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1、第卷 第期 年月湖泊科学,太湖表层沉积物磷的吸附容量 及其释放风险评估黄清辉王子健王东红王春霞马梅中国科学院生态环境研究中心,环境水质学国家重点实验室,北京提要利用沉积物磷吸附指数和磷吸附饱和度等指标来表征太湖表层沉积物的磷吸附容量,并探讨了太湖沉积物磷吸附容量 的空间变化研究发现草酸钱提取的磷以及活性铁、铝氧化物含量在梅梁湾东北部至五里湖一带的沉积物中较高,而在太湖南部湖区相对较低,这主要是与附近城市污水的实际贡献有着密切关系 太湖沉积物的磷吸附指数大体上有着北高南低、西高东低的分布特征,而磷吸附饱和度分布与恰有相反的特征沉积物中磷的吸附容量可能主要受到无定形 的铁和铝 的氧化物控制,也受沉
2、积物有机质含量 的影响初步确定了用磷吸附指数和磷吸附饱和度来表征的湖泊沉积物磷释放风险指数概念,并应用于对太湖沉积物磷诱发的富营养化风险的评估关键词磷吸附指数磷吸附饱和度无定形 的铁铝氧化物富营养化风险太湖分类号在淡水湖泊体系中,磷通常是富营养化过程中的一个重要因素太湖流域是经济比较发达 的地区,磷会随城市污水、工业废水、农业径流、禽畜排泄物等途径输入太湖,而且从湖泊沉积物中也会释放 出磷为评估外源性的磷与内源性的磷引发的湖泊富营养化的风险,需要研究太湖沉积物对磷的吸持作用包括吸附、表面络合和共沉淀等,在没有确定沉积物对磷的富集机制时统称为吸持,但习惯上可称吸附通常需要进行一系列等温吸附实验川
3、获得沉积物对磷的吸附能、结合能和最大吸附量等吸附参数来表征沉积物磷吸附容量,但这种方法十分繁琐耗时和,提出磷吸附指数概念,它与最大吸附磷量有极好的相关性【,而磷吸附饱和度可定义为土壤实际吸附磷量与最大吸附磷量 的百分比值【 这两个概念在表征土壤磷吸附容量上发挥了重要的作用,但是较少应用于湖泊沉积物另外,尽管以往用总磷、总氮和叶绿素等多种指标来综合评价湖泊的营养状况,但是至今未有合适的湖泊富营养化风险评估体系可以对未来可能的富营养化风险进行预测和评估因此,本文利用和来探讨太湖沉积物磷吸附容量现状和空间变化,并初步提出了以它们为评估指标的湖泊富营养化风险概念中国科学院知识创新工程重大项目一一一一和
4、国家“”计划资助一一收稿一一收修改稿黄清辉,男,年生,博士研究生,一湖泊科学卷材料与方法野外观测与采样于年月、年月在太湖进行现场观测与采样本文实验所用沉积物样品的个采样点位置分布如图所示,其中部分结果分析只采用了年个沉积物样品磷吸附指数的测定称取沉积物冻干样目 于聚丙烯离心管中,加入溶液 配制在中,加人滴氯仿以抑制微生物活动,下往复振荡后,转分离心,用林孔径滤膜过滤,钥锑抗比色法测定滤液中磷的浓度,并计算出吸附磷的量,则磷吸附指数可计算为二月,这里,为滤液中溶解磷浓度林,以协为单位,了整个过程进行了次部分次平行实验玉里湖宜兴年 年件件件一一图采样点地理位置示意图即孚叩磷吸附饱和度的测定称取士一
5、沉积物冻干样目 于个洁净于燥聚乙烯瓶中,加入草酸按提取剂并且盖上瓶盖准备两个空白在暗室内以转分振荡先后用无灰分定量细滤纸和林孔径滤膜过滤提取液弃去最初通过的几毫升滤液,余下 的用的聚乙烯瓶收集移取沉积物提取液于比色管中,加人盐酸,混合均匀配置系列标准溶液,分别含、和以及、和和在周内,用一测定磷、铝和铁的含量整个过程进行次平行实验沉积物的可估算为草酸钱提取的磷量。,与提取的铝。、,和铁。,总量之一半的摩尔百分比值 ,即二。、沉积物其它指标的测定冻干样的湿度预先进行了测定烘箱“下,和实验结果都经过湿度校期黄清辉等 太湖表层沉积物磷的吸附容量及其释放风险评估正,以炉温干重表达,沉积物中有机质含量通过
6、烧失量来估算,在湿度测定实验之后的烘干样,接着在马弗炉下烘烧【沉积物中总磷的测定采用过硫酸钾高温氧化法 消解样品后,再用抗坏血酸法,测定溶解态活性磷的含量数据处理数据处理主要采用数理统计学和地统计学方法应用软件技术有限公司中进行相关分析,在。软件公司,美国中进行多元回归分析而应用软件软件有限公司,美国 进行克里金插值分析是测定点之间最优内插的一种地统计学方法,可应用于沉积物属性的空间分布预测结果与讨论沉积物中草酸按提取的铁、铝、磷的分布及相互关 系如表所示,太湖沉积物中草酸按提取的铁主要为无定形的铁氧化物,简称活性铁平均含量为范围一,空间变异系数为草酸按提取的铝主要 为无定形的铝氧化物,简称活
7、性铝平均含量为范围一,为,它与活性铁含量比基本保持恒定,在一之间变化 除五里湖点较高之外草 酸钱提取 的磷含量平均为范围,一,。为其中,活性铁、铝和、在梅梁湾东北部与五里湖沉积物中含量较高,那里接纳了附近城市污水的输人而活性铁、铝以及在南部湖区含量相对较低,那里是上游流域农业高度集约的西若溪的人湖处因此,相对于农业面源径流来说,城市污水输表年月太湖表层沉积物磷吸附指数和磷吸附饱和度甲样号士士士土土土土土士土土士士哪林士士士士士士土土士土土土士士土士士士士士士土士士士士士士士,介 勺哎曰气气士士士士土士土士土士,士土土士士士土士士士士土士土士士士土恤一巧伪剐丫日料字卷人对活性铁铝和的空间分布可能
8、更为重要,这与前期磷形态研究结果基本一致表太湖沉积物样品中理化参数之间的相关性一加。、。、。二。二率。、中中中,中二中中中甲申申申中二在水平上显著相关,在水平上显著相关双尾检验样本数二,其余样本数几太湖沉积物中草酸钱提取的铁、铝、磷的含量之间有较好的相关性 表,尤其是沉积物中草酸钱提取的磷与活性铝的含量有较高的相关性,似乎吸附的磷与无定形 的非晶质的铝吸附作用有更为密切的关系“,考虑到点处于五里湖西,属重污染区,一年次观测 的含量在一之间,可能吸附作用受到相对较多的人为因素干扰因此,除测点数据之外,沉积物中活性铝与活性铁的含量之间有极高的相关性二,沉积物中草酸钱提取的磷与铁的相关性也显著提高,
9、表明草酸按提取的无定形的铁和铝是息息相关的,对沉积物吸附磷的起着重要的作用太湖沉积物中草酸钱提取的磷占总磷含量的一均值为,。,与沉积物中总磷含量显著相关二,二表,而总磷与沉积物有机质含量也有较好的相关性,二一表沉积物中磷吸附指数和磷吸附饱和度的空间分布根据范成新等 ”调查结果,太湖一些湖区为硬底质,无泥,并结合利用朱广伟所示个测点的泥深数据,绘制出。泥深线图中的虚线,得到无泥湖区太湖沉积物的磷吸附指数在一八林之间变化,平均值为林,大体上有着北高南低、西高东低的分布特征图而磷吸附饱和度分布恰恰与磷吸附指数有着相反的特征 图尽管两者的相关性较差,表在较高的区域 如梅梁湾湖心、口外和西太湖湖区,相应
10、的较低,多数在附近或以下 而在较低的区域 如梅梁湾西北角、贡湖湾顶及太湖南部区域、东太湖湾内等,相应的较高,多数在一之间,在梅梁湾的西北角更是超过无锡市附近的五里湖区和均相对较高,似乎是比较矛盾的结果,但可 以反映出该湖区由于污水排放及旅游等活动的干扰,沉积物属性的空间变异性增加了许多不确定的外在因素的作用朱广伟水动力作用与浅水湖泊磷的内源负荷研究博士后研究工作报告中国科学院南京地理与湖泊研究所,期黄清辉等太湖表层沉积物磷的吸附容量及其释放风险评估表图太湖沉积物的磷吸附指数和磷吸附饱和度的分布甲助沉积物中磷的吸附参数与草酸钱提取的铝、铁、磷及有机质之间的多元回归方程,印。,序号多元回归方程二一
11、。、。、二一。、。,一二。一一。、二。 一一。二。、一一。、一一。一。相关系数样本数二二二二二,了厂方程中的。、。、 、。、和单位为,和单位为,单位为林磷吸附指数与磷吸附饱和度的影响因素太湖沉积物 中的磷吸附饱和度与总磷含量呈显著线性相关二,表,即总磷含量较高的沉积物 中磷吸附饱和度也相对较高表中对沉积物含量与草酸钱提取的铝、铁、磷以及沉积物有机质含量进行了多元回归,拟合出方程和方程,相关系数均在以上,表明了无定形的铝、铁、磷以及沉积物有机质对总磷可能起着重要的贡献作用同样地,有关的多元回归方程和显示,太湖沉积物磷吸附饱和度主要受到草酸钱提取的磷含量的控制,但是如果活性铁、铝含量和有机质含量升
12、高的话,尤其是活性铝含量 的增加,势必会扩大沉积物磷的吸附容量川,进而导致磷吸附饱和度的降低多元回归方程和,表结果显示,沉积物磷吸附指数与。、和。、,以及与湖泊科学卷。和显著相关,相关系数均在左右从和节也可以看出,太湖沉积物中活性铁含量与的空间分布大体上比较相似,表明了沉积物中磷的吸附容量可能主要受到活性铁铝氧化物控制,当然也受沉积物有机质含量的影响磷释放风险评估生物有效性磷通常是引起淡水湖泊藻华发生 的重要因素,而沉积物中生物有效性磷的释放往往受沉积物磷的吸附容量 的控制,假定磷释放的风险就是诱发湖泊水体富营养化,因此湖泊富营养化风险在一定程度上可能由沉积物磷的吸附容量来决定但是至今未有合适
13、的湖泊富营养化风险评估体系,为此,初步假定 由沉积物磷吸附指数和磷吸附饱和度两个因素构成的磷释放风险指数,可表征磷诱发富营养化风险大小,并可表示为此处和均为百分比值,仍以卜为单位利用地统计学中的克里金插值法,可以得到太湖值的空间分布图结合太湖的实际藻华发生情况,将湖泊富营养化风险初步分成四个等级高度风险区、较高风险区、中度风险区和较低风险区在大于的湖区,如梅梁湾北部至五里湖一带、竺山湖北部湖区,紧邻城区和工业区且有着重要的人湖河流 如直湖港,因而将有着高度的富营养化风险在为一之间的湖区,如太湖西部和南部沿岸带 分别有宜漂河和西苔溪等两条重要河流人湖,以及东部贡湖湾内、肯湖和东太湖湾 内也有些河
14、流 出人湖,也受到城市污水和农业径流影响,故而富营养化风险性较强 而对于梅梁湾南部湖区与贡湖口、西太湖离岸区域,以及东太湖口湖区,在一之间,有中度的富营养化风险而梅梁湾口小部分湖区,由于磷吸附饱和度较低且图太湖富营养化风险评估示意图即期黄清辉等太湖表层沉积物磷的吸附容量及其释放风险评估磷吸附指数较大,即沉积物对磷的缓冲能力较强,因而所面临的富营养化风险相对较低从太湖流域水资源保护局通报的太湖水质状况来看,以上富营养化风险预测与以往藻华发生情况基本相符合因此,通过以磷吸附指数和磷吸附饱和度表征 的富营养化风险指数的分析,可以预测淡水湖泊将面临的富营养化风险结语太湖沉积物磷的吸附容量具有一定的空间
15、差异,主要是 由无定形的铁铝氧化物及有机质等沉积物内在属性的空间差异决定,但在一定程度上也取决于受人类活动等外在因素干扰的程度通过沉积物的磷吸附指数和磷吸附饱和度等有关磷吸附容量的参数的空间分布分析,提出由磷吸附指数和磷吸附饱和度等因素构成的磷释放风险指数概念,并对磷诱发的湖泊富营养化风险进行预测但由于采样点数不多,文中的空间插值分析可能会受到一定限制,而且本文中的释放风险在一定程度上是基于静态释放的,对于太湖这样 的大型浅水湖泊,水动力扰动再悬浮可能会影响释放风险,总而言之,本文只不过是尝试给读者提供一种由磷诱发的湖泊富营养化风险评估的新方法致谢感谢中国科学院太湖湖泊生态 系统研究站等兄弟单位的帮助参考文献,抑,可甲二,一印,一,印笋咭、”毗,一,脚,刀“叹林咭月”云。砒,一,印抢爪,一李荫玺,刘红,陆娅等抚仙湖富营养化初探湖泊科学,一,司一肠,触,一,主珊乙,以,甲、,一范成新,刘元波,陈荷生太湖底泥蓄积量估算及分布特征探讨上海环境科学,一,一甲一梦,一一湖泊科学卷,切刚。理二叮“饥入一、,一,只,舒,尽。甲甲,印肠,盯,吧印,琢印甲,吧一,即叩
