辽河水系沉积物磷的空间分布、化学形态和迁移转化

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磷是影响水体富营养化的关键因素之一。大量研究表明,磷是现代大部分水体富营养化的主要限制因素。当水体外源磷得到充分认识和有效控制之后,内源磷的污染就越来越被人们所重视。所谓磷的内源污染,是指磷由沉积物向水体释放的现象。研究磷的内源污染主要方法有吸附解吸实验、在实验室静态模拟或者进行实地监测、对沉积物磷进行分级提取等。 辽河流域是东北老工业基地的所在地,中下游地区地表水量少,地下水量有限,工农业等用水过于集中,加上管理不善,因此,水资源十分紧张,水质污染严重。目前,有关辽河水体重金属和有机污染物的研究均有报道,而有关磷在整个流域的系统研究却几乎没有,沉积物磷的吸附解吸、形态转化等机理研究也比较缺乏,此次通过国家973课题“重要水系典型污染形成过程及环境行为”对此进行研究。 本研究用电感偶合等离子体发射光谱(ICP-AES)测定水体TP,采用Chang和Jackson的分级方法对辽河表层和柱状沉积物进行分级,得出以下结论。 1.平均水体总磷(TP)含量为310.8μg/L,达到国家Ⅳ类水标准,但各个河段含磷量差别很大,范围为8.3-2647.7μg/L。 2.辽河水系沉积物TP在206-1324mg/kg之间,平均值为707mg/kg,与长江中下游湖泊处于相似的水平;无机磷(IP)平均占TP的81.2%,占主体地位,有机磷(Org-P)平均占TP的18.8%;弱吸附态磷(Ex-P)含量极少,平均值为3.39mg/kg,;铝结合态磷(Al-P)的平均值为29.5mg/kg,占TP的4.3%;铁结合态磷(Fe-P)的平均值为82.8mg/kg,占沉积物TP的12.5%。Ex-P、Al-P、Fe-P三者之和为活性磷(Bio-P),是沉积物中不稳定的磷的形态,可作为评价沉积物磷的重要指标。辽河流域表层沉积物Bio--P的范围为6.8-425.2mg/kg,平均值为114.6mg/kg,占TP的13.2%。由Bio-P与全国平均值比较可以得出,大辽河的平均Bio-P含量超过了全国平均值,浑河有2个河段超过了全国平均值,而太子河全部河段都在平均值之下。由此可以判断,辽河流域三条主要河流沉积物磷释放风险由大到小的顺序是:大辽河、浑河、太子河。Bio-P与Al-P、Fe-P的相关度极高(R=0.82、0.92,n=27),与闭蓄态磷(Oc-P)含量相关度也很高(R=0.68,n=27)。 3.在柱状沉积物的研究中得出,H5点TP和其它各种形态的磷随深度的变化规律极为相似,在0-25cm深度都处在相对较低的水平上,变化不大,但在25cm以下突然上升,随深度的增加急剧升高。T7、D2和Dz三点,TP和Ca-P随深度的变化幅度不大,其它形态磷随深度变化规律性不强。在这四个剖面中,钙结合态磷(Ca-P)一直占TP的主体。 本实验对6个特定河段表层沉积物进行吸附解吸的批处理实验,结果表明,在水体磷浓度较低时,沉积物对磷的吸附量与水体磷的浓度符合线性吸附等温式,而且存在负吸附现象。在水体磷浓度变化范围较大时,沉积物对磷的吸附量与水体磷的浓度符合Langmuir吸附等温线的修正式。从EPC0与水体磷浓度的比较来分析,整个辽河水系,除水体磷污染极为严重的河段外,其余各河段磷均有从沉积物向水体扩散的趋势。由修正的营养状态指数法(TSIM)分析,沉积物磷向水体扩散的趋势很大。沉积物磷释放的风险由大到小是:大辽河>浑河>太子河。 对沉积物磷形态转化的研究表明,沉积物成为磷的“汇”时,进入沉积物的磷主要以Ex-P、Al-P和Fe-P形式存在,其中Fe-P是主体。沉积物中Oc-P、Ca-P含量基本稳定;水体磷浓度较高(>2.48mg/L)时,进入沉积物的磷转化为Bio-P和稳定态磷的比例相对稳定,即平均有96.3%转化成为Bio-P,有3.7%转化成为稳定态磷。当沉积物是磷“源”时,pH值增加、氧化还原电位降低以及水生生物的影响是主要的释磷机制,而且这三种机制往往是联合在一起共同促进沉积物磷的释放的。
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