物理改良对湖泊沉积物和间隙水特征的影响

古小治,王 强,张 雷,申秋实,王兆德,范成新 (1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008；2.中国科学院研究生院,北京 100049；.山东工艺美术学院建筑与景观设计系,山东 济南 25000)

物理改良对湖泊沉积物和间隙水特征的影响

古小治1,2,王 强3,张 雷1,2,申秋实1,2,王兆德1,2,范成新1*(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008；2.中国科学院研究生院,北京 100049；3.山东工艺美术学院建筑与景观设计系,山东 济南 250300)

采用物理改良措施覆沙和底质疏松,对南四湖湿地沉积物-水微界面氧化还原状况及间隙水营养盐垂向分布特征的影响进行了研究.结果表明,改良措施能够有效地改善沉积物的物理结构及氧气的垂向分布.在沉积物-水界面附近,覆沙和底质疏松均能显著提高界面处氧化层的厚度,覆沙效果最佳.随着剖面深度的增加,间隙水中 NH4+和可溶性 PO43-浓度呈指数关系增长,改良措施能有效降低间隙水中 PO43-的含量,轻度底质疏松的效果最佳,差异显著(P＜0.05).而界面以下NO3-和氧气浓度呈指数关系下降,在沉积物中10cm以下时营养盐接近一个常数,在 4mm以下溶解氧接近 0.对剖面沉积物不同形态的磷组分进行统计检验表明,改良措施能有效提高表层沉积物中 NH4Cl-P 及BD-P(铁磷)的含量.

南四湖；沉积物；间隙水；磷形态

南四湖是山东省重要水源地,为南水北调工程东线必经通道[1].对湖泊水体来说,沉积物犹如一个营养贮存库,湖泊水体富营养化程度与底泥营养物释放有较为密切的联系[2-3].有关通过沉积物改性来控制湖泊内源污染的技术手段,主要包括污染底泥疏浚[4],吹填[5](用清洁表土覆盖污染底泥)及添加化学试剂如铝盐和钙盐来固定磷酸盐[6]等.前两者控制底泥营养盐释放在一些湖泊治理中起到了一定的积极作用,但随着时间的推移,良好的水质状态不能保持.而添加化学试剂成本高且易带来对湖泊的二次污染.

作者采用原位间隙水采样器技术(Peeper)[7]及微氧电极技术来模拟研究物理改良措施对沉积物-水微界面沉积物氧化还原状况及间隙水营养盐的影响,旨在探讨通过底泥疏松、覆沙的物理改良措施,达到有效改善表层沉积物氧化还原状况、孔隙度等,以较低成本有效控制内源污染的目的,为今后该区植被的生长和恢复创造条件.

1 材料与方法

1.1 Peeper结构简介

Peeper主体是由一系列小室组成,小室两侧覆盖一层渗析膜,室内预先封装去离子水,利用渗析膜过滤的特性,使膜两侧水体(如去离子水和间隙水)中一些可溶离子和分子交换达到平衡. Peeper制作材料为有机玻璃,20个小室并行排列,间隔 1cm,每一小室体积约为 6.4ml,孔径为0.45μm的渗析膜,具生物惰性,使用时用双面夹板固定于采样器主体板上.

1.2 实验设置

以南四湖新薛河入湖口原位柱状沉积物为研究对象,采用室内模拟在有机玻璃柱(φ 170mm×350mm)中培养方法,在柱状玻璃管中插入peeper来获得沉积物间隙水溶液.实验设4个处理: 原状土,覆沙(表层 5cm沉积物和沙按照1:1体积拌匀),轻度基底疏松即划耕(划耕疏松深度20cm、间距5cm),重度基底疏松即翻耕(翻耕深度20cm),每种处理设置3个重复.

1.3 水土界面溶解氧的测定

水土界面氧气的垂向分布采用溶氧微电极进行(PreSens,德国)测定.该微电极的有效测定区(sensing tip)小于 20μm,涂有固态光敏荧光粉;在0～100%空气饱和度水体中,氧气浓度与光强呈线性关系;电极反应时间小于 1s;每次使用前,采用饱和空气(100%氧气)与加入Na2SO3的纯净水(0%氧气)进行两点校准.电极安装在微电极操作器(专利 ZL2007200439 28.3)上,每秒下移电极0.037mm进行连续测定,直至氧气含量接近0.

1.4 间隙水的采集与分析

将 Peeper垂直插入底泥至预定深度.自Peeper 投放时间计起,平衡 30d,从泥中拔出Peeper,即刻用低压水枪冲洗其单面所附泥块,并用吸水纸吸干膜外部湖水,立即用移液枪穿孔抽取适量体积间隙水装入具塞小瓶中,2h内带回实验室,水样过GF/F滤膜后用Skalar流动分析仪(SKALAR San++,荷兰)进行 PO43-, NH4+, NO3-, NO2

-分析.

1.5 沉积物性质分析

1.5.1 水分含量、容重、空隙度的测定 水分测得采用烘干法在105℃下烘6h,含水率为沉积物烘干前后质量差值与原有湿沉积物质量的比值.湿容重采用环刀法测定.利用柱状采样器,采集表层沉积物柱样,保持原始结构不被破坏,将湿底泥填满金属小环(h＝0.90cm,φ＝3.50cm),容重为湿沉积物的质量与小环体积的比值.在 105℃下烘6 h,孔隙度按下面公式计算[7].

式中:Ww为沉积物鲜重;Wd为沉积物干重.

1.5.2 总碳和总有机碳的测定 总碳和总有机碳用TOC分析仪(LiquiTOCII,德国Elementar公司生产)测定.

1.5.3 沉积物NH4+、NO3-、总氮、总磷及磷形态的测定 沉积物NH4+、NO3-含量测定:称取相当于10g烘干土的新鲜沉积物, 2mol L KCl溶液浸提(液:土= 5:1),振荡30min ,过滤后比色法(波长为 210nm)测定浸提液中 NO3-含量,纳氏比色法(波长为420mm)测定浸提液中NH4+含量.总氮(TN)的测定为碱性过硫酸钾消解后在波长210nm比色法测定.磷形态测定采用 Emil等[8-9]方法测定,将沉积物磷分为弱结合态(NH4Cl-P),铁磷(BD-P),铝磷(NaOH-P),钙磷及部分有机磷(HCl-P),残渣态磷(Res-P).总磷(TP)的测定采用SMT法,具体见文献[10].

2 结果与讨论

2.1 沉积物特征分析

从表1可见,经物理改良后沉积物的物理性质得到明显改善.水分含量和孔隙度明显升高,尤其是经过翻耕处理后效果最为明显.改良措施对沉积物剖面 NH4+的垂向分布影响较大,其中覆沙和原位沉积物表现出相同的分布规律,即在底层(15～20cm)出现最大值,向表层和底层逐渐增大.而对于基底疏松如翻耕和划耕后的处理, NH4+在剖面上的最大值则出现在亚表层(5～10cm),然后随深度增加而其含量向表层和底层逐步减少.沉积物中TOC和NO3-的含量具有明显的垂向分布特征,前者随剖面深度增加而逐步增加,后者则降低.划耕和翻耕处理后,TN在剖面的分布呈现出表层高于低层的趋势.C/N通常被作为识别有机质来源和类型的一个重要指标,C/N 越高有机质就越难降解,比值在 5～6时,被认为是新鲜的或易降解的有机质组分;当比值高于 10时,被认为是难降解有机质组分

[11-12].从表1可看出,沉积物中C/N 在各处理间变化较大,经覆沙、划耕和翻耕后均有不同程度的下降,其中沉积物翻耕处理后下降最为明显,而较低的C/N和通气状况对有机质的矿化分解至关重要,这可能成为间隙水营养盐的一个重要来源[13-14].

2.2 物理改良措施对沉积物-水界面氧分布及剖面沉积物间隙水中营养盐分布的影响

间隙水营养盐的垂向分布如图 1所示,在水土界面附近 PO43-、NH4+、NO3-、NO2

-存在明显的浓度梯度,除 NO3-外,其他离子间隙水中含量高于上覆水.这可能与表层有机质较低的C/N和良好的通气状况有关(表 1,表 2),从而影响到营养盐的扩散迁移速率[12-13].将间隙水 4种营养盐的浓度和剖面深度进行曲线拟合,发现两者符合Cx= C0⋅exp (α⋅x)的关系,其中C0和α为常数,-1＜α＜1, x为剖面深度(cm).其中 PO43-浓度随剖面深度增加而增加,在距离沉积物-水界面 8～10cm 时达到最大值,而后略有下降. NO2

-、NH4+和PO43-呈现出类似的分布趋势,但划耕和翻耕处理后, NH4+在间隙水中含量最大值出现在界面附近的2～3cm左右.

表1 不同的改良措施下沉积物的基本性质Table 1 Primary property in the sediments with different physical amelioration measures

图1 沉积物间隙水中PO43-、NH4+、NO3-、NO2-的垂向分布Fig.1 Vertical profiles of PO43-、NH4+、NO3-、NO2- in pore water of sediments

表2 氧气在水土界面附近沉积物中的衰减方程Table 2 Oxygen dissipation equation in water-sediment surface

NO3-在间隙水分布与PO43-、NH4+和NO2-刚好相反,随深度增加,间隙水中含量急剧下降,在沉积物剖面10cm以下含量波动较小.在水土界面附近沉积物中氧气浓度随剖面深度增呈指数下降,也符合Cx=C0⋅exp (-k⋅x)关系,C0表示理想状态下沉积物界面处氧气的浓度(mg/L);k为氧气衰减常数(mm-1),符合一级指数方程.对各处理沉积物间隙水中四种营养盐含量进行统计检验发现,与原位沉积物相比,划耕处理后 PO43-在间隙水中含量显著下降(P＜0.05),覆沙和翻耕处理间隙水中含量虽略有下降但并不显著(P＞0.05).从图 2各处理溶解氧的分布趋势看,氧气由上覆水向沉积物扩散,随深度增加 O2含量急剧下降,氧气在沉积物1.2～3.0mm时接近0,经覆沙,翻耕与划耕分别处理后,沉积物氧气的渗透深度分别提高了 60%,84%,136%,各个处理之间与原状沉积物相比,氧气的半浓度衰减深度在统计上均达到显著的差异(表2),结合前面覆沙、划耕和翻耕后间隙水中 PO43-均有不同程度地下降,这说明提高沉积物-水界面氧化层厚度对降低间隙水中 PO43-含量是可行的,这一点与范成新等[4]研究一致.覆沙处理间隙水中 NH4+含量下降,差异不显著,划耕和翻耕处理后间隙水中NH4+含量均增加,仅翻耕处理后差异显著.

图2 O2在水土微界面处的垂向分布Fig.2 Vertical characteristics of oxgen at the water-sediment surface

3种改良措施均能显著降低间隙水NO-含

3量(P＜0.05),其中划耕的效果最佳,将间隙水NO3-和底泥中交换态含量进行相关性分析,发现两者相关性并不显著,这说明间隙水中的含量并非主要是由底泥释放产生,宋金明等[15]认为沉积物中吸附态NO3--N主要来自上覆水,其 NO3--N的分布受上覆水中浓度和分布的影响.本研究中硝态氮在界面附近随剖面深度增加而急剧下降这一现象从侧面验证了这一推论.而划耕处理后NO3-含量最高从侧面也说明了该处理能显著改善间隙水中氧化还原电位,因为在氧化还原电位较低时间隙水中 NO3-被还原为NO-2或NH4+.而NO2-在覆沙、翻耕和划耕后含量均有所增加,仅划耕处理差异显著(P＜0.05). NO2-含量增加可能与间隙水中 NO3-含量相应增加有关,因为NO2-主要来源于 NO3-反硝化过程.在沉积物界面以下溶解氧耗尽时,有机质产生大量 NH4+,NO3-在缺氧条件下进行反硝化作用,这也导致随深度增加 NO3-含量迅速锐减少而NH4+迅速增加[16].另外Iqbal等[17]研究认为由于PO43-比NO3-有较强的化学吸附能,沉积物表面的矿化吸附点位一般被PO43-饱和,导致NO3-在沉积物颗粒上的吸附不充分,NO3-主要在沉积物的空隙水中积累.随剖面沉积物深度增加,沉积物孔隙度和含水量降低(表 1),较低的渗透性会进一步限制NO3-的迁移,这也是 NO3-沿剖面下降的原因之一.

2.3 物理改良措施对磷赋存状态的影响

对沉积物样品采样连续提取方法得到不同的磷组分(图3), NH4Cl-P(弱结合态磷)在沉积物剖面上没有明显的分布规律,一般表层含量总体上高于下层,占总磷的0.29%～0.80%,最大值出现在覆沙处理 10～15cm处.经覆沙、划耕及翻耕后,NH4Cl-P含量均有所增加,与原位沉积物含量相比覆沙和划耕差异显著(P＜0.05).BD-P(铁磷)和NaOH-P(铝磷)提取态磷数量在总磷中所占的比例大体相当,是具有释放潜力的一部分磷,其含量基本可以反映出沉积磷的潜在释放量.铁存在着氧化还原平衡,随深度增加,沉积物还原能力大大增强,当Fe3+被还原为Fe2+时,结合的磷随着二价铁的溶出而被释放到间隙水,这也可能成为间隙水磷的一个重要来源[18].

图3 各处理在不同深度的沉积物中不同磷形态占总磷百分含量Fig.3 Composition of P-fractions at different depths in the sediment of each treatment

翻耕和划耕后表层沉积物氧化层厚度均显著增加,改良后铁磷在总磷中所占的比例均有所上升,覆沙和翻耕的处理铁磷虽有所增加但效果并不显著,划耕效果最佳,差异显著(P＜0.05).其中0～5cm 表层沉积物中铁磷比例增加比较明显.表层氧化电位提高促使 Fe2+转化为 Fe3+导致铁磷的形成.相反在厌氧条件下,铁磷、铝磷有向钙磷、闭蓄态磷转化的趋势.覆沙、翻耕和划耕对HCl-P及 Res-P在总磷中所占比例影响不显著.HCl-P(钙磷及部分有机磷)是沉积物磷的主要形式,占总磷的 43%～66%,随深度增加其在总磷中比例略有降低,这表明钙磷及部分有机磷有向表层积聚的现象,可能与表层较高的钙含量和有机质有关.而Res-P的剖面分布与NH4Cl-P类似,表层含量略高于下层,其含量在总磷中比例次于HCl-P,两者占总磷的66%～83%.而朱光伟等[19]调查长江中下游湖泊发现后两者在总磷中的比重达到 90%以上,高于南四湖.Lopez等[20]认为Res-P主要是一些惰性有机磷和不易被转化的无机磷组成.一般认为,NaOH-P, HCl-P和残渣态磷不参与养分循环,相比之下,PO43-,NH4Cl-P, BD-P和易分解有机磷可作为有机体的有效养分参与地球化学过程.

3 结论

3.1 物理改良措施能明显改善湿地沉积物的物理性质如容重、空隙度、C/N、氧气渗透深度等,采用底质疏松的方法与覆沙处理达到了较为一致的效果.

3.2 剖面沉积物间隙水中 PO43-、NH4+、NO3-和NO2-含量在水土界面附近的沉积物中呈指数分布,其中划耕和翻耕措施改变了沉积物间隙水中铵氮的分布状况,表现出与原位沉积物中相反的分布趋势.3种改良措施均可增加沉积物-水界面沉积物氧化层厚度,从而有效减少间隙水中可溶性PO43-,划耕效果最佳差异显著.

3.3 改良措施能有效提高NH4Cl-P及BD-P(铁磷)的比例,尤其是表层沉积物中的含量.间隙水中PO43-主要受制于沉积物中弱结合态含量及铁磷含量,而间隙水中硝态氮分布受上覆水中的浓度和分布影响.

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Influence of physical amelioration on the characteristic of sediments and pore waters in Lake Nansi Wetland.

GU Xiao-zhi1,2, WANG Qiang3, ZHANG Lei1,2, SHEN Qiu-shi1,2, WANG Zhao-de1,2, FAN Cheng-xin1*(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3.School of Architecture and Landscape Design, Shandong University of Art and Design, Jinan 250300, China). China Environmental Science, 2010, 30(2)：256～262

Investigation was carried out to evaluate the impact of physical amelioration treatments (fine sand covered and sediment loosened) on the sediments and pore water in Lake Nansi wetland in China. Oxygen microprofles near sediment-water interface and the vertical distribution of pore-water nutrients (PO43-, NH4+, NO3-and NO2-) in the uppermost sediment were determined. The treatments could effectively improve sediment physical structure (i.e. water content, porosity et al.) and oxygen depth-distribution. The oxic zone thickness at sediment-overlying water interface was significantly widened in fine sand covered and loosened sediments treatments compared with those in-situ sediments treatment(P ＜0.05), and the oxygen furthermost penetrations were determined in fine-sand covered treatment. The NH4+and PO43-distribution in the vertical profile exhibited a nearly exponential increase and a NO3-decrease with depth in 10 cm surface sediment, indicating an approximate constant concentration below 10 cm depth. Otherwise, dissolved oxygen sharply deceased with depth at the water-sediment surface and arrived near zero mg/L at the 4 mm depth. All treatments could decrease PO43-concentration in pore water, and the lowest interstitial PO43-concentration was found in slightly loosened sediment treatments (P ＜0.05). Also, NH4Cl-extractable PO43-and bicarbonate dithionite (BD)-extractable PO43-contents increased significantly in slightly loosened sediment treatment, especially in surface.

Lake Nansi；sediment；pore water；phosphorus species

X144,O657.31

A

1000-6923(2010) 02-0256-07

2009-07-21

“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAC10B03);国家自然科学基金资助项目(40730528);江苏省太湖水污染治理科技专项(BS2007161)

* 责任作者, 研究员, cxf@niglas.ac.cn

古小治(1979-),男,河南义马人,中国科学院南京地理与湖泊研究所博士研究生,主要从事湖泊污染与湿地修复的研究.发表论文10余篇.