湖庫(kù)沉積物磷素研究探究范文

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摘要：沉積物磷素對(duì)于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化不容忽視，為了解沉積物磷素的研究現(xiàn)狀，文章概述了沉積物磷素主要的存在形式，沉積物磷形態(tài)的遷移及轉(zhuǎn)化，及沉積物磷素遷移及轉(zhuǎn)化過(guò)程中吸附-解吸機(jī)理的研究進(jìn)展，為湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的防治提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：沉積物；磷素；吸附-解吸

1沉積物磷素研究意義

磷元素被認(rèn)為是控制湖泊藻類生長(zhǎng)的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素，水體中磷濃度的升高將增加水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)[1]。水體富營(yíng)養(yǎng)化將直接導(dǎo)致水體生態(tài)平衡失衡，造成有害藻類生長(zhǎng)過(guò)盛，大量生長(zhǎng)的藻類會(huì)大幅度消耗水體溶解氧，致使水質(zhì)惡化，惡化的水體會(huì)直接影響水中藻類、浮游生物、植物和魚類等的生存環(huán)境，甚至使其衰亡、滅絕。沉積物內(nèi)源磷有可能是水體磷的重要來(lái)源[2]，沉積物是營(yíng)養(yǎng)鹽累積和再生的重要場(chǎng)所，其和水體之間存在著吸附和釋放的動(dòng)態(tài)平衡[3]，長(zhǎng)期接納水體中沉積下來(lái)的物質(zhì)，若環(huán)境條件改變，匯于沉積物中的磷會(huì)再度轉(zhuǎn)化遷移至水體，即使沒(méi)有外來(lái)磷源的輸入，也會(huì)造成水中溶解性磷含量升高進(jìn)而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，則對(duì)于沉積物磷對(duì)上覆水體的水質(zhì)影響的研究尤為重要[4]。

2沉積物磷素形態(tài)及分類

2.1沉積物無(wú)機(jī)磷形態(tài)及分類

國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為無(wú)機(jī)磷由原生礦物磷灰石和次生的無(wú)機(jī)磷酸鹽組成。而無(wú)機(jī)磷酸鹽又包括吸附態(tài)和化合態(tài)兩種形態(tài)，吸附態(tài)指吸附在粘土礦物、有機(jī)物表面的磷，化合態(tài)指與鐵鋁或鈣結(jié)合的磷酸鹽類化合物[5]。沉積物含磷化合物種類眾多，其活性通常與它以什么樣的化學(xué)形式存在于沉積物中有關(guān)[6]。20世紀(jì)30年代至今，都沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的對(duì)有機(jī)磷的系統(tǒng)分級(jí)，直到1957年張守敬和Jackson提出了無(wú)機(jī)磷四種形態(tài)的分級(jí)方法。張和Jackson將無(wú)機(jī)磷分為Fe-P（磷酸鐵鹽）、Al-P（磷酸鋁鹽）、Ca-P（磷酸鈣鹽）和O-P（閉蓄態(tài)磷），利用該方法可以大致區(qū)分無(wú)機(jī)磷磷形態(tài)的組成[7]、[8]。

2.2沉積物有機(jī)磷形態(tài)及分類

沉積物所含有機(jī)磷主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w等，包括磷酸單酯、磷酸雙酯、DNA-P、滕酸等。不同的沉積物中有機(jī)磷所占比例有所不同，部分地區(qū)沉積物有機(jī)磷占總磷比例最高可達(dá)80％。國(guó)內(nèi)外針對(duì)有機(jī)磷的研究滯后于對(duì)無(wú)機(jī)磷的研究，直到1978年，Bowman等將有機(jī)磷分為活性有機(jī)磷、中等活性有機(jī)磷、中等穩(wěn)定性有機(jī)磷和穩(wěn)定性有機(jī)磷[9]，從此步入了對(duì)有機(jī)磷研究新的階段；Ingall等在1997年研究海洋大陸架沉積物時(shí)創(chuàng)新性的采用了31P-NMR技術(shù)，并成功獲知磷酸單酯、膦酸酯和磷酸二酯是有機(jī)磷的主要組分和海洋沉積物膦酸酯的存在[10]，開啟了對(duì)有機(jī)磷更加趨于系統(tǒng)化的深入研究。利用31P-NMR測(cè)試技術(shù)我們可以檢測(cè)到幾乎所有沉積物中的磷組分，沉積物中有機(jī)磷主要包含正磷酸鹽、磷酸單酯、焦磷酸鹽、磷酸二酯和膦酸酯，而聚磷酸鹽受不同環(huán)境條件影響出現(xiàn)概率不一樣。

3沉積物磷素的遷移和轉(zhuǎn)化

湖泊水體中磷在外源補(bǔ)給得到有效控制之后，對(duì)于解決湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題而言，減少沉積物中的磷釋放至關(guān)重要[4]。湖泊沉積物與上覆水體之間基本維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡主要依賴沉積物磷的釋放、吸附過(guò)程。在此平衡狀態(tài)下的沉積物表現(xiàn)為“源”或“匯”，當(dāng)水體中的磷濃度過(guò)高時(shí)沉積物吸附上覆水體中磷，表現(xiàn)為“匯”；而當(dāng)水體中磷的濃度過(guò)低時(shí)沉積物即向上覆水釋放磷，表現(xiàn)為“源”[11]。湖泊沉積物中不同形態(tài)的磷釋放強(qiáng)度差異較大，如交換態(tài)磷（Ex-P）、鐵磷（Fe-P）、鋁磷（Al-P）更加易于向上覆水釋放，而閉蓄態(tài)磷（Oc-P），自生鈣磷（Ca-P），碎屑磷（De-P），有機(jī)磷（Or-P），不易向上覆水釋放[12]。沉積物磷的遷移和轉(zhuǎn)化除受自身磷形態(tài)及其含量影響外，還受溫度、pH、DO、水生生物擾動(dòng)等主要環(huán)境因素[13]的影響，眾多影響因素綜合從而影響沉積物磷素的釋放強(qiáng)度[14]。

4沉積物磷素吸附-解吸機(jī)制

4.1沉積物磷素吸附機(jī)制

吸附在沉積物水界面主要是固相-液相之間的相互作用。沉積物對(duì)磷的吸附除了微生物的同化作用外，一般認(rèn)為還包括三種機(jī)制分別為：物理吸附、化學(xué)吸附和物理化學(xué)吸附。物理吸附：無(wú)專一性，以靜電引力為基礎(chǔ)的，沉積物表面吸附的磷易被其它陰離子解吸，具有不穩(wěn)定性；化學(xué)吸附：具有專一性，水體中存在的Ca2+、Mg2+和A13+等陽(yáng)離子與PO43-極易結(jié)合生成溶解度非常小的化合物而被固定，具有穩(wěn)定性。物理化學(xué)吸附：無(wú)專一性，沉積物表面所帶的陰離子，使水體中的磷酸根陰離子能夠通過(guò)離子交換作用而被吸附在沉積物表面。但此種吸附方式穩(wěn)定性較低，被吸附的磷酸根離子也可被其它陰離子所取代，具有不穩(wěn)定性。自然環(huán)境中的單一吸附過(guò)程可能為以上單一機(jī)制或幾種機(jī)制的共同作用所產(chǎn)生。現(xiàn)階段探討磷在沉積物上吸附行為及其特征主要是借助于動(dòng)力學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)和等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)吸附熱力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而繪制相應(yīng)等溫吸附線的方法進(jìn)行分析。Langmuir方程是現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的，利用Langmuir方程可獲得磷最大吸附量（Xm）、吸附強(qiáng)度因子（k）和最大緩沖容量（MBC），相比而言更有利于沉積物等溫吸附特效的分析[15]。除Langmuir方程外常用的吸附等溫過(guò)程經(jīng)驗(yàn)方程主要有：Linear方程、Langmuir方程、Freundlich方程和Tempkin方程等。

4.2沉積物磷素解吸機(jī)制

沉積物磷素解吸是沉積物磷素吸附反應(yīng)的逆向過(guò)程（部分被吸附后不能被釋放的磷除外）。一般用擴(kuò)散、競(jìng)爭(zhēng)（轉(zhuǎn)換）和溶解三種機(jī)制來(lái)解釋沉積物磷的解吸，Sharpley等認(rèn)為磷的解吸受擴(kuò)散作用控制，并在此基礎(chǔ)上提出了經(jīng)驗(yàn)性解吸速率方程；競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制可理解為：沉積物表面配位體和氧化物的表面產(chǎn)生了專性吸附；用溶解機(jī)制解釋沉積物磷素解吸可從PO43-與陽(yáng)離子結(jié)合生成的難溶化合物的溶解來(lái)理解。沉積物中磷可以通過(guò)物理、化學(xué)及生物3種機(jī)制進(jìn)行解吸。物理機(jī)制：物理機(jī)制主要從兩個(gè)方面表現(xiàn)：一是形成沉積物間隙水與上覆水的濃度差，在此濃度差的作用下向水體釋放，二是在水動(dòng)力作用下表層沉積物再懸浮進(jìn)入水體；化學(xué)機(jī)制：化學(xué)機(jī)制主要表現(xiàn)為高價(jià)金屬氧化物的還原和有機(jī)質(zhì)礦化等，在相應(yīng)條件下被還原的低價(jià)金屬和PO43-會(huì)釋放進(jìn)入上覆水體[16]；生物機(jī)制：生物所釋放的磷主要來(lái)自于新陳代謝過(guò)程中未被利用的磷素和生物殘?bào)w的分解所產(chǎn)生的磷素[17]。

5結(jié)束語(yǔ)

磷素是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子之一，水體中磷含量過(guò)高將使水體富營(yíng)養(yǎng)化。通過(guò)研究磷在沉積物中的形態(tài)轉(zhuǎn)化、有效性變化和沉積物磷素釋放特征，揭示沉積物磷素吸附-解吸機(jī)制等過(guò)程的相關(guān)關(guān)系，為湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化的防治提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐，對(duì)進(jìn)一步深入探討沉積物磷素具有重大意義。

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作者:蔡愛民 單位:三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院