（环境工程专业论文）太湖流域南区湿地土水界面磷素特征及水质响应模拟研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 位于太湖南冀的浙江省太湖流域南区越来越多地受到水体富营养化的影 响，而磷素是诱导水体富营养化的限制因子因此，对该地区湿地底泥以及上 覆水的基本磷库特征加以了解对于优化湿地生态功能，改善富营养化现状具有 重要意义。本研究在太湖流域南区选取3 1 个营养状态差异明显的典型湿地采样 点进行土水磷库特征调查，并选取杭州西湖茅家埠、湖州德清下渚湖、湖州长 兴包漾河等三处新鲜底泥样品进行实验室规模的快速吸附平衡、静态柱和稳流 水槽模拟实验。 调查数据显示，研究区域内湿地底泥含总磷( t p ) 0 1 6 9 1 2 0 0g k g ， n a h c 0 3 提取磷( o l s e n p ) 7 0 8 6 7 0 8m g k g ，最大物理吸附量( q m 毅) 2 2 8 1 - 8 2 4 5 m g k g 。n a o h + e d t a 提取磷( n a o h + e d t a p ) 占底泥t p 的5 2 0 - j ：l1 6 ， 且伴随其积累会提高o l s e n p 含量及释放风险，养殖区湿地底泥磷素流失风险 最高。所有底泥样品的磷素吸附特征均显著遵循l a n g m u i r 等温线和f r e u n d l i c h 等温线采样区域上覆水含t p0 0 3 6 0 9 4 4m g l ，总颗粒态磷( t p p ) 占t p 含 量的7 0 9 1 3 2 ，溶解态活性磷( d r p ) 相对较低利用p s e n n e r 分级提取法 对12 处典型湿地底泥进行分析发现，供试底泥磷素的主要存在形态为 n a o h d p ，其余依次为r e s p 、b d p 、n a o h o p 、h c l p 、n h 4 c i p 。上覆水 t p ，d r p 与底泥中的t p 、n a o h + e d t a p ，o l s e n p 均没有显著的相关性。 底泥磷素快速吸附平衡模拟实验中，底泥对磷的吸附包括快吸附和慢吸附 两个过程，全过程符合修正的e l o v i c h 动力学模型，2 4h 达到土水吸附平衡。三 种底泥样品均显著遵循l a n g m u i r 等温吸附规律和f r e u n d l i c h 等温吸附规律，且 在较低的上覆水d r p 范围内，底泥磷素吸附量与d r p 呈显著的线性正相关。 西湖茅家埠、德清下渚湖、长兴包漾河三个底泥样品的上覆水磷素平衡浓度 ( e p c o ) 分别为0 0 5 0m g l 、0 0 1 0m g l 、0 0 2 3m g l 。下渚湖湿地底泥在取样 期间未表现出释放磷素特征。 静态柱模拟实验中的底泥磷素吸附可分为缓冲阶段、快吸附阶段、慢吸附 v l i 浙江大学硕：仁学位论文 阶段。稳流水槽实验的d r p 动态则表现出准u 型曲线特征，存在一个湿地底 泥磷素截留能效转换的平衡点然而，静态柱实验与稳流水槽实验均没有显著 的模型拟合特征，这有可能是新鲜底泥中微生物作用的结果。 分析发现，有机质含量的增高能提高新鲜底泥的磷素吸附速率，但是对底 泥干样的磷素物理吸附速率没有决定作用。对室内自然仿真模拟前后的底泥样 品进行磷素分级发现，在用西湖茅家埠和德清下渚湖的泥样所进行的模拟实验 中，被底泥吸附的磷素主要以铁结合态和铝结合态而赋存。而对于长兴包漾河 的泥样，被底泥吸附的磷素则主要以铝结合态的形式赋存。 利用湿地对生源要素磷进行截留净化处理以修复水体具有很好的生态效 益，综合的湿地生态修复应该遵循源头削减、过程缓冲截留，末端原位净化的 一体化修复理念。 关键词：湿地磷素底泥上覆水模拟研究静态柱稳流水槽 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t p h o s p h o r u s ( p ) i sak e yf a c t o rf o rw a t e re u t r o p h i c a t i o n s o u t hr e g i o no ft a i h u l a k eb a s i ni nz h e j i a n gp r o v i n c ei si n c r e a s i n g l yt h r e a t e n e db yw a t e re u t r o p h i c a t i o n ， s ou n d e r s t a n d i n go ne c o l o g i c a lpm o v e m e n ta m o n gs e d i m e n t s - w a t e ri n t e r f a c eo f w e t l a n d si nt h i sr e g i o ni si m p o r t a n tt od e v e l o ps o u n dt e c h n o l o g i e sf o ro p t i m i z i n g w e t l a n d s e c o l o g i c a lf u n c t i o n s t y p i c a ls a m p l i n gs i t e sw i t ht o t a ln u m b e ro f31w e r e c h o s e nf o rf i e l di n v e s t i g a t i o ni nt h i sr e g i o n ，a n d3s i t e sl o c a t e da th a n g z h o uw e s t l a k e ，d e q i n gx i a z h u h uw e t l a n d ，a n dc h a n g x i n gb a o y a n g h e r i v e rw e r es e l e c t e df o r l a b o r a t o r y - s c a l er a p i da d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s ，s t a t i cc o l u m ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a n ds t e a d y f l o wf l u m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h ef i e l di n v e s t i g a t i o n ，t o t a lp ( t p ) a n dn a l - - i c 0 3e x t r a c t a b l ep ( o l s c n - p ) i ns a m p l e ds e d i m e n t sr e a c h e do 16 9 - 1 2 0 0g k ga n d7 0 8 6 7 0 8m g k g e s p e c i a l l y ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a x i m a lp h y s i c a la d s o r p t i o nc a p a c i t y ( q m 戤) v a r i e df r o m2 6 9 5t o8 2 4 5m g k g n a o h + e d t ae x t r a c t a b l ep ( n a o h + e d t a - p ) c o n s t i t u t e d5 2 0 士1 1 6 o ft p w h i l eo l s e n - pw a si n c r e a s e da sn a o h + e d t a p a c c u m u l a t i n g w e t l a n d su s e df o rb r e e d i n gw e r ef o u n d t ob eo fh i 曲e s tr i s ki n r e l e a s i n gp a l l3 1 s a m p l e ss i g n i f i c a n t l y f i t t e dw i t hl a n g m u i ri s o t h e r ma n d f r e u n d l i c hi s o t h e r mi npa d s o r p t i o n t pi no v e r l y i n gw a t e rw a sf o u n d0 0 3 6 0 9 4 4 m g l ，w h i l ed i s s o l v e dr e a c t i v ep ( d r p ) w a sr e l a t i v e l yl o w t o t a lp a r t i c l ep ( t p p ) c o n t r i b u t e d7 0 9 - a ：l3 2 o ft pi nw a t e rs a m p l e s i tw a sf o u n dt h a tt h ed o m i n a n t f o r m so fpi n s a m p l e ds e d i m e n t sw a sn a o h d p ，f o l l o w e db yr e s p ，b d p n a o h - o p , h c i - pa n dn h 4 c 1 一p a c c o r d i n gt ot h epf r a c t i o n a t i o nf o l l o w e db y p s e n n e r t h e r ew a sn os i g n i f i c a n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt p ，d r pi no v e r l y i n gw a t e r a n dt p ，n a o h + e d t a p o l s e n pi ns e d i m e n t s ，i m p l y i n gt h a tps t a t u si ns e d i m e n t s w a sn o tt h eo n l yf a c t o rr e s t r i c t i n gpi no v e r l y i n gw a t e r t h r o u g ha n a l y s i so ft h er e s u l t sf r o mr a p i da d s o r p t i o ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ， t h epa d s o r p t i o no ns e d i m e n t sw a sf o u n dt oh a v et w op h a s e s i e r a p i da d s o r p t i o n i x 浙江大学硕士学位论文 a n ds l o wa d s o r p t i o n ，a n dam o d i f i e de l o v i c hm o d e lw a sf o u n dt of i tw e l lw i t ht h e w h o l ea d s o r b i n gp r o c e s s t h ed i s s o l v e dr e a c t i v ep ( d r p ) a t t e n d e dab a l a n c es t a t e a f t e r2 4h o u mo ft h ee x p e r i m e n t a l lt h e3s a m p l e sh a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a n g m u i ri s o t h e r ma n df r e u n d l i c hi s o t h e r ms i g n i f i c a n t l y ，a n dt h ea m o u n to f a d s o r b e dph a das i g n i f i c a n tp o s i t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hd r pi no v e r l y i n gw a t e r e q u i l i b r i u mpc o n c e n t r a t i o n s ( e p c 0 ) o fs e d i m e n ts a m p l e df r o mm a o j i a b u ，x i a z h u h u w e t l a n da n db a o y a n g h er i v e rc a l c u l a t e df r o mt h el i n e a rm o d e lw e r e0 0 5 0m g l ， 0 010m g la n d0 0 2 3m g lr e s p e c t i v e l y , w h i c hi m p l i e st h a tt h es e d i m e n tc o l l e c t e d f r o mx i a z h u h uw e t l a n dw a sn o tr e l e a s i n gpt oo v e r l y i n gw a t e r i nt h es t a t i cc o l u m ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，d r pi no v e r l y i n gw a t e rd e c r e a s e d s l o w l ya tt h eb e g i n n i n gt h e nt h ed e c r e a s i n gp a c ew a sf o u n df a s tl a t e ro n t h e r e f o r e ， pr e t e n t i o nb ys e d i m e n t sc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ，i e b u f f e rp h a s e ，r a p i d a d s o r p t i o np h a s ea n ds l o wa d s o r p t i o np h a s e aq u a s iu - p a u e mc u r v ew a sf o u n di n t h es t e a d y f l o wf l u m es i m u l m i o ne x p e r i m e n t s ，i e d r pi nt h eo v e r l y i n gw a t e r d e c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nt u m e dt ob ei n c r e a s i n g ，w i t hab a l a n c ep o i n tw h e r et h e w e t l a n dc h a n g e si t spi n t e r c e p t i o nf u n c t i o ne x i s t i n go nt h ed y n a m i c a lc h i v e p r o b a b l yd u et om i c r o o r g a n i s m s f u n c t i o n ，t h e r ew a sn os i g n i f i c a n tr e g r e s s i o nm o d e l f o rt h el a b o r a t o r y s c a l es t u d y i tw a sf o u n di nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st h a to r g a n i cm a t t e ra c c e l e r a t e dt h e r a t e so fpa d s o r p t i o no nf r e s hs e d i m e n t s ，b u td i dn o ta c c e l e r a t et h er a t e so fp a d s o r p t i o no na i r d r i e ds e d i m e n t s pw a sf o u n dt ob er e t a i n e dm a i n l yi nf o r m so f f e pa n da l - pf o rs a m p l e sf r o mm a o ji a b ua n dx i a z h ul a k e w h i l ea l pw a st h e m a i nf o r mr e t a i n e di ns e d i m e n t sf o rs a m p l ef r o mb a o y a n gr i v e r i ti sr e a s o n a b l et ou s ew e t l a n d sa saw a t e rc o l u m nr e s t o r a t i o nt o o lt oi n t e r c e p tp u n i v e r s a l l y a ni n t e g r a t e de c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ns h o u l dc o n t a i ns o u r c er e d u c t i o n ， i n t e r c e p t i o no nt h ew a ya n do n - s i t up u r i f i c a t i o ni nt a r g e tw a t e rc o l u m n k e yw o r d s ：w e t l a n d ：p h o s p h o r u s ；s e d i m e n t ；o v e r l y i n gw a t e r ；s i m u l a t i o ns t u d y ； s t a t i cc o l u m n ：s t e a d y f l o wf l u m e x 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑鎏盘茔或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸鎏苤堂 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和传播，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) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期：年月日签字日期：年月同 i v 浙江大学硕士学位论文 致谢 能够进入浙江大学进行硕士阶段的学习和锻炼是我之大幸两年的硕士研 究生生涯眼看就要结束了，蓦然回首，却发现在这里的种种经历已让我永远难 以忘怀在这个博大的氛围中，在这段求是的岁月里，我收获了很多，进步了 很多。欣慰之余，我一定要真诚地感谢那些在我的生活中给予帮助和支持的人， 是他们给了我奋斗的能量和动力，让我坚持不懈! 我的导师张志剑副教授在两年多的学 - j 中给予了我极大的关心和教诲，使 我不仅能够顺利接受具有挑战性的科研训练，更让我真正爱上了这种极富创新 性和导向性的行业。他不仅学识体系广博严谨、思维能力缜密活泛，而且极富 工作热情和上进精神，在学习中给予我细致独到的点拨和引导，是我学习的榜 样张老师在生活中亲切真实，使我们感觉到没有距离感，是课题组最受欢迎 的人，同时潜移默化地让我明白了许多人生哲理。导师的传道授业解惑令我收 益良多，在此表示最为真诚的感谢。 在科研生活中，我得到了浙江大学生态环境研究中心的支持，在此诚挚感 谢朱荫湄教授、张建英副教授、汤曙明实验师在科研和实验方面的无私帮助和 鼓励。 多亏有了和我愉快相处，共同进步的同学和朋友们，我的生活才不会显得 枯燥。因此，我要感谢李津津、李慧两位师妹在生活中和工作中给予的帮助和 支持，以及你们营造的和谐放松有活力的工作环境；感谢课题组吕梁、张帅、 董逸、卓淑琼、林渊、厉帅、谢贯虹等师弟师妹在采样、实验等工作中的共同 努力；感谢四川农业大学陈晓燕学妹在实验后期的协助和合作，祝愿你进入淅 大后的生活能够充满美好；另外要感谢同学冯自松硕士，你是我在浙大最好的 朋友，有你就有笑容。 真诚感谢中科院南京地理与湖泊研究所的范成新研究员对我能力的肯定， 这使我在后期的研究工作和论文撰写中心无旁骛，信心十足。同时感谢中科院 南京地理与湖泊研究所的古小治博士尹洪斌博士、李宝博士、谭啸博士在我 、 浙江火学硕士学位论文 背后无私的帮助和支持，祝你们不断取得更大的进步 最后一定要感谢在背后默默支持我的家人和女友初美景，你们给予我物质 与精神上的极大支持，是我的动力源泉! 两年间的美好回忆我将铭记于心，以后的日子我将尽我所能继续求索，绝 不辜负各位老师、同学、朋友的期望 v 1 王兆德 2 0 0 8 年5 月1 2 日 于浙大华家池校区 浙江大学硕士学位论文 第1 章前言 2 1 世纪初，中国水污染的核心问题之一是水体富营养化( f ue ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 浙江省太湖流域南区，位于浙江省北部，是太湖流域水体富营养化控制的关键 区块之一，然而问题仍十分突出( 符建荣，2 0 0 1 ) ，其核心问题仍然是氮、磷 等生源要素过剩及由此而产生的藻类大量增殖、溶解氧减少、透明度下降与水 体生态功能恶化。随着人类社会发展活动对磷素生物地球化学循环影响的日益 加剧，水生生态系统越来越多地面临着营养状态升高的考验( s t o k s t a d ，2 0 0 5 ) ， 世界上3 0 4 0 的湖库遭受着不同程度的影响( 徐轶群等，2 0 0 3 ) ，我国的天 然湖泊半数以上处于中营养化至高度富营养化状态( 中华人民共和国环境保护 部，2 0 0 7 ) ，因此水体富营养化也已经成为当今全世界共同面临和关心的最严重 的环境问题之一据有关推测，如按现在的趋势发展，随着人口膨胀、粮食需 求的增长，未来4 0 5 0 年地球上富营养化程度将会提高到2 1 世纪初的2 4 2 7 倍，并有可能伴随大量严重的生态系统破坏和生物多样性锐减( t i l m a ne ta 1 ， 2 0 0 1 ) 磷元素是水体富营养化的限制因子，其生物地球化学循环是一种沉积性的 不完全循环在一定条件下，湿地可在磷素进入目标水体之前综合物理吸附作 用、水生动植物作用、微生物作用、化学沉降作用等的多途径复杂过程进行有 效截留( v e r h o e v e ne ta 1 ，2 0 0 6 ) ，其中底泥的吸附作用占主导地位( b r i d g h a n l ， 2 0 0 1 ) 。湿地磷素生态截留功能最大化的研究与实践已成为目前国内外面源污染 控制首选的生态控制途径之一( 尹澄清等，2 0 0 2 ；g r o f f m a ne ta 1 ，2 0 0 6 ；v e r h o e v e n e ta 1 ，2 0 0 6 ) 。然而，利用湿地的磷素调节与管理过程如果违反了湿地自身的基 本规律，将有可能导致整个生态系统发生难以逆转的变化( s c h e f f e re ta 1 ，2 0 0 1 ； 2 0 0 3 ) 。大量针对湖泊，湿地、河道等的研究显示，由于湿地底泥磷素独特的赋 存状态与吸附解吸规律，其发挥磷素生态截流功能会受到某一临界状态的限 制，在临界水平允许的范围内湿地为磷素的“汇”，超出此临界水平则成为磷素 二次污染的“源”，从而构成内源污染，该临界状态可以称作湿地底泥磷素“汇 源”转换生态闽值( h o u s ee ta 1 ，2 0 0 2 ；m c d o w e l le ta 1 ，2 0 0 2 ；p a n te ta 1 2 0 0 3 ； 浙江大学硕士学位论文 g r o f f m a ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 经过环保工作者多年的努力，湖泊外源性污染已得到有效遏制和削减，继 而内源性污染的重要性却日益凸显。在外源负荷得到有效控制之后，内源负荷 的影响会更加明显，底泥磷素持续释放使水体水质难以修复，持续时间可达1 0 年之久，部分甚至达2 0 年以上( s o n d e r g a a r de ta 1 ，1 9 9 9 ；2 0 0 3 ) j e p p e s e n 等 综合全球不同纬度和海拔，水深及营养状态各异的3 5 个湖泊的长期研究成果， 指出在外源输入削减后，大多数湖泊中的总磷浓度要经历1 0 1 5 年才可达到新 的平衡，恢复的滞后源于水体内部化学、生物学的抵抗力( s o n d e r g a a r de ta 1 ， 2 0 0 7 ) ，其中最主要因素是内源负荷( j e p p e s e ne ta 1 ，2 0 0 5 ) 湖泊底泥磷库一 般比上覆水高出1 0 0 倍以上，外源削减后湖泊上覆水d r p 浓度显著地受制于泥 水界面的反应( s o n d e r g a a r de ta 1 ，2 0 0 3 ) 对于底泥磷素“汇源”转换阈值，普遍基于线性模型，l a n g m u i r 模型、对 数模型之类的等温吸附理论，并结合吸附吸附实验进行探究( h o u s ee ta 1 ，2 0 0 2 ； m c d o w e l le ta 1 ，2 0 0 2 ；p a n te ta 1 ，2 0 0 3 ) 。然而，通过对我国湿地底泥磷素的吸 附解吸过程的自然仿真模拟来研究底泥磷素迁移转化特征及“汇源”转换规 律的报道相对较少。研究磷素在湿地底泥上覆水界面的循环特征，探讨湿地底 泥磷素“汇源”转换机制，可为有效发挥湿地磷素截留功能提供重要的理论支 撑、也可为防控淡水水体内源污染起到一定指导作用。 本研究通过对太湖流域南区典型湿地底泥、上覆水的普查分析，揭示现阶 段该区域湿地的磷库特征，以评价湿地底泥的磷素截流潜能或释放风险通过 室内快速平衡模拟实验、静态柱模拟实验和稳流水槽模拟实验，研究天然湿地 底泥固定释放上覆水磷素的动态过程及影响因素，探讨底泥磷素等温吸附规 律、揭示底泥磷素“汇源”动态转换的内在本质，以探求磷素在湿地底泥上 覆水界面交互作用与水质响应的基本规律。 浙江大学硕i 二学位论文 第2 章文献综述 磷是重要的生源要素，其含量及有效性决定着水体中初级生产力的水平 ( k a r l ，2 0 0 0 ) 。然而，当初级生产力水平过于旺盛而超过一定限度，则会导致 水体的富营养化，藻类得以大量繁殖，上覆水透明度骤降并持续呈现厌氧状态 而导致鱼类大量死亡( c a r p e n t e r , 2 0 0 5 ；d o d d s ，2 0 0 7 ) 2 1 湿地底泥磷库特征 湿地系指天然或人工的，长久或暂时性的，或静止或流动的，或为淡水、 半成水或为成水体的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，包括低潮时水深不超 过6m 的海域( 陈征海等，2 0 0 2 ) 根据磷素的化学状态区分，湿地底泥中的磷素可分为无机磷和有机磷，无 机磷的赋存形态主要有弱结合态磷、钙结合态磷( c a p ) 、铝结合态磷( a 1 p ) 、 铁结合态磷( f e p ) 等( r y d i n ，2 0 0 0 ) ，而有机磷主要以磷酸单酯( m o n o p ) 和 磷酸二酯( d i e s t e r - p ) 形态存在( a h l g r e n e t a l ，2 0 0 5 ) 。磷酸二酯库形态多样， 以脱氧核糖核酸磷( d n a p ) 、磷脂( l i p i d p ) 、磷壁酸质磷( t e i c h o i c p ) 为代 表( a h l g r e ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 根据研究需要，也有大量研究根据活性迁移性的高低 将底泥中各种形态磷素直接归分为不稳定态磷和稳定态磷( s o n d e r g a a r de ta 1 ， 2 0 0 3 ；徐轶群等，2 0 0 3 ) 。 底泥磷素形态分析方法经过不断发展逐渐成熟和全面。p s e n n e r 磷素形态分 级方法( r y d i n ，2 0 0 0 ) 经连续浸提、分离及测定，依次得到弱结合态磷、f e p 、 a i p 、碱可提取有机磷、c a p 及闭蓄态磷( r e s p ) ，是科学研究中广泛采用的 方法。然而，研究发现传统的比色法测得的有机磷含量比准确值偏高3 0 以上 ( t u r n e re ta 1 。2 0 0 6 ) ，因此2 0 世纪8 0 年代以来，国际上逐渐采用3 1 p 液相核磁 共振波谱技术( 川p - n m r ) 进行底泥有机磷的形态分级并逐渐发展成熟，该技 浙江人学匈! f j 学位论文 术可准确测定有机磷的分组结构及含量，在湿地、湖泊、河口、海洋等水生生 态系统中均得到广泛应用( s u n d a r e s h w a re ta 1 ，2 0 0 1 ；a h l g r e ne ta 1 ，2 0 0 5 ； c a d e m e n u ne ta 1 ，2 0 0 5 ；t u r n e re ta 1 ，2 0 0 6 ) 。随着该技术的发展，湿地底泥有 机磷在水体营养状态控制中的重要性和研究深度也日益凸显( c a r m a ne ta 1 ， 2 0 0 0 ；a h l g r e ne la 1 ，2 0 0 6 ) 。 2 2 湿地底泥一上覆水界面磷素循环的基本过程 磷元素是各种生态系统中的重要限制因子，尤其在湿地中，磷元素的限制 作用显著强于氮元素( e l s e re ta 1 ，2 0 0 7 ) ，这使得湿地中磷元素的循环转化过 程及其机理成为当今水环境研究领域的一大热点。 图2 - 1 涅地磷素循环简图( 引自s e n d e r g a a r de ta 1 ，2 0 0 3 ) f i g 2 - 1d i a g r a m o fp h o s p h o r u sc y c l i n gi nw e t l a n d ( s e n d e r g a a r de ta i ，2 0 0 3 ) 磷素的地球化学循环是一种沉积型循环( 图2 1 ) 。湿地中的无机磷以及碎 屑磷、浮游植物磷等有机磷会在水体动态过程中持续不断地沉降到底泥中( 裴 洪平等，19 9 8 ) ，同时底泥中的磷素除有一部分可通过沉积暂时离开循环外，其 余磷素可通过解吸、分解、配位体交换以及酶水解等作用而释放到底泥闻隙水 浙江大学硕上学位论文 中，然后通过扩散作用、再悬浮作用、 式而释放到上覆水体( 高丽等，2 0 0 4 ) ， 生物扰动以及平流( 如气体沸腾) 等方 由此湿地底泥与上覆水之间存在一种磷 素动态平衡，并且底泥在大多数条件下都起着磷的净“汇”的作用然而，当 底泥中的磷含量增加到一定程度而接近底泥磷素吸附饱和度( d p s ) 时，则其 释放风险增强，并极有可能成为磷的净“源”而造成内源污染。即使是在外源 输入削减之后，这种现象也会发生，甚至会由于底泥上覆水浓度梯度的增大而 加强。r a m me ta 1 ( 1 9 9 7 ) 研究发现，b l a n k k e n s e e 湖冬季时磷素含量受外源进 水控制，而夏季则主要受底泥释放、再悬浮等内源过程控制，夏季水体总磷、 溶解态活性磷含量由于内源释放而升高。 决定湿地底泥上覆水界面磷素循环的一个重要因素是底泥中的不稳定态 磷含量，即在一定的环境条件下具有迁移潜能的磷库。表层底泥中不稳定态磷 的含量是预测未来内源负荷以及最终内源输出的一个重要因子。由于底泥内部 的不稳定态磷部分沿底泥剖面向上扩散，部分逐渐转化为稳定态磷，故而随着 湿地底泥深度的增加，不稳定态磷含量逐渐减少，而稳定态的惰性磷含量持续 升高至一定水平( r y d i n ，2 0 0 0 ) 。另外，底泥表层有机磷的矿化降解也增大了不 稳定态磷的含量，具有不可忽视的释放风险。毛建忠等( 2 0 0 5 ) 对滇池的初步 研究表明，滇池表层沉积磷活化释放的主要机制是表层底泥有机质的矿化降解， 有机磷分解形成的浓度梯度驱动了溶解态磷从底泥向水体的扩散。 2 3 影响湿地底泥磷素g 汇一源骨转换的因子 湿地底泥中磷的迁移是一个涉及物理、化学、生物作用的极其复杂的过程， 因此影响因子也十分复杂，底泥中的不稳定态磷含量、底泥上覆水氧化还原电 位、温度、光照、水动力状况、p h 、水生生物作用等都能影响到磷素的迁移过 程。 2 3 1 水动力因素 研究发现，风浪等水动力因素对湿地底泥水界面的磷素交换影响显著，并 且对浅水湿地的影响作用明显强于深水湿地。强风作用引起的水力扰动可以大 浙江大学硕 二学位论文 大增加湿地底泥的再悬浮量，进而大大提高了土水接触面积，使上覆水的总磷 浓度提高数倍之多( 张路等，2 0 0 1 ) 同时，较强的水力扰动也能够加大湿地中 磷的沉积作用。据研究，水体扰动虽然可使上覆水磷素浓度增加数倍，但扰动 增加到一定程度时上覆水体中磷的浓度反而下降( 由文辉，1 9 9 7 ) 。 2 3 2 氧化还原条件 氧化还原条件在湿地底泥上覆水的磷素交换方面起到关键的控制作用。以 氧化还原敏感性磷中的f e p 为例，当底泥处于有氧状态时，其中的铁元素呈三 价态，磷元素与三价铁化合物结合而固定；反之，当底泥进入缺氧状态时，三 价铁被还原为二价铁，同时将所吸附的磷酸盐释放到水溶液中( 王茹静等， 2 0 0 5 ) 。由于湿地水深较浅，因此湿地表层底泥大多数时间较易处于氧化态，形 成氧化泥层屏障，使底泥具有较高的磷素持留能力。当然，若是氧化底泥层的 磷素吸附达到饱和，深层底泥中的磷很容易穿透该层进入上覆水体，形成内源 污染。 与底泥上覆水氧化还原条件密切相关的因子是水中溶解氧的含量。除氧气 外，硝酸盐较易进入湿地底泥表层从而使其维持在氧化状态，也是影响底泥磷 素吸附释放的重要因素。然而，硝酸盐与湿地底泥磷素吸附能力并不呈完全的 正相关，如j e n s e ne ta 1 ( 1 9 9 2 ) 研究发现虽然冬、春季由于硝酸盐的存在削弱 了底泥磷素的释放，然而夏季后期增加硝酸盐含量却提高了底泥磷素的释放率， 这可能是由于硝酸盐加速了有机磷化合物的矿化过程。 2 3 3 温度 通过各项研究的结果可以看出，湿地温度升高会促使底泥中的磷素向水中 迁移。王庭健等( 1 9 9 4 ) 、李勇等( 2 0 0 3 ) 先后进行的玄武湖底泥释放磷素的室 内模拟实验得出，底泥于温度3 5 时比2 5 时释磷量大大增加。温度的升高提 升湿地中浮游植物的生产力，进而加剧有机碎屑类物质向底部沉积，氧气、硝 酸盐进入底泥的深度变浅，致使底泥的有氧层变薄，大部分泥层处于厌氧状态， 促使了底泥中的磷素释放至上覆水体，属于氧化还原型释放。j e n s e n 和a n d e r s e n ( 1 9 9 2 a ) 研究发现，在f e p 含量相对较高的湖库中，温度变化对底泥中磷素 的释放影响更为明显，这与氧化还原型释放的推理是相吻合的。张敏等( 2 0 0 5 ) 6 浙江人学硕士学位论文 认为，夏季浮游藻类爆发性增长引起湖水p h 值的增高以及对磷的大量需求是 促使底泥中的磷( 尤其是f e p ) 向间隙水中释放的关键因子。 2 3 4 铁磷比( f e p ) f e p 是一个与氧化还原型吸附释放紧密相关的因子( s h e n k e re ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 j e n s e ne ta 1 ( 1 9 9 2 ) 研究显示无论冬季还是夏季上覆水中的总磷浓度与表层底 泥的f e p 都呈现出显著的负相关关系，并指出将f e ：p 控制在1 5 以上，便可 以通过保持表层底泥处于好氧状态而控制内源的磷负荷。c a r a c oe ta 1 ( 1 9 9 3 ) 则建议将f e p 控制在1 0 以上由于f e p 易于监测，因此利用它进行湿地底泥 磷素吸附释放机能的管理与控制是一种可行的方法。 2 3 5p h 值 p h 值是影响湿地底泥磷素释放的重要因素，尤其是对于铁含量较高的湿地 底泥影响更加明显。研究表明，中性范围的磷释放量最小金相灿等( 2 0 0 4 ) 对太湖沉积物受p h 值影响的研究表明，酸性条件可促进h c l p 的释放，碱性 条件可促进n a o h p 的释放。碱性条件下，由于氢氧根离子与铁离子的竞争吸 附，底泥有氧层的磷素固定能力会减弱，这种情况在夏季时更容易发生。 2 4 湿地底泥磷素誓汇一源力转换生态阈值 2 4 1 生态阈值与多稳态理论 生态阈值为生态系统动态演变中的一个临界点，若超过此临界点，环境质 量将会发生重大突变，或者环境驱动因子的一个微小变化即引发生态系统的剧 烈反馈( l u c k ，2 0 0 5 ；g r o f f m a ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。生态阈值反应了地球生态系统吐故 纳新、自我修复的能力范围。生态闽值的概念来自于2 0 世纪7 0 年代关于在相 同的环境条件下，生态系统可能出现两种或两种以上稳定状态的理论，即多稳 态理论。如在完全相同的外界条件( 气候、水文、外源营养负荷等) 下，一个浅 水湖泊( 湿地) 可能处在澄澈的稳定状态，也可能处在浑浊的稳定状态( 李文 朝，1 9 9 7 ) ( 图2 2 ) 。由于季节和水深等因素的变异以及未确知因素，也有认为 浙江大学硕f ：学位论文 湿地中的磷素生态阈值不是一个临界点，而是一个闯值区问( r i c h a r d s o ne ta 1 ， 2 0 0 7 ) ，这种观点使得阈值概念更加丰富和贴切，是对湿地生态阈值认识的重要 发展。 根据湿地的多稳态模型( s c h e f f e re ta 1 ，2 0 0 1 ；c a r p e n t e r , 2 0 0 5 ；t o r r e se ta 1 ， 2 0 0 7 ；v a nn e se ta 1 ，2 0 0 7 ) ，在一定的营养级范围内，湿地植被状态和浑浊度有 两个稳定状态一一植被量高、水体浑浊度低的状态以及植被稀少甚至绝迹、水 体浑浊的状态。如图2 2 所示，假设水体开始呈清澈状态( 上部实线) ，当磷负 荷逐渐升高并超过f 2 点时，水体会迅而转入浑浊、几无大型植物的富营养化状 态( 下部实线) 若要通过降低磷负荷来使水体恢复之前的健康状态，则必须要 降至低于图中f l 点才能达到，而此点对应的磷负荷要远远低于f 2 点处。整个 变换过程可简化为一种循环移位的形式( 图2 3 ) 对湿地生态系统的影响超过 了其生态阈值，其恢复力就有可能丧失，使湿地生态系统进入另一个不利的稳 定状态并且难以恢复。因此，在湿地的营养状态控制中，一定要将其磷负荷控 制于一定的范围。一旦发生磷负荷超限的状况，则需付出额外的努力才有可能 将其恢复。 害 趸 。 萝 nu t r i e n tl o a d i n g 图2 - 2 湿地生态系统多稳态模型( 引自s c h e f f e re ta t ，n a t u r e ，2 0 0 1 ) f i g 2 - 2g r a p h i cm o d e lo fm u l t i - s t a h i es t a t e si nw e t l a n de c o s y s t e m s ( s c h e f f e re ta 1 ，n a t u r e ， 2 0 0 1 ) 浙江大学硕士学位论文 害 薹 。 萝 n u t r i e n tl o a d i n g 图2 - 3 涅地生态系统多稳态循环移位模型( 引自y i nn e se ta l ，e c o s y s t e m s , 2 0 0 7 ) f 嘻2 - 3g r a p h i cm o d e lo fc y c l i cs h i f t sb e t w e e nm n l t i - s t a b l es t a t e si nw e t l a n de c o s y s t e m s ( v a nn e se ta l ，e c o s y s t e m s , 2 0 0 7 ) 虽然湿地是理想的磷素截留单元，然而其生态截留功能人为调节的过程势 必会影响到湿地其它生态功能的正常发挥假若人为的调节与管理过程违反了 湿地自身的基本规律，将有可能导致整个生态系统发生剧烈变化并且难于修复 ( s c h e f f e re ta 1 ，2 0 0 1 ) 。在谨慎处理生态因子调控及优化湿地磷素截流功能时， 运用生态闽值的理论与技术，在时空范围内量化对应的生态阈值，有希望通过 优化调控而实现在不实质性地冲击其它生态功能正常发挥的同时，最大限度地 促成湿地的磷“汇”功能。尽管多稳态及生态阈值理论已被广为接受，然而由 于影响因素复杂，确定特定系统的生态阈值并将其运用于环境管理实践受到了 很大的限制。 2 4 2 湿地底泥磷素。汇一源”转换生态阈值