合肥城郊典型农田溪流水系统沉积物磷形态及释放风险分析

2014年10月(秋季)和2015年4月(春季),针对巢湖二十埠河流域某一典型农业源头溪流水系统,就水塘、支流、干流和深潭等4种溪流构成模式,分别采集17、16、14和13份表层沉积物样.在分析测试的基础上,解析沉积物的磷形态及其季节性变化特征;并以多元统计分析技术,对4种构成模式开展聚类分析和差异性分析;通过对沉积物磷吸附指数PSI的计算和相关性分析,定量评估磷素释放风险,识别主要影响因素.结果表明:1溪流水系统沉积物TP含量变化范围为137.517~1 709.229 mg·kg-1,均值为532.245 mg·kg-1,各形态磷的平均含量高低排序为:IP(350.347 mg·kg-1)OP(167.333mg·kg-1)Fe/Al-P(78.869 mg·kg-1)Ca-P(56.343 mg·kg-1)Ex-P(6.609 mg·kg-1);2 4种构成模式中,各形态磷含量均表现出相同的变化趋势,即深潭干流支流水塘;3秋季时干流和深潭聚为一类、支流和水塘为另一类,春季时则干流、支流和深潭归为同一类;4方差分析表明,秋季时溪流不同构成模式之间的差异性指标更多;5沉积物PSI变化范围为24.49~69.94(mg·L-1)·(100 g·μmol)-1,且春季低于秋季,说明春季的磷素释放风险更高一些;6 PSI与Ex-P、IP和p H呈显著或极显著负相关性.     

流域土壤基质与非点源磷污染物作用的3种模式及其环境意义

以华北地区典型农业流域为研究对象,针对流域不同空间分布和干扰程度下的土壤基质与污染径流中磷素的相互作用过程进行了模拟研究.研究发现,土壤基质与磷的作用过程呈3种模式,持留型、释放型及持留-释放转换型.持留型土壤基质对污染径流中磷酸盐具有较强的吸附作用,能有效持留径流中的磷素;释放型土壤基质则以解吸过程为主导,向径流中释放大量的磷素;持留-释放转换型土壤基质则呈动态性,当径流中磷酸盐含量较低时,解吸过程占优,以磷素释放为主,当径流中磷酸盐含量较高时,吸附过程占优,以磷素持留为主.结果表明,在自然环境及人类干扰的作用下,流域异质性景观下的土壤基质与非点源污染物的作用过程差异明显,其生态功能具有时空动态性.从非点源污染发生的角度来看,在空间上,土壤基质可成为污染物的汇或释放源;在时间上,同一区域存在源-汇功能的动态转化.因此,异质性景观中土壤基质与污染物作用过程动态机制的认识与判定,对于流域尺度上有效控制非点源污染十分关键.     

沉积物磷形态空间分布特征及释放风险评估——以沱江流域为例

为阐明沉积物磷赋存形态的空间分布特征及潜在释放风险,提供更准确合适的风险评估指标, 分析了沱江干流及其支流12个样点表层沉积物的磷赋存形态,测定了水溶性磷(WSP)及磷平衡浓度(EPC0),计算沉积物磷吸附指数(PSI)、磷吸附饱和度(DPS)及其衍生的磷释放风险指数(ERI).结果表明,沉积物5种形态磷含量顺序为:铁/铝结合磷(CDB-P,60.63%)>钙磷(Ca-P,30.84%)>有机磷(OP,3.92%)>亚铁磷(Fe(Ⅱ)-P,3.48%)>松散态磷(Loosely-P,1.13%).CDB-P是沉积物磷的主要存在形态(0.468~2.287mg/g),由上游至下游逐渐降低,这主要与上游工业污染有关.DPS、EPC0和PSI在空间分布上均呈现由上游至下游逐渐增大的趋势,变化范围分别为44.28%~80.39%、0.012~0.084mg/L和0.153~1.526L/g;上游大部分采样点ERI均超过了25%;各指标综合表明:上游存在较高的磷释放风险.回归分析与相关性表明,EPC0与上覆水磷、CDB-P、OP、有机质(OM)以及粒径均呈极显著相关性,且相关性远高于其他指标(ERI,DPS,PSI,WSP).因此,EPC0是评估沱江流域沉积物磷释放风险潜力更准确高效的指标,Fe/Al含量、粒径的增加以及有机质的减少会增加磷释放风险,因此应控制工业污染以及农业面源污染的输入.     

沱江流域磷石膏的磷形态组成及潜在释放特征

对沱江流域磷石膏中磷形态组成及浓度、磷释放动力学特征、环境因子对磷释放的影响进行了研究。结果表明:沱江流域磷石膏总磷(TP)浓度为3.70 mg/g,磷石膏中磷释放主要来自弱吸附态磷(Ex-P)、可提取态有机磷(Org-P)和铁磷(Fe-P),且Ex-P、Fe-P释放所占比例较大;磷石膏与水的水土比为500 ∶1时,磷释放量达到最大值,磷的释放过程主要发生在前8 h,最大释放速率(V_max)为3.52 mg/(g·h),一级动力学方程可较好地拟合磷释放动力学过程,其平衡浓度(Q_max)拟合值为2.30 mg/g;水体pH对磷石膏中磷释放影响显著,酸性或碱性条件均有利于磷的释放,水体盐度和温度越高,越有利于磷释放,水体温度从10 ℃升至25 ℃时,磷总释放量逐渐提高,25 ℃时磷的总释放量最大。     

大亚湾沉积物磷的形态特征及其潜在可释放性

为了认知沉积物磷释放对海湾磷负荷的影响,本文以SMT分级方法分析了大亚湾表层沉积物中磷的形态结构,探讨了沉积物磷的释放潜力的时空性差异及其影响因素。结果表明,大亚湾沉积物中总磷（TP）的平均含量为429.65×10-6,无机磷（IP）、有机磷（OP）的平均含量分别为286.57×10-6和143.08×10-6,IP占TP的67.83%;IP以酸提取态磷（HCl-P）为主,HCl-P的平均含量为237.10×10-6,碱提取态磷（NaOH-P）的平均含量为56.13×10-6;生物有效磷（OP+NaOH-P）占到总磷的45.63%。大亚湾沉积物磷具有较高的释放潜力,并呈现出夏季高于冬季,近岸区域高于湾中心及湾口的变化规律。相关性分析表明,沉积物粒径、氧化还原电位及有机质含量（尤其是浮游藻类的自生有机质）对沉积物磷的释放潜力有较大影响。     

水体沉积物中磷释放的影响因素

概述了水体沉积物中磷的存在形态以及磷素释放的影响因素。主要讨论了溶解氧、温度、pH值、水体扰动、沉积物组成、生物作用和光照对沉积物磷释放的影响,并提出了目前存在的问题和未来发展的方向,为水体富营养化的研究提供了科学的理论依据。     

巢湖表层沉积物磷的空间分布差异性研究

通过对巢湖表层沉积物磷形态、有机质及粒径分布特征分析,与沉积物总磷历史数据进行对比,结合不同形态磷的剖面变化,探讨了内源磷释放风险.结果表明,巢湖表层沉积物TP自西向东呈递减趋势,平均含量为790 mg.kg-1,比20世纪80年代平均增加了55%,其中东半湖增加211 mg.kg-1、西半湖增加386 mg.kg-1.表层沉积物磷形态含量和分布有较大差别:铁铝结合磷(NaOH-Pi)和活性有机磷(NaOH-Po)含量占TP含量的42%,分别介于55～648 mg.kg-1和27～468 mg.kg-1范围,西半湖平均含量分别为331 mg.kg-1和225 mg.kg-1显著高于东半湖(147 mg.kg-1和91 mg.kg-1,P<0.01);相对而言,钙镁结合磷(Ca-P)和惰性磷(Res-P)含量在东西部湖区没有显著差别,分别占TP含量的18%和40%.沉积物TP含量随深度减少而增加,西半湖增加量高于东半湖,各种磷形态中NaOH-Pi和NaOH-Po的垂直变化规律与TP相似,是沉积物磷增加的主要形态.西半湖高活性磷、高有机质和多砂质粉砂的特征共同作用极大增加了沉积物中磷向上覆水中释放的风险.     

滇西北剑湖沉积物磷形态、空间分布及释放贡献

采用连续分级提取法提取了剑湖沉积物中弱吸附态磷(NH_4Cl-P)、可还原态磷(BD-P)、铁铝氧化态磷(NaOH-rP)、有机质结合态磷(NaOH-nrP)、钙结合态磷(HCl-P)和残渣态磷(Res-P)6种形态的磷,并对表层(0~10 cm)沉积物磷形态水平空间分布、沉积柱芯(0~75 cm)磷形态垂向空间分布和释放贡献特征进行了分析.结果表明:表层沉积物6种磷形态平均含量差别较大,其含量由高到低排序为HCl-PRes-PNaOH-rPNaOH-nrPBD-PNH_4Cl-P;HCl-P含量是NH_4Cl-P的72倍,3种稳定磷形态(HCl-P、Res-P和NaOH-rP)含量是3种潜在可移动磷形态(NaOH-nrP、BD-P和NH_4Cl-P)含量的6.5倍.NH_4Cl-P、BD-P、NaOH-nrP和NaOH-rP含量的变异系数明显高于HCl-P和Res-P含量的变异系数.尽管表层沉积物6种磷形态的水平空间分布特征不尽相同,4条主要入湖河流入湖口区6种磷形态含量平均值之和是湖周浅水区的1.40倍,但能指示出入湖河流是外源磷污染物输入的主要通道.虽然沉积柱芯6种磷形态垂向空间分布特征各异,6种磷形态入湖口区表层平均含量分别是底层的1.60、1.87、1.87、1.61、1.18和1.15倍,其他湖区表层平均含量分别是底层的1.18、1.34、1.39、1.41、0.97和0.83倍,但除HCl-P和Res-P在其他湖区为随深度增加而缓慢递增外,基本上能反映出6种磷形态含量在入湖口区随深度增加而递减的程度都远强于其他湖区.外源磷输入和人为活动影响是3种潜在可移动磷形态和NaOH-rP的主要因素,流域地质背景是HCl-P和Res-P的主要影响因素.6种磷形态在入湖口区快释放贡献率多为负值,表示以滞留状态为主,慢释放贡献率全为正值,表示都为释放状态,滞留贡献最大和释放贡献最大的都是NaOH-rP;其他湖区快释放贡献率和慢释放贡献率多为正值,表示都以释放状态为主,NaOH-rP释放贡献最大,Res-P滞留贡献最大.     

稳定剂控制底泥中磷元素释放的机理性研究

以河流富磷底泥为试验对象,研究4 种稳定剂对底泥磷元素释放的抑制效果和机理.结果表明,高锰酸钾和过氧化氢控制底泥释磷的持续性较差,投加高锰酸钾后底泥孔隙水的正磷酸根含量比对照高出0.344mg/L,过氧化钙和硝酸钙能够稳定地抑制底泥中磷的释放,可将孔隙水磷酸盐浓度分别降低至0.003,0.094mg/L.高锰酸钾和过氧化氢不能有效地降低底泥中NaOH-P 含量,过氧化钙和硝酸钙主要通过提高HCl-P 含量来控制磷的释放.     

合肥城郊典型源头溪流不同渠道形态的氮磷滞留特征

为揭示源头溪流中深潭和曲折沟渠两种典型渠道形态的氮磷养分滞留特征,在合肥城郊二十埠河的某一级支流上,以NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,以NaCl为保守型示踪剂,开展现场示踪实验.在此基础上,利用OTIS模型软件、暂态存储参数和养分螺旋原理,解析深潭和曲折沟渠氮磷滞留特征.结果表明:1深潭的As值较曲折沟渠大,但其α值则较弯曲沟渠小1个数量级,而且As和α值随水文条件变化均不显著;2深潭中主渠道流动水体的NH+4-λ较其暂态存储区的NH+4-λs高2~3个数量级,曲折沟渠的NH+4-λ与NH+4-λs数值较为接近;3深潭中NH+4-Vf较SRP-Vf高1~2个数量级,而在曲折沟渠中,不仅NH+4-Vf与SRP-Vf数值较为相近,NH+4-Sw与SRP-Sw也基本相当;4深潭的NH+4-U较SRP-U高出2~3个数量级,曲折沟渠NH+4-U则较SRP-U高出1~2个数量级;5总的来说,在对NH+4和SRP滞留影响方面,深潭和曲折沟渠存在较大的差异性,且在深潭中NH+4的滞留效应显著超过SRP.     

张家口清水河拦沙坝对磷输移-滞留的影响

磷在河流中的输移-滞留过程是河流生态系统中营养物质循环的基本组成,也是评价河流生态系统健康的重要指标之一.为探究拦沙坝对磷输移-滞留过程的影响,选取张家口清水河流域内拦沙坝河段为研究区域,在4个代表性断面对地表水中各形态磷质量浓度和径流过程进行监测,并收集当地实时降雨数据.结果表明:①拦沙坝下游与上游的总磷(TP)、总...     

Spatial and temporal variability of agricultural pollutants in an agricultural headwater stream within a multipond system, southeastern China

The spatial and temporal variability of nutrients and suspended solids were investigated for two years in a 1.8 km agricultural headwater stream, located by Chaohu Lake, southeastern China. The stream form was greatly modified by human activities into channelized, pond and estuary shapes. The stream could be divided into 4 channelized reaches(1.3 km), a pond reach(0.15 km) and 3 estuary reaches(0.36 km). It was found that nutrients and TSS concentrations in the stream showed temporal variability, and higher concentrations occurred in months with high precipitation and intensive agricultural activities. And, retention of total nitrogen ( TN ), nitrate ( NO3-N ),ammonium( NH4^ -N) and total suspended solids (TSS) predominantly occurred in the pond reach and estuary reaches with larger width and low current velocity. Pollutants retained in these reaches accounted for more than 50% of those retained in whole stream. The retention mostly happened in the rain-runoff events and it was 7 to 27 times than that in base flow. The results showed that the channelized reach was the most important source for pollutants release under either runoff or base flow, and its release accounted for more than 90% of whole stream release.There was a high spatial variability of nutrients retention in different channelized reaches. The channelized reach directly discharging into the pond did always retain nutrients and TSS under base flow and runoff conditions, whereas the other channelized reaches performed differently in different hydrological conditions. The high spatial and temporal variability of nutrients and TSS in the stream indicated that anthropogenic disturbance of the agricultural headwater stream, such as channelization and excavation, would be expected to decrease the capacity of nutrients retention in the stream.     

农田溪流人工深潭地貌格局暂态存储特征分析

2015年11月~2016年2月,以NaCl为示踪剂,在巢湖流域某一农田源头溪流开展了5次野外示踪试验,并据此计算溪流的物理特征参数和暂态存储指标;通过对深潭渠段与平直渠段相关指标的比较,解析人工深潭地貌格局的暂态存储特征.结果表明:1人工深潭地貌格局渠段A_s/A基本都较平直渠段更高,但其交换系数α却较平直渠段低一个数量级;2人工深潭地貌格局的暂态存储对于溶质滞留的影响较平直渠段大,但其流动水体的溶质滞留能力则较平直渠段弱;3尽管深潭地貌格局拥有相对较大的A_s/A比值,但对溶质运移转化的综合影响却低于平直渠段;4人工深潭的暂态存储指标F200med可以解释18.86%~26.05%的溶质行进时间,平直渠段可以解释5.28%~33.87%,且大部分情况下平直渠段都较深潭渠段更高;5深潭地貌格局与平直渠段在φ_w、φ_A和T_s方面差异明显,而在其他指标方面则区别不显著.     

三峡水库总磷时空变化特征及滞留效应分析

磷是水域重要的营养或污染物质之一,主要随河川径流循环,河流大型水库建设和运行将对磷的输运和转化产生重要影响.基于三峡水库2008～2016年实测水文和水质资料,建立了总磷(TP)通量和泥沙通量的统计模型,利用模型插补TP的日过程浓度后建立了TP通量计算公式,分析了三峡水库TP浓度时空变化特征、通量变化及滞留效应.结果表明,不考虑区间小支流TP入汇影响, 2008～2012年,三峡入库TP浓度年际变化为0.196～0.290mg·L^-1,年内TP浓度变化趋势呈"M"型,具有明显的双峰特性,三峡干流上游至下游TP浓度基本表现为沿程减小,部分年份清溪场断面TP浓度高于寸滩,该时段三峡年均入库TP通量和滞留率分别为8.23万t和49.76%. 2013～2016年,三峡年均入库TP通量和滞留率明显减小,分别为4.79万t和12.03%.     

洱海沉积物中不同形态磷的时空分布特征

为揭示洱海沉积物磷形态变化的影响因素及其内源磷负荷状况,研究了洱海沉积物中不同形态磷的空间分布和季节性变化特征. 结果表明,洱海表层沉积物中w(TP)为418.71～1108.34mg/kg,空间分布总体呈中部湖区＞南部湖区＞北部湖区;w(IP)为302.35～871.00mg/kg,分布趋势与w(TP)相同;w(Fe/Al-P)为36.22～406.40mg/kg,与w(IP)分布趋势相同;w(Ca-P)为172.34～420.38mg/kg,北部最高;Fe/Al-P和Ca-P是IP的主要形态. 夏季(7月)w(TP)、w(IP)和w(Fe/Al-P)升高,w(labile-P)(labile-P为弱吸附态磷)和w(Fe/Al-P)季节性差异显著. 沉积物柱状样w(TP)、w(OP)、w(labile-P)和w(RSP)(RSP为可还原态磷)随着沉积物深度的增加呈下降趋势,表层富集明显;w(IP)、w(Fe/Al-P)和w(Ca-P)随深度的增加呈上升趋势. 洱海沉积物磷时空分布主要受外源磷输入影响,随水深增加沉积物中w(TP)呈升高趋势,不同形态磷分布受水生生物活动影响较大. 与长江中下游湖泊相比,洱海沉积物中w(TP)高,其中w(IP)及其所占w(TP)的比例较小,磷内源可释放量较低,Fe/Al-P和RSP等生物可利用磷的质量分数及其占w(TP)的比例较大,释放风险较高.      

西洞庭湖入湖河流磷的污染特征

为识别西洞庭湖长江三口分流来水与洞庭湖水系河流来水磷元素的污染特征,于2016年1-12月在西洞庭湖的主要入湖河流松滋河（三口分流河道）、沅江和澧水（洞庭湖水系河流）开展了水文水质同步调查,研究了入湖河流中磷浓度和组成的时空分布特征,剖析了水文因素对磷污染特征的影响,探究了磷的来源结构.结果表明,3条主要入湖河流流量平均值表现为沅江（1 718 m3/s）>松滋河（935 m3/s）>澧水（884 m3/s）,ρ（TP）平均值表现为沅江（0.070 mg/L） < 澧水（0.077 mg/L） < 松滋河（0.138 mg/L）;沅江的年均入湖磷通量（4 177.26 t/a）对于西洞庭湖磷污染而言仍起主导作用;沅江、澧水与松滋河的磷的形态以DTP（溶解态磷,占比为78.56%~90.19%）为主,并且松滋河DTP占比（90.19%）显著高于沅江和澧水（78.56%~83.34%）.进一步的分析显示,3条河流的磷污染状况受水文因素影响显著,沅江和澧水磷浓度表现为汛期高于非汛期,磷的主要来源为非点源;松滋河的磷浓度表现为非汛期高于汛期,汛期主要取决于长江来水状况,非汛期主要取决于松滋口以下区间的点源污染状况.研究显示,3条河流磷浓度和形态均具有时空差异性,并且年内变化规律差异较大.