（环境工程专业论文）西五里湖不同生态修复措施对沉积物营养盐的影响.pdf

摘要 太湖西五里湖地处太湖北部，是梅梁湾伸入陆地的一片水域，位于无锡市 西南近郊，2 0 0 1 年的水质监测为劣v 类，为太湖中富营养化最严重的水域。为 了对该湖区进行治理，在西五里湖区开展了“重污染水体底泥疏浚与生态重建 技术”工程，其为国家“8 6 3 ”计划重大科技专项子课题之一，从2 0 0 3 年开始 分别在西五里湖的不同区域开展了退渔还湖、底泥疏浚、底泥疏浚并生态重建 ( 以水生植被重建为主) 示范工程。本论文考察了不同生态修复湖区上覆水的 理化参数和氮磷的季节性变化，着重分析了沉积物中各种氮磷形态的时空分布 特征，包括不同氮磷形态的区域分布和垂直分布、季节性变化等，目的在于揭 示不同生态修复措施对湖泊中氮磷的迁移转换的影响，有助于理解湖泊生态系 统中氮磷的生物地球化学循环过程，对于富营养化浅水湖泊的科学治理具有重 要意义；其次，利用载玻片在不同湖区水体中培养生物膜，研究了不同水环境 条件下，生物膜的生长发育，以及氮磷在生物膜上的富集特征，可以进一步认 识天然水体中生物膜的形成机制及影响因素，同时也有助于理解湖泊生态系统 中氮磷的生物地球化学循环过程。 本论文的研究结果表明，不同生态修复措施下的湖区水体及沉积物中的氮 磷含量不同，其季节变化规律也不相同。疏浚工程结束一年半后，疏浚区水体 中氮磷含量上升，与对照区的差别不大；柱状沉积物中t n 的平均含量甚至略高 于对照区，因此单一的疏浚措施对水环境改善的长期效应需要进一步研究。采 取了“干湖清淤”措施的退渔还湖区水体及沉积物中的氮磷含量较低，但是该 湖区湖水较深，底质坚硬，水生植物较难存活，不利于生态系统的恢复。而在 疏浚的基础上进行水生植被重建的示范区内，水体及沉积物中的t n 、t p 含量均 比较低，易释放到水体的p 、f e p 、c a p 均较其他区域低，水体透明度高，水 生植被恢复较好。结果表明，在减少外来污染的前提下，对重富营养化湖区底 泥进行疏浚并开展水生植被恢复工程是控制湖泊富营养化的有效途径。 对生物膜的研究结果表明，天然水体中生物膜的生物量随时间的增长呈逐 渐上升的趋势，其厚度和体积也随着时间的增长而增大，生物膜中磷的含量亦 随时间的增长而增加，但氮的含量有所起伏，可能与微生物的作用有关。0 3 m 水深处的生物膜的生物量、氮磷含量都要大于l m 水深处样品，表明光照对天然 水体中生物膜的生长影响显著。较高的水体透明度、溶解氧水平，较低的水体 流速，以及丰富的水生生物的存在有利于形成结构较复杂的生物膜，利于天然 水体中生物膜对水体中氮磷的富集。 关键词：生态修复，沉积物，氮，磷，生物膜 a b s t r a c t w e s tw u l i h ul a k el o c a t e si nt h en o r t ho ft a i h ul a k e i ti sb e s i d et h em e i l i a n g l a k e ，a n di nt h es o u t h w e s to fw u x ic i t y i ti so n eo ft h eh y p e r e u t r o p h i ca r e a si n t a i h ul a k e ，a n dt h ew a t e rq u a l i t yw a sw o v et h a nvl e v e ls t a n d a r di n2 0 0 1 s i n c e 2 0 0 3 ，t h ep r o j e c to f “e n v i r o n m e n t a ld r e d # n ga n de c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fh e a v y p o l l u t e d w a t e r b o d y ，w h i c hb e l o n g e d t ot h en a t i o n a l k e yr e s e a r c hp r o j e c t ( 8 6 3 ”p r o j e c t ) ，w a sc a r r i e do u tt oi m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y , i n c l u d i n gr e t u r n i n gt h e f i s h i n gp o n dt ol a k e ，d r e d g i n ga n de c o s y s t e mr e c o n s t r u c t i o nd e m o n s t r a t i o np r o j e c t ( a q u a t i cv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n ) i nd i f f e r e n ta r e a s i nt h i sr e s e a r c h , w a t e rq u a l i t y p a r a m e t e r s ，p h o s p h o r o u sa n dn i t r o g e ni nw a t e r , a n ds e d i m e n tc o r e so fd i f f e r e n ta r e a s w e r ei n v e s t i g a t e di nd i f f e r e n ts e a s o n s i ta i m e dt oe x a m i n et h es i g n i f i c a n c eo f d i f f e r e n tr e s t o r a t i o nm e a s u r e so nb i o g e o c h e m i s t r yo fp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e n i n a d d i t i o n ，b yt h eg r o w t ho fb i o f i l m ，t h ea c c u m u l a t i o np h o s p h o r u sa n dn i t r o g e ni nt h e b i o f i l mo fd i f f e r e n tl a k ea r e a sw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h e g r o w t hr u l ea n de f f e c th c t o 巧o fb i o f i l m ，a sw e l la sc o m p r e h e n dt h eb i o g e o c h e m i s t r y o fp h o s p h o m sa n d n i t r o g e ni nt h ew a t e re c o s y s t e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ed i s t r i b u t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r e si nt h ew a t e r a n ds e d i m e n tu n d e rd i f f e r e n te c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nm e a s u r e sw e r ed i f f e r e n t t h e c o n t e n to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ew a t e ri no n l y - d r e d g i n ga r e aa n dc o n t r o l a r e aw a sh i g h e rt h a no t h e rl a k ea r e a s m a c r 叩h y t e sr e e s t a b l i s h m e n ta f t e rd r e d g i n g a f f e c t e dl a b - p ，a 1 一p 、f e pm o s t l y , f o l l o w e db yc a pa n do r g - p i nt h ef o r m e r - f i s h p o u da r e a ，c a pa n do r g pa c c o u n t e df o rt h el a r g e s tp r o p o r t i o ni nt h et o t a lp h o s p h o r u s ， f o l l o w e db yf e - p h o w e v e r ，f e pa n dc a - pa c c o u n t e df o rt h el a r g e s tp r o p o r t i o ni nt h e d r e d g i n go n l ya r e a c o m p a r e dw i t ht p , t h ee f f e c t so fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nm e a s u r e s o nt nw e r en o ts oo b v i o u s i nd r e d 舀n go n l ya r e a ，t h ec o n t e n t so fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u si nb o t ht h ew a t e ra n ds e d i m e n t sw e r eh i g h ，t h el o n g - t e r me f f e c t so f d r e d g i n gn e e d e dt om o n i t o ri nf u r t h e rs t u d y i nt h ea r e ao fd r e d g i n gp l u sm a c r o p h y t e s r e e s t a b l i s h m e n t , t h ec o n t e n t so ft na n dt pw e r et h el o w e s t i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h e e f f e c t i v ew a yt ol a k ee u t r o p h i cc o n t r o lm a yb ea c t u a l i z i n gt h r o u 曲r e e s t a b l i s h m e n to f n l a q u a t i cm a c r o p h y t e si nt h ed r e d g i n ga r e aa f t e rt h ep r e c o n d i t i o no fr e d u c i n ge x t e r n a l s o u r c ep o l l u t i o n t h e s t u d yo fb i o f i l ms h o w e dt h a t b i o m a s s ，v o l u m ea n dt h i c k n e s so ft h eb i o f i l m i n c r e a s e dw i t ht h eg r o w t hp e r i o di nn a t u r a la q u a t i cs y s t e m t h ep h o s p h o r u sc o n t e n t o fb i o f f l mi n c r e a s e dw i t ht h eg r o w t hp e r i o dt o o ，w h i l en i t r o g e nc o n t e n td i dn o t t h e g r o w t hr a t e ，b i o m a s s ，p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nc o n t e n to ft h eb i o f i l ma tt h ew a t e r d e p t ho f3 0 c r aw a sh i i g h e rt h a nt h a tl o o c m , i n d i c a t i n gt h a tl i g h tw a sai m p o r t a n t e f f e c tf a c t o rt ot h eg r o w t ho fb o f i l m b e t t e rd i a p h a n e i t ya n dd o 1 0 w e rv e l o c i t yo f f l o w , w i t ha b u n d a n ta q u a t i cb i o l o g yw e r ea l s of o u n dt ob ep r o p i t i o u st of o r mc o m p l e x b i o f i l m ，a n dt ot h ee n r i c h m e n to fp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e ni nt h eb i o f i l m k e y w o r d s ：e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n , s e d i m e n t s ，n i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ，b i o f i l m 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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了谢意。 签名坳日期：三! 望至! 黟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鳓师签名：燃期：型f 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 湖泊是水环境的重要组成部分，是人类社会经济发展所需要的自然资源的 重要组成部分。湖泊既有丰富的水量和水产资源，又具有调节气候、蓄洪防旱、 促淤造陆、维持生物多样性和生态平衡等多种作用。 但是，近年来随着人类对水资源的需求量与日俱增，迅速发展的工农业生 产和城市化进程导致生产和生活污水排放日益增加，加之围垦、养殖和不科学 的河湖改造导致湖泊水质恶化日趋严重，原有的生源要素含量变化，生态系统 退化，湖泊富营养化呈现迅速发展的趋势。联合国环境规划署的统计结果表明， 在2 0 世纪9 0 年代时，在全球范围内已有3 0 4 0 的湖泊和水库遭受不同程 度富营养化的影响【”。而我国湖泊富营养化的发展趋势更为严峻，多年以来的调 查结果表明，富营养化湖泊个数占调查湖泊的比例由2 0 世纪7 0 年代末8 0 年 代后期4 1 发展到8 0 年代后期6 1 ，至2 0 世纪9 0 年代后期又上升到7 7 ， 湖泊的氮、磷污染较高，相当一部分湖泊还发生了“水华”灾害1 2 1 。 湖泊富营养化会导致湖泊功能丧失、生物多样性减少、生态系统结构变化 等多种后果，严重制约人类对湖泊资源的利用。水体富营养化已成为当前水环 境质量最主要的问题之一，并已成为人们关注的环境热点。国内外近几十年来 对富营养化问题的讨论很多1 3 - 5 1 ，对湖泊富营养化机理及治理的研究己成为水污 染控制的重要课题之一。而城市湖泊由于其特殊的地理位置，受到更为重要的 关注 6 1 。太湖五里湖是太湖的一个小湖区，又紧邻无锡市区，与无锡市的经济发 展紧密联系，还关系到整个太湖的生态风貌。治理之前湖区水体处于重富营养 化状态l 。”，近年来国家投入了大量人力物力进行治理，同时其也成为学术界研究 的热点之一。 湖泊水生态系统中营养物质的循环发生在沉积物中、沉积物一水界面、上覆 水体，主要包括有有机质的分解与合成、氧化、还原、沉淀、溶解、吸附、解 吸等。其中，生物膜发挥了重要的作用。目前对天然水体中生物膜的研究已有 不少，但目前的研究多集中在重金属及有机污染物方面【8 , 9 1 ，对氮磷营养元素的 武汉理工大学硕士学位论文 研究则鲜有报道。 1 2 湖泊富营养化概述 1 2 1 湖泊富营养化的定义及危害 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷 等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物 迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化的现象。水体出现富营养化现象时， 浮游藻类大量繁殖，形成“水华”，因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往 呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。在 自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这种自然过程非 常缓慢。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化 则可以在短时间内出现【l o l 。 湖泊是人类社会经济发展所需要的自然资源的重要组成部分，湖泊富营养 化的危害很大，影响深远，湖泊富营养化无论对生物健康还是社会经济发展都 有着严重影响。其危害主要有以下几个方面1 1 0 l ： 一是影响水源地水质，增加制水成本。处于富营养污染的水体作为供水水 源时，会给净水厂的正常运行带来一系列问题，如增加水处理费用，降低处理 效果和产水率等。另外，遭受富营养化污染的水体在一定条件下由于厌氧作用 而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体，在给水处理过程中会增加相当的 技术难度。 二是影响湖泊水体的生态环境。处于富营养化污染的水体，正常的生态平 衡被破坏，导致水生生物的稳定性和多样性降低。大型水生植物群落会随着富 营养程度的加剧逐渐灭绝。同时，异常增殖的藻类所分泌的毒物，不仅威胁水 生生物的生存，而且会直接或间接影响人类健康，造成可利用水资源进一步减 少。 三是影响水体的感观性状。处于富营养化的水体中，蓝、绿藻大量增殖， 水体色度增加，水质浑浊，透明度降低，并散发出腥臭味，污染居住环境，丧 失水体美学价值。 四是影响渔业等生物资源利用，水体经济价值降低。虽然一定程度的富营 2 武汉理工大学硕士学位论文 养化可能导致鱼产量增加，但严重富营养化的水体会由于藻类释放的毒素和溶 解氧的稀缺，减少鱼类种类和数量，并直接影响鱼类质量，从而导致经济效益 大大降低。 1 2 2 湖泊富营养化的限制性因子及成因 水体富营养化是由于外界的营养物质供给过剩所引起的，营养物质包括氮、 磷、碳，还有微量元素及维生素等。国际上一般认为水体中总磷浓度超过 0 0 2 m g l ，总氮浓度超过0 2 m g l ，湖泊就易发生富营养化1 1 1 l 。湖泊富营养化的 一个重要标志是“水华”，“水华”的发生是藻类的大量繁殖所引起的。根据李 比希( l i e b i g ) 最小定掣“j ，藻类生长的生产量取决于外界供给它的所需养分中 数量最少的那一种。当可被生物吸收的磷的浓度小于5 弘g l 时，磷可能是制约水 生植物生长的限制性因子，当可被植物吸收的氮的浓度小于犁g ，l 时，氮可能是 制约植物生长限制性因子。如果氮和磷的浓度都小于上述标准，则二者都可能 是限制营养盐。由于氮可以经由固氮作用得到补充，而磷在地球化学循环中的 沉积作用使磷的限制更为普遍，磷通常被认为是湖泊富营养化的最关键的因素。 氮和磷是水生生物生长的主要生源要素，是水体初级生产力的重要营养元 素，n p 比值也可以表明水体的营养状况，是藻类受磷或氮限制的重要指标l ”】。 根据r e d f i e l d 的假设，藻类原生质的组成为c l o d - 1 2 6 2 0 1 1 0 n 1 6 1 ，浮游生物体本身 所含c 、n 、p 元素的原子个数比接近于1 0 6 ：1 6 ：1 ，即对应的质量比为4 1 ：7 2 ： 1 。因此，从理论上讲，当水体中氮和磷的质量比小于7 2 时，氮是可能的限制 因子，反之则意味着磷为限制因子。在实际应用中，藻类增长所需的氮磷均为 可溶性的，按照r e d f i e l d 分子式计算出来的比值并不实际。一般认为，当氮磷质 量比大于1 0 时，磷可以考虑为藻类增长的限制因子【1 4 】。 从污染物的来源来看，湖泊富营养化的成因可以分为外源污染和内源污染。 湖泊的外源污染比较复杂，按排放方式可以分为点源污染和面源污染。点源污 染主要包括工矿企业和居民生活污水的排放；面源污染则包括降水、农田冲刷、 养鱼投饵、林地冲刷、街道冲刷等。内源污染来自湖泊底泥( 沉积物) ，底泥中 含有大量的营养盐，且逐年积累，在风浪的作用下，水流速度增加，底泥受搅 拌而悬浮，营养物质容易得到释放，从而为藻类生长、繁殖提供有效的内源供 给【1 5 】。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 沉积物中氮、磷对湖泊富营养化的影响 沉积物是营养物、重金属及其他污染物的汇和源【1 6 ，l 。”，在一定条件下，沉 积物水界面的物质交换可对上覆水体的营养水平和环境质量产生不可忽视的 影响i 墙l ，沉积物中营养盐的循环在很大程度上影响着水体富营养化的进程。在 一般的静水水体中，污染物被水体颗粒物吸附、络合、絮凝、沉降从而进入沉 积物，沉积物通过接纳大量的污染物的方式缓解富营养化的进程，此时沉积物 以“汇”的形式存在，但是当环境条件改变时，湖泊沉积物作为营养物质积累 的重要场所，又会发生间歇性的再生作用，被吸附在沉积物中的污染物质通过 解吸、溶解、生物分解等作用荐次返回水体，形成湖泊营养盐的内源负荷，此 时沉积物以“源”的形式存在。因此，在外源污染得到有效控制的情况下，生 物或物理因子等作用促使的沉积物释放，仍有可能导致水体在相当长的时期内 维持富营养化或水质恶化等不良状态【1 9 1 。氮、磷是湖泊中生物的重要营养元素， 氮、磷以各种形态赋存到沉积物中，在条件适宜时又会从沉积物中释放到水体 中，因此沉积物中的氮、磷与湖泊富营养化有着密切的联系，研究氮、磷在沉 积物一水界面的循环对湖泊富营养化的治理具有关键的作用。 1 3 1 磷的存在形态及在沉积物一水界面的迁移转化 1 3 1 1 水体及沉积物中磷的存在形态 水体中的磷可以分为溶解态和悬浮态两种。其中溶解态磷又分为活性磷酸 盐、溶解态有机磷酸盐和溶解态总磷。悬浮态中分为能被稀酸溶解的颗粒无机 磷、颗粒有机磷和颗粒态总磷【2 0 1 。水体中的磷，特别是可溶性磷酸盐能很快被 植物和气体水生生物吸收，生成颗粒有机磷。而惰性的有机磷不能为生物生长 所利用，形成泥状沉积物或有机泥浆沉积下来【2 1 1 。 沉积物中的磷可以分为无机磷和有机磷两部分。无机磷又可以分为可溶性 磷( 不稳定性或松结合态磷) 、铝结合态磷( a i p ) 、铁结合态磷( f e p ) 、钙结 合态磷( c a p ) 、闭蓄态磷( o c c l u d e d p ) 1 2 2 1 。根据提取物质的不同，还有其他 的划分方法或者细分，如把钙磷分为原生碎屑磷和自生钙结合磷1 2 3 】。其中铁磷、 钙磷和有机磷被认为是沉积物磷的主要形式。在沉积物磷的各种形态之间，由 于外在环境的变化，彼此存在着相互的转化。钙磷是沉积物环境中堆积的自生 4 武汉理 大学硕士学位论文 磷矿物，主要是与c a 结合而形成磷酸盐矿物( 如磷灰石) 。沉积物中的铁在氧化 条件下可以与磷结合而生成铁磷，使得沉积物及水体中自由态磷以矿物的形式 保存。钙磷是沉积物环境中堆积的自生磷矿物，主要是与c a 结合而形成磷酸盐 矿物( 如磷灰石) 。对于有机磷而言，其存在形式多以磷脂和磷酸脂化合物存在 【2 4 1 ，此外还有胡敏酸磷( h u m i n p ) 、富里酸磷( p u l v i c p ) 等形式瞵瑚。沉积物中 的有机磷可经细菌作用转化为无机磷，并成为沉积物中磷溶出的主要因素【2 7 1 。 研究沉积物中磷的各种形态及其含量对于认识沉积物生物地球化学过程以及对 上覆水水体的响应具有重要的意义。 1 3 1 2 磷在沉积物一水界面的迁移转化 如图卜1 所示，各种物质在湖泊水体与沉积物两相界面之间进行着一系列的 迁移转化过程，如吸附一解吸作用、沉淀一溶解作用、分配一溶解作用、络和 一解络作用、离子交换作用、氧化还原作用等，其他过程还包括生物降解、生 物富集等，微生物、藻类、水生植物等均发挥了重要的作用1 2 s l 。因此，在一定 条件下，部分营养物质可从沉积物中向上层水体释放，释放出的营养盐首先进 入沉积物的间隙水中，逐步扩散到沉积物的表面，再向沉积物的上层水混合扩 散，成为水体营养盐的一部分，从而使水体中的营养负荷增加，最终有可能导 致水体富营养化。 图1 1 磷在沉积物水界面的主要迁移转化过程嘲 f i g 1 1t h et r a n s f e r e n c eo fp h o s p h o r u sb e t w e e ns e d i m e n t - w a t e r 总体来看，湖泊沉积物一水界面间化学物质进行的频繁交换主要分为沉积 和释放两个过型矧，其中磷的沉积过程通常分为： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 岩屑形成的磷矿物质的沉积；无机磷的吸附沉淀，主要是磷与f e 、m n 的共沉 淀： ( 2 ) 吸附( 主要指吸附到粘土、无定形氢氧化物等) 、磷与碳酸盐的结合： ( 3 ) 外源性含磷有机物的沉积； ( 4 ) 自生性含磷有机物的沉积； ( 5 ) 水体中附游生物体( 浮游生物、细菌等) 和其它再沉积物表面的生物群落对水 体中生物可利用磷的直接吸收； ( 6 ) 湖水中溶解态磷直接吸附到沉积物的颗粒上。 过程( 6 ) 很难与过程( 2 ) 区分开来，也难以和成岩作用与沉积物表面的转移 过程区分开。磷在湖泊中的停留取决于悬浮态磷的沉积特性，这些特性又决定 于湖泊的地貌、水文条件等因素。水文条件包括滞留时间，颗粒大小和密度等。 不同湖泊问磷的滞留差异可以由沉淀磷组成的差异所反映出来。 磷从沉积物释放到水体中主要通过两个过程，即颗粒态磷的活化和溶解态 磷的扩散过程。其活动受到许多环境因素的影响，如温度、p h 、氧化还原电位 等。颗粒态磷的活化主要由如下过程构成：再悬浮一主要由风力搅动和航运机 械搅动所致，是浅水富营养化湖泊中重要的活动过程；解吸；含磷沉淀的溶解； 配位体的交换：矿化；磷从活细胞中的释放( 厌氧新陈代谢通常导致细菌细胞 内固定磷的释放) ：生物体分解。溶解态磷的扩散传输过程主要包括溶解态磷 和间隙水向上的流动过程、问屑水中溶解磷的扩散过程以及湖水与沉积物在界 面的混合交换过程，其中扩散是最主要的传输过程。 1 3 1 3 磷在沉积物一水界面的迁移转化的影响因素 沉积物和水之间存在着一种吸收和吸附的动态平衡，影响磷在沉积物一水 界面迁移转化的因素很多，包括物理、化学、生物等方面，主要有以下一些因 素： ( 1 ) 沉积物组成 沉积物对水体中磷的吸附及释放特征和沉积物本身的颗粒组成、化学特性 和矿物学特征有关。s l o m p 对北海8 个氧化态的沉积物进行吸附特性研究，发现 不同类型沉积物间对磷酸盐吸附容量存在很大的差异，就对沉积物中磷的迁移 影响而言，沉积物化学和矿物学特性比水体p h 值作用要大【3 0 j “。非石灰性湖泊 沉积物铁、磷、有机碳含量高于石灰性湖泊沉积物，且前者对加入的无机磷表 6 武汉理工大学硕士学位论文 现出更高的吸附性能【3 2 1 ，故非石灰性湖泊沉积物中磷的滞留能力大于石灰性沉 积物。 ( 2 ) 温度 温度升高有利于沉积物释磷。沉积物磷的释放因季节而变化，在冬天释放 量很低，在夏天达到最大值【3 3 l 。王庭健对南京玄武湖底泥磷释放的模拟实验表 明，3 5 c p d 2 5 - l c 时磷的释放提高了l 倍 3 4 1 ：l i i k a n e n 3 5 】实验也证明，无论好氧 与厌氧，磷的释放都随温度升高而增长，温度升高l 3 ，将使底泥中t p 的释 放增加9 5 7 。这是由于温度升高会增加沉积物中微生物和生物体的活动， 促进生物扰动、矿化作用和厌氧转化等过程，导致间隙水耗氧，使表层沉积物 呈还原状态，促使f e 3 + 还原为f c 2 + ，加速磷酸盐的释放闭。 ( 3 ) 风力 在浅水湖泊中，风力引起的扰动流对与磷在沉积物一水界面的迁移转化过 程的影响显得尤为重要，其主要表现在以下几个方面：促进了沉积物中磷在湖 水中的扩散作用；加剧了间隙水和湖水的机械混合；促进了沉积物颗粒的再悬 浮，致使颗粒态磷的活化，释放溶解态磷。 ( 4 ) p h 值 在中性湖泊中，p h l 直的改变影响铁化合物溶解性状和形态，进而影响了磷 的结合形态和溶解特性，并最终改变了其迁移转化过程。研究表明，在无其它因 素影响的情况下，湖水p h 为7 0 左右时底泥磷的释放最小，因为此时磷以h p 0 4 2 、 h 2 p 0 4 形态存在，最易被吸收。降低p h ，磷酸盐以溶解为主，铝磷最先释放。升 高p h , 以离子交换为主，f l 1 0 h 与被束缚的磷酸盐阴离子产生竞争1 3 7 1 ，减小了铁 铝化合物吸附磷的能力，所以都使磷的释放增强。湖泊集水区生态系统的大气 酸化，提供了一个控制湖中磷循环的自然条件，这一过程是基于提高的移动 能力而进行的。集水区与湖泊之间的p h 梯度是影响舢化学行为的关键因素，酸 化使舢溶入水体，在a l 离子随集水区水进入湖泊后，由于湖泊中的碳酸盐缓 冲系统和碱度作用，湖水的p h 升高至7 左右，a l 离子水解形成胶体状a i ( o h ) 3 ， 它具有很大的比表面积和强的吸附水相中正磷酸盐的能力，降低了水体磷的有 效性。 佑) 氧化还原电位 氧化还原电位是决定沉积物中磷释放的主要影响因子之一。当表层沉积物 氧化还原电位( e h ) 较高时，f c 3 + 与磷酸盐结合成不溶的磷酸铁，可溶性磷也被氢 7 武汉理_ 大学硕士学位论文 氧化铁吸附而逐渐沉降；而当e h 较低时，有助于f e “向f c “转化，使铁及被吸附 的磷酸盐转变成溶解态而析出，且不溶的氢氧化铁转化成可溶的氢氧化亚铁， 沉积物中磷释放量增j j i l i 3 s , 3 9 1 。 ( 6 ) 生物扰动和微生物作用 生物扰动作用扰乱了沉积物表层形成的化学阻挡层，促进了沉积物再悬浮， 增强了间隙水和上覆水的交换【枷，从而增强了磷从沉积物的释放。底栖动物的 钻穴和进食行为也会导致沉积物颗粒的向上传送。某些生物如螃蟹、螺等简单 地通过爬行等行为混合表面沉积物，更重要的是一些多毛目环节类、双壳类吞 食沉积物颗粒，在沉积物中挖掘洞穴，有时可深达几十厘米，因而增强了上覆 水和间隙水的交换，这种过程被称作“灌溉作用”( i r r i g a t i o ne f f e c t ) ，但它仅限 指间隙水而不包括沉积物颗粒。 沉积物表面的微生物( 生物膜) 的行为以多种间接或直接方式影响湖泊磷 的循环，其中最主要的就是矿化作用。此外化学环境的改变影响磷的化学活动， 这主要也是微生物的活动造成的。微生物群落的细胞外产物，如酶、螯合剂等 也可能对有机磷、磷酸酯、无机盐等的迁徙转化有重要的影响。微生物活动有 利于沉积物磷向水体释放。细菌分解的直接结果是加快了溶解氧的消耗，同时 微生物作用可把沉积物中有机态磷转化、分解成无机态磷，把不溶性磷转化成 可溶性磷。藻类对沉积物磷的释放有促进作用，藻类生长的越多，磷就释放的 越多；反过来，沉积物中磷的释放又进一步促进藻类的生长，两者有相互促进的 关系【4 1 4 2 】。此外，微生物的新陈代谢生长出的一些气体，如n 2 、c 0 2 、c i - h 等， 当气体的产量和压力条件允许泡沫形成时，气体上升，引起了上升水流，通过 这些水流，沉积物颗粒和可溶性物质将被向上传送到上层水体中去，因而“甲 烷对流”( m e t h a n ec o n v e r c t i o n ) 也被认为是富营养化浅水湖泊的一个重要传输机 制。 f 7 ) 大型水生植物 大型水生植物，尤其是沉水植物对沉积物一水界面磷的交换具有重要影响。 因为沉水植物根系直接与底泥接触，不仅吸收从底泥中释放到水体中的营养盐， 还可以直接吸收沉积物中的养分，沉水植物的生长恢复能有效降低沉积物中总 氮、总磷的浓度。沉水植物的生长过程使水体一沉积物体系的氧化还原电位、 p h 值改变，对沉积物总磷的释放有一定的抑制作用。沉水植物在稳定生态系统 方面也有其特有的作用，可以减少由于风和底栖动物所引起的沉积物再悬浮， 8 武汉理工大学硕士学位论文 降低浊度【4 3 i 。另一方面，衰败植物的分解可把磷释放到上覆水体中，或者沉积 到沉积物中，这可能又是湖泊内源磷负荷的一个重要来源，不过有研究认为水 生植物的恢复并不会对湖泊恢复造成负面的影响l “。 ( 8 ) 其他因素 除了以上提到的外，影响沉积物一水界面磷的迁移转化的因素还有很多。 水中溶解氧含量对沉积物磷的释放起着重要的作用，厌氧状态可大大促进磷在 沉积物的迁移和释放1 4 5 1 。另外水体中较高的n 0 3 一一n 浓度使铁处于氧化状态从 而增加表层沉积物对磷酸根的吸附能力1 4 6 1 。在石灰质湖泊中，碳酸盐的存在对 磷的循环影响显著，而f e 的影响较小，湖内自生的c a c 0 3 沉淀与生物过程相互作 用，是影响石灰质湖泊磷循环的重要过程【4 7 l 。 1 3 2 氮的存在形态及在沉积物一水界面的迁移转化 1 3 2 1 水体及沉积物中氮的存在形态 水体中氮的存在形态一般以过滤法分为颗粒态和溶解态，二者均包括无机 氮和有机氮，溶解态无机氮主要由一些可溶的铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐组成， 各种形态氮通过物理、化学、生物等过程可以相互转化【铜。 沉积物中氮也可以分为有机形态氮和无机形态氮，以前者为主。有机态氮 可以分为半分解的有机质、微生物躯体和腐殖质，其中以腐殖质为主。有机形 态的氮大部分经过微生物的作用，转变成无机形态的氮，才能为水生生物吸收 利用；有机形态氮的转化随季节而变化。无机态氮主要是以n h 4 + - n f ( n 0 3 一n 的 形式存在，还有一部分氮( 主要是n h 4 + n ) 固定在矿物晶格内，称为固定态氮 l 捌。这种固定态氮一般不能为水或盐溶液提取 s o l 。 1 3 2 2 氮在沉积物一水界面的迁移转化 氮是浮游植物进行初级生产必不可少的营养元素，氮在沉积物一水界面发 生着剧烈的生物地球作用，对沉积物和水体有重要影响【5 1 】，与磷不同的是，它 在水生生态系统内的循环是开放的。如图1 2 所示，由各种外污染源进入湖泊水 体内的氮，能够通过发生在沉积物一水界面的吸附沉积、矿化( 氨化) 、硝化和 反硝化等一系列复杂的生物地球化学作用分布在沉积物、孔隙水和上覆水中。 沉积物早期成岩作用中有机质以n 0 3 一、m n 、f e 和s 0 4 2 - 作为电子受体，发生氧 化作用，有机质分解和矿化作用形成大量的铵态氮。铵态氮在孔隙水和可交换 9 武汉理工大学硕士学位论文 相之间分配，并进入孔隙水以可溶相形式存在，它随浓度梯度通过孔隙水向表 面氧化层或上覆水体扩散迁移，部分可被水体中生物同化吸收，这就是沉积物 对上覆水体的营养供给机制。在有氧的情况下，部分经硝化作用转化为硝态氮， 硝态氮主要以可溶性状态存在于界面水和沉积物的孔隙水中，它伴随着向下扩 散的n 0 3 一一起，向沉积物内部扩散，重新优先作为有机质氧化分解的电子受体， 发生反硝化或脱氮作用，形成n 2 0 或n 2 等气体排出水系统1 5 2 l ，这就是沉积物一 水界面氮的迁移转化过程。 匝卜生物吸收 i t 沉积作用n h 4 + +n 一 n 2 扩散 永 扩散 扩散边界层 扩散边界层 i 积物 l 1 一 i i 捧泄捧泄1 有机盾分解t硝化作用r ：=! - - 、j 弓商t p 广、 埋藏沉积 图1 - 2 沉积物水界面氮的迁移转化 f i g 1 - 2t h et r a n s f e r e n c eo fn i t r g o nb e t w e e ns e d i m e n t - w a t e r 1 3 2 3 氮在沉积物一水界面的迁移转化的影响因素 氮元素在沉积物一水界面之间的迁移转化是以不同氮化合物形态的形式进 行的【5 3 l ，即沉积物对于不同的氮化合物形态的释放量不同。氮的释放主要与沉 积物表明的生物降解程度( 即沉积物中氮化合物的氧化分解的程度) 相关，也 受到各种环境因子的影响： ( 1 ) 溶解氧 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 沉积物一水界面氮的交换受上覆水中溶解氧含量的影响很大。吴群河等【删 对河流底泥的研究表明，低溶解氧水平加快底泥释放铵氮速度，增大释放量， 向上覆水体释放总氮明显增加，且在低溶解氧水平下，溶解氧与铵态氮和总无 机氮呈显著的非线性相关。李文红等【5 5 1 对杭州新开河的研究，叶琳琳等【5 6 】对瓦 埠湖的研究表明，无论溶解氧水平如何，底泥中的氮都会向上覆水进行释放， 但不同氮化合物形态在不同溶解氧水平下呈现不同的变化规律。低溶解氧水平 下溶出的总氮中，绝大部分是n i h + - n ，水体中n h + - n 和有机氮浓度升高而硝酸盐 及亚硝酸盐氮浓度下降，总氮呈现升高趋势，厌氧条件下，有机氮是沉积物中 氮的主要存在形态【5 7 j 。这表明，控制各种耗氧物，保持水体中较高的溶解氧水 平，可以抑制沉积物向上覆水体释放氮，有助于水体的稳定。 ( 2 ) 温度 范成新等【5 8 1 对骆马湖的研究表明，在不同温度下沉积铵态氮的释放速率不 同。孙胜龙等1 5 9 j 对长春南湖底泥的研究表明，冬季水温较低，氮不易交换，沉 于湖底，底泥中的氮含量较高；当春季到来水温升高，湖水对流，沉积的氮会 有较多地溶解到水体中，更易造成水体富营养化。叶琳琳等【5 6 1 对瓦埠湖的研究 表明，随着温度的升高，沉积物中n h 4 + - n 的释放量增大。可见，水温对沉积物一 水界面的氮的迁移转化有一定影响。 ( 3 ) p h 有研究表明郾l ，水体p h 宅e 3 6 的范围内时，水体中t n 无明显变化，随着p h 值 增大，水体中t n 随之增加，说明p h 上升有助于氮的释放，对水体不利，在p h = 7 时，n i + - n 的释放量最低，可见保持中性水体有利于水体氮含量的稳定。 ( 4 ) 扰动 张丽萍等【6 0 1 对近春湖进行的实验室研究中发现，扰动底泥可以显著增大底泥 的氮释放速率。陈振楼等1 6 l 】的研究表明，大型底栖动物的扰动加速沉积物中有 机物质的矿化分解和两相界面间铵氮的离子交换，进而促进了沉积物无机氮向 上覆水的释放。t e n g b e r g 的现场试验也发现再悬浮发生过程中无机氮从沉积物 进入水体中的通量会大幅提高【6 2 l 。 ( 5 ) 其他因素 氮是水生植物所需的重要营养元素，因此，大型水生植物的存在必然对沉 积物中氮的含量有影响：摇蚊幼虫等对底泥中的氮的释放也有促进作用；释放 到水体中的氮又容易被藻类吸收利用，从而促进藻类生长。可见，生物在沉积 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 物一水界面氮的迁移转化也有一定的影响。此外，氮的迁移转换还受到有机质 含量、氧化还原电位( o r p ) 、盐度等多种因素的影响【酬。 1 4 富营养化湖泊的生态修复措施 当前我国湖泊富营养化的问题日趋严重，多数城市湖泊水体己处于严重富 营养化状态，恢复富营养化湖泊的生态系统是目前急需解决的问题脚l 。湖泊富 营养化防治的措施可以分为外源污染控制和内源污染控制。对于外源污染，一 般采取截污与集中处理等措施来控制污染物的输入1 6 5 l ：对于内源污染，一般采 取底泥疏浚【删、固定营养盐【叫、水生植被恢复及控制鱼类等措施l 硒, 6 9 1 。根据本 文的研究内容，主要对底泥疏浚与水生植被的恢复研究，以及采取这两种修复 措施对湖泊的影响作阐述。 1 4 1 底泥疏浚 底泥是湖体营养盐和污染物的聚集地和储存仓库，不断向水体释放营养物 和污染物，底泥所产生的二次污染往往导致湖泊富营养化和藻类爆发，对污染 淤泥清除的方法主要有两种，一种是抽干湖水后清淤，另一种是用机械直接从 水中清除淤泥【州。前一种称之为“干湖清淤”，这种方法采用较少，只在淤泥 层较厚且面积较小湖泊实施，后一种一般称为底泥疏浚，是湖泊修复中采用较 多的措施。 广义上看，底泥疏浚可根据不同的工程目标而大致分为以下几类【7 1 l ：( 1 ) 港口、河道等航道疏通。旨在去除淤泥的泥沙，增加通航水深；( 2 ) 水库、湖 泊和河流等增容工程。旨在达到贮水、排涝泄洪，调整水系、改善水流条件、 改善景观等目的：( 3 ) 渔业应用。旨在捕获表层沉积物中穴居的鱼类和贝类， 疏浚捕鱼在欧洲及日本具有较多的应用；( 4 ) 水质改善。旨在去除湖泊、水库 和河流表层沉积物中的污染物，使水体达到景观效果或饮用水源的标准。前三 类可称为一般工程疏浚，而后一类则以改善环境为目标的疏浚，也称为环保疏 浚。环保疏浚除清除水体污染底泥的作业外，有时还要求为水生生态系统的恢 复创造条件。较之一般工程疏浚，环保疏浚对疏浚工程通常具有较高的要求， 如根据污染底泥的分布状况，对疏浚深度的精确性有较高要求，同时在疏浚实 施中要尽可能避免底泥的悬浮和细颗粒物质的扩散。此外，由于污染的底泥通 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 常富含污染物，所以疏浚挖出的底泥要合理进行处理，尽量防止污染物的二次 污染等。可见，只有环保疏浚( 有时也称生态疏浚) 要考虑环境效应和生态风 险的问题，因此从环保角度可将底泥疏浚定义为：“用人工或机械