浅水湖泊沉积物—水界面磷的行为特征与环境风险评价

【摘要】：浅水湖泊是一个典型的沉积物—水—气—生多介质交互作用的复杂系统，由于水深较浅，水域较广阔，风浪扰动大，同时又受人为活动包括渔业及航运等的影响，具有沉积物-界面间物质交换频繁、界面过程复杂以及受多因子综合影响等一系列特点，引起浅水湖泊富营养化的形成机制具有较大的不确定性和复杂性。随着社会经济的发展，湖泊水体特别是与位于大型河流流域的浅水湖泊的富营养化问题已经成为当今亟待解决的主要环境问题，而沉积物-水界面营养盐的释放是决定湖泊营养状态的重要因素，有关水体富营养化现象和水华爆发机制的研究在很大程度上依赖于对湖泊水-沉积物界面营养盐特别是营养限制因子磷的生物地球化学过程的特点的理解和认识。 近一年来，在中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX-SW-12)“长江中下游地区湖泊富营养化的发生机制与控制对策研究”的资助下，围绕“浅水湖泊沉积物—水界面磷的行为特征与环境风险评价”这一科学问题，开展了一系列的研究工作，取得以下研究成果： (1) 通过对现场监测湖泊水质参数的时空分布的研究，发现湖泊水体中磷含量的高低受水体环境Eh及DO的控制；太湖水体中叶绿素的含量与浊度密切相关，说明水体中溶解性固体中藻类等生物体的细胞外分泌物可能占较大比例；水体中的可溶有机碳(DOC)含量高低与水温呈负相关关系，这与1月冬季水体中可溶有机碳含量高于10月份也相符合，说明可溶有机碳的浓度变化与生物摄取有很大关系。 (2) 通过对湖泊表层沉积物理化特征(包括粒度、比表面积、有机质含量、Fe、TP、TN等)的研究，发现研究区三个浅水湖泊的表层沉积物均以细颗粒的粉砂质成分为主，化学组分中Fe与磷的关系十分密切。表层沉积物更多的时候，在湖泊环境中扮演的是营养盐的“汇”的角色，污染重的地区沉积物相应就会吸纳更大量的污染物。但在特定的环境条件下，沉积物也会成为营养盐的释放源，维持湖泊水体的高营养状态。 (3)采用ED工A(ethylene dinitrilo tetracetic acid)磷形态分级提取法对太湖表层 沉积物中磷的赋存形态特别是有机磷形态进行了研究，发现沉积物磷的总 量受外源污染输入影响较大，污染重的湖区磷含量也高;研究还发现，酸 提取有机磷(org一Pa。)在沉积物中的含量并不高，而相对含量高的碱提取 (org一Palk)则与其中不同的腐殖质结合态的变化有很大关系;沉积物与上 覆水体之间磷的交换作用与Ca一P的沉淀溶解、铁的氧化还原所导致Fe一P 的溶解及有机磷的矿化分解关系密切。沉积物中Org一Pac的释放可能是一个 导致湖泊富营养化的重要过程。 (4)对沉积物一水界面交换机制的分析发现，沉积物中Ca一P和弱吸附态磷 (Ex一Pwat)含量与上覆水中磷浓度关系密切，更易导致上覆湖水发生富营 养化。通过对7月和10月不同季节的全太湖交换通量研究发现，7月交换 通量为+0.01林gcm““·d-’，10月份为一0.oZogcm一2·d一，，季节变化十分明显，说 明在太湖表层沉积物在10月份总体表现为磷的汇，从上覆水体中吸纳大量 的磷;而在7月份夏季则表现为磷的释放源，向上覆水体释放大量的磷。 (5)通过室内模拟实验，对湖泊沉积物营养盐磷的吸附动力学过程进行深入研 究，发现太湖、巢湖和龙感湖三个湖泊表层沉积物对磷的吸附行为均符合 修正后的Langmuir方程，吸附平衡时间受沉积物对磷的饱和吸附量及NAP 影响较大;湖泊表层沉积物对磷的吸附行为在很大程度上受沉积物物理性 质(粒度组成以及比表面积)以及化学组成(无定形的铁铝氢氧化物和有 机质含量)的影响，而颗粒物Zeta电位的变化很可能在一定程度上控制着 pH对磷吸附行为的影响。同时，研究还发现，浅水湖泊沉积物的吸附容量 在227mg’kg一‘一1996mg’kg一，之间，远大于河口沉积物的26.3 mgkg一‘一204.08 mg吨一‘。 (6)通过实验模拟的方法，对动态和静态不同水动力条件、好氧与厌氧不同氧 化还原条件、生物与非生物不同作用下沉积物一水界面磷的交换过程进行研 究，发现在污染较重地区(如五里湖的TI)其高含量的磷本底值也导致其 较高的释放量。而在长时间的沉积物聚磷或释磷实验中，沉积物一水界面微 生物作用对磷的释放起着决定性作用，表现为耗氧阶段富集磷，厌氧阶段 释放磷。同时，通过定量分析不同阶段沉积物中各形态结合磷的变化，发 现沉积物中Al、Fe和Ca结合磷的活化释放与水体环境的酸碱度、氧化还 原电位以及微生物量的大小密切相关。 (7)采用综合营养状态指数法(TLI)对太湖的富营养化状况进行评价研究，发 现目前太湖富营养化水域面积呈扩大趋势，同时对太湖近40年来营养状况 发展趋势的研究，发现自90年代中后期开始，太湖的水质状况就迅速恶化， 受沿岸经济发展所造成的人为污染增加关系密切。 (8)采用磷饱和度(DPS)指数对太湖沉积物磷的持有量进行估算，并尝试预 测湖泊富营养化风险。研究发现梅梁湾北部至五里湖一带、竺山湖北部湖 区有着高度的富营养化风险;梅梁湾南部和湖心区存在较强的风险性;而 原本?