遼西濕地底泥中氮、磷、有機(jī)質(zhì)的變化及污染評價

遼西濕地底泥中氮、磷、有機(jī)質(zhì)的變化及污染評價

據(jù)報道，30%40%的湖泊和水庫受到富營養(yǎng)化的影響。20世紀(jì)90年代末的研究結(jié)果表明，中國富營養(yǎng)化湖泊總數(shù)超過77%，對飲用水源、漁業(yè)和娛樂水的影響很大。對于富營養(yǎng)化湖泊，為了降低外部養(yǎng)分的輸入，影響短期內(nèi)改善湖泊水質(zhì)的效果非常緩慢。因為在水下土壤中釋放的氮和磷逐漸釋放，水體的質(zhì)量很難在短時間內(nèi)得到改善。根據(jù)文獻(xiàn)，云南云南云南云南池塘的80%氮和90%磷分布在底部土壤中。因此，控制和修復(fù)水體的富營養(yǎng)化不僅可以減少外部養(yǎng)分的過度輸入，而且可以加強對富營養(yǎng)化程度高的基質(zhì)的管理。許多國內(nèi)外學(xué)者對污泥富營養(yǎng)化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，污泥富營養(yǎng)化嚴(yán)重，對水體存在潛在的生態(tài)風(fēng)險。在持續(xù)外部干擾的條件下，水下污泥的釋放氮和磷的釋放顯著增加，而且很容易粘附在水中的膠體中，這會影響水質(zhì)的改善。隨著人們對水體和土壤污泥富營養(yǎng)化規(guī)律的理解和不斷完善，以修復(fù)污染水體，保持水環(huán)境的良好質(zhì)量。西溪濕地是一個屬河流兼沼澤型的國家級濕地,調(diào)查取樣區(qū)域面積約3.15km2,區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布,池塘眾多,水面率高達(dá)50%.近年來,該濕地水體透明度下降,部分河道水華叢生,水體富營養(yǎng)化程度較重.據(jù)調(diào)查,該濕地水體及底泥中氮、磷和有機(jī)污染物主要來自3個方面:一是濕地上游鄉(xiāng)鎮(zhèn)部分未經(jīng)截流處理的生活和工業(yè)污水均通過河道進(jìn)入該濕地;二是濕地地處城郊,隨著城市化的推進(jìn),該濕地實現(xiàn)了戶戶通自來水,失去了保護(hù)水質(zhì)的動力;三是養(yǎng)豬業(yè)占了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)養(yǎng)殖近70%,生產(chǎn)生活污染對濕地水體的影響比較嚴(yán)重.本研究利用特制的取土器鉆取連續(xù)完整的濕地底泥,測試了總氮(TN)、總磷(TP)、有機(jī)質(zhì)(OM)在底泥中的含量,同時對表層底泥孔隙水及上覆水中TN、TP、COD等污染項目進(jìn)行了測試,分析了各測試項目在底泥豎向上的分布規(guī)律和特征,為濕地底泥疏浚深度的選取提供了一定的依據(jù);同時,各測試項目在底泥孔隙水及底泥上覆水體中含量的測試和分析,為進(jìn)一步研究污染物在底泥中累積-擴(kuò)散規(guī)律提供參考.1材料和方法1.1取樣位點疏浚本次取樣從2007年1月開始,歷時2d,共布置5個樣點,均分布在該濕地各主要河道中(圖1).為保證取底泥成功,每個點位設(shè)置2個取樣孔(zk1、zk2),以供平行測試.取樣時盡量避開受行船擾動較大的河道中心位置,并且保證取樣點位未曾被疏浚過;為了避免地表沖積物對底泥的影響,取樣點一般需距離河岸3~5m,以確保所取底泥樣品具有較好的代表性和典型性.取樣時,在2條水泥船上架設(shè)特制的水下取土器,將3m長PVC取樣管置入取樣器中,用夯錘將取樣器打入底泥1~2m深度,然后一次性提取1~2m連續(xù)完整底泥樣.該方法可保證所取底泥樣被最小限度擾動,且避免其被污染或被水體稀釋.取樣器提出后,將PVC管連同所取底泥鋸成小段,密封、保存在試樣箱中.在每個底泥取樣點位置用取樣瓶在水面以下50cm取2個樣作為底泥上覆水水樣.本次調(diào)查共取小段底泥樣65個,水樣10個.各點位取樣深度為1.0~1.8m,視底泥硬度差異而定.1.2底泥孔隙水上覆水中重金屬含量本次測試項目包括底泥中TN、TP、OM和底泥孔隙水、上覆水中TN、TP、COD、NH4+-N、pH值等.此外,還對樣品中重金屬含量進(jìn)行測試,但暫不對其進(jìn)行討論.1.3樣品處理和分析方法1.3.1水處理2結(jié)果與討論2.1底泥富營養(yǎng)化程度濕地各個取樣點底泥中TN、TP(均指干土中的含量,下同)及其豎直方向上的變化如圖2所示.從整個濕地范圍上看,在表層底泥中TN、TP的含量明顯高于濕地陸域土壤中的平均含量(TN陸域=0.14%、TP陸域=0.09%).需要說明的是,圖2中所標(biāo)陸域TN、TP平均含量是指濕地陸地多處采樣點TN、TP含量的平均值.西溪濕地表層底泥中TN、TP含量高于其在陸域平均含量,一方面說明排入濕地水體中的外源性N、P等營養(yǎng)物質(zhì)在底泥表層有相當(dāng)程度的富集,另一方面也表明可以用陸域TN、TP平均含量大致判斷底泥受外源性排入水體中營養(yǎng)物質(zhì)影響的范圍和深度.從相關(guān)性來看,各取樣點TN、TP相關(guān)系數(shù)為0.69~0.97,呈顯著正相關(guān),這表明伴隨著底泥富營養(yǎng)化程度的變化,N、P在底泥累積過程中有較高的同步性.豎直方向上,底泥TN、TP含量總體呈下降趨勢,在40~60cm深度附近開始達(dá)到或趨近其陸域平均值,2、3、4取樣點在60cm深度附近TN、TP變化幅度很小并趨于穩(wěn)定;而1和5號取樣點TN、TP隨深度增加急劇減小.范成新等對太湖30cm深度范圍內(nèi)底泥N、P進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn),表層10cm深度以上含量較高,與本次測試結(jié)果比較吻合;桑穩(wěn)姣等對武漢墨水湖4個地點80cm深度底泥污染測試時發(fā)現(xiàn),TN、TP在底泥10~40cm深度處達(dá)到最大,40cm以下TN、TP含量逐漸變小并趨于穩(wěn)定,與本次測試中底泥TN、TP垂向分布特征較為相似.2.2底泥有機(jī)污染物由圖3可見,OM的最大值基本都在表層底泥中出現(xiàn),隨著深度的增加,OM逐漸減小,除2號樣點外,其余各點OM在40cm深度內(nèi)均接近或低于濕地陸域有機(jī)質(zhì)平均含量(OM陸域=2.55%).各取樣點中,表層底泥OM含量最大值約為陸域OM平均含量的2倍(1號樣點);表層底泥OM含量約為最下部底泥OM含量的3~4倍.這說明底泥表層可能存在較重的有機(jī)物污染.Sahu等對印度ThaneCreek地區(qū)底泥有機(jī)污染測試時發(fā)現(xiàn),在底泥中40cm深度以上有機(jī)污染物多氯聯(lián)苯含量較高,40cm深度以下含量急劇減少,這些痕量有機(jī)污染物變化的結(jié)果與本研究OM在豎直方向上的分布也有一定的相似性.在豎直方向上,OM與TN、TP在各個取樣點的相關(guān)性非常顯著(表2),這表明濕地底泥中的N、P主要來自有機(jī)污染物的遷移和累積,濕地水體及底泥富營養(yǎng)化與有機(jī)污染物不斷排入密切相關(guān).孫寧波等對黃河三角洲水庫底泥中N、P特征進(jìn)行研究時也發(fā)現(xiàn),底泥中OM含量與底泥中TN含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系,且N、P在底泥中的積累具有高度同步性;由于底泥中TN與OM之間存在著良好的線性關(guān)系,可以通過OM預(yù)測TN.這些結(jié)果與本研究所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律比較一致.通過底泥豎直方向上TN、TP、OM的變化與其陸域平均含量的比較發(fā)現(xiàn),0~60cm深度底泥中各營養(yǎng)物質(zhì)含量變化較大,與上覆水體之間存在物質(zhì)交換關(guān)系,可稱其為活性層,60cm深度以下營養(yǎng)物質(zhì)含量接近或低于陸域土壤平均值,其與上覆水體之間存在物質(zhì)交換關(guān)系不明顯,可稱其為相對穩(wěn)定層.上述劃分有待于今后進(jìn)一步論證.2.3底泥污染程度評價結(jié)果目前,國內(nèi)外對河流及湖泊底泥富營養(yǎng)化程度的評價還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),考慮到近年來底泥富營養(yǎng)化最主要的原因是有機(jī)物和N、P物質(zhì)的迅速增加,因此評價底泥富營養(yǎng)化程度必須綜合考慮N、P及有機(jī)物施加的影響.隋桂榮運用有機(jī)指數(shù)法將太湖底泥分為4個污染等級,多年的應(yīng)用實踐表明該法能夠?qū)Φ啄喔粻I養(yǎng)化程度進(jìn)行簡捷有效的評價.有機(jī)指數(shù)公式為:式中:有機(jī)碳=OM/1.724;有機(jī)氮=TN×0.95.根據(jù)式(1)和表3提供的評價標(biāo)準(zhǔn),本濕地5個取樣點表層底泥有機(jī)指數(shù)均大于0.5,其中,1號取樣點表層底泥有機(jī)指數(shù)為0.709,為所有底泥樣中最大值,說明底泥有機(jī)污染及富營養(yǎng)化程度比較嚴(yán)重;20~60cm底泥有機(jī)指數(shù)均未大于0.5,屬于尚清潔,60cm深度以下,除個別點(3號樣點)在80cm深度泥樣才達(dá)到較清潔標(biāo)準(zhǔn)外,其余均屬于I類和II類(清潔或較清潔)底泥,基本沒有受到外來污染物的污染.這一評價結(jié)果跟前面用陸域N、P平均含量進(jìn)行底泥污染程度粗略判斷的結(jié)果接近.由表4可見,該濕地河道河水呈弱酸性,表層底泥孔隙水pH值略低于上覆水體;對照國家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002),該濕地水體NH4+-N含量超過國標(biāo)V類水標(biāo)準(zhǔn),TN含量則接近或超過國標(biāo)V類水標(biāo)準(zhǔn)3倍以上,TP含量符合國家III類水的標(biāo)準(zhǔn)要求,這表明N元素是導(dǎo)致濕地富營養(yǎng)化的主要原因,其余各項目如COD、溶解氧(DO)等項目基本符合III~IV類水標(biāo)準(zhǔn).表層底泥孔隙水中TN、TP約為上覆水中含量的2~5倍,孔隙水與上覆水之間存在著較大的濃度梯度,在水中營養(yǎng)物質(zhì)不斷沉淀的同時,底泥中營養(yǎng)物質(zhì)也會向上覆水體中進(jìn)行釋放.而各取樣點水體中TN、TP與其在孔隙水中的含量相關(guān)性(rN=0.25,rP=0.11)較小,這表明當(dāng)前濕地底泥及孔隙水向上覆水釋放N、P是影響水體富營養(yǎng)化的因素之一,但還不是唯一因素,它很可能與各取樣點外源營養(yǎng)物質(zhì)輸入的變化、季節(jié)性水位變化、水體和底泥受擾動程度、水體溫度變化等因素有關(guān).范成新等在研究NH4+-N和磷酸鹽態(tài)磷在太湖底泥及上覆水中含量的相關(guān)性時也有相似的結(jié)論.在實驗室不同水動力條件下,受擾動大的底泥N、P釋放量會顯著升高,該結(jié)論與現(xiàn)場測試的結(jié)果比較說明,濕地底泥中N、P的釋放量由于影響因素較多而遠(yuǎn)比實驗室條件下更為復(fù)雜,今后有必要考慮多因素交互作用的數(shù)值模擬分析,以對底泥及水體污染進(jìn)行更科學(xué)的評價.濕地底泥一方面不斷累積河水中的有機(jī)污染物,成為河水中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的“匯”,另一方面也會通過N、P在底泥孔隙水與河水中的濃度差不斷向河水中進(jìn)行釋放而成為“源”.在無外源性營養(yǎng)物質(zhì)輸入的前提下,可以采取生物修復(fù)措施或化學(xué)方法進(jìn)行水體修復(fù)治理,但耗時較長.在短時間要取得治理修復(fù)的效果,工程性措施如疏浚底泥是較好的措施之一.國內(nèi)也有一些湖泊底泥疏浚后對水體水質(zhì)改善效果不明顯的報道,很大的原因在于疏浚深度的確定上存在一些問題,底泥疏浚深度不夠的濕地或湖泊的水質(zhì)不但不能得到改善,而且還可能進(jìn)一步惡化.此外,底泥疏浚的費用較高,所以在底泥疏浚工程中疏浚深度的把握顯得尤為重要.鑒于以上原因,本次測試所得底泥活性層60cm深度可作為西溪濕地疏浚的深度,但具體疏浚還需要更多更細(xì)致的工程勘測進(jìn)行決定.3上覆水、表層底泥孔隙水種子污染指標(biāo)3.1本濕地底泥中TN、TP、OM沿豎向變化呈顯著正相關(guān),隨著埋深增加呈降低的規(guī)律明顯,在60cm深度附近趨于陸域土壤平均值.根據(jù)測試結(jié)果,底泥活性層厚度確定為60cm.3.2表層底泥中TN、TP、OM含量較高,不同深度底泥有機(jī)指數(shù)的差異表明:表層底泥受有機(jī)污染(富營養(yǎng)化程度)比較嚴(yán)重,20~60cm深度底泥屬于尚清潔,60cm深度以下的穩(wěn)定層底泥基本未受到有機(jī)污染或者為輕度污染.3.3上覆水、表層底泥孔隙水中各污染指標(biāo)含量的比較表明:氮元素含量大大超過國家V類水標(biāo)準(zhǔn),是引起該濕地富營養(yǎng)化的主要因素,其余指標(biāo)滿足III~IV類水標(biāo)準(zhǔn);表層底泥孔隙水和上覆水之間存在3~5倍的濃度梯度,在適當(dāng)條件下,底泥中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)將向上覆水體釋放.3.4對作為內(nèi)污染源的底泥,疏浚應(yīng)是一種更有效的治理措施,本次測試所得的活性層60cm深度可作為濕地疏浚深度,但具體疏浚還需更多更細(xì)致的相關(guān)工程勘測進(jìn)行決定.底泥樣品運抵實驗室后先進(jìn)行表層底泥(0~20cm深度,下同)孔隙水的提取,下部不能立即處理的底泥樣,置于-18℃保存.采用文獻(xiàn)的方法將表層底泥高速離心(5000r/min,20min)后得少量上層清液,合并各離心管上層清液并經(jīng)0.45μm濾膜過濾得到待分析孔隙水水樣從底泥上覆水體取得的水樣經(jīng)沃特曼1號濾紙過濾后,測定水樣pH值,0~4℃低溫保存待分析.1.