高磷沉积物有机磷形态分布及释放动力学特征——以宜昌西北口水库为例

为探究高磷背景水库沉积物中有机磷(OP)的空间分布及OP释放动力学特征, 本文采用Ivannoff法对西北口水库沉积物中的OP进行分级提取, 通过沉积物OP释放动力学模拟实验, 探讨了表层沉积物OP的释放特征, 以及沉积物理化性质对其响应.结果表明, 西北口水库沉积物OP含量为210.3~455.2mg/kg, 平均含量为322.9mg/kg, 占总磷(TP)的18.3%.OP含量空间分布呈现库中(363.2mg/kg)>库首(339.3mg/kg)>库尾(266.1mg/kg)的变化规律, 垂向上随深度的增加而减小.西北口水库不同形态OP的含量表现为: 非活性有机磷(NOP)>中活性有机磷(MLOP)>活性有机磷(LOP), 其中NOP含量占OP的65.3%, 是西北口水库沉积物OP的主要存在形式.准一级动力学模型是描述西北口水库库首、库中和库尾沉积物OP释放动力学曲线的最优方程(R²=0.98~0.99, P < 0.01), 在0~1h表征为快速释放过程, 所释放的OP含量占最大释放量(Q_max)的55.68%~79.55%, 随后进入慢速释放过程, 逐渐达到Q_max, Q_max在1.4~3.1mg/kg之间.该水库沉积物中LOP和MLOP是主要向上覆水体释放的磷形态.     

北运河下游典型灌渠沉积物有机磷形态分布特征

采用Bowman-Cole有机磷分级修正体系,分析了北运河下游典型灌渠泗村店干渠上游至下游7个采样区柱状沉积物中有机磷的赋存形态、分布及其垂向变化特征.结果表明,干渠沉积物总磷(TP)平均含量介于654.9～1 285.4 mg.kg-1,有机磷(TOP)平均含量则为241.6～501.1 mg.kg-1,占TP的34.08%～41.86%,TOP/TP较其他区域明显偏高.垂直分布上看,不同形态有机磷变化趋势迥异,活性有机磷(LOP)随着深度的变化呈先递增后递减的趋势,中活性有机磷(MLOP)则呈逐渐减少趋势,而稳性有机磷(NOP)却变化不大.MLOP是TOP的主要存在形态(39.03%～85.72%),高于LOP(7.73%～24.13%)和NOP(10.14%～35.64%).MLOP是该区域沉积物P的重要储备,其向LOP的转化过程及其对上覆水体富营养化效应值得关注.     

玉渊潭人工湿地沉积物有机磷形态分级特征研究

采用改进的Bowman-Cole分级提取法对玉渊潭人工湿地表层沉积物中有机磷的形态进行研究,分析了Po各组分的含量以及与沉积物其他组分的关系。结果表明:玉渊潭人工湿地沉积物中各形态磷在空间分布上存在较大差异。湿地水体均出现不同程度的富营养化。沉积物中总磷(TP)的含量为653.33~1 005.16 mg/kg;有机磷(Po)的含量为81.23~325.57 mg/kg,占总磷的9.92%~39.68%;有机质(OM)含量为2.93%~7.89%。沉积物有机磷主要以活性Po和中活性Po为主。有机质与稳定性有机磷和高稳定性有机磷显著相关,但与无机磷的相关性较差,说明人工湿地与天然湖泊沉积物中磷的生物有效性还是存在差异,其具体原因有待进一步研究。     

鄱阳湖不同高程沉积物中磷形态特征研究

选取了枯水期鄱阳湖10~13m高程共14个出露表层沉积物样品,通过研究其总磷(TP)及各形态磷含量与分布特征,试图揭示江湖关系变化导致的水位下降对鄱阳湖沉积物磷潜在释放风险的影响.结果表明,鄱阳湖表层沉积物总磷(TP)含量在214.5~736.0mg/kg之间, 平均含量为(428.6±154.3)mg/kg.空间分布呈“五河”入湖尾闾区(444.5mg/kg)≈湖心区(445.4mg/kg)>北部湖区(387.7mg/kg).各形态磷在空间上的差异相对较小,不同形态磷含量次序为活性磷(254.6±114.3mg/kg)>有机磷(105.0±49.2mg/kg)>非活性磷(69.1±26.3mg/kg).江湖关系变化引起鄱阳湖枯水期沉积物出露时间提前并且延长,进而导致不同高程沉积物总磷及其各形态磷含量差异明显,其含量变化趋势为12~13m> 11~12m>10~11m,即高程越高,沉积物总磷及其各形态磷含量越高.其中活性磷增幅最大,OP次之,非活性磷最小.而空间增幅表现出“五河”入湖尾闾区最为显著,湖心区次之,而北部湖区最小.     

凹凸棒黏土覆盖对沉积物磷赋存形态的影响

通过实验室模拟实验,研究了800℃热处理凹凸棒黏土覆盖对沉积物中磷的赋存形态影响,采用连续化学提取法和31P核磁共振(31P NMR)分析了覆盖过程中磷的形态变化,并借助扫描电镜能谱仪(SEM-EDS)对磷的形态转化机理进行初步探讨.结果表明,热处理凹凸棒黏土覆盖使沉积物表层中的活性磷平均含量从308.6mg/kg降低到241.1mg/kg,钙磷的平均含量从204.9mg/kg 增加到257.3mg/kg. 31P NMR分析发现,黏土覆盖使有机磷中的DNA-P、焦磷酸盐和单脂磷的含量分别减少47.0%、36.8%和31.3%.扫描电镜能谱分析发现,沉积物表层附着的白色絮状物质主要为钙结合态磷.以上分析初步表明,磷形态转化机制是由于材料中具有较高的活性钙含量,竞争吸附沉积物中的活性磷,材料覆盖沉积物表层后改变了沉积物界面环境,促进了表层沉积物的活性磷向钙结合态磷(Ca-P)转化.     

丹江口水库表层沉积物有机/无机磷形态特征

采用连续分级提取法研究了丹江口水库表层沉积物中有机磷和无机磷的形态及其赋存特征,同时结合间隙水体中溶解性总磷(DTP)的空间分布特征,讨论了各形态磷的生物可利用性及其释放风险.结果表明,丹江口水库沉积物中各形态磷均在入库河流处高于库区.各采样点沉积物总磷在203.08~1625.61mg/kg之间,平均值为642.51mg/kg,其中以无机磷为主,占总磷的52.9%.无机磷形态中生物可利用性差的Ca-P_i占优势,平均值为196.46mg/kg,占无机磷的57.8%;沉积物有机磷形态中活性最差的NA-P_o占绝对的优势,NA-P_o平均值为180.83mg/kg,占有机磷(OP)的59.7%. WA-P_i、PA-P_i、Fe/Al-P_i、WA-P_o、PA-P_o均与间隙水体DTP呈显著正相关(P < 0.05), Ca-P_i、MA-P_o、NA-Po与间隙水DTP相关性较差.入库河流沉积物生物可利用性磷含量及释放通量均较库区高,具有较高的释磷风险.     

三峡入库河流大宁河回水区沉积物和消落带土壤磷形态及其分布特征研究

应用淡水沉积物中磷形态的标准测试程序（SMT）对三峡入库河流大宁河回水区表层沉积物、消落带土壤不同形态P进行了分级测定,分析了各形态磷之间以及各形态磷与样品理化性质如有机质、主要氧化物组成之间的相关性.结果表明,沉积物总磷含量在483.4～848.4 mg/kg之间,平均为569.0 mg/kg,与长江中下游浅水湖泊表层沉积物总磷含量相比,大宁河回水区表层沉积物TP含量处于中下游水平,而消落带土壤中总磷含量在488.9～1 487.7 mg/kg之间,平均含量为813.3 mg/kg,远远高于沉积物样品总磷含量,显示了人类活动对消落带土壤P含量的影响.各种形态P在河流沉积物与岸边消落带土壤中分布特点不同: ① 河流沉积物中IP/TP（平均值55.7%）略高于消落带土壤（平均值49.4%）;② 河流沉积物中IP以Ca-P为主（平均比例为83.5%）, Fe/Al-P占IP比例仅为15%;消落带土壤Ca-P占IP平均比例为73.9%, 而Fe/Al-P占IP比例上升至22%;③ 河流沉积物中活性磷组分（OP+Fe/Al-P）平均含量为261.8 mg/kg,在TP中所占比例平均值为49%,而消落带土壤活性磷组分（OP+Fe/Al-P）平均含量为405.7 mg/kg,在TP中所占比例平均达到54%.消落带土壤中活性磷组分在适宜的环境条件下会成为水体的二次污染源,因此消落带土壤P对水体富营养化的潜在影响不容忽视.     

微生物对冰封期湖泊沉积物中有机磷降解释放的影响

以寒旱区湖泊乌梁素海为研究对象,以有机磷降解过程中的形态转化为主线,探讨了冰封期内底物添加与灭菌处理对有机磷释放特征的影响.结果表明,180 d冰封期内,灭菌处理(T_N)上覆水中可溶性总磷酸盐(DTP)和可溶性正磷酸盐(DIP)及可溶性有机磷(DOP)的质量浓度均高于底物添加处理(T_M),揭示T_M体系中厌氧微生物的同化利用降低了上覆水中磷的质量浓度;同时微生物驱动下铁的异化还原作用也是影响水-沉积物界面有机磷释放的重要机制.释放周期内,沉积物中活性有机磷(LOP)、总活性磷(TLP)的含量均减少;T_M体系的中等活性有机磷(MLOP)含量先减少后增加,非活性有机磷(NLOP)的含量先增加后减少;T_N的MLOP含量波动性增加,NLOP的含量波动性减少.释放初期(0~60 d),T_M的MLOP含量高于T_N,而NLOP的含量低于T_N;释放中末期(60~180 d),T_M的MLOP含量低于T_N,而NLOP的含量高于T_N.揭示释放中沉积物MLOP与NLOP之间存在相互转化的可能性.释放过程中,T_M沉积物有机磷的相对含量降低,无机磷的相对含量增高,呈现有机磷向无机磷转化的趋势,沉积物有机磷约有6.1%转化为无机磷,揭示了冰封期内,微生物可加速沉积物有机磷向无机磷的转化,提高了磷的生物可利用率,增加了沉积物磷向上覆水释放的风险.     

滇池沉积物磷形态的水平分布特征

本文以滇池33个表层沉积物样品为试验材料,采用分级提取的方法逐步提取沉积物中铁磷、铝磷和钙磷,分析沉积物中各磷形态的水平分布特征,结果表明:滇池沉积物总磷浓度的水平分布呈现南北高、中间低的状况,总磷的平均浓度为2 728 mg/kg,局部浓度超过13 000 mg/kg;铁磷、铝磷含量相对较低,不足30%,钙磷和有机磷含量较高,占70%以上;H+浓度影响活性磷的状态,与沉积物铁铝磷显著相关;铁铝磷作为总磷的重要组成部分与总磷显著相关(R=0.701,p0.01)。     

黄河口湿地表层沉积物中磷赋存形态的分析

于2009年4月在黄河口湿地采集表层沉积物,利用改进后的SEDEX方法对沉积物样品进行了磷形态的分析.结果表明,表层沉积物中总磷含量变化范围为12.12~25.37μmol·g-1,平均值为20.70μmol·g-1,其中自生磷灰石磷和碎屑磷灰石磷为表层沉积物中磷的主要赋存形式.中值粒径与各形态磷含量密切相关,弱吸附态磷、自生磷灰石磷、活性有机磷含量与中值粒径呈显著负相关关系;碎屑磷灰石磷含量与中值粒径呈显著正相关关系.有机质含量影响各形态磷在沉积物中含量,弱吸附态磷、活性有机磷、自生磷灰石磷含量均随TOC含量增加而升高.包括弱吸附态磷、活性有机磷和铁结合态磷在内的生物可利用磷含量变化为1.15~6.74μmol·g-1,平均值为4.27μmol·g-1,占总磷的摩尔分数为6.35%~30.4%.     

东部平原不同类型湖泊沉积物中有机磷的特征

以选自东部平原3种不同类型8个浅水湖泊的18个表层沉积物样品为研究对象,运用分级提取法,研究了沉积物中有机磷（OP）质量分数、形态及其分布状况,并探讨了OP组分与湖泊富营养化的关系. 结果表明:东部平原湖泊沉积物中w（OP）为65.2～539.2 mg/kg,占w（TP）的19.9%～40.6%,污染程度高的沉积物w（OP）高于污染程度较轻的沉积物. 沉积物中各形态有机磷主要以中活性有机磷（MLOP）与非活性有机磷（NLOP）为主,不同类型湖泊沉积物中各形态w（OP）顺序均为城市湖泊>大型养殖型湖泊>大型自然湖泊. 城市湖泊与养殖型湖泊以NLOP为主,其相对含量达到50%以上;而大型自然湖泊以生物有效性有机磷（LOP+MLOP）为主,其相对含量为54.6%～61.6%,表明沉积物中有机磷分布状况与湖泊污染程度和人类活动紧密相关. 酸提取有机磷质量分数〔w（HCl-P_o）〕为10.5～200.9 mg/kg,在不同污染程度湖泊沉积物中差异明显,其和总有机磷（P_o）的比值〔w（HCl-P_o）/w（P_o）〕与湖泊水质指标呈显著正相关（P<0.01）,与沉积物w（TP）,w（OP）,w（LOP）及w（MLOP）也均呈显著正相关（P<0.01）,即沉积物中的HCl-P_o可能是湖泊水体磷的重要来源,沉积物中w（HCl-P_o）/w（P_o）可以反映湖泊的富营养化程度.      

沉积物中有机磷在pH和温度影响下的矿化机制

通过实验室模拟,采用Bowman-Cole有机磷分级修正体系研究了pH和温度对沉积物中有机磷矿化的影响机制.结果表明,pH为6.5、 7.5、 8.5时有机磷（TOP）占总磷（TP）比例分别介于31.71%～41.73%、30.85%～43.29%和27.25%～56.31%之间,碱性条件促进有机磷矿化,中性条件下矿化速率减缓.15℃、25℃和35℃的TOP/TP分别介于29.07%～46.62%、27.81%～46.62%和34.56%～46.62%,在30 d模拟期内,前10 d有机磷矿化随着温度上升而增加,后20 d呈相反趋势.在偏酸性和高温条件下,稳性有机磷（NOP）向中活性有机磷（MLOP）的转化,中活性有机磷（MLOP）向活性有机磷（LOP）的转化呈现同步性,LOP矿化分解很快,使其可能成为上覆水中藻类生长的磷源,潜在影响了富营养化进程.     

沸石覆盖原位控制湖泊内源中等活性有机磷迁移转化

为揭示湖泊内源中等活性有机磷(MLOP)控制与释放发生机制,采用室内模拟试验,研究沸石覆盖原位控制湖泊内源MLOP迁移转化影响因子.结果表明:酸性水体促进内源MLOP迁移,碱性条件下抑制其转化,不同pH值试验水体沉积物中内源MLOP相对浓度为:[MLOP/TP]pH8>[MLOP/TP]pH7>[MLOP/TP]pH6;温度明显提高内源MLOP迁移水平,低温水体相对高温水体沉积物中内源MLOP含量较低,5℃条件下内源MLOP迁移表观量最大,其随时间迁移量呈幂函数关系,可表示为[MLOP/TP]=0.2823T0.657(R2为0.9709);好氧或厌氧条件下,内源MLOP均发生迁移,且迁移特征和影响效能高度一致,迁移平衡后好氧环境内源MLOP和厌氧内源MLOP相对浓度呈线性相关,可表示为[MLOP/TP]好氧环境=1.0884[MLOP/TP]厌氧环境 -0.0271(R2为99895);光照因子促使内源MLOP迁移,而避光和沸石粒径因素对内源MLOP迁移影响较小;底栖生物颤蚓通过爬行、摄食、掘穴、栖所建造及分泌排泄等一系列活动影响内源MLOP迁移.沸石原位控制湖泊内源MLOP迁移转化效能较弱.     

淮南潘一矿塌陷水域沉积物中磷的赋存和迁移转化特征

采用改进的Pesnner分级提取方法,选取淮南潘一矿杨庄塌陷水域为研究对象,对其沉积物磷的剖面赋存形态进行分析,并结合磷的形态组成、有机质(OM)、总氮(TN)和铁锰氧化物等分布特征,研究了塌陷水域沉积物中磷的迁移转化特征.结果表明,在淹水农业耕作层上,湖泊沉积相累积明显,自表层而下,各形态磷含量均呈逐渐减少的趋势,总磷(TP)在各层次均值为204.9~343.7mg/kg,其中以无机磷(IP)为主,其含量为163.9~257.2mg/kg,占TP比例达73.3%~81.5%.NaOH-P(85.0~100.1mg/kg,28.6%~41.3%)和HCl-P (63.6~95.9mg/kg,27.4%~30.9%)所占比例较大.根据相关性结果分析,部分HCl-P和有机磷(OP)有向NaOH-P转化的趋势.     

骆马湖泥-水界面磷铁硫原位同步变化特征

利用薄膜梯度扩散（DGT）原位采样装置获取了骆马湖全湖8个典型湖区泥-水界面（SWI）活性磷（P）、铁（Fe）、硫（S）垂向分布信息，据此定量估算三者交换通量.结果表明，骆马湖沉积物剖面P、Fe、S浓度范围分别为0~2.05，0~11.10和0.01~0.63mg/L，并在微小尺度呈高度空间异质性.在水平方向上活性P、Fe主要表现为西北湖区高于东南湖区，而活性S则未表现出明显的分布规律；就垂直剖面而言，活性P、Fe、S自界面向下呈升高趋势，并在60mm深度内出现峰值，且活性P和Fe剖面呈明显的同步变化特征；活性P、Fe在多数点位具有显著的正相关性（r>0.65，P<0.01），且各采样点沉积物中的总铁与总磷比值[w（∑Fe）/w（∑P）]均高于15，这表明Fe的地球化学循环过程对于骆马湖内源磷释放起重要控制作用；8个采样点样品中活性P、Fe、S交换通量分别为0.066~0.698，1.671~5.592和0.007~0.071mg/（m²·d），表明P、Fe、S由沉积物向水体释放.西北湖区表现出较高的P通量和活性P浓度，这可能会增加南水北调过程中水质污染的风险，应予以重视.以上结果支持了P、Fe耦合释放机制，明确了骆马湖SWI的活性P、Fe、S迁移特征.     

南水北调中线源头区蓄水前土壤氮磷分布特征

采集南水北调中线源头区(高程170m以下)19个村庄的43个土壤样品,分析了丹江口水库淅川县蓄水前不同土地利用类型土壤中有机质、总氮、硝态氮、铵态氮和总磷的分布特征.结果表明,研究区土壤总氮含量介于18.15~185.98mg/kg之间,硝态氮介于5.75~77.96mg/kg之间,铵态氮介于5.72~26.38mg/kg之间,总磷介于37.98~147.32mg/kg之间,有机质介于7.19~45.32g/kg之间;研究区土壤氮素、总磷和有机质含量受地形及地理位置影响较小,不同土地利用类型土壤中总氮、硝态氮及有机质含量存在显著差异,总磷和铵态氮含量差异性不明显,有机质含量大小依次为村庄>水稻田>池塘>消落带>旱地>林地,总氮含量大小依次为水稻田>村庄>池塘>消落带>旱地>林地,硝态氮含量大小依次为村庄>池塘>消落带>旱地>水稻田>林地;相关性分析表明,土壤有机质与总氮含量之间存在极显著正相关性(r=0.837, P<0.01),铵态氮含量与有机质、总氮呈显著正相关性(分别为r=0.455, P<0.05;r =0.434, P<0.05),而这三者与硝态氮之间相关性不明显;土壤总磷与有机质、总氮、硝态氮、铵态氮含量之间无明显相关性.