太湖沉積物氮磷吸附解吸的溫線特征及相關(guān)性分析

太湖沉積物氮磷吸附解吸的溫線特征及相關(guān)性分析

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)湖泊和水庫(kù)面臨的主要環(huán)境問題。當(dāng)捕捉水域中氮、磷的過量時(shí)，湖泊中的藻類大量繁殖，導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化。進(jìn)入湖泊水域的營(yíng)養(yǎng)成分通過物理、化學(xué)和生物過程積累，成為湖泊氮和磷的內(nèi)源[1.3]。同時(shí)，污染物在沉積物和間隙之間之間進(jìn)行著持續(xù)的平衡和交換。當(dāng)覆蓋水體中氮、磷含量較低時(shí)，沉積物中的養(yǎng)分通過吸收和轉(zhuǎn)化而轉(zhuǎn)化為水相，成為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的內(nèi)源。結(jié)果表明，沉積物中氮、磷等養(yǎng)分的釋放對(duì)太湖的富營(yíng)養(yǎng)化起到了不可忽視的作用?？偭祝╰p）污染負(fù)荷達(dá)到48.36%，總氮（tn）污染負(fù)荷達(dá)到26.59%。因此，捕捉沉積中氮、磷的固碳和稀釋對(duì)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化研究非常重要。目前對(duì)沉積物吸附/解吸方面的研究主要集中在吸附動(dòng)力學(xué)、線性擬合、吸附等溫線及其沉積物吸附/解吸的影響因素等方面[10~14],但對(duì)湖泊進(jìn)行系統(tǒng)綜合采樣,用于全面了解氮磷吸附/解吸平衡點(diǎn)并將其與上覆水中氮磷濃度相聯(lián)系的研究還較少.本研究通過對(duì)太湖的大量樣品的吸附/解吸實(shí)驗(yàn)來確定太湖各湖區(qū)沉積物的“源”“匯”狀況,并對(duì)沉積物氮磷吸附/解吸平衡點(diǎn)濃度與其它相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,以期為建立我國(guó)湖泊沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)以及底泥疏浚深度的確定提供數(shù)據(jù)支撐.1材料和方法1.1n、133333232323323233434343434343444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444太湖位于長(zhǎng)江三角洲南緣,30°55′42″~31°33′50″N、119°53′45″~120°36′15″E之間,全湖水面面積2338km2,是我國(guó)第三大淡水湖,屬典型的大型淺水湖泊.1.2沉積物樣品采集和分析用柱狀采樣器(BEEKER,Eijkelkamp,NL,ue788=12cm)于2009年10月分別在太湖采集上覆水和表層10cm的沉積物樣品,共90個(gè),樣品用冷凍保溫箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.所有采樣點(diǎn)點(diǎn)位采用GPS進(jìn)行定位,具體位置見圖1.水樣采集后24h內(nèi)測(cè)定氨氮(NH4+-N)和溶解性無機(jī)磷(DIP).取250g新鮮沉積物樣品于10000r/min離心10min獲得間隙水,過0.45μm混合纖維濾膜,濾液4℃冷藏保存,待測(cè).另取10g新鮮沉積物樣品測(cè)定含水率.沉積物經(jīng)冷凍干燥、研磨、過100目篩后保存于封口袋中備用.1.3測(cè)量1.3.1上覆水/水中含氮含量lm用氯化銨分別配置氮的濃度梯度:0.00、0.15、0.20、1.00、1.50、2.00、4.00、8.00mg/L.按水土質(zhì)量比100∶1加入沉積物和不同濃度的含氮溶液.25℃下振蕩2h,離心(5000r/min,5min),取上清液過0.45μm混合纖維濾膜后測(cè)定上覆水中NH4+-N濃度.1.3.2無機(jī)磷濃度的測(cè)定用磷酸二氫鉀配制磷的濃度梯度:0.000、0.010、0.020、0.025、0.050、0.100、0.200、0.400、0.800mg/L.按水土質(zhì)量比100∶1加入沉積物和不同濃度的含磷溶液.于25℃下振蕩48h,離心(5000r/min,5min),取上清液過0.45μm混合纖維濾膜后測(cè)定上覆水中溶解性無機(jī)磷(DIP)濃度.1.4吸附/解吸平衡濃度的計(jì)算單位質(zhì)量沉積物的吸附量Q(g/kg)根據(jù)下式計(jì)算:式中,V為加入樣品中的溶液體積(L);W為沉積物干樣的重量(g);c0為原溶液中氮磷濃度(mg/L);ce為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后溶液中氮磷濃度(mg/L).利用回歸法即可計(jì)算出吸附/解吸平衡濃度[沉積物對(duì)氮或磷的吸附量為0(g/kg)時(shí),溶液中NH4+-N或DIP的濃度,分別用EC0和EPC0表示].當(dāng)溶液濃度較低時(shí):式中,Q為吸附量(mg/kg);ce為平衡質(zhì)量濃度(mg/L),NAP為沉積物本底吸附態(tài)氮磷(mg/kg),m為斜率(L/kg),可用來衡量沉積物對(duì)氮磷的吸附效率.上覆水和間隙水中NH4+-N采用納氏試劑比色法,DIP采用磷鉬藍(lán)比色法測(cè)定,所有樣品分析均做3次重復(fù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以3次樣品的平均值表示(3次分析結(jié)果的誤差范圍<5%),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2007、SPSS16.0以及ArcGIS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、多元回歸和插圖制作.2結(jié)果與分析2.1廢水的吸附特性沉積物中的有機(jī)氮可通過礦化作用分解為NH4+-N,再通過交換作用進(jìn)入水體即沉積物作為上覆水氮的“源”;上覆水中的NH4+-N也可反向進(jìn)入沉積物,在沉積物中積累,即沉積物作為上覆水氮的“匯”.在這種交換過程中氮主要以NH4+-N的形式存在.各個(gè)湖區(qū)表層沉積物對(duì)氮的吸附量與初始溶液濃度(c0)進(jìn)行線性回歸,見圖2.c0與實(shí)驗(yàn)所得到的吸附量呈很好的線性關(guān)系,與Rysgaa、翟麗華等的研究結(jié)果一致.在水體的初始氮濃度較低時(shí),沉積物無一例外地表現(xiàn)出解吸氮;隨著溶液濃度的增加,沉積物逐漸對(duì)上覆水中NH4+-N進(jìn)行吸附.從圖2可以看出各個(gè)湖區(qū)的沉積物對(duì)NH4+-N都有較強(qiáng)的吸附能力.通過吸附等溫方程求得氨氮的平衡濃度(EC0),本實(shí)驗(yàn)中得到的各湖區(qū)最大、最小和平均EC0見表1.太湖沉積物EC0變化較大,最小是0.04mg/L,出現(xiàn)在西岸區(qū)北段;最大值7.34mg/L,出現(xiàn)在東太湖,這主要是因?yàn)槌练e物TN與EC0顯著相關(guān).當(dāng)湖泊上覆水氮濃度>0.20mg/L時(shí),被認(rèn)為是富營(yíng)養(yǎng)化水體,除了貢湖和西岸區(qū)北段2個(gè)采樣點(diǎn)外,其他采樣點(diǎn)的氨氮EC0濃度均大于0.20mg/L,因此富營(yíng)養(yǎng)化水體中,沉積物在與上覆水進(jìn)行氮交換時(shí)仍然存在氮的釋放,這與范成新等對(duì)夏季太湖沉積物釋放的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.從平均值來看,全太湖的氨氮EC0遠(yuǎn)大于上覆水中氨氮的濃度,因此本實(shí)驗(yàn)表明,太湖沉積物在與上覆水體進(jìn)行氮交換過程中,會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于“源”的角色.就各個(gè)湖區(qū)而言,受外源污染比較嚴(yán)重的水域,如東太湖、竺山灣、梅梁灣、西岸區(qū)南段等,由于這些湖區(qū)不斷接受外界輸入的有機(jī)污染顆粒物,它們?cè)跊]有分解的條件下沉積在湖底,從而使這些湖區(qū)表層沉積物的氮含量較其他湖區(qū)高,導(dǎo)致這些湖區(qū)的氨氮EC0較其他湖區(qū)高.2.2初始磷濃度對(duì)沉積物吸附的影響在湖泊中,磷被認(rèn)為是對(duì)水體浮游藻類自然生長(zhǎng)起限制性作用的因子之一.在外源輸入得到有效控制情況下,控制湖泊沉積物中磷的釋放所造成的“二次污染”是控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的有效手段.DIP能夠很快地被植物和其它水生植物吸收,因此了解DIP的吸附/解吸情況具有十分重要的意義.改變?nèi)芤褐辛椎臐舛?對(duì)各個(gè)湖區(qū)表層沉積物對(duì)磷的吸附量和初始溶液濃度進(jìn)行線性回歸,結(jié)果見圖3.與氨氮相似,在初始磷濃度較低時(shí),沉積物表現(xiàn)出解吸磷;隨著溶液濃度的增加,沉積物逐漸吸附上覆水體的磷.初始濃度(c0)與吸附量線性關(guān)系很好.從圖3可以看出各個(gè)湖區(qū)的沉積物對(duì)DIP都有較大的吸附能力.通過吸附等溫方程求得磷的EPC0,表2列出了本實(shí)驗(yàn)中得到的各湖區(qū)沉積物的最大、最小和平均EPC0.如表2所示,各湖區(qū)EPC0差別較大,最大值為0.47mg/L,出現(xiàn)在竺山灣;最小值為0.01mg/L,出現(xiàn)在湖心北區(qū).從表2可以看出,上覆水中DIP的平均濃度遠(yuǎn)小于EPC0,從全湖水平來看可以初步推斷出各個(gè)湖區(qū)的沉積物都向上覆水體釋放磷,沉積物是湖泊上覆水體中磷的“源”,與龐燕等的研究結(jié)果相同.與氮相同,受外源污染比較嚴(yán)重的水域,如東太湖,竺山灣、梅梁灣、西岸區(qū)南端等,它們的EPC0較高.3上覆水體營(yíng)養(yǎng)鹽的來源及其吸附態(tài)氮磷等活性成分的篩選當(dāng)氨氮的EC0和沉積物可交換態(tài)NH4+-N(R2=0.68,p<0.01)、間隙水中NH4+-N(R2=0.74,p<0.01)均達(dá)到顯著相關(guān)(p<0.01),相關(guān)結(jié)果見圖4(a)和4(b),沉積物中的有機(jī)氮會(huì)通過礦化作用分解成NH4+-N,通過間隙水?dāng)U散到上覆水體,間隙水與上覆水中氮濃度的差使沉積物中的氮可向上覆水體擴(kuò)散,故間隙水、沉積物中NH4+-N與EC0相關(guān)性顯著.沉積物的EPC0與間隙水DIP(R2=0.65,p<0.01)顯著相關(guān),相關(guān)結(jié)果見圖4(c).根據(jù)太湖的野外調(diào)查,沉積物間隙水中的氮、磷濃度較上覆水高數(shù)十倍,從而形成了從沉積物向上覆水的濃度梯度,促使?fàn)I養(yǎng)鹽能夠向上覆水體釋放;同時(shí)DIP是沉積物中較為活躍的組成部分,很容易通過間隙水進(jìn)入上覆水體,這就解釋了EPC0與間隙水中DIP顯著相關(guān)的原因,說明沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽是通過間隙水進(jìn)入到上覆水體,成為上覆水體磷的營(yíng)養(yǎng)源的一個(gè)過程.從總體上看,太湖沉積物是上覆水體氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的“源”,也就是說沉積物自身存在的吸附態(tài)氮磷是上覆水體營(yíng)養(yǎng)鹽的一個(gè)重要來源.通過對(duì)各個(gè)湖區(qū)的平均吸附量與吸附/解吸平衡濃度進(jìn)行線性擬合,求出其本底吸附態(tài)氮磷和吸附效率,對(duì)其進(jìn)行分析,結(jié)果見表3、4.其中胥口灣的本底吸附氮量最小,為7.17mg/kg,東太湖最大,為58.51mg/kg,全湖平均本底吸附氮量為23.55mg/kg;胥口灣對(duì)磷的本底吸附量最小為4.99mg/kg,而東太湖最大,為18.70mg/kg,全湖平均本底吸附磷量為11.72mg/kg,并且?guī)缀跛惺芡庠次廴据^嚴(yán)重的湖區(qū)如:竺山灣、梅梁灣、東太湖等均表現(xiàn)出較高的本底吸附態(tài)氮磷量,可能是由于這些外源污染物在進(jìn)入水體后來不及降解而直接累積到沉積物中,從而使沉積物保持較高的本底吸附態(tài)氮磷,從而使其成為上覆水體氮磷的“源”.相反,如湖心和湖心南區(qū)等遠(yuǎn)離外源性污染物輸入的清潔湖區(qū),其本底吸附態(tài)氮磷值較小.為了深入探討沉積物氮、磷的吸附/解吸特征,對(duì)其EC0、本底吸附量、吸附效率、沉積物TN、TP和氨氮進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果見表4.從表4中可以看出,表征氮吸附能力的氮吸附效率與其他指標(biāo)都沒有相關(guān)性,說明沉積物對(duì)上覆水體中氮的吸附效率不受沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽含量的影響.沉積物中氮的NAP與各個(gè)指標(biāo)相關(guān)性顯著,即污染程度越高,本底吸附態(tài)氮的含量也越高;而磷的NAP沒有明顯的相關(guān)性,這與Lijklema的研究結(jié)果不一致,可能磷的本底吸附態(tài)磷除受沉積物中TN、TP影響外還受有機(jī)質(zhì)、CEC、粒度等物理因素的影響.氮磷的吸附/解吸平衡濃度與各自的NAP顯著相關(guān),可見沉積物自身的內(nèi)源性氮磷是決定氮磷吸附/解吸平衡濃度的一個(gè)重要因素.水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平很大程度上是由于底泥向水體釋放營(yíng)養(yǎng)元素氮、磷所致.研究發(fā)現(xiàn),磷在沉積物上的吸附等溫線是穿過濃度坐標(biāo)而不是通過原點(diǎn)的“交叉式”的,由此可以看出沉積物既可從上覆水中吸附磷也可向上覆水釋磷.這種“源”、“匯”的角色可通過磷的EPC0來判別.在對(duì)磷的EPC0與上覆水中DIP的對(duì)比中發(fā)現(xiàn),整個(gè)太湖在10月總體上處于“源”的角色.氮也具有同樣的特性,總體上太湖沉積物氮也向上覆水體釋放.這與金相燦等研究的梅梁灣地區(qū)沉積物在秋季以釋放為主相同.太湖沉積物對(duì)氮的平均吸附效率為23.14L/kg,湖心對(duì)氮的吸附效率最大為27.70L/kg,胥口灣區(qū)的吸附效率最低為9.37L/kg,說明太湖各個(gè)湖區(qū)對(duì)氮的吸附能力差別不大.對(duì)于磷來說,太湖沉積物的平均吸附效率為102.09L/kg,東太湖的吸附效率最大為128.11L/kg,胥口灣最小為67.57L/kg,可以看出各湖區(qū)對(duì)磷的吸附能力差別很大.4單因素吸附/解吸平衡平衡(1)在低濃度梯度區(qū)間內(nèi),沉積物氮磷的吸附/解吸等溫線呈很好的線性關(guān)系.全湖氨氮的EC0平均為1.10mg/L;磷的平均