（环境科学专业论文）长寿湖中磷形态的季节变化和沉积物磷释放的模拟研究.pdf

独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注。 对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确 说明并表示衷心感谢。 猢槲：聊习鳓期：刀年钿乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 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、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：坏保密，口保密 期限至年月止) 。 学位论文作者签名：卸眵婚 签字日期：砂年6 月日 导师签名：砍泣易 签字日期：沙i f 年6 月弓日 识产 究经 产权 使用 本研究受到西南大学生态学重点学科“2 1 1 工程 建设经费资助，在此表示感谢! z 乙种甄尝垂朝霉红缴串鳓潍蟹瞰晕并乙。钞 i 乙”蛐缮朝霉纽瓤审平暾轻善图骈虹伊i 。钞 0 乙“砰魏瓤珊捌戥i 。t ， 0 乙”瓤冒珊拶戥乙i 步 6 i 一瓤冒i + i 秒 6 i 孙簋鞋垂明牮纽瓤七b 平咏晕并i 杪 6i 砚h 与凿彰妻钞髻 8l 辫髟与驻骈辨骠扩。e i 。餮阜嚣鞍e 。e 9 i 哗敷瞠器益干乙 9 i 醯涵与脊卷明智抖鳓雄癣e 。i 1 9i 配辅与脊当朝抖堆乙。i 。e s i 揖承朝覃抖卷i i e s i 僻桦孺骤i 。e si 餮阜与僻胖辜髻 乙l ”翁龆半辑e 。乙 乙i 晕掣延掘乙。乙 il 百晕瞠朝目延抱i 乙 ii 呈l 垒妻乙誊 娑图啪缮明砰姓缎中翰雄繇乙+ 杪。i 9 1 串衅碎越朝瓤审鳓雄磐i 1 7 。i 9 善圈砷缮唑0 串衅碎撼驹辙亡b 鳓雄娶步i s 娑图蛐缮阴犁红瓤中鳓雄霹乙e i c 一番华掣彤酶髟朝牮红搬中翰雄磐i 。e i c 智桑琶搬明牮红瓤中辫罐霹e 。i c 淋磁琶抱亚斟融匿业垂明鼙猫瓤乙i 乙晕可辫虹朝瓤中眺嗽乙。i t z 颤半朝搬串眺瞰i i i i “淋磁延樵驹孙甏辱罩眺曝i i l ”蔡将撙茸真i 髻 i 益麟 警目 - i i 警目 竹目啦搬性鲷啤霉瞠茸观擎髯删睁杀翠 z 杪舷琏 9 弹茸霉霉 杪e 猕鼙乙s 分砚夥螽干i s 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a c t s e a s o n a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h o r u ss p e c i a t i o na n d s i m u l a t i o ns t u d yo f p h o s p h o r u sr e l e a s ei ns e d i m e n t so f c h a n g s h o ul a k e c a n d i d a t eo fm a s t e rd e g r e e ：g u oh a i t a o s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i n z h o n g a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o ni sc u r r e n t l yo n eo ft h em o s ts e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i nt h e w o r l d p h o s p h o r u si sam a i nl i m i tf a c t o rl e a d i n gt oe u t r o p h i c a t i o n o nt h eo n eh a n d ， p h o s p h o r u sf r o mi n d u s t r i a l a n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，r a i s i n gl i v e s t o c ka n dl i f e a c t i v i t i e s ( n a m e de n d o g e n o u sp h o s p h o r u s ) w e n ti n t ow a t e re n v i r o n m e n t ，c a u s e dw a t e r p o l l u t i o n ；o nt h eo t h e rh a n d ，p h o s p h o r u si nt h es e d i m e n t sr e l e a s e di n t ot h eo v e r l y i n g w a t e rw h e nv a r i o u se n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n f l u e n c ee n d o g e n o u sp h o s p h o r u ss t o r a g e di n l a k eb o s o m ，s u c ha sp h ，t e m p e r a t u r e ，d oa n dd i s t u r b a n c e ，e v e na f t e rr e d u c i n go r t n m c a t i o ne x o g e n o u sn u t r i e n ti n p u t , p h o s p h o r u si nt h es e d i m e n t sc a nr e l e a s ea n dl e a d e u t r o p h i c a t i o n c h a n g s h o ul a k ei si m p o r t a n tf r e s h w a t e r f i s h e r i e sb a s ei nc h o n g q i n g ，a n n u a l o u t p u tr e a c h e s3x 10 0k g i th a sb e c o m em u l t i f u n c t i o nw a t e rc o m b i n i n gd r i n k i n g i r r i g a t i o n ，t o u r i s m ，b r e e d i n ga n dp o w e rg e n e r a t i o nw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t o u r i s ma n da q u a c u l t u r e b u tt h ee m i s s i o n so fu r b a ns e w a g ea n di n d u s t r i a lw a s t ew a t e r i n c r e a s ey e a rb yy e a rb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g o fu r b a np o p u l a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t o ft o w n s h i pe n t e r p r i s e s t h el a n du t i l i z a t i o ng i v ep r i o r i t yt oo r c h a r d ，f o r e s tl a n d ， f a r m l a n da n dr e s i d e n t sl a n da r o u n dt h el a k e t h ec h e m i c a lf e r t i l i z e r sa n dp e s t i c i d e si n a g r i c u l t u r a la c t i v i t i e sl e a dt ot h er e s u l tt h a tal o to f n u t r i e n t sw e n ti n t oc h a n g s h o ul a k e t h r o u g ht h ew a ys u c ha sr u n o f f , l e a c h i n ga n dl e a k a g e ，e s p e c i a l l ya n i m a lf e c e s ，f e e d a n df e r t i l i z e ri nf a t - w a t e ra q u a c u l t u r e ，m a k et h ew a t e r q u a l i t ya n de c o l o g i c a l i i i t h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i sf o r c h a n g s h o ul a k ed i s p l a ys e a s o n a lc h a n g e s o b v i o u s l y t h ec o n t e n t so ft o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n dd i s s o l v et o t a lp h o s p h o r u s ( d t p ) i nt h eo v e r l y i n gw a t e rb a s i c a l l ys h o wa no r d e ro ft h el o w w a t e rp e r i o d ，h i g h w a t e r p e r i o da n dn o r m a l - w a t e rp e r i o df r o mh i g ht ol o w ，t pr e a c h e sm a x i m u m ( o 2 3 6 6m g l ) i nt h el o w w a t e r p e r i o d ，d t pr e a c h e sm a x i m u m ( 0 12 5 4r a g l ) ；t h ec o n t e n t so f d i s s o l v ep h o s p h a t e ( d p ) s h o wa no r d e ro ft h eh i g h w a t e rp e r i o d ，n o r m a l w a t e rp e r i o d a n dl o w - w a t e rp e r i o df r o mh i g ht ol o w ，i tr e a c h e rm a x i m u m ( 0 0 4 8 8m g l ) i nt h e h i g h w a t e rp e r i o d a n da l lm a x i m u mv a l u e sa p p e a ri nl o n g h ek o ua td i f f e r e n tp e r i o d w h i c hi st h ec r o s s - s e c t i o no fl o n g x ir i v e ra n da c c e p t sc o n t a m i n a n t so f p h o s p h o r u sf r o m t h eu p p e rw a t e r t h em i n i m u m p r e s e n t sd i f f e r e n c e sb e c a u s eo ft h es a m p l el o c a t i o n s i n a d d i t i o n ，t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o ra n a l y s i ss h o w st h a tt pa n dd t pc o n t e n tw i t h p hv a l u ei su p ；d pc o n t e n ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r e p h o s p h o r u sf o r ma n a l y s i ss h o w st h ec o n t e n t so ft o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) b a s i c a l l v s h o wa no r d e ro ft h el o w - w a t e rp e r i o d ，h i g h - w a t e rp e r i o d ，a n dn o r m a l w a t e rp e r i o d f r o mh i g ht ol o w ，a n dt h em a x i m u ma p p e a r e di ns h o u d a o ( 2 9 6 0 2 9m g k g ) w h i l et h e m i n i m u mi ng u a n j i a k o u ( 5 8 6 0 5m g k g ) t h em a s sf r a c t i o n so fp h o s p h o m sa s s o c i a t e d w i t hh y d r o u sf e r r i c a l u m i n u mo x i d e s ( f e a i - p ) a n do r g a n i cp h o s p h o r u s ( o p ) i nt pa t a l l s a m p l i n gs i t sa r ei na no r d e ro ft h en o r m a l w a t e rp e r i o d ，h i g h w a t e rp e r i o d a n d l o w w a t e rp e r i o df r o mh i g ht ol o w , a n dt h em a x i m u mo ff e a 1 pa p p e a r e di nl e w e n ( 4 0 o1 ) w h i l et h a t o fo pi nt h ed a mm o u t h ( 7 2 4 4 ) t h e m a s sf r a c t i o no f p h o s p h o r u sb o u n dt oc a l c i u ms a l t ( c a p ) i nt pi si na l lo r d e ro ft h el o w w a t e rp e r i o d n o r m a l w a t e rp e r i o d ，a n dh i g h - w a t e rp e r i o d ，a n dt h em a x i m u m a p p e a r e di nb a i b u d a n g ( 15 5 2 ) t h e s er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h ep h o s p h o r u ss p e c i a t i o ni nt h es e d i m e n to f c h a n g s h o ul a k es h o w so b v i o u s l yt e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d i v f e a i pi sm a i n l yi n f l u e n c e db yp ho ft h eo v e r l y i n gw a t e r ，w h i l eo pi s n o ta p p a r e n t i n f l u e n c e db yd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) i i l d o o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tp h o s p h o r u s r e l e a s ei nt h es e d i m e n t i n f l u e n c e db yp h ，t e m p e r a t u r e ，d o a n dd i s t u r b a n c e s p h o s p h o r u sr e l e a s eq u a n t i t y i n c r e a s e sw i t hp hv a l u ei n c r e a s e i nw e a kb a s e s r a i s i n gt e m p e r a t u r ep r o m o t et h e r e l e a s eo fp h o s p h o r u si ns e d i m e n t s w h i l er e d u c i n g d op r o m o t e st h er e l e a s eo f p h o s p h o r u s t h ed i s t u r b a n c ec a np r o m o t ep h o s p h o r u s r e l e a s e k e yw o r d s ：c h a n g s h 。ul a k e ；s e d i m e n t ；s u r f a c ew a r e r ；p h o s p h o r u s s p e c i a t i o n ；s e a s 。n a l v a r i a t i o n v v i 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 9 1 9 年n u a m a n 最早提出湖泊富营养化的概念，富营养化一词源于希腊文，意即“富裕”。 对于水体而言，富营养化是一种水体衰老现象，是指在人类活动的影响下，湖泊水体接纳过 量生物所需的氮、磷等营养物质，引起水体中藻类以及其他浮游生物异常繁殖，水体透明度 和溶解氧下降，造成湖泊水质恶化【i 】。 1 1 湖泊富营养化的研究现状 2 0 世纪初，水体富营养化问题就引起了生态学家、湖沼学家以及一些国际组织、国家政 府和社会各界人士的关注1 2 】。2 0 世纪6 0 年代末，联合国粮农组织( f a o ) 、联合国科教文组织 ( u 旺s c o ) 、世界卫生组织( w h o ) 、欧洲经济共同体( e e c ) 和经济合作与发展组织( o e c d ) 等国际组织开始设立水体富营养化研究专项1 3 1 ，并于1 9 8 0 年分别召开了“国际湖泊富营养化 专题讨论会”。 目前国外研究主要集中在湖泊、水库的富营养化形成机制、评价、预测模型、控制对策 研究上f 柚】。1 9 7 9 年日本相崎守弘提出湖泊富营养化指标与环境水质参数的关系表达式，部分 学者研究氮、磷负荷、藻类生产量与湖泊自然特征关系，提出不同形式的富营养化评价与预 测模型。如1 9 7 5 年v o l l e n w e i d e r 提出的营养物输入产出关系模型，s a l c a m o t o 的叶绿素a 模型 和c h e n l o r e n z e n s m i t h 的水生生态模型等【1 0 1 。如今，湖泊营养化模型已从简单的单一状态变量 和v o i l e n w e i d e r 式的经验总磷模型，发展到复杂的湖泊生态系统模型。 我国对3 7 个主要湖泊的调查中发现，达到中营养和中富营养型的占5 5 8 ，富营养型的 占1 4 7 ，重富营养型的占8 8 。2 0 世纪8 0 年代，国家环保局针对湖泊的水文特征、理化特 征、营养指标、沉积特征和生物特征进行典型专项研究l 。另外，我国学者对湖泊富营养化 模型构建也做了大量研究1 1 2 ，1 3 】；在湖泊营养物质特性、负荷来源、营养类型划分、营养类型 特征、沉积物中磷的赋存形态、水生生物群落、浮游植物生产力特征和湖泊富营养化评价方 法等方面也进行了大量研列1 4 j 。 最近，应用于海水体系研究和应急处理的黏土除藻技术在淡水湖泊试验成功，这种技术 在日本、美国、韩国、澳大利亚等国一直被用来处理赤潮实践，同时由此技术造成的沉积物 磷的释放，也相应的研制出化学固磷法，即把藻华和沉积物中的磷“同定”在改性黏土中( 即 固定后的磷不再溶解或解吸到水体中) 。实验研究证明，经过这种改性处理过的沉积物再泛起 时释放的溶解性磷仅为未经过固磷处理的对照沉积物的1 1 0 ，从而可有效抑制泛起后磷的释 放问题。目前这种化学固磷法正处在进一步降低成本和进行各项健康与湖泊生态安全的较长 期的研究阶段，尚未在实地试验，但它已经为黏土技术的进一步发展提供了十分重要的研究 思路。 沉积物氧化还原状况的改变、自然和人为扰动、湖水垂直分层产生的对流运动和其它环境条 件如p h 、温度等的改变，都会影响沉积物中氮和磷的迁移转换。不同条件下沉积物“汇源” 效应的转换l l9 1 ，对湖泊乃至整个流域系统中物质的生物地球化学循环过程具有极其重要的控 制作用。 1 1 2 湖泊中磷的环境危害 水体富营养化分为天然富营养化和人为富营养化。天然富营养化是指湖泊营养物质自然 富集，引起湖泊营养物质浓度逐渐增高而发生水质变化的过程，在自然状态下，这种变化进 程非常缓慢，往往要经历数百甚至上万年。随着工农业生产大规模地迅速发展，“城市化” 现象愈加明显，使得不断增加的人口集中在一些水源丰富的特定地区。人口集中的城市排放 出的大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业废水流入湖泊、河流和水库引起的富营养化 称为人为富营养化【2 0 j 。在农村，为了提高农作物产量，施用的化学肥料和牲畜粪便逐年增加， 经过雨水冲刷和渗透，使一定数量的植物营养物质以面源的形式最终输送到水体中。人为富 营养化发展的速度很快，可以在短时间内使水体由贫营养状态转变为富营养状态。赤潮和水 华是水体中藻类爆发的两种主要形式。赤潮是在特定的环境条件下，海洋中某些微小( 2 2 0 p m ) 的浮游植物、原生动物或更小的细菌爆发性繁殖或密集性聚集，引起水体变色的一种有 害生态现象。水华是在湖泊等淡水水体中藻类爆发的一种自然生态现象，水体一般呈蓝色或 绿色阻2 2 1 ，由蓝藻、绿藻、硅藻等藻类引起，也有部分是由浮游动物腰鞭毛虫引起的。通常， 2 第1 章文献综述 人们研究的富营养化问题属于环境污染范畴的问题，是“人为富营养化”，即由于人类的活 动，大量的工业废水和生活污水以及农田径流中的营养物质造成水体中营养物质增加，引起 生物种群数量变化导致水体生态平衡破坏的一种污染现象。 1 2 磷形态的季节变化特征研究现状 一般来说，一年内枯水期河流自净能力最小，水质最差，平水期居中，丰水期则自净能 力最大，相应水质较好。但对于某些流域，如果其点源污染不严重而非点源污染比较突出， 这时丰水期的水质反而不如枯水期和平水期。 2 0 0 7 年，柴夏等1 2 3 】对大钟岭水库的监测分析表明，水体t p 季节性变化极其显著，总的 变化趋势是秋季p 营养盐含量高于其他季节。张晟掣2 4 1 研究表明，三峡库区长江干流与我国 很多湖泊、河流一样，1 1 p 季节变化规律明显，即秋季丰水期( 7 9 月) 浓度显著高于其余月 份，1 1 p 浓度在枯水期( 1 2 月) 最低。丰水期营养盐输入量是年总输入量的主要贡献者，营养 盐输入量表现出明显的丰水期高，枯水期低的季节性变化特征。营养盐的月输入量与流量之 间存在极显著的线性正相关关系，因此认为营养盐输入量的季节性变化主要受流量季节性差 异的影响。 1 3 沉积物中磷形态的研究进展 沉积物中磷形态的分级，有助于了解磷在水沉积物界面的迁移转化特征，并预测向上覆 水中的释放程度2 5 1 ，所以全面了解磷在沉积物中的赋存形态对改善水环境质量显得尤为重要。 沉积物中磷形态的分级分离是在土壤学家评价土壤有效磷库大小和磷素状况的基础上总 结出的一套较为成熟的方法。沉积物中不同形态磷的分级与其提取方法是相辅相成的2 6 1 ，人 们可以根据研究目的的不同，运用不同的磷形态分级分离方法，随着化学试剂的大量应用， 新的分级分离方法也在不断发展中。 1 3 1 沉积物中磷形态的分级分离方法 沉积物中磷的各种分级和提取方法及其优缺点分别见表1 1 和1 2 。 d a l t a l 等2 7 1 认为，目前的研究手段限制了有机磷的分离，仅限于分析与有机物结合的总磷。 在国内黄清辉等1 2 8 】应用乙二胺四乙酸法对长江中下游太湖、巢湖和龙感湖等3 个湖泊表层沉积 物中磷的形态进行连续提取和测定，发现沉积物中酸可提取有机磷的释放可能是导致湖泊富 营养化的一个重要过程。但国内外对有机磷形态的研究还不是很多，原因还有待于进一步研 究。 自2 0 世纪5 0 年代以来，人们一直致力于沉积物中磷形态的研究，但是目前为止，标准的 沉积物磷形态分级分离方法并没有形成，而且所有方法只是基于操作上的方便，并非基于化 学计量或者结构上的研究，这离不开沉积物磷种类的高度可变性和复杂性【2 9 】，所以，磷形态 3 两南：学硕f 学位论文 分离方法应根据研究对象灵活选择。 表1 1 沉积物磷形态的分级提取方法 t a b l e1s o m ee x t r a c t i o nm e t h o d so fp h o s p h o r u ss p e i c e sf r o ms e d i m e n t 方法提取剂 拟提取部分 注：b d ，碳酸氢钠连二硫酸钠；c b d ，柠檬酸钠碳酸氢钠连二硫酸钠：n t a ，氨基三乙酸 4 第1 章文献综述 表1 - 2 形态提取方法的主要优缺点 t a b l e1 2a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs o m ee x t r a c t i o nm e t h o d so fp h o s p h o r u ss p e i c e s 1 3 2 沉积物中磷形态的影响因素 磷进入水体后，可进行的主要化学反应有【3 0 1 ： h 3 p 0 4 一h + + h 2 p 0 4 。 h 2 p 0 4 。一h + + h p 0 4 2 h p 0 4 2 一h + + p 0 4 s 。 2 h 2 0 + f e ”+ p 0 4 3 一f e p 0 4 2 h 2 0 2 h 2 0 + a 1 3 + + p 0 4 一a i p 0 4 2 h 2 0 4 c a 2 + + h + + 3p 0 4 3 + 3h 2 0 c a 4 h ( p 0 4 ) 3 2 h 2 0 10 c a 2 + + 6 p 0 4 3 。+ 2 0 h 一c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 10 c a 2 + + 6 p 0 4 3 + 2 f c a l o ( p 0 4 ) 6 f 2 有机磷一p 0 4 孓+ c 0 2 t + h 2 0 5 两南大学硕 j 学位论文 曼蔓曼量曼曼皇曼曼曼曼曼皇鼍i 鼍曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 o ho h 土壤胶体一o h + h p 0 4 2 。一土壤胶体一o h + o h 。 o h h p 0 4 2 。 因此，进入水体中的磷与水中的不同金属离子和胶体结合形成沉淀，从而沉积到底部。 湖泊磷大多以下列各种形式堆积在沉积物中：他生的磷灰石矿物和有机结合态磷，部分为沉 积物中死亡生物的构成元素与腐殖质络化物结合态；与铁或铝的氢氧化物等无机络化物一同 沉淀，或者与方解石形成共沉淀p 1 1 。 沉积物中磷的各种形态在受到各种因素影响时，易发生迁移转换。如生物活动、外部营 养盐的输入、细菌等微生物分解有机质以及环境因素的变化( 如p h 、氧化还原电位和温度等) 3 2 , 3 3 1 。b o z e n a 等研究发现，沉积物中磷的含量受沉积速率、有机质的含量与类型、沉积物 和底层水的氧化还原环境、沉积物类型、c a 、a i 、f e 在沉积物及底层水中的含量和沉积物中 有机质的矿化强度等因素的影响。在磷的各种形态中，f e p 是沉积物中最活跃的磷形态，随 着氧化还原环境的改变，磷形态在沉积物中的分配比例也会发生变化。当西降低时，f e 3 + 转 化为f e 2 + ，同时与f e 结合态的磷释放进入上覆水中，并与其它离子结合；而上m 升高时，f e 2 + 被氧化重新沉淀或发生络合，使f e 结合态磷再次沉积到底部。另外，磷在不同形态中所占的 比例还会受到盐度和硫酸盐含量的影响，盐度增加后，水体中f e 2 + 吸附、沉淀和结晶能力减弱， 相对的c a 2 + 含量变高，f e p 向c a - p 发生转化。另外，沉积物中c a 、a l 、f e 的含量也会影响 磷形态的分布，当由于人为污染等因素引起沉积物中c a 、a i 、f e 的含量变化时，磷就会发生 一系列吸附解吸过程，从而实现在不同形态间的迁移转化。p h 也会影响磷形态的转换，碱性 条件下，f e a i p 有向c a - p 转化的趋势；酸性条件下，则存在c a - p 向f e a i p 转化的趋势。 w i i l i a m 等1 3 5 】研究了e r i e 湖表层沉积物中的磷形态及其性质之间的相关性。r u b a n 3 q 研究发现， f e p 分布在一定程度上与人类干扰相关，如在航道铁磷分布较多。c a - p 的溶解度相当大，容 易释放到底层湖水中参与磷的再循环【3 7 1 。无机磷是内源磷的主要组分，大约占总磷的6 0 以 上。在表层沉积物中有机磷含量明显增加，表明近期外源性有机磷的增加或微生物活动贫乏 1 3 引。 除此之外，沉积物磷形态还受到其它一些因素的影响，或者是多因子的交互影响，其影 响机理还有待进一步的深入研究。 1 4 沉积物中磷的释放机制和影响因素 1 4 1 沉积物中磷的释放机制 沉积物内源磷的释放是涉及物理、化学和生物作用的一个复杂过程。大约在1 9 4 0 年，就 有证据表明当沉积物表面变为还原环境时，湖泊沉积物中的磷能够释放到上覆水中。沉积物 和上覆水之间存在着一种吸附和释放的动态平衡。当沉积物中磷的浓度较大时，形成一个向 6 第1 章文献综述 上的浓度梯度，这是造成沉积物释放的一个客观条件。沉积物中有机质氧化分解导致沉积环 境为还原条件，并引起f e p 的溶解释放1 3 9 】。 1 4 1 1 有机质的矿化分解 微生物活动有利于有机质的矿化分解释放出溶解性的磷酸盐，其中一部分通过间隙水向 上扩散，另一部分被沉积物悬浮颗粒吸附，在一定条件下，扰动引起的沉积物再悬浮状态会 使被吸附的磷酸盐释放补充到间隙水中去。 1 4 1 2 铁氧化物解吸作用 2 0 世纪9 0 年代初，铁对沉积物中磷的释放研究就受到许多学者的关注。表层沉积物中， 几乎所有的f e p 都具有活性。当环境变化时，氧化状态下，很容易释放出来，表现出“源” 的效应；还原条件下，f e 3 + 还原为f e 2 + ，被氧化铁束缚的磷释放，表现出。汇的效应。 1 4 1 3 沉积物扰动及其它 扰动可以使分层氧化带之下，孔隙中溶解磷释放的通量增加【4 们。浅水湖泊中较深水湖泊 更易受到强风引起的水动力扰动。隋少峰等对东湖底泥的释磷研究表明，a i ( o h ) 3 较f e ( o h ) 3 的吸附作用更为重要，并且受p h 的影响很大。p h 值较低时，溶解性h 2 p o 含量增多，易于 底泥中磷的释放；p h 值较高时，o h 与铁、铝磷酸盐络合物中的磷酸盐发生交换，使得底泥 中的磷释放出来0 4 1 1 。 1 4 2 沉积物中磷释放的影响因素 大量研究表明，沉积物中磷的释放受到各种环境因子的影响，其中最主要的是水中溶解 氧、p h 、氧化还原电位、温度、生物和水体的扰动等。 1 4 2 1d o 和西 水体铁、锰氧化物和硫的氧化还原以及微生物的新陈代谢会受到d o 和e l l 的影响，从而 影响沉积物磷的释放。在还原条件下，不溶性的f e ( o h ) 3 转变成可溶性的f e ( o h ) 2 ，溶解度增 加，使得铁、锰氧化物吸附的磷被释放出来1 4 2 】。氧化条件下，铁、锰氧化物吸附大量的磷大 量进入沉积物，抑制湖泊富营养化的发生【4 3 1 。也有学者认为，氧化条件下沉积物同样会释放 磷到上覆水体中，只不过释放量较小“，4 5 1 。 1 4 2 2p h p h 是湖泊水环境的重要指标之一，研究表明p h 与沉积物释磷量之间呈抛物线关系，上覆 水p h 近中性时释磷量最低，但在偏酸、偏碱都有利于磷的释放f 4 5 4 8 j 。这是因为p h 较低时，底 泥释磷以溶解作用为主，而p h 值较高时，o h 可与无定形铁铝胶合体中的磷酸根发生交换，从 7 样r e d d y 掣5 3 j 在研究a p o k a 湖中也发现，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 r g a a r d 等1 5 4 】调查丹麦的a r r e s o 湖后发现，动力悬 浮产生的营养盐浓度增加可以达到原来的2 0 - - 3 0 倍。 1 4 2 5 其它因素 除了物理和化学因素影响外，生物因子也是影响沉积物磷释放和形态转化的重要因子。 胡俊等1 5 5 】研究发现沉积物磷释放受沉水植物的影响，并与其存在一个多因子之间的互利和拮 抗关系。潘宏凯等【5 6 】对太湖的研究中也发现浮游动物的营养盐释放可能对湖泊生态系统营养 盐循环有较大影响。除此之外，细菌等微生物对沉积物磷的吸附和释放也有不可忽略的影响， 例如在加拿大富营养化湖泊沉积物孔隙中，铁铝吸附和共沉淀的磷较少，磷释放可能受到磷 灰石溶解与细菌新陈代谢的控制1 5 7 】。邹迪等 5 8 1 研究发现附生假单胞菌的存在能促进铜绿微囊 藻的生长，将微囊藻不易直接吸收的磷形态转化为磷酸盐供微囊藻利用。 8 第1 章文献综述 综上所述，富营养化是一个全球范围亟待解决的水环境问题。由于人为活动将未经处理 的工业废水、生活污水和农田径流等外源污染物输入，导致氮、磷营养元素增加，在一定条 件下转化为内源磷，受到溶解氧、p h 、氧化还原电位、温度、生物、水体搅动和水化学成分 等主要环境因子的影响时，再次引起水体富营养化的发生。随着季节的变化，湖泊、河流呈 现出丰水期、平水期、枯水期3 个水期的季节性变化，同时各环境因子的变化，使沉积物中 各种磷形态的含量也呈现出季节性变化。但目前关于湖泊和沉积物中多种磷形态的季节变化 研究相对较少，金相灿掣j 在长寿湖开展了磷的空间分布变化规律研究，缺乏针对该湖湖水 和沉积物中磷形态季节变化的全面研究。本文拟系统研究长寿湖水和沉积物中磷形态的季节 变化特征，模拟实验研究不同环境条件下，大坝口沉积物中磷的释放特征，以期为长寿湖的 污染治理和环境修复提供科学依据。 9 两南大学硕 ：学位论文 1 0 随着我国工农业的迅速发展，城市化进程的加快，大量的工农业生产废水、生活废水和 畜禽养殖污水通过各种途径进入河流、湖泊等水体。特别是农药、化肥的广泛使用，由此产 生的农业面源污染，增加了湖泊中n 、p 等营养元素负荷，加速了湖泊的富营养化进程。进入 湖泊中的磷可通过颗粒吸附、自生沉积和生物沉积等方式进入沉积物，当水体的环境条件( 如 e l l 、p h 、d o 和温度等) 发生变化时，被沉积物固定的磷又重新释放到水中，成为湖泊重要 的“内源性”磷，维系着湖泊的富营养化。因此，研究湖泊中营养元素磷的季节变化特征， 对于保护湖泊生态系统、防止湖泊富营养化具有重要的意义。 长寿湖由狮子滩水库更名而来，该湖泊是长江支流龙溪河下游人工砌坝而成，是重庆市 最大的人工湖泊、重要的淡水鱼养殖基地，水域面积约6 6 6 7h m 2 。随着旅游业、养殖业的蓬 勃发展，长寿湖已经成为集防洪发电、航运、渔业、饮用水、农灌、旅游为一体的多功能水 体。长寿湖的主要水源是龙溪河，其流域面积3 2 4 8k m 2 ，多年径流量为5 4 1 0m 3 s 。近年来， 旅游业和养殖业的快速发展给长寿湖带来了严重的污染，同时受到区域内农业面源污染。据 报道，长寿湖中磷输入总量5 9 1 8 4t a ，其中农田径流的输入量为1 2 0 2t a ，使得长寿湖中磷 元素浓度超过湖泊i i i 类水质标准，磷超标倍数达到3 倍以上，在长寿湖中出现稀脉浮萍和紫 背浮萍等藻类物质5 9 ，6 0 1 ，说明水体己处于富营养化状态。长寿湖水质恶化严重影响了湖泊的 生态环境和湖区居民的生产和生活活动。 2 0 世纪9 0 年代初，长寿湖引进淡水养殖与网箱养殖并重的养殖方式。“九五”期间，该 湖放弃大湖面淡水养殖，引进并推广以动物粪便、饲料和化肥为饵料的大面积肥水性网栏养 殖技术。2 0 0 0 年，投放鸡