底泥泥質(zhì)與污染物釋放量的關(guān)系

羅玉紅 蘇青青 高 婷 趙小蓉

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

沉積物是湖泊水體的營養(yǎng)主要儲存庫，在一定條件下，底泥中營養(yǎng)鹽（如N、P等）通過擴(kuò)散、對流、沉積物再懸浮等過程向上覆水體釋放.研究表明，在外源輸入逐步得到控制的情況下，沉積物對上覆水釋放的氮、磷將成為湖泊水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化的重要原因［1]，因此水體富營養(yǎng)化程度往往與底泥營養(yǎng)鹽釋放有較為密切的聯(lián)系［2].對底泥的內(nèi)源污染物釋放規(guī)律進(jìn)行深入研究在控制湖泊富營養(yǎng)化方面的重要性不言而喻.

目前國內(nèi)外對底泥污染物釋放的研究多著眼于某些大型湖泊不同的底泥環(huán)境對于釋放的影響分析［3]，或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬，研究環(huán)境因子變化對底泥釋放的影響［4－5]，但很少有研究底泥的有機(jī)質(zhì)濃度對于污染物釋放量的影響.

文思湖地理位置較其上段蓮心湖、求索溪更為復(fù)雜：一部分岸邊為三峽大學(xué)校區(qū)，另一部分則為校外周邊居民區(qū).根據(jù)前期的研究結(jié)果表明這段景觀水體已經(jīng)受到嚴(yán)重污染，富營養(yǎng)化嚴(yán)重［6]，急需合適的方法來恢復(fù)水體功能.校內(nèi)部分的外源污染經(jīng)過治理將逐步消失，而校外部分的控制則顯得復(fù)雜.因此項(xiàng)目研究將重點(diǎn)放在內(nèi)源污染控制.

1 材料與方法

為找出文思湖水體底泥的釋放規(guī)律，采集了該水體底泥，對沙河水體內(nèi)源污染物的釋放規(guī)律做了一系列研究，同時(shí)為沙河水內(nèi)源污染物的控制提供相應(yīng)的理論依據(jù).人工進(jìn)行模擬靜水和動水狀態(tài)下底泥中污染物釋放過程，本文重點(diǎn)討論了底泥泥質(zhì)與污染物釋放量的關(guān)系，為提供合適的底泥生態(tài)修復(fù)措施提供依據(jù).

1.1 樣品采集與準(zhǔn)備

底泥樣品取自文思湖底泥，采用QNC6型系列采泥器對表層泥土采樣.底泥采樣器使用前先用洗滌劑除去防銹油脂，采樣時(shí)將采樣器先放在采樣點(diǎn)位置的水里沖刷3～5min，然后采樣.配比泥樣取自翠亭山附近施工場地.泥樣取出后，清除其中雜草及固體廢棄物，保證泥質(zhì)均勻，置于室內(nèi)，自然風(fēng)干一段時(shí)間，直到泥土干裂不粘和在一起.取少量測量其含水率.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

按照水土（去除含水率后）比50∶1的關(guān)系稱取泥樣（160g）置于桶內(nèi)，加自來水（8kg）即可開始釋放試驗(yàn)，加水時(shí)要注意用細(xì)橡皮管從底部緩慢加入，盡量避免由于水流沖刷作用，使底泥揚(yáng)起.同時(shí)每種泥樣取出少量用作泥質(zhì)監(jiān)測.底泥及上覆水配比好后，以后每天上午測上覆水中TP、TN、DO、pH、電導(dǎo)率的值，直到釋放達(dá)到平衡停止實(shí)驗(yàn).

底泥及上覆水配置情況見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)用底泥配比

1.3 檢測方法

各成分分析用泥樣經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過篩后保存、檢測.主要檢測項(xiàng)目及方法為：TN（半微量凱氏法）［7]、TP（酸溶光度法）、總有機(jī)質(zhì)（重鉻酸鉀氧化稀釋法）［8]、pH值（土壤水浸提液pH 法）和含水率（重量法）.水樣分析采用標(biāo)準(zhǔn)方法［9]，檢測項(xiàng)目有水溫、pH值、電導(dǎo)率、DO、濁度、CODMn、TN、NH3－N、TP等.

2 結(jié)果和討論

2.1 釋放前底泥基本性狀的分析

其結(jié)果如圖1所示.

圖1 泥質(zhì)狀況（濃度單位：mg／g）

Y1，Y2，Y3，Y4，Y5五種泥樣中，所含的 TP，TN，TOC是依次減少的.且含氮量一般都比含磷量高.其中Y1為文思湖所取底泥，屬污染最嚴(yán)重的泥樣，氮，磷，有機(jī)質(zhì)的含量均較高.而Y5為地面所取較潔凈的泥土，污染較輕，氮，磷含量基本很少，有機(jī)質(zhì)的含量可視為零.

2.2 底泥釋放氮、磷、有機(jī)物的規(guī)律及影響因素

2.2.1 不同底泥向上覆水釋放氮素情況

由TN變化趨勢圖3可看到，樣品Y1，Y2向上覆水釋放氮素總體上是隨時(shí)間呈波浪式增長的，前期增長較快，隨后有較緩慢的增長，最后基本趨近平衡穩(wěn)定.而Y3，Y4，Y5在釋放前期呈波浪式變化，后期趨于平穩(wěn).其中平衡濃度由多到少依次為Y1，Y2，Y3，Y4，Y5.Y1，Y2的平衡濃度明顯大于起始濃度（各個(gè)樣品的起始TN、TP濃度均為所加上覆水的起始濃度，即Y0的起始濃度），說明這兩種底泥樣品向水體釋放了一定量的氮素.Y3的平衡濃度接近于起始濃度，說明這種底泥與上覆水之間的氮素遷移轉(zhuǎn)化趨近于平衡.而Y4，Y5的平衡濃度小于起始濃度，說明這兩種底泥對水體中的氮素有吸附作用.

在本次實(shí)驗(yàn)的條件下，從底泥狀況和水體TN變化圖來看，氮、磷、有機(jī)物含量高的底泥容易向水體釋放氮素.氮、磷、有機(jī)物含量底的底泥會吸附水體中的氮素.

樣品Y1、Y2經(jīng)過釋放后，使水體TN含量升高，可能是由于Y1、Y2底泥中氮、磷、有機(jī)物含量高，底泥中復(fù)雜含氮有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下，轉(zhuǎn)換為簡單氮化物釋放到水體.從溶解氧變化趨勢圖2看，在開始幾天里，Y1，Y2樣品的溶解氧有明顯的減少，說明底泥微生物較活躍，將大量的有機(jī)氮向無機(jī)氮轉(zhuǎn)化并釋放到上覆水體中.使得水體TN含量明顯上升.在隨后幾天里，溶解氧逐漸回升，水體TN含量增長也較緩慢.

樣品Y3經(jīng)過釋放后，水體TN濃度基本沒有變化.可能由于上覆水中本身就含有一定量的氮，底泥中含氮量較少，有機(jī)質(zhì)含量也較少，底泥中的氮量與水體含氮量相當(dāng)，已經(jīng)接近動態(tài)平衡，所以不會使水體氮量增加.

樣品Y4，Y5經(jīng)過釋放后，水體TN濃度減少.Y4底泥樣品中含氮更少，可能已經(jīng)低于水體含氮量，釋放初期溶解氧仍有下降，說明釋放過程中存在微生物作用使水體氮量會發(fā)生變化，但是最終要達(dá)到動態(tài)平衡必然使水體中的氮素向底泥中遷移.而Y5底泥較潔凈，有機(jī)質(zhì)含量基本為零，釋放過程中溶解氧含量也基本沒有變化，可見沒有微生物作用，水體中的氮素遷移到底泥中以達(dá)到平衡.從而使水中氮含量減少.

2.2.2 不同底泥向上覆水釋放磷素情況

從TP變化趨勢圖4可看到，樣品Y1、Y2、Y3、Y4在釋放前期使水體TP含量迅速增長，隨后幾天有較小的波動，最后趨于平衡.平衡濃度均明顯高于起始濃度，且平衡濃度相差不大.說明他們均向水體釋放了磷元素.樣品Y5的釋放情況與前幾種樣品相差較大，釋放初期水體TP濃度有一定波動，隨后有緩慢下降趨勢，最后達(dá)到平衡，平衡濃度小于起始濃度.說明樣品Y5經(jīng)釋放后，吸附了水體的磷，使水體磷含量減少.

圖4 上覆水體TP含量變化

從底泥泥質(zhì)狀況來看，樣品Y1、Y2、Y3、Y4、Y5底泥中有機(jī)質(zhì)含量依次減少，豐富的有機(jī)質(zhì)有利于提高底泥微生物的活性，從而加快有機(jī)物的礦化速率，促進(jìn)底泥中磷的釋放.樣品Y1、Y2、Y3、Y4中均含有一定量的有機(jī)質(zhì)，有利于底泥磷釋放，但有機(jī)質(zhì)含量差別較大的底泥釋放到水體中的TP量相差卻不大，且到釋放后期差距漸減小，接近同一水平.可見本實(shí)驗(yàn)條件下底泥釋放磷受有機(jī)質(zhì)影響較小.樣品Y5由于底泥較潔凈，氮、磷含量較少，有機(jī)質(zhì)含量可視為零.底泥基本不釋放磷，但在一定條件下底泥對水體中的磷酸鹽有吸附作用，底泥和水相互相交換磷酸鹽，最終達(dá)到一個(gè)動力平衡，就使水體中的磷含量下降.

2.2.3 不同底泥向上覆水釋放有機(jī)物的規(guī)律

底泥釋放有機(jī)物的情況一般用CODMn的變化來衡量，從CODMn變化趨勢圖5看，不同泥質(zhì)底泥釋放都是呈緩慢增長趨勢（樣品Y5除外），最后達(dá)到平衡.且各個(gè)樣品曲線釋放量之間的縱向距離變化不大（少數(shù)幾天有波動），不隨時(shí)間而變化.從泥質(zhì)狀況看，有機(jī)質(zhì)含量高的底泥，CODMn釋放量也相應(yīng)較大.

圖5 上覆水體CODMn含量變化

2.3 相關(guān)關(guān)系分析

分別由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)做底泥TOC含量與上覆水中COD、TP、TN相關(guān)性分析，結(jié)果如圖6～8所示.

圖8 TN與TOC相關(guān)性

由圖6中TOC含量與CODMn關(guān)系式可知，底泥釋放耗氧有機(jī)物的量與底泥中有機(jī)質(zhì)的含量有非常顯著的線性相關(guān)關(guān)系，呈正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R2＝0.991 2），可見有機(jī)質(zhì)含量越高，釋放耗氧有機(jī)物的量也就越大.

由圖7中TOC的含量與TP釋放量關(guān)系可見，TOC與TP具有一般的線性相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2＝0.647 7），呈正相關(guān)關(guān)系.遠(yuǎn)不如 TOC 與CODMn的線性相關(guān)性好.可見實(shí)驗(yàn)中TOC的含量對TP的釋放影響不大.

圖8中TOC與TN具有顯著的線性相關(guān)性，呈正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2＝0.946 4）.可見底泥有機(jī)質(zhì)含量越高，釋放TN的量也就越大.

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過控制底泥泥質(zhì)不同的情況下研究底泥釋放污染物的規(guī)律及影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析表明：

1）當(dāng)?shù)啄嘀械⒘?、有機(jī)質(zhì)含量均較少時(shí)，底泥會吸附水體中的氮、磷.

2）底泥釋放CODMn與底泥中TOC含量存在非常顯著的正線性相關(guān)關(guān)系（ρCOD＝3.290 1WTOC＋1.806 4，R2＝0.991 2），說明本實(shí)驗(yàn)中有機(jī)質(zhì)對底泥CODMn的釋放有非常大影響.

3）底泥釋放TN與TOC具有顯著的正線性相關(guān)關(guān)系（ρTN＝2.665 2WTOC＋0.660 9，R2＝0.946 4），但它們的相關(guān)性不如底泥釋放CODMn與TOC的相關(guān)關(guān)系好，說明TOC對釋放TN有較大的影響，但其影響要小于TOC對CODMn釋放的影響.

4）底泥釋放TP與TOC具有一般的正線性相關(guān)關(guān)系（ρTP＝0.0278WTOC＋0.044，R2＝0.647 7），說明本實(shí)驗(yàn)條件下TOC對底泥釋放TP影響不大.

因此，可以通過調(diào)節(jié)底泥泥質(zhì)來抑制湖泊底泥污染物的釋放，以降低內(nèi)源污染，減輕湖泊的富營養(yǎng)化.

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