密云水库沉积物内源磷负荷的研究ahref=1a

中国科学D辑地球科学2005,35(增刊Ⅰ):281~287281密云水库沉积物内源磷负荷的研究*徐清①**刘晓端①王辉锋①刘浏②刘金英③(①国家地质实验测试中心,北京100037;②北京市疾病预防控制中心,北京100020;③吉林大学数学科学学院,长春130026)摘要在对密云水库沉积物分布和物理化学性质及其间隙水的特性进行研究的基础上,在实验室模拟了库底的沉积环境,分别得到2℃和8℃时沉积物总磷的释放通量为0.018mg·cm−2·d−1和0.821mg·cm−2·d−1,并通过计算得到年释放总量为11.34t.又用间隙水扩散法,得到水库总磷的年释放总量为11.56t,两结果比较接近,说明实验模拟得出的结果具有一定的可靠性.从而得出以下结论:(ⅰ)水库沉积物内源磷负荷对入库总量的贡献量约为27.9%,沉积物内源磷污染不容忽视.(ⅱ)温度升高有利于沉积物总磷的释放.关键词沉积物间隙水总磷内源负荷密云水库2005-03-09收稿,2005-07-15收修改稿*国家重点基础研究发展规划项目(编号:G1999045705)资助**E-mail:[e-mail]水库沉积物是水库营养物质的重要积蓄库.水库的营养物质除了入库河流和周边的环境等外部来源的以外,有相当一部分来源于水库沉积物的释放.当水库系统的物理化学条件发生变化时,沉积物中营养物质的释放,造成水库沉积物中积累的污染物大量释放回水体,使沉积物成为水库污染的“内源”[1].磷在湖泊或水库环境中的来源、赋存、迁移和转化等环境地球化学过程中,对湖泊或水库生态系统的初级生产力水平具有重要意义.在大多数已研究的湖泊或水库中,磷被认为是水体浮游藻类的限制性营养元素,其在水体中的含量与湖泊或水库的营养程度有极为密切的关系[2].有研究表明,内陆水体的富营养化与水体中氮、磷之比有关,当湖泊或水库中可能被藻类吸收的氮和磷质量浓度之比小于10时,则氮是限制性营养盐;反之,如果比值大于10,则磷是限制性营养盐;当比值接近于10时,则两者均是限制性营养盐[3].密云水库地处北纬40°23′,东经116°50′,位于北京的东北方向,平均海拔75m,是一个山谷型、半封闭型的水库,总库容43.75亿m3,最大蓄水面积188km2,平均水深13m.2001年,有关学者对水库水质的营养生态学指标、理化性质以及地球化学指标进行了详细的调查与研究,得出水库氮、磷物质的量之比为39︰1,总氮已达0.6mg/L~1.2mg/L,已超过国家二类饮用水标准(地表水环境质量标准GB3838-2002),为典型的磷控型水库[4].近年来,由于水库上SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences282中国科学D辑地球科学第35卷游地区连续干旱少雨,入库水量减少,水库水位持续下降,水质日趋变差.因此,深入地研究水库沉积物中总磷的负荷对保护水库的水质具有重要的意义.本文通过对密云水库沉积物的野外勘测、取样和分析测定,在研究了水库沉积物的物理化学特性和分布特征的基础上,模拟了水库表层沉积环境,得到了总磷的释放通量,确定了密云水库沉积物内源负荷.作为模拟实验结果的比对,研究了沉积物间隙水的垂向分布特征,又通过沉积物间隙水扩散模拟法,得到了水库沉积物总磷的年释放量,为研究内源性磷对水库水质的影响和富营养化的预测提供了可靠的依据.1样品的采集与分析1.1间隙水间隙水是通过对分层切割的柱状沉积物样品的冷冻离心来获得的.在密云水库共设8个柱状沉积物采样点(图１),于2002年9月中旬采集了柱状沉积物样.其具体方法为:利用国家重点钻探实验室研制的重力柱式沉积物采集装置,用直径为25cm的有机玻璃管采集柱状沉积物样品,竖直放置,勿上下扰动,用塑料布和胶带将有机玻璃管的上、下端口封住,竖直放置于冰箱内.冷冻12h后,取出,以3cm为一单元切割,分装、编号、冷冻,带回实验室.在实验室中将样品解冻,用高速冷冻离心机离心(6000转,15min,4℃),提取沉积物间隙水,采用钼抗比色法测定总磷.分析方法参照国家地表水环境质量标准(GB3838-88)图1密云水库采样分布图和《湖泊富营养化调查规范》[5].提取完间隙水的沉积物样品经自然风干,研磨,过200目尼龙筛,测定总磷、总氮及总有机碳.1.2实验用表层沉积物在充分了解了水库沉积物的沉积特点和分布的情况下,于2003年9月13日,用便携式全球定位系统(GPS)导航,在水库的白河大坝前,位置为:40°29.206′N,116°49.992′E,即3号采样点,用蚌式采泥器采集了实验用沉积物样,仅取其表层0~3cm,放入容器中,即刻冷冻,带回实验室备用.1.3实验用上覆水在采集实验用沉积物样品的同时,用天津海洋研究所研制的击开式采水器采集水面以下10m的水库原样水,保存于4℃的冰柜中.用0.45μm的玻璃纤维滤膜(PALL)过滤后,测试原样水的总磷,方法与间隙水的测定方法相同.2沉积物表层及垂向分析结果2.1表层沉积环境物理化学性质表层沉积物沉积环境pH值变化不大(表１),大多偏碱性,其pH值在7.36~8.25之间.而温度变化较大,这主要由水深的较大差异造成的.当水深10m以下时,溶解氧含量较低,已处于厌氧状态;水深达到20m以下时,溶解氧含量小于1mg/L.表层沉积物营养盐总磷的变化不大,其百分含量在0.076%~0.103%之间.相比较而言,总氮和总有机碳的变化要大一些,其中总氮百分含量在0.10%~0.32%之间,而总有机碳的百分含量在1.47%~2.35%之间,且两者均表现为处于白河流域的库西明显高于处于潮河流域的库东.2.2沉积物主要营养盐垂向分析密云水库表层沉积物厚度大约为0.5~1.0m之间,较厚区域主要集中在白河大坝和潮河大坝两处;潮河、白河两大河流的入库口次之;水库中部地带相对较薄;库中分布的众多小岛附近的底部多为基岩的硬质地带.表层沉积物呈青黑色、黑色,有臭味,有机质含量较高,为粉砂质粘土.SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences增刊Ⅰ徐清等:密云水库沉积物内源磷负荷的研究283表1表层沉积物沉积环境物理化学性质及主要营养盐百分含量采样点位水深/m温度/℃pHDO/mg·L−1含水量/%TP/%TN/％TOC/%1258.477.620.368.000.0850.232.272209.168.070.40.1010.323357.448.260.175.430.0920.262.354238.538.250.180.880.1030.1651320.57.993.8072.630.0760.17630107.360.156.100.0910.101.9172013.17.570.6063.350.0880.1681020.98.043.066.790.0800.121.47各采样点沉积物总磷百分含量表层0~3cm一般均明显高于其下层,仅1号和8号略有轻微降低,1号、4号、5号和8号总磷百分含量随深度呈逐渐下降的趋势,2号、3号和7号则在24cm处出现先下降后上升的波动,而6号点除表层较高外,其它各层几乎保持不变(表2).垂向上沉积物总氮含量的分布特点为,仅6号和8号0~3cm要低于下层,其余各点都表现为表层高于下层;总氮含量整体表现为,随深度的增加明显降低,仅1号点在6~9cm、4号点在12~15cm、6号点在15~18cm、7号点在18~21cm处出现略微的波动(表3).沉积物总有机碳的含量表层0~3cm均高于下层,1号、3号和8号点总有机碳含量随深度的增加明显降低,但1号和3号点在27cm处出现了较大的增长,而6号点除3~6cm处的低值外,几乎保持不变(表4).表2沉积物总磷百分含量垂向分布a)/%深度/cm1号2号3号4号5号6号7号8号00.0850.1010.0920.1030.0760.0910.0880.08030.0890.0880.0890.0710.0710.0870.0870.08160.0920.0880.0780.0750.0620.0840.0810.08090.0960.0930.0690.0700.0660.0850.0820.078120.0840.0900.0740.0810.0550.0850.0830.073150.0750.0860.0770.0700.0460.0870.0780.074180.0740.0840.0780.0660.0430.0890.0780.070210.0770.0750.0780.0850.0790.069240.0640.0710.0740.0840.0880.071270.0720.0830.0830.0820.0920.074300.0770.0840.0880.0860.0780.072a)表中选1~3号、6~8号柱状沉积物样的0~30cm数据,4号和5号点为全部数据表3沉积物总氮百分含量垂向分布a)/%深度/cm1号2号3号4号5号6号7号8号00.230.320.260.160.170.100.160.1230.220.220.220.130.150.150.150.1360.200.200.190.140.120.140.190.1290.230.230.110.130.110.150.130.13120.210.180.130.180.090.160.130.13150.160.160.150.100.070.170.120.13180.110.150.150.110.050.140.160.11210.150.130.120.150.130.11240.090.110.120.170.140.12270.140.140.120.150.130.09300.130.140.180.140.120.09a)表内的注脚同表2沉积物总有机碳百分含量垂向分布/%深度/cm1号3号6号8号02.272.361.911.4731.921.871.681.2461.761.781.711.3491.801.221.851.29121.601.271.901.06151.391.281.870.97181.061.301.820.80210.941.291.891.03240.751.271.910.92271.111.521.840.92301.091.591.840.82沉积物表层是水库中最易受外界环境影响的界面层,其垂直方向上的物理化学状况及其变化往往与环境因素有关.1号、2号和3号点位于密云水库的库西主要承接白河上游流域带来的水体,而6号、7号和8号点位于水库的库东主要承接潮河上游流域带来的水体.近年来,由于白河上游水系的县、镇、乡村人口和经济的发展,使得白河挟带的污染物大量增加,进入库区后沉于库底,造成表层总氮与总有机碳明显高于潮河流域的库东.虽然沉积物总磷含量在整个库区内差异并不显著,但是由于库西的水域明显较库东深,造成了库西沉积物的沉积环境与库东存在较大差异,其中影响最大的是沉积物表层的温度.有研究表明,影响沉积物磷从沉积物的间隙水向上层水界面和上覆水混合扩散的主要因素有:温度、pH、溶解氧、氧化还原电位、水土中各种微生物及水动力学搅动等.一般认为,温度升高有利于磷的释放[6,7];pH7和pH7时,均能增加磷的释放,pH＝7时影响最小[7],而且沉积物磷释放对碱性条件下[H+]浓度变化较酸性条件下的[H+]浓度变化更为敏感[2];水体在厌氧条件比好氧条件下更有利于沉积物磷的释放[7,8],此外水体－沉积物体系中微生物的活动,对磷的释放是有利的[9].3号点,位于白河大坝前,水深近40m,水底溶解氧含量极低,处于厌氧状态,水温较为稳定,冬春两季为2℃左右,夏秋两季为8℃左右,不易受日温变化的影响,且水体扰动较小,生物活动相对较弱,便于模拟沉积环境.基于以上考虑,本次实验选取了3号点作为模拟对象,以得到密云水库表层沉积物总磷年释放量.3表层沉积物总磷释