0 引言

吹填土是在围海造陆或整治、疏通航道时，用挖泥船或泥浆泵把近海泥沙或航道淤泥通过负压真空吹填而形成的沉积土。天津临港经济区土壤由围海造陆吹填土形成，直接取材于近海泥沙与港口航道淤泥，塑性指数大，以细颗粒为主，有别于我国沿海其他地区吹填土^[1]。其中港口航道淤泥长期与港池内海水交换，可能携带大量氮、磷元素，其吹填成土后是氮、磷等元素的源、汇与转化反应“池”；氮、磷等土壤营养元素又是制约新生滨海生态系统的制约因子，直接影响生态系统稳定性^[2]。研究围海造陆区吹填土中氮、磷等营养物质量分数与空间分布，可为了解围海造陆成土与地下水间氮、磷交换提供基础资料^[3]，并为研究围海造陆区域生态功能、环境质量评价、海洋环境保护提供依据。目前国内对于滨海地区天然土壤中氮、磷元素分布研究较多，很少有针对围海造陆区域人工吹填土壤氮、磷分布的研究，笔者主要研究天津临港围海造陆区新生土壤中氮、磷分布特征，并进行初步环境评价。 1 研究区域概况

天津临港经济区位于京畿门户海河入海口南侧的滩涂浅海区，是通过围海造地而形成的港口工业一体化的海上工业新城，距塘沽中心区约10 km、距天津市区约50 km，目前已完成围海近100 km²，形成陆地80 km²，将建设成为我国北方以重型装备制造为主导的生态型工业区。该地区属于大陆性季风气候，具有明显的暖温带半湿润季风气候特征，年平均气温12 ℃，年平均降水量为600 mm左右^[4]。 2 材料与方法 2.1 实验材料

天津临港围海造陆吹填区域以分区分层吹填方式为主，通过真空预压法和添加固化剂等方式固化形成陆地。因此根据吹填土成土来源及形成时间不同，自陆向海，选择在填海工程典型区域进行定点采样(图 1)。其中：一期成陆区已绿化区域定为1植被覆盖区(简称1区)，未绿化区域定为1#裸土区(简称1#区)；二期成陆区定为2裸土区(简称2区)，该区为回填砂工程区，吹填土体以砂土为主；三期成陆区为3裸土区(简称3区)，该区主要吹填材料为港池航道清淤海泥；填海工程进行区为4吹填工程区(简称4区)。

图 1 采样点分布图 Fig. 1 Sketch map of sampling points

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依据临港经济区吹填土形成特点，将临港经济区分为5个吹填区，然后将不同吹填区分成面积相等的几部分(网格划分)，采用系统随机方法布置区域内采样点，采样深度为80.0 cm。土壤剖面设置3个层次，分别为0~30.0，30.0~60.0，60.0~90.0 cm，其中1区中10.0 cm以内上层土壤划分为0~5.0，5.0~10.0 cm，其余均以10.0 cm以内作为一层。使用GPS记录采样点经纬数据；土样用聚乙烯袋封存带回；总计获取土壤样品100个。土壤样品自然风干后，采用研钵碾磨，过100目筛子。样品室内分析指标为土壤含水率、粒度、元素成分、总氮、总磷。其中：含水率采用烘干法测定；粒度采用马尔文激光粒度分析测定；元素成分采用X射线衍射能谱分析法测定；总氮采用凯氏法测定^[5]；总磷采用酸溶-钼锑抗比色法测定；形态磷采用7步连续提取法测定。 3 结果与分析 3.1 吹填土结构特征

粒度是吹填土基本物理性质之一，土壤对氨氮的吸附量主要受土壤黏粒质量分数影响。粒径≥0.01 mm的粉砂粒质量分数越低、粒径<0.005 mm的黏粒质量分数越高，吸附性就越强^[6]；且土壤粒径直接影响吹填土的透水性，吹填成陆后吹填土的透水性对土壤氮磷运移转化有重要影响。由研究区域吹填土粒度分类测试结果(表 1)结合土的分类标准^[7]可以看出：由于吹填工艺采用按区域分层的吹填方法，吹填所用材料不同，所以吹填后形成土壤的质地不同，上层(0~20.0 cm)为粉土质砂，中层(20.0~50.0 cm)为粉质黏土，底层(50.0~80.0 cm)为淤泥质黏土。其中上层土壤细粒质量分数占51.41%，稍微多于粗粒，黏粒质量分数仅为9.24%。由此可知：上层吹填土主要由浅海海砂吹填成土，为粉土质砂，土壤的孔隙比较大，透水性与压缩性相对较高；中层吹填土由较深层海泥吹出成陆，细粒质量分数明显增加，黏粒质量分数达到15.14%，土体为粉质黏土，土壤孔隙比缩小，透水性降低；底层土壤细粒质量分数进一步增大,可达到72.49%，透水性较低，为淤泥质黏土，主要由航道清淤淤泥吹出成陆，但由于土壤胶粒较细，比表面积较大，对氮、磷元素有较强的吸附能力。

吹填土的X射线衍射分析(图 2)表明：吹填土化学成分复杂，主要由SiO₂构成，占60%左右，符合吹填材料为海砂这一情况。

图 2 吹填土X射线衍射分析图 Fig. 2 X-ray diffraction patterns of dredger fill soil

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吹填土的成土元素分析结果(表 2)表明：吹填土中主要元素为O、Si，表明吹填土的主要成分为SiO₂；吹填土中主要检测出10种元素，其中含有较多的金属元素，金属元素中的Al、Fe、Ca可以多种价态与土壤胶体耦合，对营养元素尤其是磷元素的吸附、转化产生影响；吹填土中还有一定量的K元素，研究表明钾对固定态铵的释放有着显著的抑制作用^[8]；另外吹填土中有机质可以影响吹填土酸碱性并能与Al、Fe形成无机复合体，为无机磷提供吸附位点，增强吹填土对磷的吸附能力，提高吹填土中磷的含量^[9]。

对吹填土进行有机质含量分析可知，吹填土有机质质量分数较低，占8%~10%，说明吹填土自身较为贫瘠；但是有机物中的富里酸聚阴离子会与磷酸盐阴离子产生吸附竞争，且矿物颗粒也能吸附有机聚阴离子，从而促进磷的释放^[10]。 3.2 吹填土总氮、总磷质量分数空间分布

本研究采样点设置时考虑了不同吹填区吹填土的土壤差异性，采取分区布点方式，分析临港经济区氮、磷空间分布。分析临港吹填土总体空间变异情况(表 3)，结果表明：从总体来看,临港经济区吹填土总氮质量分数比较低，变异系数较大；而总磷质量分数较高，变异系数较小。由之前分析可知，分区分层吹填工艺产生的吹填材料差异、成陆后土地利用类型不同是导致吹填土氮、磷分布差异的主要原因。吹填土中氮元素主要来源于吹填材料自身吸附的氮元素、吹填成陆后吹填土上动植物残体分解,以及生物对大气中氮元素的固定作用。由于吹填土吹填材料不同，吹填后成陆土壤分层明显：上层以粉质砂土为主，成土颗粒疏松，对氮元素吸附能力弱；中层与底层以黏土为主，成土颗粒细，吸附能力强。上述吹填材料取自海洋泥沙，长期与海水中氮、磷等营养元素进行交换，吹填材料吸附能力的差异性导致材料含氮元素不同，加之吹填后部分区域用于绿化，有植被覆盖，植被分解后氮元素进入土壤对土壤氮质量分数产生影响。以上原因导致吹填土氮元素质量分数差异较大。相对于氮元素，吹填土中磷元素主要来源于成土材料本身的吸附和动植物残体的分解。因为吹填区域成陆不久，除少数绿化区域有植被覆盖，其他大多为空置地块，动植物残体影响较小，所以吹填土中磷元素质量分数主要受吹填材料自身磷的影响^[11]。临港经济区采用分区分层吹填方法，这一吹填方式导致吹填土中磷元素质量分数随深度加深而出现一定程度的增加。因为在分区分层吹填过程中上层泥沙首先吹出形成深层吹填土，上层泥沙形成时间较短，大多是由河口冲刷进入海洋，与富营养化污水长期交换，表面吸附大量不溶性的磷酸盐，因此磷质量分数较高^[12]。

对不同区域采集的吹填土样品进行了分析测试，各区吹填土总氮质量分数在吹填土剖面上的分布特征如图 3a所示。可见，各区吹填土剖面总氮质量分数差异较大：各区0~20.0 cm吹填土中总氮质量分数从大到小顺序为1区＞4区＞1#区＞2区＞3区；20.0~50.0 cm吹填土剖面总氮质量分数分布较为集中，均值为170.75 mg/kg；60.0~80.0 cm吹填土剖面中总氮质量分数3区最高，总氮质量分数均值明显上升，均值达到584.33 mg/kg，1#2、4区总氮质量分数变化不大，均值为275.72 mg/kg，1区总氮质量分数最低，均值为48.26 mg/kg。

图 3 不同区域不同深度吹填土总氮(a)、总磷(b)质量分数 Fig. 3 Nitrogen (a) and phosphorus (b) contents of different regions at different depths in dredger fill soil

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吹填材料不同、吹填土土地利用状况不同是导致吹填土各区在垂直方向上总氮质量分数差异的主要原因。1区与1#区中，1区由于存在植被覆盖、植物残体降解后氮元素进入吹填土体、人工施肥等作用，使上层吹填土总氮质量分数显著高于1#区。随着吹填土土层深度增加，1区与1#区吹填土总氮质量分数趋于一致，这是由于地处滨海区域，土壤盐碱度较高，含盐量为2.81%～3.90%^[13]，为保证植物生长，1区铺设土壤隔盐层，隔盐层能有效阻止可溶性氮元素下渗，上层可溶性氮元素的溶解下渗对下层吹填土壤影响较小。2、3区中吹填土总氮质量分数随土层深度增加呈现上升趋势，这主要由2、3区域中各层吹填土性质不同所造成。随着土层加深，吹填土颗粒变细，对氮元素吸附能力变强，导致土壤氮元素质量分数升高。3区60.0~80.0 cm吹填土层氮质量分数显著升高，主要因为该层吹填土来源于港口、航道清淤淤泥，长期与富营养化海水交换，导致吹填材料自身氮元素质量分数高于海砂类型吹填材料。4区正在进行吹填作业，吹填材料主要来源于海砂，吹填土土体仍未完全固化，分层不明显，各土层氮质量分数分布均匀。 3.3.2 不同区域磷质量分数分布

吹填土中磷元素质量分数主要受吹填材料影响，因此各区域中吹填土总磷质量分数在垂直方向变化不大，但各吹填区之间有一定差异(图 3b)。1区上层磷质量分数明显高于1#区，达到530.18 mg/kg，这是因为在植被覆盖情况下，为了保证植物成活，人工施用有机磷肥，对吹填土造成外源污染。同时研究表明，肥料施用对0.0~7.5 cm土层磷元素有显著的影响，加之浇水降雨等因素导致可溶性磷元素下渗，影响施肥区域30.0~37.5 cm吹填土壤磷元素质量分数^{[14, 15]}。但是随着深度增加：1区、1#区吹填土的磷质量分数趋向一致，是因为植被覆盖的吹填土土层底部铺设隔盐层；加之随深度增加土壤粒径减小，土壤透水性减小，人工施肥磷元素很难继续下渗，两区吹填土底层土壤较少受到外源污染物干扰，其磷质量分数与吹填材料磷质量分数有关。2区、3区吹填土都为裸土，没有植被覆盖，磷元素质量分数主要由吹填土成土材料决定，且已经过固化处理，所含可溶性磷元素部分随真空抽水压实过程溶解析出，磷元素质量分数在吹填土剖面上较为稳定，并没太大差异；3区吹填材料为清淤淤泥，吸附能力较强，其磷质量分数均值为402.98 mg/kg，高于2区的301.10 mg/kg。4区为海砂新吹填区，没有完全固化，可溶性磷元素没有完全随水流运动析出，因此吹填成陆后该区域吹填土总磷质量分数较高。

吹填区域吹填土中不同深度各形态磷相对与绝对质量分数结果见图 4、图 5。结果表明：吹填土中有机磷质量分数较少，平均仅占总磷的3.83%；吹填土中磷大多以无机磷形式存在，其相对质量分数从大到小为钙结合磷(Ca-P)>铁结合磷(Fe-P)>铝结合磷(Al-P)>闭蓄态磷(Oc-P)>碎屑磷(De-P)>交换态磷(Ex-P)。

图 4 临港吹填土各形态磷相对质量分数 Fig. 4 Relative partition patterns of P among dredger fill soil in Lingang

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图 5 不同区域吹填土剖面各形态磷分布 Fig. 5 Distibution of various forms of P along the soils depths in dredger fill

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其中：1)Ex-P在4.21～20.14 mg/kg平均仅占总磷的3.18%，在各个区域采样点的吹填土剖面表现为上层质量分数较高，随着深度增加有所下降。Ex-P是吹填土中活性磷的主要成分，主要来源于钙磷和植物残体降解^[16]，因此植被降解增加表层Ex-P质量分数使得1区表层土壤Ex-P绝对质量分数高于其他各区各层。由于4区吹填土刚刚吹填完毕，没有完全固化疏干，深层土壤可与海水接触，因此4区深层土壤中Ex-P绝对质量分数要高于其他已固化区域。2)吹填土土壤剖面中Al-P为5.89～105.25 mg/kg，变化复杂，Al-P的形成一般是不可逆的，形成的不溶态氢氧化磷酸盐在中性pH条件下能够吸附额外的磷，对土壤磷环境会产生影响。3)吹填土中Fe-P质量分数相对较高，为10.56～321.21 mg/kg，随深度加深有所增加，主要是因为Fe-P是一种不稳定的无机磷，Fe-P更易受到风化、氧化还原作用的影响，深层土壤环境有利于Fe-P存在，由于在风化及还原条件下，Fe-P会对周围环境产生影响，因此Fe-P被认为是环境磷库^[17]。4区中Fe-P质量分数较高，推测是由于吹填土与海水存在交换，促进Ex-P向Fe-P转换。4)吹填土剖面中Oc-P质量分数为4.68~78.14 mg/kg，下层质量分数较高于上层，主要是因为Oc-P较为稳定，较短时间内Oc-P很难被分解，上层吹填土来源于深层海砂，埋藏时间长，一部分Oc-P分解导致质量分数降低。5)Ca-P在吹填土中质量分数为48.36～432.32 mg/kg，与土壤经历风化程度有关，风化程度越低质量分数越高^[18]。Ca-P是吹填土中无机磷形态的主要形式，占总磷的27.91%～63.38%，在土壤剖面中随深度变化不大，较为稳定。尽管Ca-P比较稳定，但是由于Ca-P质量分数较高，在吹填土形成后的土壤中生物作用下仍可分解，对土壤磷环境产生影响。6)De-P质量分数为8.65～49.23 mg/kg，所占总磷质量分数较少，较难被分解参与短时的磷循环，对吹填土磷质量分数影响较小^[19]。有机磷质量分数为5.82～54.25 mg/kg，属于不完全被生物利用的磷，其中1区中有机磷质量分数升高可能受1#区绿化施工过程中外源有机污染物汇入影响。 3.4 氮磷随地下水流方向分布

临港经济区地处滨海，地下水水位埋深较浅，地下水运动方向无统一流场，整体倾向为由陆地到海洋流动，采样区域70~80 cm土层即位于潜水面以下，与地下水存在物质交换。由图 6a可知，该区域土壤由陆向海方向含氮量呈增长趋势。导致这一结果的原因：一是由于成陆材料自身含氮本底值不同，吹填成陆后造成自身差异；二是吹填土与本区地下水间存在物质交换，其中可溶性氮随地下水运动方向逐渐向近海方向靠拢。由于4区仍属于吹填工程进行区，工程区与成陆区之间存在阻水层，阻止地下水向海岸运动，因此随时间推移，地下水携带可溶性氮元素在3区与土层进行交换，导致3区氮元素升高；而4区氮元素由于处于相对封闭空间，与地下水与海水间交换较少，基本与吹填材料本底值相一致。

图 6 吹填土随地下水运动方向总氮(a)、总磷(b)质量分数变化 Fig. 6 Nitrogen (a) and phosphorus (b) contents of dredger fill soil at the direction of groundwater movement

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本区中磷元素质量分数在70.0~80.0 cm土层范围内则是由陆向海方向呈增高趋势，其主要是因为吹填土自身性质决定，靠海侧吹填土自身磷元素质量分数较高。依据之前吹填土化学性质分析，土体中可溶性的无机磷化物很容易与土壤中的Al³⁺、Fe³⁺、Ca²⁺等发生吸附和沉淀反应，而磷酸根离子主要通过配位体交换而被吸附到Fe³⁺和Al³⁺的表面^[20]，这一反应大大减少了可溶性磷元素在吹填土土体中的运动，与氮元素相比，磷元素在土体中呈现稳定性。但是4区中由于土体仍未固化，土壤含水量极大，与海洋存在氮、磷元素交换，因此氮、磷元素质量分数比较不稳定，可能随地表径流、地下水流变化产生波动。 3.5 吹填土氮磷质量分数环境评价

土壤中氮、磷的积累量对于滨海地区的污染有一定的指示作用^[21]。临港经济区域吹填土主要由海底海砂和航道清淤底泥组成。该区域目前开发项目主要为重工业，吹填土存在受污染可能，因此该区中土壤氮、磷质量分数能够作为区域环境状况的评价指标。

天津渤海湾沉积物中总氮质量分数为690～2 770 mg/kg^[22]，本研究中临港吹填土中总氮质量分数为20~921 mg/kg，相较于渤海湾沉积物质量分数较低，但是由于区域中总氮质量分数存在明显变异，部分区域总氮质量分数较高，虽然短期内不会造成大面积面状污染，但是由于污染物随地下水向沿海一侧运移，通过海底地下水排入海洋造成海洋生态环境营养盐上升，构成海洋富营养化威胁；相对于氮元素，磷元素对于水体富营养化贡献更大^[23]。

从各个地区不同滨海沉积物来看，沉积物中总磷质量分数为340～581 mg/kg(珠江)、233～410 mg/kg(天津渤海湾)、517～722 mg/kg(黄河)^{[24, 25]}，在环渤海地区，沉积物主要为黏土与细砂，吹填材料构成相一致，且各形态磷随着埋藏深度增加稳定度增加，沉积环境相对稳定^[26]，但是吹填工程破坏沉积物的稳定环境，使各形态磷互相发生转变。临港经济区吹填成陆后吹填土总磷质量分数平均值与珠江、渤海沉积物相似，低于黄河，这主要是由于黄河入海带来了丰富的磷酸盐，导致黄河口以及附近海域沉积物中具有高质量分数的磷酸盐^[27]。一般而言，由于Ex-P、Al-P、Fe-P在土壤中较易释放，通常被称为生物有效磷。在临港各层吹填土中，上述3种磷质量分数之和分别占总磷的30.82%(5.0 cm)、33.34%(10.0 cm)、51.70%(20.0 cm)、29.85%(30.0 cm)、41.49%(40 cm)、40.30%(50.0 cm)、36.41%(60.0 cm)，远高于渤海湾沉积物的5.8%～12.0%^[28]，甚至长江中下游众多湖泊沉积物的 Ex-P、Al-P、Fe-P 质量分数也都不足总磷的 10.0%^[29]。因此，临港吹填土中较高的生物活性磷质量分数增加了吹填土通过地下水交换向海洋释放磷元素的风险，对海洋环境产生影响。考虑到所调查区域位于滨海经济建设区，受人类活动干扰显著，因此为维护经济区生态系统可持续发展，需要密切关注其动态，提前制定预防措施，以避免对近海生态系统产生潜在的危害。 4 结论

1)围海造陆区吹填土总氮质量分数较低，总磷质量分数相对较高；总氮变异系数大，总磷变异系数较小。这说明造陆区吹填土总磷主要由成土吹填材料决定，该区受植被影响较小。

2)不同区域间氮、磷质量分数分布差异明显，表明不同吹填材料氮、磷质量分数基值差异较大，其中航道淤泥由于吸附性较强，自身氮、磷质量分数较高，且所含磷中活性磷质量分数较高可对本区域生态产生影响。

3)研究区域围海造陆形成的人工陆地定位为工业区，且项目多为重工业，随着产业发展，外部污染源积累，在地下水运动、降雨渗透等因素作用下吹填土中氮磷污染会逐渐进入地下水体并向海洋方向运动进入海洋，会造成海洋环境富营养化现象；加之渤海湾地区为半封闭海湾形状，污染物难以随洋流流出，导致污染物积累加剧，会形成大面积海水污染，阻碍区域经济发展。