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(nèi)源磷釋放的短期效應(yīng)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(yīng)進行模擬實驗,分析了上覆水體的Eh、pH和磷質(zhì)量濃度隨時間的變化規(guī)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(tài)磷質(zhì)量比的垂向變化規(guī)律。結(jié)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(tài)不是影響沉積物釋磷的主要因素。

底泥疏浚;磷;沉積物;連續(xù)提取法;大縱湖

底泥疏浚較多地應(yīng)用于湖泊富營養(yǎng)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(huán)境效應(yīng)的研究成為一大熱點[1-5]。底泥疏浚的環(huán)境效應(yīng)按時間尺度可分為短期效應(yīng)和長期效應(yīng)。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(yīng),而疏浚后對污染物的控制效應(yīng)以及對生態(tài)系統(tǒng)的影響則為長期效應(yīng)。

疏浚過后的湖泊,在外源性污染得到有效控制的情況下,內(nèi)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(yǎng)化及其治理的主要限制性營養(yǎng)元素[7-8]。筆者對大縱湖疏浚后沉積物磷的短期釋放規(guī)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(qū)概況

大縱湖位于江蘇省鹽城市西南,距市區(qū)約42km,為興化、鹽城界湖,面積約3000hm2。除北部一塊為風景區(qū)外,大縱湖大部分水域均為養(yǎng)殖區(qū),很多當?shù)貪O民以船為家。生活污水隨意排放對湖泊水質(zhì)造成了極大破壞,同時,由于存在大量的淡水養(yǎng)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(yǎng)化現(xiàn)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?，F(xiàn)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(tài)分析。為了保證采集的沉積物柱樣有較好的同質(zhì)性,兩根柱芯在非常接近的區(qū)域內(nèi)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(nèi)(?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(nèi)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(tài)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(yǎng)元素的總體行為進行探討。

2.2 樣品分析

水樣磷形態(tài)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(chǎn)的HACH-sension 156便攜式多參數(shù)測定儀進行測量。沉積物干樣磷形態(tài)分析采用Ruban等[10]在歐洲標準測試委員會框架下發(fā)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(tài)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(tài)連續(xù)提取流程

3 實驗及分析

3.1 沉積物磷形態(tài)變化規(guī)律

用SMT連續(xù)提取法測定沉積物中各種磷形態(tài),疏浚和未疏浚情況下沉積物中磷形態(tài)質(zhì)量比的垂向變化規(guī)律比較結(jié)果見圖2。

圖2 沉積物中磷形態(tài)質(zhì)量比垂向變化規(guī)律

分析圖2可知,大縱湖底泥的TP質(zhì)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(zhì)量比突然減小并且基本穩(wěn)定在一定水平。OP與TP的垂向變化規(guī)律很相似,而IP約占TP的66%左右,且比例較穩(wěn)定。NAIP是與Fe、Mn、Al氧化物及其氫氧化物結(jié)合的磷和松散結(jié)合態(tài)磷,為生物易利用的活性磷成分,基本可以反映內(nèi)源磷的潛在釋放量[12]。從圖2(e)可見,底泥中NAIP質(zhì)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(zhì)量比較低。而AP為鈣結(jié)合態(tài)磷,是磷形態(tài)中較惰性的成分,難以被生物利用。根據(jù)尹起范等[13]的觀點,在人為磷輸入量較高的湖區(qū),AP的質(zhì)量比應(yīng)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(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),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(tài)可以看出,疏浚沉積物中各種形態(tài)磷的質(zhì)量比均遠遠低于未疏浚沉積物。疏浚前底泥中的NAIP最大質(zhì)量比為47.8mg/kg,疏浚后底泥中的NAIP最大質(zhì)量比為29.9mg/kg,疏浚后比疏浚前質(zhì)量比平均降低37.4%,疏浚后內(nèi)源磷的潛在釋放量大大降低。疏浚后比疏浚前TP最大質(zhì)量比降低52%,IP最大質(zhì)量比降低28.6%,OP最大質(zhì)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(tài)磷的質(zhì)量比,降低其內(nèi)源釋放風險。

3.2 上覆水體Eh、pH隨時間的變化規(guī)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(tài)培養(yǎng)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(tài)的值,分析其隨時間的變化規(guī)律。

上覆水體Eh、pH隨時間的變化規(guī)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(guī)律基本一致:在前96h內(nèi)總體呈下降趨勢,而在96～168h逐漸上升。整個培養(yǎng)期內(nèi),Eh從120 mV左右變成60mV左右,均處于較低水平(＜200mV),pH值在培養(yǎng)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(chuàng)造了有利條件[14]。再比較經(jīng)過168h接觸釋放后未疏浚沉積物與疏浚沉積物的Eh、pH,發(fā)現(xiàn)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(zhì)量濃度時間變化規(guī)律

圖3 上覆水體Eh、pH隨時間變化規(guī)律

3.3 上覆水體磷形態(tài)隨時間的變化規(guī)律

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

張路等[15]通過擾動實驗發(fā)現(xiàn),磷的吸附作用在擾動后30min內(nèi)基本達到平衡。因此,根據(jù)其觀點,筆者實驗所觀察到的是系統(tǒng)平衡期過后磷在沉積物—水界面的釋放現(xiàn)象,足以反映疏浚對磷行為的短期效應(yīng)。由圖4可見,培養(yǎng)初期,未疏浚的TP質(zhì)量濃度變化很不穩(wěn)定:0～6h內(nèi)逐漸減小,6～9h內(nèi)突然增大并在9h達到最大值1.54mg/L,隨后又在9～12h內(nèi)急劇下降并保持較穩(wěn)定的變化趨勢。DTP質(zhì)量濃度在培養(yǎng)3h時達到最大值0.12mg/L,隨后呈現(xiàn)波浪式變化趨勢,144h時達到最小值0.02mg/L。SRP質(zhì)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(zhì)量濃度低于未疏浚時的水平,并且顯示出隨培養(yǎng)時間逐漸降低的較穩(wěn)定的變化趨勢,在144h時達到最小,144～168h內(nèi)稍有回升;DTP質(zhì)量濃度在整個培養(yǎng)期內(nèi)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(huán)境中,疏浚30cm后產(chǎn)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(yǎng)初期質(zhì)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(yǎng)時間的增長,其質(zhì)量濃度逐漸減少至168h達到最低值?？傮w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(jié)果相一致。

圖5 TP、DTP、SRP釋放速率時間變化規(guī)律

從3種形態(tài)磷釋放速率隨時間變化規(guī)律(圖5)可見,實驗培養(yǎng)過程中,疏浚沉積物和未疏浚沉積物對TP呈吸附狀態(tài),對DTP、SRP呈釋放或弱吸附狀態(tài),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(yǎng)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(yǎng)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(tài),未疏浚沉積物呈輕微釋放狀態(tài)。

上覆水體中的磷形態(tài)之所以呈現(xiàn)這樣的變化規(guī)律,主要是因為剛開始培養(yǎng)時,擾動比較大,使底泥中的溶解態(tài)磷發(fā)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(zhì)量比降低。另外,結(jié)合Eh、pH的變化規(guī)律可知,培養(yǎng)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(jié)合成為穩(wěn)定的氫氧化物,由于離子交換作用,與Fe3+、Al3+結(jié)合的磷(NAIP)被重新釋放到水中[18]。由于Eh在整個培養(yǎng)期內(nèi)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(zhuǎn)化成可溶的Fe(OH)2,有助于Fe及被其吸附的磷酸鹽轉(zhuǎn)變成溶解態(tài)而析出,從而增加沉積物磷的釋放量[14]。

經(jīng)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(zhì)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(jīng)過168h接觸釋放后,未疏浚底泥上覆水的TP、DTP、SRP質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量濃度,并未有效控制沉積物向上覆水體釋放TP、DTP、SRP 。

4 結(jié) 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(yīng)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(yīng)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(yǎng)168h后,疏浚30cm的底泥中各種形態(tài)磷質(zhì)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(tài)的質(zhì)量比。但是短期室內(nèi)模擬結(jié)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(yīng),沉積物磷形態(tài)并不是影響沉積物釋磷的主要因素。

d.疏浚的短期效應(yīng)只能反映疏浚后一段時間內(nèi)的效果,而疏浚作為一種治理水體富營養(yǎng)化的手段,其長期效應(yīng)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(yǎng)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(huán)境效應(yīng)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(guī)律研究[D].南京:河海大學,2005.

[4]王俊.底泥對河流水質(zhì)影響的數(shù)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(tài)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(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)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(tài)及pH值對磷釋放的影響[J].中國環(huán)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(tài)分布及其對水體的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2009,37(12):5631-5633.

[14]王愛萍,楊守業(yè),周琪.長江口崇明東灘濕地沉積物對磷的吸附特征[J].生態(tài)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(jié)性變化[J].環(huán)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(tài)分布的影響[J].環(huán)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(tài)分布的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)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(huán)境演變規(guī)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)