未灭菌高，Zhang J研究表明氧化还原电位增高，反硝化作用会受到抑制，AMD浓度的增加引起氧化还原电位的升高影响反硝化。另外AMD浓度的增加铁离子含量随着增加，环境氧化性增强，可促进硝化反应氨的氧化，使得硝酸盐氮含量累积升高。

  酸性矿山废水对稻田土的持续作用，同样也引起稻田上覆水亚硝态氮的含量变化(图4(d))，随着AMD浓度的增加亚硝酸盐氮的含量变化在0%N1%的4个浓度范围基本影响不大，AMD浓度从1%~10%亚硝酸盐氮含量显著升高，10%～50%显著降低，50%N100%逐渐升高，100%—200%趋于平缓。但总体来看稻田上覆水亚硝态氮还是处于升高的趋势。AMD灭菌处理的稻田上覆水亚硝酸盐氮总体处于降低趋势，在0%~50%区域灭菌高于未灭菌处理(图4(d))，在50%—200%区域灭菌低于未灭菌。导致上述结果的原因可能有以下几个方面：随AMD浓度增加pH随之降低而在某种程度上抑制了硝化反应进行；另一方面，随AMD浓度增加，盐度（电导）增加后，由于氨化细菌比硝化细菌更耐盐度使得稻田土壤的总氮矿化量下降；加之，AMD浓度增加后氧化还原电位的升高也会一定程度上抑制反硝化过程的进行；此外，AMD浓度增加后含铁量的增加也导致环境氧化性增强促进硝化作用。这些因素综合影响下导致稻田上覆水在AMD持续污染下亚硝酸盐氮含量升高。

2.6不同AMD浓度污染与稻田上覆水中不同形态氮以及重金属含量的相关性分析

不同AMD浓度污染与稻田上覆水不同形态氮的相关分析表明，酸性矿山废水进入农田的浓度与稻田上覆水总氮、稻田土壤总氮分别呈极显著正相关（r=0.988，p=0.000）和显著负相关（r=-0.751，p=0.020）关系（表1），与稻田上覆水可溶性有机氮以及亚硝态氮分别呈极显著正相关( r=0.852，p=0.007)和极显著正相关（r=0.923，p=0.003），与稻田上覆水硝态氮呈显著负相关（r=-0.724，p=0.042）。不同AMD浓度污染与稻田上覆水重金属含量的相关分析表明，酸性矿山废水进入农田的浓度与稻田上覆水Fe、Mn、Cu、Zn都呈极显著正相关，分别为（r=0.919，p=0.001）、(r=0.957，p=0.000)、(t=0.940, p=0.001)、(r=0.984 ,p=0.000)。

  说明在贵州煤矿开采地区，大量煤矸石氧化产生的外排酸性矿山废水已显著影响了农田生态系统中氮的数量和重金属的含量以及生物有效性，继而导致大量氮向水体环境释放，为农业生产提供了部分可利用氮素，但是，这些氮素如不控制范围，流人江河湖泊将给周边水体氮的污染带来一定影响。

3结论

  (1)AMD持续污染可造成稻田水环境pH降低，EC、Eh升高、并造成上覆水水重金属Fe、Mn、Cu、Zn的污染；可极显著(p=0.000 1)增加稻田上覆水总氮，可溶性有机氮含量，特别是在AMD浓度较高(大于50%)时比较明显；极显著(p=0.007 5)提高稻田上覆水亚硝酸盐氮的含量；降低硝酸盐氮含量，在AMD浓度1%~50%水平时稻田上覆水氨氮含量极显著(p=0.0001)增加，在50%达到最大值，之后随AMD浓度增加氨氮减少。

  (2)灭菌的AMD可以降低稻田土壤氮的损失、稻田上覆水总氮、可溶性有机氮以及亚硝态氮含量，提高稻田上覆水硝态氮浓度。