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浅谈湖泊沉积物磷污染及其释放风险研究

时间:2017-05-17来源:海达范文网

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1 研究概况

近年随着经济的快速发展, 水污染问题也日益严重,其中水体富营养化问题已成为世界性的环境问题,目前在我国131 个主要湖泊中, 已达到富营养程度的湖泊有67 个,占51.2%。湖泊沉积物在湖泊环境研究体系中占有极其重要的地位。对湖泊沉积物大量的研究发现,沉积物磷含量及其形态对湖泊的营养状态存在重要影响。国内对湖泊沉积物磷时空分布特征及其环境意义、释放风险等进行了大量的研究,如长江中下游地区的太湖、鄱阳湖等。沉积物是磷的重要蓄积库或者释放源,通过间隙水与上覆水体进行营养盐交换,从而影响水体的营养状态,是水域营养盐循环的重要环节。湖泊的内源磷污染已经成为富营养化治理的一大难题。因此通过研究沉积物磷分布特征与赋存状态,并结合具体湖泊的污染状况,分析其释放风险就显得十分重要。

2 湖泊沉积物磷分级研究及赋存形态

湖泊沉积物中磷含量及其形态,对于沉积物-上覆水界面的营养盐交换以及沉积物磷的生物可利用性存在决定性的影响,然而,不同形态磷的释放风险不同,其生物有效性亦不相同,因此,就有必要对沉积物磷进行分级研究。1957 年,Chang 和Jackson最早开始了沉积物磷分级的研究,但是,其只是对无机态磷进行了分级,而且没有研究各形态磷的分布特征及环境意义,后续研究者在对沉积物磷的分类方法上与C-J 法思想一致。Simon 等2009 年对UpperKlamath 湖进行了磷分布特征的研究,并对水华期间表层沉积物会作为磷源向上覆水体释放磷的假设进行了研究,其通过大规模水华爆发前后表层沉积物磷含量的变化进行了分析, 发现湖泊不同点位的沉积物磷含量的变化情况并不一致,有的点位磷含量明显降低,而有的点位则明显升高,这与具体点位沉积物磷的生物可利用性有关。Gunduz 等2011年对Mediterranean 海岸表层沉积物磷分布特征进行了研究, 其对沉积物磷分级采用的方法与金相灿提出的类似,各形态磷含量大小关系为:Ca-P>Al-P>Fe-P>松散结合态磷。Zhang 等2012 年对三峡水库磷的分布特征以及吸附-释放特性进行了研究,得出结论:在研究区域内,无机磷为磷的主要存在形态,而钙结合态磷为无机磷的主要存在形式。

3 湖泊沉积物磷吸附性质

在湖泊沉积物磷分布特征研究之外,对沉积物磷吸附性质的研究日益成为湖泊研究的重点之一。目前对沉积物磷吸附性质的研究多集中在大型浅水湖泊以及入湖河道上,如An 等在2009 年对南四湖及其主要入湖河道的沉积物-水界面上表层沉积物对磷酸盐的吸附性质进行了研究,并得出沉积物对磷酸盐的吸附过程主要发生在接触后的10h 内,在48h 内完成整个吸附过程;Wang 等2012 年在赋石水库对沉积物磷的吸附性质的研究中加入了沉积物本身性质的研究,并探讨了沉积物磷的吸附性质与沉积物自身性质的相关性,得出沉积物粘土、铁、铝含量以及铁与铝含量之和为影响沉积物对磷吸附性质的主要因素;姜霞等2011 年在太湖对沉积物磷吸附-解吸性质进行了研究, 以期明确太湖沉积物“源”“汇”情况,通过90 组实验以及结合间隙水、沉积物各形态磷的分布特征最终得出结论:在总体水平上,太湖沉积物是上覆水体的“源”。

4 沉积物磷释放风险

沉积物磷释放风险的研究方法为采用沉积物磷吸附指数(PSI)和磷吸附饱和度(DPS)及其衍生参数进行评价。国内黄清辉等在对太湖表层沉积物进行磷释放潜能研究时首次使用了沉积物磷吸附指数(PSI)与磷吸附饱和度(DPS)2个指数,并结合2 者得出沉积物磷释放风险指数(ERI)。之后,邢友华等沿用黄清辉总结的方法在东平湖对表层沉积物磷释放潜能进行研究,最终得出结论:东平湖表层沉积物磷释放诱发富营养化的风险处于高度风险范围;同样,卢少勇等在北京6 个湖泊(前海、青年湖、昆明湖、紫竹院湖、陶然亭湖、红领巾湖)对沉积物磷释放风险进行了研究,其得出结论:PSI 与DPS、草酸铵提取的磷、铝均呈显著负相关关系,草酸铵提取的铁是影响PSI 的主导因素,而DPS 与草酸铵提取的磷呈显著正相关, 且DPS 主要受沉积物原吸附态磷的影响,最终对前海、青年湖、紫竹院湖以及陶然亭湖表层沉积物磷的释放潜能评价高度风险。国外学者在研究沉积物磷释放风险时通常采用磷吸附饱和度(DPS) 及其衍生指数,如Jehangir 等在对美国佛罗里达州欧基求碧湖湿地土壤磷释放的研究中使用磷的吸附性质与DPS 衍生指数SPSC (土壤磷储存容量)对该地区土壤磷的释放潜能进行评价,最终结论为湿地土壤目前为安全的磷“汇”,但是鉴于土壤孔隙水中磷浓度很高,土壤可能成为潜在的磷“源”。

5 研究建议

当前,我国淡水水体富营养化问题日益严重,因此,对湖泊磷污染及其释放风险急需开展进一步的深入研究, 对此,提出以下一些建议以供参考:

(1)我国科研工作者对湖泊沉积物磷污染的研究已有丰富的工作,主要是沉积物磷的分级研究及其吸附性质,但是相关研究鲜有结合具体的湖泊水体情况以及当地的周边环境,因此,在今后的工作中,此部分应当有所考虑。

(2)沉积物磷形态分级是沉积物磷污染研究的基础,但是目前并没有1 套广泛公认的方法,因此,有必要在现有方法的基础之上,改良出1 套操作性、科学性、实用性更好的沉积物磷分级方法。

(3)目前对各形态磷提取后的最终测定还是采用分光光度法,此法虽然成本较低、使用方便,但是分辨率较低,应当进一步开发更有优势的定量和定性分析技术。

(4)沉积物磷赋存形态与含量和水华爆发之间的具体直接关系尚不清楚,在继续进行沉积物磷各种性质研究的基础之上,应当大量开展2 者之间具体关系的直接研究,以便为今后的研究指明方向。

(5)目前沉积物磷含量的污染标准值尚未被广泛接受,然而标准值是进行相应污染治理的重要参考,因此,应当在结合具体环境的基础上, 制定出1 套合理的标准参考值,并进一步对具有生物有效性的磷制定出参考值。此项工作任重道远,意义重大。

6 小结

通过上述对湖泊沉积物磷污染及其释放风险方面的研究分析,可以得出结论如下:

(1)湖泊富营养化问题日益严重,沉积物磷污染是影响湖泊富营养化程度的重要因素,对沉积物磷污染及其释放风险的研究急需进一步展开;

(2) 沉积物磷分级研究基本采用SMT 法或者C-J 法。SMT 法将总磷分为有机磷和无机磷,又将无机磷分为磷灰石磷和非磷灰石磷,其主要是根据各形态磷的地球化学意义进行划分的,而C-J 法是将总磷划分为铁结合态磷、铝结合态磷、钙结合态磷、有机磷、以及残渣态磷,其主要是根据磷的结合态进行划分的;

(3)沉积物磷的吸附性质,目前通用方法即为等温吸附法,即在恒温、恒速的情况下,通过沉积物与标准溶液之间的相互作用进行研究;

(4)沉积物磷释放风险则除了各形态磷的比例以及沉积物磷吸附性之外,还发展了沉积物磷吸附指数和沉积物磷吸附饱和度等参数研究。