喀斯特山區(qū)水庫(kù)底泥理化性狀調(diào)查
——以貴陽(yáng)市阿哈水庫(kù)為例

陳江博，范成五，嚴(yán)蓮英，胡 崗，秦 松，*

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省土壤肥料研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550006)

1 引 言

水庫(kù)底泥是水中物質(zhì)的蓄積場(chǎng)所，不僅含有還原性物質(zhì)[1]等有害成分，也含有豐富的氮、磷和有機(jī)質(zhì)等有益成分[2]，作為水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)[3-5]。對(duì)阿哈水庫(kù)疏浚后的底泥進(jìn)行資源化利用，一方面可避免對(duì)環(huán)境的二次污染，另一方面可充分利用底泥中的營(yíng)養(yǎng)元素[6]。目前，阿哈水庫(kù)的底泥資源化利用還存在一些限制因素，已有文獻(xiàn)對(duì)底泥的重金屬污染進(jìn)行了報(bào)告[7]，而且還有學(xué)者[8-14]對(duì)底泥中氮的形態(tài)含量、水平分布、季節(jié)變化、來(lái)源以及擴(kuò)散遷移特征等方面進(jìn)行了深入探討，但是鮮有研究對(duì)阿哈水庫(kù)底泥的理化性質(zhì)進(jìn)行深入分析。對(duì)底泥的理化性質(zhì)進(jìn)行研究，既可了解底泥的理化特征，還可了解水體的污染歷史，預(yù)測(cè)沉積物對(duì)未來(lái)水質(zhì)的影響等[15]。本文在阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)典型區(qū)域選取12個(gè)點(diǎn)，對(duì)其底泥物理性狀和部分化學(xué)特征進(jìn)行分析，找出阿哈水庫(kù)疏浚底泥資源化利用的限制因子，為阿哈水庫(kù)底泥的資源化利用提供基礎(chǔ)資料。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

阿哈水庫(kù)地處東經(jīng)106°37′～106°40′，北緯26°30′～26°34′，位于貴陽(yáng)市南明河支流小車河上游，屬于烏江水系；水庫(kù)控制面積為190 km2，距離市中心8 km。于1958年8月動(dòng)工，1962年竣工，總庫(kù)容約為7200萬(wàn) m3，每年向市區(qū)供水5000萬(wàn)t以上，不僅是貴陽(yáng)市三大水缸之一，還是重要的防洪水庫(kù)。水庫(kù)疏浚產(chǎn)生的大量底泥堆積易對(duì)環(huán)境造成二次污染。

2.2 樣品采集

根據(jù)水庫(kù)的地形地貌特征，在水庫(kù)入庫(kù)區(qū)、出庫(kù)區(qū)、周邊區(qū)域和中心區(qū)共設(shè)12個(gè)采樣點(diǎn)，用重力柱狀取樣器采集，由于庫(kù)底地形起伏使底泥沉積厚度不一致，取樣深度約為0～100 cm。

2.3 樣品處理與分析

底泥樣品采集結(jié)束，根據(jù)需要一部分裝在聚乙烯袋放冰箱保存等待測(cè)定，另一部分底泥樣品放到實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，去除樣品中的石塊和動(dòng)植物殘?bào)w，制備成待測(cè)樣品。土壤還原性物質(zhì)總量采用重鉻酸鉀氧化法，活性還原性物質(zhì)采用高錳酸鉀滴定法，全氮采用凱氏定氮法、銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法，硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法，質(zhì)地采用國(guó)際制、含水量采用烘干法，比重采用比重瓶法，土壤孔隙度采用計(jì)算法測(cè)定。

圖1 阿哈水庫(kù)底泥采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites for the sediments in Aha Reservoir

用Orgin8.6、DPS和Excel 2003軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 底泥的物理特征

對(duì)阿哈水庫(kù)底泥的機(jī)械組成進(jìn)行分析(圖2)，其中粉粒的含量最高，其次是粘粒，砂粒最少。按照國(guó)際土壤質(zhì)地分類，阿哈水庫(kù)的底泥質(zhì)地主要為壤質(zhì)粘土與粉砂質(zhì)粘土。

在底泥的機(jī)械組成中(表1)，底泥組成中砂粒、粘粒與粉粒的變異系數(shù)均較大，分別為23.50、24.25和10.46%，均屬于中等變異強(qiáng)度，且不同采樣點(diǎn)的機(jī)械組成差異極顯著，有研究表明，植物生長(zhǎng)所需的最佳土壤質(zhì)地為中壤土或輕壤土[16]，阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)底泥的質(zhì)地以壤質(zhì)粘土與粉砂質(zhì)粘土為主，其土壤質(zhì)地過(guò)于緊實(shí)，為此利用阿哈水庫(kù)底泥進(jìn)行植物種植時(shí)，需添加其他物料調(diào)節(jié)其質(zhì)地。

表1 阿哈水庫(kù)底泥物理特性Tab.1 Physical characteristics sediment in Aha Reservoir

圖2 阿哈水庫(kù)底泥機(jī)械組成三角圖Fig.2 Triangle diagram of mechanical composition of sediment in Aha Reservoir

阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)麻窩寨地區(qū)底泥的含水量最高為87.55%，游魚河地區(qū)底泥的含水量最低為69.48%，阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)底泥含水量變化范圍為69.5～87.6%，平均含水量為77.9%，不同區(qū)域的底泥含水量都較高并且差異不顯著，變異系數(shù)較小為7.56%，屬于弱變異強(qiáng)度，原因可能為阿哈水庫(kù)底泥在靜水環(huán)境中沉積，其天然含水量大于液限，使含水量偏高。丁靜等[17]的研究表明，在土壤含水量達(dá)到30%左右時(shí)，植物的生長(zhǎng)處于最優(yōu)狀態(tài)。阿哈水庫(kù)的底泥含水量均值為77.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出植物生長(zhǎng)所需的最佳含水量，這可能是由于阿哈水庫(kù)底泥長(zhǎng)期處于水環(huán)境中，其表面和內(nèi)部吸附水長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，在對(duì)其底泥進(jìn)行利用時(shí)，需進(jìn)行風(fēng)干、晾曬以降低其含水量。

土壤孔隙度是土壤中全部的空隙與土壤容積的百分比，土壤的孔隙系統(tǒng)中充滿了水與空氣。土壤孔隙度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致上層土壤的水分蒸發(fā)快，下層土壤水分易滲漏，孔隙度過(guò)小則不利于水分滲入，易造成徑流損失[18]。阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)中麻窩寨地區(qū)底泥的孔隙度最大為39.16%，擦耳巖地區(qū)底泥的孔隙度最小為31.47%，阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)底泥孔隙度的變化范圍為31.5～39.2%，平均孔隙度為36.1%，底泥孔隙度偏小，變異系數(shù)為7.62%，屬于弱變異強(qiáng)度，其原因?yàn)榈啄嚅L(zhǎng)期淤積在湖底，受湖水的機(jī)械壓實(shí)作用和滲流作用，底泥中細(xì)小顆粒阻塞大孔隙，造成底泥孔隙度偏小。鄒良棟等[19]指出，土壤適宜植物生長(zhǎng)的最佳孔隙度范圍為50～60%，阿哈水庫(kù)底泥在用于植物種植時(shí)，需添加多孔物料增加其孔隙度，滿足植物生長(zhǎng)需求。

圖3 阿哈水庫(kù)不同地區(qū)底泥含水量及孔隙度圖Fig.3 Water content and porosity of sediment at different sites in Aha Reservoir

土壤比重取決于土壤固相組成物質(zhì)的種類和相對(duì)含量，阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)游魚河附近的底泥比重最高為2.75 g/cm3， 擦耳巖附近底泥的比重最低為2.36 g/cm3，阿哈水庫(kù)地區(qū)底泥比重范圍在2.36～2.75 g/cm3之間波動(dòng)，平均比重為2.52 g/cm3，變異系數(shù)為5.56%，屬于弱變異強(qiáng)度，不同區(qū)域之間底泥比重差異顯著，其原因?yàn)榘⒐畮?kù)不同區(qū)域沉積物不同，組成底泥的固相物質(zhì)比重變幅較大，造成底泥比重差異顯著。師旭超等[20]對(duì)廣西海相淤泥的研究結(jié)果，其底泥的比重為2.70 g/cm3，與阿哈水庫(kù)底泥比重相似，自然土的比重一般為2.65 g/cm3，阿哈水庫(kù)底泥比重接近自然土。

圖4 阿哈水庫(kù)不同地區(qū)底泥比重分布圖 Fig.4 Distribution of specific gravity of sediment at different sites in Aha Reservoir

3.2 底泥的部分化學(xué)特性

底泥的酸堿度是一個(gè)很重要的物理特性。阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)中麻窩寨地區(qū)的底泥pH最高為7.47，游魚河地區(qū)底泥的pH最低為6.78，阿哈水庫(kù)底泥中pH的變化范圍為6.78～7.47，平均值為7.21，變異系數(shù)為3.05%，屬于弱變異強(qiáng)度，按照土壤酸堿度的劃分標(biāo)準(zhǔn)[21]阿哈水庫(kù)底泥呈中性，其原因?yàn)椋瑸楦纳瓢⒐畮?kù)水質(zhì)，阿哈水庫(kù)管理處在局部輸水河段每年要投放生石灰5000多噸，生石灰長(zhǎng)期流入阿哈水庫(kù)造成底泥呈中性[22]。一般植物生長(zhǎng)所需的pH范圍為6.5～7.5之間[23]，阿哈水庫(kù)底泥pH位于植物生長(zhǎng)適應(yīng)的范圍之內(nèi)。

圖5 阿哈水庫(kù)不同地區(qū)底泥pH分布圖Fig.5 pH distribution map at different sites in Aha Reservoir

阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)中麻窩寨地區(qū)底泥的還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)均最大，分別為32.02 cmol/kg和25.45 cmol/kg，爛泥溝地區(qū)附近底泥的的還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)均最小，分別為13.92 cmol/kg和9.48 cmol/kg。其分析結(jié)果表明(表2)，阿哈水庫(kù)底泥還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)的變化范圍分別為13.92～32.02 cmol/kg和9.48～25.45 cmol/kg，均值分別為22.46 cmol/kg和17.85 cmol/kg，不同區(qū)域的還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)差異均不顯著，變異系數(shù)分別為21.68、26.33%，均屬于中等變異強(qiáng)度。王飛、林誠(chéng)等[24]在對(duì)水稻的研究中指出，土壤還原性物質(zhì)會(huì)對(duì)植物造成毒害，阿哈水庫(kù)底泥還原性物質(zhì)總量過(guò)高，限制了底泥的資源化利用，對(duì)底泥進(jìn)行利用時(shí)必須去除底泥中的還原性物質(zhì)，例如晾曬和翻堆等。

圖6 阿哈水庫(kù)不同地區(qū)底泥還原性物質(zhì)總量與活性還原性物質(zhì)含量分布圖Fig.6 Contents of total reducing substances and active reducing substances in sediment from different sites in Aha Reservoir

氮素是植物生長(zhǎng)最重要的元素之一，根據(jù)測(cè)定，阿哈水庫(kù)庫(kù)區(qū)中麻窩寨附近的底泥全氮含量最高為4.97 g/kg，擦耳巖附近底泥全氮含量最低為2.51 g/kg，阿哈水庫(kù)底泥全氮含量變化范圍為2.51～4.97 g/kg，均值為3.70 g/kg，不同采樣點(diǎn)之間差異不顯著，變異系數(shù)為24.05%，屬于中等變異強(qiáng)度。全氮是土壤的肥力指標(biāo)之一，全氮含量高有助于底泥利用時(shí)植物的生長(zhǎng)。其全氮含量最小值 2.51 g/kg，高于《全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 》的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(>2 g·kg-1)，屬于很高水平。

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是兩種可被植物直接吸收利用的有效態(tài)氮，兩種不同形態(tài)的氮素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)[25]。 阿哈水庫(kù)地區(qū)麻窩寨和蔡沖河附近底泥的銨態(tài)氮含量均較高，其中麻窩寨附近底泥銨態(tài)氮最高，為256.43 mg/kg，游魚河附近底泥銨態(tài)氮含量最小，為62.48 mg/kg；蔡沖河附近底泥的硝態(tài)氮含量最高，為82.54 mg/kg，擦耳巖附近底泥的硝態(tài)氮含量最小，為4.96 mg/kg；阿哈水庫(kù)底泥的銨態(tài)氮的變化范圍為62.48～256.43 mg/kg，均值為160.22 mg/kg，硝態(tài)氮的變化范圍為4.96～82.54 mg/kg，均值為51.09 mg/kg。水庫(kù)不同地點(diǎn)底泥的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮差異均不顯著，變異系數(shù)分別為43.13%和46.56%，均屬于中等變異程度。湖底底泥長(zhǎng)期處于缺氧或無(wú)氧狀態(tài)，給底泥環(huán)境創(chuàng)造了還原條件，銨態(tài)氮容易發(fā)生累積，銨態(tài)氮的含量過(guò)高還可能是由于底棲動(dòng)物的“灌溉”作用，使上層底泥的銨態(tài)氮向水體擴(kuò)散，下層底泥的銨態(tài)氮就有充裕的時(shí)間積累[26]，造成底泥銨態(tài)氮含量增高。硝態(tài)氮易受氧化還原作用的影響，在有氧條件下，底泥中的銨態(tài)氮會(huì)通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮；在缺氧條件下，硝態(tài)氮會(huì)充當(dāng)厭氧細(xì)菌分解分解有機(jī)質(zhì)的受體而被還原，造成硝態(tài)氮的減少。

表2 阿哈水庫(kù)底泥部分化學(xué)特性Tab.2 Partial chemical characteristics of sediment in Aha Reservoir

圖7 阿哈水庫(kù)不同地區(qū)底泥全氮含量分布圖Fig.7 Distribution map of total nitrogen content in sediment at different sites in Aha Reservoir

圖8 阿哈水庫(kù)不同地區(qū)底泥銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量分布圖Fig.8 Distribution of NH4+ - N and NO3- - N contents in sediment at different sites in Aha Reservoir

4 討 論

阿哈水庫(kù)底泥的機(jī)械組成以粉粒為主，粘粒、砂粒次之，質(zhì)地以壤質(zhì)粘土與粉砂質(zhì)粘土為主，這與卓志清等[27]關(guān)于海南島南渡江下游塘柳塘研究中底泥的質(zhì)地一致。說(shuō)明底泥的質(zhì)地比較黏重，在利用底泥進(jìn)行栽培的時(shí)候，需要調(diào)節(jié)其質(zhì)地以適應(yīng)植物生長(zhǎng)。

底泥的含水量能夠反映底泥的疏松狀況，影響底泥的再懸浮程度，含水量越低，底泥越疏松且性質(zhì)越不穩(wěn)定，易受風(fēng)浪等外力因素發(fā)生再懸浮[28]，阿哈水庫(kù)底泥含水量變化范圍為69.5～87.6%，不易受外界擾動(dòng)發(fā)生再懸浮。

土壤比重跟孔隙度取決于其固相組成物質(zhì)種類，這些參數(shù)決定土壤的導(dǎo)水性、保水性、透氣性等，與植被生長(zhǎng)密切相關(guān)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。比重和孔隙度過(guò)高或者過(guò)低都不利于植物生長(zhǎng)，阿哈水庫(kù)底泥的比重接近自然土2.65 g/cm3；孔隙度比官?gòu)d水庫(kù)要高，蘇德純等[1]在對(duì)官?gòu)d水庫(kù)壩前疏浚底泥的分析中發(fā)現(xiàn)，官?gòu)d水庫(kù)壩前底泥的孔隙度為23.8%，其原因?yàn)楣購(gòu)d水庫(kù)底泥質(zhì)地中粘粒含量高，底泥質(zhì)地黏重。

阿哈水庫(kù)由于周邊煤礦較多，產(chǎn)生大量酸性廢水排入阿哈水庫(kù)中，對(duì)阿哈水庫(kù)造成廢水污染，使水質(zhì)偏酸性[29]，為了治理水體污染，阿哈水庫(kù)管理區(qū)向水庫(kù)投入大量生石灰沉積到庫(kù)底，使阿哈水庫(kù)底泥pH偏中性，由表2可見水庫(kù)不同區(qū)域底泥pH差異不顯著，這與魏嵐等[30]研究的廣東省水庫(kù)底泥pH在5.28～6.18之間不同，其原因是廣東省水庫(kù)底泥缺氧環(huán)境下促進(jìn)了底泥有機(jī)物的微生物水解產(chǎn)氨基酸等有機(jī)酸類，引起pH降低，且未針對(duì)其pH弱酸性進(jìn)行調(diào)整，而阿哈水庫(kù)底泥針對(duì)工業(yè)廢水造成的水體酸化投入生石灰進(jìn)行了治理，使底泥呈中性。

土壤中的還原性物質(zhì)含量過(guò)高會(huì)對(duì)植物根系造成毒害作用，影響植物根系的呼吸和正常代謝作用，阿哈水庫(kù)底泥的還原性物質(zhì)總量和活性還原性物質(zhì)遠(yuǎn)高于于天仁等[32]研究發(fā)現(xiàn)的一般土壤中植物正常生長(zhǎng)的還原性物質(zhì)總量范圍為3.37～7.58 cmol/kg的最高值，分析其原因?yàn)榈啄喾e蓄于湖底，通氣情況差，含氧量過(guò)低，導(dǎo)致其還原性物質(zhì)總量超標(biāo)，要使底泥成為植物生長(zhǎng)的介質(zhì)，需對(duì)其進(jìn)行翻堆或晾曬，去除底泥中的還原性物質(zhì)。

土壤的全氮含量越高土壤肥力越高，越有利于種植植物，阿哈水庫(kù)底泥全氮含量高于《全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(>2 g·kg-1)，這與毛志剛等[31]研究的太湖東部湖區(qū)底泥的結(jié)果一致，兩者全氮含量都高，其原因是由于底泥氮素大多數(shù)來(lái)源于有機(jī)質(zhì)，而阿哈水庫(kù)和太湖周邊有人為的養(yǎng)殖場(chǎng)，湖底沉積有大量的魚蝦等動(dòng)植物殘?bào)w，它們的存在增加了阿哈水庫(kù)底泥的全氮含量。

土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的存在有利于植物的生長(zhǎng)，阿哈水庫(kù)底泥的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化范圍分別為62.48～256.43 mg/kg和4.96～82.54 mg/kg，郭小芳[33]在研究中指出小麥、玉米等旱地作物更偏好硝態(tài)氮，馬鈴薯等作物在銨態(tài)氮濃度高時(shí)生長(zhǎng)狀況較好，兩者施用比例合適時(shí)有利于植物生長(zhǎng)，合適的比例取決于施用的總濃度，濃度低時(shí)，不同比例對(duì)植物生長(zhǎng)影響不大，濃度高時(shí)，硝態(tài)氮作為主要氮源顯示出優(yōu)越性。阿哈水庫(kù)底泥的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量都比較高，土壤肥力高，有利于不同種類植物的生長(zhǎng)。

環(huán)保疏浚是底泥最常用的處置方式之一，但產(chǎn)生的大量底泥，直接堆積不僅占用大量土地，而且還會(huì)由于雨水和地表徑流的沖刷而產(chǎn)生二次污染，從而浪費(fèi)養(yǎng)分豐富的底泥資源[34]。根據(jù)《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，阿哈水庫(kù)底泥的各個(gè)取樣點(diǎn)重金屬單因子污染指數(shù)范圍在0.38～2.08，均值為0.98，等級(jí)為1級(jí)，屬于清潔，其中，PCd=2.84，為中度污染。底泥的重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)范圍在0.93～5.02，均值為2.17，等級(jí)為 4 級(jí)，也為中度污染，其中游魚河、白巖河取樣點(diǎn)為重度污染；檫耳巖、豬場(chǎng)壩、大壩下方取樣點(diǎn)為中度污染；其余6個(gè)取樣點(diǎn)為輕度污染；凱龍寨為尚清潔。7種重金屬污染程度由大到小排序?yàn)椋篊d>As>Pb>Zn=Cu>Cr>Hg。由此可見，利用嚴(yán)格的耕地土壤重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)阿哈水庫(kù)底泥已處于中度污染，所以不適宜種植農(nóng)作物，可考慮種植園林園藝植物等觀賞型植物，使其潛在的重金屬危害不進(jìn)入食物鏈，傷害人類的健康。

5 結(jié) 論

阿哈水庫(kù)底泥的機(jī)械組成以壤質(zhì)粘土與粉砂質(zhì)粘土為主，含水量、比重和孔隙度的平均值分別為77.9%、2.52 g/cm3、36.1%，含水量處于很高水平，比重處于中等水平，孔隙度處于中下水平，各個(gè)指標(biāo)變異系數(shù)范圍為5.56～24.25%，空間變異性明顯。

阿哈水庫(kù)底泥的pH、還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的平均含量分別為7.21、22.46、17.85 cmol/kg，3700、160.22、51.09 mg/kg，pH為中性、還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均較高，且各個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)變幅較大，為3.05～46.56%，空間變異性較強(qiáng)。

阿哈水庫(kù)底泥可以進(jìn)行植物種植，但底泥利用前，需調(diào)節(jié)質(zhì)地，增大孔隙度，去除還原性物質(zhì)，提高底泥利用的有效性和安全性。

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