天津圍海造陸區(qū)吹填土氮磷的分布特征

趙 林，鄭 義，毛國柱，郭 華

天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072

?

天津圍海造陸區(qū)吹填土氮磷的分布特征

趙 林，鄭 義，毛國柱，郭 華

天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072

天津臨港經(jīng)濟區(qū)地處濱海，完全是由填海造陸形成的人工陸地。土壤是港口航道清淤淤泥、近海海沙吹填圍海造陸后形成的吹填土，其性質(zhì)特殊，研究吹填土壤中氮磷空間分布對了解該區(qū)域環(huán)境狀況有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)：天津臨港吹填土整體含氮量較低，按土層深度分布，平均質(zhì)量分數(shù)為161.73～240.09 mg/kg；含磷量相對豐富，平均質(zhì)量分數(shù)為355.54～443.27 mg/kg；總氮變異系數(shù)較大，總磷變異系數(shù)較小，氮、磷質(zhì)量分數(shù)主要受不同區(qū)域吹填土性質(zhì)影響。吹填土中有機磷質(zhì)量分數(shù)較少，平均僅占總磷的3.83%，吹填土中磷大多以無機磷形式存在，其相對質(zhì)量分數(shù)從大到小為：鈣結(jié)合磷(Ca-P)>鐵結(jié)合磷(Fe-P)>鋁結(jié)合磷(Al-P)>閉蓄態(tài)磷(Oc-P)>碎屑磷(De-P)>交換態(tài)磷(Ex-P)。研究表明，臨港吹填土氮、磷質(zhì)量分數(shù)水平對近海環(huán)境有潛在富營養(yǎng)污染威脅。

吹填土；總氮；總磷；磷形態(tài)；分布特征；天津臨港

0 引言

吹填土是在圍海造陸或整治、疏通航道時，用挖泥船或泥漿泵把近海泥沙或航道淤泥通過負壓真空吹填而形成的沉積土。天津臨港經(jīng)濟區(qū)土壤由圍海造陸吹填土形成，直接取材于近海泥沙與港口航道淤泥，塑性指數(shù)大，以細顆粒為主，有別于我國沿海其他地區(qū)吹填土[1]。其中港口航道淤泥長期與港池內(nèi)海水交換，可能攜帶大量氮、磷元素，其吹填成土后是氮、磷等元素的源、匯與轉(zhuǎn)化反應(yīng)“池”；氮、磷等土壤營養(yǎng)元素又是制約新生濱海生態(tài)系統(tǒng)的制約因子，直接影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。研究圍海造陸區(qū)吹填土中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)量分數(shù)與空間分布，可為了解圍海造陸成土與地下水間氮、磷交換提供基礎(chǔ)資料[3]，并為研究圍海造陸區(qū)域生態(tài)功能、環(huán)境質(zhì)量評價、海洋環(huán)境保護提供依據(jù)。目前國內(nèi)對于濱海地區(qū)天然土壤中氮、磷元素分布研究較多，很少有針對圍海造陸區(qū)域人工吹填土壤氮、磷分布的研究，筆者主要研究天津臨港圍海造陸區(qū)新生土壤中氮、磷分布特征，并進行初步環(huán)境評價。

1 研究區(qū)域概況

天津臨港經(jīng)濟區(qū)位于京畿門戶海河入?？谀蟼?cè)的灘涂淺海區(qū)，是通過圍海造地而形成的港口工業(yè)一體化的海上工業(yè)新城，距塘沽中心區(qū)約10 km、距天津市區(qū)約50 km，目前已完成圍海近100 km2，形成陸地80 km2，將建設(shè)成為我國北方以重型裝備制造為主導(dǎo)的生態(tài)型工業(yè)區(qū)。該地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，具有明顯的暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候特征，年平均氣溫12 ℃，年平均降水量為600 mm左右[4]。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

天津臨港圍海造陸吹填區(qū)域以分區(qū)分層吹填方式為主，通過真空預(yù)壓法和添加固化劑等方式固化形成陸地。因此根據(jù)吹填土成土來源及形成時間不同，自陸向海，選擇在填海工程典型區(qū)域進行定點采樣(圖1)。其中：一期成陸區(qū)已綠化區(qū)域定為1植被覆蓋區(qū)(簡稱1區(qū))，未綠化區(qū)域定為1#裸土區(qū)(簡稱1#區(qū))；二期成陸區(qū)定為2裸土區(qū)(簡稱2區(qū))，該區(qū)為回填砂工程區(qū)，吹填土體以砂土為主；三期成陸區(qū)為3裸土區(qū)(簡稱3區(qū))，該區(qū)主要吹填材料為港池航道清淤海泥；填海工程進行區(qū)為4吹填工程區(qū)(簡稱4區(qū))。

2.2 實驗方法

依據(jù)臨港經(jīng)濟區(qū)吹填土形成特點，將臨港經(jīng)濟區(qū)分為5個吹填區(qū)，然后將不同吹填區(qū)分成面積相等的幾部分(網(wǎng)格劃分)，采用系統(tǒng)隨機方法布置區(qū)域內(nèi)采樣點，采樣深度為80.0 cm。土壤剖面設(shè)置3個層次，分別為0～30.0，30.0～60.0，60.0～90.0 cm，其中1區(qū)中10.0 cm以內(nèi)上層土壤劃分為0～5.0，5.0～10.0 cm，其余均以10.0 cm以內(nèi)作為一層。使用GPS記錄采樣點經(jīng)緯數(shù)據(jù)；土樣用聚乙烯袋封存帶回；總計獲取土壤樣品100個。土壤樣品自然風(fēng)干后，采用研缽碾磨，過100目篩子。樣品室內(nèi)分析指標為土壤含水率、粒度、元素成分、總氮、總磷。其中：含水率采用烘干法測定；粒度采用馬爾文激光粒度分析測定；元素成分采用X射線衍射能譜分析法測定；總氮采用凱氏法測定[5]；總磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測定；形態(tài)磷采用7步連續(xù)提取法測定。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Sketch map of sampling points

3 結(jié)果與分析

3.1 吹填土結(jié)構(gòu)特征

粒度是吹填土基本物理性質(zhì)之一，土壤對氨氮的吸附量主要受土壤黏粒質(zhì)量分數(shù)影響。粒徑≥0.01 mm的粉砂粒質(zhì)量分數(shù)越低、粒徑<0.005 mm的黏粒質(zhì)量分數(shù)越高，吸附性就越強[6]；且土壤粒徑直接影響吹填土的透水性，吹填成陸后吹填土的透水性對土壤氮磷運移轉(zhuǎn)化有重要影響。由研究區(qū)域吹填土粒度分類測試結(jié)果(表1)結(jié)合土的分類標準[7]可以看出：由于吹填工藝采用按區(qū)域分層的吹填方法，吹填所用材料不同，所以吹填后形成土壤的質(zhì)地不同，上層(0～20.0 cm)為粉土質(zhì)砂，中層(20.0～50.0 cm)為粉質(zhì)黏土，底層(50.0～80.0 cm)為淤泥質(zhì)黏土。其中上層土壤細粒質(zhì)量分數(shù)占51.41%，稍微多于粗粒，黏粒質(zhì)量分數(shù)僅為9.24%。由此可知：上層吹填土主要由淺海海砂吹填成土，為粉土質(zhì)砂，土壤的孔隙比較大，透水性與壓縮性相對較高；中層吹填土由較深層海泥吹出成陸，細粒質(zhì)量分數(shù)明顯增加，黏粒質(zhì)量分數(shù)達到15.14%，土體為粉質(zhì)黏土，土壤孔隙比縮小，透水性降低；底層土壤細粒質(zhì)量分數(shù)進一步增大,可達到72.49%，透水性較低，為淤泥質(zhì)黏土，主要由航道清淤淤泥吹出成陸，但由于土壤膠粒較細，比表面積較大，對氮、磷元素有較強的吸附能力。

表1 吹填土粒度質(zhì)地分析

注：黏粒d≤0.002 mm；粉砂粒0.002 mm

吹填土的X射線衍射分析(圖2)表明：吹填土化學(xué)成分復(fù)雜，主要由SiO2構(gòu)成，占60%左右，符合吹填材料為海砂這一情況。

圖2 吹填土X射線衍射分析圖Fig.2 X-ray diffraction patterns of dredger fill soil

吹填土的成土元素分析結(jié)果(表2)表明：吹填土中主要元素為O、Si，表明吹填土的主要成分為SiO2；吹填土中主要檢測出10種元素，其中含有較多的金屬元素，金屬元素中的Al、Fe、Ca可以多種價態(tài)與土壤膠體耦合，對營養(yǎng)元素尤其是磷元素的吸附、轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響；吹填土中還有一定量的K元素，研究表明鉀對固定態(tài)銨的釋放有著顯著的抑制作用[8]；另外吹填土中有機質(zhì)可以影響吹填土酸堿性并能與Al、Fe形成無機復(fù)合體，為無機磷提供吸附位點，增強吹填土對磷的吸附能力，提高吹填土中磷的含量[9]。

表2 吹填土成土元素分析

對吹填土進行有機質(zhì)含量分析可知，吹填土有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較低，占8%～10%，說明吹填土自身較為貧瘠；但是有機物中的富里酸聚陰離子會與磷酸鹽陰離子產(chǎn)生吸附競爭，且礦物顆粒也能吸附有機聚陰離子，從而促進磷的釋放[10]。

3.2 吹填土總氮、總磷質(zhì)量分數(shù)空間分布

本研究采樣點設(shè)置時考慮了不同吹填區(qū)吹填土的土壤差異性，采取分區(qū)布點方式，分析臨港經(jīng)濟區(qū)氮、磷空間分布。分析臨港吹填土總體空間變異情況(表3)，結(jié)果表明：從總體來看,臨港經(jīng)濟區(qū)吹填土總氮質(zhì)量分數(shù)比較低，變異系數(shù)較大；而總磷質(zhì)量分數(shù)較高，變異系數(shù)較小。由之前分析可知，分區(qū)分層吹填工藝產(chǎn)生的吹填材料差異、成陸后土地利用類型不同是導(dǎo)致吹填土氮、磷分布差異的主要原因。吹填土中氮元素主要來源于吹填材料自身吸附的氮元素、吹填成陸后吹填土上動植物殘體分解,以及生物對大氣中氮元素的固定作用。由于吹填土吹填材料不同，吹填后成陸土壤分層明顯：上層以粉質(zhì)砂土為主，成土顆粒疏松，對氮元素吸附能力弱；中層與底層以黏土為主，成土顆粒細，吸附能力強。上述吹填材料取自海洋泥沙，長期與海水中氮、磷等營養(yǎng)元素進行交換，吹填材料吸附能力的差異性導(dǎo)致材料含氮元素不同，加之吹填后部分區(qū)域用于綠化，有植被覆蓋，植被分解后氮元素進入土壤對土壤氮質(zhì)量分數(shù)產(chǎn)生影響。以上原因?qū)е麓堤钔恋刭|(zhì)量分數(shù)差異較大。相對于氮元素，吹填土中磷元素主要來源于成土材料本身的吸附和動植物殘體的分解。因為吹填區(qū)域成陸不久，除少數(shù)綠化區(qū)域有植被覆蓋，其他大多為空置地塊，動植物殘體影響較小，所以吹填土中磷元素質(zhì)量分數(shù)主要受吹填材料自身磷的影響[11]。臨港經(jīng)濟區(qū)采用分區(qū)分層吹填方法，這一吹填方式導(dǎo)致吹填土中磷元素質(zhì)量分數(shù)隨深度加深而出現(xiàn)一定程度的增加。因為在分區(qū)分層吹填過程中上層泥沙首先吹出形成深層吹填土，上層泥沙形成時間較短，大多是由河口沖刷進入海洋，與富營養(yǎng)化污水長期交換，表面吸附大量不溶性的磷酸鹽，因此磷質(zhì)量分數(shù)較高[12]。

表3 吹填土總氮總磷統(tǒng)計量分析

Table 3 Statistic analysis of total nitrogen and phosphorus in dredger fill soil

項目深度/cm質(zhì)量分數(shù)/(mg/kg)范圍平均值標準差變異系數(shù)/%TP5156.00～759.00359.10213.3959.4210103.00～721.00355.54182.1251.2220139.00～597.00384.18152.6239.7330207.00～731.00383.10148.5938.7940196.00～704.00443.27169.3638.2150243.00～702.00422.27158.4137.5160169.00～703.00384.64173.0144.9870132.00～671.00415.72157.8537.9780213.00～703.00408.00157.1138.51TN528.00～921.00240.09194.4580.991025.00～543.00166.82152.2391.262035.00～421.00181.73129.9871.523035.00～325.00161.7399.5561.554032.00～330.00173.91101.7558.515046.00～332.00165.64111.8467.526027.00～578.00223.55184.1482.377026.00～632.00205.18186.2390.768020.00～543.00223.18206.7792.65

注：TP為總磷，TN為總氮。

3.3 氮、磷在不同區(qū)域吹填土中的空間分布

3.3.1 不同吹填區(qū)氮質(zhì)量分數(shù)分布

對不同區(qū)域采集的吹填土樣品進行了分析測試，各區(qū)吹填土總氮質(zhì)量分數(shù)在吹填土剖面上的分布特征如圖3a所示?？梢?，各區(qū)吹填土剖面總氮質(zhì)量分數(shù)差異較大：各區(qū)0～20.0 cm吹填土中總氮質(zhì)量分數(shù)從大到小順序為1區(qū)>4區(qū)>1#區(qū)>2區(qū)>3區(qū)；20.0～50.0 cm吹填土剖面總氮質(zhì)量分數(shù)分布較為集中，均值為170.75 mg/kg；60.0～80.0 cm吹填土剖面中總氮質(zhì)量分數(shù)3區(qū)最高，總氮質(zhì)量分數(shù)均值明顯上升，均值達到584.33 mg/kg，1#2、4區(qū)總氮質(zhì)量分數(shù)變化不大，均值為275.72 mg/kg，1區(qū)總氮質(zhì)量分數(shù)最低，均值為48.26 mg/kg。

圖3 不同區(qū)域不同深度吹填土總氮(a)、總磷(b)質(zhì)量分數(shù)Fig.3 Nitrogen (a) and phosphorus (b) contents of different regions at different depths in dredger fill soil

吹填材料不同、吹填土土地利用狀況不同是導(dǎo)致吹填土各區(qū)在垂直方向上總氮質(zhì)量分數(shù)差異的主要原因。1區(qū)與1#區(qū)中，1區(qū)由于存在植被覆蓋、植物殘體降解后氮元素進入吹填土體、人工施肥等作用，使上層吹填土總氮質(zhì)量分數(shù)顯著高于1#區(qū)。隨著吹填土土層深度增加，1區(qū)與1#區(qū)吹填土總氮質(zhì)量分數(shù)趨于一致，這是由于地處濱海區(qū)域，土壤鹽堿度較高，含鹽量為2.81%～3.90%[13]，為保證植物生長，1區(qū)鋪設(shè)土壤隔鹽層，隔鹽層能有效阻止可溶性氮元素下滲，上層可溶性氮元素的溶解下滲對下層吹填土壤影響較小。2、3區(qū)中吹填土總氮質(zhì)量分數(shù)隨土層深度增加呈現(xiàn)上升趨勢，這主要由2、3區(qū)域中各層吹填土性質(zhì)不同所造成。隨著土層加深，吹填土顆粒變細，對氮元素吸附能力變強，導(dǎo)致土壤氮元素質(zhì)量分數(shù)升高。3區(qū)60.0～80.0 cm吹填土層氮質(zhì)量分數(shù)顯著升高，主要因為該層吹填土來源于港口、航道清淤淤泥，長期與富營養(yǎng)化海水交換，導(dǎo)致吹填材料自身氮元素質(zhì)量分數(shù)高于海砂類型吹填材料。4區(qū)正在進行吹填作業(yè)，吹填材料主要來源于海砂，吹填土土體仍未完全固化，分層不明顯，各土層氮質(zhì)量分數(shù)分布均勻。

3.3.2 不同區(qū)域磷質(zhì)量分數(shù)分布

吹填土中磷元素質(zhì)量分數(shù)主要受吹填材料影響，因此各區(qū)域中吹填土總磷質(zhì)量分數(shù)在垂直方向變化不大，但各吹填區(qū)之間有一定差異(圖3b)。1區(qū)上層磷質(zhì)量分數(shù)明顯高于1#區(qū)，達到530.18 mg/kg，這是因為在植被覆蓋情況下，為了保證植物成活，人工施用有機磷肥，對吹填土造成外源污染。同時研究表明，肥料施用對0.0～7.5 cm土層磷元素有顯著的影響，加之澆水降雨等因素導(dǎo)致可溶性磷元素下滲，影響施肥區(qū)域30.0～37.5 cm吹填土壤磷元素質(zhì)量分數(shù)[14-15]。但是隨著深度增加：1區(qū)、1#區(qū)吹填土的磷質(zhì)量分數(shù)趨向一致，是因為植被覆蓋的吹填土土層底部鋪設(shè)隔鹽層；加之隨深度增加土壤粒徑減小，土壤透水性減小，人工施肥磷元素很難繼續(xù)下滲，兩區(qū)吹填土底層土壤較少受到外源污染物干擾，其磷質(zhì)量分數(shù)與吹填材料磷質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。2區(qū)、3區(qū)吹填土都為裸土，沒有植被覆蓋，磷元素質(zhì)量分數(shù)主要由吹填土成土材料決定，且已經(jīng)過固化處理，所含可溶性磷元素部分隨真空抽水壓實過程溶解析出，磷元素質(zhì)量分數(shù)在吹填土剖面上較為穩(wěn)定，并沒太大差異；3區(qū)吹填材料為清淤淤泥，吸附能力較強，其磷質(zhì)量分數(shù)均值為402.98 mg/kg，高于2區(qū)的301.10 mg/kg。4區(qū)為海砂新吹填區(qū)，沒有完全固化，可溶性磷元素沒有完全隨水流運動析出，因此吹填成陸后該區(qū)域吹填土總磷質(zhì)量分數(shù)較高。

吹填區(qū)域吹填土中不同深度各形態(tài)磷相對與絕對質(zhì)量分數(shù)結(jié)果見圖4、圖5。結(jié)果表明：吹填土中有機磷質(zhì)量分數(shù)較少，平均僅占總磷的3.83%；吹填土中磷大多以無機磷形式存在，其相對質(zhì)量分數(shù)從大到小為鈣結(jié)合磷(Ca-P)>鐵結(jié)合磷(Fe-P)>鋁結(jié)合磷(Al-P)>閉蓄態(tài)磷(Oc-P)>碎屑磷(De-P)>交換態(tài)磷(Ex-P)。

其中：1)Ex-P在4.21～20.14 mg/kg平均僅占總磷的3.18%，在各個區(qū)域采樣點的吹填土剖面表現(xiàn)為上層質(zhì)量分數(shù)較高，隨著深度增加有所下降。Ex-P是吹填土中活性磷的主要成分，主要來源于鈣磷和植物殘體降解[16]，因此植被降解增加表層Ex-P質(zhì)量分數(shù)使得1區(qū)表層土壤Ex-P絕對質(zhì)量分數(shù)高于其他各區(qū)各層。由于4區(qū)吹填土剛剛吹填完畢，沒有完全固化疏干，深層土壤可與海水接觸，因此4區(qū)深層土壤中Ex-P絕對質(zhì)量分數(shù)要高于其他已固化區(qū)域。2)吹填土土壤剖面中Al-P為5.89～105.25 mg/kg，變化復(fù)雜，Al-P的形成一般是不可逆的，形成的不溶態(tài)氫氧化磷酸鹽在中性pH條件下能夠吸附額外的磷，對土壤磷環(huán)境會產(chǎn)生影響。3)吹填土中Fe-P質(zhì)量分數(shù)相對較高，為10.56～321.21 mg/kg，隨深度加深有所增加，主要是因為Fe-P是一種不穩(wěn)定的無機磷，F(xiàn)e-P更易受到風(fēng)化、氧化還原作用的影響，深層土壤環(huán)境有利于Fe-P存在，由于在風(fēng)化及還原條件下，F(xiàn)e-P會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，因此Fe-P被認為是環(huán)境磷庫[17]。4區(qū)中Fe-P質(zhì)量分數(shù)較高，推測是由于吹填土與海水存在交換，促進Ex-P向Fe-P轉(zhuǎn)換。4)吹填土剖面中Oc-P質(zhì)量分數(shù)為4.68～78.14 mg/kg，下層質(zhì)量分數(shù)較高于上層，主要是因為Oc-P較為穩(wěn)定，較短時間內(nèi)Oc-P很難被分解，上層吹填土來源于深層海砂，埋藏時間長，一部分Oc-P分解導(dǎo)致質(zhì)量分數(shù)降低。5)Ca-P在吹填土中質(zhì)量分數(shù)為48.36～432.32 mg/kg，與土壤經(jīng)歷風(fēng)化程度有關(guān)，風(fēng)化程度越低質(zhì)量分數(shù)越高[18]。Ca-P是吹填土中無機磷形態(tài)的主要形式，占總磷的27.91%～63.38%，在土壤剖面中隨深度變化不大，較為穩(wěn)定。盡管Ca-P比較穩(wěn)定，但是由于Ca-P質(zhì)量分數(shù)較高，在吹填土形成后的土壤中生物作用下仍可分解，對土壤磷環(huán)境產(chǎn)生影響。6)De-P質(zhì)量分數(shù)為8.65～49.23 mg/kg，所占總磷質(zhì)量分數(shù)較少，較難被分解參與短時的磷循環(huán)，對吹填土磷質(zhì)量分數(shù)影響較小[19]。有機磷質(zhì)量分數(shù)為5.82～54.25 mg/kg，屬于不完全被生物利用的磷，其中1區(qū)中有機磷質(zhì)量分數(shù)升高可能受1#區(qū)綠化施工過程中外源有機污染物匯入影響。

3.4 氮磷隨地下水流方向分布

臨港經(jīng)濟區(qū)地處濱海，地下水水位埋深較淺，地下水運動方向無統(tǒng)一流場，整體傾向為由陸地到海洋流動，采樣區(qū)域70～80 cm土層即位于潛水面以下，與地下水存在物質(zhì)交換。由圖6a可知，該區(qū)域土壤由陸向海方向含氮量呈增長趨勢。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因：一是由于成陸材料自身含氮本底值不同，吹填成陸后造成自身差異；二是吹填土與本區(qū)地下水間存在物質(zhì)交換，其中可溶性氮隨地下水運動方向逐漸向近海方向靠攏。由于4區(qū)仍屬于吹填工程進行區(qū)，工程區(qū)與成陸區(qū)之間存在阻水層，阻止地下水向海岸運動，因此隨時間推移，地下水?dāng)y帶可溶性氮元素在3區(qū)與土層進行交換，導(dǎo)致3區(qū)氮元素升高；而4區(qū)氮元素由于處于相對封閉空間，與地下水與海水間交換較少，基本與吹填材料本底值相一致。

本區(qū)中磷元素質(zhì)量分數(shù)在70.0～80.0 cm土層范圍內(nèi)則是由陸向海方向呈增高趨勢，其主要是因為吹填土自身性質(zhì)決定，靠海側(cè)吹填土自身磷元素質(zhì)量分數(shù)較高。依據(jù)之前吹填土化學(xué)性質(zhì)分析，土體中可溶性的無機磷化物很容易與土壤中的Al3+、Fe3+、Ca2+等發(fā)生吸附和沉淀反應(yīng)，而磷酸根離子主要通過配位體交換而被吸附到Fe3+和Al3+的表面[20]，這一反應(yīng)大大減少了可溶性磷元素在吹填土土體中的運動，與氮元素相比，磷元素在土體中呈現(xiàn)穩(wěn)定性。但是4區(qū)中由于土體仍未固化，土壤含水量極大，與海洋存在氮、磷元素交換，因此氮、磷元素質(zhì)量分數(shù)比較不穩(wěn)定，可能隨地表徑流、地下水流變化產(chǎn)生波動。

圖4 臨港吹填土各形態(tài)磷相對質(zhì)量分數(shù)Fig.4 Relative partition patterns of P among dredger fill soil in Lingang

圖5 不同區(qū)域吹填土剖面各形態(tài)磷分布Fig.5 Distibution of various forms of P along the soils depths in dredger fill

圖6 吹填土隨地下水運動方向總氮(a)、總磷(b)質(zhì)量分數(shù)變化Fig.6 Nitrogen (a) and phosphorus (b) contents of dredger fill soil at the direction of groundwater movement

3.5 吹填土氮磷質(zhì)量分數(shù)環(huán)境評價

土壤中氮、磷的積累量對于濱海地區(qū)的污染有一定的指示作用[21]。臨港經(jīng)濟區(qū)域吹填土主要由海底海砂和航道清淤底泥組成。該區(qū)域目前開發(fā)項目主要為重工業(yè)，吹填土存在受污染可能，因此該區(qū)中土壤氮、磷質(zhì)量分數(shù)能夠作為區(qū)域環(huán)境狀況的評價指標。

天津渤海灣沉積物中總氮質(zhì)量分數(shù)為690～2 770 mg/kg[22]，本研究中臨港吹填土中總氮質(zhì)量分數(shù)為20～921 mg/kg，相較于渤海灣沉積物質(zhì)量分數(shù)較低，但是由于區(qū)域中總氮質(zhì)量分數(shù)存在明顯變異，部分區(qū)域總氮質(zhì)量分數(shù)較高，雖然短期內(nèi)不會造成大面積面狀污染，但是由于污染物隨地下水向沿海一側(cè)運移，通過海底地下水排入海洋造成海洋生態(tài)環(huán)境營養(yǎng)鹽上升，構(gòu)成海洋富營養(yǎng)化威脅；相對于氮元素，磷元素對于水體富營養(yǎng)化貢獻更大[23]。

從各個地區(qū)不同濱海沉積物來看，沉積物中總磷質(zhì)量分數(shù)為340～581 mg/kg(珠江)、233～410 mg/kg(天津渤海灣)、517～722 mg/kg(黃河)[24-25]，在環(huán)渤海地區(qū)，沉積物主要為黏土與細砂，吹填材料構(gòu)成相一致，且各形態(tài)磷隨著埋藏深度增加穩(wěn)定度增加，沉積環(huán)境相對穩(wěn)定[26]，但是吹填工程破壞沉積物的穩(wěn)定環(huán)境，使各形態(tài)磷互相發(fā)生轉(zhuǎn)變。臨港經(jīng)濟區(qū)吹填成陸后吹填土總磷質(zhì)量分數(shù)平均值與珠江、渤海沉積物相似，低于黃河，這主要是由于黃河入海帶來了豐富的磷酸鹽，導(dǎo)致黃河口以及附近海域沉積物中具有高質(zhì)量分數(shù)的磷酸鹽[27]。一般而言，由于Ex-P、Al-P、Fe-P在土壤中較易釋放，通常被稱為生物有效磷。在臨港各層吹填土中，上述3種磷質(zhì)量分數(shù)之和分別占總磷的30.82%(5.0 cm)、33.34%(10.0 cm)、51.70%(20.0 cm)、29.85%(30.0 cm)、41.49%(40 cm)、40.30%(50.0 cm)、36.41%(60.0 cm)，遠高于渤海灣沉積物的5.8%～12.0%[28]，甚至長江中下游眾多湖泊沉積物的 Ex-P、Al-P、Fe-P 質(zhì)量分數(shù)也都不足總磷的 10.0%[29]。因此，臨港吹填土中較高的生物活性磷質(zhì)量分數(shù)增加了吹填土通過地下水交換向海洋釋放磷元素的風(fēng)險，對海洋環(huán)境產(chǎn)生影響?？紤]到所調(diào)查區(qū)域位于濱海經(jīng)濟建設(shè)區(qū)，受人類活動干擾顯著，因此為維護經(jīng)濟區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，需要密切關(guān)注其動態(tài)，提前制定預(yù)防措施，以避免對近海生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的危害。

4 結(jié)論

1)圍海造陸區(qū)吹填土總氮質(zhì)量分數(shù)較低，總磷質(zhì)量分數(shù)相對較高；總氮變異系數(shù)大，總磷變異系數(shù)較小。這說明造陸區(qū)吹填土總磷主要由成土吹填材料決定，該區(qū)受植被影響較小。

2)不同區(qū)域間氮、磷質(zhì)量分數(shù)分布差異明顯，表明不同吹填材料氮、磷質(zhì)量分數(shù)基值差異較大，其中航道淤泥由于吸附性較強，自身氮、磷質(zhì)量分數(shù)較高，且所含磷中活性磷質(zhì)量分數(shù)較高可對本區(qū)域生態(tài)產(chǎn)生影響。

3)研究區(qū)域圍海造陸形成的人工陸地定位為工業(yè)區(qū)，且項目多為重工業(yè)，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，外部污染源積累，在地下水運動、降雨滲透等因素作用下吹填土中氮磷污染會逐漸進入地下水體并向海洋方向運動進入海洋，會造成海洋環(huán)境富營養(yǎng)化現(xiàn)象；加之渤海灣地區(qū)為半封閉海灣形狀，污染物難以隨洋流流出，導(dǎo)致污染物積累加劇，會形成大面積海水污染，阻礙區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

[1] 彭濤, 武威, 黃少康, 等. 吹填淤泥的工程地質(zhì)特性研究[J]. 工程勘察, 1999, 5(1): 5. Peng Tao, Wu Wei, Huang Shaokang, et al. Research on Engineering Geologic Properties of Blown Filled Muck[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 1999, 5(1): 5.

[2] 金慧龍, 李裕元, 高茹, 等. 亞熱帶小流域土壤氮磷分布及其環(huán)境效應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報, 2012, 26(3): 123-126. Jin Huilong, Li Yuyuan, Gao Ru, et al. Distribution of Soil Nitrogen, Phosphorus and Its Environmental Effects in a Small Subtropical Watershed[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(3): 123-126.

[3] 聶紅濤, 陶建華. 渤海灣海岸帶開發(fā)對近海水環(huán)境影響分析[J]. 海洋工程, 2008, 26(3): 44-50. Nie Hongtao, Tao Jianhua. Impact of Coastal Exploitation on the Eco-Environment of Bohai Bay[J]. The Ocean Engineering, 2008, 26(3): 44-50.

[4] 郭鑫. 人工岸帶海陸水交換過程中污染物的遷移規(guī)律研究[D]. 天津：天津大學(xué), 2012. Guo Xin. Investigation of Contaminant Migration During the Related Function Between Salt Water and Groundwater on the Artificial Shore[D].Tianjin: Tianjin University, 2012.

[5] 王驥, 張?zhí)m英, 盧少勇, 等. 再力花/菖蒲生物濕地床去除河水中氮磷的試驗[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報: 地球科學(xué)版, 2012，42(增刊): 408-414. Wang Ji, Zhang Lanying, Lu Shaoyong. et al. Removal of N and P from River Water Treated by the Bio-Rack Wetland Planted with Thalia Dealbata and Acorus Calamus Linn[J]. Journal of Jilin University：Earth Science Edition, 2012，42 (Sup.): 408-414.

[6] Brinkman A G.A Double-Layer Model for Ion Adsor-ption onto Metal Oxides, Applied to Experimental Data and to Natural Sediments of Lake Veluwe, the Netherlands[J]. Hydrobiologia, 1993, 253(1/2/3): 31-45.

[7] GBJ145-90 土的分類標準[S]. 北京: 中華人民共和國水利部, 1990. GBJ145-90 Classification of Soil[S]. Beijing: Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China, 1990.

[8] Nielsen J D. Fixation and Release of Potassium and Ammonium Ions in Danish Soils[J]. Plant and Soil,1972,36:71-88.

[9] Peng J, Wang B, Song Y, et al. Adsorption and Release of Phosphorus in the Surface Sediment of a Wastewater Stabilization Pond[J]. Ecological Engineering, 2007, 31(2): 92-97.

[10] Kastelan-Macan M, Petrovic M. The Role of Fulvic Acids in Phosphorus Sorption and Release from Mineral Particles[J]. Water Science and Technology, 1996, 34(7): 259-265.

[11] 江輝煌, 劉素美. 渤海沉積物中磷的分布與埋藏通量[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2013, 33(1)：125-132. Jiang Huihuang, Liu Sumei. Distribution and Burial Flux of Phosphorus in Sediments of the Bohai Sea[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2013, 33(1) ：125-132.

[12] 吳光紅, 李萬慶, 鄭洪起. 渤海天津近岸海域水污染特征分析[J]. 海洋學(xué)報,2007, 29(2): 143-149. Wu Guanghong, Li Wanqing, Zheng Hongqi. Water Pollution Characteristics in Tianjin Sea Area of the Chinese Bohai Bay[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2007, 29(2): 143-149.

[13] Shao X, Chang T, Cai F, et al. Effects of Subsurface Drainage Design on Soil Desalination in Coastal Resort of China[J]. Journal of Food, Agriculture & Environment, 2012, 10(2): 935-938.

[14] Diebel M W, Maxted J T, Robertson D M, et al. Landscape Planning for Agricultural Nonpoint Source Pollution Reduction：Ⅲ： Assessing Phosphorus and Sediment Reduction Potential[J]. Environmental Management, 2009, 43(1): 69-83.

[15] McDowell R W, Sharpley A N. Variation of Phosphorus Leached from Pennsylvanian Soils Amended with Manures, Composts or Inorganic Fertilizer[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2004, 102(1): 17-27.

[16] Psenner R, Bostr?m B, Dinka M, et al. Fractionation of Phosphorus in Suspended Matter and Sediment[J]. Arch Hydrobiol Beih Ergebn Limnol, 1988, 30: 98-103.

[17] Kaiserli A, Voutsa D, Samara C. Phosphorus Fractionation in Lake Sediments-Lakes Volvi and Koronia, N. Greece[J]. Chemosphere, 2002, 46(8): 1147-1155.

[18] Turner B L, Newman S. Phosphorus Cycling in Wetland Soils[J]. Journal of Environmental Quality, 2005, 34(5): 1921-1929.

[19] Richardson A E, Simpson R J. Soil Microorganisms Mediating Phosphorus Availability Update on Microbial Phosphorus[J]. Plant Physiology, 2011, 156(3): 989-996.

[20] Gerke J, Hermann R. Adsorption of Orthophosphate to Humic-Fe-Complexes and to Amorphous Fe-Oxide[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2007，155(3): 233-236.

[21] 胡斌, 和樹莊, 陳春瑜，等. 滇池流域土壤氮磷分布特征及關(guān)鍵影響因素研究[J]. 土壤學(xué)報,2012(6):1178-1184. Hu Bin, He Shuzhuang, Chen Chunyu, et al. Distributions of Soil Nitrogen and Phosphorus in Dianchi Watershed and Their Key Influencing Factors[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012(6):1178-1184.

[22] 秦延文, 孟偉, 鄭丙輝, 等. 渤海灣水環(huán)境氮、磷營養(yǎng)鹽分布特點[J]. 海洋學(xué)報, 2005, 27(2): 172-176. Qin Yanwen, Meng Wei, Zheng Binghui, et al. Distribution Features of Nitrogen and Phosphorus in Aquatic Environments of the Bohai Gulf[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2005, 27(2): 172-176.

[23] 趙林, 方東明, 宋偉男, 等. 海河干流表層沉積物中磷形態(tài)的空間分布特征及其對水相磷的影響[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報: 地球科學(xué)版, 2014,44(2): 603-609. Zhao Lin, Fang Dongming, Song Weinan, et al. Spatial Distribution of Phosphorus Fractions in Surface Sediments and Its Impact on Soluble Phosphorus in Mainstream of Haihe River[J]. Journal of Jilin University：Earth Science Edition, 2014, 44(2): 603-609.

[24] 岳維忠,黃小平,孫翠慈. 珠江口表層沉積物中氮、磷的形態(tài)分布特征及污染評價[J]. 海洋與湖沼,2007，38(2):111-117. Yue Weizhong, Huang Xiaoping, Sun Cuici. Distribution and Pollution of Nitrogen and Phosphorus in Surface Sediments from the Pearl River Estuary[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2007, 38(2): 111-117.

[25] 李任偉, 李禾, 李原, 等. 黃河三角洲沉積物重金屬, 氮和磷污染研究[J]. 沉積學(xué)報, 2001,19(4): 622-629. Li Renwei, Li He, Li Yuan, et al. Study of the Heavy Metals, Nitrogen and Phosphorus Contaminants in the Sediments of the Yellow River Delta[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2001, 19(4): 622-629.

[26] 李鳳業(yè), 史玉蘭. 渤海南部現(xiàn)代沉積物堆積速率和沉積環(huán)境[J]. 黃渤海海洋, 1995, 13(2): 33-37. Li Fengye, Shi Yulan. Accumulation Rates of Sediment and Sedimentary Environment in the South Bohai Sea[J]. Journal of Oceanograpgy of Huanghai & Bohai Seas, 1995, 13(2): 33-37.

[27] Li Yue, Yu Jijin. Geochemical Characteristics of Phosphorus near the Huanghe River Estuary[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 1999, 17(4): 359-365.

[28] Liu S M, Zhang J, Li D J. Phosphorus Cycling in Sediments of the Bohai and Yellow Seas[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2004, 59(2): 209-218.

[29] Hou L J,Lu J J,Liu M,et al.Species and Bioavai-lability of Phosphorus in Surface Sediments from the Shoals in the Yangtze Estuary[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006, 26(3): 488-494.

Spatial Distribution of Nitrogen and Phosphorus in Dredger Fill at Tianjin Reclamation Land Area

Zhao Lin, Zheng Yi, Mao Guozhu, Guo Hua

SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China

Tianjin Lingang Economic Area is located in the coastal region which is formed by land reclamation. The soil is dredger fill formed by silt and sand. The characteristics, spatial distribution of nitrogen and phosphorus in the dredger fill of Tianjin Lingang Area is important information for figuring out the eutrophication of the region. Nitrogen and phosphorus contents were measured using the samples collected from the dredger fill of Lingang. The results indicated that soil nitrogen content in Lingang Economic Area was quite low, which was 161.73-240.09 mg/kg in average. However, the phosphorus content was relatively rich among 355.54 and 443.27 mg/kg. The horizontal variation coefficient of total nitrogen distribution was greater than the total phosphorus. The nitrogen and phosphorus contents of dredger fill in different regions were related to the characteristics itself. Dredger fill in part of the region was resulted by artificial interferences, which caused the increments of nitrogen and phosphorus contents. Predictable, the level of nitrogen and phosphorus contents may bring eutrophication to the coastal environment near Lingang.

dredger fill; total nitrogen; total phosphorus; phosphorus forms; distribution characteristic; Lingang，Tianjin

10.13278/j.cnki.jjuese.201501208.

2014-07-16

國家科技支撐計劃課題(2012BAC07B02);水利工程仿真與安全國家重點實驗室項目(201304)

趙林(1961——)，男，教授，博士，主要從事污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)方面的研究，E-mail:zhaolin@tju.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501208

X53

A

趙林，鄭義，毛國柱，等. 天津圍海造陸區(qū)吹填土氮磷的分布特征.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(1):255-264.

Zhao Lin, Zheng Yi, Mao Guozhu, et al. Spatial Distribution of Nitrogen and Phosphorus in Dredger Fill at Tianjin Reclamation Land Area.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):255-264.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501208.