覆盖材料对湖泊沉积物磷释放影响机制研究

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控制湖泊内源磷负荷释放,是合理有效控制因内源磷负荷释放而形成水华的主要手段,研究和揭示覆盖材料对内源磷释放的影响机制将为湖泊水华治理提供科学理论依据。本文通过氧化铝、氧化铁、氧化锰、湖沙和蛭石5种材料覆盖洱海北、中、南沉积物,通过分析上覆水中12个月的TP、DTP、SRP、DOP和PP释放量的变化,分析不同材料对不同区域沉积物磷释放过程的影响,并以覆盖后沉积物磷形态变化,有机质含量和结构变化,Fe、Al、Mn金属形态的变化,研究不同材料覆盖对沉积物磷释放的影响机制。并以微电极及温室气体测定仪研究覆盖不同材料后沉积物-水界面的DO和RD的微界面特征,及有机质矿化速率,验证其影响机制。本文主要工作及取得的成果如下:  1)覆盖材料的洱海沉积物TP最大释放量Qmax总体表现为北部(0.92~1.55mg/kg)>中部(0.25~0.44mg/kg)>南部(0.18~0.32mg/kg)。5种材料对3个区域沉积物SRP释放均有较强的控制效果,且金属氧化物强于非金属无机材料,其中Fe氧化物和Al氧化物对南部沉积物SRP释放阻控效果最好,削减达到57.14%和49.15%。湖沙和蛭石对沉积物DOP和PP释放控制作用较差,而Fe氧化物和Al氧化物对北部沉积物DOP和PP释放阻控效果较强,削减约40%和50%左右。  2)覆盖不同材料对沉积物w(TP)分布均产生影响。覆盖材料后沉积物w(TP)向下层富集Al组、Fe组和Mn组沉积物趋势明显。覆盖不同材料后洱海北、中、南部沉积物磷形态变化不同。覆盖铁、铝两种氧化物降低了北部、中部和南部沉积物中w(NH4Cl-P)、w(BD-P)、w(NaOH-P),(BD-OP)、w(NaOH-OP)和w(NH4Cl-P),但南部沉积物的w(BD-P)和w(NaOH-P)变化较小,湖沙和蛭石主要影响沉积物w(NH4Cl-OP)、w(BD-OP)、w(NaOH-OP)。沉积物中w(HCl-OP)和w(Residual-OP)变化较小。  3)洱海沉积物中Al主要以Residual-Al、HCl-Al和NaOH-Al为主要存在形式,但覆盖材料后其NH4Cl-Al及BD-Al变化较大,而沉积物中Fe主要以HCl-Fe和BD-Fe为主要存在形式,且变化明显,而Mn主要以NH4Cl-Mn、BD-Mn和HCl-Mn为主,Residual-Mn几乎没有。  4)覆盖材料后w(TFe/TP)在29.06~60.10之间,Fe组高达60.10。w(TAl/TP)在8.99~10.52之间,各组差异较小。w(TMn/TP)在1.11~2.01之间,Mn组最高达2.01,可见,Fe对洱海沉积物磷的作用远高于Al和Mn。各组 w(TFe/TP)、w(TMn/TP)、w(TAl/TP)值均高于CK组,且表现为金属组>矿物组>CK组。覆盖材料增大了沉积物 w(TFe/TP)、w(TMn/TP)、w(TAl/TP)的比值,增强沉积物对磷的吸附能力,进而影响沉积物磷释放量,其中以Fe氧化物最为显著。  5)覆盖不同材料能使洱海沉积物中w(TOM)分布产生变化,铁氧化物促进了北部和中部沉积物TOM向表层富集,南部TOM向下层迁移。铝氧化物促进北部和南部沉积物TOM向下迁移,中部沉积物TOM向上迁移。锰氧化物、湖沙和蛭石对洱海沉积物w(TOM)分布及迁移方式影响较小。覆盖不同材料降低了沉积物中w(DOM),同时影响了DOM分子量、芳香性程度、取代基数量级取代程度、有机质来源特征和腐殖化程度,进而影响沉积物DOM与磷的结合形态。覆盖金属氧化物不仅与沉积物DOM形成的复合体对磷释放有较大抑制作用,同时金属离子与沉积物DOM发生反应形成大分子DOM对磷的吸附和固定能力增大。  6)覆盖不同材料对洱海不同区域沉积物pH的影响既有区别又有相似之处。pH主要通过影响金属Fe、Al、Mn与磷的结合状态进而影响沉积物磷释放,不同覆盖材料均降低了沉积物的Eh(氧化还原电位,其值越高,氧化性越高),且变化趋势一致,且均低于200mV。覆盖不同材料影响了沉积物中Fe、Al、Mn与磷的结合状态进而影响沉积物磷释放。并通过增大上层沉积物DO穿透深度和氧化还原电位稳定程度,和降低了沉积物TOM矿化速率(CK组>Al组>Fe组),最终控制了沉积物磷释放。
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