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湿地沉积物磷赋存形态及特征研究

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摘要:采用Hieltjes和Lijklema的连续浸提法,对用石灰作底质改良后的景观表流湿地表层沉积物进行磷形态特征的分析。结果表明:景观表流湿地表层沉积物磷的赋存形态主要为无机磷(IP),其含量占总磷(TP)含量比例的90%以上。无机磷(IP)的主要形态之一是钙镁结合磷,其含量占总磷(TP)含量比例的50%以上。主要磷形态含量排序为:Ca-P>Res-P>NaOH-P>KCl-P>NaOH-Po。石灰用作湿地底质改良剂,可以增加沉积物中钙结合磷的含量,钙结合磷短期内不参与磷循环,从而可以减少磷向上覆水的释放。

关键词:景观湿地;沉积物;连续浸提法;磷形态

1引言

近年来景观水体黑臭问题已经引起人们的高度重视。由于景观水体与外界水体交流少,水体自净能力相对较弱,且流速缓慢容易造成底泥淤积等特点,致使景观水体富营养化严重,有机污染物厌氧使水体发生黑臭现象[1~3]。景观黑臭水体不仅损害了城市人居环境,也严重影响城市形象。表流型景观湿地除了能给人以视觉享受外,还常作为修复技术用于城市景观水体[4]。湿地除磷原理是水体中的可溶性磷酸盐经过物理作用使磷储存于湿地内部的过程,因此沉积物是湿地中磷的主要汇,但并非磷的长期有效汇[5]。当水体中发生生态环境变化时,例如:生物作用、水体营养盐负荷改变、温度改变、pH值改变等,沉积物中的氮、磷等营养物质会再次释放,引起水体的二次污染[6~8]。因此修复景观湿地水体黑臭问题,必须采取有效措施控制底泥造成的内源污染。

2材料与方法

2.1研究区概况本实验样品采至某公园表流型景观人工湿地,湿地是在原有人工湖的基础上建立而成,占地面积为5000m2,湖区水深1m左右。湿地建立经过湖底晾晒,底质改良(改良剂为石灰,用量约为0.1kg/m2),种植沉水植物伊乐藻、狐尾藻、眼子菜、轮叶黑藻、苦草等,以及挺水植物荷花。补给水为该市污水厂出水,水质达到污水排放一级A标准。投入的菌剂和水生动物包含微生物、鱼卵、螺类幼卵等。通过研究该公园景观湿地沉积物的磷赋存形态,以及随着时间推移沉积物各磷形态含量的变化,进而解决景观水体内源污染问题。

2.2样品采集与处理在景观湿地湖区上下左右均匀布四点分别为1-4号,用柱状采泥器于采样点采集表层沉积物5cm厚度,各采样点均采集6个平行样并除去植物等残体现场混合,带回时样品用洁净的聚乙烯塑料袋存放在4℃冰箱内保存。将带回的样品冷冻干燥,同时用格瑞德曼-MG100臼式研磨仪进行研磨,然后用100目格瑞德曼-SS200震动筛分仪筛分,将制备的样品放置在洁净的聚乙烯塑料袋中备用。为了防止水分产生的误差,分析测定前要将样品放置在烘箱中烘干至恒重。2.3沉积物测定方法本实验沉积物磷的测定项为:活性有机磷(NaOH-Po)、易解析磷(KCl-P)、钙镁结合磷(Ca-P)、铁铝结合磷(NaOH-P)和惰性磷(Res-P)。提取方法是在Hieltjes和Lijklema1980年发表的连续浸提法基础上做了更改,提取时将KCl替代NH4Cl作为对易交换态磷的提取剂。此方法较Ruttenberg法更为实用简便,而且能通过降低提取过程中的再吸附效应使易解析磷更充分的提取出来[9]。测量分级提取液所用仪器为Agilent8543紫外可见分光光度计。具体步骤见图1。

3数据分析及讨论

3.1沉积物磷赋存形态分析将景观湿地建立时的沉积物进行磷分级提取,各采样点磷形态含量如表1所示。各采样点的磷形态含量所占总磷含量的比例见图2。测定结果表明:景观湿地表层沉积物总磷(TP)的含量在504.97~893.05mg/kg之间,易解析磷(KCl-P)含量在22.81~30.94mg/kg之间,铁铝结合磷(NaOH-P)含量在30.58~100.30mg/kg之间,钙镁结合磷(Ca-P)含量在306.83~506.92mg/kg之间,惰性磷(Res-P)含量在112.20~244.12mg/kg之间,活性有机磷(NaOH-P0)的含量在5.60~18.02mg/kg之间。其中KCl-P、NaOH-P、Ca-P、Res-P、NaOH-P0的含量所占总磷含量的比例分别为:3.70%~5.21%、6.06%~11.23%、60.76%~68.55%、17.35%~27.56%、1.01%~2.02%。主要磷形态含量排序为:Ca-P>Res-P>NaOH-P>KCl-P>NaOH-P0。公园景观湿地的表层沉积物中无机磷(IP)的形态为主要磷形态,其含量所占总磷含量的比例超过90%。无机磷(IP)的主要形态之一是钙镁结合磷,其含量所占总磷(TP)含量比例超过50%。钙镁结合态磷(Ca-P)被认为是除惰性磷(Res-P)以外较稳定的磷形态,短时间内不会参与磷循环。

3.2改良剂对其特征形态的影响景观湿地建设使用了石灰为改良剂,用量约为0.1kg/m2,从湿地建立起隔月采集沉积物进行磷形态含量分析至冬季湿地植物进入越冬期,监测时间为5个月。经连续浸提法测得沉积物中各形态的磷含量见表2。各形态磷所占总磷含量的比例见图3。结果表明:表层沉积物总磷(TP)的含量在704.18~833.04mg/kg之间,易解析磷(KCl-P)含量在33.19~53.25mg/kg之间,铁铝结合磷(NaOH-P)含量在104.87~133.81mg/kg之间,钙镁结合磷(Ca-P)含量在210.12~489.36mg/kg之间,惰性磷(Res-P)含量在111.03~327.06mg/kg之间,活性有机磷(NaOH-P0)的含量在5.609.35~27.28mg/kg之间。其中KCl-P、NaOH-P、Ca-P、Res-P、NaOH-P0的含量所占总磷含量的比例分别为4.71~7.78%、14.54%~16.16%、56.51%~63.30%、15.40%~19.29%、4.71%~7.78%。主要磷形态含量排序为:Ca-P>Res-P>NaOH-P>KCl-P>NaOH-Po。沉积物中总磷含量在第70的时候达到最值787.16mg/kg,可能是初期水中颗粒物的沉降作用所致。870d~90d的时候温度适宜,是动植物、微生物生长活跃期,沉积物总磷含量降为775.10mg/kg。90d后,随着外界温度的降低,植物开始进入越冬期,沉积物总磷含量上升为833.04mg/kg,可能由于冬季植物大量死亡,打捞不及时植物残体腐烂淤积造成的。通过比较各时间段磷形态含量发现:随着时间推移沉积物磷形态含量分布中惰性磷和有机磷含量范围变化较小,但易解析磷所占总磷含量的比例明显降低,钙镁结合磷所占总磷含量的比例明显升高。可能因为景观湿地建造时投加了改良剂生石灰,石灰可以通过改变pH来改变沉积物的酸性环境,使沉积物表层处于氧化状态,氧化沉积物中富含磷的有机物,形成难溶的磷石灰矿化物。

4结论

景观湿地表层沉积物磷的赋存形态主要为无机磷(IP),其含量占总磷(TP)比例的90%以上。无机磷(IP)的主要形态之一是钙镁结合磷,其含量所占总磷含量比例超过50%。主要磷形态含量排序为:Ca-P>Res-P>NaOH-P>KCl-P>NaOH-Po。水中颗粒物的沉降作用会增加沉积物中总磷的含量。越冬期,未及时打捞的植物残体会以有机磷的形式沉降到底泥中,增加沉积物总磷的含量。在沉积物中按0.1kg/m2的量添加石灰作改良剂,能增加钙结合磷的含量。因为钙结合磷短时间内不参与磷循环,从而在一定程度上减少磷的内源污染问题。

参考文献:

[1]梁益聪.碳素纤维生态草在城市黑臭水体中的应用研究[D].南宁:广西大学,2014.

[2]林培.《城市黑臭水体整治工作指南》解读[J].建设科技,2015(11):14~15.

[3]熊跃辉.我国城市黑臭水体成因与防治技术政策[N].中国环境报,2015-06-11.

[4]沈万斌,赵涛,刘鹏,等.人工湿地环境经济价值评价及实例研究[J].环境科学研究,2005,18(2):15~26.

[5]王健康,王亚茹,杨广,等.玉渊潭人工湿地沉积物有机磷形态分级特征研究[J].环境工程,2015,33(S1):932~935,940.

[6]张洪芬.天津泰达再生水景观河道氮磷营养盐沉积规律及水体水质保持策略研究[D].长春:吉林大学,2005.

[7]胡正峰.加拿大格兰德河水体磷素形态转化及水生生物对磷素吸收释放进[D].重庆:西南大学,2013.

[8]沈建国,朱焕潮,王兆德,等.浙北下渚湖湿地上覆水—底泥界面磷素特征与水质响应研究[J].环境科学,2009,30(6):1595~1601.

作者:王叶姣 田在锋 吴亦红 李橙 王月锋 朱静 单位:河北省环境科学研究院

湿地科学杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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