物理改良對(duì)湖泊沉積物和間隙水特征的影響

古小治,王 強(qiáng),張 雷,申秋實(shí),王兆德,范成新 (1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049；.山東工藝美術(shù)學(xué)院建筑與景觀設(shè)計(jì)系,山東 濟(jì)南 25000)

物理改良對(duì)湖泊沉積物和間隙水特征的影響

古小治1,2,王 強(qiáng)3,張 雷1,2,申秋實(shí)1,2,王兆德1,2,范成新1*(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049；3.山東工藝美術(shù)學(xué)院建筑與景觀設(shè)計(jì)系,山東 濟(jì)南 250300)

采用物理改良措施覆沙和底質(zhì)疏松,對(duì)南四湖濕地沉積物-水微界面氧化還原狀況及間隙水營(yíng)養(yǎng)鹽垂向分布特征的影響進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,改良措施能夠有效地改善沉積物的物理結(jié)構(gòu)及氧氣的垂向分布.在沉積物-水界面附近,覆沙和底質(zhì)疏松均能顯著提高界面處氧化層的厚度,覆沙效果最佳.隨著剖面深度的增加,間隙水中 NH4+和可溶性 PO43-濃度呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng),改良措施能有效降低間隙水中 PO43-的含量,輕度底質(zhì)疏松的效果最佳,差異顯著(P＜0.05).而界面以下NO3-和氧氣濃度呈指數(shù)關(guān)系下降,在沉積物中10cm以下時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽接近一個(gè)常數(shù),在 4mm以下溶解氧接近 0.對(duì)剖面沉積物不同形態(tài)的磷組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明,改良措施能有效提高表層沉積物中 NH4Cl-P 及BD-P(鐵磷)的含量.

南四湖；沉積物；間隙水；磷形態(tài)

南四湖是山東省重要水源地,為南水北調(diào)工程?hào)|線必經(jīng)通道[1].對(duì)湖泊水體來(lái)說(shuō),沉積物猶如一個(gè)營(yíng)養(yǎng)貯存庫(kù),湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化程度與底泥營(yíng)養(yǎng)物釋放有較為密切的聯(lián)系[2-3].有關(guān)通過(guò)沉積物改性來(lái)控制湖泊內(nèi)源污染的技術(shù)手段,主要包括污染底泥疏浚[4],吹填[5](用清潔表土覆蓋污染底泥)及添加化學(xué)試劑如鋁鹽和鈣鹽來(lái)固定磷酸鹽[6]等.前兩者控制底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放在一些湖泊治理中起到了一定的積極作用,但隨著時(shí)間的推移,良好的水質(zhì)狀態(tài)不能保持.而添加化學(xué)試劑成本高且易帶來(lái)對(duì)湖泊的二次污染.

作者采用原位間隙水采樣器技術(shù)(Peeper)[7]及微氧電極技術(shù)來(lái)模擬研究物理改良措施對(duì)沉積物-水微界面沉積物氧化還原狀況及間隙水營(yíng)養(yǎng)鹽的影響,旨在探討通過(guò)底泥疏松、覆沙的物理改良措施,達(dá)到有效改善表層沉積物氧化還原狀況、孔隙度等,以較低成本有效控制內(nèi)源污染的目的,為今后該區(qū)植被的生長(zhǎng)和恢復(fù)創(chuàng)造條件.

1 材料與方法

1.1 Peeper結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

Peeper主體是由一系列小室組成,小室兩側(cè)覆蓋一層滲析膜,室內(nèi)預(yù)先封裝去離子水,利用滲析膜過(guò)濾的特性,使膜兩側(cè)水體(如去離子水和間隙水)中一些可溶離子和分子交換達(dá)到平衡. Peeper制作材料為有機(jī)玻璃,20個(gè)小室并行排列,間隔 1cm,每一小室體積約為 6.4ml,孔徑為0.45μm的滲析膜,具生物惰性,使用時(shí)用雙面夾板固定于采樣器主體板上.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

以南四湖新薛河入湖口原位柱狀沉積物為研究對(duì)象,采用室內(nèi)模擬在有機(jī)玻璃柱(φ 170mm×350mm)中培養(yǎng)方法,在柱狀玻璃管中插入peeper來(lái)獲得沉積物間隙水溶液.實(shí)驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理: 原狀土,覆沙(表層 5cm沉積物和沙按照1:1體積拌勻),輕度基底疏松即劃耕(劃耕疏松深度20cm、間距5cm),重度基底疏松即翻耕(翻耕深度20cm),每種處理設(shè)置3個(gè)重復(fù).

1.3 水土界面溶解氧的測(cè)定

水土界面氧氣的垂向分布采用溶氧微電極進(jìn)行(PreSens,德國(guó))測(cè)定.該微電極的有效測(cè)定區(qū)(sensing tip)小于 20μm,涂有固態(tài)光敏熒光粉;在0～100%空氣飽和度水體中,氧氣濃度與光強(qiáng)呈線性關(guān)系;電極反應(yīng)時(shí)間小于 1s;每次使用前,采用飽和空氣(100%氧氣)與加入Na2SO3的純凈水(0%氧氣)進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn).電極安裝在微電極操作器(專利 ZL2007200439 28.3)上,每秒下移電極0.037mm進(jìn)行連續(xù)測(cè)定,直至氧氣含量接近0.

1.4 間隙水的采集與分析

將 Peeper垂直插入底泥至預(yù)定深度.自Peeper 投放時(shí)間計(jì)起,平衡 30d,從泥中拔出Peeper,即刻用低壓水槍沖洗其單面所附泥塊,并用吸水紙吸干膜外部湖水,立即用移液槍穿孔抽取適量體積間隙水裝入具塞小瓶中,2h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室,水樣過(guò)GF/F濾膜后用Skalar流動(dòng)分析儀(SKALAR San++,荷蘭)進(jìn)行 PO43-, NH4+, NO3-, NO2

-分析.

1.5 沉積物性質(zhì)分析

1.5.1 水分含量、容重、空隙度的測(cè)定 水分測(cè)得采用烘干法在105℃下烘6h,含水率為沉積物烘干前后質(zhì)量差值與原有濕沉積物質(zhì)量的比值.濕容重采用環(huán)刀法測(cè)定.利用柱狀采樣器,采集表層沉積物柱樣,保持原始結(jié)構(gòu)不被破壞,將濕底泥填滿金屬小環(huán)(h＝0.90cm,φ＝3.50cm),容重為濕沉積物的質(zhì)量與小環(huán)體積的比值.在 105℃下烘6 h,孔隙度按下面公式計(jì)算[7].

式中:Ww為沉積物鮮重;Wd為沉積物干重.

1.5.2 總碳和總有機(jī)碳的測(cè)定 總碳和總有機(jī)碳用TOC分析儀(LiquiTOCII,德國(guó)Elementar公司生產(chǎn))測(cè)定.

1.5.3 沉積物NH4+、NO3-、總氮、總磷及磷形態(tài)的測(cè)定 沉積物NH4+、NO3-含量測(cè)定:稱取相當(dāng)于10g烘干土的新鮮沉積物, 2mol L KCl溶液浸提(液:土= 5:1),振蕩30min ,過(guò)濾后比色法(波長(zhǎng)為 210nm)測(cè)定浸提液中 NO3-含量,納氏比色法(波長(zhǎng)為420mm)測(cè)定浸提液中NH4+含量.總氮(TN)的測(cè)定為堿性過(guò)硫酸鉀消解后在波長(zhǎng)210nm比色法測(cè)定.磷形態(tài)測(cè)定采用 Emil等[8-9]方法測(cè)定,將沉積物磷分為弱結(jié)合態(tài)(NH4Cl-P),鐵磷(BD-P),鋁磷(NaOH-P),鈣磷及部分有機(jī)磷(HCl-P),殘?jiān)鼞B(tài)磷(Res-P).總磷(TP)的測(cè)定采用SMT法,具體見(jiàn)文獻(xiàn)[10].

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物特征分析

從表1可見(jiàn),經(jīng)物理改良后沉積物的物理性質(zhì)得到明顯改善.水分含量和孔隙度明顯升高,尤其是經(jīng)過(guò)翻耕處理后效果最為明顯.改良措施對(duì)沉積物剖面 NH4+的垂向分布影響較大,其中覆沙和原位沉積物表現(xiàn)出相同的分布規(guī)律,即在底層(15～20cm)出現(xiàn)最大值,向表層和底層逐漸增大.而對(duì)于基底疏松如翻耕和劃耕后的處理, NH4+在剖面上的最大值則出現(xiàn)在亞表層(5～10cm),然后隨深度增加而其含量向表層和底層逐步減少.沉積物中TOC和NO3-的含量具有明顯的垂向分布特征,前者隨剖面深度增加而逐步增加,后者則降低.劃耕和翻耕處理后,TN在剖面的分布呈現(xiàn)出表層高于低層的趨勢(shì).C/N通常被作為識(shí)別有機(jī)質(zhì)來(lái)源和類型的一個(gè)重要指標(biāo),C/N 越高有機(jī)質(zhì)就越難降解,比值在 5～6時(shí),被認(rèn)為是新鮮的或易降解的有機(jī)質(zhì)組分;當(dāng)比值高于 10時(shí),被認(rèn)為是難降解有機(jī)質(zhì)組分

[11-12].從表1可看出,沉積物中C/N 在各處理間變化較大,經(jīng)覆沙、劃耕和翻耕后均有不同程度的下降,其中沉積物翻耕處理后下降最為明顯,而較低的C/N和通氣狀況對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化分解至關(guān)重要,這可能成為間隙水營(yíng)養(yǎng)鹽的一個(gè)重要來(lái)源[13-14].

2.2 物理改良措施對(duì)沉積物-水界面氧分布及剖面沉積物間隙水中營(yíng)養(yǎng)鹽分布的影響

間隙水營(yíng)養(yǎng)鹽的垂向分布如圖 1所示,在水土界面附近 PO43-、NH4+、NO3-、NO2

-存在明顯的濃度梯度,除 NO3-外,其他離子間隙水中含量高于上覆水.這可能與表層有機(jī)質(zhì)較低的C/N和良好的通氣狀況有關(guān)(表 1,表 2),從而影響到營(yíng)養(yǎng)鹽的擴(kuò)散遷移速率[12-13].將間隙水 4種營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度和剖面深度進(jìn)行曲線擬合,發(fā)現(xiàn)兩者符合Cx= C0?exp (α?x)的關(guān)系,其中C0和α為常數(shù),-1＜α＜1, x為剖面深度(cm).其中 PO43-濃度隨剖面深度增加而增加,在距離沉積物-水界面 8～10cm 時(shí)達(dá)到最大值,而后略有下降. NO2

-、NH4+和PO43-呈現(xiàn)出類似的分布趨勢(shì),但劃耕和翻耕處理后, NH4+在間隙水中含量最大值出現(xiàn)在界面附近的2～3cm左右.

表1 不同的改良措施下沉積物的基本性質(zhì)Table 1 Primary property in the sediments with different physical amelioration measures

圖1 沉積物間隙水中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 氧氣在水土界面附近沉積物中的衰減方程Table 2 Oxygen dissipation equation in water-sediment surface

NO3-在間隙水分布與PO43-、NH4+和NO2-剛好相反,隨深度增加,間隙水中含量急劇下降,在沉積物剖面10cm以下含量波動(dòng)較小.在水土界面附近沉積物中氧氣濃度隨剖面深度增呈指數(shù)下降,也符合Cx=C0?exp (-k?x)關(guān)系,C0表示理想狀態(tài)下沉積物界面處氧氣的濃度(mg/L);k為氧氣衰減常數(shù)(mm-1),符合一級(jí)指數(shù)方程.對(duì)各處理沉積物間隙水中四種營(yíng)養(yǎng)鹽含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與原位沉積物相比,劃耕處理后 PO43-在間隙水中含量顯著下降(P＜0.05),覆沙和翻耕處理間隙水中含量雖略有下降但并不顯著(P＞0.05).從圖 2各處理溶解氧的分布趨勢(shì)看,氧氣由上覆水向沉積物擴(kuò)散,隨深度增加 O2含量急劇下降,氧氣在沉積物1.2～3.0mm時(shí)接近0,經(jīng)覆沙,翻耕與劃耕分別處理后,沉積物氧氣的滲透深度分別提高了 60%,84%,136%,各個(gè)處理之間與原狀沉積物相比,氧氣的半濃度衰減深度在統(tǒng)計(jì)上均達(dá)到顯著的差異(表2),結(jié)合前面覆沙、劃耕和翻耕后間隙水中 PO43-均有不同程度地下降,這說(shuō)明提高沉積物-水界面氧化層厚度對(duì)降低間隙水中 PO43-含量是可行的,這一點(diǎn)與范成新等[4]研究一致.覆沙處理間隙水中 NH4+含量下降,差異不顯著,劃耕和翻耕處理后間隙水中NH4+含量均增加,僅翻耕處理后差異顯著.

圖2 O2在水土微界面處的垂向分布Fig.2 Vertical characteristics of oxgen at the water-sediment surface

3種改良措施均能顯著降低間隙水NO-含

3量(P＜0.05),其中劃耕的效果最佳,將間隙水NO3-和底泥中交換態(tài)含量進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)性并不顯著,這說(shuō)明間隙水中的含量并非主要是由底泥釋放產(chǎn)生,宋金明等[15]認(rèn)為沉積物中吸附態(tài)NO3--N主要來(lái)自上覆水,其 NO3--N的分布受上覆水中濃度和分布的影響.本研究中硝態(tài)氮在界面附近隨剖面深度增加而急劇下降這一現(xiàn)象從側(cè)面驗(yàn)證了這一推論.而劃耕處理后NO3-含量最高從側(cè)面也說(shuō)明了該處理能顯著改善間隙水中氧化還原電位,因?yàn)樵谘趸€原電位較低時(shí)間隙水中 NO3-被還原為NO-2或NH4+.而NO2-在覆沙、翻耕和劃耕后含量均有所增加,僅劃耕處理差異顯著(P＜0.05). NO2-含量增加可能與間隙水中 NO3-含量相應(yīng)增加有關(guān),因?yàn)镹O2-主要來(lái)源于 NO3-反硝化過(guò)程.在沉積物界面以下溶解氧耗盡時(shí),有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生大量 NH4+,NO3-在缺氧條件下進(jìn)行反硝化作用,這也導(dǎo)致隨深度增加 NO3-含量迅速銳減少而NH4+迅速增加[16].另外Iqbal等[17]研究認(rèn)為由于PO43-比NO3-有較強(qiáng)的化學(xué)吸附能,沉積物表面的礦化吸附點(diǎn)位一般被PO43-飽和,導(dǎo)致NO3-在沉積物顆粒上的吸附不充分,NO3-主要在沉積物的空隙水中積累.隨剖面沉積物深度增加,沉積物孔隙度和含水量降低(表 1),較低的滲透性會(huì)進(jìn)一步限制NO3-的遷移,這也是 NO3-沿剖面下降的原因之一.

2.3 物理改良措施對(duì)磷賦存狀態(tài)的影響

對(duì)沉積物樣品采樣連續(xù)提取方法得到不同的磷組分(圖3), NH4Cl-P(弱結(jié)合態(tài)磷)在沉積物剖面上沒(méi)有明顯的分布規(guī)律,一般表層含量總體上高于下層,占總磷的0.29%～0.80%,最大值出現(xiàn)在覆沙處理 10～15cm處.經(jīng)覆沙、劃耕及翻耕后,NH4Cl-P含量均有所增加,與原位沉積物含量相比覆沙和劃耕差異顯著(P＜0.05).BD-P(鐵磷)和NaOH-P(鋁磷)提取態(tài)磷數(shù)量在總磷中所占的比例大體相當(dāng),是具有釋放潛力的一部分磷,其含量基本可以反映出沉積磷的潛在釋放量.鐵存在著氧化還原平衡,隨深度增加,沉積物還原能力大大增強(qiáng),當(dāng)Fe3+被還原為Fe2+時(shí),結(jié)合的磷隨著二價(jià)鐵的溶出而被釋放到間隙水,這也可能成為間隙水磷的一個(gè)重要來(lái)源[18].

圖3 各處理在不同深度的沉積物中不同磷形態(tài)占總磷百分含量Fig.3 Composition of P-fractions at different depths in the sediment of each treatment

翻耕和劃耕后表層沉積物氧化層厚度均顯著增加,改良后鐵磷在總磷中所占的比例均有所上升,覆沙和翻耕的處理鐵磷雖有所增加但效果并不顯著,劃耕效果最佳,差異顯著(P＜0.05).其中0～5cm 表層沉積物中鐵磷比例增加比較明顯.表層氧化電位提高促使 Fe2+轉(zhuǎn)化為 Fe3+導(dǎo)致鐵磷的形成.相反在厭氧條件下,鐵磷、鋁磷有向鈣磷、閉蓄態(tài)磷轉(zhuǎn)化的趨勢(shì).覆沙、翻耕和劃耕對(duì)HCl-P及 Res-P在總磷中所占比例影響不顯著.HCl-P(鈣磷及部分有機(jī)磷)是沉積物磷的主要形式,占總磷的 43%～66%,隨深度增加其在總磷中比例略有降低,這表明鈣磷及部分有機(jī)磷有向表層積聚的現(xiàn)象,可能與表層較高的鈣含量和有機(jī)質(zhì)有關(guān).而Res-P的剖面分布與NH4Cl-P類似,表層含量略高于下層,其含量在總磷中比例次于HCl-P,兩者占總磷的66%～83%.而朱光偉等[19]調(diào)查長(zhǎng)江中下游湖泊發(fā)現(xiàn)后兩者在總磷中的比重達(dá)到 90%以上,高于南四湖.Lopez等[20]認(rèn)為Res-P主要是一些惰性有機(jī)磷和不易被轉(zhuǎn)化的無(wú)機(jī)磷組成.一般認(rèn)為,NaOH-P, HCl-P和殘?jiān)鼞B(tài)磷不參與養(yǎng)分循環(huán),相比之下,PO43-,NH4Cl-P, BD-P和易分解有機(jī)磷可作為有機(jī)體的有效養(yǎng)分參與地球化學(xué)過(guò)程.

3 結(jié)論

3.1 物理改良措施能明顯改善濕地沉積物的物理性質(zhì)如容重、空隙度、C/N、氧氣滲透深度等,采用底質(zhì)疏松的方法與覆沙處理達(dá)到了較為一致的效果.

3.2 剖面沉積物間隙水中 PO43-、NH4+、NO3-和NO2-含量在水土界面附近的沉積物中呈指數(shù)分布,其中劃耕和翻耕措施改變了沉積物間隙水中銨氮的分布狀況,表現(xiàn)出與原位沉積物中相反的分布趨勢(shì).3種改良措施均可增加沉積物-水界面沉積物氧化層厚度,從而有效減少間隙水中可溶性PO43-,劃耕效果最佳差異顯著.

3.3 改良措施能有效提高NH4Cl-P及BD-P(鐵磷)的比例,尤其是表層沉積物中的含量.間隙水中PO43-主要受制于沉積物中弱結(jié)合態(tài)含量及鐵磷含量,而間隙水中硝態(tài)氮分布受上覆水中的濃度和分布影響.

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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”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAC10B03);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40730528);江蘇省太湖水污染治理科技專項(xiàng)(BS2007161)

* 責(zé)任作者, 研究員, cxf@niglas.ac.cn

古小治(1979-),男,河南義馬人,中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所博士研究生,主要從事湖泊污染與濕地修復(fù)的研究.發(fā)表論文10余篇.