（环境工程专业论文）重庆龙水湖底泥磷的吸附与释放特征研究.pdf

西南农业大学硕士论文 摘要 摘要 水体富营 养化是当今世界面临的一个严重环境问题。 造成富营养化的限制因子主要是 n 和p ， 尤其是p 。 对于大多数 外源 磷得到 控制的 水体来说。 底泥磷的 释放对长期维持藻 类生长， 促进湖泊富营 养化的发展具有举足轻重 的作用。 但是，底泥对磷的释放与吸收是有条件的， 它 受 到多 种 因 素 的 影 响， 包 括 底 泥本 身 的 理化 性 质 和 其 它环 境 条件 ， 如 氧 化还 原 状况 、 p h 值、 温度等。本研究以 重庆龙水 湖作为紫色土酸雨区湖泊的 代表，采用野外调查、采样分析和室 内模拟相结合的方法，以研究其底泥及其磷的性质为重点，同时对其水质进行初步评价，旨 在揭示紫色土酸雨区底泥的特点以及释磷吸磷的规律，为防止该地区湖泊富营养化提供参考。 对龙水湖的 调查与分 析显示， 该湖泊 水质 季节变化明显， 春季好于夏季， 受温度和p h值 影响较大。夏季湖水呈弱碱性， p h值平 均为9 . 1 1 , 湖水p h值的上升主要是藻类活 动引起的。 由国内外相关标准.夏季水中的总磷浓度处于中营养化水平。底泥中铁的含量为 2 8 7 1 7 .8 7 - 4 4 6 5 0 .0 0 m g . k g - 1 , 平 均3 9 4 9 3 . 0 4 m g .k g : 镁 的 含 r 也较高 ， 为5 0 0 4 . 9 5 - 8 9 5 7 .4 5 m g .k g , 平均6 5 3 8 . 8 3 m g . k g : 钙 和 锰 的 含 量 则 较 低 ， 但 都 明 显 高 于周 围 土壤 值。 对 磷的 形 态 分 析 表明 ， 湖 泊 底泥 总 磷 最高 为5 7 1 . 0 0 m g . k g ， 最 低 为3 0 4 . 7 1 m g .k g - ， 平 均 为4 4 2 .0 4 m g . k g 。 无 机 磷 的 形 态 以f e - p 和闭 蓄 态 磷 为 主， f e - p 平 均 为8 9 .7 5 m g .k g 1 ， 占t p 的 2 0 % 左 右; c a - p 和a i- p 含 量 较 低 ， 平 均 含 量 分 别 为2 9 . 5 0 m g . k g 一 1 , 5 .2 1 m g . k g , t p , f e - p 和 有机质、铁、镁的含量呈极显著关系。 热力学实 验表明，底泥鲜样的吸附能力明显强于干样。以干样来说， 对磷的吸附容量范 围 为4 5 4 - 1 6 6 7 m g . k g 1 ， 平 均 为1 0 4 2 m g . k g 。 该 湖泊 底泥 对磷的 吸 持 能 力 不 强， 吸 持 率平 均 只 有7 2 %左右。 影响 底泥吸附容量的因素 主要是 有机质、铁、镁和粘粒等。 通过底泥的吸附动力学发现，该湖泊底泥对磷的吸附初始阶段的速率非常大。一般来说， 底泥吸附容量越大，其吸附速率也越大，达到平衡的时间也越短。影响底泥吸附速率的因素 主 要 是有 机 质、 f e . c a . m g 和m n 等 元 素 ， 粒 径 对 磷的 吸附 也 有重 要影 响 。 所 有 动 力 学 方 程 中，e la v i c h 方 程拟合最好。 该 湖泊 底 泥 生 物 有 效 磷( b a p ) 平 均 为1 3 8 .5 3 m g .k g， 占t p 的3 1 . 3 4 % ; 磷 吸 持 指 数( p s i ) 和磷的最大吸附量( s o) 之间存 在极显 著关系， 相关系数 r - 0 .9 9 1 “ ，可以作为一种快速测定 底泥磷的最大 吸附量的方 法。该 湖泊 底泥磷吸持饱和 度( d p s ) 处在一个相 对较低的 水平， 平均 为 1 5 . 1 7 %。表明该湖泊底泥对磷的吸 持强 度较大，磷的流失和释放风险较小。 底泥有效磷 ( o l s e n - p ) 平 均 为9 . 7 6 m g . k g， 反 映 该 湖 泊 底 泥 供 磷 水 平较 低。 室内模拟实验表明， 厌氧条件下， 上覆水和 底泥p h值出现波动， 但总的变化趋势是下 降; 氧 化还原电位 ( e h ) 变化不大， 说明 该湖泊底泥在春末夏初e h 处于 最低稳定状态; 厌氧有利 于底泥磷的释放，但磷的释放量是先上升后下降，最后稳定在高于初始阶段水体，t p的水平 西南农业大学硕士论文摘要 旦旦旦 旦鱼鱼鱼鱼鱼鱼 鱼鱼贝. .旦鱼鱼 卫旦旦旦旦旦 旦旦旦旦 旦 旦 旦，即. .口暇鱼 鱼鱼 旦旦旦旦旦旦旦旦 旦旦，.门鱼鱼鱼鱼鱼 微生物对底泥磷的释放影响是复杂的，影响也是巨大的，它可以分解矿化底泥的有机磷 为可溶性无机态而返回到上覆水中。 微生物是促进上覆水中的t p 上升还是下降要视具体情况 而论，由 于本湖泊底泥吸附容量大且藻 类数量较少，上覆水的t p 反而下降。 p h值 对 底 泥 释磷 产生 重 要 影 响 在 碱性 条 件 下， 龙 水 湖 底泥 释 磷 量明 显 增 加 ， 在p h 值 为5 - 8 时. 底 泥释磷量 较少: 在p h值 为5 时 底泥释磷量最小，当p h 8 时， 底泥释磷量开始 增加。另外，在影响底泥性质的诸多因子中，活性铁和活性铝的 作用不突出，并不表明它和 底泥的许多性 质 ( 如磷的最大吸附量) 没有关系，而是因为 它们含量太少以至作用显现不出 来。 总的来说，龙水湖底泥 对磷的吸附容量和吸附速率都很大，磷吸附容量远未饱和， 所以 对进入水库的 营养物质有很强的缓冲作用， 这在一定程度上可以 缓解水体富营养化的发生， 在近期发生富营养化的 风险 很小。 但是，该湖泊底泥源于紫色土中的红紫泥，团粒结构和水 稳性差，分散性强，当 湖泊由于风、船等 扰动时，富含磷的 底泥容易 泛起，加 上该 地区湖泊 底泥铁的含量较高， f e - p 所占t p比 例较大， 磷的吸持率低， 如 果湖泊内 源磷不加控 制持续增 加，一旦条件有 利，这种形式的磷 将重 新进入水中.被藻类利用， 所以降低 底泥内 源磷负 荷 对防止富营养化发生非常重要。 关键词:龙水湖底泥磷释放与吸收 西南农业大学硕士论文 ab s t r a c t e u t r o p h ic a fi o n o f s u r f a c e w a t e r s i s a s e r i o u s p r o b l e m i n m a n y p a r t s o f t h e w o r ld . i n te rn a l lo a d o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s e s p e c i a l l y p p l a y a m a j o r r o l e i n e u t r o p h i c a t io n . p h o s p h o r u s r e le a s e i n s e d i m e n t i s v e ry i m p o rt a n t t o s u p p o rt a lg a e d u r i n g e u t r o p h i c a t i o n . b u t , re l e a s e a n d s o r p t i o n o f p h o s p h o r u s w a s c o n t r o l l e d b y m a n y f a c to r s , i n c lu d i n g p h y s ic o - c h e mi c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s e d im e n t a n d o t h e r e n v i r o n m e n t a l c o n d it io n s , s u c h a s r e d o c o n d i t i o n , p h , t e m p e r a t u re a n d s o o n . a s r e p re s e n t o f p u r p le s o i l , l o n g - s h u i l a k e i s s e l e c t e d . t h e m e a n s is a b o u t fi e l d r e s e a r c h , s a m p l e ana l y s e a n d s im u la t i o n o f s t u d y i n l a b . t h e s t u d y o n c h a r a c t e r o f s e d i m e n t a n d p h o s p h o r u s re l e a s e is p r i m a ry . a t t h e s a m e t i m e , e v a l u a t i o n o f w a t e r q u a l it y w il l b e d o n e . t h e a i m i s o p e n o u t t h e c h a r a c te r i s t i c o f s e d i m e n t a n d l a w o f p h o s p h o r u s r e l e a s e a n d s o r p t io n . t h e s t u d y s h o u l d b e n e f i t t h e p r e c a u t io n o f e u t r o p h ic a t io n i n t h i s a r e a . r e s e a r c h a n d a n a ly s e in d ic a t e d , w a t e r q u a l it y i n t h i s l a k e c h ang e d e v id e n c e i n d i ff e r e n t s e a s o n s , and , w a t e r q u a l it y i n s p r i n g w a s b e tt e r t h a n in s u m m e r t h a t e ff e c t e d妙t e m p e r a t u re and p h . i n s u mme r , l a k e w a t e r w a s a l k a l e s c e n c e w i t h t h e v a l u e o f p h 9 . 1 1 c a u s e d妙 a l g a e . a c c o r d i n g t o c h i n e s e a n d f o r e ig n c r it e r i o n a b o u t la k e , l o n g - s h u i l a k e w a s i n m e s o t r o p h i c a t i o n . i r o n ( f e ) r a n g e d f r o m 2 8 7 1 7 .8 7 m g .k g t o 4 4 6 5 0 .0 0 m g . k g l s e d im e n t , a v e r a g e d 3 9 4 9 3 .0 4 m g . k g 1 . m g h a d a h i g h l e v e l ( 5 0 0 4 .9 5 - 8 9 5 7 . 4 5 m g .k g 1 s e d im e n t ) , a v e r a g e d 6 5 3 8 . 8 3 m g . k g 1 .c a an d m n h a d f e w b u t m o r e t h an t h e v a l u e s o f s o i l b a c k g r o u n d . f r o m t h e ana l y s e o f p h o s p h o r u s fr a c t i o n , w e f o u n d s e d i m e n t t o t a l p r a n g e d f r o m 3 0 4 . 7 1 m g . k g 一 1 t o 5 7 1 . 0 0 m g . k g t ( m e a n - -4 4 2 .0 4 m g . k g ) . f e - p a n d o - p ( o c c l u d e d p ) r e p r e s e n t e d m a j o r f r a c t i o n in i n o r g anic p h o s p h o r u s . f e - p a v e r a g e d 8 9 . 7 5 m g . k g -1 (2 0 % o f t p ). t h e c o n te n ts o f c a -p ( m e a n = 2 9 .5 0 m g .k g ) an d a l-p ( m e a n - 5 .2 1 m g .k g 一 1) w e r e r a t h e r l o w . t h e c o r r e l a t io n b e t w e e n t p , f e - p and o r g a n i c m a tt e r c o n t e n ts , t h e a m o u n t o f f e and mg , w a s v e ry s i g n i f i c a n t . t h e e x p e r i m e n t o f t h e r m o d y n a m ic s s h o w e d , p s o r p t i o n c a p a c it y o f f r e s h s e d i m e n t w a s h i g h e r t h a n d ry s e d i m e n t . p s o r p t io n m a x i m a ( s . - ) r a n g e d f r o m 4 5 4 .0 0 m g . k g to 1 6 6 7 .0 0 m g . k g s e d im e n t ( m e a n = 1 0 4 2 .0 0 m g . k g ) . w h i l e p h o s p h o r u s r e t e n t io n w a s o n ly 7 2 % o f p a d s o r b e d . o r g ani c m a tt e r c o n te n t , f e , m g a n d c l a y c o u l d p l a y a s i g n i f ic a n t r o l e i n d e t e r m i n i n g s . - t h e p s o r p t i o n s p e e d i n f i r s t p h a s e s h o w e d v e ry f a s t . i n g e n e r a l , t h e m o re s e d i me n t a b s o r b e d , t 卜 e f a s t e r s o r p t i o n s p e e d is , a n d t h e n t h e f e w e r b a l an c e a b le t i m e w i l l b e . t h e f a c t o r s a ff e c t i n g s e d i me n t s o r p t i o n s p e e d in c l u d e d o m, f e , c a , mg a n d mn . c l a y c o n t e n t a ls o p l a y s i g n i f ic ant rol e . e l o v i c h e q u a t i o n w a s t h e b e s t a m o n g t h e f i tt e d m o d e l e q u a t i o n s . b i o lo g i c a l ly a v a i l a b l e p h o s p h o r u s ( b a p ) a v e r a g e d 1 3 8 .5 3 m g .k g 1 s e d i m e n t ( 3 1 . 3 4 % o f t p ) . p h o s p h o r u s s o r p t i o n i n d e x ( p s i ) and p h o s p h o r u s s o r p t i o n c a p a c it y in s e d i m e n t w e r e we l l 西南农业大学硕士论文 ab s t r a c t c o r r e la t e d ( r = 0 .9 9 1 * ) s u g g e s t in g t h a t p s i c o u l d b e a n e ff e c t i v e m e a n s t o r a p id ly s c r e e n s e d i m e n t s f o r t h e i r p h o s p h o r u s s o r p t io n c a p a c i t y . wh i l e t h e d e g r e e o f p s a t u r a t i o n ( d p s ) i n s e d i m e n t s h o w e d lo w l e v e l ( m e a n = 1 5 . 1 7 % ) a n d s u g g e s t e d to h a v e a lo w e r s u s c e p t i b i li t y t o p l o s s e s t h a n t h o s e w i t h h i g h e r d p s v a l u e s . s e d i m e n t a v a i la b l e p h o s p h o r u s ( o l s e n e x t r a c t e d p ) a v e r a g e d 9 .7 6 m g .k g 1 a n d e x p l a i n e d t h e l e v e l o f s u p p ly i n g p f r o m s e d i me n t w a s v e ry l o w . u n d e r a n a e rob i c c o n d i t i o n s , t h e v a lu e s o f p h b o t h i n o v e r l y i n g w a t e r a n d s e d i m e n t i n d i c a t e d fl u c t u a t e b u t w it h d o w n s i d e . r e d o x p o t e n t i a l ( e h ) i n s e d i m e n t c h a n g e d a l itt l e a n d s h o w e d it w a s s t a b il i z a t i o n f r o m t h e e n d o f s p r i n g t o th e b e g i n n i n g o f s u m m e r . p h o s p h o r u s s h o u ld r e l e a s e f r o m s e d i m e n t u n d e r a n a e r o b i c c o n d i t i o n s w i t h a p r o g r e s s f r o m r a is e t o d e s c e n d . t h e e q u i l i b r i u m p c o n c e n t r a t io n s i n o v e r ly i n g w a t e r w e r e h ig h e r t h a n t o t a l p i n f i r s t p h a s e . mi c r o b e c a n m a k e o rg a n ic p i n t o in o r g a n ic p b y i t s c a t a b o l i s m , a n d r e t u rn e d t o o v e r ly i n g w a t e r a g a i n . t h e e ff e c t t o s e d i m e n t p r e l e a s e o f m ic r o b e w a s c o m p l e x a n d t r e m e n d o u s . t o t a l p i n w a t e r s o me t i me s r a i s e d a n d s o me t i me s d e s c e n d e d i n d i ffe r e n t c o n d it io n s b e c a u s e o f t h e e ff e c t o f mi c rob e . i n t h is e x p e r i m e n t , t h e r e w e r e h i g h s o r p t io n c a p a c it y a n d f e w a l g a e t h a t c a u s e d d o w n s i d e o f t p i n o v e r ly i n g w a t e r . t h e v a l u e o f p h a ls o d e t e r m in e d t h e p r e l e a s e f r o m s e d i m e n t . t h e v a lu e o f p in l o n g - s h u i l a k e s e d i m e n t i n c r e a s e d v e ry m u c h u n d e r a l k a l e s c e n c e c o n d it io n s , a n d p r e l e a s e w a s l i tt le u n d e r p h 5 - 8 .we f o u n d t h e p r e le a s e f r o m s e d i m e n t wa s lo w e s t u n d e r p h 5 a n d b e g a n r a is e d u n d e r p h 8 . o t h e r w i s e , 由e lo w c o r r e l a t io n b e t we e n o x a l a t e - e x t r a c t a b le f e / a l a n d o t h e r c h a r a c t e r o f s e d i me n t i n d i c a t e d if t h e i r v a lu e s a r e t o o l o w , t h e i r r o l e s s h o u ld b e l imi te d . i n s u m , l o n g - s h u i la k e s e d i m e n t w i t h h i g h p s o r p t i o n c a p a c i t y a n d f a s t a d s o 咧o n s p e e d , p la y a s i g n i f ic a n t r o l e a s a s i n k t o h o l d a l a r g e o f e x t e rna l n u t r i m e n t . t h i s s h o u l d h e lp t o p r e v e n t o r m i n i m i z e e u t ro p h i c a t io n . s o , i n t h e n e a r f u t u r e , e u t r o p h ic a t io n i n l o n g - s h u i l a k e s h o u l d n t a p p e a r . o t h e r w is e , w i n d a n d b o a t s s h o u l d s u s p e n d t h e s e d im e n t o f l o n g - s h u i l a k e t h a t r o o t e d r e d - p u r p l e s o i l w i t h l o w s t a b i l i z a t io n o f g r a i n s t r u c t u r e a n d s t r o n g d e t r a c t i o n . i n a d d i t i o n , s e d i m e n t w i l l r e l e a s e p b e c a u s e o f h i g h v a l u e s o f f e - p a n d lo w p h o s p h o r u s r e t e n t i o n . i f i n t e rn a l p lo a d k e e p in c r e a s e a n d n o t b e c o n t ro l le 氏t h o s e l o o s e l y b o u n d p s h o u l d r e l e a s e i n t o o v e r l y i n g w a t e r a g a i n o n c e g o o d c o n d i t i o n s . s o , i t is v e r y i m p o rt a n t t o r e d u c e i n t e rn a l p lo a d f o r p r e v e n t i n g e u t r o p h ic a t i o n . k e y wo r d s : l o n g - s h u i l a k e s e d i me n t p h o s p h o r u s r e l e a s e a n d a d s o r p t i o n 西南农业大学硕士论文第 . 章文献综述 第1 章文献综述 水体富营养化概述 水体富营养化是指由于自 然的或人类的活 动，使水体中 营养成分 ( 如氮、 磷等) 增加， 引起植物 ( 尤其是藻类)过 量繁殖，导致水质恶化的 现象。导致水质恶化现象。 产生富营养化的过量营养物将导致一系列问题。如分泌毒素藻华的产生、氧的减少、鱼 的死亡 、生物多样性的丧失、水生植物床和珊瑚礁的失去，此外，营养物的富集使水生生态 系 统严重退化，以 饮用、 工业 和农业生产、 娱乐等为目 的的水的使用也受到损害 ( z 1在水生生 态系统中， 金属营养的迁 移也受富营 养化营养物 质的支配(3 1磷等营养元素的增加， 促 进了 一 些有毒重金属向水体的 释放和在生 物体内的富集i4 1 ， 如 p 对底泥中c d , z n , c u . p h的 释放 有显著影响。由于富 营养化危 害大， 世界上许多国家投入了大量资金予以 治理。 2 0 0 0年 1 0 月2 3日 ，欧盟在水框架 指示中， 把富营养化作为影响水质的最主要因素之一， 它的目 标是在 2 0 1 5 年以 前，使所有水体取 得一个“ 好的状况”1 5 1 。我国也把滇池、太湖和巢湖作为治理的 重点(6 1 从世界范围来说， 3 0 - 4 0 0/ . 的湖库 遭受不同 程度影响d i 。 我国是一个多湖泊的国 家， 面 积 在 i k m z 以上的湖泊全国 共有2 3 0 0 个，湖泊总 面积约为7 1 7 8 7 k m 2 。约占 全国总 面积的0 . 8 %. 随着现代经济的迅速发展，农 业技术的进步，使污染湖泊水体的因素日 益增多， 大量的营养 物质 ( 如氮、磷等)不断流入湖泊，湖泊富营养化 日 趋严重。在我国调查的3 7 个主要湖泊， 中 营养型和中一 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 %. 其中许多 富营养型和重富营养型的湖泊在国民经济中的地位十分重要，这是由于它们往往地处文化、 经济中心城市，如杭州西 湖、 武汉东 湖都是我国著名风景城市内 湖。特别 值得重视的是。 近 几十年来，我国 湖泊富 营养化的发展 趋势很快， 大多数湖泊的富营养化都 有加重。因 此情况 是严重的，对湖泊富营养化的预防治理己成当务之急。 2湖库底泥磷的吸附与释放 尽管 采取了各种措施减 少了 水体外源磷的输入，但湖泊水库的水质恶化并未 得到有效的 控制， 这归因于底泥向 水体 释放的 营养物质，特别是磷。 所以， 研究底泥磷的吸收 与释放及 其因素对控制内源污染显得尤为重要。 1 , 2 . 1 磷及其水环境化学 行为 磷是核酸和许多新陈代谢媒介物的基本成分，例如磷酸糖类和腺昔磷酸盐是所有生命形 式新陈代谢不可缺少的 部分，除了火山爆发使 微量磷矿物排出外， 在地球表面存在的磷复合 物是稳定的不能挥发的，通过大气的迁移主要是灰尘或气溶胶的形式，这个途径相比较于水 的形式是比较慢的 ( h u t c h i n s o n , 1 9 5 7 ) ,极少找 到这样的例子，即 通过7 r , 表面的干 湿沉降 得到 西南农业大学硕士论文 第 1 章文献综述 的磷负荷的大部分而比地面径流得到的多，这是因为磷酸盐大部分是被土壤和底泥固定的。 在水生生态系统中， 磷仅以五价形式存在，例如 正磷酸盐、焦磷酸盐、 长链的聚磷酸盐、 有机磷酸酷、 磷酸二酷和有机磷酸醋，进入水生生 态系统中的磷是 可溶的和颗粒态的混合物， 其中可溶的和颗粒态的又是不同分子结 构五价磷的 混合物。 然而， 磷是一种动态和生物学非 常活跃的元素，磷进入水体后， 颗粒 ( 微粒) 能释放磷酸盐和有机磷酸盐 进入水溶液中，同 时不同磷化合物能经化学方法或酶作用水解形成正磷酸盐，这是磷能被细菌、藻类和植物吸 收的唯一形态。 颗粒物有时沉降于 底部底泥中，在这儿，微生 物群落逐渐利用分解底泥有机 成份，最终大部分磷以正磷酸盐形式返回水柱。因此，我们不能认为水生生态系统中的颗粒 态磷或可溶性磷是惰性的，因为一旦条件合适， 这些形式的磷能转 变为可溶的 正磷酸盐。 一旦进入湖泊、水库、河口，磷通常被生物吸收、沉于底泥或有效保持于底泥生物区， 这 种对输入磷的有效固定使生态系统对过量磷的污 染物很敏感。 如果生态系统初级生产力低， 底部水将在全年保持好氧状态，绝大部分磷被贮存在底 泥中。 然而， 在高 初级生 产力系统中， 底部水在生长季节期间常表 现厌氧 ( 缺氧状态) ， 甚至在浅水体中， 在温暖、无风的天气， 全 天缺氧。当这些条件发生时，底泥中的大部分磷通过 扩散释放回水柱中 6 9 1 1 . 2 . 2 底泥与水体水质的关系 众所周知， 在外源营养负荷得到控制的情况下， 二次富 营养化的产生主要是当 底泥中氮和 磷向水柱释放达到某个营养水平时 造成的17 1 。 在导致水 体富营养 化的营养物质中， 磷是大多数淡 水水体中藻类生长的 限制因 子i $ 9 ) 国际 上一般认为 水体总 磷浓度0 .0 2 m b . l - , 总氮 浓度0 .2 mg.l - 为 湖泊富营养化的发生浓度1 0 1 。 在一般的静水 水体中 ， 底泥接纳了 大量的污染 物， 大大缓解了 富 营养化进程， 如果没有底泥对磷的缓冲， 藻华的发生 将更为频 繁， 所以， 底泥是污染汇， 而 不是污染源， 但富营养化湖泊沉积物有很高的容量 暂时吸 附水中的 磷. 然后将其 释放出 来( j e n s e n 和a n d e r s o n 1 9 9 2 , r a m m 和s c h e p s 1 9 9 7 ) 1 - 2 ) . 研 究 表 明 ， 沉 积 物 ( 也 叫 底 泥) 中 的 磷 循 环 在 很 大程度上影响着水体富 营养化的 进程。 如n u e m b e r g和p e t e r( 1 9 8 4 ) 调查的2 3 个 分层湖中， 厌 氧 均 温层 释 放 的内 源 磷占 总 输 入 磷的2 9 % ， 有 时 甚 至 高 达9 0 % e c a r p e n t e : 和c a p o n e ( 1 9 8 3 ) , p o m e r o y e t a 1 ( 1 9 6 5 尸蟾出 ， 底 泥 营 养 物 质的 释 放 使 上 覆 水 中 营 养 物 质 的 浓 度 维 持 在 足以 满 足大 量藻类生长需要的高水平。由此可见， 底泥营养物质的 释放成了导 致水体富营 养化的一个重要 因子。因而 底泥 在控制湖泊水库营养物质浓度中的 重 要性受到长期 关注。 1 . 2 . 3 底泥及其磷的 形态 湖泊沉积层 ( 底泥)自上而下分为三层二 第一层为污 染层， 为近二、三十年人类活动的产 场， 多 呈黑 色 至 深 黑 色;第 二层 为 过 渡 层， 含 大 量 沉 水 植 物 根 系 及 茎 叶 残 骸， 结 构 疏 松 ; 第 三层 为正常湖泊沉积层，一般保持湖区周围土壤母质的岩 相特征，多 为粘质夹粉质 粘土，质地密 实1 4 1 沉积物一般含丰富的营养物质和大量的腐败性有机 质。由于湖泊沉积物粒度的差异， 比表面不同，表面电荷的性质也不一样，对磷的吸收与释放表现较大不同。 西南农业大学硕士论文第t 章 文 献综述 里 曰. . .曰 里 巴丝 旦 里里 目 口粤 旦旦 巴 旦旦 至于底泥的磷形 态，不同的研究者有不同的分级方 法。在我国湖泊研究中，许多学者把 沉积物中的磷分为无机态和有机态. 无机态又分为钙磷( c a - p ) 、 铝磷( a i - p ) 、 铁磷( f e - p ) , 闭 蓄 态 磷、 可 还原 态 磷 ( r e s - p ) 、 残 渣 态 磷 ( 残 一 ) 。 h e r m a n 等d 3 1 把 沉 积 物中 的 磷 区 分 为 : 不 稳定态磷 ( 如可交换的，包括可吸附的、易水解的 或易溶的; 易被微生物利用的1 1 6 1 )和难溶 态磷( 指 在 几 十 至几 百 年 的 短 期 不 会 被 岩化) 两 种。 随着 磷 化 学 提 取 剂 的 广 泛应 用 ， p e n n e y 1 7 1 , h ie l lj e : 和l ij k l e m a ( 1 9 8 0 ) ) 等 又 将 沉积 物中 的 磷 划 分 为 可 吸附 磷 、 与c a c 0 3 结 合 的 磷 、 f e 和 ai 束缚态磷、易提取的生物磷、钙矿物磷 ( 如磷灰石) 、难溶的有机磷。这些磷形态可被 广泛组合为无机磷 松散束缚态磷和钙矿物磷 )和有机磷 ( 易提取的生物磷和难溶有机磷) ， 其中易 提取生 物磷还包括源于生物的 无机多磷酸盐 1 9- 2 0 1 1 . 2 . 4 底泥磷的释放特征及发生的条件 对 于大多数外源磷得到控制的水体来说， 底泥磷的 释放对长期维持藻类生长，促使富营 养化的发生具有举足轻重的作用。湖泊底部存在的活性有机碎屑层.在细菌等微生物的作用 下 ， 释 放出 较高 的p o 广 ， 从 而 驱 使 p 0 4 3 一 向 沉积 物中 扩 散 迁 移 ， 在 表 层 沉 积物 间 隙 水 中 形 成 高 于湖水 的p 0 , 3 浓度， 好氧分解的结果，导致氧化还原电 位的降 低. 被铁氢氧化物结合的磷也 被释放出 来。动物和风浪的扰动、湖水垂直分层产生的对流 运动等， 都极大地促进了 底泥间 隙水中 磷的释放与扩散。一 般说来。当下层水以正磷酸 盐形式 存在的磷的浓度很高且达到l - 2 m g . l ， 时. 无论厌氧好氧环境， 底泥都 将吸收磷，低于】 mg . 口时厌氧状况底泥释 放磷，好氧 时吸收磷 2 11 一 or g a n i c - p s e d im e n t s i 磷的循 环 西南农业大学硕士论文第 1章文献综述 1 . 3 影响沉积物中 磷的 释放与吸收因子 通常情况下，底泥和水相互相交换磷酸盐，达到一个动力平衡，但随着低泥与水相间的 环境条件的改变，底泥对磷的释放或吸收达到一个新的平衡 2 2 1 。影响 沉积物对磷的吸收与释 放的因素包括环境因子和其他化学物理因子，一般情况下，沉积物氧化还原电位低，有利于 磷的 释放 2 3 . 2 4 1 ， 这己 被 大 多 数 人 接 受。 国 内 外 还 研 究 表明 。 温度 、 p h 值、 水 体 水文 和 其 他 环 境 状况 ， 对磷 的 释 放与 吸收 也 产 生 重 要 影 响 2 5 1 1 . 3 . ， 湖泊内在因素的影响 研究表明， 沉积物中磷的 释放， 受到湖 泊主要离子的影响，如钙、铁、 铝离子. 令钙 磷和 c a c 0 3 的共沉降被发现为某些湖泊控制富营养化的一个自 然机制.w h it e和 w e t z e l ( 1 9 7 5 ) 2 6 1 认为 水柱中 磷 和 c a c 0 3 的 相互作 用是磷向 下通量的重要原 因， e l fl e ; 和 d r i s c o ll ( 1 9 8 5 ) 1 1 在 观 察 奥内 达 加 湖 湖 后也 发 现 磷 的 高 沉降 速率 与c a c 0 3 的 沉降 相联 系 . 当 水 矿化度小于5 0 0 mg. l - ， 时， 湖泊一 般属于 重碳酸盐一 钙族水， 钙离子含量比较高， 因 而有下 列平 衡 方 程 : 3 c a + 2 p o 43 - - c a 3 (p o ,) 3 ; k p c a 2+ .p o 4勺 2= 2 x 1 。 一。 由 于 湖 中 水 生 植 物 的 吸 收 ， 破坏了 上述化学平衡。反 应朝 释放方向 进行， 另外，c a - p 束缚力相对较弱，且水体c 0 2 的 存 在对c a - p有溶出 作用， 尽管水中 磷的 浓度不高， 但仍能有效地使水生植物和浮游藻类大量繁 殖起来，致使富营养化不断发展。 +铁化合物 一 般认 为， 铁 和 磷的 循 环 对 沉 积 物 与 水 层 间 的 磷 酸 盐 交 换 起了 重 要 作 用!3 3 - 3 5 1 . 铁 氧 化物 和氢氧化物在自 然水 系统中 通 过它 们和 磷 酸盐 ( t o r r e n t e t a l . 1 9 9 4 ) (2 8 , 2 9 1 、 有机质 ( r i p p i n g 1 9 8 1 ;d a y e t a l 1 9 9 4 ) 3 0 -3 1 1 痕 量 金 属 ( m i i l l e r a n d s ig g , 1 9 9 0 ) 3 2 1 间的 交互 作 用 发 挥 重要 作 用 。 1 9 3 6 年， e i n s e l e最早研究了 铁对沉积 物磷的吸附 与释放的 影响。在沉积物氧化层表面， 铁氧化物 能限制间隙水中的磷 酸盐向 上层 扩散 ( k r o m j e n s e n e t a l . 1 9 9 2 ; s l o m p e t a l 1 9 9 8 ) ( 3 6 - 3 8 1 ， 因 为 在 沉 积 物 与 水 柱 的 交 界 面 是 铁 氧 化 物 的 生 成 地 ( 即 新生 铁氧 化 物 地) ， 在 那 儿， 间 隙 水中 的f e e + 向 上 扩 散并 被 氧 化 成f e * 氧 化 物( b u fl l e c t a l 1 9 8 9 ) 1 3 9 1 , 磷 酸 盐 将 和 它 一 起沉淀，其中新生成的铁氧化物比老化的有更强的束缚磷酸盐的能力。所以。当铁和磷酸盐 在底泥 间隙水 中的比率增加时，向水层释放的磷减少( b a c c i n i , 1 9 8 5 ; s m o ld e r s 有 机 质 还能 抑 制 先前 存在的无定性 a l 和 f e氧化物的晶质化过程，提高了无机磷的吸附能力旧 o r g g a r d e t a ! . 1 9 9 0 ) 4 9 1 。 另外 ， 非 结晶 态a i 比 非 结 晶 态f e 有 更 强 的 吸 附 力 。 b o r g g a r d ( 1 9 9 0 ) 发 现. 非 结晶态 a i 吸附磷酸盐几乎是非结晶态 f e 的两倍。 令底泥有机质 富营养化水体沉积物含大量的有机质， 这是入流水携带的 有机颖粒和水体生物死亡残体 ( 浮游动物和植物、细菌等)下沉堆积的结果。通常认为，有机质分解过程中形成的有机胶 体一 腐殖质可以形成胶膜，被覆在粘粒矿物、 氧化铁、 铝以 及碳酸钙 等无机物表面， 减少这些 无机物和磷酸盐离 子的接触，从而防止或减轻了 这些无机物对磷的固 定 5 0 1 。更令人信服的解 释是，有机物质中的富里酸聚阴离子和磷 酸盐阴离 子产生吸附竞争，并且有机聚阴离子能通 过专性吸附进入矿物颗粒s 1促进磷的释放。但许多 研究认为，由 于腐殖质能和铁、 铝形成 的有