天津于桥水库沉积物理化特征及磷赋存形态研究.pdf

农业环境科学学报2 0 1 0 2 9 1 1 6 8 1 7 3 J o u r n a lo fA g r o E n v ir o n m e n tS cie n ce 天津于桥水库沉积物理化特征及磷赋存形态研究 朱兴旺 刘光逊 梁丽君 马丽丽 王玉秋 南开大学环境科学与工程学院环境污染控制过程与基准教育部重点实验室 天津3 0 0 0 71 摘要 以天津于桥水库作为我国北方湖泊的代表 应用淡水沉积物磷形态的标准测试程序 S M T 对于桥水库6 个表层沉积物样 品的理化特征及磷赋存形态进行分析 并在此基础上探讨了各形态磷之间及各形态磷与沉积物理化特征 如阳离子交换量 有机质 总量 颗粒组成 主要金属含量之间的相关性 结果表明 研究区域内总磷含量为3 5 4 5 8 1m g k g 其中以无机磷 I P 为主 占总磷 含量的5 7 3 一 7 4 7 3 种主要磷形态含量的大小依次为C a P O P A 1 F e P 其中C a P 是沉积物中磷的主要赋存形态 随着沉积 物中有机磷含量的增加 有机质总量与阳离子交换量也逐渐提高 细粉粒 0 0 1 0 0 0 5m m 的含量也有所增加 此外 还对水库调水 前后沉积物磷赋存形态的变化进行了研究 发现沉积物在调水期间主要扮演 汇 的角色 其中F e A 1 一P 为调水期内变化最为活跃 的磷形态 关键词 沉积物 磷赋存形态 理化特征 水库调水 中图分类号 X 5 2 4文献标志码 A文章编号 1 6 7 2 2 0 4 3 2 0 1 0 0 1 0 1 6 8 0 6 P h y s ica l C h e m ica l C h a r a ct e r is t icsa n d P h o s p h o r u sS p e cia t io nint h eS e d im e n t so ft h eT ia n j inY u q ia oR e s e r v io r Z H UX in g w a n g L I UG u a n g x u n L I A N GL i j u n M AL i li W A N GY u q iu K e yL a b o r a t o r yo fE n v ir o n m e n t a l P o llu t io nC o n t r o lP r o ce s sa n dB e n ch m a r k N a n k a i U n iv e r s it y M in is t r yo fE d u ca t io n C o lle g eo fE n v ir o n m e n t a l S cie n cea n dE n g in e e r in g N a n k a iU n iv e r s it y T ia n j in3 0 0 0 71 C h in a A b s t r a ct T h es t a n d a r dm e a s u r e m e n ta n dt e s t S M T p r o ce d u r ef o rf r e s h w a t e rs e d im e n t sw a sa p p lie dt ot h ein v e s t ig a t io no fp h o s p h o r o u s f o r m sint h es u r f a ces e d im e n t s 0 一 10cm w h icho b t a in e df r o ms ixv a r io u sr e g io n sinY u q ia oR e s e r v o ir T h er e la t io n s h ipb e t w e e nd if f e r e n t p h o s p h o r o u sf o r m s a sw e ll a sp h y s ica l ch e m ica l p r o p e r t ie sin clu d in gca t io ne x ch a n g eca p a cit y o r g a n icm a t t e rco n t e n t p a r t icleco m p o s it io n a n dco n t e n to ft h em a inm e n t a l w e r ea n a ly z e da n dd is cu s s e d T h er e s u lt ss u g g e s t e dt h a tt h et o t a l p h o s p h o r o u sco n t e n t inw h ichin o r g a n ic P t a k e s5 7 3 一 7 4 7 r a n g e df r o m3 5 4t o5 81m g k g T h es iz eo r d e ro ft h et h r e em a inf o r m so fp h o s p h o r u ss p e cia t io nw a sC a P O P A 1 F e P a n dt h eC a Pw a st h em a j o r it yo fT P A st h eco n ce n t r a t io n so fo r g a n o p h o s p h o r u sin cr e a s e o r g a n icm a t t e r ca t io ne x ch a n g eca p a cit ya n d cla y 0 01 一 0 0 0 5m m w e r e a ls oo nt h ein cr e a s e T h eco m p a r a t iv es t u d yo np h o s p h o r u sf o r m sins e d im e n tb e f o r ea n da f t e rw a t e rt r a n s f e ro ft h e Y u q ia oR e s e r v o irs h o w e dt h a tt h es e d im e n ts in k sp h o s p h o r u s a n dt h eF e A 1 一Pw a s t h em o s ta ct iv ep h o s p h o r u sf o r m sint h et r a n s f e rp e r io d K e y w o r d s s e d im e n t p h o s p h o r o u sf o r m s p h y s ica l ch e m ica lch a r a ct e r is t ics w a t e rt r a n s f e r 于桥水库是引滦入津工程重要的调蓄水库 也是对比 得出于桥水库水质已处于富营养化向重度营养 天津市人民生活饮用水和工农业生产用水的水源地 化过渡 接近重度营养化边缘的结论 并指出 于桥水 近1 0 多年来 于桥水库流域和湖周的社会经济发展库底质中的营养盐是引起富营养化的原因之一 迅速 入库污染负荷急剧增加 水库水质也随之恶化 许多研究已证实沉积物作为内陆水域磷循环的 李玉英 侯任合 1 通过对于桥水库水质现状的评价及一个重要环节 在湖泊富营养化方面扮演着重要的角 1O 多年来水体中营养盐浓度和富营养化响应特征的 色 2 尤其是在外源逐步得到控制的情况下 沉积物作 收稿日期 2 0 0 9 0 6 1 7 基金项目 环境保护部 全国饮用水水源地基础环境调查及评估 项目 2 0 0 8 A W 0 1 作者简介 朱兴旺 1 9 8 4 男 辽宁沈阳人 在读硕士 主要从事水污染 防治方面的研究 E m a il 0 312 7 0 5 m a il n a n k a i e d u cn 通讯作者 王玉秋E m a il y q w a n g n a n k a i g m a il t o m 为内源对上覆水体释放氮和磷的作用会渐显重要 成 为维持上覆水营养状态的重要来源M 沉积物中磷的 赋存形态对控制沉积物磷的迁移及其生物可利用性 具有重要的作用阳 而沉积物的理化特征又是影响沉 积物中磷赋存形态的重要因素 因此 加强对湖泊沉 第2 9 卷第1 期农业环境科学学报 16 9 积物理化特征及磷赋存形态的研究 对揭示湖泊富营 养化机制 控制湖泊富营养化具有重要的意义 目前 国内湖泊水域沉积物磷赋存形态的研究 多集中于长江中下游的浅水湖泊 而对我国西部 北 方湖泊的研究较少 8 1 0 本研究以天津于桥水库作为 我国北方湖泊的代表 采用S M T 1 1 1 3 程序对于桥水库 沉积物中磷的赋存形态进行分析 同时结合沉积物的 理化特征 探讨于桥水库沉积物磷赋存形态特征及其 主要影响因素 此外 还对水库调水对沉积物磷赋存 形态的影响进行了研究 1材料方法 1 1 研究区域概况 于桥水库位于燕山山脉南麓 处天津市蓟县城东 4k m 距离天津市区11 5k m 于桥水库北部与河北省 兴隆县 北京市平谷县相邻 南部与宝坻县隔蓟运河 相望 东与河北省遵化县 玉田县t l L 令lS 西以河北省三 河市为界 于桥水库流域东西长6 6k m 南北宽5 0 k m 总面积为20 6 0k m 2 总库容15 6 亿I n 3 平均水深 4 6I n 最大水深12I n 沙河 黎河和淋河为流域内的 三大主要汇水河流 于桥水库目前是天津市人民生活 饮用水和工农业用水重要的水源地 自2 0 世纪9 0 年 代后期以来 于桥水库内藻类大量繁殖 富营养化问 题严重 增加了城市水处理难度和成本 影响了出水 水质 1 2 采样点的设置 依据于桥水库的水力特征 沿其主要的水体流动 方向 设置3 个采样点位 三岔口S 进水区 库中心 K 库中区 坝下B X 出水区 此外 为了研究水库 沿岸不同生产生活活动对沉积物磷赋存形态的影响 分别于水库南北两岸3 个水湾设置采样点位 马伸桥 M 北岸岸边 附近设有多处鱼塘 鱼塘废水主要通过 与水库连通的沟渠进入水库 白庄子B 北岸岸边 沿岸为畜禽养殖场 养殖场废水可通过地表漫流进入 水库 青池一村Q 南岸岸边 沿岸主要为传统的耕 作农业 6 个采样点位 见图1 所示 1 3 沉积物样品的采集 2 0 0 9 年5 月下旬分别在于桥水库的6 个点位采 集沉积物样品 用自制的柱状采泥器采集表层10cm 的沉积物样品 采集后的样品装入封口塑料袋中 放 入装有冰袋的保温箱暂存 样品运回实验室后 放入 F D 一1A 一5 0 型冷冻干燥机中真空干燥 分别过18 6 0 10 0 目筛后 于4O C 下保存备用 所有采样点位均使 j ii 一鼍 j I f j j M jL 己 l j j j 一一i冀j Bo 斗 f i P 一 1 厂 V j 歹 f j j 一 j t r 用全球卫星定位系统 G P S 进行定位采集 同时结合 1 5 00 0 0 地形图进行校正 1 4 样品分析方法 沉积物有机质总量的测定采用经典的重铬酸钾 法 1 卅 阳离子交换量采用ED T A 一铵盐快速法 1 卅 沉积 物主要金属含量的测定采用电感耦合等离子体发射 光谱仪 I C P A E S 沉积物粒径分布参考 土壤理化 分析 1 4 中的粒径分析方法进行分析测定 并依据卡 琴斯基土壤质地分类标准来确定其质地 沉积物中总磷及其形态的测定采用欧盟推荐的 S M T 方法 该法具有操作简单 各形态磷的测定相对 独立 准确性好的特点 而且测定值之问可以相互检 验 该法将磷分为5 种形态 即铝铁结合态的磷 A 1 F e P 钙结合态的磷 C a P 无机磷 I P 有机磷 O P 总磷 T P 为保证数据质量 对每个样品做3 个平行 试验所用玻璃和塑料容器均用0 3 的盐酸浸泡 过夜 再用电导率为1 8 2M D cm 的超纯水清洗干净 备用 所用药品均为分析纯 试验用水均采用电导率 为18 2M Q cm 的超纯水 使用S P S S13 0 软件对试 验数据进行统计分析 2 结果与讨论 2 1 沉积物中磷赋存形态分析 磷赋存形态分析结果 表1 表明 在整个研究区 域内 总磷含量分布是不均匀的 其变化范围为3 5 4 5 81m g k g 1 磷的形态方面 无机磷占总磷含量的比 例为5 7 3 7 4 7 且与总磷之问存在着较好的相关 性 相关系数r 0 9 6 7 P O P A 1 F e P 其中C a P 为沉积物中磷的主要存在形态 占总磷含量的比例为3 9 8 6 3 6 对于库中心的 17 0 朱兴旺等 天津于桥水库沉积物理化特征及磷赋存形态研究 2 010 年1 月 K 点位 其A 1 F e P 与O P 含量相差不大 分别为 14 0 15 6m g k g 表现出介于相对清洁的草型库区 典型的O P A 1 F e P 与污染严重的藻型库区 典型 的O P K B X 通过对库边3 个点位 M B Q 各形态磷含量的比较分析 可见北岸M B 两个点位O P 含量约为南岸Q 点位的2 倍 由于O P 一般被认为主要来自农业面源 表明于桥水库北岸的 畜禽养殖 鱼塘养鱼活动对沉积物中O P 的贡献要大 于南岸的传统的耕作活动 2 2 沉积物主要理化特征分析 沉积物主要理化特征分析结果 表2 表明 依据 卡琴斯基土壤质地分类标准 6 个点位沉积物的质地 类型依次为 Q 为中壤土 S 为重壤土 M 为轻粘土 B K B X 为中粘土 其中 位于水库进水区的S 点位 主要以 O 01m m 粒级的颗粒为主 占6 3 而含有 较少的 O 01m m 粒级的颗粒所占比例有所下降 分别占4 6 4 8 而 O 0 0 5m m 粒级的颗粒显著增加 分别占4 0 3 6 这可能是因为上游来水进入水库后 由于水流 流速降低 绝大多数粒径较大的悬浮物在水库进水区 处沉降下来形成扇形沉积区 造成水库进水区处沉积 物粒径较大 沉积物有机质总量是沉积物理化特征中的重要 指标 对水一沉积物界面磷迁移转化具有很大影响 本 研究中于桥水库沉积物有机质总量的变化范围为 1 4 5 2 3 6 其最大值出现在B 点位 最小值出现 在Q 点位 二者相差1 6 倍 并表现出与O P 含量基 本一致的分布规律 阳离子交换量是沉积物重要的特征之一 它由沉 积物胶体表面性质所决定 由有机的交换基与无机的 交换基所构成 前者主要是腐殖质酸 后者主要是粘 土矿物 它们在沉积物中互相结合 形成了复杂的有 机无机复合体 所能代换的阳离子总量包括交换性盐 基 K N a C a 2 t M 9 2 和水解性酸 对水一沉积物界面 磷的交换过程起到极为重要的作用 经测试 于桥水 库沉积物阳离子交换量的变化范围为9 7 2 2 6 7 4 cm o l k g 且与有机质总量表现出显著的正相关性 相关系数r O 9 31 P 0 01 n 6 可见随着沉积物有 表1 沉积物中各形态磷的含量 T a b le1C o n ce n t r a t io no fp h o s p h o r u sf o r m sins e d im e n ts a m p le s T P 样品号 五 F e A l P C a P I P O P m g k g 一1 m g k g 一1 m g k g 一1 m g k g 一1 篡 2 2 l 1 2 巳 H篡她 K 5 2 3 1 8 7 1 J 1 J 卸 汹 义 苁 垮 簧 熨 3 O J D 殳 抖 乃 2 蛆 也 k 狂 姚 m 三 B K 腿 第2 9 卷第1 期农业环境科学学报 1 71 机质总量的提高阳离子交换量也会有所增加 这与之 前的研究结果一致 9 于桥水库沉积物全铝含量的变化范围为2 6 O O 4 5 O Om g g 其最小值出现在Q 点位 最大值出现在 K 点位 全铁含量的变化范围为2 9 3 0 3 5 O Om g g 但二者并没有表现出显著的相关关系 r 0 7 2 0 尸 010 7 n 6 2 3 沉积物理化特征与磷赋存形态的关系 通过对各形态磷含量与沉积物理化特征分析结 果的统计分析 可见O P 与C E C O M 0 01 0 0 0 5m m 粒级的颗粒含量表现出很好的相关关系 其相关系数 厂分别为 0 9 2 5 P 0 01 n 6 0 9 0 4 P 0 0 5 n 6 o 9 2 4 P O 0 1 n 6 表明随着沉积物中有机磷含量 的增加 有机质总量与阳离子交换量也逐渐提高 细 粉粒 O O1 0 0 0 5m m 的含量也有所增加 然而 其他 形态的磷却未与理化特征表现出显著的相关关系 F e A 1 一P 一般是指F e M n A 1 氧化物及其氢氧化 物包裹的磷 属于不稳定态磷 该部分磷被认为可以 被生物生长所利用 在一定条件下易被O H 一或其他有 机体所交换而释放到上覆水中 其来源是人为的 外 源性的 主要来自生活污水和工业废水 然而大部分 的磷分级提取程序 包括S M T 程序 都很难将F e P 和A l P 进行分离 悯 本研究采用I C P A E S 对沉积物 全铁 全铝含量进行了测量 并与F e A 1 一P 含量进行 了统计分析 发现F e A 1 一P 含量与全铝含量并没有显 著的相关关系 r 0 7 0 0 P 0 1 2 2 n 6 但与全铁含量 表现出显著的相关性 厂 O 9 2 3 P O P A 1 F e P 其中C a P 为沉积物中磷的主要赋存形态 在水平分布上 A 1 F e P 与O P 均表现出库中点位明 显高于库边点位的规律 C a P 则表现出沿主要水体 流动方向递减的规律 2 于桥水库沉积物阳离子交换量的变化范围为 9 7 2 2 6 7 4cm o l k g 有机质总量的变化范围为 1 4 5 2 3 6 且二者之问表现出显著的相关关系 3 随着沉积物中有机磷含量的增加 有机质总 量与阳离子交换量也逐渐提高 细粉粒 O O 1 0 0 0 5 m m 的含量也有所增加 F e A 1 一P 与全铁含量表现出 显著的正相关关系 2 S o n d e r g a a r dM J e n s e nJP J e p p e s e nE R o leo fs e d im e n ta n din t e r n a l lo a d in go fp h o s p h o r u sins h a llo wla k e s J H y d r o b io lo g ia 2 0 0 3 5 0 6 1 3 13 5 1 4 5 3 M a r s d e nMW L a k er e s t o r a t io nb yr e d u cin ge x t e r n a lp h o s p h o r u slo a d in g t h ein f lu e n ceo fs e d im e n tp h o s p h o r u sr e le a s e J F r e sh w a t e rB io l 1 9 8 9 2 1 1 3 9 1 6 2 4 V a nd e rM o le nDT I n f lu e n ceo fin t e r n a llo a d in go np h o s p h o r u sco n ce n t r a t io nins h a llo wla k e sb e f o r ea n da f t e rr e d u ct io no ft h ee x t e r n a l lo a d in g J H y d r o bio lo g ia 19 9 4 2 7 5 2 7 6 3 7 9 38 9 5 S o n d e r g a a r dM K r is t e n s e nP J e p p e s e nE E ig h ty e a r so fin t e r n a lp h o s p h o r u slo a d in ga n dch a n g e sint h es e d im e n tp h o s p h o r u sp r o f ileo fL a k e s e d im e n t p h o s p h o r u sp r o iileo fL a k e S o b y g a a r d D e n m a r k J H y d r o b io lo g ia 1 9 9 3 2 5 3 3 4 5 3 5 6 6 R y d inE P o t e n t ia llym o b ilep h o s p h o r u sinL a k eE r k e ns e d im e n t J W a t e rR e s e a r ch 2 0 0 0 3 4 7 2 0 3 7 2 0 4 2 7 P e t t icr e wEL A r o ce n aJM E v a lu a t io no fir o np h o s p h a t ea sas o u r ce o nin t e r n a lla k ep h o s p h o r u slo a d in g s J S cien ceo ft h e T o t a lE n vir o n m e n t 2 0 0 1 2 6 6 1 3 8 7 9 3 8 黄清辉 王磊 王子健 中国湖泊水域中磷形态转化及其潜在生物 效应研究动态 J 湖泊科学 2 0 0 6 1 8 3 1 9 9 2 0 6 H U A N G Q in g h u i W A N GL e i W A N GZ i jia n A d v a n ceint h es t u d y o np h o s p h o r u ss p e cla t lo n t r a n s t o r m a t io na n da t sp o t e n t ia ie co lo g ica lel 1 f e ct sinC h in e s ela k e s J L a k eS cie n ce 2 0 0 6 1 8 3 1 9 9 2 0 6 9 金相灿 孟凡德 姜霞 等 太湖东北部沉积物理化特征及磷赋存 形态研究 J 长江流域资源与环境 2 0 0 6 1 5 3 3 8 8 3 9 4 J I NX ia n g ca n M E N GF a n d e J I A N GX ia e ta 1 P h y s ica l ch e m ica l 1 13 1 1 1 1 1 1 13 1 ch a r a ct e r is t icsa n dio r mo ip h o s p h o r u ss p e cla h o nint h es e d im e n t so f n o r t h e a s tla k eT a ih u J R e s o u r ce sa n dE n v ir o n m e n tint h e Y a n g t z e B a s in 2 0 0 6 1 5 3 3 8 8 3 9 4 1 0 金相灿 庞燕 王圣瑞 等 长江中下游浅水湖沉积物磷形态及其 分布特征研究 J 农业环境科学学报 2 0 0 8 2 7 1 2 7 9 2 8 5 J I NX ia n g ca n P A N GY a n W A N GS h e n g r u i e ta 1 P h o s p h o r u sf o r m s a n dit sd is t r ib u t io nch a r a ct e rins e d im e n to fs h a llo wla k e sint h em id d lea n dlo w e rr e a ch e so ft h eY a n g t z eR iv e r J J o u r n a lo f A 胛一眈 一 r o n m e n tS cie n ce 2 0 0 8 2 7 1 2 7 9 2 8 5 11 R u b a nV B r ig a u ltSD D e m a r eD e ta 1 A nin v e s t ig a t io no ft h eo r ig in a n dm o b ilit yo fp h o s p h o r u sinf r e s h w a t e rs e d im e n t sf r o mB o r t L e s O r g u e sR e s e r v o ir F r a n ce J J o u r n a lo f E n v ir o n m e n t a lM o n it o r in g 19 9 9 1 4 4 0 3 4 0 7 R u b a nV L o p e z S a n ch e zJF P a r d oP e ta 1 H a r m o n iz e dp r o t o co la n d 第2 9 卷第1 期农业环境科学学报 1 7 3 ce r t if ie dr e f e r e n cem a t t e r ia lf o rt h ed e t e r m in a t io no fe x t r a ct a b leco n t e n t so fp h o s p h o r u sinf r e s h w a t e rs e d im e n t s as y n t h e s iso fr e ce n t w o r k s J E r e S e n iu J o u r n a l o fAn a ly t ica lC h e m is t r y 2 0 0 1 3 2 3 2 2 4 2 2 8 13 R u b a nV L o p e z S a n ch e zJF P a r d oP e ta 1 S e le ct io na n de v a lu a t io n o fs e q u e n t ia le x t r a ct m np r o ce d u r e sio r t h ed e t e r m in a t io no ip h o s p h o r u s f o r m sinla k es e d im e n t J J o u r n a lo fE n vir o n m en t a l M o n it o r in g 19 9 9 1 1 5 1 5 6