湖泊疏浚对沉积物-水界面溶解氧的环境效应

景连东，李 晖

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

湖泊疏浚对沉积物-水界面溶解氧的环境效应

景连东，李 晖

(西南民族大学化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

水体溶解氧含量是水环境质量的重要参数.本研究将室内模拟实验和疏浚工程相结合，探讨了疏浚对沉积物-水界面耗氧能力、微剖面溶解氧分布的环境效应.研究结果显示，疏浚具有降低溶解氧消耗能力的潜在长期效应，但是由于还原性物质的暴露，疏浚后新生表层沉积物短期耗氧能力很强；疏浚没有改变到氧气在沉积物-水界面中的传质深度.结果暗示疏浚可能显著提高重度富营养化湖泊夏季溶解氧含量.

疏浚；溶解氧；沉积物-水界面

水体溶解氧的含量是衡量水环境质量的重要参数，也可以指示人类活动对沉积物及水体的影响[1].沉积物-水界面是湖泊生态系统的重要界面，众多物质的迁移转化过程发生在该界面.该界面上的溶解氧会强烈地影响到湖泊中的地化循环过程.溶解氧可以介入铁、磷的耦合循环控制沉积物中磷的释放[2]；溶解氧含量较高时水体中的氨氮较低[3]；湖泊反硝化进程会受到界面溶解氧的抑制[4].

沉积物疏浚是一项重要的湖泊内源治理技术.沉积物疏浚对溶解氧的影响是疏浚的其他生态环境效应产生的基础.沉积物是湖泊溶解氧消耗的重要场所，其耗氧速率是评判湖泊耗氧能力的重要参数[5].湖泊沉积物是水体中物质的源和汇[6]，也是微生物、底栖动物等生物的聚居地.湖泊疏浚去除了含有大量好氧污染物和生物的表层沉积物，但是也暴露出了含有大量还原物质的深层沉积物.这些还原物质可能消耗大量湖泊中的溶解氧.疏浚后新生表层沉积物耗氧能力有待开展实验进行研究.

沉积物中的微生物、孔隙率等环境条件都可能影响到溶解氧在沉积物－水界面的传质.由于疏浚强烈的改变了这些环境条件，溶解氧在沉积物－水界面的垂向分布也可能产生变化.研究疏浚对溶解氧在沉积物-水界面的垂向微观分布，有助于研究疏浚所产生环境效应的微观机理.但是普通的监测方法，破坏了沉积物-水界面，并且无法获得溶解氧在微观尺度的准确含量.微电极技术解决了这一问题.微电极[7-8]可以测量环境参数在微尺度(微米级)空间上的数值，具有测量空间精度高、数据精度高、测定点无损等优点.

本研究将室内模拟实验和疏浚工程相结合，利用微电极技术和自制好氧动力学设备研究:1)疏浚对湖泊沉积物耗氧能力的影响及影响的时间尺度；2)疏浚对溶解氧在沉积物－水界面微空间尺度的垂向分布的影响.并依据实验结果，以溶解氧的变化为导向，探讨了疏浚工程实施中应该注意的问题.

1 材料和方法

1.1 室内实验样品采集

东钱湖位于位于浙江省宁波市鄞州区东南部(E 120°42′，N 29°49′).为了减轻内源污染，减缓富营养化进程，2009年7月至2013年1月对东钱湖实施了生态疏浚.疏浚范围涉及332万m2，疏浚总量为188.2万m3，疏浚深度30-80cm.

同期于东钱湖UDR采集10 L湖水，由便携式冰箱带回实验室.实验前在25℃对湖水曝气至溶解氧100%饱和.

1.2 沉积物耗氧动力学研究

为研究疏浚后表层沉积物好氧潜力，表层沉积物再悬浮、疏浚淤泥泄露等情况对湖泊水体溶解氧的环境效应.采用自制的耗氧能力测定装置(图1)测定上述三个区域表层沉积物的耗氧能力.

测定中将反应瓶装满曝气后的湖水，按10 g/L (干重/体积)加入新鲜沉积物，开始搅拌并测定开始实验后70 min内溶解氧饱和度衰减情况.测定过程中前5 min每0.5 min读取一次溶解氧含量，5～10 min每1 min读取一次溶解氧含量，10～20 min每2.5 min读取一次溶解氧含量，20～30 min每5 min读取一次溶解氧含量，30～70 min每10 min读取一次溶解氧含量.测定温度为25℃.磁力搅拌器采用相同的功率.实验测定不加沉积物的空白实验.测定实验初始原水和实验结束时悬浊液中Eh和pH值.

由于FDR组在第13 min时溶解氧已经消耗完全，因此选用各组前13 min溶解氧量变化进行一级动力学模型拟合.并计算各组溶解氧半衰期(t1/2)和初始氧耗速率(r0).实验重复2次，结果取平均值.

图1 耗氧能力测定装置示意图Fig.1 Diagram of equipment for oxygen depletion analysis

1.3 沉积物—水界面溶解氧微剖面分布特征

为了研究疏浚对沉积物-水界面剖面分布特征及氧气传质深度的影响，探讨其可能原因.利用微电极分析仪(丹麦Unisense)，研究沉积物—水界面溶解氧微剖面分布特征.

利用UDR和PDR新鲜沉积物和湖水，构建两个区域的微生物抑制和不抑制微宇宙系统.共构建沉积物-水界面烧杯微宇宙系统共4组，各组两个平行.于25℃培养10 d后利用微电极系统分析沉积物—水界面溶解氧的垂直剖面的分布.设定微电极系统电极穿刺步距为500 μm，主机响应时间为3 s.

2 结果及讨论

2.1 沉积物耗氧动力学

扦插繁殖效果的评价指标主要包括生根率、移栽成活率和苗期质量。针叶树种进行扦插时，其繁殖速度、质量是多种因素综合作用的结果，既有扦插的来源和性状、扦插的时间等内部因素，也有激素的处理方法、采取何种扦插方式等外部因素[7]。另外，树的种类不同对各种影响因素的反应也存在差异，影响因素的主次之分也不同，因此在对不同树种进行扦插繁殖时，要采取综合性的措施。早期有研究发现对青海云杉、油松、园柏、龙柏、爬地柏进行扦插繁殖研究，成活率分别达24.5%～31.7%、21.6%、91.6%、77.5%、93%。

各区域沉积物耗氧衰减情况见图2，动力学参数见表1.由图可知，空白组中溶解氧变化可忽略，说明自制设备可靠.各实验组在初期溶解氧均显著下降，尤其是在FDR实验组中.FDR、UDR、PDR实验组溶解氧初期下降速率分别为47.84%/min、4.27%/min、0.95%/min，半衰期分别为1.45 min、16.2 min、72.9 min.FDR组到第13 min时已经无法检测到溶解氧.而UDR和PDR实验组在13 min后下降速率均明显降低.这些结果显示，FDR沉积物短期耗氧能力高出UDR一个数量级，而PDR沉积物短期耗氧能力低于UDR一个数量级.

图2 不同区域沉积物耗氧曲线Fig.2 Consumption curves of oxygen for sediments from different regions

表1 不同区域沉积物一级耗氧动力学(前13 min)Table 1 The first orderkinetics of oxygen consumption for sediments from different regions

沉积物对氧气的消耗包含3个方面[11]:有机物的需氧分解；生物的好氧呼吸作用；还原性物质的氧化，例如NH4＋，Mn2＋，Fe2＋，H2S，FeS和FeS2.由于前两方面跨越的时间尺度较大，因此本实验中氧气的消耗主要是还原性物质氧化耗氧.

湖泊深层沉积物常年处于还原性环境，含有大量的还原性物质.湖泊沉积物深处含有的FeS2和FeS一般高于表层含量[12]；较深层的沉积物中储存有相对较高含量的氨氮[13-14].表2显示了实验结束后不同区域沉积物-水悬浊液pH及Eh变化.实验结束后，悬浊液pH和Eh与原水相比均有不同程度的下降.在UDR、PDR、FDR中Eh分别下降23.8%，27.4%，75.7%；pH分别下降6.7%，10%，9.6%.东钱湖沉积物pH值较水体低，而且沉积物一般含有大量还原性物质，因此实验结束后悬浊液pH值和Eh均下降.在FDR中，Eh下降更为剧烈，这充分说明在FDR表层沉积物中含有大量的还原性物质.分析沉积物中氨氮含量表明，FDR沉积物中含有氨氮0.1 mg/g，明显高出UDR和PDR区域(图3).经过计算，如果将FDR实验组中所有氨氮氧化为硝氮，一共需要消耗掉体系中47.6%的氧气.沉积物中还原性硫化物在氧化的过程中会释放出大量的H＋[10].而FDR实验组pH下降相对于另两组实验并不大，这说明FDR组中还存在大量的还原性物质未被氧化.这说明FDR沉积物的耗氧能力很强.综上所述，疏浚去除了表层沉积物暴露出深层沉积物，因此在新生表层沉积物中含有大量的还原性物质，FDR沉积物耗氧能力明显高出UDR.

然而暴露出的还原性物质会逐步被氧化.疏浚移除了表层沉积物中含有的大量好氧物质和聚居的生物.因此在疏浚结束很久后，表层沉积物中的还原性物质含量会较低，而且其再生能力因为表层沉积物的去除也较弱.因此，PDR沉积物的耗氧能力低于UDR.

表2 耗氧动力学研究前后沉积物-水悬浊液pH及EhTable 2 pH and Eh in initial water and sediment-water suspension before and after experiment

图3 各区域沉积物中氨氮含量Fig.3 Ammonia content in sediment from different regions

2.2 沉积物—水界面溶解氧微剖面分布特征

PDR和UDR沉积物-水界面溶解氧微剖面分布见图4.由图可知，在PDR上覆水中的溶解氧含量明显高于UDR.溶解氧在沉积物中的传质深度并不深，仅7.5 mm左右，这与其他学者的研究结果是类似的[1，15].表层沉积物中的微生物是消耗溶解氧的重要主体.在抑制微生物活性的沉积物-水系统中，其上覆水中溶解氧含量以及在沉积物中传质的深度均高于同区域沉积物-水系统.溶解氧在PDR和UDR微生物抑制和未抑制的系统中传质深度均无明显差异.

图4 疏浚区和非疏浚区沉积物-水界面溶解氧微剖面分布Fig.4 Dissolved oxygen microprofiles at dredged and undredged sediment-water interfaces

某种物质在相界面的传质过程除了受物质本身性质作用，还受界面性质的影响.部分微生物的代谢活动会消耗溶解氧，因此溶解氧在沉积物中传质过程必然受微生物作用影响；还会受到沉积物孔隙率的影响，根据Fick定律，较高的孔隙率将有利于溶解氧在沉积物中的扩散；溶解氧传质深度也会受到上覆水中溶解氧浓度的影响，上覆水中溶解氧浓度越高越有利于溶解氧扩散进入沉积物.与许多其他研究类似[16-17]，PDR沉积物孔隙率73%左右，显著低于UDR沉积物孔隙率92%(p＜0.05)，因此溶解氧在PDR沉积物中不容易扩散.但是由于表层污染物和微生物的去除，使得PDR上覆水中溶解氧含量相对UDR较高，且PDR沉积物的耗氧能力也较低.所以综合上述分析，本研究中疏浚不会导致溶解氧在沉积物中的传质深度明显的改变.但是Yu等[15]的研究结果研究结果显示疏浚后沉积物传质深度下降.这说明疏浚对沉积物-水界面氧气的传质作用是其改变界面环境条件综合作用的结果，不能一概而论.

2.3 对疏浚工程的指导意义

湖泊溶解氧含量受着多种因素的影响.如果耗氧能力激增，那么水体溶解氧含量必然下降.因此在疏浚时，沉积物的扰动使得大量还原性物质进入水体并导致溶解氧短期内下降.疏浚导致水体溶解氧下降在很多工程实践中被观测到[18].而如果水体耗氧能力下降，水体本身溶解氧水平较高，那么此时水体溶解氧水平也不会有明显增高或降低.东钱湖疏浚对水体溶解氧长期效应属于这种情况.东钱湖并不存在严重的富营养化问题，所以东钱湖中的疏浚不会进一步显著提高水体中的溶解氧含量.本研究结果与Morgan研究类似[19].

在一些重度富营养化湖泊中，在夏季总是存在严重的氧亏损问题.如果在此类湖泊中进行沉积物疏浚，长期看来可显著降低沉积物耗氧能力，并且可能显著提高夏季水体的溶解氧.但是在短期内疏浚会导致还原物质的释放，耗氧能力激增，因此疏浚应该避开夏季高温季节或者分区域施工，以免加重该类湖泊缺氧.

3 小结

1)由于暴露出了深层沉积物中的还原性物质，疏浚后表层沉积物短期耗氧能力激增并可能造成水体溶解氧含量下降；

2)疏浚结束多年后的表层沉积物耗氧能力很弱，疏浚具有降低溶解氧消耗能力的潜在长期效应.但是在本研究中，疏浚没有影响到氧气在沉积物-水界面中的传质深度.

3)疏浚可能显著提高重度富营养化湖泊夏季溶解氧含量.此类湖泊中的疏浚应该避开夏季高温季节，以免加重缺氧问题.

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(责任编辑:李建忠，付强，张阳，罗敏；英文编辑:周序林，郑玉才)

Environmental effects of lake dredging on dissolved oxygen at sediment-water interface

JING Lian-dong，LI Hui
(School of Chemistry and Environmental Protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

Dissolved oxygen is a crucial parameter of water quality.This paper combined simulated experiments and a dredging project to study the environmental effects of dredging on oxygen consumption by sediment and vertical distribution of oxygen at sediment-water interface.The results showed that dredging had potential long term effectiveness of decreasing oxygen consumption.However，because of reducing substances exposed by dredging，new surface sediments can consume oxygen extensively on short term.Furthermore，the dredging did not change the penetration depth of oxygen.This study suggested that dredging may increase summer dissolved oxygen concentration in hyper-eutrophication lake.

dredging；dissolved oxygen；sediment-water interface

X131.2；X52

A

2095-4271(2016)06-0632-06

10.11920/xnmdzk.2016.06.007

2016-07-21

景连东(1986-)，男，羌族，四川绵阳人，讲师，博士.研究方向:水体富营养化及其控制方向的研究.E-mail:schjld＠gmail. com；schjld＠swun.cn

国家自然科学基金(51609205)