南四湖沉積物-水體界面氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究.pdf

1、湖泊沉積物中氮和磷的賦存形態(tài)、分布特征和遷移轉(zhuǎn)化行為對(duì)于湖泊的生態(tài)功能和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)具有重要作用，南四湖是我國(guó)北方最大的淡水湖泊，作為南水北調(diào)東線工程的重要輸水通道和調(diào)蓄湖泊，其富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題時(shí)刻威脅著輸水水質(zhì)的安全。本文以南四湖為例，重點(diǎn)研究了南四湖表層沉積物和水體中氮磷賦存形態(tài)、分布特征、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和磷的生物有效性。
　　分別采用土壤分析方法和改進(jìn)后的化學(xué)連續(xù)提取法研究了不同賦存形態(tài)的氮和磷在上覆水和不同沉積物深

2、度(0-50cm)下的分布特征，并分析了氮和磷的不同賦存形態(tài)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，南四湖表層沉積物總氮(TN)含量在373.72～745.86mg·kg-1之間，以氨態(tài)氮(NH4+-N)為主，占總氮的65.3～76.0％，亞硝態(tài)氮(NO2--N)含量最低，不足總氮的1％;其中，NO2--N隨沉積物深度增加而增加，硝態(tài)氮(NO3--N)在各個(gè)深度下分布較為穩(wěn)定，變化不大。而NH4+-N在不同深度下分布特征與TN的分布具有較高的相關(guān)性，相

3、關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，TN在入湖口處與湖心處含量差異較大，最大差異達(dá)到40％以上。
　　表層沉積物中總磷(TP)含量在190.96～799.39mg·kg-1之間，變化范圍較大，總磷含量隨這水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)過(guò)程呈現(xiàn)出周期性的變化。其中，可交換態(tài)磷(Ex-P)的主要來(lái)源是水生動(dòng)植物衰亡細(xì)胞的降解和一部分鈣結(jié)合磷Ca-P的轉(zhuǎn)化，其濃度高低與湖泊水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)周期聯(lián)系緊密，含量變化較大，占TP的1.48～18.4％，平均為4.52％。

4、鋁結(jié)合磷(Al-P)在沉積物中質(zhì)量濃度的大小與湖泊地質(zhì)環(huán)境和湖泊水體酸堿度有關(guān)，并且會(huì)緩慢轉(zhuǎn)化為鐵結(jié)合磷(Fe-P)，在南四湖表層沉積物中含量最低，僅占TP的0.4～1.3％。鐵結(jié)合磷(Fe-P)在TP中所占比例為4.25～49.0％，主要來(lái)自湖泊周邊生活污水和工業(yè)廢水的輸入，在有氧條件下，F(xiàn)e3+易與磷結(jié)合并形成磷酸鹽沉淀，成為沉積物中潛在的磷源。在缺氧條件下，難溶態(tài)的Fe(OH)3轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)的Fe(OH)2，使大量的Fe-P進(jìn)入湖

5、泊水體中，加速湖泊富營(yíng)養(yǎng)化。閉蓄態(tài)磷(Oc-P)作為一種難以被生物利用的磷，在TP中其所占比例為3.9～26.0％，其質(zhì)量濃度一方面與湖泊沉積物性質(zhì)、早期成巖作用等有關(guān)，另一方面受動(dòng)植物殘?bào)w被土壤微生物等分解、吸收的影響。自生磷(De-P)則來(lái)自于一些難溶性的磷酸鈣礦化物等湖泊沉積物早期成巖作用的產(chǎn)物，穩(wěn)定度較高，在TP含量中占10.8～45.3％。鈣結(jié)合磷(Ca-P)是南四湖沉積物中無(wú)機(jī)磷的主要賦存形態(tài)，占10.0～47.6％，大部分

6、以鈣的磷酸鹽形式存在，與Fe-P類似，Ca-P也是湖泊沉積物中一個(gè)潛在的磷源。有機(jī)磷(Or-P)則包括了由生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染和工業(yè)廢水排放帶來(lái)的難降解性有機(jī)磷和來(lái)自于水生動(dòng)植物殘?bào)w的可降解行有機(jī)磷，含量較低，占TP含量的10.0～47.6％。
　　采用靜態(tài)試驗(yàn)方法研究了氮和磷的吸附釋放特性以及溫度、pH等環(huán)境因子對(duì)其吸附釋放的影響，試驗(yàn)表明南四湖表層沉積物對(duì)氮和磷的吸附過(guò)程滿足準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，釋放動(dòng)力學(xué)曲線則可以用一級(jí)動(dòng)力學(xué)

7、方程式描述，同時(shí)氮磷的吸附等溫線也分別存在較好的線性相關(guān)關(guān)系。表層沉積物對(duì)氮和磷的吸附量隨著溫度的升高而明顯增加，NH4+-N、NO3--N在25℃下的吸附量是5℃下的5倍以上;在弱堿性環(huán)境下，Ex-P、Al-P和Fe-P等釋放量明顯高于中性或弱酸性環(huán)境;水力擾動(dòng)對(duì)Ca-P、De-P等物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的磷形態(tài)的釋放有著促進(jìn)作用;Or-P和Oc-P的釋放受到溫度的影響較為顯著。當(dāng)沉積物發(fā)生磷的釋放作用時(shí)，Ex-P、Al-P、Fe-P和Ca

8、-P等活性或具有潛在活性的賦存形態(tài)是其釋放來(lái)源;而當(dāng)沉積物發(fā)生磷的吸附作用時(shí)，吸附到沉積物表面的磷多以Ex-P、Al-P和Fe-P形態(tài)存在;Oc-P、De-P和Or-P性質(zhì)穩(wěn)定，在特定條件下會(huì)發(fā)生釋放作用進(jìn)入上覆水中或是轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)的磷附著于沉積物上。
　　由于湖泊沉積物中磷的賦存形態(tài)較多，且對(duì)淡水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題起到主要限制作用，試驗(yàn)著重研究了沉積物中磷的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。試驗(yàn)表明Ex-P在表層沉積物上層多通過(guò)擴(kuò)散作用隨沉積物間隙

9、水進(jìn)入上覆水中，隨著深度的增加這種擴(kuò)散作用明顯減弱，在沉積物下層中Ex-P多轉(zhuǎn)化為Al-P、Fe-P甚至Oc-P等形態(tài)吸附在沉積物顆粒中。表層沉積物上層Ex-P的釋放作用對(duì)上覆水TP濃度升高起到積極的促進(jìn)作用，是沉積物磷進(jìn)行釋放的最主要形態(tài)。Fe-P作為表層沉積物中涉及遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程最為復(fù)雜的磷的賦存形態(tài)，對(duì)上覆水TP濃度的變化起到至關(guān)重要的指示作用，F(xiàn)e-P不但可以轉(zhuǎn)化為Ex-P和Al-P進(jìn)行釋放，而且可以在一定的環(huán)境條件下轉(zhuǎn)化為更加

10、穩(wěn)定的Oc-P和Ca-P聚集在沉積物中，并且通過(guò)自身的氧化還原作用分別起到引起Fe-P進(jìn)行釋放或沉降的不同結(jié)果。
　　Ex-P、Al-P、Fe-P和Ca-P都是上覆水有效磷的重要來(lái)源。其中，溶解態(tài)、弱吸附態(tài)的Ex-P、顆粒態(tài)的Al-P和吸附態(tài)、顆粒態(tài)的Fe-P是具有生物有效性的磷形態(tài)，可以被水生植物直接利用，而顆粒態(tài)的Ca-P則被水生植物或微生物轉(zhuǎn)化或吸收后而具有有效性。隨著南四湖外源磷的輸入得到控制和削減時(shí)，沉積物變成了湖泊磷元