張 義 劉子森, 張垚磊 代志剛 賀 鋒 吳振斌

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430070)

環(huán)境因子對(duì)杭州西湖沉積物各形態(tài)磷釋放的影響

張 義1劉子森1,2張垚磊3代志剛1賀 鋒1吳振斌1

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430070)

對(duì)西湖沉積物的磷形態(tài)、粒徑組成、化學(xué)組成進(jìn)行了分析, 模擬研究了上覆水磷含量、光照、pH、溫度、水動(dòng)力條件等不同環(huán)境因子對(duì)西湖沉積物各形態(tài)磷釋放的影響。結(jié)果表明, 上覆水為蒸餾水時(shí)的最大釋磷量約為底泥-湖水系統(tǒng)的1.15倍, 且釋放形態(tài)均以IP中的Fe/Al-P為主。在蔽光條件下的最大TP釋放量約為光照條件下最大TP釋放量的1.35倍。pH 是影響磷釋放的重要因素, 在堿性條件下, 促進(jìn)Fe/Al-P的釋放; 在酸性條件下, 促進(jìn)Ca-P 的釋放。在高溫條件下沉積物的釋磷量會(huì)高于低溫條件下的釋磷量。沉積物各形態(tài)磷的釋放量在15h后逐漸趨于平衡擾動(dòng)狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)TP釋放量是靜態(tài)釋放平衡狀態(tài)的1.61倍。研究結(jié)果旨在探討不同環(huán)境因子對(duì)湖泊沉積物磷遷移轉(zhuǎn)化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng), 預(yù)測(cè)西湖內(nèi)源磷釋放的發(fā)展趨勢(shì), 為控制沉積物內(nèi)源污染提供理論基礎(chǔ)。

環(huán)境因子; 沉積物; 磷形態(tài); 磷釋放; 西湖

磷作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)主要營(yíng)養(yǎng)元素之一, 也是影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵性限制元素[1,2]。湖泊沉積物(底泥)是水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最大的源和庫(kù), 在一定條件下, 它們可以成為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子[3,4]。特別是在外源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷得到控制的條件下,作為內(nèi)源的沉積物磷釋放是決定湖泊上覆水體的磷濃度的重要因素, 在一定程度上決定著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的進(jìn)程[5,6]。影響沉積物磷釋放的因素很多,主要有有機(jī)質(zhì)含量[7]、沉積物組成特征[8]、上覆水磷濃度[9,10]、擾動(dòng)[11]、溫度[12]、pH[13]、光照[14]、溶解氧[15]、微生物作用[13]等。不同影響因素對(duì)磷在沉積物–水界面的遷移轉(zhuǎn)化的影響不同。所以,研究環(huán)境因子對(duì)沉積物磷釋放的影響對(duì)控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化顯得尤為重要。此外, 國(guó)內(nèi)外對(duì)有關(guān)湖泊沉積物磷的吸附–釋放行為影響因素的研究已有大量報(bào)道, 但人們往往僅對(duì)單個(gè)環(huán)境因子對(duì)沉積物磷釋放的影響, 或者主要研究環(huán)境因子對(duì)沉積物總磷釋放的影響進(jìn)行了研究, 而針對(duì)杭州西湖這種特定水體生態(tài)水文特征及地理環(huán)境條件背景下, 沉積物各形態(tài)磷在上覆水–沉積物界面遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律和環(huán)境因子對(duì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響卻鮮有報(bào)道。杭州西湖是我國(guó)開(kāi)展城市湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理最早、單位面積投入強(qiáng)度最大、技術(shù)嘗試最全面的城市湖泊之一[16], 然而, 西湖的水質(zhì)狀況仍不能令人滿意。有研究表明, 2013年西湖外湖水體中總磷平均值仍達(dá)0.046 mg/L[17]?；诖? 本文通過(guò)研究上覆水磷濃度、光照、pH、溫度、水動(dòng)力條件等不同環(huán)境因子對(duì)西湖沉積物各形態(tài)磷釋放的影響, 探討不同環(huán)境因子對(duì)湖泊沉積物磷遷移轉(zhuǎn)化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng), 既可以預(yù)測(cè)西湖內(nèi)源磷釋放的發(fā)展趨勢(shì),又可為控制西湖沉積物內(nèi)源污染提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

采樣點(diǎn)位于杭州西湖小南湖湖心(30°23′16″N,120°13′18″E)(圖1)。杭州西湖面積5.6 km2, 平均水深1.8 m, 屬于典型的城市淺水湖泊, 2011年6月被正式列入世界文化遺產(chǎn)名錄。小南湖位于南山路以北, 蘇堤南端以西, 花港觀魚(yú)以南, 面積約為0.09 km2, 小南湖水域底泥污染較嚴(yán)重, 且底質(zhì)較硬, 平均水深約2.1 m。小南湖的湖水主要來(lái)源于錢(qián)塘江引水工程, 即將錢(qián)塘江的水經(jīng)過(guò)絮凝沉淀等工藝引入到小南湖, 此外, 還來(lái)源于與小南湖相連接的西湖外湖和浴鵠灣。

圖1 小南湖試驗(yàn)區(qū)域示意圖Fig. 1 Map of experimental area in Xiao Nanhu

1.2 樣品采集和分析

現(xiàn)場(chǎng)利用彼得森采樣器(HNM1-2)采集表層0—10 cm沉積物(采樣點(diǎn)水深2.05—2.20 m, 泥深約0.5 m)于封口袋中, 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定氧化還原電位和pH,立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室, 并將沉積物平鋪開(kāi), 讓其自然風(fēng)干, 研磨、過(guò)篩(100目), 按四分法混合均勻, 置于封口袋中密封保存待用。

沉積物采樣的同時(shí)對(duì)其上覆水也進(jìn)行了相關(guān)理化性質(zhì)的分析(經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾, 過(guò)濾后的上覆水置于冰箱4℃保存?zhèn)溆?。

沉積物磷形態(tài)分析采用“SMT (The Standards Measurements and Testing Program of the European commission) Protocol”磷分級(jí)分離方法[18], 該法具有操作簡(jiǎn)單, 各形態(tài)磷的測(cè)定相對(duì)獨(dú)立, 準(zhǔn)確性好的特點(diǎn), 而且測(cè)定值之間可以互相檢驗(yàn)。該法將磷形態(tài)分為5種, 即鐵鋁磷(Fe/Al-P, 主要是吸附在沉積物表面的弱吸附態(tài)磷, Al、Fe、Mn氧化物和水化物結(jié)合的磷), 鈣磷(Ca-P, 主要是與Ca結(jié)合的磷), 無(wú)機(jī)磷(IP), 有機(jī)磷(OP)和總磷(TP)。采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定沉積物各形態(tài)磷含量, 具體參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法第四版》[19]。

沉積物的粒徑分析采用馬爾文粒度儀(Mastersize 2000), 英國(guó)馬爾文公司; 沉積物化學(xué)成分用X熒光光譜儀(Axios advanced X), 荷蘭PANalytical.B. V公司; 沉積物有機(jī)質(zhì)含量用經(jīng)典的重鉻酸鉀法[18]。

1.3 沉積物磷釋放實(shí)驗(yàn)

沉積物磷釋放實(shí)驗(yàn)主要參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行, 取底泥10 g置于1 L錐形瓶底部鋪平, 加入500 mL上覆水, 分別考察上覆水磷濃度、光照、pH、溫度、水動(dòng)力條件等環(huán)境因子對(duì)沉積物磷釋放的影響。

上覆水磷濃度影響在蔽光、溫度(20±2)℃、pH 7.1條件下, 分別以蒸餾水、真實(shí)湖水為上覆水。

光照影響在溫度(20±2)℃、pH 7.1、上覆水為蒸餾水, 光照條件分別為蔽光和光照(250 W高壓汞燈模擬可見(jiàn)光, 汞燈與液面距離50 cm)。

pH調(diào)節(jié)為模擬上層水體pH的極端影響,用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)上層水樣起始pH, 使pH分別為2.0±0.2、4.0±0.2、6.0±0.2、7.0±0.2、8.0±0.2、10.0±0.2和12.0±0.2。

溫度調(diào)節(jié)在蔽光、pH 7.1、蒸餾水為上覆水, 選擇在10℃、20℃、30℃溫度下進(jìn)行釋放試驗(yàn)。

水動(dòng)力條件控制將以蒸餾水為上覆水的錐形瓶裝置置于(20±2)℃恒溫?fù)u床中, 以200 r/min的速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)釋放實(shí)驗(yàn), 設(shè)置1h、2h、4h、6h、10h、12h、15h和24h組。

2 結(jié)果

2.1 沉積物基本理化性質(zhì)

湖泊沉積物粒徑分為黏粒(＜1 μm)、粉砂粒(1—10 μm)和砂粒(10—2000 μm)[19], 較細(xì)的黏粒和粉砂粒對(duì)污染物具有較強(qiáng)的吸附能力和再懸浮能力。所以, 較細(xì)的黏粒和粉砂粒所占比例較高的沉積物, 其對(duì)應(yīng)的污染程度也較高。Mastersize 2000顆粒粒度分析儀的分析結(jié)果見(jiàn)圖2, 黏粒、粉砂粒、砂礫所占比例分別為5.91%、30.74%、63.35%。黏粒和粉砂粒之和所占比例為36.65%, 與小南湖對(duì)應(yīng)的污染程度也是相一致的。沉積物各形態(tài)磷含量及其他物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示, SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3以及K2O是沉積物中的主要組成部分,其含量占到80%以上。沉積物磷中Fe/Al-P的含量相對(duì)較低, 僅占TP的39.2%, Ca-P占到了40.8%, 沉積物磷主要以IP形態(tài)存在, 占總TP的80.5%, OP占TP的31.64%。由此可見(jiàn), 該區(qū)域沉積物中磷的活性較高, 沉積物釋磷的潛力較大。

圖2 沉積物粒徑分布圖Fig. 2 Distribution of sediments particle size

表1 沉積物基本理化性質(zhì)Tab. 1 Properties and chemical compositions of sediment

2.2 上覆水磷濃度對(duì)沉積物釋磷影響

由圖3、表2可知, 當(dāng)上覆水為蒸餾水時(shí), 各形態(tài)磷的釋放量在第12天左右達(dá)到最大, 其TP、OP、IP、Fe/Al-P、Ca-P的釋放量分別為131.15、18.85、107.48、90.40和11.51 mg/kg, 釋放的磷形態(tài)以Fe/Al-P為主。上覆水為真實(shí)湖水時(shí), 各形態(tài)磷的釋放量在10d趨于平衡狀態(tài), 此時(shí), 其TP、OP、IP、Fe/Al-P、Ca-P的釋放量分別為114.15、17.75、99.39、82.67和12.73 mg/kg, 其中釋放的磷形態(tài)以Fe/Al-P為主。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 上覆水為蒸餾水時(shí)的最大TP釋放量(131.15 mg/L, 12d)約為底泥–湖水系統(tǒng)最大TP釋放量(114.15 mg/kg, 10d)的1.15倍左右, 可見(jiàn)上覆水磷濃度對(duì)底泥釋磷的影響較為明顯。

2.3 光照對(duì)沉積物磷釋放平衡時(shí)間影響

比較圖4和蔽光條件下的圖3a可以看出, 沉積物TP的釋放量均呈現(xiàn)先增加后下降, 再趨于平衡的趨勢(shì), 且光照對(duì)沉積物釋磷有一定的影響。光照條件下, 在6d時(shí)出現(xiàn)了TP釋放量降低、沉積物OP含量增加、且Fe/Al-P釋放量增加的現(xiàn)象, 但Ca-P含量變化不大, 由此推測(cè)在4—6d期間, 存在Fe/Al-P轉(zhuǎn)化為OP的現(xiàn)象。沉積物磷的釋放于10d左右趨于平衡, 此時(shí)沉積物TP釋放量為96.85 mg/kg, 即無(wú)光照條件下的最大TP釋放量(平衡時(shí)間12d, 131.15 mg/kg)約為光照條件下最大TP釋放量的1.35倍。

2.4 上覆水pH對(duì)沉積物磷釋放的影響

如圖5所示, 對(duì)于沉積物TP、OP而言, 在pH為8.0左右時(shí), 其釋放量是最小的, pH的增加會(huì)使沉積物磷的釋放量增加, 而當(dāng)pH減小時(shí), 沉積物磷的TP、OP釋放量增加的尤為明顯。pH對(duì)這2種形態(tài)磷釋放量的影響呈先減小再增加的趨勢(shì)。當(dāng)pH為2.0±0.2時(shí), TP、OP釋放量分別為151.59和83.81 mg/kg; 當(dāng)pH升到8.0±0.2時(shí), TP、OP釋放量分別增加了71.18和73.9 mg/kg; 當(dāng)pH達(dá)到12.0±0.2時(shí), TP、OP釋放量分別為123.32和50.25 mg/kg。與pH為8.0±0.2時(shí)相比, TP、OP釋放量分別增加了39.91和40.34 mg/kg。上覆水pH處于較高水平時(shí), Fe/Al-P的釋放量較大, 即堿性條件會(huì)促進(jìn)Fe/Al-P的釋放。其在上覆水pH為2.0±0.2時(shí)表現(xiàn)為吸附作用,吸附量為19.66 mg/kg; Fe/Al-P的釋放量在pH為12.0±0.2時(shí)比pH為2.0±0.2時(shí)增加了73.83 mg/kg。對(duì)于沉積物Ca-P, 酸性條件下釋放量最大, 即酸性條件促進(jìn)沉積物Ca-P的釋放。上覆水pH為12.0±0.2時(shí), Ca-P的釋放量為15.79 mg/kg; 其在pH為2.0±0.2時(shí)的釋放量比在pH為12.0±0.2時(shí)增加了62.88 mg/kg。

表2 沉積物上覆水的理化性質(zhì)Tab. 2 Physical and chemical characters of overlying water above sediments

圖3 上覆水磷濃度對(duì)沉積物磷釋放的影響Fig. 3 The effect of P concentration of overlying water on the release of sediment P (a. distilled water as overlying water, b. lake water as overlying water)

圖4 光照對(duì)沉積物磷釋放平衡時(shí)間影響Fig. 4 The effect of irradiation on the release equailibration time of sediment P

圖5 pH對(duì)沉積物磷釋放平衡時(shí)間影響Fig. 5 The efect of pH on the release of sediment P

2.5 溫度對(duì)沉積物磷釋放的影響

如圖6所示, 在10℃、20℃和30℃條件下進(jìn)行沉積物磷釋放, 結(jié)果表明溫度升高會(huì)促進(jìn)Fe/Al-P和Ca-P的釋放, 并使其他形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化成Ca-P, 在10℃條件下TP釋放量低于30℃條件下的TP釋放量,即在溫度30℃時(shí), 沉積物磷釋放量最大, 此時(shí)TP、OP、IP、Fe/Al-P、Ca-P的釋放量分別為191.20、23.06、175.74、174.75和7.04 mg/kg。

2.6 擾動(dòng)對(duì)沉積物磷釋放的影響

圖6 溫度對(duì)沉積物磷釋放平衡時(shí)間影響Fig. 6 The effect of temperature on the release of sediment P

圖7 擾動(dòng)對(duì)沉積物磷釋放平衡時(shí)間影響Fig. 7 The effect of different disturbance strength on the release of sediment P

如圖7所示, 沉積物各形態(tài)磷的釋放量在起始的15h內(nèi)處于波動(dòng)的狀態(tài), 在15h后逐漸趨于平衡,此時(shí)沉積物TP、OP、IP、Fe/Al-P、Ca-P的釋放量分別為210.59、19.50、191.27、178.99和14.64 mg/kg, 釋放率分別為14.79%、7.02%、16.69%、32.36%和2.52%。將圖7與圖3a相比發(fā)現(xiàn), 動(dòng)態(tài)釋放的平衡時(shí)間比靜態(tài)釋放的平衡時(shí)間要短得多; 在平衡狀態(tài)下沉積物TP、OP、IP、Fe/Al-P、Ca-P的釋放率比靜態(tài)釋放平衡狀態(tài)分別高5.58%、0.23%、7.31%、16.16%和0.54%, 擾動(dòng)狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)TP釋放量是靜態(tài)釋放平衡狀態(tài)的1.61倍, 差異明顯。

3 討論

3.1 上覆水磷濃度對(duì)沉積物釋磷影響

本研究結(jié)果表明, 上覆水磷濃度對(duì)底泥釋磷的影響較為明顯。在底泥-水系統(tǒng)中, 磷的地球化學(xué)行為應(yīng)受控于其各類化合物在水體中的飽和度即閾值, 而表現(xiàn)為底泥對(duì)磷的釋放與吸附: 當(dāng)水體中磷的濃度高于閾值時(shí), 磷表現(xiàn)為吸附, 反之則表現(xiàn)為釋放, 但釋放的強(qiáng)度與水體的磷濃度有關(guān); 水體磷濃度越高, 底泥釋磷量越低, 且釋放常數(shù)與水體磷濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 沉積物和上覆水之間磷濃度差越大, 沉積物釋磷越快, 而當(dāng)水-底泥兩相達(dá)到平衡時(shí), 沉積物磷的釋放量則基本為零[22,23]。

3.2 光照對(duì)沉積物磷釋放平衡時(shí)間影響

光照可能對(duì)沉積物磷的釋放過(guò)程有抑制作用。有關(guān)研究成果顯示, 光照可以刺激沉積物中生物體的生長(zhǎng), 而生物體的生命活動(dòng)可以影響沉積物的釋磷能力[24]。沉積物中微生物的作用以細(xì)菌為主, 細(xì)菌對(duì)沉積物中磷的釋放影響包括: 分解有機(jī)磷的化合物生成無(wú)機(jī)磷, 即礦化作用; 細(xì)菌的生長(zhǎng)和活動(dòng)需要消耗氧, 從而降低水體氧化還原電位,促進(jìn)Fe/Al-P的釋放[25]。在沉積物中受光照影響比較明顯的是藻類, 由于上覆水采用的是蒸餾水, 因此上覆水的磷等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度非常低, 會(huì)促進(jìn)沉積物向上覆水釋放磷等營(yíng)養(yǎng)鹽, 再加上有光照的作用,從而造就了一個(gè)非常利于藻類生長(zhǎng)的系統(tǒng)。由于釋放初期, 藻類有較大的生長(zhǎng)空間, 從而造成了沉積物—上覆水系統(tǒng)中, 藻類的同化作用成為主導(dǎo),這也就解釋了0—6d出現(xiàn)的沉積物OP含量不降反增的現(xiàn)象。當(dāng)藻類生長(zhǎng)到一定的時(shí)候, 有限的系統(tǒng)空間成為限制藻類進(jìn)一步生長(zhǎng)繁殖的條件, 系統(tǒng)的主導(dǎo)作用逐漸由藻類的同化作用轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑸锛?xì)菌的礦化作用, 因此在隨后的過(guò)程中, 沉積物OP含量逐漸降低, Fe/Al-P的含量逐漸升高(表現(xiàn)為Fe/Al-P釋放量逐漸降低)。即使如此, 由于底棲藻類、微生物細(xì)菌等在沉積物磷釋放過(guò)程中起到的“屏障作用”, 在平衡狀態(tài)下, 光照條件下沉積物磷的釋放量要比避光條件要少。圖3a顯示出的在光照條件下沉積物釋磷量, 應(yīng)為光照、微生物的生命活動(dòng)、底泥釋磷能力等因素相互影響的綜合反映。

3.3 上覆水pH對(duì)沉積物磷釋放的影響

本研究根據(jù)模擬釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明上覆水酸堿度的變化對(duì)沉積物釋磷有較為顯著的影響, 其中堿性條件下的釋放強(qiáng)度明顯優(yōu)于酸性條件。沉積物磷的釋放量隨pH的變化呈先減小再增大的趨勢(shì),其原因可解釋為pH影響磷與沉積物的吸附和離子交換作用。在堿性條件下, 釋磷以離子交換為主,體系中OH–與Fe-P、Al-P復(fù)合體中的磷酸鹽發(fā)生交換, 使磷酸鹽的解吸過(guò)程增強(qiáng), 增加了磷向上覆水釋放的速率, 因此pH升高時(shí)沉積物磷釋放增加; 在中性范圍內(nèi), 水體中正磷酸鹽主要以和的形態(tài)存在, 易與底泥中的金屬元素結(jié)合而被底泥吸附, 因此釋磷量最小; 在酸性范圍內(nèi), 沉積物中的Ca-P朝著解吸方向進(jìn)行, 從而促使磷的釋放。

3.4 溫度對(duì)沉積物磷釋放的影響

溫度對(duì)沉積物Fe/Al-P釋放量有較大影響的原因是隨著溫度升高, 微生物活性增強(qiáng), 有機(jī)物質(zhì)分解加速, 導(dǎo)致耗氧增多, 溶解氧減少, 使氧化還原電位降低, 從而使Fe3+還原為Fe2+, Fe-P得以釋放, 導(dǎo)致沉積物磷釋放量增多。微生物的活動(dòng)還可能使沉積物中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)態(tài)的磷酸鹽而得以釋放。溫度對(duì)含Ca沉積物的也有較大影響, 因?yàn)殡S著溫度升高, 有機(jī)質(zhì)礦化加強(qiáng), 產(chǎn)生大量的CO2, 則含Ca沉積物會(huì)加速溶解沉積物磷的釋放也相應(yīng)加快。當(dāng)水體溫度升高時(shí), 藻類植物繁殖加快, 減少了上覆水體中磷的質(zhì)量濃度, 增加了對(duì)磷的需求,從而使平衡向著有利于磷釋放的一方移動(dòng), 促進(jìn)沉積物中磷的釋放[26]。有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸, 大多具有絡(luò)合作用, 例如檸檬酸、酒石酸等對(duì)Fe、Al、Ca均有螯和作用, 沉積物中磷的釋放也相應(yīng)加快[27]。此外, 由于沉積物與水溶液之間進(jìn)行離子交換需要克服固液兩相界面之間的阻力而做功。溫度升高底泥與水溶液所組成的系統(tǒng)內(nèi)能增加, 克服固液界面阻力做功的能力增強(qiáng), 有利于沉積物膠體與水溶液進(jìn)行離子交換, 其結(jié)果是溫度越高, 沉積物磷釋放量越大。沉積物與水組成的混合液中, 沉積物膠體吸附的磷同水溶液中的磷不斷地進(jìn)行吸附與解吸, 磷的解吸是一個(gè)吸收熱量的過(guò)程。溫度升高, 促進(jìn)吸附-解吸的動(dòng)態(tài)平衡向解吸的方向進(jìn)行, 使沉積物膠體解吸磷的量增加。

因此, 在高溫條件下沉積物的釋磷量會(huì)高于低溫條件下的釋磷量, 這也是許多湖泊到了夏季往往容易出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化增強(qiáng)的狀況的原因。

3.5 擾動(dòng)對(duì)沉積物磷釋放的影響

由圖7可見(jiàn), 擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)沉積物磷釋放有一定的影響。一定動(dòng)力條件的擾動(dòng)引起底泥-上覆水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中磷濃度的變化, 大致可解釋為2個(gè)原因: 存在于沉積物中的間隙水, 可溶解性磷的濃度遠(yuǎn)高于上覆水, 擾動(dòng)加快了間隙水與上覆水體的物質(zhì)交換速度與量, 增加磷向水體的釋放; 擾動(dòng)對(duì)底泥中磷釋放的影響是一種物理過(guò)程, 擾動(dòng)加大, 擾動(dòng)可促使沉積物的顆粒懸浮, 增加顆粒與水體接觸的表面積, 促進(jìn)磷的釋放。由圖7可見(jiàn), 擾動(dòng)太劇烈可能使部分已釋放的磷又被沉積物吸附, 同時(shí)劇烈擾動(dòng)進(jìn)一步增加了水體的溶解氧。由此可見(jiàn), 一定條件的擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)加速淺水型湖泊內(nèi)源磷的釋放, 該研究結(jié)果可為控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化提供一定的理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

(1)西湖小南湖沉積物粒徑較細(xì), 有機(jī)質(zhì)含量較高, 且主要以IP形態(tài)存在, 沉積物釋磷潛力較大。(2)上覆水磷含量、光照、pH、溫度和擾動(dòng)等環(huán)境因子都是影響沉積物磷向上覆水釋放的重要因素。(3)上覆水為蒸餾水時(shí)的最大釋磷量約為底泥-湖水系統(tǒng)的1.15倍, 且沉積物磷的釋放形態(tài)均以IP中的Fe/Al-P為主。在蔽光條件下的最大TP釋放量約為光照條件下的1.35倍。在中堿性條件下的沉積物磷的釋放強(qiáng)度明顯優(yōu)于酸性條件。在堿性條件下, 促進(jìn)Fe/Al-P的釋放, 在酸性條件下, 促進(jìn)Ca-P的釋放。高溫條件下沉積物的釋磷量高于低溫條件下的釋磷量。一定條件的擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)加速淺水型湖泊內(nèi)源磷的釋放。擾動(dòng)狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)TP釋放量是靜態(tài)釋放平衡狀態(tài)的1.61倍, 差異明顯。

致謝:

感謝“十二五”水專項(xiàng)西湖工作站的老師和同學(xué)們對(duì)本研究的指導(dǎo)和幫助。

[1]Xie L Q, Xie P, Tang H J. Enhancement of dissolved phosphorus release from sediment to lake water by Microcystis blooms-an enclosure experiment in a hyper-eutrophic, subtropical Chinese lake [J].Environmental Pollution, 2003, 122(3): 391—399

[2]Zhang C, Zhu M Y, Zeng G M,et al. Active capping technology: a new environmental remediation of contaminated sediment [J].Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(5): 4370—4386

[3]House W A, Denison F H. Factors influencing the measurement of equilibrium phosphate concentrations in river sediments [J].Water Research, 2000, 34(4): 1187—1200

[4]Chen J L, Hu M M, Zhou H D,et al. Studies on population dynamics and the underlying impact factors of phytoplankton during the cyanobacteria bloom in lake Erhai [J].Acta Hydrobiologica Sinica, 2015, 39(1): 24—28 [陳建良, 胡明明, 周懷東, 等. 洱海藍(lán)藻水華暴發(fā)期浮游植物群落變化及影響因素. 水生生物學(xué)報(bào), 2015, 39(1):24—28]

[5]Wang X R, Wang G Z, Luo X,et al. Effects of the lakeinterconnected engineering on the distribution of pollutants in the sediments of eutrophic lakes [J].Acta Hydrobiologica Sinica, 2016, 40(1): 139—146 [王秀榮, 王廣召,羅鑫, 等. 連通工程對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物中污染物的影響. 水生生物學(xué)報(bào), 2016, 40(1): 139—146]

[6]Zhang Y, He F, Xia S B,et al. Studies on the treatment efficiency of sediment phosphorus with a combined technology of PCFM and submerged macrophytes [J].Environmental Pollution, 2015, 206: 705—711

[7]Zhao H C, Wang S R, Zhang L,et al. Effect of OM content and constituents on phosphorus adsorption-release of the sediment from Erhai Lake [J].Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(9): 2346—2354 [趙海超, 王圣瑞, 張莉, 等. 有機(jī)質(zhì)含量及其組分對(duì)洱海沉積物磷吸附-釋放影響. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(9): 2346—2354]

[8]Lopez P, Lluch X, Vidal M,et al. Adsorption of phosphorus on sediments of the Balearic Islands (Spain) related to their composition [J].Estuarine,Coastal and Shelf Science, 1996, 42(2): 185—196

[9]Zhang Y, He F, Kong L,et al. Release characteristics of sediment P in all fractions of Donghu Lake, Wuhan,China [J].Desalination and Water Treatment, 2016,57(53): 1—9

[10]Kou D D. Research on the Treatment of Sediment Phosphorus by the Environmental Ceramic Filter balls Combining with Submerged Plants [D]. Thesis for Master of Science. Wuhan University of Technology, Wuhan. 2012[蔻丹丹. 環(huán)保陶瓷濾球與沉水植物聯(lián)合處理沉積物磷的試驗(yàn)研究. 碩士學(xué)位論文, 武漢理工大學(xué), 武漢. 2012]

[11]Nürnberg G, LaZerte B. Evaluation of remediation options for Elk/Beaver Lake, Victoria BC [J].Freshwater Research, 2016: 18—27

[12]Xu J, Xu L G, Gong R,et al. Adsorption and release characteristic of phosphorus and influential factors in Lake sediment [J].Ecology and Environmental Sciences, 2014,23(4): 630—635 [徐進(jìn), 徐力剛, 龔然, 等. 鄱陽(yáng)湖沉積物中磷吸附釋放特性及影響因素研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2014, 23(4): 630—635]

[13]Lu H, Wan J, Li J,et al. Periphytic biofilm: A buffer for phosphorus precipitation and release between sediments and water [J].Chemosphere, 2016, 144: 2058—2064

[14]Wang J, Jiang X, Zheng B,et al. Effect of algal bloom on phosphorus exchange at the sediment-water interface in Meiliang Bay of Taihu Lake, China [J].Environmental Earth Sciences, 2016, 75(1): 1—9

[15]Chen M, Ding S, Liu L,et al. Kinetics of phosphorus release from sediments and its relationship with iron speciation influenced by the mussel (Corbicula fluminea) bioturbation [J].Science of the Total Environment, 2016,542: 833—840

[16]Lu K H, Yao L Y, Zhou S Q,et al. Population variation of phytoplankton in West Lake of Hangzhou before and after diluting sewages with erupting into river water and effect of controlling eutrophication [J].Chinese Journal of Applied Ecology, 1992, 3(3): 266—272 [陸開(kāi)宏, 姚禮一, 周少勤, 等. 杭州西湖引流沖污前后浮游藻類變化及防治富營(yíng)養(yǎng)化效果評(píng)價(jià). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1992, 3(3):266—272]

[17]You A J, Wu Z Y, Han Z C,et al. Spatial and temporal distributions and variations of nutrients in the West Lake,Hangzhou after the implementation of integrated water management program (1985-2013) [J].Journal of Lake Sciences, 2015, 27(3): 371—377 [尤愛(ài)菊, 吳芝瑛, 韓曾萃, 等. 引水等綜合整治后杭州西湖氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空變化(1985-2013). 湖泊科學(xué), 2015, 27(3): 371—377]

[18]Ruban V, Lopez-Sanchez J F, Pardo P,et al. Harmonized protocol and certified reference material for the determination of extractable contents of phosphorus in freshwater sediments-A synthesise of recent works [J].Fresenius’Journal of Analytical Chemistry, 2001, 307: 224—228

[19]State Environmental Protection Administration of China,Standard Methods for the Examination of Water and Waste WaterEditorial Committee. Water and Wastewater Detection and Analysis Methods (Fourth Edition) [M].Beijing: China Environmental Science Press. 2002,243—246 [國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局, 《水和廢水檢測(cè)分析方法》編委會(huì). 水和廢水檢測(cè)分析方法(第四版). 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社. 2002, 243—246]

[20]Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences.soil physical and chemical analyses [M]. Shanghai:Shanghai Scientific amp; Technical Publishers, 1978,134—165 [中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所. 土壤理化分析.上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社. 1978, 134—165]

[21]Jin X C, Tu Q Y. Code for investigation of Lake Eutrophication (Second Edition) [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1990, 213—215 [金相燦, 屠清瑛.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第二版). 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社. 1990, 213—215]

[22]Jin X, He Y, Kirumba G,et al. Phosphorus fractions and phosphate sorption-release characteristics of the sediment in the Yangtze River estuary reservoir [J].Ecological Engineering, 2013, 55: 62—66

[23]Zhang B, Fang F, Guo J,et al. Phosphorus fractions and phosphate sorption-release characteristics relevant to the soil composition of water-level-fluctuating zone of Three Gorges Reservoir [J].Ecological Engineering, 2012, 40:153—159

[24]Tsujimura S, Tsukada H, Nakahara H,et al. Seasonal variations of Microcystis populations in sediments of Lake Biwa, Japan [J].Hydrobiologia, 2000, 434(1-3):183—192

[25]Xu Y T. The study on the effect of bacteria on organic phosphorus cycling in sediment of Xihu Lake [D]. Thesis for Master of Science. Zhejiang University, Zhejiang.2005 [許云臺(tái). 西湖沉積物中微生物對(duì)有機(jī)磷循環(huán)影響研究. 碩士學(xué)位論文, 浙江大學(xué), 浙江. 2005]

[26]Zhou Q X, Yu J, Chen J,et al. Cycling Characteristics of Phosphorus in a Urban Lake and Its EutrophicationPotentiality [J].Environmental Science, 2004, 25(5): 138—142[周啟星, 俞潔, 陳劍, 等. 某城市湖泊中磷的循環(huán)特征及富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生潛勢(shì). 環(huán)境科學(xué), 2004, 25(5): 138—142]

[27]Han S S, Wen Y M. Phosphorus release and affecting factors in the sediments of eutrophic water [J].Chinese Journal of Ecology, 2004, 23(2): 98—101 [韓沙沙, 溫琰茂. 富營(yíng)養(yǎng)化水體沉積物中磷的釋放及其影響因素. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(2): 98—101]

EFFECTS OF VARYING ENVIRONMENTAL CONDITIONS ON RELEASE OF SEDIMENT PHOSPHORUS IN WEST LAKE, HANG ZHOU, CHINA

To understand the eco-environment effects of varying environmental factors on the transportation and transformation of sediments P and the development of West Lake sediments P release, we analyzed phosphorus (P) fractions, grain size and chemical composition of sediments in West Lake, and investigated the influence of varying environmental conditions including P concentration in overlying water, light, pH, temperature and disturbing on the release of sediment P. The results indicated that the largest release quantity of sediment total phosphorus (TP) in the distilled water was 1.15 times compared with that in sediment-water system, and the main P form were P bound to Al, Fe, and Mn oxides and oxyhydroxides (Fe/Al-P) of inorganic phosphorus (IP). The greatest release quantity of TP under no light was almost 1.35 times larger than that under illumination condition. The pH value was an important factor for the release of P from sediments, and alkaline condition promoted the Fe/Al-P release and acid condition promoted the Calcium bound phosphorus (Ca-P) release. High temperature promoted sediment P release. Various P fractions content in the sediment gradually gained equilibrium in the condition of disturbing intensity after 15h. Sediment P release amount under equilibrium disturbing condition was about 1.61 times compared with that under static equilibrium. This study provides theoretical basis for the control of internal pollution caused by sediment P release.

Environmental factors; Sediment; Phosphorus fractions; Phosphorus release; West Lake

X524

A

1000-3207(2017)06-1354-08

2016-11-01;

2017-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51709254); 中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目資助 [Supported by the National Nature Science Foundation of China (51709254); the Knowledge Innovation Program of the Chinese Academy of Sciences]

張義(1988—), 男, 湖北宜昌人, 博士(后), 副研究員; 主要從事新型環(huán)保材料研制和水體生態(tài)修復(fù)研究。E-mail: zhangyi@ihb.ac.cn

賀鋒(1973—), E-mail: hefeng@ihb.ac.cn

10.7541/2017.167