摘要: 在实验室条件下,分别对海河沉积物中磷的释放量与沉积物磷形态分布的关系及好氧p厌氧条件,ph ,温度,外源磷含量,微生物活动等环境因素对其的影响进行了模拟研究. 结果表明,微生物作用是影响海河沉积物中磷释放量的主要因素;厌氧条件下,磷从沉积物向水体的释放量远高于好氧条件下沉积物磷的释放量;温度升高有利于沉积物中磷的释放;酸性和碱性条件下沉积物磷的释放量略高于中性条件下沉积物磷的释放量;当上覆水磷含量较高时,沉积物中的磷呈“负释放”状态.研究还显示,沉积物中不同形态的磷含量与沉积物磷释放量有不同程度的相关性,其中可交换态磷(nh4cl - p) 和可还原态磷(bd - p) 含量与沉积物磷的释放量高度相关( r2 分别为0.99 和0.84) .

关键词: 海河; 沉积物; 磷释放; 环境因素

中图分类号: x522 　　　文献标志码: a 　　　文章编号: 1001 - 6929 (2008) 04 - 0126 - 06

simulated experiment of pho sphorus relea se from haihe river sediment

sun shu-juan , huang sui-liang

college of environmental science and engineering , nankai university , tianjin 　300071 , china

abstract : phosphorus release from the sediment of haihe river and its relationship with sediment phosphorus forms were simulated in laboratory , while the effects of anaerobicpaerobic condition , ph , temperature , initial tp concentrations of overlying water and microorganism action were also investigated. the results showed that the action of microorganism was the main cause for phosphorus released from the haihe sediment. the anaerobic condition was much more propitious to the phosphorus released than the aerobic condition. also higher temperature was helpful to the phosphorus release , and at the presence of microorganism. the sediment released more phosphorus under alkaline or acidicconditions compared to the neutral condition. for higher initial phosphorus concentration of the overlying water , the sediment absorbed the hosphorus of the overlying water until a balance was reached. it also showed that different forms of phosphorus in the sediment had different degrees of correlation with sediment phosphorus release , in which exchangeable phosphorus (nh4cl2p) and reducible phosphorus (bd2p) were in high correlation with sediment phosphorus release ( r2 being 0199 and 0184 respectively) .

key words : haihe river ; sediment ; phosphorus release ; environmental factors

在大多数已研究的淡水水体中,磷被认为是水体浮游藻类的限制性营养元素,其水体含量与水体的营养程度密切相关[1-4 ] . 研究表明[5-7 ] ,沉积物中磷的释放是影响水体营养状态的重要因素. 因此,了解沉积物中磷及其他营养盐的分布特征和释放规律,对研究水体的营养状况和生产力非常重要,并且可以预测沉积物对未来水质的影响.

海河为我国七大水系之一,干流全长72 km ,西起金刚桥,东到海河闸,横贯天津市区、东丽区、津南区,于塘沽区汇入渤海. 近年来,随着城市建设和经济的发展,海河污染日益严重[8 ] ,已处于富营养化状态[9-13 ] . 安敏等[14 ] 的研究表明,海河干流表层沉积物的总磷和有机质含量与我国太湖接近,且有机质、总磷含量与国内沉积物相比属较高水平,当水体中的磷得到控制时,沉积物中的磷可重新释放到上覆水中,从而继续维持水体富营养化状态;因此,研究海河沉积物释放规律及影响因素有重要意义. 然而,目前对海河沉积物中磷的释放规律及影响因素的研究还较为缺乏. 笔者在实验室内对海河沉积物磷释放特性进行模拟研究,并分析环境因素对海河沉积物磷释放特性的影响及其原因,以期为进一步研究磷在海河水体中的迁移转化规律、正确评价海河的富营养化污染状态提供依据.

1 　材料与方法

1. 1 　材料

1. 1. 1 　沉积物

沉积物的采样断面如图1 所示. 从西至东(从上游至下游) 依次为金刚桥、光华桥、外环河桥、西河闸、二道闸、葛沽镇、中心桥引河闸和邓善沽. 其中二道闸以上为淡水(包括二道闸断面) ,以下为咸水;金刚桥、光华桥和外环河桥位于天津市中心城区,最近几年进行了清淤疏浚;外环河到二道闸属城郊过渡地带;二道闸以下流经东丽区、津南区与塘沽区,现已成为一现代化的港口物流、贸易、加工经济区.

采样时间为2005 年10 月. 采用深水表层沉积物采样器,基本在各断面中间点采集表层沉积物.样品装入密封塑料袋中,运回实验室后风干,研磨,过100 目(0.15 mm) 筛,置于广口瓶中,4 ℃保存待分析.

用于静态模拟实验的沉积物采集自外环河和西河闸2 个断面间表层沉积物,混匀后的样品一部分风干,研磨,过筛后冷藏保存待理化分析. 一部分新鲜沉积物用于静态模拟实验. 沉积物理化性质见表1.

1. 1. 2 　上覆水

使用去离子水作为上覆水. 用盐酸和氢氧化钠溶液调节ph 到指定水平,加入的外源磷采用磷酸二氢钾(分析纯) 储备液配制到指定浓度.

1. 2 　装置和方法

1. 2. 1 　静态模拟实验

采用1 l 的棕色广口瓶作为反应器, 混合均匀的新鲜沉积物从反应器顶部加入, 加入厚度为4cm ,用虹吸方法注入事先配制好的去离子水, 加入量为900 ml , 高度为10 cm. 加水过程中不扰动沉积物. 通过氮气吹脱去除反应器上覆水的溶解氧,并密闭避光保存. 定期取水样测定ρ(tp) ,取样后加入相同体积的去离子水,保持上覆水体积不变. 实验进行45 d.

水温对沉积物磷释放的影响:上覆水ph 为7 ,水温分别为5 , 15 , 25 及30 ℃时,进行沉积物磷释放模拟实验,以人工气候箱控制温度,为期45 d.

好氧p厌氧条件对沉积物磷释放的影响:上覆水ph 为7 ,水温25 ℃条件下,对实验体系上覆水持续通入空气模拟好氧沉积物环境,同时以经预先通氮气除氧的去离子水作为上覆水的静置体系模拟厌氧沉积物环境,进行磷释放的模拟实验.

ph对沉积物磷释放的影响:在水温25 ℃条件下,用1 molpl hcl 和1 molpl naoh 调节上覆水起始ph 分别为5 , 7 和9 ,进行磷释放的模拟实验.

微生物对沉积物磷释放的影响:实验用沉积物事先经过湿热灭菌,并在上覆水ph 为7 , 水温25 ℃条件下,加入0. 2 gpl nan3 作为抑菌剂,进行磷释放的模拟实验.

外源磷的加入对沉积物磷释放的影响:在实验用上覆水中添加外源磷, 使ρ(外源磷) 分别为0 ,1. 0 , 2. 0和3. 0 mgpl ,进行磷释放的模拟实验.

1. 2. 2 　磷释放批量平衡实验

在100 ml 具塞离心管中分别加入8 个断面的表层沉积物0.5 g ,加入50 ml 去离子水(使水土比为100 mlpg) ,在恒温振荡器上(25 ±1) ℃以200rpmin振荡24 h ,5 000 rpmin离心10 min , 上清液过0.45μm 滤膜,测定样品的溶解性活性磷(srp) 含量并计算磷的释放量.

每个样品都做3 个平行样,结果以平均值表示.

1. 3 　样品分析方法

沉积物中w (tp) 采用高氯酸- 硫酸酸溶法测定[15 ] ;水样中ρ(tp) 和ρ(srp) 采用氯化亚锡还原光度法测定(tp 用过硫酸钾消解) [16 ] . 沉积物磷形态分析采用逐级提取法[17 ] ,将沉积物磷分为可交换态磷(nh4cl - p) ,可还原态磷(bd - p) ,铁铝结合磷(naoh - p) ,钙磷(hcl - p) 和残渣态磷(res - p) .其提取过程如图2 所示.

2 　结果与讨论

2. 1 　磷的分布及形态对沉积物磷释放的影响

海河干流8 个断面表层沉积物中各形态磷的分布如图3 所示. 安敏等[14 ] 研究发现,海河表层沉积物中总磷含量与太湖接近. 从图3 可以看出,海河沉积物中占主要形态的是res - p , 占w ( tp) 的45 %～61 %; 其次是hcl - p , 占w (tp) 的19 %～28 % ,其他3 种形态的磷