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湖泊富营养化是当今世界共同面临的一个重要的水环境问题,研究表明,在外源输入逐步得到控制的情况下,底泥对上覆水释放的氮、磷等营养盐将成为湖泊水质恶化和富营养化的重要原因。为了改善湖泊水质、恢复它们原有较稳定健康的生态系统结构,对湖泊内源负荷,特别是对底泥内源负荷的控制研究具有重要意义。2006年起,本文借助滇池福保湾开展的“受纳湖湾污染负荷有效削减和生态系统重建技术及工程示范”这一课题研究平台,通过野外现场跟踪和室内模拟实验相结合,研究了在福保湾开展的吹填工程和原位固化工程对内源负荷的控制效果,重点研究了福保湾底泥疏浚、水体曝气和菹草生长影响水土界面底泥-间隙水-上覆水复合体系的物理化学过程以及营养盐交换机制,并获得了以下主要结果与结论:
(1)福保湾各区域底泥有机质、微生物活性、碱性磷酸酶活性、重金属和磷形态等表现为空间差异大,整个湖湾大小顺序基本为河口区>湾心区>西部沿岸区>东部沿岸区,东西两岸由于常年受风浪冲刷,湖底底泥为坚硬而贫瘠的砂质沉积物,污染相对较轻,湾心及河口区常年接纳大清河、海河及湖湾周边地区的污染物,底泥污染严重,为发黑发臭的泥炭层。
(2)通过原柱样室内静态培养法逐月估算了福保湾各区域及污控示范工程前后氮磷有效扩散通量(R)的变化。河口区为重污染区,底泥被原位固化后,氮磷界面扩散通量分别由固化前的141mg.m-2d-1和2.3mg.m-2d-1降至固化后的50mg.m-2d-1和0.6mg.m-2d-1,降幅分别为65%和74%;东西沿岸生态重建区工程前后氮磷扩散通量变化不显著,单从内源控制角度来看,效果不甚明显,但沿岸通过吹填基底改良,为水生植被的恢复创造了良好的生态条件。福保湾冬季盛行西南风,风力强劲,致使东西吹填区实验围格被打破,吹填区底泥造成泄漏,将湾心大部分区域进行了覆盖,覆盖前后,界面氮磷释放速率分别由180mg.m-2d-1和3.3mg.m-2d-1降至95mg.m-2d-1和1.9mg.m-2d-1,降幅分别约为48%和42%。
(3)在福保湾首次采用平衡膜式采样器(Peeper)采集到较高精度的间隙水,对湖湾不同区域及示范工程前后间隙水物化特征月际变化进行了跟踪研究。结果显示:福保湾各区域间隙水含量空间差异极大,河口区间隙水NH4+-N和PO43--p浓度最高可达80mgL-1和1mgL-1,湾心区分别达到40mgL-1和0.5mgL-1,东西沿岸区相对浓度较低,间隙水NH4+-N最高浓度只有10mgL-1。间隙水NH4+-N和PO43--p浓度在垂向上都呈先增加后降低的趋势,具有向上覆水释放的潜在危害。示范工程后,整个福保湾底泥间隙水Eh升高,在水土界面附近升为正值,间隙水NH+-N和PO43--P含量在水土界面处也有所降低,尤其是原位固化工程对内源磷的控制,使间隙水PO43--p最大含量由工程前的0.9mgL-1降到0.1mgL-1左右,降幅达85%。
(4)Peeper技术获取间隙水及近界面上覆水,利用电感偶合等离子体质谱仪(ICP-MS)对其中溶解性重金属含量进行分析,并根据Fick定律计算出底泥。水界面微量重金属扩散通量。福保湾水体中溶解性重金属元素含量不高,Fe、Cu、Zn、Ni、Co、Cd、Cr、Pb、As含量均符合国家II类地表水质标准。通过分子扩散模型(Fick定律)计算出福保湾底泥对水体微量重金属污染物具有很好的吸附净化效果,且在目前pH条件下,吸附于底泥上的重金属不易返回上覆水体。
(5)政府计划在福保湾进行底泥疏浚工程,本文以湖湾湾心区为研究对象,采用底泥-水柱模拟疏浚微环境实验,研究了疏浚和曝气对氮磷营养盐释放的控制效果。结果表明湾心区疏浚30cm可以有效降低底泥有机质、微生物活性、碱性磷酸酶活性、磷形态和各种重金属含量。单从释放速率变化看,底泥疏浚和曝气对底泥-水界面氮磷内源负荷的控制效果不明显,这与未疏浚柱样被来自基底修复区的底泥覆盖有关,如果同未覆盖原位底泥相比,疏浚对氮磷释放具有很好的控制效果。曝气不能在福保湾底泥表层形成理想的氧化膜,反而由于曝气的强烈扰动,增加了间隙水中高浓度营养盐向上覆水扩散的趋势。
(6)野外跟踪实验不能很好的研究沉水植被根区微环境的变化,本文通过室内模拟研究表明:菹草根区底泥表现出较高的微生物活性和较低的碱性磷酸酶活性;菹草种植区间隙水具有较高PO43--P浓度,据此推测,菹草虽然也吸收底泥间隙水中的磷,但这可能不是间隙水中PO43--p含量变动的主要原因。