（环境工程专业论文）底泥扰动状态下颗粒态磷生物有效性的变化规律.pdf

摘要 扰动对磷的迁移转化有重要的影响。目前，关于底泥扰动状态的研究并未重视上 覆水中磷的生物有效性。因而进一步研究底泥扰动状态下颗粒态磷生物有效性的变化 规律，对完善浅水湖泊磷迁移转化的理论体系有重要意义。本文采用实验室模拟方式 研究了扰动强度、扰动频率、悬浮方式和溶解氧含量对上覆水中不同形态磷和颗粒态 磷生物有效性的影响；考察了底泥悬浮状态、不同扰动频率、不同悬浮方式及不同溶 解氧含量的底泥扰动状态下水体中可被生物利用磷( b a p ) 的变化规律。 扰动强度试验采用持续扰动。结果表明，底泥再悬浮促进了水体中磷的迁移转化， 低强度时这种迁移转化作用更明显。而持续扰动促进了水体中可被生物利用颗粒态磷 ( b a p p ) 的释放，而且扰动强度越大，b a p p 的释放量越高。低强度的底泥扰动降低了 水体中b a p 的含量，降低了溶解性总磷c ：d t p ) 被浮游生物利用的可能性。因此，低强 度扰动更有利于控制水体富营养化程度。 扰动频率试验采用间歇扰动。结果表明，底泥间歇扰动促进了水体中磷向底泥的 迁移；促进底泥中易释放态磷向难释放态磷的转化，而且扰动频率较高，这种两种促 进作用更明显。同时导致了b a p p 和d t p 在b a p 中所占比重发生了相互转化。底泥 扰动频率越高导致水体发生富营养化的直接风险越小。 底泥不同悬浮方式试验采用底泥扰动和底泥曝气。结果表明，底泥扰动和底泥曝 气均能提高底泥对磷的持留能力。颗粒态磷生物有效性随着底泥再悬浮时间的延长呈 现降低的趋势，并且频繁好氧扰动下，颗粒态磷生物有效性较低。频繁短时间扰动与 好氧扰动均导致水体中b a p 含量呈降低的趋势。而频繁长时间扰动使水体中b a p 含 量维持在初始值左右，频繁长时间好氧扰动导致水体中b a p 含量显著升高。频繁扰 动导致水体发生富营养化的直接风险越小。 不同溶解氧含量的底泥扰动试验利用氮气和氧气控制溶解氧含量。结果表明，上 覆水中溶解性磷酸盐含量显著降低，低溶解氧含量下，降低的幅度越大。颗粒态磷生 物有效性均呈现升高的趋势。而且溶解氧含量越高，颗粒态磷生物有效性升高的幅度 越大。水体中b a p p 和b a p 显著降低。随着溶解氧含量的升高，b a p p 的含量降低。 厌氧扰动增加了水体发生富营养化的间接风险和直接风险。 关键词：底泥扰动，生物有效性，磷形态，颗粒态磷 a b s t r a c t s e d i m e n td i s t u r b a n c e h a s s i g n i f i c a n t e f f e c t o n p h o s p h o r u sm i g r a t i o n a n d t r a n s f o r m a t i o n p h o s p h o r u sb i o a v a i l a b i l i t yi no v e r l y i n gw a t e ru n d e rs e d i m e n td i s t u r b a n c e i sn o tp a i dg r e a ta t t e n t i c i nu pt o ：n o w s oi t i sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h ev a r i a t i o no f b i o a v a i l a b i l i t yo fp a r t i c u l a t ep h o s p h o r u su n d e rs e d i m e n t d i s t u r b a n c e i ti si m p o r t a n tt o i m p r o v ep h o s p h o r u sm i g r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o ns y s t e m i ns h a l l o wl a k e s i nt h ea r t i c l e ，i t w a ss t u d i e dt h a te f f e c to f d i s t u r b a n c ei n t e n s i t y , d i s t u r b a n c ef r e q u e n c y , s e d i m e n t r e s u s p e n s i o n m o d e s a n dd i s s o l v e d o x y g e n c o n t e n to n d i f f e r e n t f o r m so f p h o s p h o r u sm i g r a t i o ni no v e r l y i n gw a t e ra n db i o a v a i l a b i l i t yo fp a r t i c u l a t ep h o s p h o r u s t h e v a r i a t i o no fb i o a v a il a b l ep h o s p h o r u s ( b a p ) i no v e r l y i n gw a t e rw a si n v e s t i g a t e du n d e r s e d i m e n td i s t u r b a n c eo fd i f f e r e n ti n t e n s i t y , f f e q u e n c y ，r e s u s p e n s i o nm o d e sa n dd i s s o l v e d o x y g e nc o n t e n t p e r s i s t e n td i s t u r b a n c ew a su s e di nd i s t u r b a n c ei n t e n s i t ye x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o w e d t h a ts e d i m e n tr e s u s p e n s i o np r o m o t e dp h o s p h o r u sm i g r a t i o n a n dt r a n s f o r m a t i o ni n w a t e r , a n dt h em i g r a t i o n a n dt r a n s f o r m a t i o nw a sm o r eo b v i o u su n d e r l o wi n t e n s i t y d i s t u r b a n c e p e r s i s t e n td i s t u r b a n c e sp r o m o t e dt h e r e l e a s eo fb i o a v a i l a b l ep a r t i c u l a t e p h o s p h o r u s ( b a p p ) i nw a t e r , a n dt h eg r e a t e rd i s t u r b a n c ei n t e n s i t y , t h eh i g h e rt h er e l e a s eo f b a p pw a s t h ec o n t e n to fb a p pa n dt h ep o s s i b i l i t yo fd i s s o l v e dt o t a lp h o s p h o r u s ( d t p ) u s e db yp l a n k t o nw e r ed e c r e a s e du n d e rl o wi n t e n s i t yd i s t u r b a n c e t h e r e f o r e ，l o wi n t e n s i t y d i s t u r b a n c ew a sm o r ec o n d u c i v et oc o n t r o lw a t e re u t r o p h i c a t i o n i n t e r m i t t e n td i s t u r b a n c ew a su s e di nd i s t u r b a n c ef r e q u e n c ye x p e r i m e n t t h er e s u l t s s h o w e dt h a ts e d i m e n ti n t e r m i t t e n td i s t u r b a n c ep r o m o t e dp h o s p h o r u sm i g r a t i o n a n d t r a n s f o r m a t i o ni nw a t e r ，a n dc o u l dp r o m o t et h et r a n s f o r m a t i o no fp h o s p h o r u s f r o m p o t e n t i a l l ym o b i l e f o r m st o r e f r a c t o r yf o r m s a n dt h eh i g h e rf r e q u e n c yd i s t u r b a n c e ， t h em o r eo b v i o u st h et w or o l e sw e r e t h eh i g h e rd i s t u r b a n c ef r e q u e n c yl e dt ot h es m a l l e r o fd i r e c te x p o s u r eo fw a t e re u t r o p h i c a t i o n s e d i m e n td i s t u r b a n c ea n da e r a t i n gt os e d i m e n t sw e r eu s e di n d i f f e r e n ts e d i m e n t r e s u s p e n s i o nm o d e s t h er e s u l t s s h o w e dt h a ts e d i m e n td i s t u r b a n c ea n da e r a t i n gt o s e d i m e n t sc o u l db o t hi e n h a n c et h el o n g t e r mp h o s p h o r u ss t o r a g ei nt h e s e d i m e n t s b i o a v a i l a b i l i t yo fp a r t i c u l a t ep h o s p h o r u ss h o w e d ad e c r e a s i n gt r e n dw i t ht h ee x t e n s i o no f s e d i m e n tr e s u s p e n s i o n a n di tw a sl o w e r u n d e rf r e q u e n td i s t u r b a n c eo fa e r o b i cc o n d i t i o n i i b a pi no v e r l y i n gw a t e rs h o w e dad e c r e a s i n gt r e n du n d e rf r e q u e n ts e d i m e n td i s t u r b a n c e a n dd i s t u r b a n c eo fa e r o b i cc o n d i t i o na ts h o r tn o t i c e t h eb a pc o n t e n ti sm a i n t a i n e da t a b o u tt h ei n i t i a lv a l u eu n d e rf r e q u e n ts e d i m e n td i s t u r b a n c ef o ral o n gt i m e ，a n di t w a s s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e du r l d e rf r e q u e n ts e d i m e n td i s t u r b a n c eo f a e r o b i cc o n d i t i o nf o ral o n g t i m e f r e q u e n ts e d i m e n td i s t u r b a n c ea ts h o r tn o t i c el e dt ot h es m a l l e ro f d i r e c te x p o s u r eo f w a t e re u t r o p h i c a t i o n n i t r o g e n a n d o x y g e n w e r e , u s e dt oc o n t r o ld i s s o l v e do x y g e nc o n t e n tu n d e r s e d i m e n td i s t u r b a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i s s o l v e dp h o s p h a t ec o n t e n tw a s s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e d a n d i tw a sl o w e ru n d e rl o wd i s s o l v e do x y g e n c o n t e n t b i o a v a i l a b i l i t yo fp a r t i c u l a t ep h o s p h o r u ss h o w e da ni n c r e a s i n gt r e n d a n du n d e rh i g h e r d i s s o l v e do x y g e nc o n t e n t ，i ti n c r e a s e dm o r eg r e a t l y b a pa n db a p pi no v e r l y i n gw a t e r w e r es i g n i f i c a n t l yd e c r e as e d w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ed i s s o l v e do x y g e n ，b a p pc o n t e n t s h o w e dad e c r e a s i n gt r e n d a n a e l o b i cd i s t u r b a n c ec o u l di n c r e a s et h ei n d i r e c ta n dd i r e c t r i s k so fw a t e re u t r o p h i c a ti o n k e yw o r d ：s e d i m e n td i s t u r b a n c e ，b i o a v a i l a b i l i t y ，p h o s p h o r u sf o r m s ，p a r t i c u l a t e p h o s p h o r u s i i i 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 0 7 年5 月2 9 日，无锡市：太湖发生的蓝藻危机事件，在国内外造成了广泛的影 响。大量湖泊的水体富营养化已经成为全球面临的一个重大环境问题，如全球频频发 生的海洋、湖泊富营养化和赤潮、蓝藻水华等。随着工业化和城市化的快速发展，大 量的营养盐输入水体，自然的循环逐渐受到破坏，导致水体富营养化程度以惊人的速 度增长。2 0 世纪5 0 6 0 ：年代所造成的环境效应已有征兆；而7 0 8 0 年代，富营养化的 恶化开始显现( 如黑海的罗马尼亚和乌克兰段约有6 0 x 1 0 。7 t 的底栖生物因水体缺氧而 死亡) ；进入9 0 年代，更是在全球很多地方频频爆发，如黑海东北部、几乎整个墨西 哥湾北部，由于水体的极度缺氧和腐败变质，大量的水生动植物死亡，曾一度被称为 “死亡地带( d e a dz o n e ) ” 1 1 ，至今这些地方仍处于治理和缓慢的生态恢复过程中。而在 我国，到2 0 世纪9 0 年代中后期，富营养化湖泊已占被调查湖泊数的7 7 2 1o 由此可 见，我国已成为世界上湖泊富营养化范围及程度最严重、面临问题最严峻的国家之一。 湖泊富营养化的特征性表现为藻类水华现象。藻类水华暴发会导致水体缺氧、鱼 类死亡、产生异味及藻毒素释放等，影响湖泊的水功能。2 0 世纪7 0 9 0 年代我国才开 始真正把水环境调查和水体富营养化的治理作为环保研究工作的一部分。在这期间， 已经获得了一些研究成果，使我国的水环境保护和水体富营养化治理正逐步走上了正 确的轨道。然而这些并没有从根本上解决水体富营养化的现象，水质改善也并未达到 预期的效果。 自1 9 5 4 年r y t h e r 等【4 j 首次发现磷对浮游生物群落的生长有巨大影响后，对水环 境中磷的生物地球化学研究就开始受到了科学界的重视。1 9 6 7 年在美国威斯康星州 召开了首届“富营养化国际大会 ，会议确定了磷是导致水体富营养化的关键原因和 限制因子【5 j 。而且大多数研究认为，浅水湖泊底泥中磷的释放是引起湖泊富营养化发 生、形成蓝藻水华的重要因素【昏8 1 。因此，有效控制水体中磷的含量有助于延缓水体 富营养化的进程，降低“水华”发生的风险。 水中磷的来源主要包括外源性磷和内源性磷【9j 。外源性磷包括降水、径流、人为 排放等在内的各种输入，可通过控制加以削减。进入水体的磷酸盐有6 0 是来自城市 污水。随着环境管理的不断完善，湖泊外源磷的输入逐渐得到有效的控制，内源释放 的影响就显得尤为突出。内源性磷指来自湖泊内部的磷，是污水排入、地表径流汇集 以及水生生物残骸在底泥中沉积所造成的。进入湖泊中的磷等营养物质，在一定条件 下，由于沉降、吸附及：水生动植物的排泄、死亡等作用，累积在湖泊底部，进入湖泊 底泥中。当水环境理化性质发生i 玫变时，一部分内源磷等营养物又可能通过解吸、溶 出、分解等过程，从底泥中释放出来，对湖泊富营养化产生不可忽视的作用。 底泥一般系指江河湖库的沉积物，是自然水域的重要组成部分，是水体中氮磷等 物质迁移和转化的载体、归宿和蓄积库f 1 0 1 。底泥与水界面是水体中物质和能量交换的 重要界面，存在着一种动态平衡j - 。3 1 。近年来，有关底泥一水界面动态过程的研究已 经引起了人们的关注【1 4 - 17 1 。如风浪、湖流等水动力扰动对表层底泥的剪切作用非常容 易引起底泥一水界面发：生扰动和表层底泥的再悬浮，从而打破底泥一水界面的物理平 衡，进而引起界面营养物质发生：迁移甚至转化，对底泥的营养盐释放及湖泊营养盐负 荷产生巨大影响1 8 - 2 1 】。底泥扰动不仅可以显著增加水体中溶解氧含量i _ 2 2 2 3 1 ，改变上覆 水中磷的含量和形态分布；而且：扰动可以改变内源磷赋存形态的数量分布，并提高底 泥对磷的持留能力，降低磷的生物有效性【2 4 - 2 6 。由此可见，底泥扰动是影响水体富营 养化的一个重要因素。 1 2 国内外研究现状 磷是造成水体富营养化的关键限制营养因素 2 7 之9 l 。当外源磷输入得到有效控制 后，内源释放仍然可使：水体的富营养化问题持续数十年旧3 0 3 1 1 ，尤其是在风浪扰动强 烈的浅水湖泊中。研究阻3 4 】表明，浅水湖泊底泥易受波浪、湖流、疏浚以及船只航行 等外力扰动的共同作用而频繁发生底泥再悬浮，悬浮过程中由于吸附解吸作用造成 磷在悬浮颗粒物和水体问迁移转化。动力扰动引起的底泥再悬浮过程所产生的内源释 放己受到国内外极大的关注。 1 2 1 底泥扰动对内源磷迁移转化的影响 底泥是湖泊营养物质的重要蓄积库，来自不同途径的各种营养物质，通过一系列 物理、化学、生物等作用，其中一部分沉积到湖泊底部，在一定条件下，底泥中的营 养盐可能会释放出来，成为二次：污染源。因此，底泥是湖泊富营养化的内污染源孓圳。 1 2 1 1 内源磷的赋存形态 底泥中磷以多种形态存在。由于环境条件变化，探索底泥中磷的形态对于估算磷 扩散通量、生物有效性评估以及揭示磷的循环过程至关重要1 3 8j 。底泥中磷形态的分布 研究始于土壤学家对土壤中磷的各种形态提取，随后地质和地球化学家将土壤中磷的 分类与提取分析方法引入到底泥中磷赋存形态研究。目前，国内外有多种磷赋存形态 连续提取方法，但至今尚未形成特定的标准。根据文献报道，较广泛应用的磷赋存形 态连续提取方法主要有：w 法、h & l 法、s e d e x 法和e d t a 法。w 法是w i l l i a m 等 3 9 , 4 0 1 于1 9 7 6 年和1 9 8 0 年在c h a n g 和j a c k s o n ( 1 9 5 7 ) 4 1 l 的基础上略作修改提出的， 在相对较高的p h 值条件下，用柠檬酸钠一连二亚硫酸钠一碳酸氢钠( c d b ) 提取湖泊 底泥的铁结合态磷；h & l 法是t t i e l t j e s 和l i j k l e m a l 4 2 在1 9 8 0 年提出的，引入n h 4 c 1 进行第一步提取，将底泥中磷分为弱吸附态磷似h 4 c 1 p ) 、铁铝结合态磷( f e a i - p ) 、钙 结合态磷( c a p ) 及残渣磷( r e s p ) ；s e d e x 法是r u t e n b e r g 【4 3 l 在1 9 9 2 年发展的- 7 0 0 连 续提取技术，将底泥中的磷分离出可交换态磷、铁结合态磷、自生碳酸盐氟磷灰石 ( a c v ，也包括生源磷灰石和钙结合态磷) 、碎屑残留磷和有机态磷等5 种相态；e d t a 法是g o l t e r m a n1 4 4 】在1 9 9 6 年提出的，用e d t a 作为提取剂，在还原剂连二亚硫酸钠 的存在下，先后分离出铁结合态磷、钙结合态磷、酸可提取有机磷和碱可提取有机磷， 后者又可分为胡敏酸和富里酸，甚至还可用某些特定的提取剂得到核酸、磷酸糖类及 肌醇六磷酸等。尽管各种方法及其提取剂不尽相同，但其提取原理都是针对不同形态 磷的高选择性提取剂的连续提取。 1 2 1 2 内源磷的释放 内源磷形态分布、结合态磷向溶解态磷的转化、底泥与上覆水之间的交换1 4 引，这 三个因素决定内源磷释放规律及磷释放的危害。 底泥与水体之间磷的交换过程十分复杂，它包括磷的生物循环、含磷颗粒的沉降 与再悬浮、溶解态磷的吸附与解吸、磷酸盐的沉淀与溶解等物理化学、生物过程及其 相互作用【46 i 。影响底泥磷释放的因素主要有底泥的理化性质、底泥间隙水中的磷浓度、 氧化还原电位、温度、p h 、溶解氧、光照、生物扰动、水体扰动等1 4 7 l 。对于浅水湖 泊，风力、湖流等导致的底泥扰动在内源磷释放中有着非常重要的作用1 3 6 一水m ”。许多 观测发现强风作用可以大大增加【浅水湖泊底泥的悬浮量l 一5 1 巧4 l ，会导致底泥中磷扩散而 大量进入水体。因此，普遍认为【5 卜6 2 】，扰动导致的底泥悬浮会促进内源磷的释放，使 上覆水中磷浓度增加，进而增加水体富营养化程度。但对这些文献加以分析可以看出， 底泥扰动过程中释放的磷主要是颗粒态磷( p p ) ，占总磷( t p ) 的百分比高达 8 0 9 0 1 4 吵j ，从而导致总磷含量明显增加，这已得到研究者的认可，但对于溶解态 磷的释放则存在较大的争议。朱广伟等人1 2 3 】对在太湖水温最低的一周，野外观测了太 湖大风浪过程和静风过程的结果分析，风浪引起的水体溶解性磷酸盐( d i p ) 含量变化 可达1 0 0 。而孙小静等【6 3 j 通过室内试验模拟水体在受到持续扰动后又长时间静置沉 淀的整个过程的研究则发现，在扰动开始阶段总磷含量迅速升高，随后又开始降低， 颗粒态磷的变化规律与总磷相同，而磷酸盐基本保持不变。 水体中总磷( t p ) 包括溶解性总磷( d t p ) $ 1 1 颗粒态磷( p p ) 。溶解性总磷又可再分为 溶解性磷酸盐( d i p ) 和溶解性有机磷( d o p ) 6 4 , 6 5 1 。从磷可被浮游生物利用角度来看，所 有的d i p 和部分d o p 都可以直接被浮游生物利用 6 6 。6 7 ，但是，d o p 一旦与腐殖酸等 结合就会显著降低其生物可利用性。磷被颗粒物质吸附后，其生物可利用性明显降低， 即颗粒态磷中仅有部分可以被浮游生物利用，这部分可以采用可被生物利用颗粒态磷 ( b a p p ) 表示67 l 。而人们对扰动究竟是“促进”还是“延缓”了水体富营养化的发 展进程，存在较大争议。其争议的实质就是扰动究竟是可被浮游生物利用磷的“源” 效应还是“汇”效应。因此，采用总磷来衡量可被生物利用磷含量则偏高，而采用溶 解性磷酸盐来衡量则偏低。其关键是忽视了底泥扰动过程中占总磷绝大部分的颗粒态 磷的生物有效性。因此，了解“底泥扰动对可被生物利用磷( b a p ) 的影响”是弄清这 一问题的关键环节。 1 2 1 3 底泥中不同形态磷的转化 根据不同形态磷的释放能力，人们将不同形态磷归为两类：易释放态磷( 或潜在 活性磷) 和难释放态磷。通常，弱吸附态磷、铁铝结合态磷被归为易释放态磷i 硝，6 啦h l ， 而钙结合态磷和残渣磷则被认为是难释放态磷ul ，川。 r y d i n 6 9 i 研究表明，底泥在静止状态下，易释放态磷存在着向难释放态磷转化的 趋势，但这种转化及其缓慢；而底泥再悬浮状态下，易释放态磷向难释放态磷转化的 速率可能更快。侯：立军等【_ 7 2 】通过相关关系来分析底泥中不同形态磷之间的转化关系， 发现弱吸附态磷与铁结合态磷之间存在显著的正相关关系，说明两者之间存在一定的 转化关系。即在趋氧化的环境中弱吸附态磷可能向铁结合态磷转化，相反在趋还原的 环境中铁结合态磷可能被还原释放出磷酸盐，进而转化成弱吸附态磷【3 1 1 。此外有机磷 的矿化也可能会增加弱吸附态磷的含量。在微生物的作用下，有机磷矿化分解所释放 出来的磷酸盐，可能被底泥中的活性c a 2 + 、f e 3 + 吸附并结合，进而转化成铁结合态磷、 自生磷灰石磷和碳酸钙结合态磷口1 。7 2 。但碎屑态磷灰石磷与其它形态磷之间不存在相 互转化关系。 秦伯强| 7 l 认为，在氧化环境下，活性磷的含量将减少，这与磷的形态转化存在密 切的关系。李大鹏等 1 4 , 2 5 , 4 8 研究发现，底泥扰动可以加快底泥中不同形态磷间的转化， 促使内源磷赋存形态的数量分布发生了改变，导致易释放态磷含量减少，难释放态磷 含量增加，有效提高了底泥对磷的持留能力，增强底泥对磷的缓冲。内源磷赋存形态 的数量分布的改变与因扰动而进入水体的颗粒态磷的生物有效性密切相关【7 。 目前，对内源磷的转化机制并不清楚，是“易释放态磷直接转化成了难释放态磷， 还是易释放态磷在扰动作用下首先转化成磷酸盐被释放到水体中，然后再被颗粒物质 ( 如钙离子、晶型铁氧化物、铝氧化物等1 吸附i7 4 i 而转化成难释放态磷”。这需要进一 步深入的研究。但内源磷的转化预示着颗粒态磷的生物有效性有下降的趋势。 1 2 2 底泥扰动方法和模式 1 2 2 1 底泥扰动方法 近年来，风浪引起的底泥扰动的研究方法主要有野外观测和室内模拟。朱广伟等 1 2 3 7 5 1 通过野外观测发现，大风浪扰动能引起磷的暴发性内源释放，但是大风浪后期水 体磷浓度反而下降，说明浅水湖泊风浪扰动中既存在磷的大量释放过程，又包含着复 杂的磷吸附过程。但野! 外观测受限于风情( 风向和风力) 的发生频率和持续时间等不可 控因素，难以在期望条件下进行；也需要耗费较大的人力和物力，难以被推广。 基于野外观测的局限性，人，f i 、 提出很多方法对水动力过程进行室内模拟研究。主 要有振荡法嘲、水流模拟实验装置法、环形槽法和波浪水槽法旧。振荡法是在 三角瓶中装入一定量的底泥和水样，以振荡频率模拟风速的大小。该方法简单，易于 控制条件且可多组平行；但是体系过小，悬浮物不能随风浪增强而递增。水流模拟实 验装置法、环行槽法和波浪水槽法均是采用机械方法产生上覆水的定向流动使底泥发 生悬浮。这三种方法易于控制试验条件，但是底泥的原状性受到一定的破坏，较浅的 上覆水与湖泊实际情况：差异较大。在试验中保持底泥的原状性非常重要，它关系到暴 露于上覆水的界面及其结构的变化及影响悬浮量的结果，对营养物质的释放量的研究 会带来不可预知的结果。 1 2 2 1 底泥的扰动模式 在底泥易受扰动的自然水体中，尤其是浅水湖泊中，由于底泥易受风浪、湖流、 底栖生物、人为扰动干扰，底泥经常性发生悬浮。我国长江中下游地区分布着很多这 样的浅水湖泊，比如太湖、巢湖、五里湖等。范成新等【6 2 】研究表明，太湖在风浪作用 下，每年有三分之一的天数会发生底泥悬浮。以往关于“底泥扰动对磷的迁移转化的 影响规律”的研究中，研究者主要以短期扰动( 扰动时间较短，多数在几十分钟或几 十小时不等) ，甚至1 次扰动为研究对象阢7 8 80 l 。短期扰动或1 次扰动仅仅注意到扰 动对磷的“瞬间释放”的作用，而忽视了其对磷在底泥一水系统中迁移转化的长期环 境效应，也忽视了相邻的底泥扰动对磷的迁移转化存在内在联系这一事实。而多次反 复扰动强化了细小颗粒间的絮凝、凝聚作用，导致扰动过程中悬浮物的增加幅度降低， 可能对水体中的磷产生持续吸附作用，强化底泥对磷的持留能力，并对底泥再次受扰 动而悬浮时的内源磷释放产生抑制。由此可见，采用短期扰动或1 次扰动模式下的磷 迁移转化规律来解释浅水湖泊的富营养化发展进程似乎有所不妥。 由于短期扰动或单纯的1 次扰动和多次反复扰动相比，其对底泥理化性质、溶解 氧、p h 值、水体中颗粒物质的数量分布和尺度分布、金属离子存在形态等产生的影 响是不同的，因此，它们对磷迁移转化产生的影响必定不同于反复多次扰动产生的影 响。尽管每1 次因扰动引起的底泥悬浮一沉降过程是独立的，但其对磷的迁移转化的 影响却是相互的、有内j 在联系的，甚至是影响到下一次底泥扰动时磷的迁移转化。若 将每1 次扰动割裂开来，单独对待，则必将忽视相邻底泥扰动对内源磷迁移转化产生 的环境效应。李大鹏等【8 1 l 通过模拟底泥间歇扰动一沉降过程也发现，单纯的1 次扰动 和底泥反复多次扰动对磷在底泥、水中迁移转化的影响是不同的。 因此，在研究底泥扰动对水体富营养化的影响不应该仅仅只关注短期扰动或1 次扰动的短期效应上，更应该关注多次反复扰动所引发的长期环境效应。这样有助于 揭示底泥扰动在水体富营养化发展进程中的作用机制。 1 2 3 磷的生物有效性 1 2 3 1 生物有效磷( b a p ) 的定义与组成 自然水体中的磷以不同的形态存在【8 2 】。对于磷在水体富营养化中的作用，与其含 量相比，磷的赋存形态更为重要。因为并非所有进入水体的磷都可以被浮游生物利用。 一般认为，藻类和其它浮游生物首先会利用溶解性磷酸盐( d i p ) ，当d i p 含量不足或 其浓度低到一定程度时，水中生物就会通过水解、酶解等各种生物化学作用转化利用 其它形态磷；可以认为，持续提供生物生长可利用磷往往更多来自潜在活性磷瞵i ，与 铁、铝结合的非磷灰石磷是潜在的活性磷，在一定条件下也能进入水体被生物利用。 因此，生物有效磷( b a p ) 是指直接可利用的磷加上那些通过自然发生的过程能够转化 为藻类可直接吸收态的磷i 黼l 。 水体中所有的d i p 和一部分d o p 都可以直接被浮游生物利用。尽管颗粒态磷( p p ) 中有一部分磷( b a p p ) 可以被浮游生物利用，但b a p p 需要转化成溶解态磷( d t p ) 才能 被利用。因此，水体中可以被生物利用的磷( b a p ) 就由溶解性总磷( d t p ) f 1 3 可被生物 利用颗粒态磷( b a p p ) 两部分组成。其中，d t p 更容易测定，而至今都没有一种简单、 易行的方法可以直接检测b a p p 。可被生物利用颗粒态磷( b a p p ) 的含量与颗粒态生物 有效性密切相关。有关颗粒态磷生物有效性的研究颇多1 8 5 - 8 9 1 。这些研究主要是探讨了 河流性质( 流速、流量等) 、流域陆地覆盖种类( 如居民区、森林、农田、草地等) 等对 颗粒态磷生物有效性( 以p p 表示) 的影响，进而分析b a p p 含量。研究发现，颗粒 态磷生物有效性与流域陆地覆盖种类密切相关：森林地区河流，p p 通常低于2 0 ； 农田地区河流，p p 在5 6 9 之间，取决于农田植物类型；有多种土地用途地区 河流，p p 在5 4 8 之间；洪水期，p p 通常低于2 0 ；平水期或枯水期，p p 通常高于7 0 。 目前对颗粒态磷生物有效性：的研究主要集中在地表径流这一块，而对易受风浪扰 动的浅水湖泊则很少涉及。然而，两者之间存在着差异，主要体现在：在洪水期被携 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 带进入地表径流的悬浮：物再次悬浮的可能性很小，使得颗粒态磷进入底泥后很难再次 以颗粒态磷的形态进入水体，但是，在浅水湖泊中，风浪过程频繁，颗粒态磷在底泥 与水体之间相互交换也就较频繁。底泥反复扰动会显著改变内源磷赋存形态的数量分 布，促进易释放态磷向难释放态磷转化 2 4 , 2 5 1 ，从而降低颗粒态磷的生物有效性。并且， 底泥反复扰动会强化颗粒物质间的絮凝、沉降效果，缩短悬浮物在上覆水中的停留时 间，从而降低颗粒态磷向溶解性磷酸盐转化的可能性。因此，直接将地表径流中关于 颗粒态磷生物有效性的研究成果应用于浅水湖泊存在一定的局限性。 1 2 3 2 可被生物利用颗粒态磷饵a p p ) 的表征方法 目前，在磷的测定方法中，d t p 相对容易测定一oj ，而对b a p p 的测定具有一定 的难度。除了生物法【6 i 之外，再无其它方法可以直接测定b a p p 的含量。生物法是通 过藻类培养实验，即将某种单细胞藻类置于水样或底泥中培养一段时间后，根据样品 中无机态磷的减少量来估算b a p p 的含量。但是这种方法由于培养周期长( 1 4 天) 和不 同藻种之问所得结果存在差异而应用较少，而且也不适合大批量样品的测定。b a p p 也可以通过磷汇方法【9 l _ i 间接测定。这种方法均是通过测定水体中b a p 含量，然后从 中减去d t p 含量而得到b a p p 含量。 磷汇方法即将样品暴露于磷汇，如氧化铁浸渍滤纸 9 2 , 9 3 、氧化铁醋酸纤维复合 膜1 9 4 1 以及阴离子树脂 】等。该汇仅对磷起响应作用，可以模拟植物根部或藻类充当 汇。但这些方法都存在着自身的缺陷：阴离子树脂由于选择性或专一性较差，只能充 当有限的磷汇，而不能维持低浓度磷充当无限的“汇”。氧化铁滤纸对磷酸根的选择 性虽然要优于除o h 。之! 外所有的阴离子，并可充当着无限的磷汇，将磷吸附到氧化铁 滤纸上，但是作为“磷一- t v ”的氧化铁颗粒容易从滤纸上脱落，造成“磷一汇”的损 失。氧化铁醋酸纤维复合膜法虽然克服了氧化铁颗粒不牢靠，易脱落的缺陷，但是 该方法所应用的氧化铁醋酸纤维复合膜不是已有的标准膜，需自行制备，这导致同 一批量的纤维复合膜所测的结果具有一定的可比性，而不同批量的则不具备可比性， 所以限制了这种方法的推广。目前仍在尝试更多的有效的改进或发展新方法来评估磷 的解吸动力学和生物有效性。f r e e s e 等f 9 6 】提出用水合氧化铁悬浊液填充的透析管 ( d m t h f o ) 作为磷汇，用于磷的长期解吸动力学研究。但是，进一步的实验证明， d m t h f o 不是无限的磷汇，不能用于土壤磷的长期解吸动力学研究 9 7 】。z h a n g 等l j 发展了一种薄层扩散梯度技术( d g t ) 用于天然水体活性磷形态的现场测定，但是d g t 技术存在与氧化铁醋酸纤维复合膜同样的缺点：即不同批次制备的水合氧化铁得到 的结果无法重现。由此可见，作为b a p 重要组成部分的b a p p 没有一种简单、易行 的方法直接检测。 e l l i s o n 等【67 j 研究发现，可被生物利用颗粒态磷( b a p p ) 的含量取决于颗粒态磷( p p ) 苏、i , i 科技学院硕士学位论文第一蕈绪论 的含量，并估算出其占p p 的百分比，即b a p p 大约占p p 的2 6 。然而，根据b a p p 的含义，其变化与内源磷形态的迁移活性密切相关 1 9 4 , 9 5 】。从不同形态磷的迁移活性考 虑，弱吸附态磷和铁铝结合态磷被归为易释放态磷，均具有潜在的活性，而钙结合态 磷和残渣磷等不具有这样的活性。由于弱吸附态磷的含量很少，因而推测，铁铝结合 态磷占悬浮物总磷( t o t p ) 的百分比可以被认为就是b a p p 占p p 的百分比。但是，研 究发现，并非所有的铁铝结合态磷都可以释放1 0 1 i ，即使在极度厌氧条件下呷2 1 。因此 铁铝结合态磷包括可以释放的部分和不可以释放的部分【i o3 l ，其中铁铝结合态的非磷 灰岩磷是主要的潜在可生物利用磷形态【1 0 4 1 。有研究【1 0 l 认为，藻类可利用态磷( a a p ) 就是铁铝结合态磷中可以释放的那部分。因此，可以采用a a p 占t o t p 百分比来表 示b a p p 占p p 的百分比，即颗粒态磷的生物有效性。但是这种表示方法需要通过实 验验证。 1 3 存在的问题 1 3 1 底泥扰动模式对：水体富营养化的影响 以往的研究中大多以短期扰动或1 次扰动为研究对象。然而，自然水体由于受风 浪和湖流的作用发生底泥扰动的几率十分频繁，以太湖为例，每年有三分之一的天数 会发生底泥扰动。这与反复多次扰动有相似之处。短期扰动或1 次扰动仅仅注意到扰 动对磷的“瞬间释放”的作用，而忽视了底泥扰动对磷在底泥水系统中迁移转化的 长期环境效应。 1 3 2 底泥扰动对水体中颗粒态磷生物有效性的影响 底泥扰动在水体富营养化的作用已得到人们的广泛关注，但人们更多的仅关注扰 动导致上覆水中磷的总量增加，而忽视了水体中不同形态磷的生物有效性的变化和扰 动过程中占总磷绝大部分的颗粒态磷的生物有效性。而且以往的研究并未重视上覆水 中颗粒态磷生物有效性的变化规律，并未分析水体中生物有效磷( b a p ) 和可被生物利 用颗粒态磷( b a p p ) 的变化情况。 1 4 研究意义和研究内容 1 4 1 研究目的和意义 风浪扰动导致的底泥悬浮会加快磷在水与底泥问的迁移转化。底泥扰动导致水体 总磷含量增加已经得到认可，而溶解性磷是增加还是减少则争论颇多。总磷并不能都 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论一 被浮游生物利用，而溶解性磷则可以直接被浮游生物利用，若溶解性磷增加可能会加 剧水体的富营养化。存在争议的关键是忽视了底泥扰动过程中占总磷绝大部分的颗粒 态磷的生物有效性。因此，了解“扰动过程中颗粒态磷生物有效性的变化规律”对弄 清这一问题有关键的作用。而对易受风浪扰动的浅水湖泊中颗粒态磷生物有效性的研 究较少。现将地表径流中颗粒态磷生物有效性的相关理论移植到浅水湖泊中，在已有 的研究基础上了解“底泥扰动状态下颗粒态磷的生物有效性的变化规律”，进一步完 善浅水湖泊磷迁移转化的理论体系，同时也为进一步搞清底泥扰动究竟是“促进”还 是“延缓”了水体富营养化的发展进程这一科学问题提供了理论依据。 1 4 2 研究内容 针对以上存在的问题，查阅相关文献，从不同扰动强度、不同扰动频率、不同悬 浮方式和不同溶解氧含量等四个方面研究了底泥扰动状态下上覆水磷含量的变化和 颗粒态磷生物有效性的变化。具体如下： ( 1 ) 底泥持续扰动下，悬浮物中不同形态磷的变化规律： 通过改变搅拌强度，模拟实际中不同大小风速时底泥不同悬浮量，研究底泥中不 同形态磷的变化规律及水体中b a p p 的变化规律。 ( 2 ) 扰动频率对水体中可被生物利用磷的影响： 采用间歇扰动模拟一次扰动和分次扰动，研究不同扰动频率对静止水体中生物有 效磷的变化规律。 ( 3 ) 不同悬浮方式下，底泥中生物有效磷的变化规律： 底泥经扰动后，底泥的部分理化性质和结构特性发生了改变，模拟底泥扰动和底 泥曝气导致的底泥j 悬浮，研究底泥中不同形态磷的变化规律，进而分析颗粒态磷生物 有效性的变化规律。 ( 4 ) 扰动状态下，不同溶解氧含量对颗粒态磷生物有效性的影响： 扰动使水体中溶解氧显著增加，加快了f e o x 的形成，有利于强化底泥对磷的专 属性吸附。模拟扰动状态下，控制水体中溶解氧含量，研究底泥中不同形态磷的变化 规律，分析颗粒态磷生物有效性：的变化规律。 苏州科技学院硕：j 二学位论文 第二章试验材料与试验方鲨一 2 1 试验材料 第二章试验材料与试验方法 2 1 1 试验用底泥与上覆水 ( 1 ) 不同扰动频率试验的底泥与上覆水 利用柱状透明采泥管a s c 底泥采样器采集位于苏州科技学院校园河流入口处( n 3 1 0 1 8 2 9 2 ”，e1 2 0 。3 3 2 8 1 ”) 的表层1 0 c m 的底泥样品，装在塑料袋中，立即用冰盒保 存( 4 ) ，送至实验室。然后采用孔径为1 m m 的铁筛进行均化处理，去掉底泥中大的 颗粒物质及植物残体等杂质，备用。同时采取底泥采样点上覆水5 0l 。 ( 2 ) 不同悬浮方式试验的底泥与上覆