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水污染治理 武汉小南湖沉积物中不同形态磷的空间分布特征

江汉大学学报自然科学版2018-06-12 13:45:57


武汉小南湖沉积物中不同形态磷的空间分布特征


作者杨安平 1,耿红 2,吴来燕 2(1. 湖北省环境监测中心站,湖北 武汉 430072;2. 中南民族大学 资源与环境学院,湖北 武汉 430074)

摘    要

研究了城市富营养化湖泊小南湖沉积物中不同赋存形态磷的水平空间变化和垂直方向分布。研究表明小南湖沉积物属于重度富营养状态,全湖区表层(0 ~ 20 cm)沉积物总磷(TP)的平均含量高达3. 29 g/kg,其中位于污水处理厂附近的3#点ω(TP)高达6. 42 g/kg,且表现出明显的表层富集现象。采用SMT法分析了沉积物中磷的赋存形态,其中无机磷(IP)是主要组成形式,含量为0. 15 ~ 2. 85 g/kg,约占ω(TP)的70%。受氧化还原条件影响,ω(IP)/ ω(TP)的比例随着沉积物深度增加而减少。金属结合态磷以铁铝结合态(Fe/Al-P)为主,其含量在0. 21 ~ 3. 47 g/kg,而钙磷含量为0. 09 ~ 1. 42 g/kg,铁铝结合态磷的含量占总磷比例的60%以上。沉积物中的磷是主要的内源磷负荷,而无机磷是沉积物中可直接利用的磷形态,Fe/Al-P也是生物利用性较高的磷形态。小南湖沉积物属于释放风险较大的內源磷负荷,在将来的湖泊治理过程中应考虑合适的方法处理。


关键词

南湖;沉积物;垂直分布;内源负荷



近年来,由于工农业生产及人类生活中氮、磷等营养元素的大量排放,我国湖泊的富营养化日趋严重。据研究,磷元素是我国大多数湖泊富营养化的限制性营养盐[1],是湖泊中初级生产力的主要限制因子之一,过量的磷会引起浮游植物急剧增长,影响湖泊水质及降低生物多样性。研究发现,随着水环境管理的完善和生活模式的变革,外源输入被控制后,内源负荷如沉积物是湖泊仍然持续富营养化状态的主要原因[2-3]。沉积物是磷的重要蓄积库,它在承担对上覆水环境净化功能的同时,沉积物中的磷会不断向上覆水释放,加速湖泊富营养化。已有研究表明沉积物磷的释放能力与其赋存形态有关,对湖泊富营养化的贡献也不同[4-7]。沉积物中能参与界面交换及生物可利用的磷含量取决于沉积物中磷的赋存形态,松散结合态的有机形态的磷、无机形态的磷、铁结合态的磷以及还原敏感性的磷更容易导致内源磷的释放[8-10]。黄清辉等[11]和孟凡德等[12]对长江中下游湖泊沉积物的理化性质研究发现,沉积物的理化性质在不同湖泊之间差异较大,并且与湖泊污染程度密切相关。国内对太湖、巢湖、滇池、洱海等大中型湖泊沉积物中磷的垂直分布、沉积物- 水体界面氮磷营养物交换、沉积物磷释放的模拟及环境影响因子对沉积物磷释放的影响等已有较多研究,而对内陆小型湖泊的研究较少。

武汉南湖位于武昌西南部,除了受生活污水污染,周边还存在畜禽养殖、围网鱼箱等污染源。2006年开展了南湖截污先期工程,对外源磷采取了控制措施,笔者调查了截污后小南湖主要的内源磷-沉积物磷的空间分布,分析了沉积物中磷的赋存形态及分布特征。通过比较不同赋存形态磷的的垂直分布,分析南湖沉积物中磷元素的来源及影响因素,研究小南湖内源磷释放的机制和过程,为沉积物中营养元素的去除和治理工作提供研究思路与科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

为研究沉积物磷赋存形态垂直方向分布特征,根据污染物来源及沉积特征等因素,以南湖范围内较为独立的小南湖为研究对象,采集5 个沉积柱,采集0~100 cm 沉积物样品,0~50 cm 深度每隔5 cm分样,50~100 cm 深度按10 cm 分层。将采集的样品现场装入塑封袋置于恒温箱内( 4 ℃),带回实验室冷冻干燥,研磨、过筛备用。采样点具体位置见图1。

1.2 实验方法

各级磷含量采用欧洲标准测试测量组织(The Standards of Measurements and Testing Programme of the European Commission)所建立的SMT 方法测定[13]。按照分级提取方法,分为3. 5 mol/L 盐酸提取,即SMT 法定义的总磷(TP)、无机磷(IP)和有机磷(OP)、氢氧化钠提取磷(NaOH-P)以及盐酸提取磷(HCl-P)3 级提取,每个样品重复测定3 次。提取液中磷采用钼酸盐分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 沉积物中磷的水平分布

小南湖表层(0 ~ 20 cm)沉积物中不同形态磷的空间分布如图2所示,沉积物中的总磷含量反映了湖泊的营养化程度,将小南湖和其他一些湖泊的总磷含量进行比较(见表1),小南湖的表层沉积物总磷含量在0. 33 ~ 6. 42 g/kg之间变化,ω(TP)平均含量3. 29 g/kg,远高于其他湖泊。其中龙王嘴污水处理厂(3#)的总磷含量最高,约为南湖大道(2#)的20倍,3#点沉积物淤积程度严重,沉积物形态弥散且厚度超过1 m,泥水混合团容易受降水、风等扰动而扩散。中南财经政法大学截污口(1#)和中南民族大学截污口(5#)沉积物中的总磷含量与大南湖幸福村截污口相当,略高于其他截污口[14]。根据加拿大安大略省环境和能源部发布的沉积物中能引起生态毒性效应的标准[15],只有2#点的ω(TP)低于最低级别阈值0. 62 g/kg,不具备生态毒性效应,其他均超过最高级别生态毒性效应阈值2. 06 g/kg,最高含量超近3倍。

沉积物中磷的赋存形态与其迁移能力有关,也是沉积物与水体中磷元素吸附和释放动态行为的重要影响因素。由图2 可知,无机磷是磷的主要赋存形态,ω(IP)在0. 23 ~ 4. 30 g/kg 之间,平均值为2. 33 g/kg,含量分布趋势同ω(TP)。ω(OP)分布在0. 21 ~ 0. 83 g/kg 之间,平均值为0. 57 g/kg,1#点的ω(OP)反而高于3#。,ω(IP)占ω(TP)的67% ~ 78%(平均71%),约为ω(OP)的1. 11 ~ 6. 04倍。无机磷是沉积物中较为活跃的磷形态,可直接释放到水体,是水体磷的直接来源,而有机磷需经一定的物化反应转化为无机磷而进一步释放,有机磷也是水体磷的重要储备。因此,小南湖的沉积物中的内源磷负荷较高,且释放概率大。

SMT 法中氢氧化钠提取磷(NaOH-P)及盐酸提取磷(HCl-P)分别以铁铝结合态磷(Fe/Al-P)和钙结合态磷(Ca-P)为主。由图2 可知,ω(Fe/Al-P)平均含量为2. 13 g/kg,最高达3. 47 g/kg,沉积物中ω(Ca-P)为0. 09 ~ 1. 42 g/kg。Fe/Al-P 主要是颗粒物中被铁、铝水合氧化物吸附的磷和一部分铁铝磷酸盐[22],易受到氧化还原电位的影响而释放[23],这部分不稳定的或者弱结合态的磷属于潜在的活性磷,易于被生物利用。而Ca-P主要指与钙结合的磷灰石磷、生物骨骼、沉积碳酸钙等惰性磷和有机磷,生物可利用性低[24]。小南湖沉积物中磷以Fe/Al-P为主,占ω(TP)的54. 0% ~ 82. 8%,其含量约为Ca-P的3倍,生物可利用磷含量高,在一定条件下容易被生物利用,暴发藻华。

2.2 沉积物不同形态磷的垂直分布

图3 是小南湖5 个沉积柱中的总磷含量的垂直分布图,TP 在垂直方向上呈阶段性变化,具有明显的表层富集效应,0 ~ 30 cm 的沉积物中的TP 含量较高且波动显著,随沉积物深度增加而降低,3#、4#点ω(TP)降幅超过了70%,其他点位变化缓慢。达到一定深度(> 30 cm)后,ω(TP)相对稳定,但到50 cm左右平均含量仍达到0. 66 g/kg,表明沉积物中整体营养水平较高,是水体中稳定的释放源。沉积物中TP 主要集中在表层,其中垂直方向上变化最剧烈的是3#点,其次是4#点,可能受点源影响较大。这种表层富集作用与人为干扰有关[5]

沉积物中其他赋存形态磷含量的垂直方向分布与总磷基本一致(图4)。ω(IP)在0. 15 ~ 2. 86 g/kg之间,与ω(TP)呈极显著正相关( R2 =0. 992,P <0. 01),沉积物柱状样中ω(OP),为0. 12 ~ 0. 71 g/kg,与ω(TP)有极显著相关关系(R2 =0. 964, P <0. 01),ω(OP)的比例随沉积物深度增加逐渐增加,即下层沉积物的磷形态受外界影响较小,与沉积物形成的先期组成有关。而上层沉积物容易受外界变化而影响,如水体扰动、外源污染、氧化还原环境变化、各种底栖生物或者微生物的作用等,使得有机磷和无机磷间相互转化。小南湖鲜见沉水植物,这更利于有机磷的形成和蓄积。沉积物中(Fe/Al-P)和ω(Ca-P),均与ω(TP)呈极显著正相关( R2 =0. 978,P <0. 01;R2 =0. 958,P <0. 01),ω(Fe/Al-P)随沉积物深度增加而增大,小南湖水体属于重度富营养化,水体溶氧低(< 6 mg/L),形成厌氧环境,氧化还原电位降低,底质中铁锰氧化物溶解,释放出的Fe2+对磷有较强的吸附能力,因此在沉积物铁磷所占的比例往往较大[25] ,Al-P 在氧化还原环境改变的情况下可以转化为可溶性磷进入水体,其比例改变会影响到藻的生长[26]。沉积物中ω(Fe/Al-P)的迁移转化是内源释放的重要途径[27]

3 结论

小南湖沉积物中总磷在水平分布上有较大差异,其中靠近污水处理厂3#点的沉积物可能因点源污染总磷含量最高,由于与大南湖相连,2#点磷含量最低。沉积物受人为影响较大,沉积物的垂直方向分布表现为明显的表层富集,小于30 cm 深度的沉积物中各种磷形态含量均较高,且随深度的增加递减,在深度大于35 cm 时,磷含量趋于稳定,但仍高于国内其他湖泊。

沉积物中的不同赋存形态磷含量与总磷呈显著正相关,以直接可被利用的无机磷为主,占总磷的70%以上,同时由于小南湖水体有机物含量高,溶氧低,形成厌氧环境,具有生物活性的Fe/Al-P易于释放,含量较高。因此,小南湖沉积物以各种活性较强的磷形态为主,不断向上释放,为水体和生物提供营养元素,磷的内源释放风险较大。


基金项目:国家自然科学基金青年项目(21307164);中央高校基本科研业务费专项资金自科一般项目(CZY17016)


文献来源:杨安平,耿红,吴来燕. 武汉小南湖沉积物中不同形态磷的空间分布特征[J]. 江汉大学学报(自然科学版), 2017, 45(5): 400-405.                                                                                                                    

DOI10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2017.05.003