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菹草生长及模拟条件下CaCO_3-P共沉淀特性研究

郭文文  
【摘要】:生态工程是修复富营养化湖泊生态系统的主要方法之一,利用沉水植物防治水体的富营养化及对富营养化水体进行修复具有重要的意义。水体富营养化的根本原因是水体氮、磷等营养物质过高,其中磷是水体富营养化主要的限制因子。钙是湖泊生态系统中重要的营养元素,同时也是决定湖泊生态系统稳定性的重要元素。磷的化学沉淀剂主要有铝盐、铁盐和钙盐,水体中碳酸钙-磷共沉淀的发生能使水体磷维持在一个较低的稳定水平,从而有效控制水体富营养化。 本课题将菹草生物盆栽试验和室内共沉淀模拟试验相结合,对沉水植物菹草(Potamogeton crispus)叶际碳酸钙-磷共沉淀形成的化学机制进行研究。通过盆栽试验,分析了不同条件下上覆水理化性质的变化,并对菹草叶片形成的共沉淀进行了表征;同时,通过室内不同钙磷比下对碳酸钙-磷共沉淀的模拟,找出了共沉淀发生的最适条件并对化学过程形成的共沉淀进行了表征。主要结论如下: (1)上覆水加磷(P0、P1)条件下菹草对南湖沉积物上覆水中钙、磷循环的影响表现为上覆水pH值、ca2+浓度的增加,总磷(TP)、可溶性正磷酸盐(SRP)浓度的降低。白天经过菹草的光合作用,上覆水pH值显著增加,最高达到9.47;晚上由于菹草呼吸作用,上覆水pH值小幅度下降,pH值均在8.93以下,且无论昼夜上覆水磷浓度P1处理的pH值大于上覆水磷浓度P0处理。菹草的种植使得上覆水磷浓度一直降低最后趋于零,上覆水钙浓度增加最大值达到22.87mg/L。菹草的存在为CaCO3-P共沉淀提供了适宜的条件,通过菹草生长期间上覆水pH值、钙磷浓度计算离子积。根据计算结果,盆栽实验叶片上淀积物有可能是Ca4H(PO4)3、Ca5(PO4)3OH、Ca3(PO4)2。 (2)上覆水加磷(P0、P0.1、P0.5)条件下菹草对南湖、东湖、月湖、汤逊湖沉积物上覆水中钙、磷循环的影响表现为上覆水TP、SRP浓度的降低,pH值和Ca2+浓度呈波浪型变化。在pH值较大时对应Ca2’浓度较低,20d时上覆水钙浓度在30mg/L,上覆水磷浓度一直降低最后趋于零。不同沉积物不同磷浓度处理钙磷关系不一样,南湖不同磷浓度处理上覆水Ca2+与TP均呈极显著正相关。上覆水磷处理为0mg/L、0.1mg/L0.5mg/L (P0 P0.1, P0.5)中,东湖D-P0、D-P0.1处理、月湖Y-P0.1、Y-P0.5处理Ca2’和TP均达到了极显著正相关,Y-P0.5处理中Ca2+和SRP也呈极显著正相关,汤逊湖T-P0.1处理Ca2’和TP达到了极显著负相关。 (3)上覆水加磷(P0、P1、P5)条件下菹草对南湖、东湖、月湖、汤逊湖沉积物上覆水中钙、磷循环的影响表现为上覆水TP、SRP浓度降低,pH值和Ca2’浓度呈波浪型变化。与上覆水加磷(P0、P0.1、P0.5)处理结果一致,上覆水加磷(P0、P1、P5)条件下,pH上升到较大,均在9.0以上,其中南湖N-P1处理达到9.07,TP和SRP浓度逐渐降低最后趋于零,且上覆水pH值较大时对应Ca2’浓度较低。由于上覆水加自来水(Ca2+浓度为37.5mg/L),所以上覆水Ca2’浓度均在30mg/L以上,南湖和月湖Ca2+浓度均在40mg/L以上。Y-P1处理Ca2+浓度在60d时达到最大59.44mg/L。菹草盆栽试验无论是分昼夜还是不同的沉积物,计算Ca-P离子积与相应的Ksp比较,叶片上淀积物都有可能是Ca4H(PO4)3、Ca5(PO4)3OH、Ca3(PO4)2。 (4)对叶片CaCO3-P进行化学分析后发现,恒温情况下得到的淀积物含磷量大于常温条件下,野外得到的淀积物磷含量最高,达到了1.14g/kg。叶片淀积物进行XRD表征发现,叶片淀积物大部分成分为CaCO3。FTIR表征发现,FTIR出现的吸收峰1421,876,713cm-1皆为方解石的特征吸收峰,显示淀积物主要成分为碳酸钙,但564cm-1为磷酸根中P-O键的非对称伸缩振动峰,表明淀积物中有磷酸根。SEM-EDX表征发现,恒温下淀积物钙磷含量高于常温下淀积物钙磷含量,原位观察菹草叶片上的淀积物,大部分为碳酸钙,含磷量比较高;常温下淀积物都呈哑铃形状,然后像花苞一样朝不同方向生长;恒温下则是形成一圈一圈的花簇状,周围有细小颗粒状,EDX分析表明,SEM观察到的晶体大部分钙含量很高,有些部位磷含量明显上升,所有信息都指向菹草叶片淀积物中含有大量的碳酸钙,也有一定量的磷,可以认为叶片淀积物为羟基磷灰石和碳酸钙结合的一种混晶共沉淀。 (5)室内碳酸钙-磷共沉淀发生的最适钙磷比为50mgCa/1mgP,且25℃发生共沉淀的pH值9.7,与实际水体中菹草生长时上覆水pH值范围pH8-10吻合;在pH9.5后,分配系数大于1,P043-和CO32-才明显发生共沉淀,且符合对数分配定律。对室内模拟碳酸钙-磷共沉淀得到共沉淀粉末进行XRD和FTIR表征发现,碳酸钙-磷共沉淀粉末中微量成分为羟基磷灰石。


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