设为首页 | 加入收藏 |
咨询热线:52452488
产品列表
联系我们
电话:

手机:

传真:
邮箱:
地址:
金盆水库沉积物磷的来源及分布特征

金盆水库沉积物磷的来源及分布特征

[来源:未知]  [作者admin] [日期:2019-06-30 22:50] [热度:]

  环境水体中总磷浓度是限制水体富营养化的主要因素[1~3].一方面, 径流汇入、面源污染等带来的“外源性磷”进入水环境, 导致水体受到污染; 另一方面, 沉积物内贮藏的“内源性磷”在环境条件影响下释放进入上覆水体, 导致湖库水体富营养化[4,5].目前国内外对水源水库外源污染控制已取得一定成效, 但内源污染控制问题尚未解决[6,7].沉积物是水环境中各营养物质的重要源汇, 研究磷在沉积物中的生物地球化学循环过程具有非常重要的意义[8].

  沉积物的主要成分是泥沙底质, 包括土壤、页岩、砂砾, 大量污染物通过沉积作用在沉积物中不断积累[9], 磷在水库中的沉积过程主要分为入库径流携带的颗粒态磷沿程快速沉降、水体中溶解态磷与金属元素的协同沉淀、水体藻类或其他微生物群落吸附的磷以碎屑形式沉积等[9,10].目前国内外已经有一些关于外源磷沉积的研究报告, 方芳等[11]对三峡小江回水区磷赋存形态进行跟踪观测分析, 发现该区域磷形态以吸附泥沙颗粒表面的颗粒态磷为主, 并在降雨、径流的作用下进入水体导致总磷含量增加.林国恩等[9]采用SMT法对流溪河水库不同地区收集的沉降颗粒磷形态进行分析, 发现入库河流区磷浓度比较高, 主要依靠外源输入磷沉降; 主库区磷浓度稍低于入库河流区, 可能是较强的内源生物沉降造成.沉积物不仅是污染物的汇, 同时也作为污染物的源参与整个水体的生物地球化学循环过程[7].研究磷在沉积物中的赋存形态对于沉积物中内源磷的迁移转化机制至关重要. Wang等[12]采用连续分级提取方法研究了贵州红枫湖沉积物磷的赋存形态, 发现了沉积物磷形态的变化容易受到环境因素的影响. Shinohara等[13]研究了日本Kasumigaura湖沉积物及间隙水中磷的形态分布特征, 发现了有机质的矿化作用以及酶活性对沉积物中有机磷的吸附释放有一定的影响.

  近年来, 针对沉积物磷的吸附释放与迁移转化规律国内外已有很多研究, 但并未综合考虑降雨径流污染负荷沉积和沉积物内源磷迁移释放的共同作用影响.本文以西安金盆水库典型温带峡谷型水库为研究对象, 结合水库不同时期水体、沉降颗粒总磷含量及形态变化, 对表层沉积物的季节性变化、柱状沉积物内部形态迁移转化过程进行分析, 通过探明水库沉积物磷形态迁移转化过程, 明确水质污染的潜在风险, 并指明有效的控制方向, 以期为实现水资源可持续利用提供科学的参考依据.

  金盆水库位于陕西省西安市周至县境内(34°02′~34°03′N, 108°12′~108°11′E), 是西安市黑河引水系统主要水源地.水库坝高130 m, 总库容2亿m3, 平均水深70~100 m, 属于峡谷型深水水库, 夏季形成稳定的热分层.该水库目前水质状况良好, 水体TP浓度为0.007~0.040 mg·L-1, 整体处于较低水平.流域出露地层主要以前震旦系宽坪群大镇沟组变质岩与第四系松散堆积层为主, 钙质石英岩分布广泛.河流上游沿线多森林覆盖, 水库径流量较大, 氮磷等污染物长期富集沉积于库底, 沉积颗粒中污染物含量不断增加.库区流域降雨集中在5~10月, 9~10月为主汛期, 近60%的全年降雨量集中于此阶段, 时有暴雨出现[14].暴雨过程中入库径流会携带大量泥沙等高负荷污染物, 破坏水库热分层结构, 影响水质分布.

  同时, 为应对水库夏季分层期底部水体溶解氧的耗竭及沉积物内源污染物的释放, 采用扬水曝气系统在水库原位进行人工强制混合充氧, 8台扬水曝气系统均匀分布于主库区(图 1), 每年9月启动运行1~2个月, 待水体完全混合充氧后, 关闭系统, 实现人工强制混合与水体冬季自然混合衔接, 抑制沉积物内源污染释放.

  根据金盆水库地形及径流潜入特点, 选取主库区S1和S2为采样点, 其中S1位于引水塔取水口前以西100 m处, 该点在水库分层期底部溶解氧消耗较快, 并对饮用水供水水质产生较大影响.同时选取S1以南100 m位置的S2作为平行样(图 1).

  (1) 水样2017年1月1日起, 每周用直立式有机玻璃采样器沿垂向进行水样采集和监测, 采集间隔为:表层0.5 m至底部每隔10 m采取一个样品, 为研究藻类生长内源磷沉降及沉积物内源磷释放过程, 分别于表层水体3~5 m处(叶绿素最大值区域)及沉积物界面以上0.5 m处增设采样点进行监测, 采集好的水样放入4℃冰箱保存, 于24 h内完成水质检测.

  (2) 沉积物样品从2017年3月起, 每隔2~3个月在主库区采集表层30 cm柱状沉积物, 用于探究磷形态的季节性变化.样品由柱状采泥器采集.采集的样品立即运回实验室以1 cm为尺度进行分割, 样品装至培养皿内于-20℃冷冻后, 利用线)进行冷冻干燥, 干燥后的样品用研钵研磨、过筛至200目以下, 装入封口袋中备用.其中表层沉积物采用0~1 cm的沉积物样品进行研究.

  (3) 沉降颗粒收集沉积物上0.5 m处设置捕捉点, 将特制PVC沉降颗粒收集器(含支架)垂直放置于沉积物界面处, 进行沉降颗粒收集, 收集时间为(30±2) d, 于2017年3月起每月采集沉降颗粒进行分析.

  水中总磷采用钼-锑-抗分光光度法(GB 11893-89)测得, 水体藻密度分布采用血球计数板的镜检法检测.

  式中,Sd为沉积速率(以沉降颗粒沉积厚度计)(mm·d-1);D为沉降颗粒沉积厚度, 一定时间内沉降颗粒收集器采集的沉降颗粒厚度(mm);t为对应时间, 取30 d.

  式中,Sm为沉积速率(以沉降颗粒质量计)[g·(m2·d)-1];m为沉降颗粒质量, 一定时间内沉降颗粒收集器采集的沉降颗粒干重(g);t为对应时间, 取30 d;a为沉降颗粒收集器的截面面积, 为0.017 7 m2.

  金盆水库水体颗粒态总磷年平均变化如图 2所示, 水体上、中和底部总磷分别为0.009~0.022、0.010~0.026和0.011~0.042 mg·L-1, 年均值分别为0.014、0.015和0.017 mg·L-1(图 2).总体上金盆水库总磷浓度处于较低水平.水体分层期, 上部水体总磷在3月最低, 为0.009 mg·L-1, 随着3~8月金盆水库气温逐渐升高, 日照增长, 水体藻类及浮游动植物开始剧烈繁殖(图 3), 表层水体总磷以颗粒态有机磷为主, 随藻类生殖活动不断延续增长, 在6~7月总磷达到最大值0.022 mg·L-1, 同时随着死亡藻类、有机碎屑不断向底部水体沉降, 底部水体总磷浓度迅速增大, 在8月达到最大值0.040 mg·L-1, 进一步影响表层沉积物有机磷的分布, 从图 4和图 5可看出, 3~8月随着藻类持续死亡沉降, 水体中颗粒磷含量不断增加, 表层沉积物磷含量(主要为有机磷)也相应增加.

  9~11月金盆水库进入汛期(图 3), 由于径流携带的大量泥沙等高负荷污染物使潜流水体密度增加, 形成泥沙异重流, 导致中下部水体浊度、总磷含量和沉降颗粒不断增加, 其中下部水体总磷含量在10月出现极大值0.042 mg·L-1.但由于泥沙中磷的质量占比较小, 尽管颗粒沉积速率在10月达到最大值62.296 3 g·(m2·d)-1(图 4), 表层沉积物中总磷含量依然相对较低.可见2017年全年水体中颗粒态总磷的含量在藻类沉积与径流汇入的共同影响下整体呈先增加后减小的趋势, 并进一步影响了表层沉积物磷的分布规律.

  图 5为金盆水库不同时间表层沉积物总磷含量及形态变化, 从中可看出, 全年表层沉积物总磷含量先增加后减小, 受沉降颗粒总磷沉积作用影响显著.其中3~8月, 表层沉积物总磷含量由(725.15±16.75) mg·kg-1逐渐增加至(797.02±27.90) mg·kg-1, 8~11月表层沉积物总磷含量逐渐降低至(733.01±25.66) mg·kg-1, 整体呈现先增大后减小到趋势(图 5).同期颗粒磷的含量变化也呈现出相同的规律, 3~8月逐渐增大, 8~12月逐渐减小(图 4).表明金盆水库主库区表层沉积物总磷含量与水体沉降颗粒磷含量变化较为一致, 相关系数r2=0.877 5(图 6).

  水体沉降颗粒磷来源一般包括内源藻类的死亡沉降及外源径流的汇入[9]两种形式. 3~8月为藻类繁殖期, 上层水体藻密度持续增加, 8月达到全年最高值840×104cells·L-1(图 3).随着死亡藻类的不断沉降, 大量有机磷(以NaOH-nrP计)沉积到表层沉积物中, 使得颗粒磷沉积量较小, 但颗粒磷的含量持续增加, 至8月底达到(753.51±17.11) mg·kg-1(图 4), 表层沉积物总磷含量随之在8月达到最大(797.02±15.90) mg·kg-1(图 5). 9~10月为金盆水库汛期, 入库流量较大, 暴雨径流携带大量的泥沙汇入主库区, 沉降颗粒的沉积速率在10月达到最大值62.296 3 g·(m2·d)-1(图 4).由于外源径流多携带大颗粒的泥沙, 污染物负荷较大, 导致水体颗粒磷浓度增大, 然而由于单位质量泥沙中总磷含量占比较小, 因此导致9、10月径流过程中表层沉积物总磷(TP)含量反而逐渐降低.

  针对8月(水体藻密度最大)和10月(入库流量最大)两个重要时期, 对金盆水库表层沉积物及沉降颗粒中磷形态进行分析, 采用化学连续提取法, 将沉积物中的磷分为SRP、BD-P、NaOH-srP、NaOH-nrP、Ca-P和rest-P.其中NaOH-nrP为微生物磷, 主要由碎屑中的有机磷组成[15], 其含量的变化与藻类的死亡沉降关系较大.从图 7可以看出, 8月随着藻类生殖活动不断延续, 死亡藻类不断向底部水体沉降, 沉降颗粒中携带大量有机磷(以NaOH-nrP计), 表层沉积物中NaOH-nrP含量随之在8月达到最大, 占总磷的16.08%, 10月随着暴雨径流的汇入, 水体藻密度降至97×104cells·L-1(图 3), 颗粒态磷主要以无机磷为主, 沉降颗粒中NaOH-nrP的占比从23.01%降至14.71%, 表层沉积物中有机磷占比也随之减少.

  Ca-P和rest-P是沉积物磷的主要赋存形态, 二者之和约占表层沉积物总磷的57.33%~62.68%, 属于沉积物中较为稳定的磷形态. 10月随着金盆水库汛期的来临, 径流水体携带大量泥沙, 水体中颗粒磷以无机态的Ca-P和rest-P为主, 从图 7可看出, 8~10月, 随着入库流量的增加, 沉降颗粒中无机磷的占比从56.17%增至67.48%, 表层沉积物中的Ca-P和rest-P也随之增加.

  活性磷(SRP)属于弱吸附态磷[15], 容易释放到孔隙水中, 但SRP在沉积物中含量非常低, 约占沉积物总磷的0.07%~0.13%, 对沉积物污染物分布影响较小. BD-P主要是被铁的氢氧化物和锰的化合物约束的磷[15], 对氧化还原很敏感. NaOH-srP主要为铁铝结合态磷, 是可与OH-离子进行交换的铁铝金属氧化物约束的磷[15].这3种磷形态较为活跃, 受沉积物-水界面的环境条件(温度、溶解氧、pH等)的改变影响较大[18], 会在沉积物-水界面的生物地球化学作用下发生一系列的迁移转化, 影响表层沉积物污染物的分布.

  沉积物总磷含量及形态分布除受水体颗粒物沉积作用以外, 还受到沉积物内部生物地球化学的共同作用影响.一方面, 不同时期沉降颗粒性质、污染物含量及其形态对表层沉积污染物性质影响较为显著.另一方面在表层沉积物与上覆水之间强烈的生物地球化学作用影响下, 污染物在沉积物内部发生一系列的迁移转化.

  选取2017年11月表层25 cm柱状沉积物, 采用化学连续提取法对其形态变化进行分析, 用于探究沉积物内部磷的迁移转化规律如图 8所示.从中可看出, 水库沉积物中总磷含量沿垂向呈降低趋势, 其中表层沉积物总磷含量全年维持在相对较高的水平, 在708.48~831.63 mg·kg-1.沉积物垂向深度18 cm以下总磷含量逐渐趋于稳定, 数值在600.42~671.22mg·kg-1之间.垂向深度总磷含量梯度的存在使得沉积物磷通过孔隙水有向上层迁移转化的趋势.表层沉积物总磷含量变化一方面受水体沉降颗粒总磷含量影响, 另一方面受表层沉积物与上覆水之间强烈的生物地球化学作用影响, 大量含磷污染物在沉积物中不断被微生物分解并以可溶态向表层迁移.不同形态磷在沉积物内部的迁移转化规律也大不相同.

  金盆水库沉积物磷以Ca-P和rest-P为主, 二者属于沉积物中最为稳定的磷形态, 基本不参与地球化学作用, 其垂向分布特征与总磷分布特征相似, 主要受不同时间颗粒磷的沉积作用影响. NaOH-nrP为微生物磷, 可用来表征有机磷的含量.有机质作为有机磷的载体[19], 其含量直接影响了NaOH-nrP的含量变化.从图 8中可看出NaOH-nrP的沿垂向总体呈现略微下降的趋势, 主要因为随着深度增加, 沉积物内部处于缺氧状态, 有机质会被细菌等微生物利用而发生矿化分解, 造成有机磷(以NaOH-nrP计)随之向孔隙水释放, 在浓度差的驱使下有向上层沉积物迁移转化的趋势.

  另一方面, SRP、BD-P和NaOH-srP这3种形态磷沿垂向出现明显降低趋势, 主要是由于NaOH-srP和BD-P的大幅度减小导致, 这3种磷形态较为活跃, 受沉积物内部生物地球化学作用影响大, 在环境条件的变化下发生一系列迁移转化.分层型深水水库沉积物中磷的释放主要随季节呈现周期性变化[20].研究表明, 金盆水库水体温度上高下低, 2017年全年库底水温在7.2~9.9℃之间, 随季节变化差异较小.主要在夏季库底水温较高时, 沉积物-水界面微生物生命活动有所增强, 沉积物中少量有机磷可能随着有机质的降解被释放到上覆水体中, 对沉积物内部磷形态迁移转化影响较小.

  pH值也是影响磷释放的重要因素[21,22], 一般认为, 碱性条件下OH-会与PO43-竞争Fe(Ⅲ)的配体, 促使磷释放(主要为NaOH-srP的释放)[23], 金盆水库底部的pH值一般在7.5~8.2之间, 使得沉积物中NaOH-srP沿垂向有向上释放的趋势.因此沉积物中NaOH-srP表层相对较高, 底层逐渐减小.

  溶解氧含量是影响磷在沉积物-水界面交换过程中的重要因素[24,25], 研究认为水体底部的溶解氧可以决定沉积物-水界面磷的迁移转化方向, 氧化还原电位被认为是NaOH-srP能否发生释放的转折点[24], 在富氧环境下, 沉积物-水界面处于氧化状态, Fe(Ⅲ)易与磷结合, 以磷酸盐形式沉淀, 利于沉积物对上覆水磷酸盐的吸附[24]; 在厌氧和缺氧环境下, 不溶性Fe(OH)3变成可溶性Fe(OH)2, 使NaOH-srP释放到水里[25]. 2017年全年金盆水库库底溶解氧浓度在(1.88~9.4) mg·L-1之间, 热分层期间, 溶解氧浓度较低, 促使NaOH-srP向上覆水体释放.此外, 对氧化还原条件敏感的BD-P一般会在厌氧条件下伴随铁、锰等还原性污染物的厌氧释放而释放到上覆水体中.同时, 沉积物内部还原性条件更加强烈, 进一步促使底部沉积物中NaOH-srP和BD-P通过向孔隙水中释放逐步向上层迁移, 其含量沿深度增加明显降低.

  (1) 金盆水库表层沉积物总磷含量和磷形态分布受水体颗粒磷沉降作用明显(r2=0.877 5). 3~8月随着死亡藻类的不断沉降, 大量有机磷(主要为NaOH-nrP)沉积到表层沉积物中, 使得颗粒磷沉积量较小, 但颗粒磷的含量持续增加, 9~11月为金盆水库汛期, 暴雨径流携带大量的泥沙汇入主库区, 污染物负荷较大, 然而由于单位质量泥沙中总磷含量(主要为Ca-P和rest-P等无机磷)占比较小, 表层沉积物TP含量反而逐渐降低.

  (2) 金盆水库表层沉积物总磷含量和磷形态分布同时也受沉积物内部生物地球化学共同作用, 主要体现在SRP、BD-P和NaOH-srP这3种磷形态上.在环境条件的改变下发生一系列迁移转化, 金盆水库水体较深, 水体温度上高下低, 底部溶解氧浓度较低, 整体处于季节性缺氧或厌氧状态, 存在较大的SRP、BD-P和NaOH-srP等内源磷释放风险, 在今后的研究中需大力加强对该类型水库沉积物内源磷释放机制和控制措施的研究.

关键字:利来w66