喀斯特山区水库底泥理化性状调查
——以贵阳市阿哈水库为例

陈江博，范成五，严莲英，胡 岗，秦 松，*

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；3.贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006)

1 引 言

水库底泥是水中物质的蓄积场所，不仅含有还原性物质[1]等有害成分，也含有丰富的氮、磷和有机质等有益成分[2]，作为水体生态系统的重要组成部分，是水生态系统物质循环与能量流动的重要环节[3-5]。对阿哈水库疏浚后的底泥进行资源化利用，一方面可避免对环境的二次污染，另一方面可充分利用底泥中的营养元素[6]。目前，阿哈水库的底泥资源化利用还存在一些限制因素，已有文献对底泥的重金属污染进行了报告[7]，而且还有学者[8-14]对底泥中氮的形态含量、水平分布、季节变化、来源以及扩散迁移特征等方面进行了深入探讨，但是鲜有研究对阿哈水库底泥的理化性质进行深入分析。对底泥的理化性质进行研究，既可了解底泥的理化特征，还可了解水体的污染历史，预测沉积物对未来水质的影响等[15]。本文在阿哈水库库区典型区域选取12个点，对其底泥物理性状和部分化学特征进行分析，找出阿哈水库疏浚底泥资源化利用的限制因子，为阿哈水库底泥的资源化利用提供基础资料。

2 研究方法

2.1 研究区域概况

阿哈水库地处东经106°37′～106°40′，北纬26°30′～26°34′，位于贵阳市南明河支流小车河上游，属于乌江水系；水库控制面积为190 km2，距离市中心8 km。于1958年8月动工，1962年竣工，总库容约为7200万 m3，每年向市区供水5000万t以上，不仅是贵阳市三大水缸之一，还是重要的防洪水库。水库疏浚产生的大量底泥堆积易对环境造成二次污染。

2.2 样品采集

根据水库的地形地貌特征，在水库入库区、出库区、周边区域和中心区共设12个采样点，用重力柱状取样器采集，由于库底地形起伏使底泥沉积厚度不一致，取样深度约为0～100 cm。

2.3 样品处理与分析

底泥样品采集结束，根据需要一部分装在聚乙烯袋放冰箱保存等待测定，另一部分底泥样品放到实验室自然风干，去除样品中的石块和动植物残体，制备成待测样品。土壤还原性物质总量采用重铬酸钾氧化法，活性还原性物质采用高锰酸钾滴定法，全氮采用凯氏定氮法、铵态氮采用靛酚蓝比色法，硝态氮采用酚二磺酸比色法，质地采用国际制、含水量采用烘干法，比重采用比重瓶法，土壤孔隙度采用计算法测定。

图1 阿哈水库底泥采样点分布Fig.1 Sampling sites for the sediments in Aha Reservoir

用Orgin8.6、DPS和Excel 2003软件对实验数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 底泥的物理特征

对阿哈水库底泥的机械组成进行分析(图2)，其中粉粒的含量最高，其次是粘粒，砂粒最少。按照国际土壤质地分类，阿哈水库的底泥质地主要为壤质粘土与粉砂质粘土。

在底泥的机械组成中(表1)，底泥组成中砂粒、粘粒与粉粒的变异系数均较大，分别为23.50、24.25和10.46%，均属于中等变异强度，且不同采样点的机械组成差异极显著，有研究表明，植物生长所需的最佳土壤质地为中壤土或轻壤土[16]，阿哈水库库区底泥的质地以壤质粘土与粉砂质粘土为主，其土壤质地过于紧实，为此利用阿哈水库底泥进行植物种植时，需添加其他物料调节其质地。

表1 阿哈水库底泥物理特性Tab.1 Physical characteristics sediment in Aha Reservoir

图2 阿哈水库底泥机械组成三角图Fig.2 Triangle diagram of mechanical composition of sediment in Aha Reservoir

阿哈水库库区麻窝寨地区底泥的含水量最高为87.55%，游鱼河地区底泥的含水量最低为69.48%，阿哈水库库区底泥含水量变化范围为69.5～87.6%，平均含水量为77.9%，不同区域的底泥含水量都较高并且差异不显著，变异系数较小为7.56%，属于弱变异强度，原因可能为阿哈水库底泥在静水环境中沉积，其天然含水量大于液限，使含水量偏高。丁静等[17]的研究表明，在土壤含水量达到30%左右时，植物的生长处于最优状态。阿哈水库的底泥含水量均值为77.9%，远远高出植物生长所需的最佳含水量，这可能是由于阿哈水库底泥长期处于水环境中，其表面和内部吸附水长期处于饱和状态，在对其底泥进行利用时，需进行风干、晾晒以降低其含水量。

土壤孔隙度是土壤中全部的空隙与土壤容积的百分比，土壤的孔隙系统中充满了水与空气。土壤孔隙度过大，会导致上层土壤的水分蒸发快，下层土壤水分易渗漏，孔隙度过小则不利于水分渗入，易造成径流损失[18]。阿哈水库库区中麻窝寨地区底泥的孔隙度最大为39.16%，擦耳岩地区底泥的孔隙度最小为31.47%，阿哈水库库区底泥孔隙度的变化范围为31.5～39.2%，平均孔隙度为36.1%，底泥孔隙度偏小，变异系数为7.62%，属于弱变异强度，其原因为底泥长期淤积在湖底，受湖水的机械压实作用和渗流作用，底泥中细小颗粒阻塞大孔隙，造成底泥孔隙度偏小。邹良栋等[19]指出，土壤适宜植物生长的最佳孔隙度范围为50～60%，阿哈水库底泥在用于植物种植时，需添加多孔物料增加其孔隙度，满足植物生长需求。

图3 阿哈水库不同地区底泥含水量及孔隙度图Fig.3 Water content and porosity of sediment at different sites in Aha Reservoir

土壤比重取决于土壤固相组成物质的种类和相对含量，阿哈水库库区游鱼河附近的底泥比重最高为2.75 g/cm3， 擦耳岩附近底泥的比重最低为2.36 g/cm3，阿哈水库地区底泥比重范围在2.36～2.75 g/cm3之间波动，平均比重为2.52 g/cm3，变异系数为5.56%，属于弱变异强度，不同区域之间底泥比重差异显著，其原因为阿哈水库不同区域沉积物不同，组成底泥的固相物质比重变幅较大，造成底泥比重差异显著。师旭超等[20]对广西海相淤泥的研究结果，其底泥的比重为2.70 g/cm3，与阿哈水库底泥比重相似，自然土的比重一般为2.65 g/cm3，阿哈水库底泥比重接近自然土。

图4 阿哈水库不同地区底泥比重分布图 Fig.4 Distribution of specific gravity of sediment at different sites in Aha Reservoir

3.2 底泥的部分化学特性

底泥的酸碱度是一个很重要的物理特性。阿哈水库库区中麻窝寨地区的底泥pH最高为7.47，游鱼河地区底泥的pH最低为6.78，阿哈水库底泥中pH的变化范围为6.78～7.47，平均值为7.21，变异系数为3.05%，属于弱变异强度，按照土壤酸碱度的划分标准[21]阿哈水库底泥呈中性，其原因为，为改善阿哈水库水质，阿哈水库管理处在局部输水河段每年要投放生石灰5000多吨，生石灰长期流入阿哈水库造成底泥呈中性[22]。一般植物生长所需的pH范围为6.5～7.5之间[23]，阿哈水库底泥pH位于植物生长适应的范围之内。

图5 阿哈水库不同地区底泥pH分布图Fig.5 pH distribution map at different sites in Aha Reservoir

阿哈水库库区中麻窝寨地区底泥的还原性物质总量和活性还原性物质均最大，分别为32.02 cmol/kg和25.45 cmol/kg，烂泥沟地区附近底泥的的还原性物质总量和活性还原性物质均最小，分别为13.92 cmol/kg和9.48 cmol/kg。其分析结果表明(表2)，阿哈水库底泥还原性物质总量和活性还原性物质的变化范围分别为13.92～32.02 cmol/kg和9.48～25.45 cmol/kg，均值分别为22.46 cmol/kg和17.85 cmol/kg，不同区域的还原性物质总量和活性还原性物质差异均不显著，变异系数分别为21.68、26.33%，均属于中等变异强度。王飞、林诚等[24]在对水稻的研究中指出，土壤还原性物质会对植物造成毒害，阿哈水库底泥还原性物质总量过高，限制了底泥的资源化利用，对底泥进行利用时必须去除底泥中的还原性物质，例如晾晒和翻堆等。

图6 阿哈水库不同地区底泥还原性物质总量与活性还原性物质含量分布图Fig.6 Contents of total reducing substances and active reducing substances in sediment from different sites in Aha Reservoir

氮素是植物生长最重要的元素之一，根据测定，阿哈水库库区中麻窝寨附近的底泥全氮含量最高为4.97 g/kg，擦耳岩附近底泥全氮含量最低为2.51 g/kg，阿哈水库底泥全氮含量变化范围为2.51～4.97 g/kg，均值为3.70 g/kg，不同采样点之间差异不显著，变异系数为24.05%，属于中等变异强度。全氮是土壤的肥力指标之一，全氮含量高有助于底泥利用时植物的生长。其全氮含量最小值 2.51 g/kg，高于《全国第二次土壤普查养分分级标准 》的一级标准(>2 g·kg-1)，属于很高水平。

铵态氮和硝态氮是两种可被植物直接吸收利用的有效态氮，两种不同形态的氮素对植物生长发育会产生不同的生理效应[25]。 阿哈水库地区麻窝寨和蔡冲河附近底泥的铵态氮含量均较高，其中麻窝寨附近底泥铵态氮最高，为256.43 mg/kg，游鱼河附近底泥铵态氮含量最小，为62.48 mg/kg；蔡冲河附近底泥的硝态氮含量最高，为82.54 mg/kg，擦耳岩附近底泥的硝态氮含量最小，为4.96 mg/kg；阿哈水库底泥的铵态氮的变化范围为62.48～256.43 mg/kg，均值为160.22 mg/kg，硝态氮的变化范围为4.96～82.54 mg/kg，均值为51.09 mg/kg。水库不同地点底泥的铵态氮和硝态氮差异均不显著，变异系数分别为43.13%和46.56%，均属于中等变异程度。湖底底泥长期处于缺氧或无氧状态，给底泥环境创造了还原条件，铵态氮容易发生累积，铵态氮的含量过高还可能是由于底栖动物的“灌溉”作用，使上层底泥的铵态氮向水体扩散，下层底泥的铵态氮就有充裕的时间积累[26]，造成底泥铵态氮含量增高。硝态氮易受氧化还原作用的影响，在有氧条件下，底泥中的铵态氮会通过硝化作用转化为硝态氮；在缺氧条件下，硝态氮会充当厌氧细菌分解分解有机质的受体而被还原，造成硝态氮的减少。

表2 阿哈水库底泥部分化学特性Tab.2 Partial chemical characteristics of sediment in Aha Reservoir

图7 阿哈水库不同地区底泥全氮含量分布图Fig.7 Distribution map of total nitrogen content in sediment at different sites in Aha Reservoir

图8 阿哈水库不同地区底泥铵态氮及硝态氮含量分布图Fig.8 Distribution of NH4+ - N and NO3- - N contents in sediment at different sites in Aha Reservoir

4 讨 论

阿哈水库底泥的机械组成以粉粒为主，粘粒、砂粒次之，质地以壤质粘土与粉砂质粘土为主，这与卓志清等[27]关于海南岛南渡江下游塘柳塘研究中底泥的质地一致。说明底泥的质地比较黏重，在利用底泥进行栽培的时候，需要调节其质地以适应植物生长。

底泥的含水量能够反映底泥的疏松状况，影响底泥的再悬浮程度，含水量越低，底泥越疏松且性质越不稳定，易受风浪等外力因素发生再悬浮[28]，阿哈水库底泥含水量变化范围为69.5～87.6%，不易受外界扰动发生再悬浮。

土壤比重跟孔隙度取决于其固相组成物质种类，这些参数决定土壤的导水性、保水性、透气性等，与植被生长密切相关，是评价土壤质量的重要指标。比重和孔隙度过高或者过低都不利于植物生长，阿哈水库底泥的比重接近自然土2.65 g/cm3；孔隙度比官厅水库要高，苏德纯等[1]在对官厅水库坝前疏浚底泥的分析中发现，官厅水库坝前底泥的孔隙度为23.8%，其原因为官厅水库底泥质地中粘粒含量高，底泥质地黏重。

阿哈水库由于周边煤矿较多，产生大量酸性废水排入阿哈水库中，对阿哈水库造成废水污染，使水质偏酸性[29]，为了治理水体污染，阿哈水库管理区向水库投入大量生石灰沉积到库底，使阿哈水库底泥pH偏中性，由表2可见水库不同区域底泥pH差异不显著，这与魏岚等[30]研究的广东省水库底泥pH在5.28～6.18之间不同，其原因是广东省水库底泥缺氧环境下促进了底泥有机物的微生物水解产氨基酸等有机酸类，引起pH降低，且未针对其pH弱酸性进行调整，而阿哈水库底泥针对工业废水造成的水体酸化投入生石灰进行了治理，使底泥呈中性。

土壤中的还原性物质含量过高会对植物根系造成毒害作用，影响植物根系的呼吸和正常代谢作用，阿哈水库底泥的还原性物质总量和活性还原性物质远高于于天仁等[32]研究发现的一般土壤中植物正常生长的还原性物质总量范围为3.37～7.58 cmol/kg的最高值，分析其原因为底泥积蓄于湖底，通气情况差，含氧量过低，导致其还原性物质总量超标，要使底泥成为植物生长的介质，需对其进行翻堆或晾晒，去除底泥中的还原性物质。

土壤的全氮含量越高土壤肥力越高，越有利于种植植物，阿哈水库底泥全氮含量高于《全国第二次土壤普查养分分级标准》的一级标准(>2 g·kg-1)，这与毛志刚等[31]研究的太湖东部湖区底泥的结果一致，两者全氮含量都高，其原因是由于底泥氮素大多数来源于有机质，而阿哈水库和太湖周边有人为的养殖场，湖底沉积有大量的鱼虾等动植物残体，它们的存在增加了阿哈水库底泥的全氮含量。

土壤中铵态氮和硝态氮的存在有利于植物的生长，阿哈水库底泥的铵态氮和硝态氮的变化范围分别为62.48～256.43 mg/kg和4.96～82.54 mg/kg，郭小芳[33]在研究中指出小麦、玉米等旱地作物更偏好硝态氮，马铃薯等作物在铵态氮浓度高时生长状况较好，两者施用比例合适时有利于植物生长，合适的比例取决于施用的总浓度，浓度低时，不同比例对植物生长影响不大，浓度高时，硝态氮作为主要氮源显示出优越性。阿哈水库底泥的铵态氮和硝态氮含量都比较高，土壤肥力高，有利于不同种类植物的生长。

环保疏浚是底泥最常用的处置方式之一，但产生的大量底泥，直接堆积不仅占用大量土地，而且还会由于雨水和地表径流的冲刷而产生二次污染，从而浪费养分丰富的底泥资源[34]。根据《食用农产品产地环境质量评价标准》，阿哈水库底泥的各个取样点重金属单因子污染指数范围在0.38～2.08，均值为0.98，等级为1级，属于清洁，其中，PCd=2.84，为中度污染。底泥的重金属內梅罗综合污染指数范围在0.93～5.02，均值为2.17，等级为 4 级，也为中度污染，其中游鱼河、白岩河取样点为重度污染；檫耳岩、猪场坝、大坝下方取样点为中度污染；其余6个取样点为轻度污染；凯龙寨为尚清洁。7种重金属污染程度由大到小排序为：Cd>As>Pb>Zn=Cu>Cr>Hg。由此可见，利用严格的耕地土壤重金属评价标准评价阿哈水库底泥已处于中度污染，所以不适宜种植农作物，可考虑种植园林园艺植物等观赏型植物，使其潜在的重金属危害不进入食物链，伤害人类的健康。

5 结 论

阿哈水库底泥的机械组成以壤质粘土与粉砂质粘土为主，含水量、比重和孔隙度的平均值分别为77.9%、2.52 g/cm3、36.1%，含水量处于很高水平，比重处于中等水平，孔隙度处于中下水平，各个指标变异系数范围为5.56～24.25%，空间变异性明显。

阿哈水库底泥的pH、还原性物质总量、活性还原性物质、全氮、铵态氮和硝态氮的平均含量分别为7.21、22.46、17.85 cmol/kg，3700、160.22、51.09 mg/kg，pH为中性、还原性物质总量、活性还原性物质、全氮、铵态氮和硝态氮含量均较高，且各个指标的变异系数变幅较大，为3.05～46.56%，空间变异性较强。

阿哈水库底泥可以进行植物种植，但底泥利用前，需调节质地，增大孔隙度，去除还原性物质，提高底泥利用的有效性和安全性。

[1] 苏德纯， 胡育峰， 宋崇渭，等.官厅水库坝前疏浚底泥的理化特征和土地利用研究[J]. 环境科学， 2007， 28(6)：1321-1322.

[2] 王维琳， 姜翠玲， 孙敏华，等.梁塘河底泥污染特征及资源化利用分析[J]. 四川环境， 2016， 35(3)：64-65.

[3] 方盛荣， 徐 颖， 路景玲， 等.螯合剂处理重金属污染底泥的实验研究[J]. 化工学报， 2011， 62(1)： 231-236.

[4] 王永华， 钱少猛， 徐南妮， 等.巢湖东区底泥污染物分布特征及评价[J]. 环境科学研究， 2004， 17(6)： 22-26.

[5] 苗 爽， 陈婷婷.底泥碳氮磷的研究现状[J]. 吉林农业科学， 201， 36(1)： 17-18， 25.

[6] 秦 峰， 陈善平， 吴志超， 等.苏州河疏浚污泥作填埋场封场覆土的实验研究[J]. 上海环境科学， 2002， 21(3)： 163-167.

[7] 徐中义， 陈敬安， 张 阳，等.阿哈水库沉积物重金属形态分布及生态风险评价[J]. 西南师范大学学报自然科学版， 2014， 39(3)：71-76.

[8] 王东红， 黄清辉， 王春霞， 等.长江中下游浅水湖泊中总氮及其形态的时空分布[J]. 环境科学，2004， 25(增刊)：27- 30.

[9] cata rinam M， william J W， samanthaB J，etal.Inorgani cnitrogen dynamics in intertidal rocky biofilms and sediments of the Douro river Estuary(Portugal) [J].Estuaries， 2005， 28(4)：592-607.

[10] wang S R， Jin X C， jiao L X，etal.Nitrogen fractions and release in the sediments from the shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze river area， China [J].WaterAirSoilPollut，2008(187)：5-14.

[11] zheng G X， song J M， SUN Y M，etal.Characteristics of nitrogen forms in the surface sediments of southwestern Nansha Trough， South China Sea [ J ] .ChineseJournalofOceanologyandLimnology， 2008，26(3)：280-288.

[12] 金相灿， 姜 霞， 徐玉慧， 等.太湖东北部沉积物可溶性氮、磷的季节性变化[J]. 中国环境科学，2006，26(4)：409- 413.

[13] 叶琳琳， 潘成荣， 张之源， 等.瓦埠湖沉积物氮的赋予特征以及环境因子对 NH+4-N 释放的影响[J]. 农业环境科学学报，2006，25(5)：1333-1336.

[14] 孙惠民， 何 江， 吕昌伟， 等.乌梁素海沉积物中有机质和总氮含量分布特征[J]. 应用生态学报，2006，17(4)：620-624.

[15] 安 敏， 黄 岁.海河干流表层沉积物总磷、总铁和有机质的含量及相关性分析[J]. 环境科学研究，2007，20(3)：63-67.

[16] 郑艳美， 杜金城， 郭淑英，等.花卉土壤处理关键技术[J]. 黑龙江农业科学， 2008(3)：102-103.

[17] 丁 静.土壤含水量和土壤盐分对植物生长的综合影响[J]. Journal of Molecular Cell Biology， 1960(z1)：140-148.

[18] 何其华， 何永华， 包维楷.干旱半干旱区山地土壤水分动态变化[J]. 山地学报， 2003，21(2)：149-156.

[19] 邹良栋， 吕冬霞.植物生长与环境[M]. 高等教育出版社，2004.

[20] 师旭超， 汪 稔， 张在喜.广西海相淤泥的次固结特性研究[J]. 岩土力学，2003，24(5)：863-865.

[21] 隋桂荣.太湖表层沉积物中 OM，TN，TP 的现状与评价[J]. 湖泊科学， 1996，8(4)：322-323.

[22] 贾 华，用石灰对抗“煤锈水”阿哈水库每年投放5000多吨生石灰调节pH值 [N/OL]. 贵州都市报，2006-12-14[2016-12-28]：http：//www.sina.com.cn.

[23] 唐 琨， 朱伟文， 周文新，等.土壤pH对植物生长发育影响的研究进展[J]. 作物研究， 2013，27(2)：207-212.

[24] 王 飞， 林 诚， 李清华，等.长期深窄沟排渍对冷浸田地下水位、土壤化学特性及水稻籽粒品质的影响[J]. 中国生态农业学报， 2015，23(5)：571-578.

[25] 张彦东， 白尚斌，氮素形态对树木养分吸收和生长的影响[J]. 应用生态学报，2003，14(11)：2044- 2048.

[26] 孙云明， 宋金明.中国近海沉积物在生源要素循环中的功能[J].海洋环境科学， 2002，21(1)：26- 33.

[27] 卓志清，刘永兵，赵从举，等.河塘底泥与岸边土壤粒径分形维数及与其性状关系—以海南岛南渡江下游塘柳塘为例[J]. 土壤通报，2015，46(01)：62-67.

[28] 黄建军， 赵新华， 孙井梅，等.城市河道底泥释磷的影响因素研究[J]. 中国给水排水， 2010，26(5)：93-95.

[29] 史 莉， 尹 璐， 李越越，等.贵阳市阿哈水库饮用水源地现状及保护对策[J]. 贵州水力发电， 2008， 22(3)：20-23.

[30] 魏 岚， 刘传平， 邹献中，等.广东省不同水库底泥理化性质对内源氮磷释放影响[J]. 生态环境学报， 2012，21(7)：1304- 1310.

[31] 毛志刚， 谷孝鸿， 陆小明，等.太湖东部不同类型湖区底泥疏浚的生态效应[J]. 湖泊科学， 2014， 26(3)：385-392.

[32] 于天仁， 刘畹蘭.水稻土中氧化还原过程的研究 (Ⅲ)氧化还原条件对水稻生长的影响[J]. 土壤学报， 1957， 5(4)：292-304.

[33] 郭小芳.浅谈植物对铵、硝态氮的相对吸收能力[J]. 中国农资， 2011(20)：24-24.

[34] BOLuji(薄录吉)，WANG Dejian(王德建)，YAN Xiao(颜晓)，etal.Environmental Resource Utilization and Risk Assessment of Dredged Sediments： A Review[J].ChineseJournalofSoilScience(土壤通报)， 2013(4)：1017-1024.