环境条件对三峡库区消落带土壤中邻苯二甲酸二丁酯向上覆水静态迁移释放的影响

为了解消落带土壤有机污染物邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的环境行为,采用静态淹水法研究了三峡库区消落带土壤向上覆水迁移释放规律以及上覆水温度、光照、含氧量等外界环境条件对其影响.结果表明,消落带土壤中DBP在淹水前期由土壤向上覆水中迁移释放,该过程分为短暂但是释放速率较快的快速释放阶段和释放时间较长但释放速率较慢的慢速释放阶段,其中慢释放是主要控速步骤,此过程可以很好地用二室一级动力模型拟合.在淹水中期释放达到最大值,继续淹水后,释放到水体中的DBP转而由水体向土壤中迁移,最终在淹水后期上覆水DBP含量达到平衡状态.随着温度的升高,DBP向上覆水释放的强度增大,同时增加了DBP快速释放的速率,降低了慢速释放速率.不同光源照射下,DBP向水体释放浓度不同,采用自然光照的处理中上覆水DBP的浓度高于采用UVB、UVA光源处理;DBP在上覆水达到最大浓度后,UVB、UVA处理中上覆水DBP含量减少比较快速,而自然光处理相对要缓慢.上覆水中的含氧量对DBP的最大释放量与达到最大释放的时间有影响,总体上来看,上覆水中含氧量越高,上覆水DBP含量越高;上覆水高氧处理和低氧气处理,上覆水中DBP最大浓度提前至淹水第8d出现,自然状态下DBP在淹水第12 d达到最大值.土壤中共存的邻苯二甲酸双(2-乙基己基)酯(DEHP)对DBP的释放有明显影响:在淹水第4~12 d,添加DEHP组分试验的DBP释放量要明显大于单一组分的DBP释放量,而且快、慢释放速率均要比单一DBP组分处理的大.微生物活性对消落带土壤淹水过程中邻苯二甲酸二丁酯迁移释放存在一定的影响但效果并不明显,添加微生物活性抑制剂处理后DBP的迁移量要略小于对照组.     

三峡库区消落带受淹土壤氮和磷释放的模拟实验

三峡库区消落带形成后,消落带土壤淹水初期将向上覆水释放氮和磷. 将消落带土壤样品进行加肥处理后与原始土壤进行模拟淹水实验.对原始土壤进行每日换水浸泡实验.结果表明:消落带进入淹水期10～15 d后,其上覆水中营养物含量趋于平衡,水体扰动对上覆水中ρ(TP)和ρ(TN)有正影响. 未经施肥处理的消落带土壤在江水浸泡下,对TP有吸附作用,使得浸泡结束后ρ(TP)下降33.4%. TN的溶出速率变化能较好地符合一级动力学方程,TP江水静态浸泡实验数据对一级动力学方程的拟合性较差;TP和TN的绝对溶出速率对一级动力学方程的相关性均较好.       

三峡库区典型消落带草本植物氮磷养分浸泡释放实验

三峡库区消落带植被淹水后腐烂分解,可能成为影响库区水环境安全的重要营养源.以三峡库区6种消落带优势草本植物茎叶为材料,利用室内浸泡模拟实验,测定上覆水中氮磷浓度的变化,结合初始基质碳、氮、磷含量分析,力图查明消落带草本植物淹水后氮磷养分释放特征.结果表明:①消落带植物初始基质碳、氮含量差异显著,而磷含量彼此相近.②消落带植物淹水分解造成上覆水pH升高,氧化还原电位(Eh)降低,氮磷养分快速释放和上覆水氮磷浓度增加,总氮(TN)和总磷(TP)释放量分别为(3.85±2.53)、(1.33±0.73)mg.g-1.消落带植物淹水TN和氨氮(NH4+-N)的释放过程呈抛物线状,TP呈对数曲线状.TN、TP的释放峰值时间平均15 d,NH4+-N平均33 d.养分释放量和释放速率均呈TN>TP>NH4+-N的特点,消落带植被经过3个月的浸泡,TN、NH4+-N和TP的释放负荷分别为:22.4、8.9、4.5 kg.hm-2.③植物初始基质的C含量越低,N、P含量越高,植物淹水后氮磷养分的释放量和释放速率就越大.     

淹水条件下三峡库区典型消落带土壤释放DOM的光谱特征:紫外-可见吸收光谱

消落带土壤在淹水发生时释放溶解性有机质(DOM),是上覆水体DOM的重要来源.但同时对淹水释放DOM进行定量定性分析的报道并不多见.本文以三峡库区典型消落带为研究对象,通过模拟实验,利用紫外-可见吸收光谱,研究了厌氧淹水和正常淹水条件下,淹水土壤释放DOM的光谱特征.结果表明,消落带4个区域土壤淹水均呈"快速释放-下降-动态平衡"释放规律;释放速率和通量计算表明,DOM释放呈现出"源-汇动态交换"特征.对比两种淹水处理,尽管溶解性有机碳(DOC)和有色溶解性有机质(CDOM)无显著差异,但厌氧淹水DOM芳香性(SUVA280)高于正常淹水,而光谱斜率比值(SR)对不同淹水条件不敏感.同时,厌氧淹水时,DOC和CDOM的相关性也明显高于正常淹水.另外,各区域土壤淹水释放DOM存在差异,以忠县石宝寨土壤释放强度最高,尽管土壤有机质含量是影响各区域土壤淹水释放DOM差异的重要原因之一,但其他地化因素仍需考虑.因此,仅仅关注DOC浓度变化并不足以完全描述DOM的释放特征.     

淹水条件下三峡库区典型消落带土壤释放DOM的光谱特征:荧光光谱

作为水体DOM的重要来源,消落带土壤淹水释放过程十分重要.本文以三峡库区典型消落带土壤为例,通过模拟正常淹水和厌氧淹水的两种条件,利用荧光光谱,着重定性地分析并讨论了土壤向上覆水体释放DOM的动态特征.结果表明,消落带4个区域土壤淹水后产生的DOM荧光特性,呈现出和可见-紫外光谱相似特征,对上覆水体DOM荧光特征有重要贡献.淹水初期的快速释放及后期去除机制,是水体DOM荧光组分的动态"源-汇"平衡的关键;其中类腐殖峰(A和C)受无机矿物相的吸附-释放影响明显,而类蛋白峰(B和T)受微生物影响较为明显.另外,所有土壤淹水释放后水体DOM均呈现出"内源+外源"的复合特征.除忠县石宝寨(SB)外,整个淹水周期,其余区域土壤在厌氧和正常淹水条件下,水体DOM荧光特征的差异性不明显,这可能和土壤自身组成(例如无机矿物组成和有机组分)的复杂程度有关.结合可见-紫外光谱,两种技术相互补充,证明了土壤释放("源")和去除("汇")机制是控制DOM动态变化的重要因素;而淹水初期的较强芳香性和腐殖化程度,以及较强的陆源特征,无疑有利于进一步解释污染物在淹水过程中的环境行为,为进一步了解DOM的环境角色提供数据基础和实验支撑.     

三峡库区消落带甲基汞变化特征的模拟

为探寻三峡水库消落带在干湿交替条件下甲基汞的变化规律,以库区典型消落带土壤为研究对象,采用模拟试验,研究了干湿交替条件下消落带土壤和水体甲基汞含量和动态变化趋势及其影响因素.结果表明:淹水过程会促进土壤无机汞向有机汞转化,土壤甲基汞含量在淹水和落干过程均呈现先增加后减少的趋势;随着干湿交替周期的增加,土壤甲基汞含量增加,第二次淹水后土壤甲基汞平均含量比第一次淹水增加了22.13%,第二次落干后土壤甲基汞平均含量比第一次落干增加了58.17%.第二次淹水过程土壤甲基汞占总汞的比例明显高于第一次淹水,土壤中汞的甲基化主要与干湿交替循环有关.土壤淹水后会迅速向水体释放甲基汞,水体中甲基汞含量明显增加,两次淹水过程增幅分别为119.42%和334.72%,水体甲基汞和土壤甲基汞之间无显著相关.干湿交替环境土壤甲基汞含量主要受pH值、有机质含量、Eh和土壤含水量等因素的影响;水体中甲基汞含量的影响因素则主要有水体pH值、DO、DOM、水温等.     

三峡库区消落带甲基汞变化特征的模拟

为探寻三峡水库消落带在干湿交替条件下甲基汞的变化规律,以库区典型消落带土壤为研究对象,采用模拟试验,研究了干湿交替条件下消落带土壤和水体甲基汞含量和动态变化趋势及其影响因素.结果表明:淹水过程会促进土壤无机汞向有机汞转化,土壤甲基汞含量在淹水和落干过程均呈现先增加后减少的趋势;随着干湿交替周期的增加,土壤甲基汞含量增加,第二次淹水后土壤甲基汞平均含量比第一次淹水增加了22.13%,第二次落干后土壤甲基汞平均含量比第一次落干增加了58.17%.第二次淹水过程土壤甲基汞占总汞的比例明显高于第一次淹水,土壤中汞的甲基化主要与干湿交替循环有关.土壤淹水后会迅速向水体释放甲基汞,水体中甲基汞含量明显增加,两次淹水过程增幅分别为119.42%和334.72%,水体甲基汞和土壤甲基汞之间无显著相关.干湿交替环境土壤甲基汞含量主要受pH值、有机质含量、Eh和土壤含水量等因素的影响;水体中甲基汞含量的影响因素则主要有水体pH值、DO、DOM、水温等.     

三峡库区消落带典型草本植物淹水浸泡后可溶性有机碳的释放特征

三峡库区消落带出露时草本植被生长旺盛,每年9月底蓄水后植物被淹没并开始腐解,导致有机体分解释放大量可溶性有机碳(DOC),可能对水质产生负面影响.研究选取三峡库区消落带典型草本植物,通过室内模拟浸泡实验,测定上覆水中DOC浓度变化过程,计算其释放速率与通量,旨在查明消落带草本植物淹水后DOC的释放特征,为库区植被修复与管理提供基础数据.结果表明,几种典型草本植物浸泡后上覆水的DOC浓度变化反映出草本植物淹水后DOC释放呈先增后减,后期趋于平稳的变化过程,在15 d左右达到峰值,表明消落带草本植物淹水浸泡后DOC随植物腐解快速释放,随后释放基本稳定,几种典型草本植物的DOC释放过程符合动力学过程.草本植物浸泡后DOC的释放浓度(最大为苦蒿的486.88 mg·L-1±35.97 mg·L-1,最小为稗子的4.18 mg·L-1±1.07 mg·L-1)、释放量(最大为苦蒿的50.54 mg·g-1,最小为水蓼的6.51mg·g-1)存在显著差异,主要受植物基质的影响,特别是植物基质的C/N值.实验浸泡植物的DOC释放量与相应草本植物基质的C/N值呈显著线性关系.     

三峡水库消落带土壤与优势植物淹水后对土-水系统汞形态的影响

三峡库区消落带落干期植被生长茂盛,蓄水后消落带被淹没,土壤-植物系统在长时间淹水情况下,随着体系内物理化学性质的改变,汞形态也会发生变化,从而对库区水生生态系统中汞含量以及形态带来一定的影响.为此,本研究选取三峡库区4种优势植物室内栽培,再进行室内模拟淹水试验,研究淹水后土壤、水体中甲基汞(Me Hg)以及其他形态汞的变化.结果表明,淹水过程中植物的存在有利于土壤Me Hg的生成,同时对上覆水不同形态汞浓度影响显著.狗牙根作为消落带优势种,由于其体内总汞及甲基汞含量较高,淹水后对土壤以及上覆水系统中甲基汞以及其他汞形态的影响最为明显.淹水第90 d,狗牙根+土+江水(B1)处理土壤Me Hg的含量最高,为(1 135.86±113.84)ng·kg~(-1),是不加植物的对照处理土+江水(CK2)中土壤Me Hg含量的2倍左右;上覆水总甲基汞(TMe Hg)、溶解态甲基汞(DMe Hg)、总汞(THg)、溶解态汞(DHg)和活性汞(RHg)均呈峰值偏左的抛物线状变化,在第30 d时达到峰值,其中B1处理上覆水TMe Hg、THg和DHg最高,分别为(2.88±0.06)、(40.29±2.42)和(35.51±3.77)ng·L~(-1),三者中溶解态汞是其主要存在形式.因此可以推测三峡库区消落带植物淹水后将增加水库汞污染负荷.     

鄱阳湖典型湿地土壤-植物系统重金属沿湖向富集及迁移转换特征分析

特殊的水文节律导致鄱阳湖形成面积较大的周期性环湖消落带,大量的营养物质和污染物极易在消落带中发生沉积,选择鄱阳湖典型河口型消落带,沿湖向按照不同植被类型设置采样断面,采集土壤-沉积物和优势植物样品(不同组织),分析不同时空下土壤/沉积物和优势植物体中重金属(Cr、 Ni、 Cu、 Zn、 As、 Cd、 Sb和Pb)的含量特征及富集水平,并进一步分析土壤-植物系统中重金属的迁移转换特征,揭示鄱阳湖典型消落带土壤-植物系统重金属迁移转换的影响因素.结果表明,消落带土壤/沉积物重金属含量沿湖向表现为明显的分布规律,呈现为先升高后降低的分布特征,即季节性淹水带土壤/沉积物是重金属富集的主要地带,Cu、 Pb和Sb在土壤/沉积物中的富集水平较高,其中Cu和Sb为显著富集(EF>5);潜在生态风险结果表明季节性淹水带总体处于轻度生态危害水平(70≤RI<140),显著高于淹水带和未淹水带.消落带沿湖向带状分布的优势植物体中重金属含量并未表现出显著的空间分布特征,但表现为显著的季节差异,生长季(4月)优势植物体内重金属具有较高的含量水平,重金属不同介质和组织的分配大体遵循基质>根...     

贵州中部山区煤矸石堆场周边污染水稻土重金属的释放特征

通过对贵州中部山区煤矸石堆场周边污染的水稻土及上覆水进行调查与采样分析,探讨污染水稻土有效态重金属(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)含量的变化及其释放特征。研究结果表明:不同程度污染水稻土中Cd、As和Hg的含量及部分水稻土中的Cu含量超过了土壤环境质量二级标准,随着水稻土污染程度的增加,土壤有效态Cd的含量出现明显的增加,中度污染水稻土和重度污染水稻土有效态Cd的平均含量分别比轻度污染水稻土增加了1.30、2.60倍;在水稻生长期间(6~8月),污染稻田上覆水中均出现Cd的超标,中度污染稻田和重度污染稻田上覆水Cd的平均浓度(三次采样)分别比轻度污染稻田的上覆水高11.3%和27.3%。污染水稻土淹水1~30d期间,上覆水Cd的浓度出现不断地增加,淹水20d后中度及重度污染水稻土上覆水Cd均出现超标。因此,煤矸石堆场周边污染稻田排水的Cd会产生明显的二次污染。     

纳米TiO2对底泥中汞释放及活化的影响

为了研究纳米TiO2对底泥汞的释放及活化的影响,采用模拟淹水实验,分析纳米TiO2对底泥和上覆水中总汞和甲基汞浓度的影响,并结合底泥中各形态汞的变化情况探讨纳米TiO2对汞的迁移转化的影响.结果表明,纳米TiO2可促进底泥中汞的释放,导致更多的汞释放到水中,与对照相比,4g·kg-1纳米TiO2导致上覆水中总汞浓度最高时上升91.32%,最终土壤汞的释放量增加约10%,主要原因是纳米TiO2可促进氧化态汞的溶解,这可能会提高水体汞污染的风险.此外,在本实验条件下,短期内纳米TiO2可能降低了底泥甲基汞的形成和释放,但长期淹水后没有明显的影响.总体来看,纳米TiO2对底泥汞释放和转化的影响随浓度升高而增大.因此,随着底泥或土壤中纳米TiO2含量的升高,其对汞的地球化学循环过程的影响可能加剧.     

南水北调对密云水库水位变幅带土壤磷释放量的影响

南水北调来水引起的水位上涨可能会导致密云水库水位变幅带土壤中磷的释放.过量的磷可能会引起水体富营养,因此,研究水库变幅带磷释放风险对密云水库水质安全保障具有科学指导意义.本研究采用连续浸提法测定密云水库变幅带土壤及沉积物中弱吸附态磷(NH_4ClP)、铁磷(BD-P)、铝磷(NaOH-P)及钙磷(HCl-P)等4种不同形态磷含量,探讨其分布特征;并在室内进行了磷释放模拟实验,估算了南水北调来水引起水库水位上升所致的易释放磷的释放量.结果表明,NH_4Cl-P、BD-P、NaOH-P、HCl-P广泛地分布于密云水库变幅带土壤及沉积物中.在白河、内湖及潮河3个库区,磷形态分布具有一致规律,即HCl-PNaOH-PBD-PNH_4Cl-P.因密云水库变幅带为中国典型的北方碱性土壤,变幅带无机磷主要为钙磷.NH_4Cl-P在3个库区变幅带土壤中含量相差不大,在受水动扰动力影响较小的内湖库区BD-P含量略高于其它2个库区.在3个不同库区中,潜在活性磷NH_4Cl-P和较稳定的NaOH-P在岸上和水陆交界面土壤及水下沉积物中含量相差不大,受氧化还原条件影响较大的BD-P在沉积物中的含量略高于岸上和水陆交界面土壤.磷释放模拟实验及释放量估算结果表明,水库水位上涨3 m的情况下,白河、潮河和内湖库区淹没变幅带土壤分别释放1.02、0.80、0.37 mg·m~(-2)易释放磷.白河和内湖库区变幅带被水淹没土壤中磷释放的风险可能更高,需加强防护.     

三峡入库河流大宁河回水区消落带土壤氨氮释放动力学研究

在室内模拟条件下,通过消落带土壤氨氮释放动力学实验,研究了三峡入库河流大宁河消落带土壤氨氮释放动力学特征,并分析了样品组成特征对释放动力学的影响,结果表明:(1)一级动力学方程可以很好的拟合大宁河回水区消落带土壤样品氨氮释放动力学特征,前120分钟为快反应,氨氮释放速度较大,随后进入慢反应,逐渐达到最大氨氮释放量;(2)土壤样品释放动力学特征与总氮、总磷呈现较好的相关性,与有机质、样品氧化物组成、颗粒组成理化指标相关性较弱;(3)土壤样品释放动力学特征与可转化态氮呈现极显著正相关关系,与非可转化态氮的相关性较弱,这说明样品中氨氮的释放量主要受其可转化态氮含量控制。研究结果可为三峡库区支流大宁河回水区富营养化治理提供参考和理论依据。     

三峡库区消落带沉积物-水界面汞的扩散特征

通过模拟实验研究了三峡库区消落带沉积物-水界面汞及甲基汞的扩散。结果表明,三峡库区消落带浅水沉积物中的甲基汞占总汞的比例为0.41%±0.29%,深水沉积物中的甲基汞占总汞的比例为0.74%±0.52%。深水沉积物比浅水沉积物具有更高的甲基汞产率。随着淹水时间的延长,沉积物中甲基汞的含量呈指数增长。沉积物中的甲基汞生成动力学方程符合零级反应方程。沉积物中无机汞的扩散以Freundlich修正式拟合效果最好,相对好氧的环境更有利于沉积物中无机汞的释放。相应地,甲基汞的扩散以抛物线扩散方程拟合效果最好,黑暗厌氧的环境更有利于沉积物中甲基汞的释放。三峡库区消落带沉积物-水界面无机汞的扩散通量为154.65±47.12~160.23±56.19 ng/(m~2·d),甲基汞扩散通量为7.61±3.39~7.79±4.56 ng/(m~2·d)。随着淹水时间的增加,孔隙水无机汞及甲基汞向上覆水体的释放通量均表现为先增加后减小的趋势。沉积物中的甲基汞对上覆水体甲基汞含量的贡献率为1.5%~14.3%,释放量为0.28~0.85 kg/a。而沉积物中的汞对上覆水体汞含量的贡献率为0.20%~1.70%,释放量为5.64~17.55 kg/a。     

水位对密云水库消落区土壤磷通量影响的模拟研究

南水北调来水引起的水库水位变化导致消落区幅带变化,这直接会影响土壤中磷的转化及通量.本研究采集了陆相和水相分别离水界面1 m和2 m处的4种土柱样品,分别用来模拟消落区淹水和落干情景.在实验室内逐步模拟水位上升或下降,模拟期为9个月,并在每隔3个月的期间收集样品进行分析测试,以研究土壤中无机磷的转化规律.结果表明,密云水库受人为干扰相对较小,与三峡库区相比消落带土壤中总磷含量偏低.模拟过程中,土壤中的无机磷含量始终占总磷含量的50%以上,即无机磷为主要形态.淹水模拟过程中,不同土柱及不同深度的土壤中铁磷的变化复杂,反映了铁磷的含量易受pH、氧化还原电位、有机质等多因素影响.落干模拟过程中,土壤中铁磷和钙磷的变化最为明显,9个月的模拟期后,铁磷的含量较初始值下降了53%~71%,钙磷在土柱表层样品中的含量逐渐减小,而在中层和下层中的含量有所上升.无论是淹水还是落干过程,离水界面1 m内的陆相和水相消落区土壤中磷的转化最为活跃.在模拟的9个月期间,水库淹水期陆相1 m内消落带土壤总磷通量为82.3 kg,铁磷通量为-30.7 kg,铝磷通量为-44.8 kg,钙磷通量为222.6 kg,总无机磷通量为126.5 kg,即消落带土壤中铁磷和铝磷有所释放或转化,而钙磷、总无机磷和总磷皆有所增加.     

呼伦湖表层沉积物有机质的释放效应分析

沉积物有机质是湖泊物质循环的重要组成部分之一,研究沉积物有机质的赋存和迁移转化特征对于湖泊生态保护具有重要意义.以位于我国寒旱区的蒙新湖区典型代表湖泊——呼伦湖为例,利用连续提取法、三维荧光激发发射矩阵光谱-平行因子法（EEMs-PARAFAC）和碳稳定同位素（δ13C）、碳氮比值（C/N）指标测定,并结合室内模拟试验,研究了呼伦湖表层沉积物有机质的赋存特征、释放效应及影响因素.结果表明:①呼伦湖表层沉积物有机质含量在26.67~38.09 g/kg之间,其主要组分为胡敏素（HM）,HM占沉积物有机质的相对比例为74.1%.沉积物有机质主要来自于陆源,陆源相对贡献率在80%左右.②沉积物室内静态释放模拟试验结果表明,沉积物有机质释放会导致上覆水中溶解性有机质（DOM）浓度和组分均发生改变,上覆水中溶解性有机碳（DOC）浓度由30.85 mg/L升至37.57 mg/L,类腐殖质组分所占比例升高.沉积物有机质释放还导致上覆水中氮磷浓度升高,其中溶解性总氮（DTN）和溶解性总磷（DTP）的浓度分别升高了0.89和0.16 mg/L.③近年来,呼伦湖流域温度升高,导致呼伦湖沉积物有机质的释放效应增强.研究显示,虽然呼伦湖沉积物有机质主要以难降解组分为主,但是其释放效应对水体碳、氮、磷浓度的影响仍然不容忽视.