湖泊底泥中磷形态及分布特征研究.pdf

湖泊底泥中磷形态及分布特征研究 鲁群1李秀2李湘梅1 1. 华中科技大学文华学院， 武汉 430074; 2. 武汉职业技术学院， 武汉 430074 摘要 对湖泊底泥磷进行研究分析， 结果表明 沉积物 PO3 － 4 含量约为350 mg/kg; 有机磷 Or- P 含量约为226. 19 mg/kg， 无机磷 Fe- P、 Ca- P 分别为 112. 23 ～166. 14 mg/kg， 115. 42 ～130. 11 mg/kg， 底泥中各形态磷的平均浓度由高到低顺序 为 Or- P ＞ Fe- P ＞ Ca- P ＞ De- P ＞ Ex- P ＞ Oc- P ＞ AI- P; 对不同形态磷进行相关性分析， 结果表明 TP 与 IP、 Fe- P 和 Ex- P 相 关性显著; 底泥生物有效磷含量为 312. 65 ～410. 16 mg/kg; 上覆水 TP 与沉积物 TP 浓度也存在一定相关性。 关键词 湖泊底泥; 磷形态; 分布 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404031 THE STUDY ON DISTＲIBUTION CHAＲACTEＲISTICS OF PHOSPHOＲUS IN THE LAKE SEDIMENT Lu Qun1Li Xiu2Li Xiangmei1 1. Wenhua College，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2. Wuhan Vocational and Technical College，Wuhan 430074，China AbstractStudy and analysis of the phosphorus in the lake sediment showed that the content of PO3 － 4 in sediment was about 350 mg/kg，organophosphorus Or- p about 226. 19 mg/kg， and inorganic phosphorus Fe- P，Ca- P showed a content range of 112. 23 mg/kg to 166. 14 mg/kg and 115. 42 mg/kg to 130. 11 mg/kg， respectively． Average concentration of various s of phosphorus in sediment from high to low order was as belowOr- P ＞ Fe- P ＞ Ca- P ＞ De- P ＞ Ex- P ＞ Oc- P ＞ AI- P;Correlation analysis was carried out on the different s of phosphorus，the result showed that TP and IP，Fe- P and Ex- P significantly related;and the content of biological effective phosphorus in sediment was of 312. 65 mg/kg to 410. 16 mg/kg;TP overlying water and concentration of TP in sediment also existed certain relevance． Keywordslake sediment;phosphorus;distribution 收稿日期 2013 －06 －17 0引言 国内外研究表明氮磷是限制湖泊生产率关键营 养物， 是导致湖泊富营养化的重要因素［1- 3 ］。在沉积 物中磷主要以无机态和有机态存在， 不同形态磷在释 放规律和生物有效性方面有较大差别， 对水体富营养 影响程度也有极大不同［4 ］。因此， 水体底泥中磷形态 特征的研究有助于认识内源磷负荷机制和沉积物 － 水 界面营养盐的交换机制， 对底泥磷潜在释放能力的预 测具有重要意义。自 20 世纪 70 年代以来， 底泥形态 的调查分析已成为世界各国富营养化湖泊治理过程 必须的研究项目。底泥中磷的形态分布研究起始于 土壤农学中关于磷形态研究， 并总结出来了较为成熟 的提取和分析方法。目前最理想、 最成熟的还是化学 连续提取法。本实验对 Ｒuttenberg 提取法中的缺陷 进行改进， 将土壤农学中铁结合磷、 铝结合磷以及闭 蓄态磷的分级提取技术引入该方法。 1实验部分 1. 1底泥样品的采集 如图 1 所示， 本实验的底泥样品取自湖北武汉喻 家湖。该湖总面积约 0. 44 km2， 平均水深 2. 2 m， 最 大深度 5 m， 是武汉典型的城郊浅水型湖泊。近年 来， 随着沿湖工业生产发展以及人口增多， 工业废水、 生活污水等地表径流给喻家湖带入大量的氮磷等营 养物质， 富营养化程度严重。 本实验在喻家湖选择五个采样点 1 号、 2 号、 3 号、 4 号、 5 号， 使用 Van Veen 型抓斗式采样器采集沉 积物 5 ～15 cm 底泥。 531 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 图 1喻家湖取样点 Fig．1YuJia Lake sampling points 1. 2底泥分析项目及方法 底泥的分析指标及方法主要参照土壤农化分 析 ［5 ］。测试的主要形态有交换态磷 Ex- P 、 铝结合 态磷 Al- P 、 铁结合态磷 Fe- P 、 闭蓄态磷 Oc- P 、 自生磷 ACa- P 、 碎屑态磷 De- P 、 有机磷 Or- P 。 1. 3实验所需仪器和试剂 实验主要仪器 紫外可见分光光度计; 高速离心 机; 电子天平; 数显酸度仪; 消解装置; 溶解氧仪; 0. 45 μm 微孔滤膜; 注射器及比色管等玻璃仪器等。 主要试剂 碘化钾、 碘化汞、 酒石酸钾钠、 氯化铵、 硫酸钾、 高锰酸钾、 抗坏血酸、 浓硫酸、 盐酸等， 所用试 剂均为分析纯。 2实验结果与讨论 2. 1喻家湖底泥中磷的赋存形态及含量分析 2. 1. 1底泥中磷的理化性质 测定喻家湖底泥中磷的理化性质， 其结果如表 1 所示。 表 1喻家湖采样点底泥特性分析结果 Table 1Sediment characteristics analysis results of Yujia Lake sampling points 指标1 号2 号3 号4 号5 号 W TP / mg kg －1 693628703665794 W PO3 － 4 － P / mg kg －1 389 315421371457 W TN /W TP2. 782. 472. 523. 042. 82 由表1 可知 溶解性磷酸盐含量为315 ～457 mg/ kg， 约占总磷的 60。其中， 总氮、 总磷含量最大值 均为 5 号采样点， 这是由于 5 号采样点靠近武汉洪山 上梁村， 为居民生活区， 污水排污口比较集中， 且生活 污水中氮磷含量偏高， 可见喻家湖受到人类活动影响 大， 沉积物中营养盐含量很高。 2. 1. 2底泥中磷的形态分布特征 对喻家湖五个采样点底泥进行了总磷、 有机磷、 无机磷以及其形态分析， 结果如表 2、 图 2 所示。由 表 2 和图 2 分析可得， 喻家湖底泥总磷含量为 628 ～ 794 mg/kg， 各采样点变化范围不大。其中， 各采样点 有机磷 Or- P 含量都小于无机磷 IP 含量。Or- P 含量为 183. 87 ～255. 48 mg/kg， 平均值为 226. 19 mg/kg， 平 均占总磷的 32. 45， 且 1 号、 5 号采样点 Or- P 含量 较高。沉积物中 Or- P 的输入沉积与湖泊早期的成岩 作用、 生物作用等相关， 受人类活动影响明显， 主要来 自于农业面源。调查发现， 汪湖村、 上梁村距离喻家 湖不远， 且附近餐饮业也较多， 大量生活污水排入喻 家湖， 导致湖泊磷含量高。此外， 喻家湖沉积物 Or- P 含量都小于 IP 含量， 说明喻家湖沉积物中磷主要以 无机相沉积。庞燕［6 ］等人对长江中下游浅水湖沉积 物磷形态特征研究结果相一致。 表 2喻家湖各采样点不同形态磷含量 Table 2Different phosphorus content of Yujia Lake sampling pointsmg/kg 采样点W TPW IPW Or- PW Ex- PW Fe- PW Al- PW Ca- PW De- PW Oc- P 1 号 693447. 96245. 0461. 74138. 5517. 61121. 7879. 7548. 53 2 号 628418. 35160. 8957. 65112. 3316. 98115. 4867. 2628. 81 3 号 703466. 07236. 9371. 92151. 2715. 89118. 6298. 7949. 58 4 号 665481. 17183. 8765. 86147. 6219. 70130. 11102. 6362. 24 5 号 794538. 72255. 4875. 85166. 1414. 88127. 79109. 2764. 58 无机磷中其他形态磷通过顺序提取法测定， 交换态 磷 Ex- P 含量平均为 66.61 mg/kg， 占 TP 的 9.55。铁 结合态磷 Fe- P 含量很高， 范围为 112.23 ～166.14 mg/ kg， 且5 号采样点含量最高， 平均值为143.16 mg/kg， 占 TP 20. 50。铝结合态磷 Al- P 含量很低， 平均值为 17. 01 mg/kg， 占 TP 2. 47。自生钙磷 Ca- P 含量较 高， 平均值为 122. 74 mg/kg， 占 TP 17. 71。碎屑态 磷 De- P 平均值为91. 54 mg/kg， 占 TP 13. 09。闭蓄 态磷 Oc- P 含量较低， 平均值为 50. 75 mg/kg， 占 TP 7. 23。各形态磷平均浓度由高到低顺序为 Or- P 631 环境工程 Environmental Engineering 图 2喻家湖各采样点底泥磷形态分布和组成 Fig．2Phosphorus distribution and composition of Yujia Lake sediment of each sampling point ＞ Fe- P ＞ Ca- P ＞ De- P ＞ Ex- P ＞ Oc- P ＞ Al- P。其中， Fe- P 的迁移转化可在短时间内使水体磷形成快速循环， 其含量可以基本反映出沉积物磷的潜在释放量， 喻家 湖 Fe- P 含量很高， 说明沉积物磷的潜在释放量很大， 对水体富营养化贡献大。表层沉积物中 Ex- P 很容易 通过解吸作用释放到上覆水体被生物所利用， 喻家湖 Ex- P 含量较低。沉积物中 Ca- P 的主要贡献者是各 种难溶性的磷酸钙矿物， 相对较稳定， 不易被生物所 利用， 研究表明， 人为排放导致上覆水体高浓度 Ca2 和磷酸盐会形成钙磷酸盐沉淀， 在人为磷输入量较高 的喻家湖， Ca- P 含量较高。De- P 的含量与沉积物间 隙水中磷酸盐含量相关， 通常在弱碱性水环境中活性 很低， 因此喻家湖沉积物中 De- P 释放量较低。Oc- P 主要来自铁铝氧化物覆盖的结合态磷以及自然岩石 状态磷， 稳定难释放， 喻家湖沉积物 Oc- P 含 量较低， 表明该湖沉积物中磷自然来源含量少， 主要 以人为活动输入为主。沉积物中 Al- P 质量浓度非常 小， 主要是由自身化学组成决定， 还有可能是因为沉 积物形成时间短， 导致黏度低。此外， 沉积物中 Al- P 在较长时间内可能会逐渐转化成 Fe- P。 沉积物中无机磷较有机磷更易释放， 而无机磷中 的 Ex- P、 Fe- P 等活性磷容易释放到水体。本实验发 现， 喻家湖沉积物中无机磷含量高于有机磷， 且无机 磷中活性磷的组分较高， 可以说明， 喻家湖沉积物中， 磷较容易释放到水相。 2. 2底泥中不同形态磷相关性分析 喻家湖沉积物中各形态磷之间相关性如表 3 所 示。由表 3 可知 喻家湖底泥中 TP 与 IP 的相关性显 著， 为 0. 90， 比和 Or- P 的相关性更高， 这是因为沉积 物中 IP 的含量较 Or- P 含量高， 对 TP 贡献作用更大。 而 IP 中与 TP 相关性显著的其他形态磷有 Fe- P 和 Ex- P， 相关系数分别为 0. 92、 0. 89， 说明底泥 TP 含量 能在一定程度上反映生物有效磷含量， 即底泥磷的潜 在释放能力。这与王琦等人［7 ］的研究结果一致， 即 沉积物中 TP 含量的增加趋势与其生物可利用磷含 量变化趋势相一致。 Ex- P 与 Fe- P、 Or- P 均有较好的相关性， 分别为 0. 84、 0. 78， 原因是 Fe- P 的还原释放， Or- P 被微生物 降解释放等都可导致 Ex- P 含量的增高。此外， 底泥 中 Fe- P 与 AI- P 存在一定的负相关， 为 － 0. 43， 说明 沉积物中 Fe- P 与 Al- P 可能存在相互转化。 表 3喻家湖沉积物磷形态相关性分析 Table 3Correlation analysis of YuJia Lake sediment phosphorus TPIPOr- PEx- PFe- PAl- PCa- PDe- POc- P TP1 IP0. 89881 Or- P0. 74030. 37061 Ex- P0. 87200. 88950. 78321 Fe- P0. 87030. 92310. 42830. 83621 Al- P－0. 6635－0. 3767－0. 6280－0. 5608－0. 42781 Ca- P0. 48610. 7675－0. 14720. 49280. 70580. 29611 De- P0. 72640. 90530. 15080. 80960. 6486－0. 17540. 76961 Oc- P0. 70780. 88900. 13630. 76150. 92270. 02030. 61960. 62861 2. 3底泥中生物有效磷 BAP 相关性分析 湖泊底泥中磷具有不同赋存形态， 但并不是所有 形态磷都容易从底泥释放被生物所利用。因此， 对喻 家湖沉积物生物有效磷 BAP 进行风险评估， 对于预 测湖泊富营养化生态问题有重要意义。本实验 BAP 评估采用此种方法， 即通过下面公式计算 BAP Ex －P Fe － P AI － P 0. 6 Or － P。 BAP 的计算结果如图 3 所示。 由图 3 可知 喻家湖沉积物各采样点生物有效磷 分布差异不大， 浓度范围平均为 349. 89 mg/kg， 占总 磷的质量分数为 51. 79， 超过沉积物总磷的一半， 说明喻家湖沉积物磷的潜在释放能力大。将生物有 731 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 图 3喻家湖沉积物不同采样点生物有效磷 BAP 分布 Fig．3Distribution of Yujia Lake sediment biological effective phosphorus BAPat different sampling points 效磷 BAP 与 TP、 Ex- P、Fe- P、Al- P、 Or- P 进行相关 性分析， 结果见表 4。BAP 与 TP 呈显著性相关， 相关 系数为 0. 87， TP 质量浓度变化趋势与 BAP 浓度变化 大体相一致。因此， 可由 TP 含量粗略估算喻家湖沉 积物潜在释放磷， 即沉积物内源磷生物有效负荷。这 与侯立军等对长江口沙洲表层沉积物磷生物有效性 的研究结果相类似。此外， Fe- P 与 BAP 的相关性较 好， 为0. 61， 进一步说明 Fe- P 含量能在一定程度反映 湖泊内源磷负荷。 表 4喻家湖沉积物生物有效磷 BAP 相关性分析 Table 4Correlation analysis of Yujia Lake sediment biological effective phosphorus BAP TPBAPOr- PEx- PFe- PAl- P TP1 BAP0. 86841 Or- P0. 74030. 46901 Ex- P0. 87200. 57920. 78321 Fe- P0. 87030. 69430. 42380. 83621 Al- P－0. 6635－0. 3778－0. 6280－0. 5608－0. 42781 2. 4底泥磷负荷与上覆水磷浓度相关性分析 沉积物中磷含量、 组成分布和形态特征与水体中 磷含量性质关系密切， 在一定程度上可以间接反映水 体中磷污染状况。因此， 可以通过研究沉积物与上覆 水磷的相应关系及相互作用， 预测水质变化规律。本 实验采集与沉积物同一地点 5 个采样点 的上覆水， 分析其理化指标以及研究二者的相互关系， 结果由图4 可知， 不同采样点磷含量不同， 其中， 5 号采样点沉积 物和上覆水中总磷浓度都很高， 原因可能是受附近人 为活动影响大。3 号采样点沉积物总磷很高， 但上覆 水总磷浓度不高， 说明上覆水磷浓度不仅与沉积物磷 形态组成、 地质有关， 也与水环境本身理化性质有关。 上覆水各采样点 TP 浓度与溶解性磷酸盐浓度变化 较为一致， 说明 TP 浓度在一定程度上可以水体溶解 性磷含量表示。为进一步研究沉积物与上覆水磷的 相关性， 对沉积物与上覆水中各形态磷进行相关性分 析， 结果如表 5 所示。对上覆水磷与底泥磷浓度进行 了回归分析， 结果如图 4图 6 所示。 图 4喻家湖沉积物和上覆水各形态磷浓度 Fig．4Concentrations of each of phosphorus of Yujia Lake sediment and overlying water 图 5上覆水 TP 与上覆水 PO3 － 4 关系 Fig．5Ｒelation between overlying water TP and overlying water PO3 － 4 图 6上覆水 PO3 － 4 与沉积物 Fe- P 关系 Fig．6Ｒelation between overlying water PO3 － 4 and sediment Fe- P 由表 5 可知， 上覆水 PO43 －浓度与沉积物中 Ex- P 和 Fe- P 相关性显著， 为 0. 82， 0. 78。上覆水 TP 与沉 积物 TP 浓度也存在一定相关性， 相关系数为 0. 58。 说明沉积物中磷含量可以在一定程度上反映上覆水 831 环境工程 Environmental Engineering 中磷浓度。对上覆水 TP 与上覆水 PO3 － 4 关系进行回 归分析 见图 5 ， 回归方程为 PO3 － 4 W 0. 184 TP W－0. 026 Ｒ2 0. 592 ; 对上覆水 PO3 － 4 与沉积 物 Fe- P 进行回归分析 见图6 ， 回归方程为， Fe- P S 3917 PO3 － 4 W － 29. 99。因此通过对喻家湖沉积物 与上覆水磷进行相关性分析， 可以对湖泊进行风险预 测， 为湖泊富营养化控制及治理提供理论支撑。 表 5喻家湖沉积物与上覆水中磷形态的相关性分析 Table 5Correlation analysis of the phosphorus in Yujia Lake sediments and overlying water TPIPOr- PEx- PFe- P TPW PO3 － 4 W TP1 IP0. 8988 1 Or- P0. 7403 0. 3706 1 Ex- P0. 8720 0. 8895 0. 7832 1 Fe- P0. 8703 0. 9231 0. 4283 0. 8362 1 TP W 0. 5853 0. 5391 0. 2590 0. 4823 0. 3281 1 PO3 － 4 W 0. 5545 0. 6483 0. 4716 0. 8234 0. 7857 0. 77271 注 TP W 上覆水总磷含量; PO4 3 － W 上覆水溶解性磷酸盐。 3结论 1 喻家湖沉积物 TP 含量为 690 ～ 800 mg/kg， PO3 － 4 含量约为 350 mg/kg， 达到总磷的 60。说明 喻家湖底泥中氮磷含量较高， 富营养化程度严重。 2 对喻家湖底泥中的磷进行形态分析， 有机磷 Or- P 含量约为226. 19 mg/kg， 占总磷的 32. 45， 含量 较高。无机磷 IP 中其他形态磷是通过顺序提取法测 定， Fe- P、 Ca- P 含量较高， 分别为112.23 ～166.14 mg/kg， 115. 42 ～130. 11 mg/kg， 说明沉积物磷的潜在释放量 很大， 其中人为输入量大。底泥中各形态磷平均浓度 由高到低顺序为 Or- P ＞ Fe- P ＞ Ca- P ＞ De- P ＞ Ex- P ＞ Oc- P ＞ AI- P。 3 对喻家湖不同形态磷进行相关性分析， TP 与 IP、 Fe- P 和 Ex- P 相关性显著， 说明 TP 含量可以在一 定程度反映底泥磷潜在释放能力; 底泥生物有效磷 BAP 含量为312. 65 ～410. 16 mg/kg， 占总磷质量分 数为 50， 说明喻家湖沉积物磷的潜在释放性大; 底 泥磷负荷与上覆水磷浓度关系密切， 上覆水 TP 与沉 积物 TP 浓度也存在一定相关性， 沉积物总磷含量在 一定程度上反映上覆水 TP 含量。 参考文献 ［1］魏群， 刘明升， 蔡元妃． 藻类膜对富营养化湖泊水处理效果实验 ［J］． 环境工程， 2011， 29 2 10- 12. ［2］张晓辉， 崔建宇， 曹奇光， 等． 高羊茅和结缕草对地下渗滤系统 中氮磷的去除研究［J］． 环境工程， 2012， 30 6 52- 54. ［3］李涛， 周律． 湿地植物对污水中氮、 磷去除效果的试验研究 ［J］． 环境工程， 2009， 27 4 25- 28. ［4］何国富， 李小雁， 何德富． 芦苇湿地运行过程中基质主要成分变 化研究［J］． 环境工程， 2008， 26 S1 125- 127. ［5］鲍士旦． 土壤农化分析［M］． 3 版． 北京 中国农业出版社， 2000. ［6］庞燕， 金相灿， 王圣瑞， 等． 长江中下游浅水湖沉积物对磷的吸 附特征［J］． 环境科学研究， 2004， 17 18- 24. ［7］王琦，姜霞，金相灿，等． 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