白洋淀底泥现状评价及在芦苇生境下演变机理研究-农学硕士论文

分类号： ! 业： 密级：垒 Y9 3 3 5 6 7 单位代码：! 殴8 学号：Q 3 Q 2 Q 2 鲤Q ! Q 5 白洋淀底泥现状评价及在芦苇生境 下演变机理研究 A s s e s s m e to nP o l I u t i o ns t a t u so fS e d i m e n ti nB a i y a n g d i a nL a k ea n d A n E I e m e n t a r yR e s e a r c ho ft h eT a n s f o r m a t i o nM e c h a n i s m o fu n d e r R e e d sB i o s p h e r e 学位申请人： 指导教师： 学科专业： 学位类别： 授予单位： 答辩日期： 杨卓 王殿武教授 李贵宝教授 土壤学 农学硕士 河北农业大学 二o o 六年六月十一日 摘要 底泥是湖泊水库的重要组成部分，能够反映湖泊水库演化的历史过程。水体底 泥污染已经成为世界范围内的一个环境问题，因此调查和研究底泥中的污染物的含 量及其分布特征，受污染底泥的处理处置问题成为目前的研究热点。本文采用原状 土柱和人工湿地控制( 生态滤池) 试验与野外布点调查取样相结合的方法系统地研 究了白洋淀地区底泥现状和污染程度及在芦苇生境下所发生的一系列转化和演变 情况，并对芦苇对底泥的净化及受污染底泥易地无害化处理的机理进行了探讨。结 果表明：2 0 0 4 年6 月通过对白洋淀2 1 个点位采样分析的结果表明，底泥中氮含 量为0 1 2 6 2 9 0 l g 瓜g 、磷含量为O 4 2 9 1 0 8 2 9 l 【g 、有机质含量为4 1 7 0 0 7 3 2 0 9 瓜g ， 具有一定的资源化利用价值。重金属元素c u 、z n 、c d 、P b 呈现出不同程度的污染 现状，污染危害顺序为C d P b Z n C u 。对淀区底泥重金属元素进行地累积指数和 潜在生态危害评价，底泥中C d 、P b 分别表现为极强、轻微中等的生态危害和极强、 中度的污染程度。该地区底泥重金属综合污染指数为3 5 8 3 ，已属重度污染。多数 地区为2 种以上元素的复合污染。其污染现状主要呈现出以下特点：上游污染重于 下游；O 1 0 c m 底泥层污染重于1 0 2 0 c m 底泥层；离排污口近则污染严重，村落密 集、人口稠密的淀区则水质坏、重金属含量高；围拦养鱼甚密、养鸭养蟹多的地方 污染会加剧。在2 1 个采样点中，府河入淀口处的安新大桥、南刘庄、原唐河污水 库同口污染较为严重。白洋淀底泥中含量较高的氮、磷、有机质使其具有农业利用 的潜在价值，其利用的关键障碍性因子是重金属元素的污染，尤其是镉，其含量约 为土壤环境质量标准( G B l 5 6 1 8 1 9 9 5 ) 中二级标准( p H 7 5 ) 的1 1 2 倍，三级标 准( p H 6 5 ) 的7 O 倍。但未超过农用污泥中污染物控制标准( G B 4 2 8 4 8 4 ) 中的含 量。不同的土壤酸碱度、碳氮比和水分条件会给底泥中物质演变带来不同的影响。 芦苇根系和特定的土壤环境能在一定程度上使重金属有效性降低，但这一现象在底 泥刚与根系发生作用的几个月里并不明显。芦苇对底泥中重金属元素的吸收和积累 及微生物活动是使底泥得到净化的主要途径。芦苇体内的重金属元素浓度可以达到 土壤中有效态重金属浓度的几十倍到上千倍。芦苇各部分吸收能力地下部明显大于 地上部，根系为各污染物大量聚集的部位。p H 值低( P D ) 、C N 中( c z ) 、水高( S G ) 处理有利于底泥的净化。p H 值在7 0 7 5 、C N 在1 0 左右的土壤环境，较充足的灌 水量可以使芦苇生长良好，获得较高生物量，使底泥得到净化。生态滤池实验中， 随着底泥用量的增加，芦苇的长势、生物量、株高等也增加。底泥用量大( 3 群池) 则动态变化明显，在一年的时间里，尽管芦苇生长带走了一部分物质，但底泥内各 元素含量变化并不明显，尤其是有效态重金属，只是略微有所下降。 关键词：底泥：净化：芦苇：重金属：污染：评价；白洋淀 A s s e s s m e n to nP o U u t i o nS t a t u so fS e d i m e ti B a i y a n g d i 矗nL a k ea n dA n E I e m 蛆1 t a r yR e s e a r c ho f t h e1 r a n s f 0 珊a t i o nM e c h a n i s mo f u n d e r R e e d sB i o s p h e 代 A u t h o r ：Y A N GZ h u o S u p e r v b O r ： P r o f 、N GD i a n - W u M a j o r ： P r o f L I G u i - b a o S O i lS c i e n c e A b s t r a c t T h es e d i 工n e n ti s 廿1 ei m D o r t a n tc o n s t i t L l e n to f 也el a l r er e s e r v o i Lnc a nr e f l e c tt 1 1 e l l i s t o r i c a lp m c e s so ft h el a k er e s e r v o 证T h ep o l l u t i o no ft h es e d i m e n to f 血ew a t e rb o d y a I r e a d yb e c 锄ea ne n v i r o I l r n e n tp r o b l e mi na 1 1s c o p eO fm ew o r l d ，t h e r e f o r e 血e i n v e s t i g a t i o na n dm er e s e 鲫c hf b rt l l ec O n t e mo ft h ep o l l u t a n ta n d 血ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e I i s t i ci nt h es e d i m e n t ，t h ep r o c e s s i n gh a n d l i n gq u e s t i o no ft l l ep o l l u t c d8 c d i m e n t a r et ob e c o m em ei r I l p o n 蛆tr e s e a r c ha tp r e s c n t T l l i sp a _ p e ru s e dm es o i lc o l u m na n dm e a r c i f i c i a lw e t l a I l dc o n t r o l ( e c o l o g yf i l t e rt a I d ( ) e x p e r i m e n t sa 1 1 dm eo p e n 谢I ds 诅t i o I l i n g i r l v e s t i g a t i o no nt a k e sa p p e a r a n c eu n i o n 也em e m o dt l l o r o u g h l ys y s t c m a t i c a l l yt os t I l d y t h ep r e s e n ts i t l l a t i o no f 也es e d 油e mi 1 1B a i y a n g d i a nL a k ea n dt 1 1 ep o l l u t i o nd e g r e ea n da s e r i e so fn a n s f o r n l a t i o na n dm ee v o l u t i o ns i t u a t i o nw h i c ho c c u r r e du n d e rt h er e e d b i o s p h e r e ，a 1 1 dm em e c h a I l i s m o ft h es e d i m e n t 伽r i f i c a t i o na n di sp o l l u t e dt 0t l l er e e dt o m o v ei m h a m l f I l l p r o c e s s i n gt oc a 7o nt h ed i s c u s s i o n T h em a i nr e s u l t sw e r es h o w na s f e l I o w ： ( 1 ) I n v e s t i g a t i o ni I l2 0 0 4a b o u tm es e d i m e n ti nB a i y a i l 鲷i a nL a k ew a sm a d e T h e r e 、v e r e2 lm O n i t O r m gs i t e s ，m o n i t o m 坦i t e m s 、e r eC u 、Z n 、C d 、P b 、T N 、T P 、1 o Ca n d p H C o 】训t i n gd o m e s t i cJ 它1 e v a J l ts 伽d a r 也s e tu ps e d i m e n tp o H u t ee v 础u 8 t i o nc r i 矧0 n T h er e s u I t ss h o w e dt l l a tt h es e d i I n e n tp o l l m i o n 矗D mt h eh e a 、，ym e t a l ( C d 锄dp Mw a s q u i t co b v i o u s ，a n dm o s to ft l l e mw a sp o l l u t e d T h es e d i m e n ts a m p l e sw e r eh i g h l y p o l l u t e d b yC d ，p o I l 埘0 ne n d a l l g e r s 恤o r d e ra sC d P b Z n C u 1 1 1 es y n t h 甜ci n d e xo f s e d i m e n tp o l l u 廿o nw a s3 5 8 3 ，w h i c hw a sf i v eg r a d es 仃o n gp o l l u t i o n T h eb r i d g eo f A 1 1 ) 【i n ，S o u t h L i uv i l l a g e ，T o n 业o u ，L i a l l g z h u a l l 舀w 如自i 划 1 a ii sm em o s ts e r i o u Si n p o l l u t i o n A s s e s s i n gt l l eg e o a c c 啪u l a t i o ni n d e x 舡l dt h ep o t e n t i a le c 0 1 0 9 i c a Ir i s k ，a I l d a n a l y z h 2t b ep o I I u t i o nc a u s e sa r l dt l l em a s s 舳c t i o no fh e a 、，ym e t a l si ns e d i m e n to f B a i y a I l g d i a nL a k c a 1 1 dm eh i s t o r i c a lm a t e r 主a I sh a v eb e e nc o m p 剐e dw i t ha n da n a l y z e d T h er e s u I t ss h o w e dt h a tt h ec o m e n t so fC d ，P bi sv e r yh i g hi ns e d i m e n to fB a i y a n g d i a I l L a k e I ti st 0s h o wm a te x t r e m e l ys 仃o n g e re c o l o g i c a lr i s kf o rC da n ds l i g h t m e d i 啪 e c 0 1 0 西c a lr i s kf o rP d T h ep 0 1 I u t i o nd e g r e ei ss 仃o n g e ro f C da n dI n c d i 啪o f P b A c c o r d t ot l l ec u n - c n ts i t l l a t i o no fB a i y a n g d i a nL a k e nl l a sp u tf o H 忸r dm e 洳i n i s 删o n m e a s u r es u g g e s t i o n ( 2 ) H o wt od i s p o s et h ep 0 1 l u 刚s e d i I n e n tw h j c hc o m e si n t ob e i n gd l l r i n gt 1 1 e d r e d 西n g ，h a sb e e na l w a y sa w o d d - w i d ep r o b l e m 1 1 1 ea n a l y s i sr e s u h so fs e d i m e n tb y s 锄p l e dJ u l l eo f2 0 0 4i nB a i y a I l g d i a l l1 a k es h o w c dt I I 砒t h ec o n t e n to fN ，Pa 1 1 do r g a m c m a t t e r si sr e l a 矗v e l yl l i l r hmm es e d i m e n t ，a n dm e r ea r et h ep o H u t e dt r e n d yo fd i f r e r e n t e m e n t so nt l l eh ea _ v ym e t a l so fC u ，Z n ，C da n dP b T h ee X p e r 曲e n to fs o i lc o l u m n w l t h o u td c s 叻y i n gs o i ls 仃u c t u r eo ni n n u e n c eo fd i 虢瑚te n v i r o n I n e n t a lf a c t o r st o c h a I l g eo f 。s e d l m e mh a sb e n d u c t c db yc o f l 加l l i n gp H ，c 肘锄da d d e dw a t e ro ft 1 1 e c 0 1 u I l l l l T h er e s u h s 砌i c a t e st h a tm ec o n d i t i o no fl o w e rp H ( 7 3 ) ，m i d d l eC ，N ( 1 2 ：1 ) a n d 王l i g h e ra d d e dw a t e rV o I u m e ( 8 0 L ) i sb e e f i d a lt on l ed i s p o s a lo fs e d i m e n tb y p l a n t e dr e e d ( 3 ) F i l t e re c o l o 萄c a le x p e r i m e n t s 虹l o wm a td 砸n gt h ei n c f e a s ei nc o n s u m p t i o n w l t t lt l l es e d l m e n t t l l er e e d sg r o 谢n gt r e n d ，b i o r l l a s s ，t l l eh e i g h to ft l l er c e dw e r ea l s o l n c r e a s e d G r e a tm u du s a g e ( 3 拌p 0 0 1 ) i so b v i o u sd y r l 姗i cc h a n g e si na y e a r ，d e s 口i t et l l e r e e d sg wa w a yap a no ft 1 1 em a t e r i a l ，b m d t l l i nm ee l e m e n t a lc o m e n to fs e d i m e mi s n o to b o u s c h a l l g e s ，e s p e c i a I J ye 娃e c t i v eh e a v ) rm e t a l sw a y s 彻J ys 2 i 曲t l yd e c l i I l e d K e y w o r d ：s e d i 1 e n t ；p 嘶f i c a 畦o n ；r e e d ；h e a v ym e 脚；a p 州s a lo f p o l l u t i o np r e s e n t s i m a t i o n ；B a i y a n 酣i a l ll a k e 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得冱些塞些盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：枷6 年6 月阻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基i 蔓壅些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑些盛些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论寒。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：杨睾 导师签名： 签字日期： 年月日签字日期：易彩年多月扣捆 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 辨 白洋淀底泥现状评价及在芦苇生境下演变机理研究 1 引言 我国湖泊众多，湖泊是我国淡水资源的主要来源之一。大于l k m 2 的淡水湖泊的 总面积为2 7 7 2 7 k m 2 。湖泊及其流域历来是人类活动最重要的场所，人口密度大，人 均水资源占有量低，经济发展快，资源利用强度大，环境保护措施滞后。大量的营 养物质和重金属元素随着工农业和城市生活污水被排入江湖，改变了湖泊原有的生 源要素循环规律，导致生态系统退化。流域内水环境污染日益严重，河网水质、底 泥污染加剧，湖体富营养化发生发展，水环境总体上呈恶化趋势，使得水质型缺水 矛盾不断发生，已危及流域经济可持续发展和人民生活的安定【l 】。 湖泊底泥是湖泊生态系统的重要组成部分，是湖泊营养物质循环的重要基础， 也是水土界面物质( 物理的，化学的，生物的) 积极交替带【l l 。湖泊底泥主要由无机 矿物、有机物、活性金属氧化物组成，含水量高，一般在8 3 9 5 之间，这种天然 的颗粒物具有巨大的表面积，在水环境中发挥着重要的作用【2 】，它是水中各种污染物 的源和汇p 】，记录着湖区环境变化的丰富信息【4 l ，能够反映湖泊水库演化的历史过程。 在湖水一底泥体系中，底泥是各种污染物积累富集比较稳定的场所，底泥中污染物 的浓度可以间接反映湖水的污染程度，底泥的污染状况是全面衡量水环境质量状况 的重要指标【5 1 。 水体底泥污染已经成为世界范围内的一个环境问题。全球多数工业城市都坐落 在河流两岸、河口及其邻近地区。城市和工业的发展带来的生活污水、没有得到有 效控制的工农业点源和面源污染，给他们赖以生存和发展的河流及伴生的湖泊、河 口及临近海域带来严重污染。城市生活污水和工农业生产废水进入河流，带来的焦 磷酸盐、三聚磷酸盐、有机磷农药、重金属等，经过一系列物理、化学和生物作用， 一部分沉积于河流两岸的湖泊、河口及近海区，成为营养物和污染物的内负荷，在 一定条件下，部分营养元素和污染物又可以从沉积物中间向上层水体释放，使水体 营养和污染负荷增加【6 l 。2 0 世纪7 0 年代之前，底泥被简单地看作水环境中污染物的 “汇”，但随着水环境的点源污染初步得到有效控制后，受污染的底泥开始成为不 可忽视的水环境非点源污染之一【_ ”。污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲 刷进入水体，最后沉积到底泥中并逐渐富集，使底泥受到严重的污染瞄J 。底泥污染的 加剧主要是人为因素造成的。经济高速发展过程中，排放的大量难降解污染物相当 一部分积累在水体底泥中，对水生态系统构成长期威胁。在污染物控制达到一定程 度后，底泥则成为水体污染的主要来源。莱茵河流域、美国的太湖地区、荷兰的阿 姆斯特丹港口、德国的汉堡港底泥污染均十分严重【9 】。美国E P A 在1 9 9 8 年的调查报告 中指出，美国已发生的2 1 0 0 起事件声称鱼类消费中的问题，多次证实污染来自底泥 【l o 】。在我国也已发现并证实了水体底泥具有生物毒性，如乐安江在2 0 1 9 5 k m 段沉 积物均显示出毒性【l l 】。此外，水体富营养化解决的关键也仍与底泥密切相关I l ”。因 此，污染底泥的治理已刻不容缓，势在必行。 河北农业大学硕士学位论文 底泥中污染物主要为氮、磷、有机物、重金属元素等。 1 营养元素：经各种途径进入水体的氮、磷等营养元素，相当一部分沉积到底 泥中1 8 】。长期的外源输入和水生生物残渣的沉积，使河流、湖泊等水体的沉积物中富 集了大量的有机质、氮、磷等营养物质。这些营养物质一方面为水生生物提供了丰 富的食物来源，另一方面如果沉积物中营养物质含量过高，则可能会大量释放到水 体中，使上覆水体处于富营养化状态，引起水生生态系统的退化【1 3 】。营养元素是湖 泊富营养化过程的标志。磷是底泥重要的营养元素，是决定大多数湖泊水库富营养 化状态的关键元素，得到了广泛深入的研究【1 4 ，l5 1 。据调查，滇池中的氮和磷营养元 素的8 0 9 0 分布在底泥，其次才是水体和浮游生物，滇池自外部输入的磷有7 4 沉积于底泥；杭州西湖底泥每年磷的释放量达到1 3 t ，在1 9 8 8 年7 月至1 9 8 9 年6 月间沉 积物释放的磷为外源输入磷负荷的4 1 5 姘1 6 l ，由于内源负荷磷的影响，西湖引水工程 的效果在停机1 0 天后即消失【l7 】；巢湖底泥磷的释放量高达2 2 0 t 左右，是入湖磷负荷量 的2 l ；太湖底泥释放的磷是外源性磷负荷的2 l 蜊。5 1 8 ，伸1 ；对瑞典的一个湖泊的研究 表明，夏季湖泊中9 9 的养分来自沉积物f 2 。更重要的是，当水体养分的外源得到 有效控制后，沉积物中养分的季节性再悬浮仍能使水体的富营养化持续数十年【2 l J 。 2 重金属元素：重金属成份反映了流域工业生产对湖泊环境的影响【4 】。重金属 通过吸附、络合、沉淀等作用而沉积到底泥中，同时与水保持一定的动态平衡。当 环境条件发生变化时，重金属极易再次进入水体，成为二次污染源【引。通过各种途径 进入水体的重金属很容易被水体悬浮物或沉积物所吸附、络合或拭沉淀，从而在水 体的沉积物中富集，致使沉积物中重金属浓度相对于水中的浓度要高得多，从而对 水生生态系统构成长期威胁【2 2 】。重金属具有极强的累积作用，并且在受纳水体中， 重金属污染物不易降解。通过各种途径排入水体的重金属等污染物绝大部分迅速地 由水相转入固相，即迅速地转移至沉积物和悬浮物中。悬浮物在废水流搬运过程中， 当其负荷量超过搬运能力时，便逐步转变为沉积物【2 3 】。大量研究还表明，在受重金 属污染的水体中，水相中重金属的质量分数往往甚微，而且随机性很大，常随排放 状况与水利条件不同，其分布往往毫无规律。但底泥中的重金属质量分数比水相中 高得多，常常得到积累，并表现出明显的规律性。沉积物可以反映水系状况【2 4 ，2 5 1 ， 是水环境中重金属的指示剂1 2 6 】。对底泥中的重金属的分布与含量水平的研究是很有 价值的。 3 难降解有机物：底泥对有机化合物吸附主要有2 种机理，即分配作用( p a r t i t i o n ) 和表面吸附作用( a d s o 印廿o n ) 。研究表明f 2 2 ，2 7 ，2 引，底泥对水中疏水有机物的富集主 要是分配作用所致，与底泥中有机物的结构和有机碳的含量有关【2 9 J o 3 l l 。迄今研究较 多的是底泥对非极性有机物的吸附作用及机理，也有一些对极性或可离子化的有机 污染物吸附性能及机理的研究【3 2 3 3 】。P A H 、P c B 。等有机物，由于疏水性强，难降解， 在底泥中大量积累，通过生物富集作用，有毒有机物可以在生物体内达到较高的水 平，从而产生较强的毒害作用，通过食物链危害到人类【8 】。 2 底泥作为“内源污染”的作用是不可低估的。底泥的污染归根结底是对水体的 白洋淀底泥现状评价及在芦苇生境下演变机理研究 污染和对底栖生物的危害。如果能消除其对水体和底栖生物的作用，则能有效降低 污染底泥的环境影响。因而，底泥的污染控制既可采用固定的方法阻止污染物在生 态系统中的迁移，也可采用各种处理方法降低或消除污染物的毒性，以减小其危害。 据此，底泥的修复主要有以下几种方法：原位固定；原位处理；异位固定； 异位处理。原位固定或处理是底泥不疏浚而直接采用固化或生物降解等手段来消 除底泥的污染行为；异位处理或固定则是底泥疏浚后再行处理，消除其对水体的危 害【8 】。从方法上讲，污染底泥的修复主要有物理修复、化学修复和生物一生态修复三 大类技术方法，这些方法又都可以相结合应用，也可以应用到工程技术修复中。物 理修复是借助工程技术措施，消除底泥污染行为的一种方法，主要有疏浚、引水、 填沙掩蔽等措施：化学修复是借助化学反应来消除底泥对上覆水体的影响；生物修 复是利用生物体，主要是微生物来降解环境污染物，消除或降低其毒性的过程。底 泥作为“内源污染”的作用较大，各国科学家开展了底泥的原位处理和易地处理技 术 3 4 州】。原位处理，如底泥氧化和覆盖掩蔽底泥层技术不能从根本上解决内源性的 污染，原位生物修复的技术目前效果还很不理想【4 l 】，并且并非所有的污染底泥都可 以进行原位处理。易地处理技术的底泥疏浚是消除内源性污染最常用的方法，尤其 对于浅水湖泊或者水库，但成本和底泥的处置是一个需要考虑的问题。底泥疏浚、 环保疏浚、引水和掩蔽等物理修复方法和向水体中投加化学试剂的化学修复方法对 生态环境的破坏大，难以达到底泥修复的标准。随着生物技术和生物科学的不断发 展，生物一生态修复已经成为目前研究的热点，得到了各国的广泛重视。它利用培 育的植物或培养接种的微生物的生命活动，对底泥中的污染物进行转移、转化及降 解，从而达到底泥修复的目的。此方法包括原位修复和异位修复两种，异位修复技 术与底泥疏浚同时使用，融合了二者的优点，利用生物一生态修复技术先使污染底 泥达到无害化，然后再对其进行资源化利用，可使疏浚底泥变废为宝，有着很好的 应用前景。随着生物技术的发展，转基因手段的成熟，基因工程菌的大规模应用， 利用微生物来修复污染底泥已大有希望。在今后较长的一段时间，微生物修复将与 疏浚相结合，利用人工反应器来处理疏浚底泥，还可以发展高等植物修复，利用高 等植物对重金属和其他污染物的超积累能力，通过基因手段，培育出生物量大、生 长快、耐恶劣环境的品种，将使高等植物修复取得较好的效果，同时，高等植物可 作为微生物元位修复的载体，一些高效降解菌制剂，包括输氧荆或替代电子受体和 营养物，可以附着在沉水植物上，对水体和底泥起净化作用。研究和开发疏浚后的 底泥处理和利用技术是彻底解决内源性污染的根本途径，在理论和实践中均具有十 分重要的意义。 近年来，有关底泥污染控制与处理处置研究论文的发表增长很快。研究的主要 方向有底泥的污染化学性质和组成、底泥掩蔽覆盖技术、原位化学和生物处理技术、 底泥疏浚技术和疏浚底泥的处理处置技术、受污染底泥的管理等3 4 j 5 J 2 5 1 。底泥的 处理处置技术主要有颗粒分离、化学提取、生物降解、固化填埋和直接农用等方法。 颗粒分离与化学提取方法成本太高，难以推广；生物降解小面积试验有一定的效果， 河北农业大学硕士学位论文 大面积试验还很不理想；固化填埋法破坏土地资源几乎是永久性的，土地处理和作 为植物营养的利用是底泥处置中环境最友好的方法，但这种方法在实施前必须对底 泥进行稳定化处理。底泥疏浚作为污染景观水体治理和恢复中的一种彻底治理手段， 正越来越多地为景观水体治理工程所选用。上海苏州河治理中需疏浚底泥数十万立 方米，太湖综合治理及滇池治理中均需疏浚底泥数百万立方米，运河( 杭州段) 的 综合治理也有意进行大规模的底泥疏浚。景观水体底泥疏浚的投资一般都在数亿元 以上，有近一半的投资用于疏浚底泥的处置，因而疏浚底泥的处置已成为决定景观 水体具体疏浚规模和项目投资的主要因素。林地投放、城市绿地施用、农田投放等 土地利用是污水污泥等城市固废处置常用的、较经济的方法1 4 6 ，4 ”。景观水体疏浚底 泥的数量大，排放集中，与污水污泥、工业废渣等城市固废相比，城市水体疏浚底 泥的污染物成分简单、含量低、理化性质与土壤接近，更利于土地利用的实施。在 土地上合理的使用城市固废可以增加土地肥力，改良土壤耕作性能，节约大量处置 费用 4 9 J ，是一种符合可持续发展原则的资源回收利用途径，但若施用不当则可能 破坏土壤结构、引起作物减产、污染物含量超标及地下水污染等不良后果【5 0 ，5 ”。因 而对疏浚底泥土地利用可行性及其生态环境影响还需进行详细的调查研究。 总的来看，国际上对底泥的研究主要集中在如何防止二次污染的问题上，如底 泥中磷的释放，重金属和有机物污染等方面，并在加大投入研究生物修复污染底泥 的力度，对底泥脱水和稳定化方面的研究机理相对较少。丹麦有用芦苇床技术进行 污泥脱水的实验，但其机理仍很不清楚【52 ，5 3 】。我国科研人员对底泥的研究多集中在 底泥氮磷释放与沉积特征、底泥重金属形态与污染物转化等方面【l 9 ，3 6 3 8 ，珀 4 0 】，比世界 相对滞后。近年来开展了一些疏浚底泥的农业利用、底泥加工复混肥的研究以及少 量有关综合利用( 生产建筑材料、填地造景、环城公路、湖滨绿化带、生产砖瓦和 制造陶粒) 的研究1 4 0 5 4 ，5 5 1 。关于污染底泥修复技术与疏浚底泥资源化利用研究等工作 也已逐渐展开。林地投放、城市绿地施用、农田投放等方面已经试验成功。在疏浚 底泥的土地利用研究中，重金属和有机有毒物质的污染受到了很大的关注，而对疏 浚底泥土地投放中磷的环境危害研究较少，尽管磷在土壤中具有较低的迁移性垆”， 然而近年来许多研究发现，在一定条件下，土地投放的污泥中磷在土层中的下移深 度可达数十厘米甚至数米【5 7 ，5 8 ，5 9 】，其环境影响不容忽视，疏浚底泥一般都含有较高的 活性磷【加】，不恰当的土地投放势必会造成土壤磷污染【6 1 】。陈英旭等人通过原状土柱 淋洗试验研究了疏浚底泥土地投放中磷在土层中的下移规律，为疏浚底泥的合理处 置提供理论依据【6 2 】。陈桦林等从疏浚掩蔽等物理技术和生物修复技术方面研究底泥 修复。朱光伟等人将景观水体疏浚底泥园林利用和农业利用，对其土地利用的可行 性及其生态影响进行了研究，实验表明底泥用量在4 5 0 t h m 2 以下未造成地下水污染， 土地利用为一种经济可行的方法【4 0 ，6 3 1 。直接利用疏浚底泥比城市污泥具有更大的安 全性，只要物种选取合适，用量恰当，是一种很好的肥源和复垦用土L 6 4 J 。关于沉积 底泥一上覆水界面中各种污染物迁移转化、吸附解吸等化学行为的研究较深入和广 泛。在这方面，重金属、氮、磷、各种有机物、有机质的行为特点研究都取得了一 定的进展。汪家权等在实验室条件下，模拟了D 0 控制、p H 值调节、温度调节、水动 白洋淀底泥现状评价及在芦苇生境F 演变机理研冗 力条件等进行了底泥释磷试验【6 5 l 。底泥中重金属化学形态的研究也很多。昆明理工 大学对洮江表层底泥中A s 等重金属化学形态和迁移转化规律进行了深入的研究 断6 7 ，醯1 ，提出沿河海污染源必须控制好氧物质及酸性废水的排放。南四湖、太湖、巢 湖、长春南湖及各大水库等地都有相应的底泥研究工作进行，特别是华东师范大学 对苏州河底泥进行了全面的调查研究工作，并著有苏州河底泥污染与整治一书坤刿。 水系沉积物质量对上覆水环境安全具有关键意义。对污染的水体，如果只做水 体的质量状况分析，雨忽略沉积物的质量，就不能全面正确评价水环境的污染程度。 因此，对河流水系沉积物质量状况全面、系统的调查，是全国水资源综合规划的重 要部分，将为水资源保护、开发、利用的合理规划提供科学、及时和全面的数据和 理论依据。自7 0 年代中期以来，随着全球对环境问题的日益重视和污染控制研究的 不断深入，世界各国对水系沉积物的质量状况、沉积物污染环境行为、水体沉积物 质量标准体系等方面开展了大量研究，取得了不少研究成果。美国以及西欧许多国 家先后开展了大范围的水系沉积物质量状况调查，并根据不同的研究目的和实际情 况初步制定了不同的水系沉积物质量评价标准。美国N R c ( N a t i o n a l R e s e a r c h c o u n c i l ) 将污染沉积物看作是“全国性的普遍存在的”重要水环境问题，并开展了 大量相关研究。美国环保局( u S E P A ) 于1 9 9 7 年做出了第一个全国范围的地质调查 报告，调查报告表明，沉积物污染的问题涉及到美国7 0 以上的流域水系，估计大 约l O 亿立方米的表层沉积物受到明显污染。报告还指出，尽管目前美国沉积物污染 的生态风险总体在较低的水平，但是污染沉积物包括了广阔的空间地域，因此将是 美国今后重要的环境问题。世界其它国家也对水系沉积物中污染物的迁移转化、沉 积物质量标准等方面开展了大量的研究。近年来，加拿大、澳大利亚、新西兰、荷 兰、挪威以及中国香港等国家和地区也先后提出了多种海水和淡水沉积物重金属的 质量标准。我国环境学界也对沉积物污染开展了相关研究工作，对不同尺度流域范 围水系底质进行调查。如中科院长春应用生态研究所1 9 9 8 年对长江流域水体环境背 景值进行了调查。陈瑞生、陈静生、金相灿、章生等分别对湘江、长江、黄河等水 系沉积物的底质污染或背景值开展了研究。自1 9 7 2 年以来，我国曾有计划地对一些 水体、河口和海域的化学污染情况进行调查，以重金属污染物为主要调查项目，但 由于采样点布设、采样方法、分析技术等方面缺乏必要的可比性，无法形成对我国 水系沉积物底质状况的统一认识，目前我国还没有统一的全国主要水系沉积物质量 状况的研究报告，我国目前仍没有制定河流水系沉积物质量状况的相关评价标准体 系，自7 0 年代中期以来，世界各国对水系沉积物质量标准的制定开展了大量研究， 美国、加拿大、澳大利亚、新西兰、荷兰、挪威以及中国香港等国家和地区提出了 多种海水和淡水沉积物重金属的质量标准。目前国际上对水系沉积物质量状况的研 究方法主要有如下几种： 背景值法：是目前水环境沉积物质量研究中经常采用的基本方法。以根据统 计分析计算出的水系金属元素“背景值”为基准，通过样品实测值与背景值的比较 划分沉积物的质量等级。 5 河北农业大学硕士学位论文 污染物标定的生物毒理学分析法：通过在洁净沉积物中加入一定浓度污染物 ( 如单个或多个金属元素) ，根据生物暴露实验的结果，建立直接的沉积物污染物 “剂量一效应”关系。 平衡分配法：是在欧美广泛采用的沉积物质量研究方法，该法根据污染物在 沉积物固相和液相的分配关系( 分配系数) 来建立沉积物中污染物含量水平与水体 中污染物浓度的关系。 表观效应阈值法：是基于沉积物中某种特定污染物含量与底栖生物毒理效应 的实测数据，判断该污染物的毒理效应阕值浓度。 筛选水平浓度法( S L C A ) ：该法建立在生物毒理效应基础之上，通过筛选底 栖生物污染耐受性的最高污染物浓度获得。 效应范围法( E R A ) ：此法是建立在大量化学和生物影响数据的基础上，是 目前国际上广为接受沉积物质量标准评价方法。 地累积指数法：该法从环境地球化学的角度出发，以世界页岩中元素的地球 化学背景值为基础，提出判断沉积物污染程度的“地累积指数”( I g e o ) 标准，根据 “指数”大小将沉积物质量状况分布为从“未污染”到“严重污染”的七级( 0 _ 6 级) 。 潜在生态风险指数法：该法根据沉积物中污染物( 主要是几种重金属元素和 P c B ) 的含量，计算单个污染物污染参数( c l f ) 和生态风险指数( 目) ，进而通过 C d 和I u 的值分析沉积物中总污染物的污染程度和潜在生态风险。 目前国内外对内陆水域沉积物环境的营养组分污染尚缺乏统一的评价方法和标 准，对沉积物营养物质状况评价，许多研究者通常是根据各自的研究目的进行个案 处理 7 0 1 。 将疏浚后的底泥置于芦苇等湿地生态系统中进行处理处置，研究其净化机理及 效果，使污染底泥达到无害化是近年来研究的熟点闯题。湿地可通俗的理解为一个 内部过程长期为水所控制的生态系统【7 1 ，7 2 1 。从生态学的角度来看，湿地是陆地与水 生系统之间的过渡地带，其地表为浅水所覆盖或者其水位在地表附近变化p x ”J 。湿 地不仅是人类重要的生存环境，也是众多野生动物、植物的重要生存环境之一，生 物多样性极为丰富，并且由于其在水分和化学循环中所表现出来的功能及其处于水 路交错带可对流经其的水流及其携带的营养物质起到过滤净化作用，作为自然和人 类废弃物的接收器的环境净化功能，而被誉为“自然之肾”【7 5 ，”，7 L l 。湿地作为农田 与水体之间的一个过渡带，能够通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用 降低进入地表水中的氮、磷化合物的含量。根据P e t e l j o h n 和c o 玎e l L 7 埘( 1 9 8 4 ) 的研究 结果，农田与水体阅5 0 m 宽的沿岸植被缓冲带能减少进入地表水8 9 的氮和8 0 的 磷。巴西的皮拉西卡巴的E n g e n h o 湿地对磷、硝酸盐和氨的去除率分别达到9 3 ，7 8 和5 0 【7 9 】。C h e s c h e i r 【8 0 】等通过模型研究表明湿地可以净化7 9 的总氮、8 2 的硝 酸盐氮、8 1 的总磷。从生态学的观点来看，输入到湿地中的氮、磷营养物质可被 植物吸收，促进如芦苇、蒲草、灯心草等水生维管植物的生长和发育，为保护生物 的多样性、改善流域生态景观起到积极的作用。因此，从经济学和生态学的角度， 自洋淀底泥现状评价及在芦苇生境F 演变机理研究 湿地生态系统已是世界上很多国家认可的控制水环境污染的有效工具。人工湿地是 由人工基质( 碎石、砂粒等) 和生长在其上的水生植物组成，无水和底泥在湿地土 壤的表层或表面下流动，靠砂石、土壤的吸附、植物吸收、微生物转化等一系列过 程降解水中的营养物质，是一种有别于自然湿地的独特的土壤一植物一微生物系统。 国外自2 0 世纪7 0 年代以来，已做了大量有关自然湿地和人工湿地对氮、磷营养物质 去除能力的研究，分析了吸附、下渗、植物吸收、生物转化( 矿化、硝化、反硝化) 等多种因素对氮、磷在湿地生态系统中迁移的影响，确定了湿地在河流、湖泊水质 的恢复与管理中所发挥的作用剐。我国先后在深圳、北京、天津等地建立了人工湿 地处理系统，并开始了对湿地生态系统中营养物质转化机制的研究【8 “。湿地是一独 特的土壤一植物一微生物系统。土壤中的有机质、氮、磷等营养成分将发生复杂的 物理、化学和生物的转化作用。自然和人工湿地中的土壤和砂石通过吸附、截留、 过虑、离子交换、络合反应等净化去除氮、磷、有机物、重金属等成分。水生植物 在湿地去除污染物过程中起着十分重要的作用。植物不仅可以通过其呈网络样的根 系直接吸收农田排水中的N H 4 + 、N 0 3 、P 0 4 3 。更重要的是，水生植物可通过其生命 活动改变根系周围的微环境，从而影响污染物的转化过程和去除的速度 8 3 J 。营养物 质在湿地土壤中的降解和转化主要靠微生物来完成。湿地土壤中发育着大量的好氧、 厌氧及兼性的微生物，由于水生植物的生长，其根系的分泌物及好氧环境为好氧细 菌的生长创造了条件，将有机物分解为N 0 3 、P 0 4 孓、s 0 4 2 。等离子，被植物吸收；根 区以外的还原状态区域，发育着大量的厌氧微生物，如硝酸盐还原细菌和发酵细菌， 将有机物分解为C 0 2 N H 3 、H 2 S 、H 3 P 、C 出等气体，挥发进入大气【8 3 l 。湿地植物对重 金属元素具有一定的累积作用，重金属元素的形态也会随植物根系分泌的有机酸、 氧化还原状况的不同而有所改变。湿地植物能源源不断的从湿地系统中吸收各种元 素。 芦苇是一种禾本科的多年生高大挺水草本植物，具有很广的适应性和很强的抗 逆性，生长季节长、生长快、产量高，并且S e i d e l 【8 4 】等发现芦苇是一种良好的净水植 物，具有一定的分解净化能力，能去除污水中大量的有机无机物。芦苇具有发达的 根状茎根系，在湿地土壤中纵横交错，形成了庞大的网络样结构，为微生物提供大 面积的生物膜附着物，并且芦苇体内具有中空的通气组织，根部生长着大量很细的 根毛，叶片吸收的氧气可以通过茎和根状茎的通气组织到达根毛，并从根毛分泌出 来，形成一个厚度小于l r r 皿充满氧气的围绕着根毛的液体薄膜，在芦苇根区形成特 殊的生态条件，这种根际可以供养大量的需氧微生物种群，且使其生物活性增加， 能加速有机质的分解【8 5 ，8 ”。芦苇的地上生物量很大，在自洋淀芦苇湿地，芦苇地上