湖泊内源氮磷污染分析方法及特征研究进展

湖泊的内源氮磷污染已成为湖泊富营养化治理的一大难题.本文总结了沉积物中氮磷赋存形态、沉积物-水界面氮磷迁移释放行为和沉积物中氮磷的生物有效性三方面的研究进展,提出了目前研究存在的问题,并对未来发展趋势和研究方向进行了展望,以期为湖泊内源氮磷污染机理分析和湖泊富营养化治理控制技术提供参考.     

化学物添加控制湖泊内源磷负荷的有效性研究

利用太湖五里湖湖水和未受破坏原柱状沉积物样组成的系统进行投加生石灰、铁盐和铝盐的湖水脱磷效果的实验室研究。分别一次性向各柱状样上覆水体中投加6种不同质量浓度的铝盐、钙盐和铁盐溶液,经过一段时间的观察和测定。结果表明,3种化学物的添加均能使实验上覆水体中总磷质量浓度大幅度降低,并且随着投加的生石灰、铁盐和铝盐的量的增加,上覆水体中总磷的质量浓度下降幅度越大,水体中总磷的去除率越高,同时这3种化学物的添加对湖泊沉积物内源磷的释放有一定的抑制作用。     

外加碳源及沉水植物对沉积物各形态磷的影响

以原沉积物（处理1）和添加0.4%葡萄糖（碳源,处理2）的沉积物作为底质培养狐尾藻,采用室内模拟实验,研究了外加碳源及沉水植物对沉积物有机和无机磷形态的影响。结果表明：随着培养时间的延续,狐尾藻的生长促进了沉积物中磷的释放,其衰退增加了沉积物中磷的沉积;沉水植物对磷的不同赋存形态的影响并不相同,其中对无机磷形态中的Fe/Al-P和有机形态磷中的活性有机磷有显著的影响（p〈0.05）,而对其它形态磷的影响没有表现出统计差异;无论有无种植沉水植物,外加碳源可促进了沉积物Fe/Al-P和有机磷释放,增加了Ca-P固定;外加碳源显著提高了有机磷中活性有机磷的质量分数（p〈0.05）,降低了稳定性有机磷的质量分数,而种植沉水植物可显著降低活性有机磷质量分数。说明碳源和沉水植物对沉积物中磷形态分布有重要影响。     

外加碳源及沉水植物对沉积物各形态磷的影响

以原沉积物(处理1)和添加0.4%葡萄糖(碳源,处理2)的沉积物作为底质培养狐尾藻,采用室内模拟实验,研究了外加碳源及沉水植物对沉积物有机和无机磷形态的影响。结果表明:随着培养时间的延续,狐尾藻的生长促进了沉积物中磷的释放,其衰退增加了沉积物中磷的沉积;沉水植物对磷的不同赋存形态的影响并不相同,其中对无机磷形态中的Fe/Al-P和有机形态磷中的活性有机磷有显著的影响(p<0.05),而对其它形态磷的影响没有表现出统计差异;无论有无种植沉水植物,外加碳源可促进了沉积物Fe/Al-P和有机磷释放,增加了Ca-P固定;外加碳源显著提高了有机磷中活性有机磷的质量分数(p<0.05),降低了稳定性有机磷的质量分数,而种植沉水植物可显著降低活性有机磷质量分数。说明碳源和沉水植物对沉积物中磷形态分布有重要影响。     

不同沉水植物对沉积物磷迁移转化的影响

选择了微齿眼子菜(Potamogeton maackianus A.Benn .)、穗花狐尾藻(Myriophyllum spicatum L .)和金鱼藻(Ceratophyllum demerswn L .)3种沉水植物,在温室模拟研究了不同沉水植物对湖泊沉积物磷迁移转化的影响.研究结果表明,随着培养时间的延续微齿眼子菜和穗花狐尾藻对沉积物NaOH-P有明显的吸收和转化作用,分别吸收和转化了36.9%和33.2%,而金鱼藻对沉积物NaOH-P的影响不显著;各处理随着植物的生长,由于根系的吸收作用,沉积物中Olsell-P发生了从非根际→根际→沉水植物的迁移过程,其中微齿眼子菜和穗花狐尾藻更为明显.因此,微齿眼子菜和穗花狐尾藻对沉积物磷释放的控制作用更为明显.     

沉水植物对沉积物及土壤垂向各形态无机磷的影响

该研究利用相同区域湖泊沉积物及土壤在室内模拟条件下培养黑藻,运用化学连续浸提法分离不同层次底质中各形态无机磷,并通过对水体中磷质量浓度和Eh值的测定,分析不同层次底质中各形态无机磷质量分数和间隙水中磷质量浓度的变化,揭示在沉水植物作用下淹水土壤和沉积物中不同层次各形态无机磷的迁移转化规律.结果表明,本试验条件下,黑藻主要影响上层和下层(根系所在层)底质中各形态无机磷的迁移转化;黑藻主要吸收利用弱吸附态磷和可还原态磷,并通过改变底质氧化还原环境影响可还原态磷和铁铝氧化态磷的迁移转化;黑藻的生长促进钙结合态磷的释放,但是黑藻的腐烂促进钙结合态磷的沉积;土壤中各形态无机磷比营养水平相当的沉积物中的磷容易迁移转化,黑藻对沉积物中各形态无机磷迁移转化的影响大于土壤.     

湖泊沉积物对磷酸盐的负吸附研究

分别在高、低两种磷酸盐质量浓度下，研究了6个湖泊沉积物对磷酸盐的负吸附。结果表明，(1)污染严重的湖泊沉积物不仅在上覆水体水质好转时，可能向上覆水体释放磷，即使上覆水体水质没有好转，在一定条件也可能释放；而较为清洁的湖泊沉积物，在上覆水体水质下降时，可能从上覆水体中吸附磷。在水质好转情况下，也可能向上覆水体中释放磷。(2)湖泊沉积物吸附磷酸盐过程中存在负吸附，吸附研究中使用较高质量浓度磷溶液是负吸附现象被掩盖的原因；在吸附研究中不仅要重视负吸附，而且初始磷酸盐质量浓度不能太高。(3)沉积物对磷酸盐的吸附／解吸平衡质量浓度与其有机质、CEC、总氮、总磷以及各形态磷含量均有显著的正相关关系，相比而言。与总磷以及各形态磷含量的相关性最高。污染较为严重的沉积物对磷酸盐的吸附／解吸平衡质量浓度也较高。     

沉水植物体表附着物重量及碳氮磷元素含量特征分析

沉水植物在淡水水域生态系统结构、功能以及多样性维持中发挥着重要的作用,其茎叶等体表是水体污染物附着及营养元素迁移转换的关键微界面区域之一.本研究选择4个野外湖泊,通过为期3个月的野外采样结合实验室分析,对金鱼藻(Ceratophyllum demersum)及眼子菜(Potamogeton pectinatus)体表附...     

沉水植物对沉积物中磷赋存形态影响的初步研究

采用磷的分级方法研究苦草移植后生长过程中沉积物不同的磷赋存形态(NH4Cl-P, BD-P, NaOH-P和HCl-P)以及总磷的变化,同时结合野外人工恢复的水草区域采样的结果,进一步分析了野外条件下沉水植物狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.)对磷赋存形态的影响,结果表明,沉水植物能够有效的降低沉积物中磷的含量,而且水生植物对磷的不同赋存形态的影响并不相同,其中,BD-P是受沉水植物影响最为明显的磷赋存形态.     

沉水植物黑藻对沉积物氨氮吸附/释放特征的影响

氮素是主要的湖泊营养盐,而沉水植物作为湖泊生态系统主要的组成部分,对系统中氮素的跨界面迁移有着重要的影响。在实验室模拟条件下,通过沉积物氨氮释放动力学、吸附热力学和吸附动力学实验,研究了沉水植物黑藻(Hydrilla verticilla)对沉积物氨氮吸附/释放特征的影响,得到如下结论:(1)一级动力学反应模型能较好地拟合沉积物氨氮释放的动力学过程,种植沉水植物没有影响氨氮释放的趋势,但增强了沉积物释放氨氮的能力;(2)分别用多个模型对沉积物氨氮吸附热力学和动力学过程进行拟合,结果均表明种植沉水植物以后,沉积物对氨氮吸附的趋势没有影响,但吸附强度有所下降。     

沉水植物对水-沉积物界面各形态氮含量的影响

在室内模拟条件下研究沉水植物对水-沉积物界面的上覆水、不同层次的间隙水和沉积物中不同形态氮含量的影响.结果表明:总体上,上覆水和间隙水中不同形态氮含量的顺序为有机氮＞氨氮＞硝态氮;沉积物中可交换态无机氮以氨氮为主,沉水植物的存在并没有改变这一格局.不同处理不同层次的间隙水中,各形态氮含量均为下层＞中层＞上层,但沉积物中氨氮和硝态氮含量变化规律不明显.水-沉积物界面氨氮和硝态氮含量呈现明显季节性变化.总之,水-沉积物界面氨氮是沉积物向上覆水扩散的主要氮组分,沉水植物降低了氨氮和硝态氮的扩散通量.     

五里湖不同疏浚深度沉积物对氮磷释放的影响

对太湖东五里湖区污染沉积物样模拟了3种不同疏浚深度(0cm、30cm和60cm)下的60d形态氮磷释放实验,并对沉积物间隙水中氮磷的变化进行了分析。研究结果表明:疏浚与未疏浚比较,疏浚初期的0~10d内,沉积物对上覆水NH4 -N、NO2--N和TN释放增大,NO3--N释放减小,与疏浚后沉积物扩散层变薄和好氧环境的抑制有关,而对PO43--P、TP疏浚后次日出现短暂的释放现象外,此后均处于明显的磷释放受抑状态;疏浚约10d后,沉积物各氮磷形态释放出现分异现象,沉积物对水体的TN和TP释放受到显著抑制,其中20d后上覆水中NH4 -N含量的上升和PO43--P的缓慢增加,预示着底泥疏浚后仍有内源负荷回复的可能。     

浮叶植物重建对富营养化湖泊氮磷营养水平的影响

利用太湖五里湖污染底泥，在不破坏表层沉积物形态和结构的情况下，利用大口径的采样器采集沉积物柱状样，研究浮叶植物荇菜（Limnanthemun nymphoides）在此底泥上适应性生长情况及其对水体以及沉积物中氮磷的影响。结果表明，在培养实验过程中，荇菜生长使上覆水体中的氮、磷营养水平逐渐降低，藻类的生长明显受到克制，水体透明度增加，水质逐渐改善。通过植物根系对沉积物和问隙水中营养盐的直接吸收，使表层（0～5cm）沉积物与问隙水中氮磷营养盐的水平在实验结束后有明皿下降，对于控制沉积物内源营养盐释放有重要的作用。因此，恢复以水生植物为丰的水生生态系统足重建富营养湖泊生态系统和控制湖泊内源负荷的重要措施。     

菹草生物量控制对群落中沉水植物生长及水质的影响

沉生植物对维护和提高湖泊生态系统的生物多样性和稳定性,控制湖泊富营养化具有重要生态价值。对于可在水面形成致密冠层的沉水植物,生物量过大时可能会对水体功能产生不利的影响。实验通过对菹草(Potamogeton crispus)+金鱼藻(Ceratophyllum demersum)群落中菹草在春季暴发时采取不同菹草收割强度(100%、80%、60%、40%、20%和0%的收割)进行生物量控制。每种收割处理均在底泥厚度为15 cm,水深为110 cm独立实验池中(4 m长×2 m宽×2.5 m深)进行。实验研究生物量调控对冬季种菹草与春季种金鱼藻交替及水质的影响,探讨群落中菹草的最佳生物量控制强度,为草型湖泊进行沉水植物生态管理提供依据。结果表明:在40%、20%和0%(未收割)菹草收割强度处理下菹草容易产生断枝并且整株上浮,更高强度的收割减小了植株受到的浮力,促进了群落中菹草和金鱼藻的生长,并延长了菹草的生命周期,推迟了菹草的上浮时间。菹草遮光效应在一定程度上促进了金鱼藻的生长,中等偏高强度的菹草收割使得菹草和金鱼藻均处在较高的生物量水平,维持了群落的稳定性。在菹草生长期对其进行60%~80%收割可维持水体营养盐在较低的水平,并能实现冬季种沉水植物菹草与春季种沉水植物金鱼藻在群落中有效交替,可缓解存留菹草衰亡给水质带来的不利影响,强化沉水植物群落的水质净化功能。     

覆盖不同材料对湖泊沉积物磷释放影响机制

为探讨覆盖不同材料对湖泊沉积物磷释放控制机制,通过室内模拟试验,研究了覆盖Fe2O3、Al2O3、Mn O2等3种氧化物及湖沙、蛭石对洱海沉积物磷释放特征、沉积物磷形态、金属形态及环境因子的影响.结果表明:(1)覆盖不同材料均抑制了沉积物磷释放,Fe组、Mn组、Al组、湖沙组和蛭石组沉积物中TP的Qmax分别减少了40.36%、32.07%、26.25%、11.62%和-7.83%.(2)覆盖材料主要是降低了沉积物中NH4Cl-P、BD-P、Na OH-P的含量,其中覆盖金属氧化物降幅均高于湖沙和蛭石,覆盖Fe氧化物降低幅度最大,覆盖Mn氧化物对Na OH-P降幅较高.(3)覆盖材料通过影响Fe、Al、Mn及TOC在各磷形态中含量,进而控制磷的释放,其中Fe组沉积物BD-Fe和HCl-Fe含量分别增加了23.81%、110.76%,Mn组沉积物NH4Cl-Mn增加110.76%,各组沉积物中Na OH-Al均向HCl-Al转化,且使沉积物TOC含量降低,进而增大沉积物w(TTOC/TP)、w(TFe/TP)、w(TMn/TP)、w(TAl/TP)比值,促进活性磷向惰性磷的转化.(4)覆盖材料通过影响沉积物pH和Eh值,进而影响金属离子形态,控制磷的释放.总体来看,覆盖金属氧化物控磷效果高于非金属无机材料,金属氧化物不仅具有吸附磷等物理作用,而且具有金属离子与磷结合转化磷形态含量的化学作用,进而控制沉积物磷释放,其中Fe氧化物控制效果最高.     

拉鲁湿地沉积物碳氮磷分布及污染风险评价

拉鲁湿地是世界海拔最高、面积最大的城市天然湿地,为研究其沉积物污染的变化规律,于2018年12月(枯水期)和2019年5月(丰水期)分别采集了拉鲁湿地中59和48个点位的沉积物,分析总氮(TN)、总磷(TP)和总有机物(OM)的空间分布特征及其化学计量比,并运用综合污染指数法和有机污染指数法对其进行污染风险评价。结果表明,枯水期拉鲁湿地TN、TP和OM含量总体高于丰水期。枯水期沉积物TN、TP和OM含量分别为0.18～6.35、0.33～2.88和27.18～268.98 g·kg~(-1);TN和OM含量高的区域主要出现在拉鲁湿地的中西部和东部,而TP含量高的区域主要在西部和中西部。枯水期沉积物碳氮比(C/N)为15.04～85.31,北部显著高于其他区域(P0.05);丰水期沉积物C/N比为3.09～97.46,西部显著低于其他区域(P0.05)。枯水期和丰水期沉积物C/N比10,说明沉积物中有机质都是以外源为主,且丰水期沉积物具有矿化作用。拉鲁湿地北部没有有机污染,其他区域均存在不同程度的污染。     

湖泊沉积物中磷化氢的释放动力学初探

采用柱状芯样模拟法,研究了太湖沉积物-水界面磷化氢的释放动力学.结果表明:当沉积物-水界面磷化氢的释放达到动态平衡时,水界面中磷化氢的浓度基本不再增大,大约在0.34 pg·l-1左右,此时磷化氢的释放通量约为0.008 pg·dm-2·h-1.根据室内模拟结果,太湖沉积物每年的磷化氢释放量在13.81-49.62 g之间,从而使磷化氢在湖水中的平均浓度达到0.16 pmol·l-1.     

太湖湖滨湿地沉积物氮磷与2种挺水植物氮磷的关系

在无锡太湖湖滨带布设3条样带、36个样点进行了调查,分析了表层沉积物（0~15 cm）和芦苇（Phragmites australis（Cav.）Trin.）、茭白（Zizania latifolia（Griseb.）Turcz.）2种挺水植物w（N）、w（P）的变化,揭示了沉积物N、P的空间分布以及与2种挺水植物N、P的关系。结果表明：（1）表层沉积物w（N）自上而下分别为7.89~4.24 mg.g-1（0~5 cm）、7.56~3.81 mg.g-1（0~10 cm）、7.61~3.77 mg.g-1（0~15 cm）,w（P）分别为1.293~0.532 mg.g-1（0~5 cm）、1.112~0.497 mg.g-1（0~10 cm）、0.952~0.471 mg.g-1（0~15 cm）。（2）生态修复区表层沉积物N、P的水平变化规律一致,按陆向辐射区-水位变幅区-水向辐射区依次递减,而从垂直变化来看,w（N）、w（P）均以表层最高,并依次向下层递减;硬质护坡区P的变化与之一致,但N的水平分布却按陆向辐射区-水位变幅区-水向辐射区依次递增,垂直分布呈现表层最低,并依次向下层递增变化。（3）2种挺水植物w（N）、w（P）不同,芦苇对N、P的吸收明显高于茭白（芦苇地上部分w（N）31.75~42.61 mg.g-1,地下部分w（N）13.57~18.21 mg.g-1;茭白地上w（N）14.78~23.57 mg.g-1,地下部分w（N）13.57~18.21 mg.g-1,而芦苇地上部分w（P）3.62~5.08 mg.g-1,茭白地上部分w（P）1.42~1.93 mg.g-1,地下部分w（P）0.35~0.57 mg.g-1）。2种挺水植物地上部分N、P吸收量远远大于地下部分吸收量。（4）相关分析表明,2种植物地下部分w（TP）与沉积物w（TP）呈正相关,而芦苇地下部分w（TP）与沉积物w（TP）相关性显著（P〈0.05）,说明芦苇根系对沉积物中的P具有强烈吸附作用。（5）2种植物对太湖中沉积物N、P分配有显著影响,生态恢复区沉积物中w（N）显著高于硬质护坡,而w（P）较硬质护坡显著降低,适度恢复水生植被可有效缓解湖泊水体的富营养化。     

生态修复对浅水湖泊沉积物磷形态特征及湖水磷浓度的影响

以恢复沉水植物为主要手段在浅水富营养化湖泊修复中得到广泛应用,但修复后水质差异很大,可能与沉积物特征有关.暨南大学南湖是浅水富营养化湖泊,在削减外源负荷后,实施了沉水植物恢复等修复工程.本研究选择具有不同水质的区域,采集水样与沉积物,分析沉积物NH4Cl-P(弱结合态磷)、Fe-P(铁结合态磷)、Al-P(铝结合态磷)、Bio-P(细菌可利用性磷)、Ca-P(钙结合态磷)和Ref-P(残渣磷)6种形态的磷,并检测水质差异,以探讨生态修复对沉积物磷形态及水体磷浓度的影响.结果显示,沉水植物较丰富的2号点沉积物密度显著高于沉水植物较少的1号点,2号点沉积物中Fe-P、Al-P和Ref-P含量较高,沉积物磷最大释放潜力(P-MSP)为4.87 mg/L,大幅高于1号点的2.58mg/L,然而2号点水体磷浓度却低于1号点,1号点水体的总磷、颗粒态磷、总溶解性磷和溶解活性磷浓度分别为2号点的1.29倍、1.11倍、1.17倍和1.14倍,水质较2号点差.本研究说明沉水植物能抑制沉积物中磷的释放,提高沉积物对磷的滞留能力,从而降低水体磷含量,改善水质.     

沉水植物净化人工水源湖原水中氮磷和悬浮物的试验研究

水源湖作为城市中重要的人工饮用水水源地,其水质的维持改善至关重要。恢复和构建高等水生植物群落尤其是沉水植物是控制湖库营养盐水平、防止富营养化的重要手段。以上海市人工水源湖——金泽水库为研究对象,开展实际原水浓度下两种不同沉水植物群落净化水体中氮磷和悬浮物质的原位中试试验,研究沉水植物对水源湖体中营养物质的净化效果和影响因素,为水源湖水生植物系统构建和水质维持改善提供科学依据。结果表明,沉水植物对水体中的氮、磷营养物质和悬浮物的净化效果均明显高于对照组,且苦草(Vallisneria natans)和伊乐藻(Elodea nuttallii)组合群落的净化效果总体优于黑藻(Hydrilla verticillata)群落。沉水植物对试验水体的净化效果以PO_4~(3-)-P最高,净化率为42.3%±13.9%;其次为对SS的净化率,为28.1%±7.7%;对NH_4~+-N、NO_3~--N、TN、TP的净化率分别为17.5%±5.1%、11.0%±3.9%、8.2%±3.7%和18.1%±4.1%,植物对磷营养盐的去除效果优于对氮营养盐的去除效果。在试验期间,沉水植物生长总体经历了"快-慢-衰亡"的过程,生物量(干重)峰值为1 153.3 g·m~(-2)。生物量和进水浓度对水质净化效果影响的分析表明,植物对氮磷营养盐的去除效果主要受植物生物量大小的影响,二者表现出显著的正相关关系;同时去除率还与进水氮磷浓度有一定的相关性,进水浓度高,植物对营养物质的去除率也相对较高。