乌梁素海沉积物生物地球化学特征及其对水环境响应的研究

Wulaingsuhai lake is the largest freshwater lake in the Yellow River watershed,the valuable biodiversity wetland and the important component of the Hetao Irrigation Area which is one of the 3 largest irrigation areas in China.The lake is in hypertrophic state and getting more and more serious. There are abundant pollutants such as nutrient and heavy metal elements in the sediment of Wuliangsuhai lake, and the pollutants become the critical important internal sources.Based on the previous research and the long term observation and sampling data and information of lake environment and regional hydrological and climate, the biogeochemical characteristics of the lake sediment will be studied, the response relationship between sediment biogeochemical process and water environment will be analyzed; the compositions, origination,occurrence,diagenesis and transformation process of the sediment and the reactive and transport mechanisms of nutrient and heavy metal elements in different morphological states under different environment and disturbance conditions as well as the biogeochemical process of decomposing and synthetic process will be dealt with. The Multiple Variable Reactive Transport Model coupling with PHREEQC model will be developed to model the impacts of dredging to water quality and the response of water environment to the biogeochemical process of sediment. Meanwhile, the ecological risk analysis and utilization effectivity of the sediment will be carried out to provide the theoretical and technique guidance for the restoration of Wuliangsuhai lake.

内蒙古乌梁素海是黄河流域最大的淡水湖泊，是我国三大灌区之一河套灌区的重要组成部分，是一个重要的具有生物多样性的湿地生态系统。目前，富营养化严重且日益加剧。乌梁素海底泥富集大量营养元素和重金属等污染物，是重要的污染内源。本项目充分利用现有的研究成果和湖泊水环境及区域水文、气象因素长期定位的监测、取样资料，以沉积物生物地球化学特征为研究内容，分析沉积物生物地球化学过程与水体环境之间的响应关系；研究沉积物中营养盐的组成、来源、成因、演变过程以及不同环境影响和扰动作用下，营养元素和重金属元素不同形态的迁移转化规律、分解合成过程的生物地球化学机理；建立多变量反应-运移模型和PHREEQC的耦合模型，模拟疏浚前后底泥对水质的影响和湖泊底泥生物地球化学过程对水环境的响应。同时，对湖泊底泥资源进行生态风险评价和利用效应研究，为乌粱素海综合治理开发利用提供理论和技术指导。

本项目以内蒙古乌梁素海为研究对象，针对其独特的地理位置以及作为河套灌区重要组成部分，近年来富营养化日益加剧，湖泊底泥富集大量营养元素，已成为乌粱素海重要的污染内源。本文结合最近几年对乌梁素海湖泊沉积物的采样分析，对乌梁素海沉积物的质地、淤积程度、蓄积量，磷在沉积物-水界面间的赋存形态及释放特性，以及沉积物的地球化学特征进行了分析。在摸清沉积物特性的基础上，利用田间试验，揭示了湖泊底泥对作物生长，土壤环境的影响。结果表明：乌梁素海属于典型的浅水湖泊，沉积物偏碱性，受沉积作用明显，颗粒组成以砂粒和粉粒为主。淤泥蓄积量是19641.60万t，平均年蓄积量419万t。乌梁素海底泥中N、P、有机碳和Ca含量较高，远远高于河套灌区土壤中的含量。乌梁素海表层水体与底层水体总磷含量存在较大的浓度梯度，上覆水体氮磷比值范围为10.67~53.22，大部分采样点水体的氮磷比值高于16，说明磷是乌梁素海富营养化的主要限制因子。乌梁素海表层沉积物间隙水中磷含量水平分布表现出湖泊西北部偏高，各采样点柱状沉积物间隙水中磷含量垂向分布总体呈现出随深度的增加逐渐减小的趋势，磷含量的这种分布差异性，表明了沉积物间隙水中的溶解性总磷及可溶性正磷酸盐具有向上覆水体释放的趋势，是上覆水体总磷的重要影响因素。乌梁素海表层沉积物中无机磷的主要赋存形态是钙结合态磷，生物可利用性磷以铁锰螯合态磷为主，其含量占总磷含量的13.3%~20.9%，与湖泊内源负荷有重要关系。pH控制条件下沉积物磷释放模拟实验结果表明：不同pH条件下沉积物中弱吸附态磷均容易释放到上覆水体中，酸性条件有利于钙结合态磷的溶解释放，碱性条件有利于铁锰螯合态磷和铁铝氧化态磷释放，中性条件不利于沉积物磷释放。湖泊底泥提高了土壤肥力，有益于作物的生长。底泥施用促进了向日葵的生长，在株高方面表现明显，其中S4和S5处理对葵花株高的影响显著。底泥施用提高了葵花产量，S5处理的产量与施肥水平相同。底泥施用提高了葵花籽粒氮、磷吸收。施用底泥提高了籽粒中蛋白质和总氨基酸，但是脂肪含量没有显著的影响。底泥施用造成过量氮、磷在土壤中累积剩余，直接施用不能有效地提高作物可吸收的营养物质含量，反而造成了环境污染的风险。