山东南四湖沉积物内源氮磷释放风险与控制对策

１引言

沉积物是湖泊及其流域中营养盐及其他污染物的重要归宿和蓄积库［1］，水体中氮磷等污染物的过量输入，长期积累，使沉积物成为难削减的内源负荷［2］。研究表明，当湖泊系统的环境条件发生变化时，这些内源负荷会通过扩散、对流、沉积物再悬浮等过程向上覆水体释放，造成“二次污染”现象，严重影响湖泊上覆水水体的质量［3］。

在有些情况下，即使湖泊外源污染得到控制，沉积物对上覆水体季节性营养盐的释放可使湖泊富营养化维持数十年［4］。因此，研究湖泊沉积物内源氮磷污染分布及其释放风险，对湖泊内源负荷的控制和水环境改善具有重要指导意义。

山东南四湖是我国华北平原上面积最大的淡水湖，由南阳、独山、昭阳和微山4个湖串联而成，平均

肖凯刘明陈松洁邹原芳

吕昊辰

李宝（临沂大学资源环境学院，山东临沂２７６００５）

摘要：近年来，随着南四湖流域点源及面源污染控制工程的有效实施，入湖河流水质得到很大改善，但对南四湖沉积物内

源负荷与释放风险的研究相对薄弱。以南四湖不同湖区为研究对象，在对沉积物内源氮磷负荷及界面交换速率分析的基础上，结合沉积物内源控制技术，探讨南四湖内源控制对策。结果表明，南四湖沉积物含有丰富的氮磷且空间差异显著，总体呈北高南低的趋势，南阳湖区总氮（TN ）和总磷（TP ）含量最高，表层30cm 沉积物平均含量分别达2471mg/kg 和535mg/kg ，沉积物氨氮

（NH 4+-N ）和磷酸盐（PO 43--P ）在界面处的释放速率分别高达10.3mg/（m 2·d ）和2.7mg/（m 2

·d ），南阳湖区沉积物氮磷污染严重，且

具有较强的潜在释放风险。根据南四湖的污染现状及水质要求，对南四湖污染最为严重的南阳湖区进行沉积物生态疏浚分区，并通过长期的室内静态培养实验，探讨不同疏浚深度对内源污染释放风险的控制效果，确定最佳疏浚深度，可为指导南四湖南阳湖区沉积物疏浚工程实施提供参考。

关键词：内源负荷；释放风险；氮磷污染；沉积物疏浚；南四湖Abstract ：With the effective implementation of point and non-point source pollution control engineering in Nansi Lake

drainage area,the water quality of rivers into Nansi Lake was improved greatly in recent years,but the research on sediment internal loads and their release rates were relatively weak.This article focuses on different zones of Nansi Lake,on the basis of analyzing the sediment nitrogen and phosphorus loads and their exchange rates at sediment-wate

r interface,combined with the endogenous pollution control engineering,the controlling measures on internal contami-nation of Nansi Lake were discussed.Results showed that sediment nitrogen and phosphorus in Nansi Lake were abundant and different significantly in space,which presenting a decreasing trend from north to south.The total nitro-gen （TN ）and total phosphorus （TP ）in sediment of Nanyang lake were the highest,and the average content was 2471mg/kg and 535mg/kg in upper 30cm surface sediments,and the release rates of NH 4+-N and PO 43--P through static incubation were 10.3mg/（m 2·d ）and 2.7mg/（m 2·d ）,respectively.The sediment nitrogen and phosphorus in Nanyang Lake were polluted seriously,and had strong potential release risk.According to the pollution present situation and the requirements of water quality in Nansi Lake,it's important to partition sediments of Nanyang lake,which is the most seriously contaminated areas of Nansi Lake,and evaluate the effects of different sediment dredging depth on internal pollutants release risk and determine the best dredging depth through the long-term sediment-water micro-cosms experiment,and the research can provide scientific data base for guiding dredging engineering implementing in Nansi Lake of Nanyang Lake area.Key words ：internal loading;release risk;nitrogen and phosphorus pollution;sediment dredging;Nansi Lake

中图分类号：X524

文献标识码：A

文章编号：1674-1021（2016）03-0029-04

收稿日期：2016－01－07；

修订日期：2016-03-10。作者简介：肖凯，男，１９９１年生，硕士研究生在读，主要研究方向为水环境及其生态修复控制技术。＊通讯作者：李宝，男，１９８０年生，博士，教授，主要研究方向为底泥污染与控制技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｂ８１２９＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。基金项目：国家级大学生创新创业项目（编号：２０１４１０４５２０４９）和国家自然科学基金项目（编号：２１２０７０５８）联合资助。

＊

应用技术

ＡｐｐｌｉｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

深度1.46m。自20世纪80年代以来，南四湖周边地区工农业迅速发展，排放进入南四湖的污染物逐年增多。据张祖陆等人估算，南四湖上级湖流域范围的土地和农田每年向南四湖输入氮和磷分别为11288t 和516.7t［5］。近年来，随着点源及面源污染控制工程的有效实施，南四湖入湖河流水质得到很大改善，但对其沉积物内源氮磷负荷与释放特征的研究较少。南四湖作为南水北调东线工程最重要的输水通道和

京杭大运河最重要的航运路段，对其沉积物内源氮磷的释放风险与控制对策进行研究极为重要。本文以南四湖不同湖区为研究对象，利用柱状沉积物采样器获取原位柱状沉积物，分析其氮磷空间分布特征和内源氮磷释放风险，并探讨其内源控制对策，为南四湖水环境保护与治理提供基础数据和科学依据。

２样品采集与分析

根据南四湖现场条件，在南阳、独山、昭阳和微山4个不同湖区分别设置代表性采样点（见图1），2011年8月在采样点处用装有85mm×600mm有机玻璃管的柱状采样器采集原位沉积物柱样。部分柱状沉积物按0～2cm，2～4cm，4～6cm，6～8cm，8～10cm 和10cm以下间距为5cm进行切样，用于TN和TP 含量的分析［6］，另一部分柱状沉积物则通过原柱样静态释放实验进行内源氮磷释放规律的研究［3］。采样点的经纬度从北向南依次是：南阳湖区（NSH1），116°39′39″E和35°09′5.64″N；独山湖区（NSH2），116°50′31.8″E和35°02′13.08″N；昭阳湖区（NSH3），117°02′8.5″E和34°50′12.96″N；微山湖区（NSH4），117°13′18.3″E和34°41′16.26″N。

３沉积物内源氮磷空间分布特征

３．１总氮的空间分布

不同湖区采样点沉积物总氮（TN）含量的分布见图2。

从图2中可以看出，南四湖沉积物含有较丰富的氮且空间差异性显著，总体呈北高南低的趋势，其含量变化范围在100～3

682mg/kg之间，4个湖区TN 的平均含量为1672mg/kg，其中，南阳湖区（NSH1）和独山湖区（NSH2）采样点TN含量较高，平均含量（表层30cm）分别达到2471mg/kg和2432mg/kg，约是昭阳湖区（NSH3）和微山湖区（NSH4）平均值的2.5和3.1倍。1960年在南四湖湖腰处建成二级湖闸后，把南四湖分成上、下级湖，闸北为上级湖，闸南为下级湖。上级湖沉积物TN含量高，这是因为上级湖区距离济宁市区较近，其城市排放的部分未经处理污水直接排入湖体，致使沉积物污染最为严重，而距离南阳湖区愈远，由于湖水的混合稀释作用，污水中氮的沉积就愈少［7］。在垂向上，NSH1沉积物TN含量自下而上有降低趋势，这可能是近年来湖区周边实施了环湖截污工程，原有的入湖排污口被截除，外来污染负荷明显降低，致使其表层沉积物TN含量有所下降。下级湖区NSH3和NSH4表层沉积物TN 含量有所上升，尤其NSH4最为明显，这可能是由于微山湖周边地区近几年旅游活动日益频繁、水产品养殖业逐步繁荣和周边农业面源污染加剧的缘故，致使其TN含量有所上升，尤其在表层沉积物3～10 cm处，NSH3点TN含量虽然较低，但增加的速率较快。NSH3和NSH4在沉积物15cm以下的深层部分TN含量保持一定稳定状态，这也从侧面反映了NSH3和NSH4表层TN含量的增加是由于周边环境影响所致。研究表明，南四湖下级湖区沉积物TN 含量虽然较低，但增加趋势明显，水体富营养化态势有进一步加剧的风险。

３．２总磷的空间分布

南四湖不同采样点沉积物总磷（TP）含量空间分布特征见图3。

山东省

日照市南四湖

江苏省济宁市

李博

枣庄市

徐州市

ＮＳＨ１

ＮＳＨ２

ＮＳＨ３

ＮＳＨ４

０１０ｋｍ

图１南四湖采样点分布

图２南四湖不同采样点沉积物ＴＮ含量的分布

TN含量/（mg·kg-1）

020004000020004000

NSH1NSH2NSH3

深

度

NSH4

环境保护与循环经济30

由图3看出，

南四湖沉积物含有较丰富的磷，其沉积物TP 含量变化范围在308～604mg/kg 之间，4个湖区平均值（表层30cm ）在336～535mg/kg ，且空间上表现出明显的差异性。NSH1样点沉积物TP 含量最高，平均值为535mg/kg ，最高值达到604mg/kg ，根据目前国内环境保护疏浚的一般要求，沉积物TP 含量在500mg/kg 以上，该沉积物就被认为污染严重，可建议进行疏浚［8］，据此判断，目前南阳湖沉积物处于较高污染程度。二级坝以下的NSH3样点沉积物TP 含量最低，平均含量为336mg/kg ，仅为NSH1样点TP 平均含量的63%。4个采样点TP 含量的大小顺序依次为：NSH1>NSH2>NSH4>NSH3，这一结果与周来等人的研究结果不太一致。周来等人认为NSH1的TP 含量最高，NSH4的TP 含量为四湖中最低［9］。NSH1位于南阳湖区，济宁、枣庄、菏泽三地排放的部分污水未经处理直接排入河流，最终汇入南阳湖，致使其沉积物污染最为严重，沉积物黑臭现象明显，沉积物TP 含量也最高。距离南阳湖区愈远，由于湖水的混合稀释作用，逐级沉淀净化，污水中磷的沉积就愈少。近年来，由于微山湖区周边旅游活动日益频繁、水产品养殖业的繁荣和周边农业面源污染的加剧，由此带来的外源性入湖污染有增强趋势，NSH4表层沉积物TP 含量呈现逐年上升的现象，说明微山湖沉积物磷污染有进一步加剧的态势，应引起足够的重视。

４沉积物内源氮磷释放速率

由图4可知，静态培养下，南四湖不同湖区采样点

沉积物氨氮（NH 4+-N ）在沉积物—水界面处均以释放为主。其中NSH1和NSH2释放速率较高，分别达到

10.3mg/（m 2·d ）和8.8mg/（m 2·d ），NSH3和NSH4释

放速率较低，分别为5.9mg/（m 2·d ）和3.1mg/（m 2·d ），总体呈现由北向南逐步降低的趋势，释放速率的大小与沉积物的污染程度相一致。静态培养下，NSH1

磷酸盐（PO 43--P

）释放速率最高，达到2.7mg/（m 2·d ），NSH2，NSH3和NSH4的释放速率相对较低，分别为0.6，0.3，0.5mg/（m 2·d ）。南阳湖区PO 43--P 在界面处的释放速率分别是独山湖、昭阳湖和微山湖的4.6，8.3和5.4倍。空间分布上，PO 43--P 释放速率的大小顺序与NH 4+-N 释放速率有所不同，NH 4+-N 释放速率的大小顺序是：NSH1>NSH2>NSH3>NSH4，PO 43--P 释放速率的大小顺序为：NSH1>NSH2>NSH4>NSH3，NSH4点PO 43--P 释放速率增大可能与近年来微山湖水产养殖业的快速发展有关。范成新等人认为，湖泊沉积物内源NH 4+-N 和PO 43--P 释

放速率分别在6mg/（m 2·d ）和1mg/（m 2·d ）

以上时，该湖区沉积物受到较重氮磷污染，其内源氮磷释放对水体富营养化的贡献应值得关注。

５沉积物内源氮磷污染控制对策

５．１内源控制技术5.1.1沉积物疏浚技术

目前对湖泊内源污染控制采用最多的方法是沉积物疏浚（环保疏浚），该法旨在去除湖泊、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标准。沉积物疏浚作为改善水环境的最重要手段之一，对污染湖泊内源负荷控制的效果问题，人们的认识不一，一些疏浚工程实施后，随着时间的推移，良好的水质状态不能得到很好的保持，甚至出现疏浚后水体个别污染物含量同疏浚前相比反而增加的现象。沉积物疏浚与大多数水污染治理技术需要后期维护不同，是对治理对象的一次性工程投入，评价疏浚效果的关键是看疏浚后控制效果延续时段的长短与资金等投入相比能被人们接受的程度［10］。5.1.2

物理化学控制技术

目前物理化学控制技术主要包括沉积物氧化技术、化学沉淀技术以及沉积物覆盖技术等。沉积物氧

图３南四湖不同采样点沉积物ＴＰ含量的分布

图４静态培养下不同采样点ＮＨ４＋－Ｎ和ＰＯ４３－－Ｐ

内源释放速率

0深度/c m

TP 含量/（mg ·kg -1

）350

700

350

700

350

700

350

700

1357913182328

91828

NSH1NSH2NSH3

NSH4

N H 4+-N 释放速率/（m g ·m -2·d -1）

NSH1

NSH2

NSH3

NSH4

NSH1

NSH2

NSH3

NSH4

P O 43--P 释放速率/（m g ·m -2

·d -1）

3.53.02.52.01.51.00.50.0

采样点

化技术主要通过物理或化学方法增加底部水体的溶解氧，以控制沉积物内源污染负荷［11］，具体措施包括破坏分层、人工曝气和化学增氧等。化学沉淀法主要通过加入铝、铁、钙盐等，以化学沉淀降低水体中磷的浓度，同时增加沉积物对磷的束缚能力，抑制内源磷的释放。覆盖技术是在污染沉积物上放置一层或多层覆盖物，使污染沉积物与水体隔离，防止沉积物污染物向水体迁移，采用的覆盖物主要有未污染的泥、沙、砾石或一些复杂的人造地基材料等。

5.1.3生物操纵控制技术

生物操纵控制技术是通过工程或非工程措施，优化大型水生植被落结构和调整生物落结构，达到稳定、削减内源污染负荷的目的。该技术可避免施用化学药剂所产生的副作用和高成本，有利于生态系统的可持续发展。

5.1.4微生物控制技术

微生物控制技术主要是利用微生物来降解环境污染物，消除或降低其毒性的过程。陈华林等认为对有机污染严重的湖泊沉积物，最理想的办法是不疏浚，让微生物在原地直接分解污染物［12］，这样可以节省大量疏浚费用，同时能减少疏

浚带来的环境干扰。虽然经过纯培养，发现有些微生物能较大程度分解多环芳烃（PAH）、多氯联苯（PCBs）等有机污染物，但要制成在原位沉积物能活跃分解有机物的产品，目前的效果还不理想。

５．２南四湖内源污染控制对策

南四湖全湖面积1266km2，为山东第一大湖，平均水深仅1.46m。根据湖泊现场条件，在南四湖不同湖区开展针对内源氮磷负荷的物理化学控制技术、生物操纵控制技术和微生物控制技术有一定困难，物理化学控制技术一般通过曝气、覆盖和加入化学药剂等方式控制内源污染物的释放风险，该法一般适用于面积较小的河流、河口等区域，另外，化学药剂和覆盖物的加入，可能会对湖泊底栖动物有较大影响，该技术一般不适用于大型浅水湖泊沉积物的污染控制；水生植被不仅可以净化水质、固持沉积物，而且可以吸收沉积物中的氮磷等营养元素，减少内源污染物的释放，并通过收获水生植物从总量上减少内源污染负荷，但是健康的水生植被的形成是一个漫长的演化过程，恢复由生存环境变化而遭到破坏的水生植被更是一个和诸多环境因素相关的过程，是一个十分困难的过程［13］；微生物控制技术还不够成熟，大规模应用还存在较大环境风险。沉积物疏浚因能从湖体将污染沉积物永久性去除，虽然耗资较大，但目前仍是南四湖控制内源污染首选的治理手段。

由南四湖不同湖区沉积物内源氮磷负荷及沉积物—水界面氮磷交换速率数据可以看出，南四湖南阳湖区和独山湖区氮负荷污染较重（见图2和图4），南阳湖区沉积物磷负荷污染较重（见图3和图4），存在较高释放风险，即使在外源得到有效控制后，仍有可能导致相当长时间内维持富营养化或水质恶化等不良状态。鉴于沉积物疏浚往往耗资巨大，而且工程

的环境后效有可能存在不确定性，所以用于环境改善目标的疏浚作业是否符合投入产出的原则，在疏浚工程实施前，对疏浚区进行合理的规划以及对疏浚后的环境效应进行认真分析至关重要。综合考虑经济原则及南四湖污染现状，在污染最为严重的南阳湖区开展沉积物疏浚区规划，不同疏浚深度对内源污染的控制效果，疏浚后新生界面的恢复过程，以及确定南阳湖区最佳疏浚深度等方面的研究意义重大，应是未来几年山东南四湖同类研究工作的重点。

６结论

（1）南四湖沉积物含有较丰富的氮磷且空间差异显著，总体呈北高南低的趋势，南阳湖区TN和TP 含量均最高，表层30cm沉积物平均含量分别达到2471mg/kg和535mg/kg，这与南四湖北部距离济宁市区较近，受污染较重有关。

（2）原柱样静态培养模拟实验表明，南四湖不同湖区NH4+-N和PO43--P在沉积物—水界面处均以释放为主，在空间分布上，不同湖区氮磷界面交换速率差异显著，总体呈北高南低的趋势，南阳湖区明显大于其他各湖区，NH4+-N和PO43--P的释放速率分别高达10.3mg/（m2·d）和2.7mg/（m2·d），具有较强潜在释放风险。

（3）综合考虑南四湖污染现状、水质要求以及经济原则，以南四湖中内源污染最为严重的南阳湖区为研究对象，在调查沉积物深度、污染负荷以及释放风险的基础上，确定沉积物疏浚范围，探讨疏浚对沉积物内源污染释放风险的控制效果，以及确定最佳疏浚深度，对科学地指导南四湖沉积物疏浚工程实施具有重要意义。

（下转５２页）

参考文献

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（上接３２页）

通过畜禽粪便和污水的厌氧消化、制取沼气和治理污染的全套工程设施。回收的沼气可做燃料使用，替代化石燃料等常规能源，用于炊事、采暖、照明，也可用做发电和动力燃料。

（2）改湿清粪为干清粪减少CH 4排放量。厌氧环境是粪便CH 4产生的先决条件，通过干清粪和固体液体分离改变清粪方式，不仅可以减少污水产生量，而且提高粪便收集率，减少进入厌氧环境的有机物

总量，从而减少CH 4排放。

（3）通过覆盖等改变粪便贮存方式减少CH 4排放。国外试验研究提出在粪浆贮存过程中添加覆盖物是减少温室气体排放经济有效的方式。不同的覆盖材料和技术对减排的效果也不一样，其中覆盖稻草的减排效果最好。4.2.4

增加碳汇吸收

植物可以吸收大气中的CO 2并将其固定在植被

或土壤中，

从而减少CO 2在大气中的浓度［6］，因此，可在养殖场周围及场内进行植树绿化，在美化生产生活环境的同时达到碳汇吸收的效果。同时，养殖场粪污通过沼气工程处理后的沼液生态化利用于农田，可增加土壤有机质培肥地力，提高农作物产量及

品质，极大减少了化肥农药的施用，从而减少了温室

气体的排放。

参考文献

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山东南四湖沉积物内源氮磷释放风险与控制对策

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