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菹草叶面CaCO_3-P共沉淀对上覆水和沉积物磷的作用机制研究

朱红  
【摘要】:磷是引起水体富营养化的主要限制因子,对水中溶解性磷的去除和对沉积物磷的控制是防治水体富营养化的关键。钙是水体中重要的营养元素,通过水生植物吸收/释放和自身沉淀/溶解过程发生迁移转化而得到重新分配。水体中碳酸钙与磷酸盐的共沉淀现象普遍存在,这种共沉淀除磷作为一种自净机制对自然水体富磷营养的控制具有重要的生态意义。 本课题为了研究沉水植物菹草(Potamogeton crispus)存在下CaCO3-P共沉淀的形成及其对水体磷的影响,以“上覆水-沉水植物-沉积物”为研究体系,设计了不同沉积物和钙、磷处理的盆栽试验,分析不同条件下上覆水性质的变化,菹草钙、磷含量,菹草叶面共沉淀特征,菹草释钙特性及沉积物磷的变化,探究不同钙、磷水平下菹草叶面共沉淀的形成及其对磷的作用机制,主要结论如下: (1)上覆水pH值、Ca2+和SRP浓度与沉积物性质和外源钙、磷密切相关。沉积物的酸碱性直接影响上覆水pH值。沉积物加钙1000mg/kg能使上覆水Ca2+达到100-180mg/L,提高上覆水EC。同时,上覆水Ca2+的增加能促进上覆水SRP的沉降,并降低由菹草生长引起的上覆水较高的pH值。 (2)菹草对上覆水性质有显著影响,特别是上覆水pH值。在菹草生长阶段,白天强烈的光合作用和夜间对应的呼吸作用使得上覆水性质出现昼夜周期性差异,白天上覆水的pH值可超过10,平均高出夜间约11%。适宜的光照和温度能促使菹草叶片释放Ca2+。菹草的种植能使上覆水钙、磷间呈显著的负相关关系,并维持SRP在0.02mg/L以下。 (3)沉积物和上覆水钙、磷水平直接影响菹草茎叶全钙、全磷含量。高钙沉积物显著提高了菹草茎叶全钙含量,但降低了茎叶全磷含量。上覆水加钙能提高生长在低钙沉积物中菹草茎叶全钙含量。上覆水加磷能同时提高低磷和高磷沉积物中菹草茎叶全磷含量,但当沉积物磷不能满足菹草生长时,水中磷浓度的升高使茎叶的吸收作用更明显。菹草叶片内高浓度Ca2+能引起胞内钙沉淀,固定磷酸盐或形成钙盐晶体,对磷的吸收和转移产生影响,但菹草叶片可释放Ca2+来调节胞内钙浓度。 (4)菹草生长为CaCO3-P共沉淀过程提供了适宜的条件。菹草光合作用吸收水中的C02或HCO3-,引起pH值的升高,特别是提高了叶片周围液相扩散层的pH值,为CaC03沉淀提供pH条件,且菹草叶片具有一定的释钙能力,提高了CaCO3的过饱和状态;菹草叶片及其微生物、藻类等颗粒为CaCO3沉淀提供晶核,分泌物调控CaCO3晶体生长,其中某些分泌物可能包裹在晶体颗粒表面而抑制其生长,同时,上覆水高浓度Ca2+和SRP促进了CaCO3-P共沉淀发生,但菹草的呼吸作用降低pH值可导致部分CaCO3溶解。 (5)菹草叶面共沉淀形貌多样,包括粒状、板块状、球状、针状等,这些稳定状态的共沉淀发生受叶面环境的影响。在菹草旺盛生长时期,CaCO3-P共沉淀主要沉积到沉积物中。在菹草生长缓慢期间,部分共沉淀能保持在菹草叶面,由于此时上覆水中磷含量低,菹草叶面共沉淀产物中磷含量少。 (6) CaCO3-P共沉淀能维持上覆水磷的低浓度,控制沉积物磷释放。CaCO3沉淀结晶过程能吸附上覆水中的磷,最终沉积在沉积物表面,提高表层沉积物Ca-P含量。表层沉积物中的部分Ca-P可转化为Al-P、Fe-P和稳定态的Calo-P,部分又会溶解释放至间隙水和上覆水中,为植物和CaCO3-P共沉淀提供钙和磷。


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