哈素海湖底沉积物氮磷分布特征及潜在的资源化利用探讨

2019-06-18杨志岩赵胜男朱永华田卫东

中国土壤与肥料 2019年2期

孙标，杨志岩，赵胜男，朱永华，田卫东

（1．内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2．内蒙古地质环境监测院，内蒙古呼和浩特 010020）

沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，其不仅能反映水体区域环境的变迁，同时也是氮、磷等营养物质的重要存储库，对污染物的迁移转化和湖泊中营养元素的循环有着重要意义［1-2］。氮、磷元素是水生生物生长的必要元素，同时也是富营养化的限制性要素。沉积物作为氮磷等营养元素的“汇”，积累并储存了来自上覆水体中通过径流、沉降、排污等多种途径进入水体的污染物质，而在一定的物理、化学等环境因子的影响下，沉积物中的氮磷元素可以通过再悬浮等方式重新释放于上覆水体内，成为湖泊氮磷等营养元素的“源”［3-4］。沉积物对上覆水域养分“源”和“汇”效应在湖泊系统的物理、化学和生物循环中起着重要作用，当外源氮磷输入得到有效控制后，湖泊沉积物内源氮磷释放将成为影响湖泊富营养化状态的关键因素［5-6］。

湖泊沉积物中可被植物吸收的氮磷组分，主要为碱解氮和有效磷，研究调查它们的含量状况，对于其肥力及利用前景有着重要的意义。大量的研究表明，资源化利用是沉积物处置中最有前景的方式，沉积物中不仅含有丰富的营养成分，并且沉积物中的腐殖质胶体能使土壤形成团粒结构，使土壤养分更易保持，在实现经济效益的同时也解决了沉积物疏浚的出路问题，实现了沉积物-土壤-作物的良性循环［7-9］。因此，研究湖泊沉积物中氮磷元素的分布特征及其资源化利用潜力对于明确湖泊污染现状、预测污染趋势、评估湖泊水体环境质量、治理湖泊富营养化问题及实现湖泊底泥的经济效益都有着重要的科学和现实研究意义。

本文以内蒙古哈素海为研究对象，探讨湖泊沉积物中氮磷元素的分布特征，并对其资源化利用潜力进行评估，以期为哈素海的富营养化治理提供数据支撑，为其他同类型湖泊的污染防治提供新思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

哈素海（40°34′N～40°38′N，110°56′E～111°1′E）位于内蒙古土默特左旗境内，大青山南侧洪积平原、黄河冲积平原和大黑河冲积平原的交汇处。哈素海南北长9.5 km，东西宽5.3 km，湖面平均海拔为988.5 m，平均水深为1.1 m，最大水深可达1.8 m，围堤总长度约24.1 km［10］。哈素海被称为“塞外西湖”，1996年12月，建立了哈素海湿地自然保护区，2008年被列入“内蒙古自治区级自然保护区名录”，哈素海在防洪抗旱、气候调节等方面都发挥了重要的生态作用［11］。

哈素海以黄河水为主要补给来源，由南侧的民生渠定期补水。美岱沟的水通过哈素海西侧的后河排入哈素海；大青山北侧的西白石头沟、朱尔沟、黑牛沟、苏盖营子沟的水通过哈素海北侧的渠道排入。该区域年平均气温为6.5℃，年降水量为391.8 mm；年平均风速为 2.0 m/s，最大风速为 36 m/s；年蒸发量约为年降水量的5倍［12-13］。

1.2 取样与测定方法

为了全面调查分析哈素海湖底泥中氮磷营养元素的分布情况，于2014年9月10日对哈素海的底泥进行了取样，取样点共20个，取样点的位置如图1所示，布点主要考虑尽可能遍布全湖，且取样船只方便停靠和操作的地点，取样使用柱状采样器，取样深度约2.1 m，取出泥样后，将其分层放入塑料袋中，然后送回实验室进行处理。

实验室分别对表层0～10、50～60、100～110、150～160、200～210 cm泥样进行了测试分析，测试指标包括全氮（TN）、全磷（TP）、碱解氮、有效磷、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg及As。沉积物全氮（TN）、全磷（TP）、碱解氮及有效磷的测试方法，分别采用高氯酸-硫酸消化法、酸熔-钼锑抗比色法、碱解扩散法及碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定。Cu、Zn、Pb、Cd、Cr元素测定采用《现代实用仪器分析方法》；Hg元素测定：NY/T 1121.10-2006；As元素测定：NY/T 1121.11-2006。

图1 研究区水系及底泥取样点分布图

2 结果与分析

2.1 全氮、碱解氮分布特征

哈素海表层底泥中全氮变化的含量范围在0.15～2.14 g/kg之间，均值为0.67 g/kg。其中20%的采样点全氮含量较高，超过1 g/kg，有50%采样点全氮含量超过0.5 g/kg，说明哈素海表层底泥的全氮含量整体较高。应用ArcGIS软件对哈素海表层底泥的全氮进行空间分布分析见图2（a）。从图中可以看出，表层底泥中全氮的水平分布整体有西北及中部向西南及东南逐渐递增的趋势，采样点ZKS11处全氮含量最高，为2.14 g/kg，哈素海表层底泥的低值区为湖泊中心处，ZKG8含量最低，为0.15 g/kg。哈素海表层底泥全氮呈现周边高、中心底的主要原因为，入湖河流及沟渠都位于湖区的南岸和西岸，该区域分布着大量农田、农药和化肥可随地表径流或退水渠排入哈素海，为湖泊提供了丰富的氮源。

哈素海底泥全氮在垂向上的分布如图3（a），由于受沉积环境、底泥形状早期成岩作用及人类活动等的影响，尽管各采样点全氮变化特征有所不同，但基本呈现随着深度增加，全氮含量逐渐减少的趋势。对全湖20个点取均值后，在0～10 cm底泥中的平均值为0.67 g/kg。50～60 cm底泥全氮平均值为0.51 g/kg。100～110 cm底泥全氮平均值为0.33 g/kg。150～160 cm底泥全氮平均值为0.37 g/kg。200 ～ 210 cm 底泥全氮平均值为 0.37 g/kg。这与近年来的工业生产、农业活动的加强有关，人类活动向湖泊输入的氮素明显增加，致使哈素海沉积物的氮含量也呈随深度增加而减少趋势。

哈素海表层底泥中碱解氮空间分布情况见图2（b），含量范围在49.01～177.14 mg/kg之间，均值为107.52 mg/kg，空间分布与总氮不同，湖泊中部与南部属于高值区，基本趋势是从西北向东南逐渐增加。采样点ZKS8处有效氮含量最高，为177.14 mg/kg，哈素海表层底泥的低值区为湖泊西北处，WK39含量最低，为49.01 mg/kg。

哈素海底泥柱心碱解氮含量分布特征如图3（b）所示。从全湖整体看，碱解氮含量在0～10 cm底泥中平均值为107.52 mg/kg，50～ 60 cm处平均值为 56.23 mg/kg。100～ 110 cm处平均值为55.24 mg/kg。150～160 cm 处平均值为 50.79 mg/kg。200～210 cm处平均值为51.76 mg/kg，呈现随着深度增加，全氮含量逐渐减少的趋势，与全氮趋势相一致。

2.2 全磷、有效磷分布特征

哈素海表层底泥中全磷空间分布见图2（c）。全磷的含量范围在0.30～0.45 g/kg之间，均值为0.36 g/kg。磷元素在哈素海表层底泥中的累积由于受沉积环境、底泥的氧化还原环境及水动力条件变化等多种因素共同影响，不同采样点表层底泥中磷水平分布差异较大，总体呈现从西到东逐渐增大的变化趋势，表明了沉积环境和水动力条件的变化对磷在底泥中的累积有一定影响，并在一定程度上反映了磷来源的多样性。采样点ZKQ9处全磷含量最高，为0.45 g/kg，哈素海表层底泥的低值区为湖泊西北处，ZKU8含量最低，为0.30 g/kg。

哈素海底泥柱心全磷含量分布特征如图3（a）所示。从取样点均值看，全磷含量在0～10 cm底泥中平均值为 0.36 g/kg。50～ 60 cm 处平均值为 0.38 g/kg。100 ～ 110 cm 处平均值为 0.34 g/kg。150 ～ 160 cm 处平均值为 0.34 g/kg。200 ～ 210 cm处平均值为0.35 g/kg。垂向呈现无明显变化趋势，不同深度的全磷含量较为相似，说明近年来外源输入的磷没有明显增加的趋势，底泥中磷的含量基本为本底值。

哈素海表层底泥中有效磷空间分布见图2（d），有效磷的含量范围在11.91～23.53 mg/kg之间，均值为15.99 mg/kg。空间上北部和东侧较高，西侧及南部偏低，有效磷含量在采样点WK25处最高，为23.53 mg/kg，WK18 含量最低，为 11.91 mg/kg。

哈素海底泥柱心有效磷含量分布特征如图3（b）所示。从全湖整体看，有效磷含量在0～10 cm底泥中平均值为16.0 mg/kg。50～60 cm处平均值为 18.34 mg/kg。100～ 110 cm处平均值为 16.24 mg/kg。150 ～ 160 cm 处平均值为 16.98 mg/kg。200～210 cm处平均值为15.36 mg/kg。基本呈现随着深度增加，有效磷含量稍有减少的趋势。

2.3 潜在的资源化利用分析

据《2000年中国环境状况公报》公布，由于有机肥投入不足，化肥施用不均衡，使耕地土壤退化，耕层变浅，耕作能力恶化，保水能力降低，耕地中微量元素缺乏约占50%，70%～80%养分不足［14］。因此，经过适当处理后，湖泊沉积物具有很大的资源化利用潜力。

图2 哈素海表层沉积物中氮磷元素空间变化趋势

图3 哈素海底泥氮磷元素垂向分布

哈素海处于土默川平原，该区域土层平均全盐量为1.52～8.39 g/kg，土壤碱化度在22.5%～56.7%之间，属于内蒙古自治区典型的盐渍土分布区。土壤由粉砂及粘砂土等黄河冲积物组成，是典型的大青山洪积扇和土默川平原过渡带。哈素海周边可利用土壤的养分含量较低，有机质含量为0.92%，属于低肥力。碱解氮、有效磷含量分别为32.0、2.1 mg/kg，处于缺损状态［15］，见表1。因此，哈素海底泥与周边土壤的物理化学性质存在一定的互补性，若将哈素海底泥与土壤进行混合改良，可使土壤理化性质得到一定改善。对于内蒙古同类湖泊乌梁素海，已有学者在内蒙古河套灌区进行了大田试验研究，利用乌梁素海底泥对河套灌区的土壤进行改良，并取得了良好的效果［16］。

由于哈素海与乌梁素海都属于灌区富营养化湖泊，底泥营养物质都较高，同属于灌区湖泊，底泥的基本物理性质具有一定的相似性。另一方面哈素海灌区是自治区大型黄灌区之一，与河套灌区土壤具有相似的特性，及土壤含盐量高，氮、磷、有机质缺乏。两区域的相关指标见表1。由表1可知，哈素海周边土壤中虽然全氮全磷含量较丰富，但碱解氮有效磷含量很低，土壤处于氮磷素养分缺乏状态，哈素海底泥中富含氮、磷营养元素。其底泥中碱解氮、有效磷、有机质的含量都要高于乌梁素海，所以其具有较好的农用价值。如能将哈素海的底泥进行疏浚挖掘，一方面可改善哈素海的沼泽化的进程，还可以利用疏浚的底泥作为土壤改良剂与肥料，进行资源化利用，土壤的基本理化性质可以得到较好的改良。

表1 区域底泥及周边土壤相关指标均值

林莉等［17］对目前沉积物疏浚后不同处置方式的成本费用做了相关研究，结果显示：以热干化、焚烧、农业肥利用、生物修复法、电动力学技术方式进行处置的费用分别为330.85 、244～487、15～30、8～32、32～169元/m3，与其他处置方式相比作为农用肥利用的费用处在较低范围，且不存在焚烧等其他方法在处置时还会释放大气污染物等现象，是目前最有前景的处置方式。根据刘旭［16］在乌梁素海的大田试验结果，每公顷地改良20 cm的耕作层土壤大约需要900 m3的沉积物，结合林莉等［17］的研究结果计算后，利用沉积物改良土壤的费用大约为13 500～27 000元/hm2，参考新花［18］的研究在内蒙古地区使用化肥增加土壤肥效的费用约为1 950元/hm2。相比于施用化肥来说，沉积物改良的费用虽然还维持在较高的水平，但沉积物其中的腐殖质胶体能使土壤形成团粒结构，养分更易保持，作用力也更持久于化肥，避免了化肥施用后引起的土壤板结、污染环境等副作用，对于一些盐碱化贫瘠土壤使用沉积物改良有其特殊的优势。另一方面沉积物在农业资源化利用的同时也解决了湖泊底泥疏浚后堆放引起的土地占用问题。

相关的研究也显示，用于农田的沉积物提高了蔬菜品质（如蔬菜中维生素C含量增加，硝酸盐含量下降）和产量［19］；苏德纯等［20］将官厅水库疏浚底泥进行预处理后用作植物生长介质，发现植物生长良好；刘旭［16］利用乌梁素海的沉积物与附近农田的土壤进行不同比例的混合后种植向日葵，其中底泥与土壤1∶1配比和原土壤相比，向日葵生理特指标株高提高了28.6%，收获产量提高了22.0%，籽粒的营养物质总氨基酸含量提高了0.5%、蛋白质含量提高了4%。上述试验研究结果也进一步证实了沉积物农田资源化利用后的增产能力不逊于化肥的施用，湖泊沉积物农田资源化利用的潜力巨大。

为了进一步判断哈素海沉积物在资源化利用时有毒元素的影响，参考《土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618-2018）中的风险筛选值，使用单因子指数法［21］和地累积指数法［22］分别对哈素海沉积物中的重金属含量进行评价，评价方法如表2，哈素海沉积物重金属含量统计及评价结果见表3。

表2 单因子指数、地累积指数评价方法

表3 哈素海沉积物中重金属含量及计算结果

对于重金属含量整体而言，底泥中Zn含量最高，Cr次之，从全湖平均值来看，重金属含量Zn、Cr、Cu、Pb、As、Cd、Hg含量平均值分别为128.10、77.14、32.29、28.25、13.76、0.05、0.04 mg/kg。评价结果显示，7种重金属的单因子指数均小于1，未出现超标现象，其中As和Zn的值最为接近《土壤环境质量标准农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618-2018）的风险筛选值。由于重金属有富集作用，使用地累积指数评价结果显示，7种重金属的地累积指数均小于0，为无污染状态。所以，哈素海沉积物在重金属毒性方面都在国家要求的风险值范围以内，可以进行资源化利用。