重慶某新建人工湖沉積物磷形態(tài)分布和環(huán)境因素對其影響的試驗(yàn)研究

1、重慶某新建人工湖沉積物磷形態(tài)分布和環(huán)境因素對其影響的試驗(yàn)研究論文摘要：通過采用連續(xù)分級提取法研究了重慶市某新建人工湖沉積物磷的形態(tài)分布，并研究了pH值、溫度、溶解氧和光照4個環(huán)境因子對人工湖沉積物磷的影響。結(jié)果說明：重慶某新建人工湖水庫沉積物pH值介于5.348.12之間；總磷含量到達(dá)595.8673.9mg/kg，無機(jī)磷占絕對優(yōu)勢，占91.5%96.6%；而活性磷;占總磷的12.0%15.1%，其對水庫富營養(yǎng)化程度影響不容無視，其濃度分布為：湖心島處大壩處湖東區(qū)庫尾滯留區(qū)；有機(jī)磷是重要的磷蓄積庫;，含量在20.555.8mg/kg之間，占總磷的3.48.5%，分布為：大壩處湖東區(qū)滯留區(qū)湖心島

2、處庫尾；通過定期大壩底部的排水，可使人工湖內(nèi)源磷污染得到一定的控制。新建人工湖沉積物磷隨環(huán)境因素影響的變化規(guī)律表現(xiàn)出先吸附后釋放的特征；溫度的升高有利于沉積物中磷的釋放；pH值升高有利于底泥中磷的釋放；水體溶解氧較低時，促進(jìn)底泥中磷向水體釋放；無光照條件下沉積物磷的釋放明顯高于有光照條件。論文關(guān)鍵詞：沉積物,磷,環(huán)境影響,地球化學(xué)形態(tài),人工湖,連續(xù)提取法由于洪澇調(diào)蓄排水、局部氣候調(diào)節(jié)、景觀、娛樂、人居環(huán)境建設(shè)等方面的需要，目前各大城市建設(shè)有很多人工湖。一般人工湖的匯水面積小、匯水量小，交換水量小，受污染風(fēng)險能力小，生態(tài)環(huán)境脆弱。人工湖在成庫初期一般處于營養(yǎng)積累的頂峰期，人工湖較容易處于富營養(yǎng)化

3、狀態(tài)。而水體的富營養(yǎng)化問題是目前世界范圍內(nèi)共同面臨的主要的水污染問題之一。磷在控制淡水生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)力方面起著重要作用，通常被認(rèn)為是湖泊藻類生長的一個重要營養(yǎng)限制因子，也是導(dǎo)致富營養(yǎng)化的一個主要因素。外源與內(nèi)源是湖泊中磷兩個方面的來源。外源主要內(nèi)源那么一般通過雨污截流、人工循環(huán)管道、消落帶整治等方法可得到較好的控制。研究發(fā)現(xiàn)，僅依靠控制外源污染是不夠的，內(nèi)源污染也是一個不容無視的問題，內(nèi)源負(fù)荷對上覆水磷的奉獻(xiàn)率可以到達(dá)甚至超過外源的水平，內(nèi)源污染被認(rèn)為是驅(qū)動湖泊的富營養(yǎng)化過程主要動力之一。沉積物磷的釋放作用是形成淺水人工湖泊藍(lán)藻水華的重要因素。沉積物對上覆水體中磷的含量起緩沖作用，隨著沉

4、積物環(huán)境條件的改變，沉積物-水界面發(fā)生磷的吸附與解吸作用。沉積物中能參與界面交換和可被生物利用的磷含量取決于沉積物中磷的形態(tài)和各種環(huán)境影響條件，沉積物中不同結(jié)合態(tài)的磷具有不同的生物有效性，對上覆水體富營養(yǎng)化的發(fā)生具有潛在的、不可無視的影響。因此，研究沉積物中磷的賦存形態(tài)分布及其與環(huán)境影響因素對其影響具有重要意義。目前，沉積物中磷賦存形態(tài)的研究多集中于年代相對久遠(yuǎn)的天然大型湖泊，對人工湖，特別是新建人工湖沉積物中磷賦存形態(tài)和環(huán)境因素對其影響的研究較少。新建人工湖雖成庫時間很短，但內(nèi)源污染不容無視。本研究采用分級提取方法測定重慶市某新建人工湖沉積物中不同化學(xué)形態(tài)磷的含量，同時采用實(shí)驗(yàn)室法研究了環(huán)境

5、因素對沉積物磷的吸附/釋放的影響，本研究有利于認(rèn)識人工湖營養(yǎng)鹽內(nèi)源的釋放和循環(huán)機(jī)制，為人工湖管理及控制人工湖的內(nèi)源污染提供科學(xué)依據(jù)。1新建人工湖概況本研究的人工湖位于重慶市，長江一級支流上，1062833.92E1062902.71E，293039.01N293056.06N。人工湖所在地區(qū)，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)中的盆地南部長江河谷區(qū)，流域氣候具有四季清楚、氣候溫和、降水豐沛、空氣濕潤，且冬暖春早，初夏多雨，盛夏炎熱常伏旱，秋遲多連綿陰雨，以及無霜期長、風(fēng)速小、濕度大、云霧多、日照少等氣象特征。人工湖于2021年6月成庫，并于2021年7月建成為國家級城市濕地公園，其功能主要為蓄洪調(diào)節(jié)洪峰

6、，滿足下游都市區(qū)防洪要求，在無雨時以一定流量下泄，作為景觀河道補(bǔ)充水源。人工湖為小1型水庫，容積為168萬m，設(shè)計洪水庫容196萬m。正常蓄水位水庫面積20.38萬m。壩址以上控制流域面積12.00km，人工湖平均水深10.0m。2材料與方法2.1樣品采集及預(yù)處理2021年8月中下旬，采用自制重力型采樣器對水庫具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣時采用GPS定位，具體點(diǎn)位分布見圖1，其中1點(diǎn)為大壩處1062859.85E，293047.04N、2點(diǎn)為湖東區(qū)處1062850.46E，293043.23N、3點(diǎn)為湖心島處1062842.91E，293048.79N、4點(diǎn)為庫尾處1062842.56E，29

7、3042.61N和5點(diǎn)為滯留區(qū)處1062837.82E，293051.98N。人工湖主要徑流方向是4庫尾3湖心島2湖東區(qū)1大壩。沉積物樣品經(jīng)現(xiàn)場預(yù)處理后帶回實(shí)驗(yàn)室后，取表層05cm泥樣在自然風(fēng)條件下風(fēng)干，采用四分法取樣，使用瑪瑙研缽研磨并過100目尼龍篩，處理后的樣品保存于封口袋中備用。圖1采樣點(diǎn)位置圖Fig.1locationofsamplingsites2.2實(shí)驗(yàn)分析方法沉積物pH值的測定方法稱取預(yù)處理后的風(fēng)干樣品5g，放入50mL高型玻璃燒杯中，參加25mL去CO蒸餾水，充分?jǐn)嚢?min，使樣品中可溶物質(zhì)充分溶解，靜置0.51h，使用經(jīng)校準(zhǔn)后的HACHsenion1便攜式pH測量儀測定p

8、H值，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)測試三次，取平均值?？偭椎臏y定方法總磷的測定采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法。沉積物磷的化學(xué)分級提取與分析方法沉積物磷的形態(tài)分析按照李悅在Ruttenberg法根底上提出的沉積物中磷的連續(xù)分級提取方案根底上改良的方法，實(shí)驗(yàn)步驟詳見表1：表1沉積物中磷的連續(xù)提取方法Table1Sequentialextractionmethodofphosphorusinsediments 形態(tài) 代碼 提取方法 交換態(tài)磷 Ex-P 0.3g沉積物加30mLMgCl (1mol/L)振蕩提取2h，500rpm離心20min獲取提取液下同，同樣再提取一次，再用30mL去離子水同樣提取2遍即漂洗2

9、遍，合并提取液，提取液抽濾通過0.45m濾膜，測定提取液中磷濃度。 鋁結(jié)合磷 Al-P Ex-P提后殘渣加30mL0.5mol/LNH -FpH 8.2振蕩1h，離心獲取提取液，再以30mL去離子水提取一遍，合并提取液，提取液抽濾通過濾膜，測定提取液中磷濃度。 鐵結(jié)合磷 Fe-P Al-P提后殘渣加30 mL 0.1mol/L NaOH、0.5 mol/LNa CO 混合提取液振蕩提取4h，離心獲取提取液，再以30mL去離子水提取一遍，合并提取液，提取液抽濾通過0.45m濾膜，測定提取液中磷濃度。 閉蓄態(tài)磷 Oc-P Fe-P提后殘渣參加24mL 0.3mol/L檸檬酸鈉、1mol/LNaHC

10、O 及0.675gNa S O 配成的混合提取劑pH7.6，攪拌15min后參加6mL0.5mol/L NaOH，振蕩提取8h，離心獲取提取液，以30 mL去離子水漂洗提取一遍，合并提取液，提取液抽濾通過0.45m濾膜，測定提取液中磷濃度 自生磷 ACa-P Oc-P提后殘渣參加30mL 1mol/L NaAC-HACpH=4，振蕩提取6h，離心獲取提取液，再以30mL 1mol/LMgCl 提取1次，然后以30mL去離子水提取1次，合并提取液后過濾，測定提取液中磷濃度。 碎屑磷 De-P ACa-P提后殘渣參加30mL 1mol/L HCl振蕩提取16h，離心，再以去離子水漂洗殘渣一次，合并

11、提取液，過濾，紫外可見分光光度計測定提取液中磷濃度。 有機(jī)磷 Or-P De-P提后殘渣轉(zhuǎn)移到瓷坩鍋中，烘干，馬弗爐中550灰化2h，冷卻后參加30mL 1mol/L HCl振蕩16h，離心，提取液過濾，測定提取液中磷濃度。 環(huán)境因素對沉積物磷影響規(guī)律模擬的實(shí)驗(yàn)方法底泥對磷的吸附是一個動態(tài)平衡過程，解吸那么是其逆過程。有研究說明，對底泥磷轉(zhuǎn)化、釋放環(huán)節(jié)諸過程中發(fā)生影響的主要因子有pH值、溶解氧Table4Newartificiallakeandothernon-newartificiallakefeaturesandphosphoruscontentinsurfacesediments 湖泊/

12、采樣點(diǎn) 湖泊面積/km 采樣點(diǎn)深度/m 水草狀況 Ex-P /mg/kg Al-P /mg/kg Fe-P /mg/kg Oc-P /mg/kg ACa-P /mg/kg De-P /mg/kg Or-P /mg/kg TTP /mg/kg 甘棠湖 0.8 2 未見 8.5 0.1 1071.7 1067.3 253.6 466.7 143.2 3011.2 東湖 33.7 3.8 未見 15.4 0.7 11.4 943.3 48.6 185.2 202.1 1406.7 菜子湖 172.1 1 未見 1.6 0.2 237.0 781.7 7.9 132.4 98.9 1259.5 洪湖

13、344.4 1.5 有草 2.4 0.1 2.1 226.5 102.4 281.8 73.7 689.0 巢湖 769.6 3.8 未見 0.6 0.1 51.5 307.5 18.9 95.1 132.0 605.7 太湖 2338.1 2.3 未見 3.2 0.1 120.0 240.8 33.8 122.5 144.7 665.1 鄱陽湖 2933 3 未見 0.4 0.1 5.4 417.8 3.7 27.7 34.5 489.6 洞庭湖 2432.5 0.9 未見 1.7 0.1 12.9 254.5 28.1 134.8 55.8 488.0 非新建湖泊 平均值 - - - 4.

14、2 0.2 189.0 529.9 62.1 180.8 110.6 1076.8 某新建人工湖平均值 0.2 10 未見 63.9 3.9 22.2 127.4 141.4 251.0 34.0 643.7 1無機(jī)磷由圖2可知新建人工湖沉積物中以無機(jī)磷IP為主，占總磷的91.5%96.6%，以自生磷和鈣磷以及閉蓄磷為主。Fe-P具有很高的活性，是較易釋放而為生物所利用的潛在磷源之一。沉積物-水界面的Fe、Mn循環(huán)受到氧化復(fù)原環(huán)境的控制，沉積物中鐵結(jié)合態(tài)磷會因?yàn)殍F的復(fù)原溶解而釋放，即使磷處于無定形鐵/鋁氧化物外表的吸附態(tài)，氧化-復(fù)原條件改變時也能解析出來。新建人工湖表層沉積物中Fe-P含量在8

15、.957.3mg/kg，占TP的1.5%8.8%，最高值出現(xiàn)在1號大壩處，最低出現(xiàn)在4點(diǎn)庫尾處。pH值變化也會引起鐵結(jié)合態(tài)磷的溶解或解吸、有機(jī)質(zhì)降解或有機(jī)磷的礦化。新建人工湖Al-P含量很低，占TTP的0.21.2%，與非新建湖泊類似。閉蓄態(tài)磷主要是一層FeO膠膜所包裹的磷鹽，這種磷鹽包括一部份鋁磷和鈣磷，被認(rèn)為是生物不能利用的。經(jīng)分析，新建人工湖的閉蓄態(tài)磷含量40.7216.2mg/kg，占總磷6.0433.07%左右，說明新建人工湖自然狀態(tài)磷含量較多。圖2沉積物中磷形態(tài)的百分含量Fig.2Percentagecontentofphosphorusforminthesurfacesedime

16、ntsACa-P主要是沉積物中的由于生物作用沉積、固結(jié)的顆粒磷，如羥基磷灰石等，這局部磷一般較難被生物利用。新建人工湖中ACa-P含量為132.5171.2mg/kg，占總磷的20.0626.19%，而非新建湖泊除甘棠湖外，其他湖泊含量較低。沉積物中Ca-P含量取決于湖底區(qū)域地質(zhì)-地球化學(xué)背景與水體的酸堿度。Ca-P是相比照擬穩(wěn)定的磷，沉積物中的自生磷主要以鈣的磷酸鹽形式存在，為一種難溶于水的化合物Ca(PO)，其對上覆水溶解態(tài)磷的奉獻(xiàn)很小。但pH對Ca-P的溶解有一定影響，一般來說，pH值降低會引起鈣磷酸鹽與碳酸鈣共沉淀的溶解，增加上覆水中磷的含量。碎屑磷De-P主要是包含在沉積物中的原生礦

17、物顆粒中的一局部磷，一般也較難為生物利用。新建人工湖De-P含量在113.8372.1mg/kg，占總磷的17.455.2%。2有機(jī)磷鐵錳結(jié)合態(tài)磷的遷移是貧營養(yǎng)湖泊中磷釋放的最重要機(jī)制，而近期沉積的活性有機(jī)磷組分卻是富營養(yǎng)湖泊磷釋放的主力。Or-P主要是沉積物中各種動植物殘體、腐殖質(zhì)類有機(jī)物中含有的磷，只有在有機(jī)物礦化以后才能被釋放出來，也相對較難被生物利用。但有機(jī)質(zhì)的礦化或降解對沉積物間隙水中溶解態(tài)磷酸鹽的濃度及其擴(kuò)散起著重要作用。局部有機(jī)磷在一定條件下可水解或礦化為溶解態(tài)磷酸鹽，具有潛在的生物有效性，與湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)系可能更為密切。有機(jī)磷是沉積物中重要的磷蓄積庫;，新建人工湖含有機(jī)磷20

18、.555.8mg/kg，占總磷的3.48.5%；而非新建湖泊含有機(jī)磷含量較高34.5202.1mg/kg，含量相對較新建人工湖高；可見新建人工湖成庫后，隨時間的推移，人工湖各種動植物殘體、腐殖質(zhì)類有機(jī)物不斷沉積，人工湖有機(jī)磷會不斷積累。新建人工湖Or-P的濃度分布為大壩處湖東區(qū)滯留區(qū)湖心島處庫尾，大壩處與湖東區(qū)處最高，主要與這兩個點(diǎn)成庫前周圍種植農(nóng)作物有關(guān)。3.3環(huán)境因素對沉積物磷影響規(guī)律1光照對沉積物磷的影響圖3光照對底泥TP的影響Fig.3Concentrationofphosphorousfromsedimentswithdifferentlightconditions由圖3可知，前10

19、dTP處于吸附階段，底泥與上覆水之間存在一個濃度差，假設(shè)上覆水的TP濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底泥中間隙水的TP濃度，此時底泥會吸附上覆水中的TP。第10d時吸附到達(dá)飽和，無光照條件下與有光照條件吸附根本一致，有光照條件和無光照條件的吸附量分別為0.28、0.26mg/L，有光照吸附稍快。從第10d之后吸附到達(dá)最低值，磷含量開始上升，底泥TP逐漸釋放，有光照條件和無光照條件釋放量分別為0.14mg/L、0.18mg/L，無光照條件下的釋放明顯高于有光照的。這是因?yàn)樵孱惖纳L需要吸收大量的磷，在上覆水濃度較低時，沉積物向上覆水釋放的磷成為藻類生長的營養(yǎng)來源。因此，底棲藻類成為阻擋磷從沉積物向上覆水釋放的一個生

20、物屏障，光照通過底棲藻類的生物作用，間接地限制了沉積物中的磷向上覆水中釋放。光照強(qiáng)度越大，底棲藻類生長速度越快，吸收的磷也相應(yīng)增加，從而限制了底泥中磷向上覆水中的釋放。2溫度對沉積物磷的影響圖4溫度對底泥TP的影響Fig.4Concentrationofphosphorousfromsedimentsfordifferenttemperaturenaturalconditions由圖4可知，與光照對磷的影響一樣，前10d底泥磷處于吸附階段，溫度越低，吸附越快，81525，吸附量分別為0.34mg/L、0.31mg/L、0.26mg/L。158，釋放量分別為0.21mg/L、0.10mg/L、0

21、.09mg/L。溫度的升高可以減少沉積物中的礦物對磷的吸附，隨著溫度升高，沉積物中磷的釋放量也迅速增大，溫度高有利于化學(xué)物質(zhì)活性提高，各種物理、化學(xué)、生物反響如擴(kuò)散、有機(jī)質(zhì)降解等的速率加快。溫度升高微生物活力增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解加速結(jié)果導(dǎo)致氧氣的好氧和氧化復(fù)原電位的降低，F(xiàn)e復(fù)原為Fe磷從正磷酸鐵和氫氧化鐵沉淀物中釋放出來。此外，溫度還影響水體氧氣的溶解度，溫度升高會降低水體氧氣的溶解度，進(jìn)而影響底泥的氧化復(fù)原電位。3溶解氧DO對沉積物磷的影響由圖5可以看出，在吸附階段，好氧條件吸附量大于缺氧條件，DO8mg/L、DO=4mg/L、DO的吸附量分別為0.325、0.275、0.258mg/L。釋放

22、階段，可以看出，缺氧條件釋放明顯高于好氧條件，DO8mg/L、DO=4mg/L、DO的釋放量分別為0.09mg/L、0.20mg/L、0.21mg/L。厭氧加速沉積物中的磷的釋放，好氧卻抑制磷的釋放。因?yàn)樗械娜芙庋鯐绊懗练e物的氧化復(fù)原電位，在厭氧狀況下，容易發(fā)生Fe-Fe化學(xué)反響，P-Fe外表的Fe(OH)保護(hù)層轉(zhuǎn)化為Fe(OH)，然后溶解釋放。水生生物和藻類的生物殘體因微生物分解、腐爛，消耗水中的溶解氧，而缺氧的水體環(huán)境反過來加速沉積物磷的釋放，形成惡性循環(huán)。沉積物中的溶解氧隨深度增加而減少。圖5DO對底泥TP的影響Fig.5Concentrationofphosphorousfroms

23、edimentsforaerobicandanaerobicalkalineconditions4pH對沉積物磷的影響磷吸附：吸附階段，酸性條件下吸附強(qiáng)度大于中性和堿性條件。即pH越低，有利于磷的吸附，pH=5、pH=7和pH=9時的吸附量分別為0.38mg/L、0.34mg/L、0.27mg/L。懸浮沉積物外表是帶負(fù)電荷反響體系，pH的降低意味著溶液中H離子濃度增加，H離子是外表電位的決定離子，其濃度的增加會中和沉積物外表的局部負(fù)電荷，當(dāng)沉積物中粘土礦物含量高時，H離子可使粘土顆粒的邊緣帶正電荷，從而起到陽離子橋的作用，使其對磷酸鹽的吸附量增加。圖6不同pH對底泥TP的影響曲線圖Fig.6C

24、oncentrationofphosphorousfromsedimentswithdifferentinitiativepH4結(jié)論與建議新建人工湖水庫沉積物pH值介于5.348.12之間，除大壩處為酸性外，其余各點(diǎn)為中性偏堿，大壩處磷較容易釋放。對新建人工湖表層沉積物不同形態(tài)磷分級測定的結(jié)果說明總磷含量到達(dá)595.8673.9mg/kg，無機(jī)磷占絕對優(yōu)勢，占91.5%96.6%，而無機(jī)磷中非活性磷閉蓄磷、自生磷、鈣磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁磷和鐵磷的量，說明人工湖中自然來源的磷較多。無機(jī)磷中活性磷;占總磷的12.3%14.8%，較非新建湖泊高，其對人工湖富營養(yǎng)化程度影響不容無視，其濃度分布為湖心島處大

25、壩處湖東區(qū)庫尾滯留區(qū)。新建人工湖應(yīng)特別重視對沉積磷的控制。有機(jī)磷是重要的磷蓄積庫;，含量在20.555.8mg/kg，含量相對非新建湖泊底，分布特征為大壩處湖東區(qū)滯留區(qū)湖心島處庫尾。通過定期大壩底部的排水，可對對人工湖內(nèi)源磷的污染得到一定的控制新建人工湖因建庫時間短，沉積物還處于簡單堆積階段，沉積物中磷的遷移、活化與釋放可能會成為水體中營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，是人工湖水體向富營養(yǎng)化開展的潛在污染源，應(yīng)采取有效的措施嚴(yán)格控制面源和點(diǎn)源污染對水庫水質(zhì)的影響。而人工湖周邊種植農(nóng)作物所施用的氮肥和磷肥可能成為人工湖成庫初期面源污染的主要來源。進(jìn)入水體中的磷在適當(dāng)?shù)臈l件下，沉積在湖底表層沉積物中，當(dāng)環(huán)境因素

26、改變時，沉積物中的磷將釋放到上覆水中。1隨著溫度的升高，可以減少沉積物中的礦物對磷的吸附，溫度越高吸附越慢；相反釋放階段，隨著溫度的升高，沉積物中磷的釋放量迅速增大；2酸性條件下沉積物對上覆水磷的吸附量大于中性和堿性條件，pH值升高將促進(jìn)底泥磷釋放。3在吸附階段，好氧條件吸附量大于缺氧條件；而當(dāng)水體溶解氧降低時，將促進(jìn)底泥中磷向水體釋放。4無光照條件下底泥對上覆水磷的吸附較有光照吸附慢，相反無光照條件下沉積物磷的釋放明顯高于有光照條件。水沉積物界面營養(yǎng)鹽的變化是多因素影響的綜合作用的動態(tài)過程。本次試驗(yàn)考慮影響營養(yǎng)鹽磷吸附釋放的主要因素，實(shí)際各種環(huán)境因子處于不斷的動態(tài)變化中，沉積物中營養(yǎng)鹽變化過

27、程復(fù)雜得多，在后期研究中將做進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn)1 張智, 楊冬雪, 王斌, 等. 某人工湖成庫初期水環(huán)境特征研究. 環(huán)境工程學(xué)報, 2021,4(6):1321-1326.2 Ruban V., Lopez-Sanchez J. F., Pardo P, et a. Harmonized protocol and certified reference material for thedetermination of extractable contents of phosphorus in freshwater sediments - Asynthesis of recent works

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