太湖水-沉積物界面磷釋放和吸附行為的模擬擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

太湖水-沉積物界面磷釋放和吸附行為的模擬擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

太湖位于長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，面積23.28公里，平均水深約2.0米。它是典型的純水湖。近年來(lái)，整個(gè)湖泊的平均養(yǎng)分從10年前的中、富營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的中、富營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)化。一些湖區(qū)，如五里湖湖區(qū)和梅梁灣沿岸的北部湖區(qū)，營(yíng)養(yǎng)狀況良好。大量綠藻類出現(xiàn)在無(wú)錫的水生濾池中。湖泊的平均氮和磷比率為35:1，生物養(yǎng)分限制因素為磷。因此，對(duì)太湖富營(yíng)養(yǎng)化的形成機(jī)制和湖泊生態(tài)恢復(fù)的評(píng)價(jià)十分重要。湖泊沉積物-水界面是水體和沉積物之間物質(zhì)交換和輸送的重要途徑.對(duì)太湖這樣的大型淺水湖泊而言,營(yíng)養(yǎng)鹽一旦進(jìn)入湖泊,就會(huì)在沉積物和水體之間反復(fù)多次循環(huán).在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),沉積物一般充當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收劑,導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽在沉積物中的蓄積.由于風(fēng)力和湖流引起湖泊底部沉積物的擾動(dòng)使沉積物處于再懸浮狀態(tài),這種再懸浮狀態(tài)會(huì)強(qiáng)烈地影響磷在沉積物-水界面間的再分配,并有助于營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放或再生.因此,為研究再懸浮狀態(tài)下磷酸鹽在沉積物-水界面間的釋放和吸附能夠比較真實(shí)地反映湖泊底泥中磷酸鹽的歸趨,即了解磷酸鹽在沉積物中是被保留還是被釋放,并了解自然條件下沉積物對(duì)水體磷酸鹽的貢獻(xiàn),本實(shí)驗(yàn)將利用恒溫震蕩儀模擬再懸浮條件進(jìn)行這方面的探討.對(duì)于沉積物營(yíng)養(yǎng)元素釋放作用的研究,國(guó)內(nèi)通常采用靜態(tài)釋放法.吳根福等人研究了杭州西湖底泥的釋磷情況.尹大強(qiáng)等通過(guò)改變環(huán)境因子對(duì)五里湖沉積物進(jìn)行了磷釋放研究.這些方法未考慮因擾動(dòng)造成的再懸浮狀況對(duì)沉積物磷行為的影響.由于靜止?fàn)顟B(tài)在自然條件下幾乎不可能存在,因此不能真實(shí)反映淺水湖泊底泥在自然條件下的磷酸鹽釋放的實(shí)際情況.本實(shí)驗(yàn)在這方面進(jìn)行了改進(jìn).1材料和方法1.1材料表面1.1.1采樣點(diǎn)的選取和層壓板的制備根據(jù)太湖梅梁灣湖區(qū)及五里湖湖區(qū)沉積物分布的特點(diǎn)及富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀,利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)定位,分別在太湖梅梁灣區(qū)Ⅰ(31°28′31″N,120°11′39″E)及五里湖東部湖區(qū)Ⅱ(31°30′55″N,120°15′04″E)選取了兩個(gè)采樣點(diǎn)(圖1).用彼得生采泥器采集樣點(diǎn)表層沉積物大約1000g(厚度約為5cm),勻化后裝入清潔的聚乙烯保鮮袋中備用.1.1.2樣品的預(yù)處理用有機(jī)玻璃采樣器采集樣點(diǎn)沉積物上覆水約2升,裝入清潔的聚乙烯瓶中并使不留氣泡.回實(shí)驗(yàn)室后立即經(jīng)孔徑為0.45μm的玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/C)過(guò)濾.過(guò)濾后的上覆水樣置于冰箱內(nèi)4℃保存?zhèn)溆?兩采樣點(diǎn)上覆水體磷酸鹽濃度分別為0.035、0.037mg/L.1.1.3運(yùn)行轉(zhuǎn)速2,轉(zhuǎn)速為0-400rpm生化恒溫振蕩培養(yǎng)器(恒溫0-50℃(±1℃),轉(zhuǎn)速:0-250rpm);低速離心機(jī)(0-4000rpm);7210紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海分析儀器廠).1.2水體磷酸鹽溶液的絡(luò)合萃取實(shí)驗(yàn)1.2.1磷形態(tài)分析對(duì)兩個(gè)點(diǎn)沉積物樣品的磷形態(tài)按照溶解態(tài)磷(DP)、鋁磷(AlP)、鐵磷(FeP)、鈣磷(CaP)、閉蓄態(tài)鐵磷(OFeP)、閉蓄態(tài)鋁磷(OAlP)及有機(jī)磷(orgP)分類,以了解太湖表層沉積物磷元素的形態(tài)組成.分析方法按《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行.1.2.2磷釋放分別稱取兩個(gè)樣點(diǎn)各5.00g(濕重,并另取鮮泥樣進(jìn)行含水率測(cè)定)表層沉積物于10個(gè)250mL錐形瓶中,各加入100mL過(guò)濾后的上覆水樣,放入恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi),在25℃條件下,敞口蔽光培養(yǎng).擾動(dòng)強(qiáng)度的變化通過(guò)調(diào)節(jié)恒溫振蕩培養(yǎng)箱轉(zhuǎn)速(rpm)來(lái)達(dá)到.實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)流程為:0h?→??60rpm每3h取樣一次12h?→?停止擾動(dòng)?靜置9h后取樣21h?→保持靜置24h?→??140rpm每3h取樣一次48h0h→60rpm每3h取樣一次12h→停止擾動(dòng)?靜置9h后取樣21h→保持靜置24h→140rpm每3h取樣一次48h其中,培養(yǎng)時(shí)間為0h的樣品為過(guò)濾后的原上覆水水樣.1.2.3磷吸附太湖整體在不同時(shí)空上的水體磷酸鹽濃度分布有較大差異,1998年水體磷酸鹽濃度為0.001-0.146mg/L1.由于點(diǎn)源排放的極端情況,梅梁灣湖區(qū)曾檢測(cè)到0.29mg/L的峰值濃度.為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度,將吸附前的初始濃度設(shè)置在實(shí)際情況下的濃度最大值附近,另外考慮到吸附后濃度的明顯下降以及保證用鉬-銻-抗分光光度法比色測(cè)定所得結(jié)果的相對(duì)誤差較小,故采用0.2mg/L作為吸附實(shí)驗(yàn)的水體磷酸鹽起始濃度.用50mg/L的磷酸二氫鈉溶液和樣點(diǎn)上覆水配制吸附水樣,使磷酸鹽濃度在0.2mg/L左右.同樣稱取各5.00g(濕重)表層沉積物于10個(gè)250mL錐形瓶中.加100mL此水樣至錐形瓶中.在100rpm的中等轉(zhuǎn)速條件下,恒溫25℃,敞口、蔽光培養(yǎng).取樣流程同上.此處吸附量為表觀吸附量,由上覆水磷酸鹽濃度變化差值求得.1.2.4吸附容量實(shí)驗(yàn)由于污染物的排放,可能使局部湖區(qū)的磷酸鹽濃度突然增大.通過(guò)容量實(shí)驗(yàn)可以了解太湖沉積物對(duì)磷酸鹽濃度峰值的削減能力.選取了四組濃度:組Ⅰ(0.1mg/L),組Ⅱ(0.2mg/L),組Ⅲ(0.5mg/L),組Ⅳ(1.0mg/L)進(jìn)行吸附容量實(shí)驗(yàn).在恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)以100rpm的轉(zhuǎn)速使沉積物處于懸浮狀態(tài),培養(yǎng)24h.通過(guò)培養(yǎng)前后磷酸鹽濃度的對(duì)比來(lái)計(jì)算表層沉積物在再懸浮狀態(tài)下對(duì)PO3?443--P的吸附容量.1.3po3453-p濃度的測(cè)定經(jīng)預(yù)定時(shí)間培養(yǎng)后的水樣,取出50mL置于離心管中,在低速離心機(jī)中以3500rpm的轉(zhuǎn)速離心20min,再將上層清液經(jīng)0.45μm的玻璃纖維濾膜過(guò)濾后測(cè)定PO3?443--P的濃度.PO3?443--P的分析方法參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》,采用鉬-銻-抗分光光度法進(jìn)行.2結(jié)果與討論2.1約束擾動(dòng)下的再懸浮沉積物釋放平衡自然條件下,沉積物對(duì)磷酸鹽既有吸附作用,又有解吸作用,兩者同時(shí)發(fā)生.在風(fēng)力、生物擾動(dòng)引起的磷酸鹽釋放強(qiáng)度超過(guò)湖泊底泥的吸附力時(shí),沉積物的磷酸鹽表觀釋放量為釋放和吸附量的差值.如圖2所示,梅梁灣湖心和五里湖湖心表層沉積在60rpm的輕微擾動(dòng)條件下,沉積物的釋放作用并不十分明顯,甚至觀察到有輕微的吸附作用.在12h和24h間的靜止期,釋放曲線呈一平臺(tái).24h后,當(dāng)擾動(dòng)強(qiáng)度增大到140rpm時(shí),兩個(gè)樣點(diǎn)均出現(xiàn)了一個(gè)明顯的釋放過(guò)程,最大釋放濃度約為60rpm條件下的3倍.在本實(shí)驗(yàn)中,雖然不能確定實(shí)驗(yàn)室條件下的模擬擾動(dòng)強(qiáng)度與自然條件下的風(fēng)力、湖流及生物擾動(dòng)的絕對(duì)強(qiáng)度間的定量關(guān)系,但這種相對(duì)性并不妨礙作者就沉積物中磷酸鹽在擾動(dòng)條件下的總體行為作一探索.圖2中兩樣點(diǎn)的表層沉積物再懸浮釋放曲線在達(dá)到峰值后均呈下降趨勢(shì),這與氵鬲湖沉積物柱狀樣品磷酸鹽的釋放研究中發(fā)現(xiàn)的情況類似.原因可能是再懸浮沉積物在動(dòng)力擾動(dòng)下向水體釋磷過(guò)程達(dá)到一定程度后,磷釋放進(jìn)入一種“枯竭”狀態(tài),此時(shí)沉積物中磷向水體的釋放過(guò)程與水體中的磷向沉積物上沉積和吸附過(guò)程達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡所致.樣點(diǎn)Ⅰ與樣點(diǎn)Ⅱ沉積物在到達(dá)最大釋放的時(shí)間(Tmax)上并不一致.Tmax,Ⅰ>Tmax,Ⅱ,可能是由于沉積物中磷的形態(tài)分布不同所致(表1).溶解態(tài)磷(DP)能夠迅速地溶解進(jìn)入上覆水體,而且在湖泊沉積物中含量往往很少,對(duì)釋放平衡時(shí)間的影響不大.其余形態(tài)為結(jié)合態(tài)磷,可能通過(guò)天然水體中生物和化學(xué)的水解作用轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)無(wú)機(jī)磷.其中,鋁磷(AlP)可以通過(guò)化學(xué)水解作用轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)磷,但在樣點(diǎn)沉積物中含量甚微(分別只占總量的0.012%和0.015%),因此不是影響磷酸鹽釋放平衡的主要因素.有機(jī)態(tài)磷可在水中溶解態(tài)磷酸酶的催化作用下轉(zhuǎn)化為可溶性磷酸鹽,隨著水體中磷酸鹽濃度的增加,其轉(zhuǎn)化速度會(huì)由于競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用而進(jìn)一步變慢,而且有機(jī)態(tài)磷在本實(shí)驗(yàn)的沉積物中其含量是主要的,因此是影響磷酸鹽平衡的主要因素之一.而其他形態(tài)的磷,如閉蓄態(tài)磷、鈣磷(CaP)等在擾動(dòng)條件下很難水解進(jìn)入上覆水體,故亦不是釋磷平衡的主要因素.由于(orgP)Ⅰ>(orgP)Ⅱ,故樣點(diǎn)Ⅰ磷釋放平衡所需時(shí)間要大于樣點(diǎn)Ⅱ,表現(xiàn)為釋放曲線到達(dá)最大釋放的時(shí)間要滯后.2.2磷酸鹽系統(tǒng)優(yōu)化沉積物對(duì)磷酸鹽的吸附作用和釋放作用對(duì)于計(jì)算湖泊內(nèi)源磷負(fù)荷非常重要.國(guó)內(nèi)的研究較偏重沉積物的磷釋放問(wèn)題.現(xiàn)在,越來(lái)越多的證據(jù)表明,湖泊沉積物對(duì)于磷酸鹽有較強(qiáng)的吸附作用,特別是在磷酸鹽含量普遍較高的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中,沉積物對(duì)于磷酸鹽在更大程度上是“匯”,而非“源”.如圖3所示,在中等強(qiáng)度的擾動(dòng)條件,即100rpm恒定轉(zhuǎn)速模擬下,水體磷酸鹽濃度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的30min內(nèi)迅速下降,五里湖樣點(diǎn)由0.229mg/L降至0.05mg/L,降低78%;梅梁灣樣點(diǎn)由0.215mg/L降至0.013mg/L,降低94%.此后磷酸鹽濃度下降速度明顯趨緩.4h后趨于穩(wěn)定濃度.可以看出,梅梁湖和五里湖兩個(gè)樣點(diǎn)在模擬擾動(dòng)條件下均呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附作用,從吸附后上覆水磷酸鹽濃度看,兩個(gè)樣點(diǎn)的沉積物在相同擾動(dòng)強(qiáng)度的模擬條件下均趨于0.02mg/L.自然條件下,湖泊水體的磷酸鹽濃度削減是由底泥吸附、生物吸收、微生物分解等多種化學(xué)生物過(guò)程共同作用造成的.但在本實(shí)驗(yàn)中,觀察到吸附作用在30min內(nèi)即基本達(dá)到平衡,而如此短的時(shí)間內(nèi)生物作用是微乎其微的,且實(shí)驗(yàn)水樣已經(jīng)過(guò)0.45μm的濾膜過(guò)濾,水體中的藻類等微生物已被除去.所以吸附作用是造成磷酸鹽濃度削減最主要的因素,此處把磷酸鹽濃度的表觀削減量近似等同于吸附作用量.但并不是說(shuō)在此過(guò)程中就沒(méi)有釋放了,釋放與吸附是可逆的過(guò)程,將同時(shí)發(fā)生在一個(gè)體系中.表觀削減量實(shí)際上是兩個(gè)過(guò)程的綜合結(jié)果.2.3緩沖作用模擬擾動(dòng)條件下,本實(shí)驗(yàn)觀察到太湖沉積物有明顯的吸附作用.這種吸附作用對(duì)水體磷酸鹽具有顯著的緩沖能力.當(dāng)由入湖河流點(diǎn)源污染的輸入造成局部湖泊水體的磷酸鹽濃度突然增大時(shí),湖泊沉積物的吸附緩沖作用將迅速減輕磷酸鹽對(duì)局部湖泊水體的環(huán)境壓力.這種緩沖作用在短時(shí)間內(nèi)比磷酸鹽的自然稀釋和生物吸收作用更明顯.通過(guò)吸附容量實(shí)驗(yàn)可以了解沉積物對(duì)磷酸鹽的緩沖作用的大小.吸附容量實(shí)驗(yàn)表明(圖4):在初始磷酸鹽濃度相同時(shí),梅梁湖和五里湖兩樣點(diǎn)吸附后上覆水樣磷酸鹽濃度非常相近.說(shuō)明兩個(gè)樣點(diǎn)沉積物對(duì)磷酸鹽的吸附能力差異不顯著.表層沉積物(干重)模擬擾動(dòng)條件下的吸附容量Q(10-3mg/g)按下式計(jì)算(表2).Q=(C0?Ct)×VW×(1?μ)Q=(C0-Ct)×VW×(1-μ)式中,C0為上覆水樣磷酸鹽初始濃度(mg/L);Ct為模擬擾動(dòng)24h后水樣磷酸鹽濃度(mg/L);V為樣品上覆水樣體積(0.1L);W為沉積物濕重(g);μ為沉積物含水率(%).2.4藻類生物量和葉綠素a含量的關(guān)系以1998年為例,太湖水體磷酸鹽的峰值期為12月—次年1月,平均濃度為0.045mg/L.低值期在4-5月,平均濃度為0.012mg/L.在7-9月的藻華易發(fā)期,磷酸鹽平均濃度為0.015mg/L.應(yīng)該可以這么說(shuō),在藍(lán)藻大量繁殖期間,水體磷酸鹽處于較低水平.相反,在磷酸鹽水平相對(duì)較高時(shí),藻類生物量的表征值——葉綠素a含量卻很低.1998年太湖14個(gè)測(cè)點(diǎn)的葉綠素a含量與溶解性活性磷酸鹽(SRP)濃度的關(guān)系如圖5、圖6所示.發(fā)現(xiàn)除了高含量葉綠素a,高PO3?443--P濃度的情況未出現(xiàn)外,其他情況都有出現(xiàn).冬季葉綠素平均含量較低時(shí),磷酸鹽在高低濃度均有分布,但平均濃度較高.由于溫度條件的限制,藻類生物量較低,造成磷酸鹽在生物利用率減低而使磷酸鹽濃度處于較高水平.夏季葉綠素a平均含量約比冬天高5-10倍,藻類生長(zhǎng)吸收了大量溶解性磷酸鹽,使其保持較低水平.同時(shí),由于夏季強(qiáng)風(fēng)過(guò)境頻頻,湖流波浪使沉積物處于擾動(dòng)狀態(tài),再懸浮強(qiáng)烈,沉積物釋磷作用顯著,這些釋放的磷酸鹽對(duì)藻類的持續(xù)暴發(fā)起了一個(gè)后續(xù)營(yíng)養(yǎng)庫(kù)的作用.因此擾動(dòng)條件下的釋磷作用可能是藻類生物量在夏季能居高不下的主要原因之一.3擾動(dòng)條件下上覆水磷酸鹽吸附作用在模擬擾動(dòng)條件下,表層沉積物的磷酸鹽釋放作用受擾動(dòng)強(qiáng)度的影響十分明顯.在低擾動(dòng)強(qiáng)度下幾乎觀察不到釋放現(xiàn)象,當(dāng)擾動(dòng)超過(guò)一定的強(qiáng)度后,釋放作用才會(huì)明顯發(fā)生.在模擬強(qiáng)擾動(dòng)強(qiáng)度下,兩樣點(diǎn)最大釋放濃度分別為0.110mg/L和0.089mg/L,約為低強(qiáng)度擾動(dòng)條件下的3倍.說(shuō)明自然條件下風(fēng)力、湖流和生物的擾動(dòng)變化對(duì)磷酸鹽釋放的影響較大.在進(jìn)行湖泊底泥疏浚時(shí),應(yīng)考慮疏浚擾動(dòng)引起的磷酸鹽釋放及可能造成的不利環(huán)境影響.沉積物在模擬擾動(dòng)條件下,對(duì)磷酸鹽的吸附作用表現(xiàn)得十分明顯.開(kāi)始的0.5h內(nèi)吸附作用最為強(qiáng)烈,后逐漸趨緩.并在4h后趨于穩(wěn)定,且吸附強(qiáng)度遠(yuǎn)大于釋放.說(shuō)明:在擾動(dòng)條件下,上覆水磷酸鹽濃度較高時(shí),沉積物在更大程度上是磷酸鹽的“匯”,而非“源”.由此看來(lái),沉積物的磷釋放和吸附作用是同時(shí)存在的,何種作用為主取決于上覆水體中磷酸鹽的濃度及擾動(dòng)強(qiáng)度等因素的綜合作用.擾動(dòng)強(qiáng)度增大、上覆水磷酸鹽濃度較低有利于磷的釋放,反之當(dāng)外部磷酸鹽濃度較高時(shí),則吸附作用是主要的.沉積物-水構(gòu)成了湖泊磷酸鹽的天然緩沖體系:當(dāng)水體磷酸鹽負(fù)荷較低時(shí),沉積物處于釋磷狀態(tài),釋磷強(qiáng)度隨擾動(dòng)強(qiáng)度的加大而增加;反之當(dāng)水體磷負(fù)荷較高時(shí),沉積物則充當(dāng)磷吸收劑.釋磷過(guò)程相對(duì)較緩慢,故夏季湖泊水