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粪便泄漏模拟后的泥质沉积物中的磷和氮负荷深度Shalamar D. Armstrong1, Douglas R. Smith1, Phillip R. Owens2, Brad C. Joern2, April B. Leytem3, Chi H. Huang1, and Olayiwola Adeola4
1USDA -ARS, 国家土壤侵蚀研究实验室, 275 South Russell St., West Lafayette, IN 47907, USA (e-mail: Sarmstro@purdue .edu) ; 2 美国农业部, 915 West State St., West Lafayette, IN 47907- 2054, USA ; 3 USDA -ARS, 西北灌溉与土壤研究实验室, 3793 North 3900 East Kimberly, ID 83341, USA ; and 4 动物科学系, 915 West State St., West Lafayette, IN 47907- 2054, USA . Received 11 January 2010, accepted 23 February 2011.
Armstrong, S. D., Smith, D. R., Owens, P. R., Joern, B. C., Leytem, A. B., Huang, C. H. and Adeola, O. 2011. 在粪便溢出模拟后的河流沉积物中的磷和氮负荷深度。Can. J.土壤科学。 91：427-436。粪便泄漏后河流沉积物中的氮（N）和磷（P）负荷的深度尚未记录。因此，本研究的目标是：（i）使用fluvarium技术确定基础流条件下粪便泄漏的N和P富集深度;（ii）评估沉积物粒度分布对N的影响和P浓缩深度。使用从农业排水沟收集的溪流模拟器和沟渠沉积物模拟粪便泄漏。在粪便泄漏模拟过程中，所有沉积物的磷吸附能力随时间呈指数下降，NH4-N吸附量随时间保持恒定。观察到所有沉积物中的P和NH4-N载量均为2 cm深度，但浓度最高的浓度范围为0至1 cm，浓度范围为3至12 mg P kg -1和7.2至45 mg NH4 -N kg -1.本研究的数据为推进粪便泄漏修复奠定了基础，该粪便泄漏修复将通过粪便泄漏后富集沉积物中营养物质的释放来减少地表水的损害。
关键字：粪便溢出，沉积物，氮，磷，混合深度
粪便泄漏的氮（N）和磷（P）负荷会对水生生态系统和人类健康产生负面影响（Burkholder等，1997; Mallin等，2000）。 接受N和P过量负荷的水生生态系统可能变得富营养化，因为P通常是限制淡水生态系统中藻类初级生产的营养素（Correl 1998）。此外，N是植物生长的必需营养素。 N负荷对人体健康的主要影响是地下水的硝酸盐（NO3-N）污染，可导致高铁血红蛋白血症（蓝婴综合症）（Townsend等，2003）。 此外，N负荷可导致鱼类死于NH3和NH4的毒性水平（De La Torre等人2004; Kater等人2006），以及生物需氧量增加（Mallin等人，2000）。目前推荐的到达地表水的粪便泄漏的修复措施包括含有（用土坝），移除和施用受污染的水柱，而P和N富集的河流沉积物仍然存在（伊利诺伊州环境保护局1999;印第安纳州 2002年环境管理; Kewaunee县威斯康星大学扩展2003）。 该方法旨在消除水柱中的P和N污染。 然而，它忽略了河流沉积物，这些沉积物能够在溢出过程中充当P和N的重要汇，并成为后续流动的源泉。因此，污染的河流沉积物可能会在粪便泄漏后数周和数月进一步损害水柱。 在北卡罗来纳州，Burkholder等人。 （1997）调查了污染30公里下游地表水的粪便泄漏。 在溢出后对水柱取样最多2个月后，他们发现溢出后第14天和第61天的总磷浓度分别为0.8和0.35 mg L -1。这些所得浓度比上游参考总P浓度0.16 mg L 1大5倍和2倍。水柱NH4-N浓度也观察到了可比较的结果，其中在粪便溢出后的第61天NH4-N浓度 比上游的参考浓度高92％。尽管该研究中的粪便泄漏没有得到补救，但数据表明，受污染的河流沉积物能够将水柱中的平衡P和N浓度转移到上游平均浓度以上，并在泄漏后最多2个月。 此外，阿姆斯特朗等人。 （2009）模拟了猪粪泄漏和目前的粪便泄漏修复方法与不同粒度分布的河流沉积物。他们认为，在实施现行的粪便泄漏修复方案后，所有沉积物在后续流动23小时后将P释放到水柱中，平均浓度为0.17 mg L -1。 此外，该平均水柱P浓度是生态区IV的总P的EPA营养标准的两倍[0.076 mg L-1; 美国环境保护局（USEPA）2000]。基于证据表明在粪便泄漏后水柱继续受到受污染的河流沉积物的损害和控制，需要进一步表征粪便泄漏后河流系统中P和N污染的广泛性。 对溢油后营养物富集深度的更深入了解将为补充沉积物处理的发展奠定基础，这些处理可以减轻受污染沉积物中营养物质的解吸。 因此，本研究的目的是（i）使用流体技术在基流条件下确定粪便泄漏（12：1粪便与水的比率）导致的N和P污染物的沉积深度;（ii）评估 沉积物粒度分布对N，P污染深度的影响。
材料和方法
沟渠沉积物集合和背景分析
图 1在位于印第安纳州东北部的雪松溪流域内对沉积物和沟渠水进行抽样的子流域地图。 小流域，中流域和大流域分别用大写字母A，B和C表示
在印第安纳州东北部的Cedar Creek流域，从三个小流域（小，中，大）的排水沟收集沟渠沉积物（图1）。 小型，中型和大型采样位置分别代表大约311,1410和4300公顷的排水区域。采样点周围的主要土壤是布朗特（精细，伊利石，mesic Aeric Epiaqualfs）; Pewamo（精细，混合，活跃，mesic Typic Argiaquolls）和Glynwood（精细，mesic Aquic Hapludalfs）[USDA-国家资源保护局（USDA-NRCS）2002]。在土壤剖面的前23厘米内，布朗特土壤CEC的范围为9至21 meq100 g- 1，pH范围为5.6至7.3。 Pewamo和Glynwood土壤的CEC分别为18至39和10至21 meq 100 g- 1土壤，土壤pH值范围为5.6至7.3（USDA-NRCS 2002）。 Blount，Pewamo和Glynwood土壤最常见的坡度分别为 1 -4％，0 -1％和3 -6％（USDA-NRCS 2002）。在小流域内，布朗特（72％）和Pewamo（22％）占排水面积的94％，在中等流域，两个土壤占排水面积的72％（布朗特52％，Pewamo 20％）。 在大流域内，布朗特（27％），Pewamo（21％）和Glynwood（14％）土壤占排水面积的62％。
每个沟渠周围的土地利用情况类似：农业作物种植面积从83％到85％，草地和牧场从8％到13％，森林从3％到6％（Smith等人，2005年）。
从每个取样点收集大约110L的沉积物和2L的沟渠水。从Purdue动物科学研究和教育中心收集了19升猪粪。通过使用铲子从沟渠底部移除4cm的底栖沉积物来收集沟渠沉积物样品。使用来自流中心的1-L Nalgene瓶收集沟渠水样。所有样品在48℃冷藏直至进行基线化学和物理分析。在水和粪便样品收集的24小时内，将60mL水样子通过0.45mm滤膜过滤，并将60mL猪粪子样品通过Whatman 42滤纸重力过滤。此外，水和猪粪样品都用HCl酸化，并使用电感耦合等离子体 - 光发射光谱法（ICP-OES）分析溶解的P.还使用Konelab Aqua 20（EST Analytical，Medina，OH）和USEPA方法350.1（USEPA 1983）比色分析水和粪便样品的NH 4 -N。消化60mL水样子和60mL粪便子样品（硫酸汞）并使用EPA方法351.2对TKN和EPA方法365.4对TP（USEPA 1983）分析总凯氏氮和总凯氏值P.使用APHA 3030E硝酸 - 高氯酸消化方法和ICP-OES（美国公共卫生协会1992）分析猪粪中的总Ca，Na，Fe，Al和K.沉积物样品的pH值使用1：1的沉积物与模拟沟渠水的比率来确定，这是Thomas和Hargrove（1984）中提到的方法的改进。将模拟沟渠水（加入CaCl2浓度为2.5mM的去离子水）用作pH方法中的溶液，以确定溶液基质中沉积物的pH，该溶液基质与收集时的实际沟水相似。 使用Mehlich 3萃取程序分析所有沉积物中可萃取的Fe，Al，Ca和P，其中含有0.2 M CH3COOH，0.25 M NH4NO3,0.015 M NH4F，0.013 M HNO3和0.001 M EDTA，萃取率为1 ：10（Mehlich 1984）。 使用Whatman no。重力过滤Mehlich 3萃取剂。 42滤纸，并使用ICPOES进行分析。 另外，使用来自Mehlich 3提取物的P，Fe和Al的摩尔浓度计算沉积物P饱和度（Maguire和Sims 2002;等式1）。
P饱和度= Pmmol/kg=(Almmol/kg Femmol/kg) （1）
比重计方法用于确定沉积物粒度分布（第1965天），并且灼烧失败程序用于确定沉积物有机碳含量（Nelson和Sommers 1982）。 根据国家土壤侵蚀研究实验室在流域监测期间收集的数据，确定每个采样地点的水柱平均溶解磷和NH4-N浓度。 每天使用自动取样器（6712 Isco Inc.，Lincoln，NE）从每个取样位置收集水样并冷藏至4℃。 从每天300mL的复合水样品中，使用H2SO4将20mL子样品酸化至pHlt;2，用0.45mm膜过滤，并使用Konlab Aqua 20比色分析P和NH4-N。
粪便泄漏模拟和浓缩测定
为了评估在河流系统中发生粪便泄漏期间和之后溶解的P和NH4-N的分配，进行了一系列粪便溢出模拟。 泄漏模拟需要构建流模拟器（fluvarium），其模拟在基本流动条件下在沉积物上的恒定水流。 基于Smith和Pappas（2007）中描述的流模拟器，使用符合0.75m长0.23m宽，深度为0.04m的金属板构建流感器（图2）。 使用循环流动，流体在恒定的沉积物路径上模拟恒定流量的沟渠水（0.06 L s-1）23小时。 水在沉积物上的连续流动由装在水库中的电动泵提供动力。此外，在循环流动的23小时（0.06L s-1）期间，使用自动进样器每小时从样品池收集水样（60mL）。用0.45mm膜滤器过滤20毫升水子样品，用HCl酸化，然后使用前述方法分析可溶性P和N在23小时吸附阶段之后，立即实施当前的粪便泄漏补救程序。每个沟渠沉积物的粪便泄漏模拟包括两种处理：（1）未受污染的未受污染的河流（对照）; （2）受猪粪污染并使用现行补救措施（溢油）进行补救的溪流。对于溢出处理，使用12：1比例的猪粪与模拟沟渠水来模拟在基流条件下到达排水沟的粪便泄漏。猪粪与模拟沟渠水的比例对于达到P和NH4 浓度是必要的，这些浓度是
图 2显示用于进行猪粪溢出模拟的流体的侧视图。 该图未描绘实际流体的正确比例。
在到达地表水的粪便泄漏的现场调查中观察到的（Hoorman等人，2005）。
在23小时的粪便溢出模拟之后，使用蠕动泵从对流体中移除对照的水和溢出处理的水和猪粪的混合物。使用两个高度为1cm，内径为5.08cm的金属土壤采样环，从0至1cm和1至2cm深度收集每种处理的沉积物样品。将两个环堆叠并压入沉积物中，得到总采样深度为2cm。收集沉淀物后，分析样品的水可萃取P和NH4-N。用于测定松散结合的P和NH 4 -N的提取方法是Olsen和Sommer（1982）中列出的方法的改进。将8克湿沉淀物与30mL模拟沟水在250mL离心瓶中摇动1小时，用0.45mm膜滤器过滤，用HCl酸化，并用Konlab Aqua 20进行比色分析。沉积物样品使用1：1比例的沉积物与模拟沟渠水进行测定。使用先前所述的方法，使用Mehlich 3提取溶液测定溢出后沉积物的P饱和度。
水柱中P和N浓度的降低被认为是P和N吸附到水柱河流沉积物表面复合物的直接指示（House等人1995; McDowell和Sharpley 2003; Smith和Pappas 2007; Armstrong等，2009）。由于溢出模拟期间初始溶解的P和N浓度的变化，使用相对浓度（相对于绝对P和NH 4 -N水柱浓度
的浓度）分析沉积物的吸附曲线。使用85％置信区间（Payto
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