（环境科学专业论文）苏州河网区典型镇域河道底泥污染特征研究.pdf

摘要 为一致，p b 污染有逐年加重趋势；重会属潜在生态风险处于轻微污染状态；相关性 分析显示，有机质是影响其分布的重要因素，m n 、c r 、c u 、z n 、p b 五种重金属相关 性显著；通过与国内外河流、水库和湖泊底泥中重金属含量比较，苏州河网区河道重 金属的累积受多种因素影响。 本研究的创新之处：对农村镇域水体环境污染物调查、污染特性分析研究和底泥 对磷的吸附与释放特性研究，填补了我国镇域污染物调查技术和信息空白，为识别镇 域污染来源、评价其相对贡献、制订镇域污染控制策略和环境执法提供了新的依据， 具有重要的科学意义和实用价值。 关键词：底泥，苏州河网区，氮，磷，重金属 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m i c s u r b a ne n v i r o n m e n t sa r eb e i n gi m p r o v e d g r a d u a l l y ，b u tt h er u r a la r e a sa r es t i l lp o l l u t e ds e r i o u s l y t h ep o l l u t i o np r o b l e m i ss i g n i f i c a n t i nt h ed e v e l o p e dr u r a la r e ao fe a s tc h i n a ，w h e r et h eu r b a n i z a t i o nd e g r e ei sh i g h a l lk i n d s o fp o l l u t i o nn o to n l ya f f e c tt h el i v i n g so fm i l l i o np e o p l ei nt h er u r a l ，b u ta l s ot h r e a t e nt h e i r h e a l t h ，a n de v e ne x e r ta ni m p a c to nt h ec i t yr e s i d e n t st h r o u g hw a t e r , a i r a n df o o dc h a i n i n t h i ss t u d y ，t e ns e l e c t e ds i t e sw e r es a m p l e da tt h et y p i c a lr i v e rc r o s s e dr e g i o no fs u z h o uc i t y p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f w a t e ra n ds e d i m e n tp r o f i l es a m p l e sw e r em e a s u r e d t h e r e l a t i o n s h i pa m o n g v a r i o u sn i t r o g e nf o r m so fi nt h ew a t e ra n ds e d i m e n tw a sd i s c u s s e d t h e e f f e c t so fp h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h es e d i m e n t so i lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h o r u s s o r p t i o na n dr e l e a s ew e r ee l u c i d a t e d t h eg e o a c c u m u l a t i o ni n d e x p o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s k i n d e xa n dc o r r e l a t i o na n a l y s i sw e r ee m p l o y e dt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o na n dp o l l u t i o np a t t e r n o f h e a v ym e t a l si nt h er i v e rs e d i m e n t s m a i nr e s u l t sw e r e l i s t e da sf o l l o w s t h ec o n t e n t so ft n ，t pa n dc o d c r i nt h er i v e rw a t e re x c e e d e dt h es t a t es t a n d a r do f s a f ew a t e rq u a l i t y t h ec o n t e n to fn i t r a t e ( n o s 。- n ) ( 1 1 肛2 3 9m g l ) w a sh i g h e rt h a nt h a t o fa m m o n i u m 州h 4 + n ) ( o 3 0 1 7 0m g l ) e v a l u a t e db yt h es t a t ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ， t h er i v e rw a t e rw a sp o l l u t e ds e r i o u s l y , 8 0 o fw h i c hw a sw o r s et h a nt h evg r a d eo fw a t e r q u a l i t y 1 1 1 em a i np o l l u t i o no f r i v e rw a t e rw a sr e s u l t e df r o mn i t r o g e n ，s u g g e s t i n gat y p i c a l r u r a lp o l l u t i o nf r o ma g r i c u l t u r e 。i nt h er i v e rs e d i m e n t ，t h ec o n t e n to ft nr a n g e df r o m2 7 8 t o6 3 0g k ga n di n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gs e d i m e n td e p t h ，s u g g e s t e dt h a tt h ep o l l u t i o n o fr i v e r sw a sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht i m e t h ec o n t e n to fa m m o n i u m ( n h 4 + - n ) r a n g e df r o m3 7 2t o2 2 8m g k gi ns e d i m e n t s ，i n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s i n gd e p t h t h ec o n t e n to fn i t r a t e ( n 0 3 。- n ) r a n g e df r o m13 1t 06 9 4m g k gi ns e d i m e n t s h o w e v e r ， t h ed i s t r i b u f i o np a t t e r no fn i t r a t ei nt h es e d i m e n tp r o f i l ef r o mv a r i o u ss i t e sw a sd i f f e r e n t f r o me a c ho t h e r t h er a p i da n du n s t a b l ew a t e rf l o wm i g h tb er e s p o n s i b l ef o rs u c ha r e s u l t t h ea n a l y s i so fc o r e l a t i o na n ds p a t i a l i t ys h o w e dt h a tt h e r ew a sn od i r e c tc o r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ev a r i o u sf o r m so fn i t r o g e ni nt h eo v e r l o n gw a t e ra n dt h o s ei nt h es e d i m e n t s u r f a c el a y e ri ns i t u ，b u ta no b v i o u sc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pi ns p a t i a lc o u l db ef o u n d o u t d u et ot h ew a t e rf l o w a b i l i t y , t l l el l i g hn i t r o g e ni ns e d i m e n tw a sr e f l e c t e dw e s t w a r di n t h er i v e rw a t e r i i i a b s t r a c t p h o s p h o r u ss a t u r a t e ds o r p t i o nc a p a c i t yo fs e d i m e n ts a m p l e sr a n g e df r o m191 1t o 7 71 6m g k g ，s u g g e s t i n gah i g hps o r p t i o np o t e n t i a lo nt h er i v e rs e d i m e n t s ，h o w e v e r , t h e r e w a sag r e a tv a r i a t i o na m o n gt h ed i f f e r e n ts a m p l es i t e s t h ez e r oe q u i l i b r i u mp c o n c e n t r a t i o n ( e p c 0 ) o ft h es e d i m e n t sr a n g e df r o m0 013t o0 18 3m g l ，s h o w i n gap o t e n t i a ls i n ko fpo f t h es e d i m e n t s t h en a t i v ea b s o r b e dp ( n a p ) w a s12 4 3 - 215 3 m g k g i n d i c a t i n gt h a tt h e r e w a sah i g hp o t e n t i a lr i s ko fpr e l e a s e df r o mt h es e d i m e n t s t h ep r o c e s so fp s o r p t i o na n d r e l e a s es h o w e dt w op h a s e so faf a s ta n das l o wr e a c t i o n t h ef a s tr e a c t i o np h a s eo c c u r r e d w i t h i n2h r s ，a n dt h es l o wr e a c t i o np h a s ef o l l o w e dt o10h r s t h ea n a l y s i so fc o r e l a t i o n s h o w e dt h a tc e c ，t o c ，p a r t i c l es i z e ，f ea n da lh a dn os i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e p a r a m e t e r so fpa d s o r p t i o na n dr e l e a s e ，h o w e v e r , t h ec o n t e n t so fv a r i o u si n o r g a n i cpa n da i f o r m sw e r er e s p o n s i b l ef o rt h e m s u c har e s u l tm i g h tb ec o n t r o l l e db yt h ef i v e rs e d i m e n t e n v i r o n m e n t ps o r p t i o na n dr e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c so nf i v e rs e d i m e n t si s c o m p l i c a t e da n d r e s u l t e df r o mm a n yd i f f e r e n tf a c t o r s s e d i m e n tc o r er e s u l t ss h o w e dt h a tam o d e r a t ea n dam o d e r a t et os t r o n gc o n t a m i n a t i o n o fc ua n dz n ，a1 i t t l ec o n t a m i n a t i o nt om o d e r a t ec o n t a m i n a t i o no fp b ，n oc o n t a m i n a t i o no f c ri nt h er i v e rs e d i m e n t t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ep o l l u t i o no fc ua n dz nw e r e s i m i l a rw i t ht i m e ，b u tp bp o l l u t i o ni n c r e a s e ds l i g h t l y o v e r a l l ，t h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni n t h i sa r e aw a si nal o wp o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s k t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i ss u g g e s t e dt h a t o r g a n i cm a t t e r ( o m ) h a dag r e a ti n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l s m n ，c r , c u ， z na n dp bc o n t e n t sw e r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dt oe a c ho t h e r , s u g g e s t i n gas i m i l a rs o u r c eo f t h e s eh e a v ym e t a l so c c u r r e d r e f e r e n c i n go t h e rs e d i m e n t si nr i v e r s ，r e s e r v o i r sa n dl a k e sa t h o m ea n da b r o a d ，t h ea c c u m u l a t i o no fh e a v ym e t a l si sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s i n n o v a t i o no ft h i ss t u d y ：t h i si st h ef i r s tt i m et oi n v e s t i g a t et h ew a t e re n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n da n a l y z ei t sc h a r a c t e r i s t i c si nat o w ns c a l ei nc h i n a m e a n t i m e ，t h eb e h a v i o r s o fp s o r p t i o na n dd e s o r p t i o no nt h es e d i m e n t sf r o mt h er e g i o nw e r es t u d i e dw i t hr e s p e c tt o w a t e rq u a l i t y t h i ss t u d yf i l l e dt h eg a p so fw a t e rp o l l u t i o ni n v e s t i g a t i o na n di n f o r m a t i o n w i m i nat o w ns c a l et op r o v i d ee v i d e n c e sf o rp o l l u t i o ns o u r c ei d e n t i f i c a t i o na n df o rt h e p o l l u t i o np r e v e n t i o na n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：s e d i m e n t s ，t h er i v e rm o s s e dr e g i o no fs u z h o uc i t y ，n i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ， h e a v y m e t a l i v 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 近年来城市环境逐渐改善，农村污染问题却r 益严重，在城镇化程度较高的东部 发达地区农村，环境问题尤为突出，“垃圾围村庄，臭水满河塘”成为一些农村环境的 真实写照，各种污染不仅影响了数亿农村人口的生活，而且威胁到农民的健康，甚至 通过水、大气和食品污染等渠道最终影响到城市。据统计，目前我国农村每年产生 2 5 0 0 万吨的生活污水大部分直接排放，每年有1 2 亿吨生活垃圾露天随意堆放，每年 畜禽排放粪便总量达2 5 亿吨，畜禽养殖污水近1 0 0 亿吨，全国已遭受污染的耕地面 积为2 0 0 0 万公顷，约占耕地总面积的1 6 。浙江省环保局2 0 0 2 年进行的局部调查表 明，除了大气污染指标外，农村聚居点的其余环境要素指标已劣于城市。我国农村有 3 亿多人喝不上干净的水，其中超过6 0 是由于非自然因素导致的饮用水源水质不达 标；农村人口中与环境污染密切相关的恶性肿瘤死亡率逐步上升，已从1 9 8 8 年的 0 0 9 2 5 0 o o 上升到2 0 0 0 年的o 11 2 6 ，这对于基本排除在医疗保障制度之外的农民的 健康造成了极大的威胁。由于我国村镇污染治理体系尚未建立，若目前村镇污染治理 套用解决城市污染和工业企业污染的主要末端治理手段，既存在技术和经济障碍，还 会出现既治不起，也治不净的情况。在村镇，由于生活、畜禽养殖以及农业生产带来 的大量固体废弃物露天堆置以及污水的直排，这不仅污染了村镇周围环境，而且使环 境污染正同益由“小污”成“大害”，给作为弱势产业的农业和弱势群体的农民带来了明 显的负面影响。 建设社会主义新农村是党的十六届五中全会提出的重大历史任务，建设社会主义 新农村不能以牺牲环境为代价，需要走环境友好的可持续发展道路，因地制宜地建立 镇域环境评价体系对农业现代化发展过程中的环境问题进行监督和评价。但是在我 国，由于长期存在的城乡分割的户籍制度，“二元”社会结构形式突出，在“二元”社会 结构下，我国的环境管理体系是建立在城市和重要点源污染防治上的，农村的环境保 护长期得不到重视，农村环境治理体系的发展滞后于农村现代化进程，导致其在解决 农村环境问题上，不仅力量薄弱而且适用性不强。目前，我国的农村环境管理体系呈 现出环境立法缺位、农村坏境保护措施与污染的性质不匹配、基本没有形成环境监测 体系，现代化进程中污染问题的加重造成当前农村环境问题的原因很多，如农业生产 污染、村镇生活污染以及畜禽养殖污染等，只有进行环境污染源调查与分析，确定污 染源性质、规模、污染程度、污染物性质以及危害程度，才能对污染物进行溯源，从 而为针对性地研究开发控制技术，有效控制污染提供参考依据，将大大减少污染源控 第一章绪论 制的盲目性，因此在全面推进社会主义新农村建设的今天，必须对镇域有机废弃物排 放控制技术进行研究，有效控制对农村环境污染，以保证农村的社会发展和改善农民 福利。 底泥作为地表水体巨大的潜在污染源，适当条件下污染物可能又会重新释放出 来，成为二次污染源，特别是当外源污染得到有效控制或者完全被截断之后，底泥可 能会成为地表水体污染的重要污染源。秦伯强等( 2 0 0 5 ) 根据实验室模拟结果估算得 到太湖底泥全年释放量为总氮8 1 力吨和总磷为2 1 万吨，分别达到外源氮磷年输入 量的2 - 6 倍。r y d i ne 等( 1 9 9 8 ) 对瑞典的e r k e n 湖的研究表明夏季多达9 9 的营养 物来自于底泥。张丽萍等( 2 0 0 3 ) 和孙亚敏等( 2 0 0 0 ) 的调查研究发现，杭州西湖内 源污染负荷已经达到外来污染负荷的4 1 ，安徽巢湖内因污染负荷是外来负荷的 2 1 。王健等( 2 0 0 3 ) 采用静态和动态试验方法研究了小清河底泥污染物释放对水质 的影响，研究结果表明：将小清河底泥置于清洁的自来水中，底泥与自来水之间存在 着浓度不平衡，底泥污染物发生了静态和动态释放，造成清洁水体污染，使i i i 类水 质变为劣v 类水质。底泥污染物的释放是导致上覆水体污染物浓度较高的主要原因 之一，如果对污染底泥不加任何控制，即使是外源得到完全控制以后，内源的释放仍 然会使地表水体的上覆水污染物浓度处于较高水平。 世界上许多国家纷纷展开底泥污染控制技术的研究工作，针对五大湖流域水体底 泥普遍存在的重金属和有毒有害有机污染物，加拿大和美国分别开展了受污染底泥综 合整治技术的研究。荷兰、比利时、德国和开本等国家为解决受污染底泥问题也做了 许多研究工作( u s e p a ，1 9 9 4 ；r o e e t s re ta 1 ，1 9 9 8 ；王栋等，2 0 0 5 ；e l oe ta 1 ，2 0 0 5 ) ， 并逐步形成了一个完整的受污染底泥综合整治技术框架。近年来，随着我国底泥污染 问题的日益凸现，相关研究工作者对底泥污染的控制亦做了一定的研究，此方面的研 究主要集中在湖泊、水库( e l oe t a l ，2 0 0 5 ；b o r g g a a r d ，1 9 8 3 ；c a r r i t t ，1 9 5 4 ；w h i t e 刃a 1 ，1 9 7 7 ；i s t v a n 0 v i ，1 9 8 8 ) ，而河道尤其是农村镇域河道研究相对较少( 王圣 瑞等，2 0 0 5 ) 。 常熟市隶属于苏州地区，总面积1 0 9 4k m 2 ，为苏州地区面积最大的县级市。境内 河网密集，是工业发达、人口密集、高投入高产出的地区，在2 0 0 2 年整个地区的工 业企业数已达到4 3 7 4 6 个( 苏州市统计局，2 0 0 3 ) 。但是目前常熟市大量的农用水、 生活污水排入河道，随着城镇人口的激增，必然给环境造成了巨大压力。在污水处理 系统不完善或者根本就没有的情况下，大量城镇生活污水、人畜排泄物以及某些工厂 废水直接排入河流，已使这一地区水质严重恶化，几乎所有的河流水质均已经达到水 体富营养化的标准( 邢光熹等，2 0 0 1 ；马立珊和钱敏仁，1 9 8 7 ；马立珊等，1 9 9 7 ；郭 红岩等，2 0 0 3 ) ，然而较为系统的调查研究报告却不多。 2 第一章绪论 考虑到河道水体与湖泊水体之间存在差异，底质沉积环境也不同，本研究在苏州 常熟市河网区和设1 0 个采样点，对此河网地区的河道水质和底泥进行研究，分析测 定了河道水体和底泥的基本性质、底泥中氮磷形态以及垂直分布特征，探讨水质与底 泥中各形态氮含量的相关性，分析底泥的理化性质对磷吸附释放特征的影响以及上覆 水与磷的吸附释放的关系，并采用地累积指数、生态风险指数和相关分析等方法研究 其重金属污染特征，以期为我国东部河网区水体环境污染和治理提供基础资料，为污 染物减排技术以及污染源的控制技术提供参考依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 氦在底泥水界面的迁移转化及研究现状 在自然界中，氮主要以以下五种形态存在：铵念氮、硝念氮、亚硝态氮、有机含 氮物和大气中游离的气态氮。底泥中的氮可分为全氮、可交换态氮、固定态铵等。底 泥中可交换性氮主要包括硝念氮和铵念氮，铵念氮以可交换态形式存在，而硝态氮以 可溶形式存在，能够直接被初级生产者吸收用于光合作用，该形态氮对湖泊环境具有 非常重要的生态意义( 王春雨等，2 0 0 2 ) ，溶解态交换性氮通过分子扩散可以迅速在 溶液介质中迁移，这是底泥和上覆水体之问氮素交换的主要方式( b e m e r ，1 9 8 0 ) 。 固定态铵可能是底泥埋藏过程中主要的氮积蓄库( d el a n g ，l9 9 2 ) 。有研究认为， 底泥表层全氮含量明显高于下部底泥，随着沉积深度的增加，全氮含量迅速下降，达 到一定沉积深度后则相对稳定，而底泥交换性氮在底泥中的分布则受到全氮含量和埋 藏环境的双重控制，铵态氮含量往往随底泥的深度而增加( 王春雨等，2 0 0 2 ) 。 氮在的基尼水体界面的迁移和交换是一个复杂的生物化学过程，硝化和反硝化 作用是底泥水界面氮迁移和交换的主要形式( 杨龙元等，1 9 9 8 ) ，底泥上覆水界面 2 c m 是底泥与水体之问氮磷等营养元素循环的一个主要场所( 王春雨，2 0 0 2 ) ，水土 界面的硝化和反硝化反应是垂向分层进行的，受底泥中可渗透的氧气含量的影响，硝 化和反硝化反应只在底泥顶部厚度仅几厘米的薄层内发生( 杨龙元等，1 9 9 8 ) 。在富 氧条件下，底泥库中的有机氮化物经矿化再生作用降解为n h 4 + - n ，n h 4 + - n 扩散进入 上覆水体中，可进一步氧化n 0 3 - n ，即发生硝化作用。影响这一过程的因素包括温 度、溶解氧、p h 值、n h 4 + - n 含量、盐度和生态因素等。 上覆水中的n 0 3 - n 等也能反向扩散进入底泥中，在厌氧的环境下，经反硝化作 用还原成n 2 0 、n 2 等散逸进入大气。这种脱氮过程是清除水体氮负荷的最彻底的唯 一的有效机制，通过反硝化作用能够去除的内源氮负荷可达外源性氮输入总量的一半 以上( 吴丰昌，1 9 9 6 ) ，但是这种途径可能增加大气中的n 2 0 含量，n 2 0 是一种温 室气体，大量的n 2 0 排放必然导致温室效应，因此目前有学者提出减少使用这种可 3 第一章绪论 能存在二次污染的内源控制技术。反硝化作用的强度与水土界面微环境有关。底泥对 水体中的n 0 3 - n 等呈负释放性能，即降低上覆水体的n 0 3 - n 浓度( 杨龙元和蔡启铭， 1 9 9 8 ) ，当水体中n 0 3 - - n 浓度增加时，底泥厌氧层的反硝化作用加剧，这时较多的 n 0 3 - n 进入底泥厌氧层，降低水体中n 0 3 - n 的浓度：反之，当上覆水中n 0 3 - - n 浓 度下降时，底泥厌氧层的反硝化作用减缓，上覆水中n 0 3 - n 扩散进入底泥的数量减 少，从而对维持水体生态系统营养水平具有调节作用。 由于水底泥界面发生的硝化和反硝化反应是垂向分层进行的，大部分有机质降 解以及硝化和反硝化反应发生在底泥顶部，研究湖泊底泥中氮的赋存形态和垂向剖面 分布状况是准确理解底泥水系统中氮素地球化学循环及其环境影响的前提。已有文 献( 王东红等，2 0 0 5 ；c a t a r i n a e t a l ，2 0 0 5 ；w a n g e t a l ，2 0 0 8 ；z h e n g e t a l ，2 0 0 8 ； 金相灿，2 0 0 6 ；叶琳琳等，2 0 0 6 ；孙惠民等，2 0 0 6 ) 对底泥中氮的形态、含量、水平 分布、季节变化、来源以及扩散迁移等方面进行了研究，而且也有研究深入到了底泥 以及底泥问隙水中氮形态的剖面分布( i q b a l ，2 0 0 9 ：吴永红，2 0 0 5 ；王春雨等，2 0 0 2 ： w ue ta 1 ，2 0 0 6 ；孙慧民等，2 0 0 6 ：冯峰等，2 0 0 6 ：岳维忠，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 磷在底泥水界面的循环及其研究现状 1 )底泥磷在水体生态系统中的作用 磷是湖泊坏境和生态环境结构的重要影响因子，是水生生物的主要营养元素，同 时也是引起湖泊富营养化的重要因素。磷在水底泥界面上的吸附释放作用是影响其 在上覆水中浓度、迁移、转化和生物可利用性的重要过程。底泥对磷的吸附解吸过程 影响到底泥对磷的吸附固定和磷的去向，从而间接影响到周围水体环境。面对日益严 重的富营养化环境危害，底泥对磷酸盐的吸附对上覆水体的影响已经受到了广泛的关 注。 完整的水体概念，不仅仅是指水体本身，而且应包括存在于水体底部的底泥和水 体周围的各种环境条件，底泥中的物质可以参与水体生态系统的物质循环，所发生的 生物地球化学过程对整个湖泊系统物质的生物地球化学循环起着重要的影响作用 ( s o n d e r g a a r de t a l ，2 0 0 1 ；s c h i n d e r e t a l ，1 9 9 8 ) 。磷进入水体后，一部分被水生生 物吸收利用，一部分以各种形式存在于水中，还有一部分则通过物理的、化学的、生 物的作用，逐渐沉降至水体底部，经过长期的累积，在底部形成营养盐含量高的底泥。 底泥表层所积累的磷，部分可以被微生物直接摄入利用，进入食物链参与生态系 统的物质循环，水体营养物质的沉降累积是极其复杂的动态过程，它与输入和输出水 体磷负荷的速率、水体的水力冲刷作用、水化学和地球化学等因素有着密切关系，不 同的水体，其营养物质累积的速率不同，累积量和形态分布都表现出一定的差异性。 底泥从上覆水体和周围的大陆块接纳了各种活性的、难溶的有机和无机磷化合物的混 4 第一章绪论 合物质，其中一部分作为惰性物质而简单的以最初的形式埋藏在底泥中，其余的则通 过分解或溶解作用释放磷酸盐到底泥问隙水中。间隙水中的磷或释放到上覆水中，或 在底泥中作为一种自生相而再次沉淀或被底泥的其他组分所吸附( b o e r se t a l ，1 9 9 8 ； s u n d b ye ta 1 ，1 9 9 2 ) 。研究磷在底泥水界面的生物地球化学循环，对于湖泊富营养 化的治理起着关键的理论指导作用( d a v i de t a l ，1 9 9 8 ) ，对证确认识浅水湖泊的内 源负荷特征及揭示藻类水华的爆发机制部有重要的意义。目前有关底泥水界面磷交 换研究在认识底泥在水体生态系统中作用的基础上，主要集中在磷的吸附和释放两个 方面。 2 ) 磷的吸附 底泥对水体磷的吸附，主要是底泥中的有机质、粘土、铁铝氧化物和碳酸钙等矿 物颗粒对磷酸根的专性吸附，其中尤其以铁铝氧化物的吸附作用最为强烈。底泥对磷 的吸附和固定，除了微生物通过同化作用而变为有机态外，还包括三种机制，即：物 理吸附、化学吸附和物理化学吸附。磷的吸附一般用吸附等温线来描述，等温吸附过 程经验公式主要包括l i n e a r 、l a n g m u i r 、f r e u n d l i c h 和t e r n k i m 等，目前国内外应用 较多的是l a n g m u i r 方程，因为根据此方程可以得到底泥对磷酸盐吸附的重要参数： 磷饱和吸附量q m 和吸附常数k ，吸附常数在一定程度上反映了吸附磷的能级，该值 越大，底泥与磷的结合能力越大，q m 与k 的乘积综合反映了底泥对磷吸附的强度因 素和容量因素，是底泥对磷吸附性的特征参数( 庞燕，2 0 0 4 ) 。许多研究表明，底泥 对磷的吸附不但与底泥本身的物理化学性质有关，而且环境因子( p h 、e h 、温度等) 的变化对底泥吸附磷的影响也不容忽视。 底泥化学性质 磷最大吸附量与底泥的化学组成息息相关。一般来讲，吸附颗粒中粘粒含量高， 表面积大，则表面能强，对磷的吸附量就越大；许多研究表明，最大吸附量与底泥中 f e 、a l 的氧化物及氢氧化物有关( b r i n k m a ne la 1 ，1 9 9 3 ；h i e l t i e se ta 1 ，1 9 8 0 ) ，因 为他们具有较高的比表面；s t a u v e r 研究发现在石灰质的河口底泥中磷的吸附能力较 低；刘敏等( 2 0 0 2 ) 认为，底泥中磷最大吸附量与三价铁离子和总有机碳含量有较好 的正相关关系；林荣根等( 1 9 9 2 ) 的研究发现，底泥对磷的吸附量随着样品颗粒的变 粗而减少，并且吸附量与有机磷之间有着很好的相关关系。土壤界相关研究( 李孝良， 1 9 9 9 ) 认为，影响磷吸附的主要因素为土壤本身的活性铁、活性铝及小于o 0 1m m 粒 径土壤的含量，土壤本身性质不同，造成吸附磷的能力有很大差异，磷主要以离子态 被吸附固定。 环境因子 有大量研究( s h a n ge t a l ，1 9 9 2 ；s u n d a r e s h w a r e t a l ，1 9 9 9 ；石晓勇和史致丽， 1 9 9 9 ) 表明，p h 值变化对有机磷和无机磷的吸附影响明显，盐度变化对潮滩湿地底 5 第一章绪论 泥的磷吸附影响十分显著，同时，随着环境温度的升高，悬浮物对磷的吸附呈线性增 加。 对长江口潮滩底泥表层进行的磷酸盐吸附特征的相关研究的结果显示，环境因子 ( p h 值、赫度和温度等) 对底泥吸附磷作用有显著的影响，随着p h 值的变化，底 泥对磷的吸附量呈“u ”形变化曲线，p h 值在7 5 左右，磷的吸附量最小( 刘敏等，2 0 0 2 ) 。 在低盐度区，随盐度的增加，底泥对磷的吸附量随之显著增加，而当盐度大于0 5 时，反而随着盐度的增加，吸附量略有下降趋势，随着温度的升高，底泥对磷的吸附 量基本呈线性增加。 3 ) 磷的释放 对大多数外源磷得到控制的水体来说，底泥磷的释放对维持藻类长期生长，促进 富营养化的发生具有举足轻重的作用，底泥中磷的释放涉及到的过程有吸附、分解、 配位体交换以及酶水解作用。当底泥中磷以可溶解无机磷形式存在时，可通过扩散、 风以及水流等引起的底泥的再悬浮、生物扰动等方式再进入上覆水。磷释放风险多数 是以从化学试剂提取的活性较强的磷形态含量为指标进行评估的( 朱广伟等，2 0 0 6 ) 。 黄清辉等( 2 0 0 4 ) 提出用磷吸附指数和磷吸附饱和度等因子构成的磷释放风险指数来 对磷释放的风险进行评价，同时对磷诱发的太湖富营养化风险进行预测。影响沉积物 磷释放的因子很多，概括起来如下： 底泥中磷的含量和形态 底泥中磷的累积量可在一定程度反映底泥向水体供应磷潜力的大小。不同形态的 磷有其特定的活性参数，在厌氧释放过程中，存在着由有机磷向无机磷转化，铁磷、 铝磷向钙磷、闭蓄态磷转化的趋势，底泥中总磷浓度不断减少，就是磷形态迁移转化 动态平衡的结果( g o n s i o r c z y k e t a l ，1 9 9 8 ；d ej o n g e e t a l ，1 9 9 3 ；王晓蓉等，1 9 9 6 ) 。 s a s ( 1 9 8 9 ) 曾指出，当底泥磷含量低于1 0m g g 时，将不会产生向水体的释放。底 泥中磷的结合态及形态之间的相互转化是控制底泥磷迁移和释放的一个主要因子。 底泥组成 非石灰性湖泊底泥中的铁、磷和有机碳的含量高于石灰性底泥，前者在氧化条件 下磷的释放受铁氧化物吸附作用的抑制。底泥中释放的磷与铁磷关系密切，两者呈负 相关关系，曾有人提出用底泥中p f e 作为表层底泥磷释放能力的一个参数( l u c o t t ee t a l ，19 8 8 ；a n d r i e u x l o y e ra n da m i n o t ，2 0 01 ；j o r d a na n dr i p p e y ，2 0 0 3 ) 。此外硫的 含量也是控制磷释放的极其重要的变量( c a r a c oe ta 1 ，1 9 8 9 ；b e l z i l ee ta 1 ，1 9 9 6 ； m u r p h ye ta 1 ，2 0 0 1 ；p e r k i n sa n du n d e r w o o d ，2 0 0 1 ) 。在石灰性湖泊底泥中，c a 2 + 浓度是影响底泥释磷的不容忽视的因素，在不同p h 条件下，磷灰石的溶解平衡影响 着湖泊水体中磷的含量( p a n ta n dr e d d y ，2 0 0 1 ) 。底泥中磷矿物的类型也对磷的释 放有一定的影响，在氧化条件下红磷铁矿是稳定存在的，而在还原状态尤其是酸性环 6 第一章绪论 境中，大量磷和铁可从矿物中溶解出来。在铁为主的系统中，氧化条件下f e 2 + 和f e 3 + 的羟磷灰石是稳定的矿物形式，而在还原条件下蓝铁矿是主要的存在形式( t o r r e n te t 口正，1 9 9 2 ) 。 环境因子 氧化还原电位表层底泥的氧化还原电位( e h ) 对p 释放的影响显著，尤其是 对于非石灰性湖泊底泥。当底泥表层e h 较高时( 3 5 0 m v ) ，f e 3 + 可与磷酸盐结合成 不溶的磷酸铁，可溶性p 也被氢氧化铁吸附而逐渐沉降；当e h 较低时( p b z n c u ， 重金属综合污染指数为3 5 8 ，达5 级，为重度污染；c d 污染已相当严重。王晓军等 ( 2 0 0 5 ) 对南四湖不同湖区的2 0 个表层底泥样品的重金属浓度做了实验分析，结果 表明：整个南四湖的表层底泥己经受到h g 、a s 、p b 、m n 等重金属元素的污染，其 中南阳湖的h g 污染严重，p b 和a s 等较次之，独山湖的a s 、p b 和m n 污染较重。 9 第一章绪论 刘恩峰等( 2 0 0 4 ) 通过太湖沉积岩芯元素地球化学指标的分析，对太湖底泥污染历史 进行了系统的讨论，根据化学元素的聚类分析结果和变化趋势，并与太湖流域经济发 展进程对比，认为太湖底泥铅、锌、锰、镍污染丌始于2 0 世纪7 0 年代末期，砷、汞 污染分别开始于3 0 年代和4 0 年代，随着底泥重金属污染程度的加重，底泥表层磁化 率明显升高。对我国东部主要的河流进行了大规模的相关研究( 范成新等，2 0 0 2 ；池 俏俏和朱广伟，2 0 0 5 ；蒋茜芳等，2 0 0 3 ：刘俐等，2 0 0 6 ；刘文新和李向东，2 0 0 2 ) 涉 及的河流主要包括黑龙江、嫩江、松花江、滦河、黄河、淮河、汉水、长江、钱塘江、 岷江、北江和珠江等，研究对象包括上覆水、悬浮物、底泥、间隙水等，研究内容涉 及到重金属的分布、污染程度、迁移转化、污染来源、重金属含量与底泥主要性质之 问的关系等诸方面，并对小于6 3p m 粒级作为水体颗粒物重金属研究介质的合理性进 行了探讨( 陈静生等，1 9 9 6 ) 。大量研究表明，污染水体中的重会属含量甚微，而且 随机性大，含量分布受排放状况与水动力条件的影响很大，而底泥中重金属含量由于 累积作用往往比相应水相中的含量要高，且分布具有较强的规律性( 陈静生和周加义， 1 9 9 2 ) 。 1 3 本文的研究思路 综上所述，尽管国内外有关湖泊和河流中底泥水界面氮磷和重金属迁移、转化 等已经做了许多探索和研究，但对于农村河网区的研究却很少，因此，本文就此出发 拟解决如下问题： 1 ) 分析测定苏州河网区河道上覆水的基本性质，以了解水质污染状况； 2 ) 分析测定苏州河网区底泥的基本性质，其基本性质包括含水量、p h 、n 0 3 - n 、 n h 4 - n 、t n 、有效磷、t p 、有机质、速效k 、交换性k 、交换性c a 、交换性n a 、 交换性m g 、f e 、a i 、c u 、p b 、z n 、c d 、c r 、m n 等，为解释氮、磷、重金属的赋予 形态及空间分布提供依据； 研究苏州河网区底泥氮的空间分布特征，探讨上覆水与底泥表层中各形态氮的相 关性； 研究苏州河网区底泥对磷的吸附释放特征，以了解底泥对磷的吸附释放能力，分 析底泥污染的分布特征及污染特征； 研究苏州河网区底泥重金属含量，分析河道底泥重金属污染特点和富集水平； 本研究的技术路线如下所示： 1 0 第一章绪论 图1 1 技术路线图 f i g1 1t h ef l o wc h a r to f t h es t u d y 第一二章材料与方法 2 1 研究区概况 第二章材料与方法 采样地位于江苏常熟市辛庄镇，辛庄镇位于常熟市南部，南接苏州，北倚常熟城 区，东连沙家浜，西邻无锡。该地属北亚热带南部温润气候，四季分明，同照充足， 空气湿润，雨热同期。年平均气温