底泥疏浚對湖泊內源磷釋放的短期效應研究

高慧琴,劉 凌,閆 峰,方澤建

(河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

底泥疏浚對湖泊內源磷釋放的短期效應研究

高慧琴,劉 凌,閆 峰,方澤建

(河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

對大縱湖底泥疏浚的短期效應進行模擬實驗,分析了上覆水體的Eh、pH和磷質量濃度隨時間的變化規律,以及沉積物中總磷、無機磷、有機磷、鐵/鋁磷、鈣磷等5種形態磷質量比的垂向變化規律。結果表明:底泥疏浚30cm對上覆水體Eh、pH以及磷濃度控制效果不顯著,且沉積物磷形態不是影響沉積物釋磷的主要因素。

底泥疏浚;磷;沉積物;連續提取法;大縱湖

底泥疏浚較多地應用于湖泊富營養化治理中,但其治理效果目前仍存在很大爭議,因此,對底泥疏浚環境效應的研究成為一大熱點[1-5]。底泥疏浚的環境效應按時間尺度可分為短期效應和長期效應。疏浚工程試驗過程中所引起的再懸浮及對污染物遷移的影響為短期效應,而疏浚后對污染物的控制效應以及對生態系統的影響則為長期效應。

疏浚過后的湖泊,在外源性污染得到有效控制的情況下,內源釋放就成為造成水體污染的主要原因[6]。磷被認為是研究湖泊水體富營養化及其治理的主要限制性營養元素[7-8]。筆者對大縱湖疏浚后沉積物磷的短期釋放規律進行模擬實驗,以期為湖泊最佳疏浚方案的制定提供參考。

1 研究區概況

大縱湖位于江蘇省鹽城市西南,距市區約42km,為興化、鹽城界湖,面積約3000hm2。除北部一塊為風景區外,大縱湖大部分水域均為養殖區,很多當地漁民以船為家。生活污水隨意排放對湖泊水質造成了極大破壞,同時,由于存在大量的淡水養殖漁場,剩余的飼料、魚蝦所排廢物等進一步加重了湖泊富營養化現象,湖底淤泥深度較厚,最深處大于1m。

2 實驗方法

2.1 樣品采集

樣品采集于2009年11月13日進行。現場采用裝有?90mm×500mm有機玻璃管的柱狀采樣器在大縱湖采樣點(119°49′11″E,33°10′19″N)垂直采集2根長度不少于40cm的沉積物柱芯,一根用于制成模擬疏浚的柱狀樣,另一根用于沉積物的磷形態分析。為了保證采集的沉積物柱樣有較好的同質性,兩根柱芯在非常接近的區域內一次性采集。對其中一根用虹吸法抽去上層水體,采用上頂法把表層10cm沉積物移入到另一洗凈的有機玻璃管內(?90mm×500mm),制成模擬未疏浚的柱狀樣,再切去20cm厚的沉積物,把剩余沉積物(10cm長)上頂至另一洗凈的有機玻璃管中,制成模擬疏浚30cm的柱狀樣。模擬柱狀樣制作完成后兩端用橡皮塞塞緊,垂直放置于陰涼處,4h內帶回實驗室。另一根按2cm分層,一直分到深度40cm處,樣品用無菌封口袋分裝,并帶回實驗室凍干,過100目篩,用于磷形態分析。取0～10cm深度的沉積物模擬未疏浚的情況,用30～40cm深度的沉積物模擬疏浚的情況。本模擬疏浚試驗雖然不能完全符合真實疏浚的情況,但這并不妨礙對疏浚前后營養元素的總體行為進行探討。

2.2 樣品分析

水樣磷形態采用文獻[9]中的方法進行測量分析,Eh、pH采用美國哈希公司生產的HACH-sension 156便攜式多參數測定儀進行測量。沉積物干樣磷形態分析采用Ruban等[10]在歐洲標準測試委員會框架下發展的SMT分離方法,該程序操作上含有3個獨立的提取步驟,包括 5種形態的磷:總磷(TP)、無機磷(IP)、有機磷(OP)、鐵/鋁磷(NAIP)和鈣磷(AP)。具體流程如圖1所示。

圖1 沉積物磷形態連續提取流程

3 實驗及分析

3.1 沉積物磷形態變化規律

用SMT連續提取法測定沉積物中各種磷形態,疏浚和未疏浚情況下沉積物中磷形態質量比的垂向變化規律比較結果見圖2。

圖2 沉積物中磷形態質量比垂向變化規律

分析圖2可知,大縱湖底泥的TP質量比較高,由于水生生物的生長吸收磷,使得活性磷減少,“活性點位”相對增多,從而導致底泥對磷的吸附能力增強[11],所以表層0～5cm,TP的最大吸附量最大,5～10cm深度,TP質量比突然減小并且基本穩定在一定水平。OP與TP的垂向變化規律很相似,而IP約占TP的66%左右,且比例較穩定。NAIP是與Fe、Mn、Al氧化物及其氫氧化物結合的磷和松散結合態磷,為生物易利用的活性磷成分,基本可以反映內源磷的潛在釋放量[12]。從圖2(e)可見,底泥中NAIP質量比較低,這主要是由于大縱湖水生植物豐富,水生植物的生長吸收了底泥中的NAIP,從而使其質量比較低。而AP為鈣結合態磷,是磷形態中較惰性的成分,難以被生物利用。根據尹起范等[13]的觀點,在人為磷輸入量較高的湖區,AP的質量比應該較高。圖2(d)所示AP占IP的比例很大,主要是因為大縱湖大部分水域均為水產養殖區,人為輸入的磷量很高。

再比較疏浚和未疏浚的沉積物中各種磷形態可以看出,疏浚沉積物中各種形態磷的質量比均遠遠低于未疏浚沉積物。疏浚前底泥中的NAIP最大質量比為47.8mg/kg,疏浚后底泥中的NAIP最大質量比為29.9mg/kg,疏浚后比疏浚前質量比平均降低37.4%,疏浚后內源磷的潛在釋放量大大降低。疏浚后比疏浚前TP最大質量比降低52%,IP最大質量比降低28.6%,OP最大質量比降低71%。綜上可知,疏浚30cm可能會大大削減沉積物中各種形態磷的質量比,降低其內源釋放風險。

3.2 上覆水體Eh、pH隨時間的變化規律

沉積物模擬土柱帶回實驗室后,緩慢注入采樣點采集的水,靜態培養168h,分別測量上覆水體在0、3、6、9、12、24、48、72、96、120、144、168h 的 pH 、Eh以及水體中TP、可溶性正磷酸鹽(SRP)、可溶性總磷酸鹽(DTP)3種磷形態的值,分析其隨時間的變化規律。

上覆水體Eh、pH隨時間的變化規律如圖3所示。由圖3可知,未疏浚和疏浚30 cm的上覆水體Eh、pH變化規律基本一致:在前96h內總體呈下降趨勢,而在96～168h逐漸上升。整個培養期內,Eh從120 mV左右變成60mV左右,均處于較低水平(＜200mV),pH值在培養過程中均呈堿性或弱堿性,這為沉積物磷向上覆水體釋放創造了有利條件[14]。再比較經過168h接觸釋放后未疏浚沉積物與疏浚沉積物的Eh、pH,發現二者差異不顯著,說明疏浚30cm對湖泊上覆水體的Eh、pH影響不明顯。

圖4 上覆水體TP、DTP、SRP質量濃度時間變化規律

圖3 上覆水體Eh、pH隨時間變化規律

3.3 上覆水體磷形態隨時間的變化規律

實驗測得上覆水體TP、DTP和SRP 3種形態磷的質量濃度隨時間的變化規律見圖4,釋放速率隨時間的變化規律見圖5。

張路等[15]通過擾動實驗發現,磷的吸附作用在擾動后30min內基本達到平衡。因此,根據其觀點,筆者實驗所觀察到的是系統平衡期過后磷在沉積物—水界面的釋放現象,足以反映疏浚對磷行為的短期效應。由圖4可見,培養初期,未疏浚的TP質量濃度變化很不穩定:0～6h內逐漸減小,6～9h內突然增大并在9h達到最大值1.54mg/L,隨后又在9～12h內急劇下降并保持較穩定的變化趨勢。DTP質量濃度在培養3h時達到最大值0.12mg/L,隨后呈現波浪式變化趨勢,144h時達到最小值0.02mg/L。SRP質量濃度在6h達到最大值0.07mg/L,隨后逐漸遞減,144h時達到最小值0.016 mg/L。疏浚后,TP質量濃度低于未疏浚時的水平,并且顯示出隨培養時間逐漸降低的較穩定的變化趨勢,在144h時達到最小,144～168h內稍有回升;DTP質量濃度在整個培養期內均低于未疏浚時的水平,且其變化趨勢與未疏浚情況下DTP的變化趨勢很相似,這主要是因為沉積物原來處于低 Eh的還原環境中,疏浚30cm后產生的沉積物疏浚新生層直接與含氧較多的上覆水接觸,Eh突然升高,底泥對磷的吸附作用增強,從而導致疏浚沉積物向上覆水體釋放DTP的能力低于未疏浚沉積物向上覆水體釋放DTP的能力;SRP在培養初期質量濃度很高,甚至遠遠高于未疏浚時的同期水平,但隨著培養時間的增長,其質量濃度逐漸減少至168h達到最低值。總體看來,上覆水中的DTP和SRP的變化趨勢較為相似,這與金相燦等[16]對太湖沉積物中磷的釋放研究的結果相一致。

圖5 TP、DTP、SRP釋放速率時間變化規律

從3種形態磷釋放速率隨時間變化規律(圖5)可見,實驗培養過程中,疏浚沉積物和未疏浚沉積物對TP呈吸附狀態,對DTP、SRP呈釋放或弱吸附狀態,且疏浚沉積物DTP、SRP釋放速率總體上均低于未疏浚沉積物DTP、SRP釋放速率。培養初期,疏浚沉積物TP、DTP、SRP釋放速率顯著均低于未疏浚沉積物TP、DTP、SRP釋放速率,但隨著培養時間的增長,兩者逐漸接近,到168h時,疏浚沉積物與未疏浚沉積物對TP的吸附速率基本相同,而對于DTP和SRP,疏浚沉積物呈吸附狀態,未疏浚沉積物呈輕微釋放狀態。

上覆水體中的磷形態之所以呈現這樣的變化規律,主要是因為剛開始培養時,擾動比較大,使底泥中的溶解態磷發生明顯釋放[17],隨著體系磷的吸附釋放過程的進行,某些磷可能再次被吸附在沉積物表面,使上覆水體的磷質量比降低。另外,結合Eh、pH的變化規律可知,培養初期水體堿性較強,而在堿性條件下,水中的OH-與沉積物中Fe3+、Al3+結合成為穩定的氫氧化物,由于離子交換作用,與Fe3+、Al3+結合的磷(NAIP)被重新釋放到水中[18]。由于Eh在整個培養期內均處于較低水平,這有利于Fe3+還原成Fe2+,易使不溶的Fe(OH)3轉化成可溶的Fe(OH)2,有助于Fe及被其吸附的磷酸鹽轉變成溶解態而析出,從而增加沉積物磷的釋放量[14]。

經過168h的接觸釋放后,疏浚和未疏浚底泥的上覆水體TP、DTP、SRP質量濃度均遠遠低于初始值,說明底泥對磷的吸附效果明顯。然而,經過168h接觸釋放后,未疏浚底泥上覆水的TP、DTP、SRP質量濃度分別為 0.0709mg/L、0.0286mg/L、0.017 3mg/L,疏浚底泥上覆水的TP、DTP、SRP質量濃度分別為0.0577mg/L、0.0267mg/L、0.0156mg/L,可見疏浚底泥上覆水的TP、DTP、SRP質量濃度與未疏浚的沒有顯著差異。未疏浚沉積物和疏浚沉積物對TP、DTP、SRP的釋放速率差異不明顯。因此,從短期效果來看,疏浚并未顯著減少上覆水體TP、DTP、SRP的質量濃度,并未有效控制沉積物向上覆水體釋放TP、DTP、SRP 。

4 結 論

a.接觸釋放168h后,疏浚底泥的上覆水體Eh、pH與未疏浚底泥的Eh、pH差異不明顯。從短期效應來看,疏浚對大縱湖上覆水體Eh、pH的改善效果不顯著。

b.接觸釋放168 h后,疏浚與未疏浚底泥的上覆水體TP、DTP、SRP特征值差異不顯著。從短期效應來看,疏浚對大縱湖上覆水體TP、DTP、SRP特征值的控制效果不明顯。

c.培養168h后,疏浚30cm的底泥中各種形態磷質量比顯著低于未疏浚底泥,可見疏浚30 cm大大削減了沉積物中的各種磷形態的質量比。但是短期室內模擬結果顯示,疏浚對上覆水磷的影響并不顯著,說明對于短期效應,沉積物磷形態并不是影響沉積物釋磷的主要因素。

d.疏浚的短期效應只能反映疏浚后一段時間內的效果,而疏浚作為一種治理水體富營養化的手段,其長期效應需進一步的研究。

[1]濮培民,王國祥,胡維平,等.底泥疏浚能控制湖泊富營養化嗎?[J].湖泊科學,2000,12(3):269-279.

[2]鐘繼承,范成新.底泥疏浚效果與環境效應研究進展[J].湖泊科學,2007,19(1):1-10.

[3]周揚屏.南湖疏浚后底泥氮、磷釋放規律研究[D].南京:河海大學,2005.

[4]王俊.底泥對河流水質影響的數學模型研究進展[J].水資源保護,2009,25(S1):55-60.

[5]曹卉,曹諍,張選岐,等.東錢湖污染底泥疏挖吹填特性[J].水利水電科技進展,2008,28(S1):162-163.

[6]董浩平,姚琪.水體沉積物磷釋放及控制[J].水資源保護,2006,22(4):20-23.

[7]SCHINDLER D W.Evolution of phosphorus limitation in lakes[J].Science,1977,195:260-262.

[8]彭杜,劉凌,胡進寶.玄武湖沉積物磷形態的垂向變化和生物有效性[J].水資源保護,2009,25(1):31-35.

[9]魏復盛,寇洪茹,洪水皆.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社,2002.

[10]RUBAN V,LOPEZS,PARDO P,et al.Harmonized protocol and certified reference material for the determination of extractable contents of phosphorus in freshwater sediments:a synthesis of recent works[J].Fresenius'Journal of Analytical Chemistry,2001,370(2/3):224-228.

[11]高麗,楊浩,周健民.湖泊沉積物中磷釋放的研究進展[J].土壤(Soils),2004,36(1):12-15.

[12]金相燦,王圣瑞,龐燕.太湖沉積物磷形態及pH值對磷釋放的影響[J].中國環境科學,2004,24(6):707-711.

[13]尹起范,孫建,金都,等.洪澤湖沉降物中磷的形態分布及其對水體的影響[J].安徽農業科學,2009,37(12):5631-5633.

[14]王愛萍,楊守業,周琪.長江口崇明東灘濕地沉積物對磷的吸附特征[J].生態學報,2006,25(8):926-930.

[15]張路,范成新,秦伯強,等.模擬擾動條件下太湖表層沉積物磷行為的研究[J].湖泊科學,2001,13(1):35-42.

[16]金相燦,姜霞,王琦,等.太湖梅梁灣沉積物中磷吸附/解吸平衡特征的季節性變化[J].環境科學學報,2008,28(1):24-29.

[17]李大鵬,黃勇,李偉光.底泥擾動對上覆水中磷形態分布的影響[J].環境科學學報,2009,29(2):279-284.

[18]郭志勇,李曉晨,王超,等.pH值對玄武湖沉積物中磷的釋放及形態分布的影響[J].農業環境科學學報,2007,26(3):873-877.

Short-term effect of sediment dredging on endogenous phosphorus release

GAO Hui-qin,LIU Ling,YAN Feng,FANG Ze-jian
(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The short-term effect of sediment dredging on endogenous phosphorus release of the Dazong Lake was studied.The variation of Eh,pH and phosphorus content of overlying water with time,and the vertical change of mass ratio of TP,IP,OP,NAIP and AP in sediment phosphorus were analyzed,The results showed that the sediment dredging of 30 cm had no significant effect on the Eh,pH and phosphorus content of overlying water,and the form of phosphorus was not the significant influencing factor of phosphorus release in sediment.

sediment dredging;phosphorus;sediment;SMT;Dazong Lake

X143

A

1004-6933(2011)03-0033-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.008

國家自然科學基金(50879018);國家重點實驗室專項(1069-50987112)

高慧琴(1987—),女,江西贛州人,碩士研究生,研究方向為水環境演變規律與保護。E-mail:ghuiqin87@163.com

劉凌,教授。E-mail:lingliu@hhu.edu.cn

(收稿日期:2011-01-20 編輯:徐 娟)