（市政工程专业论文）南四湖沉积层磷释放规律及其生态控制技术研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 磷是湖泊营养状况的限制性元素。通常情况下，沉积物是湖泊中磷的“汇 ，但当 湖泊环境发生变化时，沉积物中磷可能又会重新释放出来，成为湖泊中磷的重要内负荷， 磷从沉积物中释放取决于它的化学形态及所处的环境因子。南四湖是南水北调东线工程 的主要调蓄湖泊，将直接影响南水北调输水水质。然而目前对南四湖沉积物的研究较少， 因此有必要对南四湖沉积物内源磷进行研究。 本文以南四湖沉积物为研究对象，研究沉积物内源磷的赋存形态、释放规律及其释 放的生态控制和修复技术。论文主要包括以下几部分： ( 1 ) 为了解南四湖污染底泥磷形态分布规律，对南四湖微山湖区几种不同生态功能湖 区0 2 5 c m 的沉积物分层进行了磷形态连续提取研究。结果表明，湖区沉积物中e x p 、 a 1 一p 、f e p 、o c - p 、c a - p 、d e - p 和o 玛一p 平均含量分别为5 6 2 m 眺g 、4 0 8 m g k g 、1 2 2 5 m 眺g 、 1 3 3 4 m 眺g 、1 1 6 6 7 m g l ( g 、2 3 2 3 6 m g 依g 和3 9 6 7 9 m g 依g ，不同形态磷含量次序为：a l - p e x ，p f e p o c p c a p 金鱼藻；除金鱼藻对上覆水t p 去除率稍高于t d p 外，沉水植物对上覆水 中形态磷的去除率大小顺序为：s r p t d p t p 。 关键词：南四湖，磷形态，释放规律，生态控制技术 i i 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ep h o s p h o r u sr e l e a s er u l ea n di t se c o l o g i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g yo fs e d i m e n t si nn a n s i h ul a k e z h a n gx u e y a n g ( m 蚰i c i p a le n 西n e 耐n g ) d i r e c t e db yl im e i ，z h a n gz h i b i n a b s t r a c t p h o s p h o m s ( p ) i sm er e s t r i c t i v ee l e m e n t sf o r1 a k ee u t r o p h i c a t i o n u s u a l l ys e d i m e n ti sm e 。s i l l k ”o fp h o s p h o m s ，b u tt h ep h o s p h o m si ns e d i m e n t sw o u l dr e l e a u s ew h e nm ee i l v i r o n m e n to f l a ：k ec h a n g e s ，t h e nb e c o m e 觚i m p o r t a n tp h o s p h o m sl o a d i n gf o rl a l ( e r e l e a s eo fp h o s p h o m s 舶ms e d i m e n t sd 印e i l d so ni t sc h e i i l i c a lf o n n sa n di sc l o s e l yr e l a t e dw i mt h ee n 啊r o l l i i l e n t f a c t o r s n a n s i h ul a k ei sa 1 1i m p o r t a n tl a k ew l l i c hw o u l de 彘c tt h ew a t e rq u a l i t yo fm es o u t l l t on o m lw 乱e rd i v e r s i o np r o j e c td i r e c t l y h o w e v e r m er e a s e r c ho nm es e d i m e n t so fn a l l s i h u l a k ei sr a r e ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od or e s e a r c ho nt h es e d i m e n t so fn a n s i h ul a k e n j sd i s s e n a t i o na i m st os t u d yp h o s p h o m ss p e c i e sd i s t d b u t i o n ，t h em l eo f r e l e a s ea 1 1 di t s e c o l o 百c a lc o n t r o l t e c l l o l o g yo fs e d i m e l l t si nn a n s i h ul a k e 1 k sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sm e f o l l o w i l l gc o m p o n e n t s ： ( 1 ) i no r d e rt 01 e 锄m ep h o s p h o m ss p e c i e sd i s t 曲u t i o ni ns e d i m e n t so fn a n s i h ul a k e ， 0 2 5 c ms e d i m e n t sf r o mw d s h a l l h ud i s t r i c ti nn a n s i h ul a k e w e r ea n a l y z e dw i t has e q u e n t i a l e x t m c t i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o wm a t ：t h ea v e r a g ev a l u e so fe x p ，a l - p ，f e - p ，o c - p ，c a p ， d e - p ，o r g - p i nw e i s h a 曲ud i s t r i c ts e d i m 饥t sa r e5 6 2 m g k g ，4 0 8 m 眺g ， 1 2 2 5 m 眺g ， 13 3 4 m 眺g ，116 6 7 m g k g ，2 3 2 3 6 m 班ga 1 1 d3 9 6 7 9 m 眺gr e s p e c t i v e l y ，a 1 1 dt h er a n k0 f d e ro f p 矗a c t i o n a t i o nf - o rn 蠲s i h ul a l 【ei sa 1 p e x p f e - p o c p c a - p c e r a t o p b 姐l u m h o m w o r t ，w i 吐1t h ee x c 印t i o no fc e r a t o p h y l l u mh o m w o r tt 1 1 a tr e m o v a lr a t eo f r pi ss l i 曲t l y k 曲c rt h a nt d p ，m er e m o v a lr a t eo fp h o s p h o m s 砌【1 ko fs u b m e r g e dp l a n t si s ：s i 冲 t d p k e yw o r d s ：n a n s i h ul a l ( e ，p h o s p h o m sf o 肌s ，r e l e a s em l e ，e c 0 1 0 西c a lc o n t r o l t e c h n o l o g ) r +v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使周过 的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 山东建筑大学有权保留并向阑家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借麓。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论 文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导帮签名： 兰 缀棼 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 磷在湖泊富营养化中的作用 第l 章绪论 湖泊富营养化是当今世界各国面临的水污染问题之一。在自然状态下，水体的富营 养化过程非常缓慢，但是受到人类活动的影响，特别是氮磷营养物质的污染，湖泊富营 养化的速度已经大大加快【1 1 。 磷是湖泊富营养化发生的主要限制因子 2 5 1 ，尤其是湖泊沉积物中的磷对水体富营养 化的影响更为深刻。磷通常以正磷酸盐的形式存在于水环境中，由于岩石的自然分化、 溶解、土壤的淋溶和迁移，以及生物转化等过程，使磷酸盐进入水体【6 1 。此外，人类活 动如施肥、水处理、合成洗涤剂的使用、以及其他工业活动，都可以使水体中的磷酸盐 含量增加。在水体中，由于生物生长过程中的分泌和排泄，有机磷化合物也会进入水体 中。而人类的活动，大大加快了水体中磷的循环速度，一旦大量的磷进入水体，往往会 引起浮游生物的过量生长而使水体出现富营养化状态 刀。 湖泊底泥与上覆水之间存在广泛的磷交换过程。当水中的磷含量高时，在一定条件 下，它会向底泥中沉积，从而暂时离开磷的循环；反之，磷又会从底泥中释放出来，重 新进入水生态系统的磷循环中【8 1 ，这对整个湖泊的磷循环具有重要意义。湖泊水体中磷 的来源主要包括内源和外源两部分，当外源磷输入得到有效控制后，湖泊沉积物中内源 磷释放将成为影响湖泊富营养化进程的关键因素 9 ，l0 1 。日本霞浦湖，完全切断外源污染， 经3 0 多年治理后，蓝藻依然时常暴发，美国o k e e c o b e e 湖，通过控制工业、生活污染， 限制周边甘蔗种植园的化肥使用，当外部入湖的污染大为改善、氮磷含量大幅下降后， 湖泊富营养化状态仍未改善。这些大型浅水湖泊富营养化治理的例子说明了，内源污染 对湖泊富营养化进程的影响较外源污染更加深远。 1 2 湖泊沉积物中磷的释放 1 2 1 湖泊沉积物中磷的释放机制 沉积物中磷的释放是物理、化学和生物综合作用的过程，并与其化学沉淀的 形态有关 1 l 】。沉积物中的磷主要以无机态的正磷酸盐为主，一旦出现利于钙、铁、 铝等不溶性磷酸盐沉淀物溶解的条件，磷的释放就有可能发生。一般认为，由于 山东建筑大学硕士学位论文 沉积物中磷的浓度较湖水中大，从而形成一个向上的浓度梯度，这是造成沉积物 中磷释放的一个客观条件。 磷释放首先进入底泥中的间隙水中，这一步通常认为是营养物释放速率的决定性步 骤；再经分子扩散、生物扰动、气泡和水动力扰动等再逐步扩散到水土界面，进而向上 覆水混合扩散，成为湖泊磷负荷的一部分。这一过程主要由浓度差支配。 湖泊沉积物中磷的主要以两种途径向水体释放：有机质的矿化分解、铁的氧化物和 氢氧化物结合磷的解吸【l2 1 。上覆水体中的有机磷进入沉积物后，迅速矿化分解成可溶无 机磷释放到孔隙水中，使得孔隙水中溶解磷的浓度很高，在浓度梯度的驱使下，溶解磷 一部分向上覆水体扩散。而由于扩散阻力的关系，溶解磷更易于被下层沉积物吸附，这 部分吸附磷在孔隙水中的磷释放后很可能解吸到孔隙水中继而向上覆水体中扩散。沉积 物中的铁的氧化物和氢氧化物对磷酸盐有强烈的亲合性，因此在沉积物处于氧化条件时， 只有少量的溶解磷能从沉积物释放到上覆水体。但它们的结合较不稳定，当环境的氧化 还原条件发生变化，铁氧化物还原释放出的溶解磷可以直接从孔隙水中逃逸到上覆水体。 1 2 2 影响沉积物中磷释放的因素 沉积物的磷释放受到各种环境因子的影响，这些环境因素主要有p h 值、水中的d o 、 温度、照度、生物及水体的扰动等。 ( 1 ) p h 值：不同p h 值主要是通过影响磷在水体中的赋存形式而影响磷释放。水溶 液中正磷酸盐的存在形式可能有p 0 4 弘、h p 0 4 各、h 2 p 0 4 以及h 3 p 0 4 ，各部分的相对比例 ( 分布系数) 随p h 值的不同而异。磷在沉积物中通常被认为与f e 、a l 盐等相互作用，其 中f e ( o h ) 3 的吸附作用尤为重要，这种吸附受p h 值影响很大。低p h 值时，溶解态的 h 2 p 0 4 。含量增多，能促进磷酸盐的溶解，有利于沉积物中磷的释放，同时，在酸性范围 内，p 与f e 、舢相互作用，生成不溶性的磷酸盐；碱性条件下，磷的主要存在形态为 h p 0 4 厶，沉积磷的释放以离子交换作用为主，由于o h 。与铁、铝磷酸盐复合体中的磷酸 盐发生交换，加剧了磷酸盐的解吸过程。当p h 在5 7 之间，上覆水中的磷主要以h p 0 4 厶、 h 2 p 0 4 。形态存在，最易被沉积物中金属元素相结合而被沉积物吸附，因此此时释放量最 小【1 3 】。金相灿等【1 4 1 对太湖沉积物以及郭志勇等1 5 1 对玄武湖沉积物中磷的释放研究，结果 均显示p h 对沉积物中的磷释放量具有显著的影响，且其影响强弱顺序均为：p h 7 3 p h 4 o p h l o 3 。王晓蓉【1 6 】的研究也显示，在碱性条件下铁磷、铝磷有向钙磷、闭蓄态磷 2 山东建筑大学硕士学位论文 转化的趋势，在酸性条件下，则存在着钙磷、闭蓄态磷向铁磷、铝磷转化的趋势。 ( 2 ) d o ：d o 控制着水体氧化还原电位、水生生物种类及其活性、有机物的矿化过 程。d o 是通过控制这些过程和条件来间接控制着磷的吸附和释放。维持沉积物与水界 面d o 的高浓度对降低磷释放十分重要，汪家权等【l7 】研究显示，在厌氧环境 ( d o 6 m l ) 沉积物则会吸附 水中的磷。金相灿等 18 】的室内模拟实验结果显示，在缺氧环境下，沉积物中磷的重要形 态f e p ，容易发生f e ”一f e 2 + 转化的化学反应，f e p 表面的f e ( o h ) 3 保护层转化为 f e ( o h ) 2 ，可使与铁结合的磷大量释放至水体，有利于沉积物中磷的释放。在富氧环境下， 沉积物也会发生磷的释放，但释放的速度和释放量要比缺氧环境下小的多，富氧环境磷 的释放机制主要是沉积物的矿化以及有机物质的好氧分解，将有机磷转化为无机磷释放 出来【1 9 l 。d o 的含量对微生物的生命活动有着极其重要的影响，从而间接影响沉积物中 磷的释放【2 0 】。 ( 3 ) 温度：温度影响着水生动物、植物、微生物的生长繁殖和活性，同时还影响有 机物矿化过程的快慢。b o e r s 等 2 l 】的试验研究表明，冬季样品磷的释放率没有明显的 变化，而夏季样品则对温度十分敏感，每提高1 0 磷释放率平均提高2 倍。这可能由于 季节温度的变化不仅导致了沉积物物理化学性质的改变，而且导致了微生物数量和活性 甚至微生物的种类发生变化。j e n s e i l 【2 2 】等研究发现磷的总内源负荷的季节变动中，其中 7 0 是温度引起的。根据水温随深度增加的变化情况，可将湖泊所处的状态分为正列状 态，等温状态以及逆列状态。热带湖泊水温常年在4 以上，其温度分布始终为正列状 态；温带湖泊常表现为等温状态；高山和极地湖泊的水温常年低于4 ，即表现为逆列 状态【2 3 】。逆列状态则有利于溶质向上扩散。温带湖泊在春季分层的时候对流较强烈，有 利于湖泊下层滞水带和变温层的物质交换，也容易扰动沉积物，加强沉积物一水界面的 磷交换，促使磷的释放。 ( 4 ) 照度：照度因子对底栖藻类的生长具有显著的影响【2 3 1 ，藻类对磷等营养盐具有 同化吸收的作用 “，2 5 1 。照度是通过对藻类的作用间接对沉积物中磷释放及磷形态变化产 生影响，照度和底栖藻类的生长呈正相关性。在高照度下，底栖藻类大量繁殖，需要吸 收大量营养盐，当上覆水营养盐不能满足其需要时，沉积物向上覆水释放的营养盐就成 为了藻类生长的营养来源，因此底栖藻类成为了阻挡磷从沉积物向上覆水释放的一个生 物“屏障”，间接地限制了沉积物中的磷向上覆水中释放。姚扬等【2 6 】试验研究表明，不 3 山东建筑大学硕士学位论文 同照度下沉积物中无机磷含量都有所减少，而有机磷含量却都有增加。 ( 5 ) 生物及水体扰动：浅层湖泊由于沉积物与水界面频繁的物质交换，对外源营养 盐负荷的降低反应迟钝，水动力扰动引起的沉积物营养盐释放可以成为水体生态系统营 养盐的主要来源 2 7 1 。李平一等2 8 】的模拟研究显示，当流速达到6 0 7 0 c 州s 时，底泥处于 “普遍动”状态，t p 的浓度和释放率产生了一个较大的突增，t p 的浓度升至o 7 m l ，是 初始状态的7 倍之多；同样r e d d y 等【2 9 】在对a p o k a 湖的研究中也发现，悬浮作用造成的上 覆水营养盐浓度增加可以达到单纯由扩散产生的营养盐浓度的数十倍；s o n d e 曙跚d 等【3 0 】 在对丹麦的加t e s o 湖的调查得出，动力悬浮产生的营养盐浓度增加可以达到原先的2 0 3 0 倍的数量级，这些研究说明了水动力作用在湖泊内源磷循环中有着非常重要的作用。 在中低扰动情况下，表层沉积物受水体的冲击较小，沉积物再悬浮的量低，可供磷交换 的界面面积小，其磷的释放能力一般很弱；强烈扰动环境下，增大了悬浮物一水接触物 理界面，增加悬浮沉积物与水体间的磷交换。 1 3 内源磷释放的控制技术 在削减外源磷负荷后，内源磷负荷成为水体的主要磷污染源。因此，在外源磷负荷 得到控制后，控制内源磷负荷是恢复水体功能的关键。污染水体的治理技术依据是否需 要将水移出原有位置大体可以分为异位修复和原位修复两种 3 。异位修复主要是将污染 水体转移出原来的位置，进行异地处理的作法，而原位修复则是在水体内直接处理的方 式。污染水体治理技术按照治理手段划分又可分为物理修复技术，化学修复技术和生态 控制技术等 3 2 1 。 物理修复措施包括人工曝气、调水冲污、河道疏浚等措施。例如，为治理滇池及其入 湖河道的淤泥污染，昆明市疏挖盘龙江淤泥6 0 0 0 h m 2 ，疏挖大观河淤泥4 0 0 0h m 2 ，有效地 改善了两条河流的水质，疏浚了滇池草海2 8 3 k m 2 ，疏挖底泥4 2 4 万立方米，清除了大量 的沉积污染物，其中t p 为7 9 0 0 t ，t n 为3 9 6 0 0 t ，各种重金属5 0 0 0 t ，使疏浚区平均水深增 加l m ，水质明显改善3 3 1 。纯粹物理修复也有不足之处，“引清冲污 和疏浚等方式能 够引起污染物转移，操作不当会引发更大面积的水污染。在疏浚过程中也可能使下游水 体在短时间内急剧恶化。而曝气技术耗费大量电力也不利于悬浮物质沉积。所以单纯的 物理修复方式都不能够在修复水体的同时完善水生生态系统结构，提高水体自净的能 力。 4 山东建筑大学硕士学位论文 化学修复技术，主要是添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、p h 、吸附 沉淀水体中悬浮物质和有机质 3 4 1 。利用化学方法治理富营养化水体需大量投加化学药剂， 因此其成本也较为昂贵，同时所加入的化学药剂在治理的同时也容易引起二次污染，对 水体的整个生态环境也会有一定的影响。如，美国明尼苏达湖曾使用过硫酸铜多年，结 果却造成水体溶氧耗尽，增加了内部氮的循环，铜在底泥中的积累，也增强了藻类对铜 的抗药性，造成对鱼类及鱼类食物链的不良影响【3 5 1 。此外，化学法用于富营养化水体的 治理通常不具有可持续性，并没有解决问题的根本 3 6 1 。因此，如果采用化学法的同时没 有其他适宜的辅助措施，水体很快便又会出现富营养化问题。但是，化学法具有操作简 单、用量少等优点，且其见效一般较快，通常可以作为一种应急方案。 生态修复措施具有原位净化水质，同时也可以恢复水体中的水生生态结构、运行成 本低、增加水体自净能力的特点。水生植物具有净化富营养化水体的作用。植物净化水 体的作用包括植物本身( 叶片和茎干等) 对水体中颗粒物质的捕获使之吸附在叶片上为附 着生物所吸收和同化，或者是使悬浮物沉积至湖底( 消除颗粒态营养盐) 并不再悬浮，或 者是植物根系的吸附作用【3 。兀。自然状态未受污染水体中，生态系统十分复杂，在水体底 质中，颗粒物的表面上有大量的细菌，这些细菌是水体中有机物质的主要分解者。在水 体中的原生动物又以菌类为食，原生动物的捕食能够加速生物膜的更新。衰老的细菌被 捕食后，为新的细菌的生长提供了生长空间，使细菌的整体处于较活跃的状态。同时原 生动物又是后生动物的食物。而底栖生物，如螺蛳和部分鱼类又以轮虫等后生动物为食。 水体中生长的植物在为水体提供氧气的同时，也为细菌和微小动物的生长提供了附着空 间。水体底质和植物组成的复杂环境又为各种生物提供了不同的栖息地。整体的生态系 统本身有着一定方向的物质流和能量流，在系统内部，生物之间相互促进或约束，保持 着整体的功能和活力【3 引。 1 4 课题研究的目的及意义 湖泊是我国最重要的淡水资源之一，对社会和经济的发展起到了不可估量的作用， 是人们生活不可缺少的宝贵资源。因此，湖泊水资源与我国经济可持续发展以及人民生 活休戚相关。但是，随着我国经济的迅速发展，排污量日益增加，一些不合理的开发活 动等给诸多湖泊环境造成了不良影响，尤其是湖泊富营养化的发生。 湖泊富营养化是当今世界各国面临的水污染问题之一。在我国大于l k m 2 的2 3 0 0 多 5 山东建筑大学硕士学位论文 个天然湖泊中，2 4 介于富营养化与高度富营养化之间，3 2 介于中营养化与富营养化 之间 3 9 1 。因此，湖泊水质恢复和保护问题已成为我国目前的紧急课题之一，开展湖泊环 境污染控制与治理意义重大。 随着国民经济的迅速发展，和城市化进程的不断加速，人类活动对环境的影响特别 是水体的影响越来越大，使本来就干旱缺水的北方地区尤其是黄、淮、海地区及山东半 岛地区长期受到水资源短缺困扰，国家为了缓解北方地区用水紧张而进行了南水北调工 程。南水北调工程在进行过程中要通过多个湖泊，而其中大部分湖泊处于营养化程度较 高的水平。 为了确保输水干线水质达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中i i i 类标准要求， 避免南四湖水质富营养化继续发展，使输水干线承受水质风险【4 0 】。本文以南四湖为研究 对象，结合“十一五”国家科技支撑计划项目( 2 0 0 6 b a c l o b 0 3 ) ，山东省环境保护局重点 科技项目( 2 0 0 6 0 4 3 ) ，研究了沉积物内源磷的赋存形态、分布规律、吸附特征，以及不 同环境因子( 光照、p h 、温度、d o 、扰动等) 对内源磷释放的规律影响，同时还探讨了湖 泊的生态控制技术。本研究可以为南四湖的综合治理尤其是内源磷的研究提供了方法和 思路，此外还为南水北调沿线其他湖泊的研究和治理提供参考。 1 5 课题研究内容 ( 1 ) 利用柱状采泥器采集南四湖沉积物，测定各层沉积物中磷形态及含量，了解南四 湖沉积物中磷的形态分布特征。 ( 2 ) 对沉积物进行磷的吸附特征研究，进行沉积物静态和动态磷释放的实验室模拟研 究，同时考察了理化因子( 水温、d o 、p h 、光照等) 对沉积物磷释放的影响，了解南 四湖沉积物内源磷释放规律。 ( 3 ) 针对不同污染程度的沉积物，分别研究生态疏浚技术及沉水植物修复技术对沉积 物内源磷释放的控制效果，提出适合抑制南四湖水体沉积物磷释放的生态修复技术。 6 粕东建筑大学弼l 士学位论文 第2 章样品采集与测试 2 。l 研究区域概况 南四湖位于淮河流域北部，由南阳湖、昭阳湖、独山湖和微山湖4 个湖泊沿s e n w 方向串联丽成。最大面积1 2 6 6 妇2 ，占全省淡水水域面积的4 5 ，是山东省最大的淡水 湖泊，亦是我国第六大淡水湖泊。湖滨东依出峦，西接平原，南接苏北富庶之地，北靠 孔孟之乡，流域面积3 1 7 0 0 b 2 。水陆交通便利，东邻京沪铁路，西靠大京九，京杭运河 纵贯全湖南北，把南北江河水系交汇沟通。具有防洪、排涝、灌溉、供水、养殖、通航 及旅游等多项功能。全湖南北长1 2 6 醯，东疆宽5 2 5 函，中部最窄，1 9 5 8 年在此建成 了拦湖大坝，坝上修建船闸和节水闸，将湖一分为二。坝北为上级湖，面积6 0 2 k n ，坝 南为下级湖，面积6 6 4 k m 2 。全湖防洪库容4 7 3 1 亿m 3 ，兴利库容1 7 0 2 亿m 3 ，兴利调 节库容1 1 2 8 亿m 3 ，属大型浅水湖泊，是南承北调工程的重要调蓄水疼麓n 。 2 2 现场观测与采样 2 7 年4 月、1 0 月、1 2 月，2 8 年4 月，分别在微山湖区、南阳湖区、独由潮区、 昭阳湖区实施现场观测与采样，取样点详见图2 1 。精确的采样点位预先设定，并在现 场用手持式全球定位仪( e x p l 鲥s tg p s 3 0 0 ，美篷) 校正坐标。 采用改进的无振动柱状底泥采样器，采集沉积物样品。沉积物样晶采集时，有机玻 镕 璃采样管中上覆水，利用硅胶管采用虹吸方法将其吸出，但不扰动沉积物表面。根据柱 状沉积物的表观状态，现场将其切片分为o 2 c m 、2 5 锄、5 1 0 c m 、l o 1 5 c m 、1 5 2 5 濑 共计5 层，沉积物样品装于聚氯乙烯密封袋中，避光保存于便携式冰箱，运送至南圜潮 微山试验站。沉积物运回试验站履，立即离心分离出间隙水，以o 4 5 岬醋酸纤维素膜 过滤，离心分离出阆隙水后，沉积物置于阴凉处，自然风干后用玛瑙研钵磨细过l o o 遐 筛，备用。 同时，利用萨氏盘测量透明度；利用意大利哈纳( h a n n a ) h 1 9 8 0 4 多参数水质现场 快速分橱测量仪，现场测定其d o 、龃、o r p 、温度等；利用哈希阻a c 珊h q 4 0 d 双路 输入多参数数字化分析仪，现场测定t d s 。 7 山东建筑大学硕士学位论文 2 3 样品处理与测试 图2 1 南四湖采样点分布示意图 f i g 2 一lm a ps h o 、) l ，i n gs a m p l i n gs i t e so f n a n s i h u 样品处理与测试参照水和废水监测分析方法( 第四版) 【4 2 】和湖泊生态调查观测 与分析【4 3 】进行。 2 3 1 水样处理与分析 t p ：过硫酸钾消解一钼锑抗比色法( 浓度低于0 0 1 m g l 时采用孔雀绿磷钼杂 多酸分光光度法) 。 s r p ：o 4 5 “m 混合纤维滤膜过滤，钼锑抗比色法( 浓度低于o 0 1 m l 时采用 孔雀绿磷钼杂多酸分光光度法) 。 t d p ：o 4 5 肛m 混合纤维滤膜过滤，过硫酸钾消解一钼锑抗比色法( 浓度低于 山东建筑大学硕士学位论文 o o l m l 时采用孔雀绿磷钼杂多酸分光光度法) 。 t n ：碱性过硫酸钾消解一紫外分光光度法。 c o d ：重铬酸钾法。 2 3 2 沉积物样品处理与分析 沉积物在冷冻干燥之前，先用m a s t e r s i z e r 2 0 0 0 激光粒度分析仪( m a l v e n lc o ，u k ) 分析沉积物的粒径。根据粒径分配情况，按照d a s ( 1 9 9 0 ) 6 1 5 的方法可将沉积物分成粘 土( 0 0 0 2 m 加) 、粉砂( o 0 0 2 0 0 5 舢 1 1 ) 和砂( 0 0 5 2 瑚m ) 等组分。 间隙水测定：取适量沉积物于2 5 0 m 1 离心杯中，5 0 0 0 r m i l l 离心2 0 m i n ，上清液经 o 4 5 p m 混合纤维滤膜过滤，得间隙水。即刻对其进行可溶性磷酸盐( p 0 4 3 p ) 测 定。 含水率：将沉积物置于电热干燥箱中，烘干8 h ，测其损失量。 烧失量测定：经1 0 5 烘干的沉积物样品在5 5 0 下灼烧5 h ，测其质量损失。 烧失量可以用来估算沉积物中有机质含量。 2 3 3 沉积物磷的形态分析 ( 1 ) 沉积物中磷的形态分类 不同的化学连续提取法所选择的提取剂、提取条件与过程不同，所提取的沉积物中 磷的化学形态也不尽相同。本研究中沉积物各形态磷的化学提取方法参照朱广伟脚】，李 悦等 4 5 】对r u t t e n b e r g 【4 6 1 方法的改进。沉积物中磷主要分为有机态磷( o r g p ) 和无机态磷 两大类，无机磷又可分为可交换态磷( e x p ) ，铝结合态磷( a 1 p ) ，铁结合态磷( f e p ) ， 闭蓄态磷( o c p ) ，钙结合态磷( c a p ) ，碎屑态磷( d e p ) 。 1 ) 可交换态磷( e x p ) ，是指可交换磷和碳酸盐结合态磷等。这部分可能含有孔隙水 磷，即从c a c 0 3 结合磷中释放的磷或者从沉淀的植物碎屑中的细菌的腐烂细胞中滤出的 磷。e x 。p 是沉积物中最易于释放进入上覆水的形态磷，因此，此磷形态常被用来评估湖 泊的营养化程度【4 7 】 2 ) 铝结合态磷( 灿p ) ，是指与铝的氧化物、氢氧化物相结合的磷。 3 ) 铁结合态磷( f e p ) ，是指与铁氧化物结合的磷，它们可以用o h 。和可溶解在基质 中的磷化合物再次交换出来。这部分磷能用于评估沉积物中的有效磷，而且是藻类可利 山东建筑大学硕士学位论文 用磷的量度标准。 4 ) 闭蓄态磷( o c p ) ，是指被粘土胶膜所包闭的铝磷及铁磷。此种磷被认为是惰性磷， 很难被生物直接利用【4 8 】。 5 ) 自生钙磷( a c a p ) ，是沉积物中由于生物作用沉积，固结的颗粒磷，难为生物所 利用。自生钙磷主要由有机磷转化而来【4 9 】，有机磷释放的溶解性磷被吸附到铁氧化物上 在氧化环境中沉淀，不断的沉淀作用使表层沉积物逐渐埋藏，氧化状态逐渐成为了还原 状态，含磷小粒则在底层厌氧环境中逐渐矿化，最终形成了a c a p 。钙结合磷是沉积物 磷中相对稳定的组分，而且对磷在沉积物中的永久埋藏起贡献作用。 6 ) 碎屑磷( d e p ) ，主要是包含在沉积物中的原生矿物颗粒中的一部分磷，不易被生 物利用，被称为惰性磷或永久埋藏性磷。 7 ) 有机磷( o 略p ) ，主要是沉积物中各种动、植物残体、腐殖质类有机物中含有的 磷，只有在有机物矿化以后才能被部分释放出来。在瑞典e r k e l l 湖的沉积物形态磷研究 中，i 硐i n 5 0 】发现o r g p 是部分活性的磷形态，大约5 0 的o r g p 可以被降解成为生物可 利用的磷形态。 ( 2 ) 磷形态的提取方法 取过l o o 目筛的沉积物样品o 3 9 ，置于5 0 m l 聚乙烯离心管中，加提取液3 0 m 1 置于 数显水浴恒温振荡器( s h a c 常州荣冠) 中，往复振荡浸提。浸提完成后，利用低速离 心机( t d l 5 a 上海飞鸽) ，以5 0 0 眦m i n 离心2 0 m i n ，上清液利用循环水式多用真空泵 ( s h b i i i 郑州长城) 抽真空，过o 4 5 肛m 混合纤维滤膜，过滤后采用过硫酸钾消解 一钼锑抗比色法或孔雀绿磷钼杂多酸分光光度法测磷含量。离心后残渣进入下一 级提取。详细提取方法见图2 2 。 l o 山东建筑大学硕士学位论文 o 3 9 沉积物 l 1 m 0 1 l - 1 m g c l 2 ：p h = 8 ：3 0 皿l ：振荡2 h 残l 渣 残l 渣 0 1 m 0 1 l 。1 n a o h + o 0 5m 0 1 l - 1n a 2 c 0 3 ： p h = 8 2 ；3 0 m l ：振荡4 h 残i 渣 2 4 m lo 3 m 0 1 l - 1 柠檬酸钠+ 1 m 0 1 l 。1 n a h c 0 3 ，0 6 7 5 9n a 2 s 2 0 ：p h = 7 6 ： 搅拌1 5 m i n ：力6 m lo 5 m 0 1 l - 1 煳m 嬲沁 l m 0 1 l - 1h a c n a a c ：3 0 m l ：振荡6 h 残l 渣 1 m 0 1 l - 1h c l ：3 0 m 1 ；振荡1 6 h 残i 渣 5 5 0 灼烧5 h ：1 m 0 1 l - lh c l ：3 0 m l ： 离心 e x p 离心 _ 肚p 离心 f 争p 离心 o c p 离心 - c a - p 离心 + d e - p 皇：! o r g - p 图2 2 沉积物中磷形态的连续提取方案 f i g 2 2s e q u e n t i a le x t r a c t i o np r o c e d u r eo fp h o s p h o n l si i ls 鲥m e n t s 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章南四湖沉积物磷形态分布特征 湖泊沉积物中各种形态磷在环境生物地球化学循环中的作用不同，不同形态磷对湖 泊内源磷释放的贡献率有显著差异。可交换态磷( e x p ) 较易从沉积物内释放，铝结合 态磷( a 1 p ) 和铁结合态磷( f e p ) 在还原态下可以转化成可溶解性磷后进入间隙水， 并进而释放入上覆水体，这几种形态是湖泊内源磷负荷的重要来源【5 。而闭蓄态磷 ( o c p ) ，钙结合态磷( c a p ) 、碎屑磷( d e p ) 则很难被分解参与短时相的磷循环，对 沉积物间隙水和上覆水的磷含量影响较小 5 2 弼】。有机磷( o r g p ) 属于不完全被生物利用 的磷，其部分磷可以释放进入上覆水，影响湖泊富营养化的进程【5 6 ，5 7 1 。因此，研究分析 沉积物中磷的形态及其含量的分布特征对深入揭示湖泊富营养化反应机制具有重要的科 学意义。本文采用自制无扰动柱状底泥采样器采集南四湖不同生态功能区底泥，分析沉 积物在不同生态功能区及深度的分布特征，为后续的沉积物内源磷释放研究奠定基础。 3 1 材料与方法 3 1 1 样品采集及处理 根据南四湖的不同生态特征，在微山湖区内布设了5 个代表性采样点位，各采样点 地理位置及其附近区域生态特征分别见表3 1 和图2 1 所示。2 0 0 7 0 4 2 4 2 0 0 7 0 4 2 6 期 间进行沉积物采集，将样品带回微山实验站进行试验。 表3 1 采样点名称及位置 1 a b l e3 一ls a m p l i n gs i t e sa n dt h e i rg e o g r a p h i cc h a r a c t e r s 3 1 2 分析方法 测定上覆水中t p 、t n 、c o d 等基本指标；对沉积物中各形态磷进行连续提取。试 验所用器皿均用稀硝酸浸泡过夜，所用药品均为分析纯。 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 3 2 结果与讨论 3 2 1 沉积物磷形态丰度 沉积物各形态磷的丰度见表3 2 所示。 表3 2 南四湖微山湖区沉积物形态磷丰度统计参数 t a b l e3 2s 伽s t i c _ i 1 1 d e x e so f s e d i m e n tp h o s p h o m ss p e c i e si nw e i s h a n h ud i s t r i c to fk k en a n s i h u 1 ) t p = e x - p + a l p + f e - p + o c - p + c a - p + d e p + o r g p 从各形态磷组分在总磷中所占比例( 表3 2 ) 可以看出，沉积物7 种磷形态平均含 量以o r g p 最高，占总磷的5 0 8 ，这个规律与太湖阮5 9 l 一致。与周来等【6 0 1 有关南四湖 的研究结论存在差异，其研究结果认为南四湖沉积物中无机磷占主要成分。d e p 、c a p 的含量次之，分别占总磷含量的2 9 7 4 、1 4 9 4 。o c p 、f e p 含量较小，各点不同深 度含量均小于4 2 o m 眺g 。e x p 和a 1 p 含量较低，各采样点平均含量均小于6 o m g l ( g 。 在沉积物不同磷形态空间分布上，o c p 、c a p 、d e p 等惰性磷在各点之间的差异 相对较小，o r g - p 稍高，e x p 、a l p 、f e p 等潜在活性磷的差异性较大。d e p 含量在各 点不同深度中变异性最小，其相对标准偏差仅为3 4 ，这可能与d e p 参与磷的生物地 球化学循环相对f e p 等组分慢有关。f e p 的变异性最大，其显著的变异性与该组分磷的 形态转化能力较大有关。 3 2 2 沉积物磷形态垂直分布 各采样点不同深度沉积物磷形态分布特征见图3 1 所示。 1 3 由东建筑大拳硕士学位论文 图3 1 南四湖微山湖区各采样点沉积物磷形态纛直分布曲线 嚣g3 一l 黻i e 蘸碰s 弧执i 强o fs 甜i 雠鼹| 曲。蹬h o m ss p e c i e si nw e i 婊勰hd i s t r i c o fk k e n a n s i 量掇 从图3 1 中可以看出，对不同采样点位而言，尽管不同磷形态及含量在垂直方向上 呈现一定的波动，但其总体变化趋势比较清晰，e x 。p jf e p 、o 口p 、o 碍- p 含量随深度 增加丽逐渐降低，焉a 1 p 、c a _ p 、p e p 含量则逐渐增赧。 各采样点表层e x - p 含量较高，而5 锄深度以下其e x p 含量较小( 均小于6 2 m l ) ， 这可能与表层f e p 、o r g 。p 含量较高有关。由于水草可以促进沉积物活化，增加沉积物 中嚣x p 含量瑟 ，2 、4 、5 号点( 有水草区) 融p 含量均高于l 、3 号点( 无水草区) 。 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 5 号点由于靠近生活区和鱼塘，此处外源污染较重，其e x p 含量较高。1 号点靠近航道， e x p 在船舶频繁的动力扰动下极易释放进入上覆水，因此，该点e x p 含量最低。 在本研究结果中，a 1 p 随深度增加呈现递增趋势，这与戴纪翠和吕昌伟等阮6 3 】 的研究结果均有差异。有关胶州湾沉积物中a 1 p 分布的研究结果显示【6 2 】，a l p 随 深度略有减小趋势；而有关乌梁素海沉积物中a 1 p 分布的研究结果表明f 6 3 1 ，a 1 p 随深度先减小后增大。因此，有关沉积物a 1 p 的分布规律及迁移机理还值得进一步 深入探讨。 各点f e - p 含量在垂直剖面上表现出下降的趋势，分析其原因，随着沉积深度增加， 沉积物还原程度逐渐增强，当f e 3 + 被还原为f e 2 + 时，f e p 随着二价铁的溶出也随之释放 进入间隙水，进而在依靠浓度梯度差逐渐上移进入上覆水体，使沉积物中f e p 浓度减小； 在f e 3 + 被还原为f e 2 + 的同时，吸附在铁锰氧化物及氢氧化物上的磷也被释放进入间隙水， 导致f e p 含量逐渐降低；随着沉积物深度的增加，沉积物中的非晶矿物逐步有序化，铁 的氧化物、氢氧化物与磷的结合能力逐渐降低，导致f e p 含量逐渐降低。由于受人类 生产活动影响，1 、3 、4 、5 号点的表层f e p 含量均较2 号点高。 o c p 含量随沉积物深度增加而逐渐减小，其主要原因在于，随着深度增加，沉积物 还原程度逐渐增强，在强还原条件下f e 2 0 3 胶膜溶解，o c p 转化为磷酸铁i 磷酸铝等潜 在活性磷后逐渐向上迁移，导致下层o c p 含量较低。5 号点位于湖区鱼塘，在养殖过程 中定期清理上层底泥，影响该采样点沉积物的自然沉积过程，因此，该采样点的o c p 含量在垂直方向上未呈现明显规律性。 c a - p 含量随着深度增加呈现递增趋势，分析其原因，c a p 主要由o r g p 转化而来【6 4 】， 0 r g p 释放的溶解性磷被吸附到铁氧化物上形成磷铁复合体，并不断沉积埋藏于底泥中， 在底泥还原环境中，磷与铁复合体中的f e o o h 逐渐溶解并向上层迁移，而失去铁的含 磷颗粒则在底层厌氧环境中逐渐矿化，最终形成了c a p ，下层沉积物较上层沉积年代更 久远，因此，随沉积深度增加，其c a - p 含量逐渐提高。在5 个不同采样点位中，2 号 点c a p 含量最低，其原因可能是由于2 号点水草茂盛，其水生植物根系分泌的有机酸 造成沉积物中c a p 向潜在可利用磷的转化。 与c a p 不同的是，d e p 含量在不同深度变化幅度较小，其原因在于，d e p 性质 稳定，沉积物d e p 含量由流域地质特征决定，外部环境对其影响较小。图3 1 ( f ) 显示， 在5 个不同采样点位，对表层沉积物而言，其d e p 含量及分布规律与c a p 相似，由于 东建筑大学颈士学位论文 水生植物根系分泌有机酸，有水革的区域d e p 含量较小。 圈3 。l 蓟显示，5 个采样点不同深度沉积物中，随着沉积物深度增加，有枫质矿化 程度提高，其o r g p 含量逐渐减小，o r g p