红枫湖、红花湖水库沉积物磷的分布及其富营养化潜力

红枫湖、红花湖水库沉积物磷的分布及其富营养化潜力

湖边的土壤是湖泊营养限制物质的主要来源之一。氮和磷是形成富营养化的限制物质，其中磷是许多湖泊形成富营养化的最重要限制物质。磷营养物质的富集,会引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧量下降、鱼类及其它生物大量死亡、水质恶化的现象。合理解决好湖底储磷已成为治理湖泊富营养化的首要任务。红枫湖、百花湖(以下简称“两湖”)是典型的高原现代人工年轻湖泊,位于贵州中部、乌江支流猫跳河上的两座梯级水库,是贵阳市的生活和生产用水水源,兼具养殖、发电和旅游功能。两湖流域东经105°59′～106°38′,北纬26°09′～26°42′,分水基线长约227km,南北平均长65.8km,东西平均宽28.8km,面积1895km2。其中红枫湖流域面积1596km2,红枫与百花大坝区间流域面积299km2,流域地处云贵高原苗岭山脉北坡,海拔1152～1762m,属中亚热带常绿阔叶林亚带生物气候带,区内自然环境特征差异明显。典型的喀斯特地质结构造成两湖流域的生态环境非常脆弱,周边地区森林覆盖率很低,环境生态功能低下,水土涵养能力较差。20世纪90年代,随着经济的发展和城镇化水平的进程,在两湖的网箱投饵养鱼和工业、生活含磷污水不断输送,致使“两湖”底质储磷过高,水环境污染问题突出。从1994年开始,水污染事件连年不断、污染程度呈逐年升级趋势。进入20世纪,虽“两湖”网箱养鱼得到控制或取消,但生活污水、工业废水的输入,再加上网箱养鱼时含磷物质的沉积和鱼的排泄物的累积,“两湖”底质储磷已经过高,当受到环境气候变化或上覆水体发生搅动的影响时,水污染事件和湖泊“水华”事件仍然十分突出。近年来,“两湖”水体污染严重事件时有发生,各类轻微污染更为频繁。与其它湖泊一样,污染事件多数发生在6月初至10月底,主要以大规模湖泊藻类暴发为标志,湖水颜色突变,湖水出现异常恶臭气味。而在气温较低春季和冬季,多数藻类难以生成,污染事件相对较少,但两湖也时常出现大量耐低温的水华束丝藻浮于湖面的“水华”。2005年7月底、8月初,连降几天暴雨后,红枫湖水库两岔洞到南湖中心湖面出现厚达0.5cm左右水华束丝藻水华,这一污染事件持续近半个月左右。同年12月初,环境气温聚变,百花湖水库湖面发生大面积的水华束丝藻水华污染。2006年11月下旬到12月初,百花湖发生死鱼、藻类暴涨等水质变坏的现象。这些事实表明,两湖富营养化已进入难以治理的阶段。1检查方法1.1红枫湖水文区监测点分布根据两湖流域典型喀斯特地质特点、湖泊地理位置和水文状况,主要在红枫湖后五、凹力、兴隆半岛、大坝湖区和百花湖的302泵房、观云山庄、岩脚寨湖区各设8个点进行监测。1.2土壤采集和处理按《湖泊富营养化调查规范》(第2版)进行采样与分析。(1)沉积物-水界面取样器结合实际需要,参考国外有关资料,使用一种轻便易携、操作简单、取样效果理想的沉积物-水界面取样器(中国科学院贵阳地球化学研究所)。在贵州红枫湖、百花湖水深30m以上的湖区,能成功地采集到10～50cm的底质柱,能有效地避免了底质与界面水搅动,得到保护原有状态的底质和完好沉积物-水界面。(2)湖泊内离心热膨胀性测定将采集得的底质分为上、中、下三层,并及时称量各层底质的湿重、计算底质深度、统计底质体积。把同一湖泊不同采点的同层底质进行分类混合,用离心机在低温下离心脱水,除去大部分水后,用冷冻干燥仪(TechconpFD-3-85-MP)干燥,称量样品重量,干燥(105℃、4hr干样)后用玛瑙钵研磨,过200目筛。比重瓶水浴法测定湖泊底质密度;HClO4-H2SO4硝化法硝化,酸溶-钼锑抗分光光度法,UV-2800紫外分光光度计(配流动注射自动进样比色池)进行比色测定底质土壤全磷。2湖湖水质总磷含量特征2.1两湖底质采样结果2006年11月23日对红枫湖和白花湖底质进行主点和随机采样统计时,红枫湖底沉积物采样堆积厚度为25,25,18,19.5,27,41,27.5,10,8,30,50cm的观测值,统计平均值为25.5cm,湖底沉积物面积3.215×107m3;百花湖采样堆积厚度为18,15,21,25,30,20,20,30,41cm,统计平均值为22.4cm,湖底沉积物面积1.0437×107m3。采样时发现红枫湖沉积物与水的交换界面为透明的水溶胶状界面,而百花湖沉积物与水的交换界面呈黑色粘稠状的水溶胶状。2.2两湖底质总磷含量浓度负荷及影响沉积物是氮磷营养盐的源和汇,尽管水体外源输入得到控制,氮磷的内源释放会延缓外源所能达到的效果并维持水体的富营养化,内源过高时,内源将进行磷的释放。“两湖”底质中磷含量很高且呈现表层富集分布,两湖表层底质的TP含量均高于最底层,两湖底质总磷含量分布特征(图1),红枫湖干底质平均含磷为0.163%,而百花湖则高达0.174%。总磷含量的分布特征充分表明两湖底质形成时间不长,均属于典型的结构十分松弛现代湖泊底质,在喀斯特地质侵蚀作用、环境温度升高,底质中微生物活性增强,底栖生物活动加快,提高生物扰动作用和沉积物有机物的矿化速率,促使有机磷向无机态转化,将不溶性磷化物转化为可溶性磷造成湖泊水体污染。据文献报道分析,碳酸盐、硅酸盐对底泥磷释放可以进行控制,但天然的硅酸盐表面带负电荷,对磷酸盐的吸附性能较差,同时,“两湖”底泥形成时间较短且典型的喀斯特地质结构,“两湖”主要以“活性”形态存在的磷沉积物,在气候突变导致湖水垂直交换随时都可爆发二次污染,两湖将出现的“黑潮”。在近几年对两湖磷释放形式研究中表明,沉积到底质中的磷可能以三种形式向上覆水体进行释放:第一种是有机质的矿化分解,通过孔隙水向上扩散或被沉积物矿物颗粒吸附释,解吸时补充到孔隙水中放出溶解性的磷酸盐;第二种是表层沉积物中铁氧化物解吸作用,尤其是表层沉积物,绝大多数的磷酸盐可能与非晶质或短序络合物呈共价键形式结合,在水合铁氧化矿物和环境氧化条件作用下形式结合不稳定的磷释放出来。第三种是沉积物扰动可能会使分层氧化带之下的孔隙中的溶解磷直接向上覆水体释放。当水体pH值增大时,磷的HPO42-形态浓度随pH值增大而增加,磷酸根离子从沉积物中解吸速率增长较快,使更多内源磷释放到上覆水体中。2.2两湖底质总磷分析百花湖、红枫湖为人工深水河道水库,绝大部份污染物进入沉积层,由于水深致使沉积污染物的垂直交换较为困难,与国内浅水湖泊比较,具有较高的沉积物磷负荷。与河道表层水体的流动和更新较好相比,“两湖”水质的恶化进程必然滞后两湖生态环境富营养化的进程。结合最近几年对两湖底质总磷调查统计结果显示,其累积速度很快,统计结果显示两湖已成为高磷湖泊。两湖水库沉积物底质干沉积以及底质总磷累积量调查统计数据见表1、表2。由表1、表2可以得出,从20世纪90年代中期开始两湖的沉积物和底质总磷随含磷随时间的推移而增加。从1991年到2006年15年中,平均红枫湖储磷的增加速度达到239.47t/a、百花湖74.87t/a,而2002年到2006年4年间红枫湖达332.50t/a、百花湖107.75t/a,按近几年的累积速度,到2010年红枫湖储磷将达到5254.00t、百花湖也将达到1715.00t。这样,即使外源停止向两湖输磷,其自身也可充当水体污染磷“源”。根据两湖水体污染发生频率和其底质中总磷含量来看,两湖底质含磷总量过高,给湖泊水体污染造成的潜在威胁极大,水华事件必然增加且发生周期缩短,季节性不强。“两湖”正地于处典型喀斯特地区,当外界环境变化如温度变化、水体pH值升高、水体溶解氧降低、湖面风浪、生物搅动、底泥疏浚、水面船运等因素影响下,湖泊发生搅动带动底质搅动,促进磷的释放,水华出现,从而导致湖泊污染升级。2005年7月,我们同时对云南滇池总磷也进行调查统计,结果显示滇池底质储磷数量高达44105t,这与滇池富营养化后国家投入大量治理资金而治理效果甚微有极大关系。因此,要解决湖泊富营养化,减少其水体污染事件的发生,重担在于解决湖泊自身的磷储量和有效除去湖泊底质储磷。这一问题已成为当今国际国内治理湖泊富营养化所面临的重大课题。3水体富营养化过程中磷污染治理上述分析可见,解决底质含磷过高、储磷量大的湖泊的二次污染决非易事,当高磷沉积物在受众多因素综合作用时,底质受到破坏易造成磷释放,导致湖泊环境自身“内”污染。磷是水体富营养化的主要限制性因子,对外源性磷污染可采取截污、污水改道、污水除磷,对内源性磷污染则采取清淤挖泥、营养盐钝化、底层曝气、稀释冲刷、沉积物原位覆盖及絮凝沉降等一系列措施。在治理湖泊富营养化过程中,控制磷释放是一个生态问题,解决这一问题的有效途径最终还得依靠生物生态学方法进行