哈素海湖底沉積物氮磷分布特征及潛在的資源化利用探討

孫 標(biāo)，楊志巖，趙勝男，朱永華，田衛(wèi)東

（1．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2．內(nèi)蒙古地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其不僅能反映水體區(qū)域環(huán)境的變遷，同時(shí)也是氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要存儲(chǔ)庫(kù)，對(duì)污染物的遷移轉(zhuǎn)化和湖泊中營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)有著重要意義［1-2］。氮、磷元素是水生生物生長(zhǎng)的必要元素，同時(shí)也是富營(yíng)養(yǎng)化的限制性要素。沉積物作為氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的“匯”，積累并儲(chǔ)存了來(lái)自上覆水體中通過(guò)徑流、沉降、排污等多種途徑進(jìn)入水體的污染物質(zhì)，而在一定的物理、化學(xué)等環(huán)境因子的影響下，沉積物中的氮磷元素可以通過(guò)再懸浮等方式重新釋放于上覆水體內(nèi)，成為湖泊氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素的“源”［3-4］。沉積物對(duì)上覆水域養(yǎng)分“源”和“匯”效應(yīng)在湖泊系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物循環(huán)中起著重要作用，當(dāng)外源氮磷輸入得到有效控制后，湖泊沉積物內(nèi)源氮磷釋放將成為影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的關(guān)鍵因素［5-6］。

湖泊沉積物中可被植物吸收的氮磷組分，主要為堿解氮和有效磷，研究調(diào)查它們的含量狀況，對(duì)于其肥力及利用前景有著重要的意義。大量的研究表明，資源化利用是沉積物處置中最有前景的方式，沉積物中不僅含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，并且沉積物中的腐殖質(zhì)膠體能使土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使土壤養(yǎng)分更易保持，在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也解決了沉積物疏浚的出路問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了沉積物-土壤-作物的良性循環(huán)［7-9］。因此，研究湖泊沉積物中氮磷元素的分布特征及其資源化利用潛力對(duì)于明確湖泊污染現(xiàn)狀、預(yù)測(cè)污染趨勢(shì)、評(píng)估湖泊水體環(huán)境質(zhì)量、治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題及實(shí)現(xiàn)湖泊底泥的經(jīng)濟(jì)效益都有著重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)研究意義。

本文以?xún)?nèi)蒙古哈素海為研究對(duì)象，探討湖泊沉積物中氮磷元素的分布特征，并對(duì)其資源化利用潛力進(jìn)行評(píng)估，以期為哈素海的富營(yíng)養(yǎng)化治理提供數(shù)據(jù)支撐，為其他同類(lèi)型湖泊的污染防治提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

哈素海（40°34′N(xiāo)～40°38′N(xiāo)，110°56′E～111°1′E）位于內(nèi)蒙古土默特左旗境內(nèi)，大青山南側(cè)洪積平原、黃河沖積平原和大黑河沖積平原的交匯處。哈素海南北長(zhǎng)9.5 km，東西寬5.3 km，湖面平均海拔為988.5 m，平均水深為1.1 m，最大水深可達(dá)1.8 m，圍堤總長(zhǎng)度約24.1 km［10］。哈素海被稱(chēng)為“塞外西湖”，1996年12月，建立了哈素海濕地自然保護(hù)區(qū)，2008年被列入“內(nèi)蒙古自治區(qū)級(jí)自然保護(hù)區(qū)名錄”，哈素海在防洪抗旱、氣候調(diào)節(jié)等方面都發(fā)揮了重要的生態(tài)作用［11］。

哈素海以黃河水為主要補(bǔ)給來(lái)源，由南側(cè)的民生渠定期補(bǔ)水。美岱溝的水通過(guò)哈素海西側(cè)的后河排入哈素海；大青山北側(cè)的西白石頭溝、朱爾溝、黑牛溝、蘇蓋營(yíng)子溝的水通過(guò)哈素海北側(cè)的渠道排入。該區(qū)域年平均氣溫為6.5℃，年降水量為391.8 mm；年平均風(fēng)速為 2.0 m/s，最大風(fēng)速為 36 m/s；年蒸發(fā)量約為年降水量的5倍［12-13］。

1.2 取樣與測(cè)定方法

為了全面調(diào)查分析哈素海湖底泥中氮磷營(yíng)養(yǎng)元素的分布情況，于2014年9月10日對(duì)哈素海的底泥進(jìn)行了取樣，取樣點(diǎn)共20個(gè)，取樣點(diǎn)的位置如圖1所示，布點(diǎn)主要考慮盡可能遍布全湖，且取樣船只方便停靠和操作的地點(diǎn)，取樣使用柱狀采樣器，取樣深度約2.1 m，取出泥樣后，將其分層放入塑料袋中，然后送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)表層0～10、50～60、100～110、150～160、200～210 cm泥樣進(jìn)行了測(cè)試分析，測(cè)試指標(biāo)包括全氮（TN）、全磷（TP）、堿解氮、有效 磷、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg及As。 沉 積 物全氮（TN）、全磷（TP）、堿解氮及有效磷的測(cè)試方法，分別采用高氯酸-硫酸消化法、酸熔-鉬銻抗比色法、堿解擴(kuò)散法及碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定。Cu、Zn、Pb、Cd、Cr元素測(cè)定采用《現(xiàn)代實(shí)用儀器分析方法》；Hg元素測(cè)定：NY/T 1121.10-2006；As元 素 測(cè) 定：NY/T 1121.11-2006。

圖1 研究區(qū)水系及底泥取樣點(diǎn)分布圖

2 結(jié)果與分析

2.1 全氮、堿解氮分布特征

哈素海表層底泥中全氮變化的含量范圍在0.15～2.14 g/kg之間，均值為0.67 g/kg。其中20%的采樣點(diǎn)全氮含量較高，超過(guò)1 g/kg，有50%采樣點(diǎn)全氮含量超過(guò)0.5 g/kg，說(shuō)明哈素海表層底泥的全氮含量整體較高。應(yīng)用ArcGIS軟件對(duì)哈素海表層底泥的全氮進(jìn)行空間分布分析見(jiàn)圖2（a）。從圖中可以看出，表層底泥中全氮的水平分布整體有西北及中部向西南及東南逐漸遞增的趨勢(shì)，采樣點(diǎn)ZKS11處全氮含量最高，為2.14 g/kg，哈素海表層底泥的低值區(qū)為湖泊中心處，ZKG8含量最低，為0.15 g/kg。哈素海表層底泥全氮呈現(xiàn)周邊高、中心底的主要原因?yàn)椋牒恿骷皽锨嘉挥诤^(qū)的南岸和西岸，該區(qū)域分布著大量農(nóng)田、農(nóng)藥和化肥可隨地表徑流或退水渠排入哈素海，為湖泊提供了豐富的氮源。

哈素海底泥全氮在垂向上的分布如圖3（a），由于受沉積環(huán)境、底泥形狀早期成巖作用及人類(lèi)活動(dòng)等的影響，盡管各采樣點(diǎn)全氮變化特征有所不同，但基本呈現(xiàn)隨著深度增加，全氮含量逐漸減少的趨勢(shì)。對(duì)全湖20個(gè)點(diǎn)取均值后，在0～10 cm底泥中的平均值為0.67 g/kg。50～60 cm底泥全氮平均值為0.51 g/kg。100～110 cm底泥全氮平均值為0.33 g/kg。150～160 cm底泥全氮平均值為0.37 g/kg。200 ～ 210 cm 底泥全氮平均值為 0.37 g/kg。這與近年來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)的加強(qiáng)有關(guān)，人類(lèi)活動(dòng)向湖泊輸入的氮素明顯增加，致使哈素海沉積物的氮含量也呈隨深度增加而減少趨勢(shì)。

哈素海表層底泥中堿解氮空間分布情況見(jiàn)圖2（b），含量范圍在49.01～177.14 mg/kg之間，均值為107.52 mg/kg，空間分布與總氮不同，湖泊中部與南部屬于高值區(qū)，基本趨勢(shì)是從西北向東南逐漸增加。采樣點(diǎn)ZKS8處有效氮含量最高，為177.14 mg/kg，哈素海表層底泥的低值區(qū)為湖泊西北處，WK39含量最低，為49.01 mg/kg。

哈素海底泥柱心堿解氮含量分布特征如圖3（b）所示。從全湖整體看，堿解氮含量在0～10 cm底泥中平均值為107.52 mg/kg，50～ 60 cm處平均值為 56.23 mg/kg。100～ 110 cm處平均值為55.24 mg/kg。150～160 cm 處平均值為 50.79 mg/kg。200～210 cm處平均值為51.76 mg/kg，呈現(xiàn)隨著深度增加，全氮含量逐漸減少的趨勢(shì)，與全氮趨勢(shì)相一致。

2.2 全磷、有效磷分布特征

哈素海表層底泥中全磷空間分布見(jiàn)圖2（c）。全磷的含量范圍在0.30～0.45 g/kg之間，均值為0.36 g/kg。磷元素在哈素海表層底泥中的累積由于受沉積環(huán)境、底泥的氧化還原環(huán)境及水動(dòng)力條件變化等多種因素共同影響，不同采樣點(diǎn)表層底泥中磷水平分布差異較大，總體呈現(xiàn)從西到東逐漸增大的變化趨勢(shì)，表明了沉積環(huán)境和水動(dòng)力條件的變化對(duì)磷在底泥中的累積有一定影響，并在一定程度上反映了磷來(lái)源的多樣性。采樣點(diǎn)ZKQ9處全磷含量最高，為0.45 g/kg，哈素海表層底泥的低值區(qū)為湖泊西北處，ZKU8含量最低，為0.30 g/kg。

哈素海底泥柱心全磷含量分布特征如圖3（a）所示。從取樣點(diǎn)均值看，全磷含量在0～10 cm底泥中平均值為 0.36 g/kg。50～ 60 cm 處平均值為 0.38 g/kg。100 ～ 110 cm 處平均值為 0.34 g/kg。150 ～ 160 cm 處平均值為 0.34 g/kg。200 ～ 210 cm處平均值為0.35 g/kg。垂向呈現(xiàn)無(wú)明顯變化趨勢(shì)，不同深度的全磷含量較為相似，說(shuō)明近年來(lái)外源輸入的磷沒(méi)有明顯增加的趨勢(shì)，底泥中磷的含量基本為本底值。

哈素海表層底泥中有效磷空間分布見(jiàn)圖2（d），有效磷的含量范圍在11.91～23.53 mg/kg之間，均值為15.99 mg/kg。空間上北部和東側(cè)較高，西側(cè)及南部偏低，有效磷含量在采樣點(diǎn)WK25處最高，為23.53 mg/kg，WK18 含量最低，為 11.91 mg/kg。

哈素海底泥柱心有效磷含量分布特征如圖3（b）所示。從全湖整體看，有效磷含量在0～10 cm底泥中平均值為16.0 mg/kg。50～60 cm處平均值為 18.34 mg/kg。100～ 110 cm處平均值為 16.24 mg/kg。150 ～ 160 cm 處 平 均 值 為 16.98 mg/kg。200～210 cm處平均值為15.36 mg/kg?；境尸F(xiàn)隨著深度增加，有效磷含量稍有減少的趨勢(shì)。

2.3 潛在的資源化利用分析

據(jù)《2000年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》公布，由于有機(jī)肥投入不足，化肥施用不均衡，使耕地土壤退化，耕層變淺，耕作能力惡化，保水能力降低，耕地中微量元素缺乏約占50%，70%～80%養(yǎng)分不足［14］。因此，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，湖泊沉積物具有很大的資源化利用潛力。

圖2 哈素海表層沉積物中氮磷元素空間變化趨勢(shì)

圖3 哈素海底泥氮磷元素垂向分布

哈素海處于土默川平原，該區(qū)域土層平均全鹽量為1.52～8.39 g/kg，土壤堿化度在22.5%～56.7%之間，屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)典型的鹽漬土分布區(qū)。土壤由粉砂及粘砂土等黃河沖積物組成，是典型的大青山洪積扇和土默川平原過(guò)渡帶。哈素海周邊可利用土壤的養(yǎng)分含量較低，有機(jī)質(zhì)含量為0.92%，屬于低肥力。堿解氮、有效磷含量分別為32.0、2.1 mg/kg，處于缺損狀態(tài)［15］，見(jiàn)表1。因此，哈素海底泥與周邊土壤的物理化學(xué)性質(zhì)存在一定的互補(bǔ)性，若將哈素海底泥與土壤進(jìn)行混合改良，可使土壤理化性質(zhì)得到一定改善。對(duì)于內(nèi)蒙古同類(lèi)湖泊烏梁素海，已有學(xué)者在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)進(jìn)行了大田試驗(yàn)研究，利用烏梁素海底泥對(duì)河套灌區(qū)的土壤進(jìn)行改良，并取得了良好的效果［16］。

由于哈素海與烏梁素海都屬于灌區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都較高，同屬于灌區(qū)湖泊，底泥的基本物理性質(zhì)具有一定的相似性。另一方面哈素海灌區(qū)是自治區(qū)大型黃灌區(qū)之一，與河套灌區(qū)土壤具有相似的特性，及土壤含鹽量高，氮、磷、有機(jī)質(zhì)缺乏。兩區(qū)域的相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表1。由表1可知，哈素海周邊土壤中雖然全氮全磷含量較豐富，但堿解氮有效磷含量很低，土壤處于氮磷素養(yǎng)分缺乏狀態(tài)，哈素海底泥中富含氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素。其底泥中堿解氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)的含量都要高于烏梁素海，所以其具有較好的農(nóng)用價(jià)值。如能將哈素海的底泥進(jìn)行疏浚挖掘，一方面可改善哈素海的沼澤化的進(jìn)程，還可以利用疏浚的底泥作為土壤改良劑與肥料，進(jìn)行資源化利用，土壤的基本理化性質(zhì)可以得到較好的改良。

表1 區(qū)域底泥及周邊土壤相關(guān)指標(biāo)均值

林莉等［17］對(duì)目前沉積物疏浚后不同處置方式的成本費(fèi)用做了相關(guān)研究，結(jié)果顯示：以熱干化、焚燒、農(nóng)業(yè)肥利用、生物修復(fù)法、電動(dòng)力學(xué)技術(shù)方式進(jìn)行處置的費(fèi)用分別為330.85 、244～487、15～30、8～32、32～169元/m3，與其他處置方式相比作為農(nóng)用肥利用的費(fèi)用處在較低范圍，且不存在焚燒等其他方法在處置時(shí)還會(huì)釋放大氣污染物等現(xiàn)象，是目前最有前景的處置方式。根據(jù)劉旭［16］在烏梁素海的大田試驗(yàn)結(jié)果，每公頃地改良20 cm的耕作層土壤大約需要900 m3的沉積物，結(jié)合林莉等［17］的研究結(jié)果計(jì)算后，利用沉積物改良土壤的費(fèi)用大約為13 500～27 000元/hm2，參考新花［18］的研究在內(nèi)蒙古地區(qū)使用化肥增加土壤肥效的費(fèi)用約為1 950元/hm2。相比于施用化肥來(lái)說(shuō)，沉積物改良的費(fèi)用雖然還維持在較高的水平，但沉積物其中的腐殖質(zhì)膠體能使土壤形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，養(yǎng)分更易保持，作用力也更持久于化肥，避免了化肥施用后引起的土壤板結(jié)、污染環(huán)境等副作用，對(duì)于一些鹽堿化貧瘠土壤使用沉積物改良有其特殊的優(yōu)勢(shì)。另一方面沉積物在農(nóng)業(yè)資源化利用的同時(shí)也解決了湖泊底泥疏浚后堆放引起的土地占用問(wèn)題。

相關(guān)的研究也顯示，用于農(nóng)田的沉積物提高了蔬菜品質(zhì)（如蔬菜中維生素C含量增加，硝酸鹽含量下降）和產(chǎn)量［19］；蘇德純等［20］將官?gòu)d水庫(kù)疏浚底泥進(jìn)行預(yù)處理后用作植物生長(zhǎng)介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)良好；劉旭［16］利用烏梁素海的沉積物與附近農(nóng)田的土壤進(jìn)行不同比例的混合后種植向日葵，其中底泥與土壤1∶1配比和原土壤相比，向日葵生理特指標(biāo)株高提高了28.6%，收獲產(chǎn)量提高了22.0%，籽粒的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總氨基酸含量提高了0.5%、蛋白質(zhì)含量提高了4%。上述試驗(yàn)研究結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了沉積物農(nóng)田資源化利用后的增產(chǎn)能力不遜于化肥的施用，湖泊沉積物農(nóng)田資源化利用的潛力巨大。

為了進(jìn)一步判斷哈素海沉積物在資源化利用時(shí)有毒元素的影響，參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，使用單因子指數(shù)法［21］和地累積指數(shù)法［22］分別對(duì)哈素海沉積物中的重金屬含量進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法如表2，哈素海沉積物重金屬含量統(tǒng)計(jì)及評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 單因子指數(shù)、地累積指數(shù)評(píng)價(jià)方法

表3 哈素海沉積物中重金屬含量及計(jì)算結(jié)果

對(duì)于重金屬含量整體而言，底泥中Zn含量最高，Cr次之，從全湖平均值來(lái)看，重金屬含量Zn、Cr、Cu、Pb、As、Cd、Hg含量平均值分別為128.10、77.14、32.29、28.25、13.76、0.05、0.04 mg/kg。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，7種重金屬的單因子指數(shù)均小于1，未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，其中As和Zn的值最為接近《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-2018）的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。由于重金屬有富集作用，使用地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，7種重金屬的地累積指數(shù)均小于0，為無(wú)污染狀態(tài)。所以，哈素海沉積物在重金屬毒性方面都在國(guó)家要求的風(fēng)險(xiǎn)值范圍以?xún)?nèi)，可以進(jìn)行資源化利用。

3 結(jié)論

哈素海各采樣點(diǎn)表層沉積物中全氮含量為0.15 ～ 2.14 g/kg，堿解氮含量為 49.01 ～ 177.14 mg/kg，全磷含量為0.30～0.45 g/kg，有效磷含量為11.91～23.53 mg/kg。各采樣點(diǎn)沉積物中氮磷元素含量排序并不一致，空間變化趨勢(shì)也不盡相同。

從垂向分布來(lái)看，全氮、有效氮含量呈現(xiàn)隨沉積物深度的增加而減少的趨勢(shì)，這與近年來(lái)人類(lèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的加強(qiáng)、人類(lèi)向湖泊水體中輸入的氮量明顯增加有關(guān)，而全磷、有效磷含量在垂向分布上并無(wú)明顯變化，說(shuō)明近年來(lái)外源輸入的磷沒(méi)有明顯增加的趨勢(shì)。

哈素海底泥資源化利用潛力較大，有較好的農(nóng)用價(jià)值，對(duì)改良土壤結(jié)構(gòu)與提高土壤肥力等具有較好的作用。在改良利用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，并提出有針對(duì)性的資源利用模式，以確保不會(huì)對(duì)土壤及環(huán)境產(chǎn)生二次污染。