河道沉积物中磷的分布

2017-03-15 05:50:42 2

  1 引言

  近年来,随着工农业的快速发展,由人类活动所产生的大量生活和工业废水进入河流,引起水体富营养化及周期性缺氧现象.沉积物是磷的重要源与汇,更是吸附/解析和迁移转化的重要发生地,进而影响其生物地球化学过程.沉积物中磷的赋存形态影响其相互转化、释放速率、生物有效性以及沉积物-水界面间交换,进而影响着水体中磷含量水平.侯立军等(2006)研究长江口沙洲表层沉积物,发现弱吸附态磷、NaOH-P和OP具有潜在的生物有效性.沉积物-水界面磷的交换通量不仅受沉积物组分影响,还受水体中pH、溶解氧和盐度影响.近年来,关于沉积物-水界面磷的交换通量的研究主要集中在河口地区,且交换通量具有空间差异性.Clavero等(2000)利用Fick′s第一定律和现场观测法研究西班牙Palmones河口磷的界面扩散通量,发现该通量随温度的升高而增加.张斌亮等(2003)也用Fick′s第一定律估算了上海潮滩沉积物-水界面间营养物质的扩散通量,无机磷的平均扩散通量为-0.53 μg·cm-2·d-1.张亚昆等(2013)研究了黄河下游沉积物-水界面间磷酸盐的交换通量,发现上覆水磷主要来自沉积物.沉积物在吸附外源磷的同时也伴随着内源磷的释放,且内源磷负荷对入库总量的贡献率占27.9%.因此,研究沉积物中磷的赋存形态及空间分布对分析磷的来源及评估水体环境质量具有重要意义.

  河口区作为海陆交互地带,在物质、能量输入及转换过程中扮演着重要的角色.有研究表明,90%以上的磷通过河流携带进入河口环境中.目前,国外已对河口沉积物中磷的赋存形态进行了大量研究,均取得了较好的研究成果.Van der Zee等(2007)报道不同磷形态由淡水潮区到靠岸带发生变化,以及颗粒态磷影响着磷酸盐通量.Monbet等(2009)研究得出Tamar河口沉积物中可酶解磷含量为1.1~15 μg·L-1,其含量变化受盐度影响较小,而主要决定于河口物质来源.Coelho等(2004)研究了沉积物中NaOH-P、HCl-P和OP的赋存形态及其相互转化,并揭示了盐度梯度和盐沼植被对磷形态的影响.国内对沉积物中磷形态的研究多集中河口、海洋和湖泊河流).纵观长江口关于磷的研究,主要集中于潮滩或沙洲沉积物,且以OP、HCl-P和IP为主,而对长江口及其邻近海域沉积物磷的赋存形态及其影响因子的研究鲜有报道.因此,本文研究长江口及其邻近海域沉积物磷形态、含量及空间分布,并探讨了各形态磷的含量分布的影响因子,以期为河口地区水体富营养化认识提供理论依据.

  2 材料与方法

  2.1 研究区简况

  长江口位于北纬30.87°~31.77°,东经121.08°~122.58°,水深5.60~22.60 m.该地区属于典型的亚热带季风气候,年平均温度15.2~16.0 ℃,年平均降水量1030 mm.该区流系被长江淡水和黄海沿岸流、东海沿岸流以及台湾暖流所控制,水流强弱不同导致夏季沿东南方向输送营养盐和和颗粒物,冬季沉积物悬浮向南输移(杨作升和陈晓辉,2007).水体输送的营养盐中,以硝态氮为主,且洪季含量高于枯季;磷酸盐浓度接近国家一类标准,二者枯洪季含量均是由口内向口外近海处降低(周俊丽等,2006).长江口为中等强度潮汐型河口,地形地貌复杂,三级分汊四口入海,对河口入海泥沙的空间分布影响很大,年入海径流量约为9.0 x 1011 m3,年输沙总量4.86×108 t,季节分配较为集中,洪季输沙量占全年的87.2%(陈吉余和张重乐,1987),同时给入海沿岸处带来了丰富的营养盐和有机质.盐度变化由于分汉道入海径流量不同而有所差异(陈吉余和张重乐,1987).

  2.2 样品采集

  沉积物样品采自长江口及其邻近海域.根据其自然环境状况差异性,选取所示16个采样点(如图 1),其中S1、S3、S4、S5、S8位于河口区,其余点S2、S6、S7、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15和S16选于近海区,采样点经纬度采用GPS确定.于2013年7月和2014年1月分别在各站点处利用箱式采泥器采集,然后用有机玻璃柱采集表层(0~5 cm)沉积物放入干净的密封聚乙烯袋中,每个样点均采集3个平行样混合后作为该样点的代表样,于4 ℃冰箱保存带回实验室.沉积物样品一部分立即测定碱性磷酸酶活性,另一部分将其冷冻干燥后研磨过100目筛,装于密封袋中用于磷形态与理化性质的测定.采用气密型水体采样器采集沉积物上覆水,用于水体环境指标分析.

  图 1

  图 1 长江口及其邻近海域沉积物采样点分布图

  2.3 测定方法

  沉积物中磷的各种形态测定采用欧洲标准委员会推荐的SMT(Ruban et al.,1999; Ruban et al.,2001)化学连续提取法,测定了沉积物中的TP、IP、OP、NaOH-P和HCl-P,采用钼锑抗还原光度法测定不同形态磷的含量,每种形态均做3个平行样,取其平均值.

  碱性磷酸酶活性(APA)的测定采用苯磷酸二钠法,具体步骤为:称5 g鲜土置于200 mL三角瓶中,加2.5 mL甲苯,轻摇15 min后,加入20 mL 0.5%磷酸苯二钠(用硼酸盐缓冲液配制),仔细摇匀后放入恒温箱,37 ℃下培养24 h.然后在培养液加入100 mL 0.3%硫酸铝溶液并过滤.吸取3 mL滤液于50 mL比色管中,每支比色管中加入5 mL硼酸缓冲液和4滴氯代二溴对苯醌亚胺试剂,显色后稀释至刻度,30 min后,于分光光度计上波长660 nm处测定.

  沉积物总有机碳(TOC)和总氮(TN)使用1 mol·L-1盐酸去除碳酸钙后,用碳氮元素分析仪测定(Elementar analyzer vario MaxCN,Germany).上覆水pH采用PHS-3C型pH计测定,上覆水盐度用YSI-30便携式盐度计测定.沉积物粒度用激光粒度仪(LS13 320,美国)测定,测量范围0.04~2000 μm,测量误差小于±1%.粒径大小分级采用国际通用标准,分为粘粒(<3.9 μm)、粉砂(3.9~63 μm)和砂粒(>63 μm)(侯俊等,2013).含水率的测定采用失重法,将沉积物放于105 ℃温度下烘至恒重.

  2.4 数据处理

  数据分析采用Excel 2003和SPSS 19.0软件进行,显著性差异用单因素方差(ANOVA)分析,采用LSD检验(p<0.05).相关性采用Pearson相关性分析,确定沉积物磷形态与理化性质之间的相互关系.空间分布图采用ArcGIS10.1软件绘制.

  3 结果与分析

  3.1 沉积物和上覆水理化性质

  沉积物和上覆水的理化性质见表 1.上覆水pH变化范围为7.8~8.85,冬夏季平均值分别8.35、8.13,呈碱性.夏季,沉积物以粉砂为主,且占全部粒径的61.26%,粘粒和砂粒所占比例分别为25.66%和13.02%;冬季沉积物以砂粒为主,占粒径的47.88%,粉砂和粘粒次之,分别为37.98%和14.11%.沉积物中TOC与TN在两个季节含量分别相差不大,TOC、TN夏冬季平均值分别为4.74、3.98、0.40、0.34 mg·g-1.上覆水盐度夏季平均值是15.51‰,小于冬季的32.54.

  表 1 沉积物和上覆水理化性质

  3.2 沉积物磷含量的时空变化

  3.2.1 沉积物中TP含量与分布特征

  由表 2可知,沉积物TP含量在夏冬季分别为476.91~934.02 μg·g-1、565.01~980.04 μg·g-1,平均值夏季小于冬季,含量高于珠江口湿地沉积物(340~581 μg·g-1)(岳维忠等,2007),冬季含量高于闽江口湿地沉积物(607.91~807.60 μg·g-1)(胡敏杰等,2014),具有潜在富营养化风险.由图 2可知,不同采样点TP含量差异很大且同一采样点在不同季节含量差异也很大.夏季含量由咸水端到淡水端呈现先降低后升高的趋势,可能是由于夏季陆源营养盐、有机质等的输入是TP的主要来源;冬季则呈现先升高后降低的趋势,可能与水动力作用加剧有关.

  表 2 沉积物中磷形态的含量变化

 

  图 2

  图 2 沉积物中总磷含量空间分布图

  3.2.2 沉积物中IP含量与分布特征

  IP冬夏季含量分别为480.89~844.86 μg·g-1、421.67~832.03 μg·g-1,约占总磷含量的85%左右,是影响TP变化趋势的主要部分.IP主要包括NaOH-P、HCl-P两种赋存形态,这两种磷形态含量平均值在冬夏季均呈现HCl-P>NaOH-P,表明HCl-P是影响IP变化的主要因素.相关性分析表明,IP与TP呈极显著相关关系(p<0.01).IP冬夏季空间分布与TP相似,高值点基本一致.

  表 2表明,NaOH-P在夏季、冬季含量分别是4.17~27.02 μg·g-1、8.29~52.76 μg·g-1,占IP的平均值分别为2.1%、3.2%,夏季所占比例较小可能与夏季水体耗氧较多有关,弱还原条件有利于NaOH-P向上覆水体中释放.空间分布上,NaOH-P含量在冬夏两季由咸水端到淡水端呈现增高的趋势.HCl-P含量在夏季、冬季分别是186.88~368.48 μg·g-1、306.97~431.69 μg·g-1,占IP的平均值分别为43%、59.5%,是IP的主要成分,显示了亚热带海相沉积物的特点(刘敏等,2000).由空间分布图 3可知,HCl-P冬季含量明显大于夏季且冬季淡水端含量较高.

  图 3

  图 3 沉积物中IP、NaOH-P、HCl-P含量空间分布图

  3.2.3 沉积物中OP含量与分布特征

  由表 2可知,OP在夏季含量是15.84~138.92 μg·g-1,占TP含量的的平均值为9.8%,冬季是36.02~139.21 μg·g-1,占TP12.1%,远低于IP占TP比例,原因是OP只有在有机质矿化时才会被释放.OP空间分布夏季无明显规律性,冬季在咸水端含量较高.

  图 4

  图 4 沉积物中OP含量的空间分布

  3.3 长江口沉积物碱性磷酸酶的时空变化

  沉积物中碱性磷酸酶(APA)介于26.85~112.82 μg·h-1之间,夏冬季平均值分别为83.25 μg·g-1·h-1、59.21 μg·g-1·h-1.由图 5可知,各采样点APA夏季均大于冬季.研究表明,夏季温度高酶活性大,冬季温度低酶活性低(周礼恺,1987; Wilczek et al.,2005),温度升高可以增加酶与基质间亲附性,酶的催化速率提高(Chróst et al.,1993);另外,微生物新陈代谢速率会随温度升高而增大进而使微生物产生更多酶(Wallenstein et al.,2011),因此研究区APA呈现出明显的季节变化.空间分布上,可以看出淡水端APA较大,说明APA与污染物陆源输入关系密切(章婷曦等,2007),沿岸营养物质输入越多,有机磷或可酶解磷的含量增加越多,诱使APA越大,这种机制被称为底物诱导机制(刘存歧等,2007).因此,APA在一定程度上可以作为沉积物污染程度的指标(黄睿智等,2013).由相关性分析可知,APA仅在冬季与OP呈显著相关关系(p<0.05),与其它形态的磷相关性较差.

  图 5

  图 5 沉积物中APA的时空分布

  4 讨论

  4.1 沉积物中各形态磷主要影响因素

  沉积物磷含量、赋存形态与空间分布是多个影响因子综合作用的结果,包括环境因子(沉积物组成、水动力等)及人类活动影响.长江口滨岸潮滩及岸带沉积物以HCl-P为主要赋存形态(刘敏等,2001; 侯立军,2001; 高效江等,2003),印度的西南岸河口(Aaronson et al.,1976)、中国的海河(韩璐等,2010)以HCl-P为主,而中国巢湖受面源污染为主,西半湖NaOH-P含量大于东半湖,东西半湖HCl-P含量相当(徐康等,2011),太湖严重富营养化区以NaOH-P为主,中富营养化区部分NaOH-P含量高,部分HCl-P含量高(金相灿等,2004),不同地区磷赋存形态差异可能与沉积物类型和化学组成、有机质含量、pH值、氧化还原电位及沉积物-水界面间氧气的含量等环境因素有关(Frankowski et al.,2002).由表 3可知,pH、粒径、TOC、TN、盐度、APA等环境因子均对磷形态的含量分布产生一定的影响,而且在不同季节影响不同.

  表 3 沉积物中各形态磷与理化性质相关性

 

  粒度是影响沉积物中磷含量的一个重要因素.一般来说,沉积物粒径越小,颗粒比表面积就越大,对磷的吸附力就越强(刘敏等,2001),沉积物中赋存的磷就越多.本文中冬季沉积物TP与粒径相关性较好,而夏季相关性不明显.冬季IP粘粒和粉砂均呈显著负相关关系(p<0.05),与砂粒呈显著正相关关系(p<0.01).IP中NaOH-P与粒径无显著相关性.HCl-P与粒径在冬夏季相关性都不大,但是表现出了随粒径增大而含量增多的趋势,可能的原因是HCl-P主要成分是难溶的碳酸钙矿物,这些矿物多在沉积物成岩初期形成,比较稳定,尤其在碱性环境中更难溶解,所以HCl-P多趋向砂粒中分布.而OP在夏冬季分别与粘粒呈显著p<0.05)、极显著(p<0.01)正相关关系,与粉砂冬季呈显著正相关关系(p<0.05),体现了细颗粒比表面积大、吸附力强的特性(刘敏等,2001).这与上述一般规律有差异,可能的原因是其它环境影响因子(有机质含量、沉积物-水界面氧含量等)共同作用且影响程度大小不同导致了细颗粒对不同形态磷的吸附差异.

  pH对沉积物中磷的影响机理非常复杂,刘敏等(2002)在研究长江口潮滩沉积物的过程中得出pH对磷吸附影响为“U”型,而Zhou(2005)对太湖沉积物研究后发现pH对磷吸附的影响呈倒“U”型,安敏(2009)在对海河沉积物磷的吸附解吸研究中得出pH对沉积物中磷吸附影响为“U”型,而对磷解析影响是正相关关系.上述研究都是基于等温基础上,通过研究磷的吸附解吸进而决定了磷的最终赋存量.在本研究中,冬夏两季pH值均约为8,呈微碱性,这有利于OH-与被束缚的PO43-竞争吸附于沉积物的活性电位上,致使PO43-被释放出,进而NaOH-P、HCl-P含量减少.夏季pH均值稍小于冬季,磷酸盐溶解度大于冬季.

  由相关性分析可知,本文APA与TP、IP夏冬季分别呈正负相关性,与沉积物OP在夏季呈显著正相关(p<0.05).这与刘存歧(2007)、姜经梅(2011)等研究所得结果不一致,刘认为APA与沉积物TP呈显著正相关而与溶解性IP呈显著负相关;姜研究得出APA与沉积物中TP、IP和OP均显著正相关.另外有研究表明,APA与OP关系比较复杂.薛雄志(1995)认为,若沉积物OP被ALP酶解产生的IP被沉积物中生物所利用,则APA与OP含量正相关;若沉积物OP经APA作用后产生的IP向上进到上覆水中,则APA与OP含量呈负相关性.黄邦钦(1999)则指出,溶解IP和小分子溶解OP浓度是影响APA变化的主要因子,表现为当溶解IP或小分子溶解OP几乎被耗尽时,APA跃至高值.因此,APA与颗粒态或溶解态磷的关系具有不确定性,可能与生物作用、沉积理化条件以及营养盐含量大小有关.

  此外,TOC、盐度也会对磷赋存形态及含量产生影响.OP与TOC在夏季呈显著正相关关系(p<0.05),与TOC冬季正相关性也较好.细颗粒对有机质吸附性强,TOC可以表征有机质的量(康勤书等,2003),故细颗粒对TOC吸附性强.除OP外,盐度与磷形态均呈负相关关系,在冬季与IP、NaOH-P表现出显著性(p<0.05),说明盐度对其释放有一定限制作用,而与OP呈显著正相关关系(p<0.05),OP解析量随盐度递增.TP、IP与TOC、TN相关性不显著可能与水动力、环境介质条件以及生物作用有关.

  4.2 沉积物中生物有效磷

  有研究指出,沉积物中生物有效磷(沉积物中能以溶解态磷酸盐释放,并被藻类吸收利用的磷)主要来自IP,其中NaOH-P中的Fe结合态磷易受沉积环境影响,沉积环境趋于还原状况,则结合态磷发生还原释放出正磷酸盐,补充生物有效磷,是潜在的生物可利用磷(Bai et al.,2009; 侯立军等,2006).HCl-P在碱性条件下较稳定,难以转化为正磷酸盐,几乎对上覆水磷酸盐浓度变化不起作用(金晓丹等,2015).OP较稳定地蓄积在沉积物中,对生物有效磷贡献较小.但是,当沉积物中IP被藻类等浮游生物过量消耗时,OP可水解成为生物有效磷,起着重要的补充作用(熊强等,2014).因此,NaOH-P与OP之和可估算出沉积物中生物有效磷含量,粗略计算出沉积物中潜在的可释放磷的上限,为判断水体富营养化及治理提供依据(Sonzogni et al.,1982; Rubna et al.,1999; De Jonge et al.,1993).通过对磷赋存形态分析,发现研究地区生物有效磷含量约为75.67~108.9 μg·g-1,平均占TP的13.02%,仅是沉积磷库中的一小部分,这部分磷在复杂的生物地球化学过程中还会再生活化,从而对水体富营养化、水域生态平衡产生不同程度的影响.

  4.3 国内外不同水体沉积物中TP含量

  近年来,自然环境中沉积物磷的研究成果多有报道,主要集中在河流、海洋、湖泊等水域,河流又分为河口、潮滩、沙洲、上下游等不同研究域,丰富了磷的基础数据资料.与其他水体沉积物磷含量相比,本研究地区TP含量处于高水平(表 4).加拿大安大略省制定的环境质量评价标准规定能引起最低级别生态风险效应的TP含量为600 μg·g-1(Leivuori and Niemist,1995),本研究区域夏冬季TP含量平均值分别为667.81 μg·g-1、740.74 μg·g-1,均大于600 μg·g-1,说明研究区中大部分TP含量已超标,具有潜在生态风险性.从沉积物类型来看,TP平均含量明显呈现湖泊>河口>海洋和滨海(表 4).具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  表 4 不同水体沉积物中TP含量

 

  5 结论

  1)夏季长江口及邻近海域底部沉积物中TP含量变化范围是476.91~934.02 μg·g-1,冬季变化于565.01~980.04 μg·g-1之间,夏季各赋存形态磷含量均小于冬季.冬夏季IP都是TP的主要赋存形态,平均约占TP的85%.IP中,又以HCl-P为主,占到IP的42%以上.

  2)空间分布上,夏季TP含量由咸水端到淡水端呈现先降低后升高的趋势,冬季则呈现先升高后降低的趋势.IP冬夏季空间分布与TP相似;NaOH-P含量在冬夏两季由咸水端到淡水端均呈现增高的趋势;HCl-P在冬季淡水端含量较高.OP在夏季无明显分布规律,冬季在咸水端含量较高.

  3)相关分析表明,沉积物中磷的含量分布受沉积环境中多方面因素的影响,不同季节相关性大小不同.TP与环境因子相关性不明显.IP在冬季与粒径、盐度呈显著相关性,随粒径增大含量增多,随盐度增大含量减少.NaOH-P在夏季随粒径增大含量减少,冬季相反,且冬季与盐度呈显著负相关关系.HCl-P与粒径、TOC、TN以及盐度冬夏季相关性均较差.夏季OP与粘粒、TOC呈显著正相关关系;冬季,OP与粘粒呈极显著正相关关系,与粉砂、盐度、APA呈显著正相关关系,而与砂粒呈显著负相关关系.

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