十五里河底泥磷形态和磷释放分析

2021-11-06孙倩倩笪春年

黄山学院学报 2021年5期

孙倩倩，方涛，笪春年

(合肥学院生物食品与环境学院，安徽合肥 230000)

水体富营养化一直以来是我国乃至世界水环境污染的主要问题之一，巢湖富营养化问题也由来已久。十五里河是巢湖重要的支流之一，也是合肥市内的一条重要的纳污河道，已成为巢湖营养物质的主要来源之一，因此污染状况一度十分严重[1]。国内外有大量的研究表明，氮、磷元素含量超标是造成富营养化的根本原因，而磷是主要的限制性元素[2]。相关研究表明在磷的生物有效性与底泥磷的释放规律等方面，磷的形态起着不同程度的作用，对河流湖泊富营养化问题的影响也有较大差别[3]。为了弄清与认识内源磷负荷及其迁移转化规律，有必要对十五里河底泥当中的磷形态与含量开展研究，并分析其在酸、碱条件下内源磷的释放规律，研究结果对十五里河乃至巢湖富营养化的治理具有重要的参考价值[4]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

十五里河穿越合肥市主城区，发源于大蜀山东南方向的山脚下，河道弯曲，不同季节的洪枯水位变化大并且差距也较大[5]。十五里河是合肥市一条重要的纳污河道，曾经的污染状况十分严重，经过近年来不懈的治理，如今已经有所改善，但是其富营养化现象依旧存在，已成为巢湖氮磷营养物质的重要来源[6]。十五里河上游采样点附近主要为城市居民居住区，原有的一些工业污染源如工厂与化肥厂等已经搬迁或者停产；中下游附近主要为农业生产用地，主要种植生产的农作物有水稻、油菜、蔬菜、棉花、大豆、小麦等，另外还有水产养殖区、畜禽养殖区等[7]。

1.2 样品采集与前处理

为研究分析十五里河底泥磷形态及含量分布情况，分别在河流的上游、中游、下游采集表层底泥（0-5cm），具体采样点如图1，每个采样点采集3 个平行样。

图1 研究区采样点示意图

底泥样品采集以后，带回实验室，一部分在105℃条件下放置于烘箱中烘干，然后除去植物根茎、碎石等杂物，粉碎之后再充分混匀，之后通过0.15mm的孔径筛，最后将样品装入实验室专用的干净塑料密封袋中，贴好标签，置于阴凉干净处保存，用于测定底泥磷形态及其含量。另一部分底泥样品，简单分拣出大块碎石、植物根茎，用于探究上覆水体在不同环境条件下底泥磷的释放过程。

1.3 磷的测定方法

底泥中磷形态的分级提取分析采用SMT 分离法[8]，将总磷（TP）分为其他3 种形态磷（交换态磷Exch-P、铁铝结合态磷(Al+Fe)-P、钙磷Ca-P）进行分析；提取之后，磷的测定均采用钼锑抗分光光度法，每个样品均做3 组平行样，最终数据取3 者的平均值。

1.4 磷释放模拟实验方法

磷释放模拟实验采用的是十五里河中游采样点的底泥，准确称取50g 湿污泥，将其平铺于500ml的烧杯底部。然后沿着烧杯壁缓慢加入蒸馏水至500ml刻度线,调节水样的pH、温度以及溶解氧。每组做2个平行样。每隔24h 取样1次，连续观察25d。取样时用移液管吸取上覆水，用钼锑钪分光光度法测定水中总磷[9]。每次采集水样之后都要用蒸馏水补齐至原来刻度，防止因为体积减少而导致上覆水的总磷浓度偏大。

2 结果与讨论

2.1 底泥磷形态及含量

2.1.1 底泥中形态特征分析

十五里河各采样点不同形态磷含量如表1所示。

表1 十五里河各采样点不同形态磷含量（mg/kg）

从表1 可以看出：十五里河底泥中TP 含量为85.78-265.26mg/kg，从整体上来说，在不同采样点，十五里河底泥中4种形态磷的含量基本上都呈现IP>Or-P>Ca-P>(Al+Fe)-P>Exch-P的关系。

2.1.2 空间特征分析

十五里河底泥磷空间特征如图2所示。

图2 底泥磷空间特征

由图2 可知，十五里河底泥中4 种形态磷在空间分布上均存在着先升高后降低的趋势；在中游采样点，位于滨湖会展中心地铁口附近，靠近人群活动区与居住区，污染来源广泛，总磷含量相对较高，其中(Al+Fe)-P 在中游底泥中的含量为95.511mg/kg，相对于上游59.600mg/kg、下游12.105mg/kg，其含量是最高的。有文献表明，铁铝结合态磷是底泥向水体中释放磷的主要来源与组成，可以看出相较于上游与下游，十五里河中游底泥在外界环境作用下，具有向水体释放磷的巨大潜力[10]。上游、下游的采样点都比较偏离人类活动与居住区，附近无常住人口以及活动区、工农业生产区等地，污染物来源相对较少，因此污染程度较轻。特别是下游河段，正在开展河道治理工作，因此其污染程度更低。

2.2 不同环境条件对底泥磷释放的影响

不同环境条件底泥中磷形态含量及比例变化情况如表2所示。

表2 不同环境条件底泥中磷形态含量及比例变化

2.2.1 pH对底泥磷释放的影响

为研究在不同pH 值条件下，上覆水对底泥磷释放的影响，本文研究了pH=5、7、9 情况下底泥磷释放情况。由表2 可知，当pH=9 时，底泥中总磷浓度减少最多，上覆水总磷浓度最大。碱性的环境有利于底泥中磷释放。而Or-P 不论在酸性环境还是碱性环境都减少了3%和4%。(Al+Fe)-P 在碱性环境下降显著，可能是由于水体中OH-与Fe3+和Al3+生成了更稳定的氢氧化物。Ca-P 在酸性环境下减少了6.27%，是因为H+对其有溶解作用；而在碱性环境下却升高了4.37%，可能是OH-产生了某些化学沉淀[11]。

2.2.2 温度对底泥磷释放影响

本文研究了T=10℃、20℃、30℃时，上覆水对底泥磷释放的影响。实验结果表明，上覆水水温越高，底泥中总磷浓度减少的越显著。而随着温度升高，Or-P、(Al+Fe)-P、Ca-P 含量也不断降低。这是由于温度加剧了微生物的活动，活化了Or-P、(Al+Fe)-P；而温度升高，有机质矿化作用变强，加剧CO2产生，促使Ca-P溶解[12]。

2.2.3 溶解氧对底泥磷释放影响

本文研究了好氧（DO>5mg/L）和厌氧（DO<1mg/L）环境下底泥磷释放的影响。实验中，根据氧化还原电位的变化可知好氧环境表现出强氧化性，厌氧环境表现为还原性。TP 在厌氧环境减少的更显著为20%。Or-P 在好氧和厌氧的环境中都减少了16%。而(Al+Fe)-P 在好氧环境下增加了11.4%，在厌氧环境下下降了7.7%。Ca-P 在好氧和厌氧环境下都变化不大。原因是溶解氧的变化影响到水底底泥中微生物的活动，进而使底泥中磷形态发生了改变。