河道沉积物中磷的分布

北极星环保网来源:2016/11/27 23:34:17我要投稿

所属行业: 环境修复关键词：磷含量沉积物富营养化

3.3 长江口沉积物碱性磷酸酶的时空变化

沉积物中碱性磷酸酶(APA)介于26.85~112.82 μg˙h-1之间，夏冬季平均值分别为83.25 μg˙g-1˙h-1、59.21 μg˙g-1˙h-1.由图 5可知，各采样点APA夏季均大于冬季.研究表明，夏季温度高酶活性大，冬季温度低酶活性低(周礼恺，1987; Wilczek et al.，2005)，温度升高可以增加酶与基质间亲附性，酶的催化速率提高(Chróst et al.，1993);另外，微生物新陈代谢速率会随温度升高而增大进而使微生物产生更多酶(Wallenstein et al.，2011)，因此研究区APA呈现出明显的季节变化.空间分布上，可以看出淡水端APA较大，说明APA与污染物陆源输入关系密切(章婷曦等，2007)，沿岸营养物质输入越多，有机磷或可酶解磷的含量增加越多，诱使APA越大，这种机制被称为底物诱导机制(刘存歧等，2007).因此，APA在一定程度上可以作为沉积物污染程度的指标(黄睿智等，2013).由相关性分析可知，APA仅在冬季与OP呈显著相关关系(p<0.05)，与其它形态的磷相关性较差.

图 5

图 5 沉积物中APA的时空分布

4 讨论

4.1 沉积物中各形态磷主要影响因素

沉积物磷含量、赋存形态与空间分布是多个影响因子综合作用的结果，包括环境因子(沉积物组成、水动力等)及人类活动影响.长江口滨岸潮滩及岸带沉积物以HCl-P为主要赋存形态(刘敏等，2001; 侯立军，2001; 高效江等，2003)，印度的西南岸河口(Aaronson et al.，1976)、中国的海河(韩璐等，2010)以HCl-P为主，而中国巢湖受面源污染为主，西半湖NaOH-P含量大于东半湖，东西半湖HCl-P含量相当(徐康等，2011)，太湖严重富营养化区以NaOH-P为主，中富营养化区部分NaOH-P含量高，部分HCl-P含量高(金相灿等，2004)，不同地区磷赋存形态差异可能与沉积物类型和化学组成、有机质含量、pH值、氧化还原电位及沉积物-水界面间氧气的含量等环境因素有关(Frankowski et al.，2002).由表 3可知，pH、粒径、TOC、TN、盐度、APA等环境因子均对磷形态的含量分布产生一定的影响，而且在不同季节影响不同.

表 3 沉积物中各形态磷与理化性质相关性

粒度是影响沉积物中磷含量的一个重要因素.一般来说，沉积物粒径越小，颗粒比表面积就越大，对磷的吸附力就越强(刘敏等，2001)，沉积物中赋存的磷就越多.本文中冬季沉积物TP与粒径相关性较好，而夏季相关性不明显.冬季IP粘粒和粉砂均呈显著负相关关系(p<0.05)，与砂粒呈显著正相关关系(p<0.01).IP中NaOH-P与粒径无显著相关性.HCl-P与粒径在冬夏季相关性都不大，但是表现出了随粒径增大而含量增多的趋势，可能的原因是HCl-P主要成分是难溶的碳酸钙矿物，这些矿物多在沉积物成岩初期形成，比较稳定，尤其在碱性环境中更难溶解，所以HCl-P多趋向砂粒中分布.而OP在夏冬季分别与粘粒呈显著p<0.05)、极显著(p<0.01)正相关关系，与粉砂冬季呈显著正相关关系(p<0.05)，体现了细颗粒比表面积大、吸附力强的特性(刘敏等，2001).这与上述一般规律有差异，可能的原因是其它环境影响因子(有机质含量、沉积物-水界面氧含量等)共同作用且影响程度大小不同导致了细颗粒对不同形态磷的吸附差异.

pH对沉积物中磷的影响机理非常复杂，刘敏等(2002)在研究长江口潮滩沉积物的过程中得出pH对磷吸附影响为“U”型，而Zhou(2005)对太湖沉积物研究后发现pH对磷吸附的影响呈倒“U”型，安敏(2009)在对海河沉积物磷的吸附解吸研究中得出pH对沉积物中磷吸附影响为“U”型，而对磷解析影响是正相关关系.上述研究都是基于等温基础上，通过研究磷的吸附解吸进而决定了磷的最终赋存量.在本研究中，冬夏两季pH值均约为8，呈微碱性，这有利于OH-与被束缚的PO43-竞争吸附于沉积物的活性电位上，致使PO43-被释放出，进而NaOH-P、HCl-P含量减少.夏季pH均值稍小于冬季，磷酸盐溶解度大于冬季.

由相关性分析可知，本文APA与TP、IP夏冬季分别呈正负相关性，与沉积物OP在夏季呈显著正相关(p<0.05).这与刘存歧(2007)、姜经梅(2011)等研究所得结果不一致，刘认为APA与沉积物TP呈显著正相关而与溶解性IP呈显著负相关;姜研究得出APA与沉积物中TP、IP和OP均显著正相关.另外有研究表明，APA与OP关系比较复杂.薛雄志(1995)认为，若沉积物OP被ALP酶解产生的IP被沉积物中生物所利用，则APA与OP含量正相关;若沉积物OP经APA作用后产生的IP向上进到上覆水中，则APA与OP含量呈负相关性.黄邦钦(1999)则指出，溶解IP和小分子溶解OP浓度是影响APA变化的主要因子，表现为当溶解IP或小分子溶解OP几乎被耗尽时，APA跃至高值.因此，APA与颗粒态或溶解态磷的关系具有不确定性，可能与生物作用、沉积理化条件以及营养盐含量大小有关.

此外，TOC、盐度也会对磷赋存形态及含量产生影响.OP与TOC在夏季呈显著正相关关系(p<0.05)，与TOC冬季正相关性也较好.细颗粒对有机质吸附性强，TOC可以表征有机质的量(康勤书等，2003)，故细颗粒对TOC吸附性强.除OP外，盐度与磷形态均呈负相关关系，在冬季与IP、NaOH-P表现出显著性(p<0.05)，说明盐度对其释放有一定限制作用，而与OP呈显著正相关关系(p<0.05)，OP解析量随盐度递增.TP、IP与TOC、TN相关性不显著可能与水动力、环境介质条件以及生物作用有关.

4.2 沉积物中生物有效磷

有研究指出，沉积物中生物有效磷(沉积物中能以溶解态磷酸盐释放，并被藻类吸收利用的磷)主要来自IP，其中NaOH-P中的Fe结合态磷易受沉积环境影响，沉积环境趋于还原状况，则结合态磷发生还原释放出正磷酸盐，补充生物有效磷，是潜在的生物可利用磷(Bai et al.，2009; 侯立军等，2006).HCl-P在碱性条件下较稳定，难以转化为正磷酸盐，几乎对上覆水磷酸盐浓度变化不起作用(金晓丹等，2015).OP较稳定地蓄积在沉积物中，对生物有效磷贡献较小.但是，当沉积物中IP被藻类等浮游生物过量消耗时，OP可水解成为生物有效磷，起着重要的补充作用(熊强等，2014).因此，NaOH-P与OP之和可估算出沉积物中生物有效磷含量，粗略计算出沉积物中潜在的可释放磷的上限，为判断水体富营养化及治理提供依据(Sonzogni et al.，1982; Rubna et al.，1999; De Jonge et al.，1993).通过对磷赋存形态分析，发现研究地区生物有效磷含量约为75.67~108.9 μg˙g-1，平均占TP的13.02%，仅是沉积磷库中的一小部分，这部分磷在复杂的生物地球化学过程中还会再生活化，从而对水体富营养化、水域生态平衡产生不同程度的影响.

4.3 国内外不同水体沉积物中TP含量

近年来，自然环境中沉积物磷的研究成果多有报道，主要集中在河流、海洋、湖泊等水域，河流又分为河口、潮滩、沙洲、上下游等不同研究域，丰富了磷的基础数据资料.与其他水体沉积物磷含量相比，本研究地区TP含量处于高水平(表 4).加拿大安大略省制定的环境质量评价标准规定能引起最低级别生态风险效应的TP含量为600 μg˙g-1(Leivuori and Niemist，1995)，本研究区域夏冬季TP含量平均值分别为667.81 μg˙g-1、740.74 μg˙g-1，均大于600 μg˙g-1，说明研究区中大部分TP含量已超标，具有潜在生态风险性.从沉积物类型来看，TP平均含量明显呈现湖泊>河口>海洋和滨海(表 4).

表 4 不同水体沉积物中TP含量

5 结论

1)夏季长江口及邻近海域底部沉积物中TP含量变化范围是476.91~934.02 μg˙g-1，冬季变化于565.01~980.04 μg˙g-1之间，夏季各赋存形态磷含量均小于冬季.冬夏季IP都是TP的主要赋存形态，平均约占TP的85%.IP中，又以HCl-P为主，占到IP的42%以上.

2)空间分布上，夏季TP含量由咸水端到淡水端呈现先降低后升高的趋势，冬季则呈现先升高后降低的趋势.IP冬夏季空间分布与TP相似;NaOH-P含量在冬夏两季由咸水端到淡水端均呈现增高的趋势;HCl-P在冬季淡水端含量较高.OP在夏季无明显分布规律，冬季在咸水端含量较高.

3)相关分析表明，沉积物中磷的含量分布受沉积环境中多方面因素的影响，不同季节相关性大小不同.TP与环境因子相关性不明显.IP在冬季与粒径、盐度呈显著相关性，随粒径增大含量增多，随盐度增大含量减少.NaOH-P在夏季随粒径增大含量减少，冬季相反，且冬季与盐度呈显著负相关关系.HCl-P与粒径、TOC、TN以及盐度冬夏季相关性均较差.夏季OP与粘粒、TOC呈显著正相关关系;冬季，OP与粘粒呈极显著正相关关系，与粉砂、盐度、APA呈显著正相关关系，而与砂粒呈显著负相关关系.

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