底泥中磷的釋放影響因素文獻綜述

底泥中磷釋放的影響因素綜述03209733姚一思前言：水環(huán)境污染和破壞已成為當(dāng)今世界上最引人注意的環(huán)境問題之一,水環(huán)境的好壞直接關(guān)系到人類的生存。我國在持續(xù)高速增長的同時,帶來最大的負效應(yīng)就是環(huán)境污染日益嚴重,江河湖海等水環(huán)境質(zhì)量日趨惡化,而影響這一趨勢惡化的主要原因是水體富營養(yǎng)化。隨著富營養(yǎng)化水體的不斷增加,水體富營養(yǎng)化的研究和防治日益被重視,其中過量的磷輸入或水體磷的高負荷是導(dǎo)致河流湖泊營養(yǎng)化污染的重要原因。而底泥一般是指江河湖海沉積物,是各種營養(yǎng)鹽和污染物等的主要蓄積場所,也是水域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。水體受到污染后,水中污染物部分沉積或通過吸附作用在底泥中富集。在一定條件,如微生物分解作用,底泥擾動,底泥中污染物會再次釋放出來,影響上覆水體。河流和湖泊內(nèi)源污染物的釋出,類似于非點源污染,釋放面積大,釋放時間、途徑和釋放量具有不確定性。摘要：綜述了水體底泥中磷的化學(xué)形態(tài)以及磷素釋放的影響因素?；瘜W(xué)形態(tài)有水溶性磷、鋁磷、鐵磷、鈣磷、還原態(tài)可溶性磷、閉蓄磷、有機磷等。磷素釋放的影響因素有：溶解氧、溫度、pH值、磷存在的形態(tài)、微生物作用、沉積物-水界面磷的濃度梯度、鹽度以及擾動。這些因素具有關(guān)聯(lián)性。關(guān)鍵詞：底泥化學(xué)形態(tài)磷釋放影響因素1引言P是造成湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性的限制性因素之一［1］。一般認為當(dāng)水體中磷濃度在0.02mg.L-1以上時，對水體的富營養(yǎng)化就起明顯的促進作用［2］。由于近年來大量未經(jīng)處理的生活污水加上農(nóng)業(yè)面源氮磷的大量流失，造成河流尤其是河口富營養(yǎng)化趨勢的逐年加劇［3~4］大量的磷在河流等水體中沉積下來，其在適宜的條件下會重新釋放進入水體，從而延續(xù)水體的富營養(yǎng)化過程并加劇了水體的惡化［5~8］。沉積物-水界面是水體和沉積物之間物質(zhì)交換和輸送的重要途徑，沉積物中的磷可能通過有機質(zhì)的礦化分解作用、鐵氧化物解吸作用和沉積物擾動等形式向水體釋放。本文根據(jù)國內(nèi)外研究富營養(yǎng)化水體磷釋放的有關(guān)資料，綜述了水體底泥中磷的化學(xué)形態(tài)以及底泥中磷釋放的影響因素，對于今后研究水體中磷行為、抑制水體富營養(yǎng)化、改善水質(zhì)具有深遠的意義及參考價值。2沉積物中磷的含量和存在形態(tài)沉積物中磷形態(tài)通常分為水溶性磷(P)、鋁磷(P)、鐵磷(P)、鈣磷(P)、還原態(tài)solAlFeCa可溶性磷、閉蓄磷(P)、有機磷(P)等7種化學(xué)形態(tài)［9］。閉蓄磷表面有一層不溶性的Feo-p org(OH)或Al(OH)膠膜，包括一部分P和P,溶解度極小，含量較小，這部分磷被認為是生3 3 AlFe物不能利用的。水溶性磷和還原態(tài)可溶性磷可以通過物理溶解作用進入水體，在沉積物中的含量也不會太高，但它們是最先被釋放出來的，可以很方便地被水生生物吸收利用［10］。沉積物中P的結(jié)合態(tài)及形態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化是控制沉積物P遷移和釋放的主要因素。P釋放量是由不同的遷移和轉(zhuǎn)化過程決定的，控制沉積物P遷移(釋放和形態(tài)轉(zhuǎn)化)的環(huán)境參數(shù)的相對重要性首先取決于沉積物中P的化學(xué)形態(tài)［11］。沉積物釋P量的多少并不與沉積物中的總P量成比例關(guān)系，釋放進入間隙水中的P大部分是無機可溶性P［12~13］。在厭氧釋放過程中，存在著有機P向無機P轉(zhuǎn)化，F(xiàn)e-P、Al-P向Ca-P、O-P轉(zhuǎn)化的趨勢，沉積物中總P濃度不斷減少，就是P形態(tài)遷移轉(zhuǎn)化動態(tài)平衡的結(jié)果［14］。沉積物中釋放的P與Fe-P關(guān)系密切相關(guān)，P是沉積物向水體釋磷的主要形態(tài)。曾有人提Fe出用沉積物中P：Fe比例作為表層沉積物P釋放能力的一個參數(shù)，兩者呈負相關(guān)關(guān)系［15］。3水體磷釋放的影響因素3?1溶解氧（DO）底層水體中溶解氧含量（DO）對沉積物P的釋放起著決定性的作用，底泥首先要消耗溶解氧，降低溶解氧濃度，加速水體進入?yún)捬鯛顟B(tài)。厭氧狀態(tài)可大大促進P在沉積物的遷移和釋放，而在好氧狀態(tài)下釋放速率遠小于厭氧釋放速率［16］。兩者差一個數(shù)量級［17］。水中的溶解氧會影響沉積物的氧化還原電位,P釋放對表層沉積物的氧化還原電位（Eh）的變化非常敏感。當(dāng)表層沉積物Eh較高時（＞350mv），F(xiàn)e3+與磷酸鹽結(jié)合成不溶的磷酸鐵，可溶性P也被氫氧化鐵膠體吸附而逐漸沉降；而當(dāng)Eh較低時（v200mv），有助于Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化，P表面的Fe（OH）保護層轉(zhuǎn)化為Fe（OH），然后溶解釋放，使Fe及被吸附的磷酸鹽轉(zhuǎn)變Fe 3 2成溶解態(tài)而析出，沉積物P釋放量增加［18］。研究表明，底質(zhì)所釋放的磷主要為溶解性正磷酸鹽，是水生生物最易吸收的形式，這樣就為大型水生生物和藻類的增殖提供條件，加速其生長繁殖的速度。而這些死亡后的生物殘體不能及時取走，由于微生物分解、腐爛，消耗水中的溶解氧，使水體更加缺氧，這種缺氧的環(huán)境反過來加速底質(zhì)磷的釋放，形成惡性循環(huán)［19］。另外淺水湖泊中高的硝酸鹽濃度可使Fe處于氧化狀態(tài)從而對沉積物P釋放存在一定的拮抗作用I20】。此外，低溶解氧水平下，水體pH值相對穩(wěn)定；高溶解氧水平下，水體pH值有所上升，將影響水體中的總磷濃度。3.2溫度溫度升高有利于沉積物釋P。沉積物P的釋放因季節(jié)而變化，在冬天釋放量很低，在夏天達到最大值［21~22］。這是由于溫度升高會增加沉積物中微生物和生物體的活動，促進生物擾動、礦化分解作用和厭氧轉(zhuǎn)化等過程，導(dǎo)致水-土界面呈還原狀態(tài)，促使有機磷向無機態(tài)轉(zhuǎn)化，將不溶性磷化物轉(zhuǎn)化為可溶性磷，加速磷酸鹽的釋放。另外，隨著微生物活動的增加，間隙水耗氧速率加快，水體中的溶解氧減少，使水體環(huán)境由氧化狀態(tài)向還原狀態(tài)轉(zhuǎn)化，有利于Fe3+還原為Fe2+，加速底泥中鐵結(jié)合態(tài)磷的釋放。另一方面，溫度升高，參與內(nèi)源磷釋放的物理化學(xué)反應(yīng)速度加快，如吸附反應(yīng)、溶解反映、化學(xué)反應(yīng)沉淀等，相應(yīng)的內(nèi)源磷的釋放速率也增加。溫度升高，會使得上述物理化學(xué)反應(yīng)的平衡向解析、溶解的方向移動，致使內(nèi)源磷釋放量增加。3.3pH值對非石灰性湖泊沉積物而言，pH在中性范圍時，沉積物釋P量最??；而升高或降低pH值釋P量成倍的增大，溶解P總的釋放量與pH值呈拋物線（或U型）相關(guān)［23~24］。在pH值較低時，沉積物釋P以溶解作用為主；而在高pH值時，體系中OH-可與無定形Fe-Al膠合體中的磷酸根發(fā)生交換，沉積物中P釋放量的增加是因為水體中pH影響了磷酸鹽的存在形式。當(dāng)pH為3?7時，磷主要以HPO2-形式存在；pH為8?10時，磷主要以HPO-形式存在。而當(dāng)以4 2 4HPO-為主要存在形式時，底泥的吸附作用最大。此時底泥中鎂鹽、硅酸鹽、鋁硅酸鹽以24及氫氧化鐵膠體都參與吸附作用。pH值高有利于磷酸根離子從氫氧化鐵膠體中解吸附，而使更多的磷酸鹽釋放到水中。因此pH值升高有利于底泥中磷的釋放［25］。3.4微生物當(dāng)污水尤其是生活污水進入水體后，經(jīng)過細菌分解，加速消耗溶解氧，同時微生物作用可把沉積物中有機態(tài)P轉(zhuǎn)化、分解成無機態(tài)P,把不溶性P轉(zhuǎn)化成可溶性P。王茹靜等人在試驗中發(fā)現(xiàn)：在無微生物狀態(tài)下，沉積物中的磷釋放幾乎為零，而由于微生物參與，沉積物中釋放的P比無菌狀態(tài)下高出50%?100%。藻類對沉積物P的釋放有促進作用，藻類生長的越多，P釋放越多；反過來，沉積物中P的釋放又進一步促進藻類的生長，兩者有相互促進的關(guān)系［26?27］。3.5沉積物-水界面磷的濃度梯度沉積物中的總磷含量與上覆水中的磷濃度關(guān)系密切。因泥水界面受生物作用影響明顯，常與底泥進行著物質(zhì)和能量的交換［28］。但是底泥中磷素釋放不是無條件進行的，而是受濃度差以及臨界濃度的影響。白洋淀底質(zhì)磷的釋放研究發(fā)現(xiàn)［19］，當(dāng)湖水中磷含量高于底質(zhì)磷釋放的臨界濃度時，總的表現(xiàn)是以沉積為主，國外學(xué)者也發(fā)現(xiàn)當(dāng)富營養(yǎng)化湖泊水體磷濃度＜0.03mg?L-1時，沉積物中的磷才被釋放，當(dāng)水中磷濃度＞0.09?0.12mg?L-1時，水中的磷會向沉積物遷移［30］?？傊?磷的釋放與沉積物-水界面間的濃度差有關(guān)，濃度差越大，沉積物釋磷越快。3.6鹽度大量研究結(jié)果證明，隨著加入A1鹽量的增加，沉積物釋放P的量呈線形遞減［31］。從國內(nèi)外脫氮除磷工業(yè)中可以看出氮鹽的存在形態(tài)同樣具有影響，硝態(tài)氮包括硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，它們會消耗有機基質(zhì)而抑制聚磷菌對磷的釋放，從而影響在好氧條件下聚磷菌對磷的吸收。另一方面硝態(tài)氮的存在會被部分生物聚磷菌（氣單胞菌）利用作為電子受體進行反硝化，從而影響其以發(fā)酵中間產(chǎn)物作為電子受體進行發(fā)酵產(chǎn)酸，從而抑制了聚磷菌的釋磷和攝磷能力［31］。3.7擾動對淺水湖泊來說擾動是影響沉積物-水界面反應(yīng)的重要物理因素。動態(tài)條件下P從沉積物的釋放量遠大于靜態(tài)條件的釋放量［32?33］。底質(zhì)間隙水中溶解磷的濃度約是上覆水的103倍，擴散作用導(dǎo)致磷酸鹽從高濃度方向向低濃度方向遷移，因此擾動會加速這種擴散作用，使底質(zhì)中的間隙水?dāng)U散到上覆水中。此外，對于淺水湖泊而言，在一定條件下，風(fēng)力和湖流引起湖泊底部沉積物的擾動使沉積物處于再懸浮狀態(tài)，這種再懸浮狀態(tài)會強烈地影響P在沉積物-水界面間的再分配，部分營養(yǎng)元素可從沉積物中向上覆水釋放，使水體營養(yǎng)負荷增加［34］。增加沉積物顆粒的反應(yīng)界面并促進沉積物中P的釋放，同時加速了沉積物間隙水中P的擴散。但擾動對P的釋放的影響僅是有限的短期效應(yīng)，當(dāng)表層底泥一記在懸浮物受水動力攪動想水體釋放P達到一定程度后，可能進入雨中P釋放“枯竭”狀態(tài)，此時沉積物和懸浮物的P向水體的釋放與水體中的P想沉積物和在懸浮物沉積和吸附達到一種動態(tài)平衡。因此，只有水體中P含量降低，P從沉積物上的釋放才能進一步進行o［35］因此，要治理水體的富營養(yǎng)化時，單單去除水體中的P含量是毫無意義的，因為自然情況下擾動是無法避免的，利用疏浚工程技術(shù)是一個解決辦法。4總結(jié)綜觀國內(nèi)外學(xué)者的文章，氮素的存在狀態(tài)對磷釋放具有一定的影響，兩者應(yīng)具有某種關(guān)聯(lián)性，磷素釋放是十分復(fù)雜的多因素綜合作用的動態(tài)過程，且磷釋放的影響因素之間相互影響，相互錯雜。若將其影響因素割裂開來研究存在很大不足，容易忽略各個因素之間的互相影響。因此應(yīng)全面考慮整個水體的性質(zhì)、綜合考慮各因素的變化。由于沉積物磷釋放的研究是涉及多方面的，必須逐步分析總結(jié)以往各種研究成果和經(jīng)驗，不斷改進研究方法和手段，逐步建立一套完善的磷釋放模型。重視對能代表大水體實際情況實驗裝置的研制開發(fā)以及野外觀測與室內(nèi)實驗的密切結(jié)合，以保證研究結(jié)果具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義；加強沉積物—水體界面之間物質(zhì)擴散交換過程的機理研究，揭示沉積物中污染物的釋放規(guī)律，建立污染物釋放模型；加強底泥污染物釋放的動力學(xué)研究，為底泥污染源的控制和管理提供依據(jù)。參考文獻：DavidLC.Theroleofphosphorusintheeutrophicationofreceivingwater:areview.J.Environ.Qaul.,1998,27:261~266楊維榮?環(huán)境化學(xué)[M].北京?人民出版社.1980.⑶翁煥新、劉云峰?濱海沉積物和間隙水中的磷研究J]?環(huán)境科學(xué)學(xué)報.1997,17(2):148?153賈國東等.珠江口近百年來富營養(yǎng)化加劇的沉積記錄.第四紀研究.2002,22(2):158~165陳家寶等?南寧市南湖沉積物磷釋放的研究J]?廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).1998,9:269~273JeffMorin,JohnW.Morse,AmmoniumreleasefromresuspendedsedimentsintheLagunaMadreestuary.MarineChemistry.1999,65:97~110.W.F.Hu,W.Lo,H.Chua,S.N.Sin,P.H.F.Yu.Nutrientreleaseandsedimentoxygendemandinaeutrophicland-lockedembaymentinHongKong.EnvironmentInternational.2001,6:369~375.韓偉明.底泥釋磷對西湖富營養(yǎng)化的影響J]?環(huán)境污染與防治.1991,13(5)?ChangSC,JacksonML.FractionationofsoilphosphorusJ].SoilSci.1957,84:133?144.傅慶紅?湖泊沉積物中磷的形態(tài)分析及其釋放研究J]?四川環(huán)境.1994,13⑷:21?24.BostromB.Potentialmobilityofphosphorusindifferenttypesoflakesediment.Int.Rev.Gesamten.Hydrobiol.1984,9:57~474RydinE.PotentiallymobilephosphorusinLakeErkensediment.WaterResearch.2000,34(7):2037~2042NogesP.KisandA.FormsandMobilityofSedimentPhosphorusinShallowEutrophicLakeVortsjaerv(Estonia).Int.Rev.Hydrobiol.1999,84(3):255~270王曉蓉,華兆哲等.環(huán)境條件變化對太湖沉積物磷釋放的影響.環(huán)境化學(xué).1996,15(1):15~19LucotteM,D'anglejan,B.Processescontrollingphosphateadsorptionbyironhydroxidesinestuaries.ChemicalGeology,1988,67:75~83廖文根?太湖水體的磷負荷分析[J].水利學(xué)報.1994,11:77?81.HoldrenGC,DavidE.Armstrong,factorsaffectingphosphorusreleasefromintactlakesedimentscores[J].Environ.Sci.Technol.1980,14(1):79?87.IngallE,JahnkeR.Evidenceforenhancedphosphorusregenerationfrommarinesedimentsoverlainbyoxygendepletedwaters.GeochimicaetCosmochimicaActa,1994,58(11):2571~2575于世繁?白洋淀底質(zhì)磷的釋放及與水體中磷的關(guān)系[J]?環(huán)境科學(xué).1995,16(增刊):30?31,34.HenningSJ,FredeOA.Importanceoftemperature,nitrate,andpHforphosphorusreleasefromaerobicsedimentsoffourshallow,eutrophiclakes.LimnologyOceanography,1992,37(3):557~589GonsiorczykT,CasperP,etal.VariationsofphosphorusreleasefromsedimentsinstratifiedlakesWater.Air,&SoilPollution,1997,99(1-4):427~434IstvanovicsV.Seasonalvariationofphosphorusreleasefromthesedimentsofshallowlakebalaton(hungary).WaterResearch,1988,22(12):1473~1481HenningSJ,FredeOA.Importanceoftemperature,nitrate,andpHforphosphorusreleasefromaerobicsedimentsoffourshallow,eutrophiclakes.LimnologyOceanography,1992,37(3):557~589隋少峰,羅啟芳.武漢東湖底泥釋磷特點.環(huán)境科學(xué).2001,22(1):102~105汪加權(quán).巢湖底泥的磷的釋放模擬實驗研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報.2002,22(6):738~742GachterR,MeyerJ,etal.Contributionofbacteriatorelea