重庆某新建人工湖沉积物磷形态分布和环境因素对其影响的试验研究

1、重庆某新建人工湖沉积物磷形态分布和环境因素对其影响的试验研究论文摘要：通过采用连续分级提取法研究了重庆市某新建人工湖沉积物磷的形态分布，并研究了pH值、温度、溶解氧和光照4个环境因子对人工湖沉积物磷的影响。结果说明：重庆某新建人工湖水库沉积物pH值介于5.348.12之间；总磷含量到达595.8673.9mg/kg，无机磷占绝对优势，占91.5%96.6%；而活性磷;占总磷的12.0%15.1%，其对水库富营养化程度影响不容无视，其浓度分布为：湖心岛处大坝处湖东区库尾滞留区；有机磷是重要的磷蓄积库;，含量在20.555.8mg/kg之间，占总磷的3.48.5%，分布为：大坝处湖东区滞留区湖心岛

2、处库尾；通过定期大坝底部的排水，可使人工湖内源磷污染得到一定的控制。新建人工湖沉积物磷随环境因素影响的变化规律表现出先吸附后释放的特征；温度的升高有利于沉积物中磷的释放；pH值升高有利于底泥中磷的释放；水体溶解氧较低时，促进底泥中磷向水体释放；无光照条件下沉积物磷的释放明显高于有光照条件。论文关键词：沉积物,磷,环境影响,地球化学形态,人工湖,连续提取法由于洪涝调蓄排水、局部气候调节、景观、娱乐、人居环境建设等方面的需要，目前各大城市建设有很多人工湖。一般人工湖的汇水面积小、汇水量小，交换水量小，受污染风险能力小，生态环境脆弱。人工湖在成库初期一般处于营养积累的顶峰期，人工湖较容易处于富营养化

3、状态。而水体的富营养化问题是目前世界范围内共同面临的主要的水污染问题之一。磷在控制淡水生态系统中的初级生产力方面起着重要作用，通常被认为是湖泊藻类生长的一个重要营养限制因子，也是导致富营养化的一个主要因素。外源与内源是湖泊中磷两个方面的来源。外源主要内源那么一般通过雨污截流、人工循环管道、消落带整治等方法可得到较好的控制。研究发现，仅依靠控制外源污染是不够的，内源污染也是一个不容无视的问题，内源负荷对上覆水磷的奉献率可以到达甚至超过外源的水平，内源污染被认为是驱动湖泊的富营养化过程主要动力之一。沉积物磷的释放作用是形成浅水人工湖泊蓝藻水华的重要因素。沉积物对上覆水体中磷的含量起缓冲作用，随着沉

4、积物环境条件的改变，沉积物-水界面发生磷的吸附与解吸作用。沉积物中能参与界面交换和可被生物利用的磷含量取决于沉积物中磷的形态和各种环境影响条件，沉积物中不同结合态的磷具有不同的生物有效性，对上覆水体富营养化的发生具有潜在的、不可无视的影响。因此，研究沉积物中磷的赋存形态分布及其与环境影响因素对其影响具有重要意义。目前，沉积物中磷赋存形态的研究多集中于年代相对久远的天然大型湖泊，对人工湖，特别是新建人工湖沉积物中磷赋存形态和环境因素对其影响的研究较少。新建人工湖虽成库时间很短，但内源污染不容无视。本研究采用分级提取方法测定重庆市某新建人工湖沉积物中不同化学形态磷的含量，同时采用实验室法研究了环境

5、因素对沉积物磷的吸附/释放的影响，本研究有利于认识人工湖营养盐内源的释放和循环机制，为人工湖管理及控制人工湖的内源污染提供科学依据。1新建人工湖概况本研究的人工湖位于重庆市，长江一级支流上，1062833.92E1062902.71E，293039.01N293056.06N。人工湖所在地区，属北亚热带湿润季风气候区中的盆地南部长江河谷区，流域气候具有四季清楚、气候温和、降水丰沛、空气湿润，且冬暖春早，初夏多雨，盛夏炎热常伏旱，秋迟多连绵阴雨，以及无霜期长、风速小、湿度大、云雾多、日照少等气象特征。人工湖于2021年6月成库，并于2021年7月建成为国家级城市湿地公园，其功能主要为蓄洪调节洪峰

6、，满足下游都市区防洪要求，在无雨时以一定流量下泄，作为景观河道补充水源。人工湖为小1型水库，容积为168万m，设计洪水库容196万m。正常蓄水位水库面积20.38万m。坝址以上控制流域面积12.00km，人工湖平均水深10.0m。2材料与方法2.1样品采集及预处理2021年8月中下旬，采用自制重力型采样器对水库具有代表性的点进行采样，采样时采用GPS定位，具体点位分布见图1，其中1点为大坝处1062859.85E，293047.04N、2点为湖东区处1062850.46E，293043.23N、3点为湖心岛处1062842.91E，293048.79N、4点为库尾处1062842.56E，29

7、3042.61N和5点为滞留区处1062837.82E，293051.98N。人工湖主要径流方向是4库尾3湖心岛2湖东区1大坝。沉积物样品经现场预处理后带回实验室后，取表层05cm泥样在自然风条件下风干，采用四分法取样，使用玛瑙研钵研磨并过100目尼龙筛，处理后的样品保存于封口袋中备用。图1采样点位置图Fig.1locationofsamplingsites2.2实验分析方法沉积物pH值的测定方法称取预处理后的风干样品5g，放入50mL高型玻璃烧杯中，参加25mL去CO蒸馏水，充分搅拌1min，使样品中可溶物质充分溶解，静置0.51h，使用经校准后的HACHsenion1便携式pH测量仪测定p

8、H值，重复以上实验测试三次，取平均值。总磷的测定方法总磷的测定采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法。沉积物磷的化学分级提取与分析方法沉积物磷的形态分析按照李悦在Ruttenberg法根底上提出的沉积物中磷的连续分级提取方案根底上改良的方法，实验步骤详见表1：表1沉积物中磷的连续提取方法Table1Sequentialextractionmethodofphosphorusinsediments 形态 代码 提取方法 交换态磷 Ex-P 0.3g沉积物加30mLMgCl (1mol/L)振荡提取2h，500rpm离心20min获取提取液下同，同样再提取一次，再用30mL去离子水同样提取2遍即漂洗2

9、遍，合并提取液，提取液抽滤通过0.45m滤膜，测定提取液中磷浓度。 铝结合磷 Al-P Ex-P提后残渣加30mL0.5mol/LNH -FpH 8.2振荡1h，离心获取提取液，再以30mL去离子水提取一遍，合并提取液，提取液抽滤通过滤膜，测定提取液中磷浓度。 铁结合磷 Fe-P Al-P提后残渣加30 mL 0.1mol/L NaOH、0.5 mol/LNa CO 混合提取液振荡提取4h，离心获取提取液，再以30mL去离子水提取一遍，合并提取液，提取液抽滤通过0.45m滤膜，测定提取液中磷浓度。 闭蓄态磷 Oc-P Fe-P提后残渣参加24mL 0.3mol/L柠檬酸钠、1mol/LNaHC

10、O 及0.675gNa S O 配成的混合提取剂pH7.6，搅拌15min后参加6mL0.5mol/L NaOH，振荡提取8h，离心获取提取液，以30 mL去离子水漂洗提取一遍，合并提取液，提取液抽滤通过0.45m滤膜，测定提取液中磷浓度 自生磷 ACa-P Oc-P提后残渣参加30mL 1mol/L NaAC-HACpH=4，振荡提取6h，离心获取提取液，再以30mL 1mol/LMgCl 提取1次，然后以30mL去离子水提取1次，合并提取液后过滤，测定提取液中磷浓度。 碎屑磷 De-P ACa-P提后残渣参加30mL 1mol/L HCl振荡提取16h，离心，再以去离子水漂洗残渣一次，合并

11、提取液，过滤，紫外可见分光光度计测定提取液中磷浓度。 有机磷 Or-P De-P提后残渣转移到瓷坩锅中，烘干，马弗炉中550灰化2h，冷却后参加30mL 1mol/L HCl振荡16h，离心，提取液过滤，测定提取液中磷浓度。 环境因素对沉积物磷影响规律模拟的实验方法底泥对磷的吸附是一个动态平衡过程，解吸那么是其逆过程。有研究说明，对底泥磷转化、释放环节诸过程中发生影响的主要因子有pH值、溶解氧Table4Newartificiallakeandothernon-newartificiallakefeaturesandphosphoruscontentinsurfacesediments 湖泊/

12、采样点 湖泊面积/km 采样点深度/m 水草状况 Ex-P /mg/kg Al-P /mg/kg Fe-P /mg/kg Oc-P /mg/kg ACa-P /mg/kg De-P /mg/kg Or-P /mg/kg TTP /mg/kg 甘棠湖 0.8 2 未见 8.5 0.1 1071.7 1067.3 253.6 466.7 143.2 3011.2 东湖 33.7 3.8 未见 15.4 0.7 11.4 943.3 48.6 185.2 202.1 1406.7 菜子湖 172.1 1 未见 1.6 0.2 237.0 781.7 7.9 132.4 98.9 1259.5 洪湖

13、344.4 1.5 有草 2.4 0.1 2.1 226.5 102.4 281.8 73.7 689.0 巢湖 769.6 3.8 未见 0.6 0.1 51.5 307.5 18.9 95.1 132.0 605.7 太湖 2338.1 2.3 未见 3.2 0.1 120.0 240.8 33.8 122.5 144.7 665.1 鄱阳湖 2933 3 未见 0.4 0.1 5.4 417.8 3.7 27.7 34.5 489.6 洞庭湖 2432.5 0.9 未见 1.7 0.1 12.9 254.5 28.1 134.8 55.8 488.0 非新建湖泊 平均值 - - - 4.

14、2 0.2 189.0 529.9 62.1 180.8 110.6 1076.8 某新建人工湖平均值 0.2 10 未见 63.9 3.9 22.2 127.4 141.4 251.0 34.0 643.7 1无机磷由图2可知新建人工湖沉积物中以无机磷IP为主，占总磷的91.5%96.6%，以自生磷和钙磷以及闭蓄磷为主。Fe-P具有很高的活性，是较易释放而为生物所利用的潜在磷源之一。沉积物-水界面的Fe、Mn循环受到氧化复原环境的控制，沉积物中铁结合态磷会因为铁的复原溶解而释放，即使磷处于无定形铁/铝氧化物外表的吸附态，氧化-复原条件改变时也能解析出来。新建人工湖表层沉积物中Fe-P含量在8

15、.957.3mg/kg，占TP的1.5%8.8%，最高值出现在1号大坝处，最低出现在4点库尾处。pH值变化也会引起铁结合态磷的溶解或解吸、有机质降解或有机磷的矿化。新建人工湖Al-P含量很低，占TTP的0.21.2%，与非新建湖泊类似。闭蓄态磷主要是一层FeO胶膜所包裹的磷盐，这种磷盐包括一部份铝磷和钙磷，被认为是生物不能利用的。经分析，新建人工湖的闭蓄态磷含量40.7216.2mg/kg，占总磷6.0433.07%左右，说明新建人工湖自然状态磷含量较多。图2沉积物中磷形态的百分含量Fig.2Percentagecontentofphosphorusforminthesurfacesedime

16、ntsACa-P主要是沉积物中的由于生物作用沉积、固结的颗粒磷，如羟基磷灰石等，这局部磷一般较难被生物利用。新建人工湖中ACa-P含量为132.5171.2mg/kg，占总磷的20.0626.19%，而非新建湖泊除甘棠湖外，其他湖泊含量较低。沉积物中Ca-P含量取决于湖底区域地质-地球化学背景与水体的酸碱度。Ca-P是相比照拟稳定的磷，沉积物中的自生磷主要以钙的磷酸盐形式存在，为一种难溶于水的化合物Ca(PO)，其对上覆水溶解态磷的奉献很小。但pH对Ca-P的溶解有一定影响，一般来说，pH值降低会引起钙磷酸盐与碳酸钙共沉淀的溶解，增加上覆水中磷的含量。碎屑磷De-P主要是包含在沉积物中的原生矿

17、物颗粒中的一局部磷，一般也较难为生物利用。新建人工湖De-P含量在113.8372.1mg/kg，占总磷的17.455.2%。2有机磷铁锰结合态磷的迁移是贫营养湖泊中磷释放的最重要机制，而近期沉积的活性有机磷组分却是富营养湖泊磷释放的主力。Or-P主要是沉积物中各种动植物残体、腐殖质类有机物中含有的磷，只有在有机物矿化以后才能被释放出来，也相对较难被生物利用。但有机质的矿化或降解对沉积物间隙水中溶解态磷酸盐的浓度及其扩散起着重要作用。局部有机磷在一定条件下可水解或矿化为溶解态磷酸盐，具有潜在的生物有效性，与湖泊富营养化的关系可能更为密切。有机磷是沉积物中重要的磷蓄积库;，新建人工湖含有机磷20

18、.555.8mg/kg，占总磷的3.48.5%；而非新建湖泊含有机磷含量较高34.5202.1mg/kg，含量相对较新建人工湖高；可见新建人工湖成库后，随时间的推移，人工湖各种动植物残体、腐殖质类有机物不断沉积，人工湖有机磷会不断积累。新建人工湖Or-P的浓度分布为大坝处湖东区滞留区湖心岛处库尾，大坝处与湖东区处最高，主要与这两个点成库前周围种植农作物有关。3.3环境因素对沉积物磷影响规律1光照对沉积物磷的影响图3光照对底泥TP的影响Fig.3Concentrationofphosphorousfromsedimentswithdifferentlightconditions由图3可知，前10

19、dTP处于吸附阶段，底泥与上覆水之间存在一个浓度差，假设上覆水的TP浓度远远大于底泥中间隙水的TP浓度，此时底泥会吸附上覆水中的TP。第10d时吸附到达饱和，无光照条件下与有光照条件吸附根本一致，有光照条件和无光照条件的吸附量分别为0.28、0.26mg/L，有光照吸附稍快。从第10d之后吸附到达最低值，磷含量开始上升，底泥TP逐渐释放，有光照条件和无光照条件释放量分别为0.14mg/L、0.18mg/L，无光照条件下的释放明显高于有光照的。这是因为藻类的生长需要吸收大量的磷，在上覆水浓度较低时，沉积物向上覆水释放的磷成为藻类生长的营养来源。因此，底栖藻类成为阻挡磷从沉积物向上覆水释放的一个生

20、物屏障，光照通过底栖藻类的生物作用，间接地限制了沉积物中的磷向上覆水中释放。光照强度越大，底栖藻类生长速度越快，吸收的磷也相应增加，从而限制了底泥中磷向上覆水中的释放。2温度对沉积物磷的影响图4温度对底泥TP的影响Fig.4Concentrationofphosphorousfromsedimentsfordifferenttemperaturenaturalconditions由图4可知，与光照对磷的影响一样，前10d底泥磷处于吸附阶段，温度越低，吸附越快，81525，吸附量分别为0.34mg/L、0.31mg/L、0.26mg/L。158，释放量分别为0.21mg/L、0.10mg/L、0

21、.09mg/L。温度的升高可以减少沉积物中的矿物对磷的吸附，随着温度升高，沉积物中磷的释放量也迅速增大，温度高有利于化学物质活性提高，各种物理、化学、生物反响如扩散、有机质降解等的速率加快。温度升高微生物活力增强，有机质分解加速结果导致氧气的好氧和氧化复原电位的降低，Fe复原为Fe磷从正磷酸铁和氢氧化铁沉淀物中释放出来。此外，温度还影响水体氧气的溶解度，温度升高会降低水体氧气的溶解度，进而影响底泥的氧化复原电位。3溶解氧DO对沉积物磷的影响由图5可以看出，在吸附阶段，好氧条件吸附量大于缺氧条件，DO8mg/L、DO=4mg/L、DO的吸附量分别为0.325、0.275、0.258mg/L。释放

22、阶段，可以看出，缺氧条件释放明显高于好氧条件，DO8mg/L、DO=4mg/L、DO的释放量分别为0.09mg/L、0.20mg/L、0.21mg/L。厌氧加速沉积物中的磷的释放，好氧却抑制磷的释放。因为水中的溶解氧会影响沉积物的氧化复原电位，在厌氧状况下，容易发生Fe-Fe化学反响，P-Fe外表的Fe(OH)保护层转化为Fe(OH)，然后溶解释放。水生生物和藻类的生物残体因微生物分解、腐烂，消耗水中的溶解氧，而缺氧的水体环境反过来加速沉积物磷的释放，形成恶性循环。沉积物中的溶解氧随深度增加而减少。图5DO对底泥TP的影响Fig.5Concentrationofphosphorousfroms

23、edimentsforaerobicandanaerobicalkalineconditions4pH对沉积物磷的影响磷吸附：吸附阶段，酸性条件下吸附强度大于中性和碱性条件。即pH越低，有利于磷的吸附，pH=5、pH=7和pH=9时的吸附量分别为0.38mg/L、0.34mg/L、0.27mg/L。悬浮沉积物外表是带负电荷反响体系，pH的降低意味着溶液中H离子浓度增加，H离子是外表电位的决定离子，其浓度的增加会中和沉积物外表的局部负电荷，当沉积物中粘土矿物含量高时，H离子可使粘土颗粒的边缘带正电荷，从而起到阳离子桥的作用，使其对磷酸盐的吸附量增加。图6不同pH对底泥TP的影响曲线图Fig.6C

24、oncentrationofphosphorousfromsedimentswithdifferentinitiativepH4结论与建议新建人工湖水库沉积物pH值介于5.348.12之间，除大坝处为酸性外，其余各点为中性偏碱，大坝处磷较容易释放。对新建人工湖表层沉积物不同形态磷分级测定的结果说明总磷含量到达595.8673.9mg/kg，无机磷占绝对优势，占91.5%96.6%，而无机磷中非活性磷闭蓄磷、自生磷、钙磷含量远远高于铝磷和铁磷的量，说明人工湖中自然来源的磷较多。无机磷中活性磷;占总磷的12.3%14.8%，较非新建湖泊高，其对人工湖富营养化程度影响不容无视，其浓度分布为湖心岛处大

25、坝处湖东区库尾滞留区。新建人工湖应特别重视对沉积磷的控制。有机磷是重要的磷蓄积库;，含量在20.555.8mg/kg，含量相对非新建湖泊底，分布特征为大坝处湖东区滞留区湖心岛处库尾。通过定期大坝底部的排水，可对对人工湖内源磷的污染得到一定的控制新建人工湖因建库时间短，沉积物还处于简单堆积阶段，沉积物中磷的迁移、活化与释放可能会成为水体中营养物质的重要来源，是人工湖水体向富营养化开展的潜在污染源，应采取有效的措施严格控制面源和点源污染对水库水质的影响。而人工湖周边种植农作物所施用的氮肥和磷肥可能成为人工湖成库初期面源污染的主要来源。进入水体中的磷在适当的条件下，沉积在湖底表层沉积物中，当环境因素

26、改变时，沉积物中的磷将释放到上覆水中。1随着温度的升高，可以减少沉积物中的矿物对磷的吸附，温度越高吸附越慢；相反释放阶段，随着温度的升高，沉积物中磷的释放量迅速增大；2酸性条件下沉积物对上覆水磷的吸附量大于中性和碱性条件，pH值升高将促进底泥磷释放。3在吸附阶段，好氧条件吸附量大于缺氧条件；而当水体溶解氧降低时，将促进底泥中磷向水体释放。4无光照条件下底泥对上覆水磷的吸附较有光照吸附慢，相反无光照条件下沉积物磷的释放明显高于有光照条件。水沉积物界面营养盐的变化是多因素影响的综合作用的动态过程。本次试验考虑影响营养盐磷吸附释放的主要因素，实际各种环境因子处于不断的动态变化中，沉积物中营养盐变化过

27、程复杂得多，在后期研究中将做进一步的研究。参考文献1 张智, 杨冬雪, 王斌, 等. 某人工湖成库初期水环境特征研究. 环境工程学报, 2021,4(6):1321-1326.2 Ruban V., Lopez-Sanchez J. F., Pardo P, et a. Harmonized protocol and certified reference material for thedetermination of extractable contents of phosphorus in freshwater sediments - Asynthesis of recent works

28、. FRESENIUS JOURNAL OF ANALYTICAL CHEMISTRY,2001,370(2-3):224-228.3 Pant H. K., Reddy K. R. Phosphorus sorption characteristics of estuarine sediments under differentredox conditions. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL QUALITY, 2001,30(4):1474-1480.4 林艳, 张智, 唐显枝, 等. 桃花溪流域彩云湖水环境保护工程的设计. 中国给水排水, 2021,25(6):48-5

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