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)化行為對于湖泊的生態(tài)功能和湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)具有重要作用，南四湖是我國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，其富營養(yǎng)化和生態(tài)風(fēng)險問題時刻威脅著輸水水質(zhì)的安全。本文以南四湖為例，重點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植物的生長過程呈現(xiàn)出周期性的變化。其中，可交換態(tài)磷(Ex-P)的主要來源是水生動植物衰亡細(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植物的生長周期聯(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)，另一方面受動植物殘體被土壤微生物等分解、吸收的影響。自生磷(De-P)則來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機磷的主要賦存形態(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潛在的磷源。有機磷(Or-P)則包括了由生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染和工業(yè)廢水排放帶來的難降解性有機磷和來自于水生動植物殘體的可降解行有機磷，含量較低，占TP含量的10.0～47.6％。
　　采用靜態(tài)試驗方法研究了氮和磷的吸附釋放特性以及溫度、pH等環(huán)境因子對其吸附釋放的影響，試驗表明南四湖表層沉積物對氮和磷的吸附過程滿足準(zhǔn)二級動力學(xué)方程，釋放動力學(xué)曲線則可以用一級動力學(xué)

7、方程式描述，同時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;水力擾動對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，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)是其釋放來源;而當(dāng)沉積物發(fā)生磷的吸附作用時，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，且對淡水湖泊富營養(yǎng)化問題起到主要限制作用，試驗著重研究了沉積物中磷的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。試驗表明Ex-P在表層沉積物上層多通過擴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)化過程最為復(fù)雜的磷的賦存形態(tài)，對上覆水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，沉積物變成了湖泊磷元