湖泊沉積物磷汙染及其釋放風險研究論文
湖泊沉積物磷汙染及其釋放風險研究論文
1 研究概況
近年隨著經濟的快速發展， 水汙染問題也日益嚴重，其中水體富營養化問題已成為世界性的環境問題，目前在我國131 個主要湖泊中， 已達到富營養程度的湖泊有67 個，佔51.2%。湖泊沉積物在湖泊環境研究體系中佔有極其重要的地位。對湖泊沉積物大量的研究發現，沉積物磷含量及其形態對湖泊的營養狀態存在重要影響。國內對湖泊沉積物磷時空分佈特徵及其環境意義、釋放風險等進行了大量的研究，如長江中下游地區的太湖、鄱陽湖等。沉積物是磷的重要蓄積庫或者釋放源，透過間隙水與上覆水體進行營養鹽交換，從而影響水體的營養狀態，是水域營養鹽迴圈的重要環節。湖泊的內源磷汙染已經成為富營養化治理的一大難題。因此透過研究沉積物磷分佈特徵與賦存狀態，並結合具體湖泊的汙染狀況，分析其釋放風險就顯得十分重要。
2 湖泊沉積物磷分級研究及賦存形態
湖泊沉積物中磷含量及其形態，對於沉積物-上覆水介面的營養鹽交換以及沉積物磷的生物可利用性存在決定性的影響，然而，不同形態磷的釋放風險不同，其生物有效性亦不相同，因此，就有必要對沉積物磷進行分級研究。1957 年，Chang 和Jackson最早開始了沉積物磷分級的研究，但是，其只是對無機態磷進行了分級，而且沒有研究各形態磷的分佈特徵及環境意義，後續研究者在對沉積物磷的分類方法上與C-J 法思想一致。Simon 等2009 年對UpperKlamath 湖進行了磷分佈特徵的研究，並對水華期間表層沉積物會作為磷源向上覆水體釋放磷的假設進行了研究，其透過大規模水華爆發前後表層沉積物磷含量的變化進行了分析， 發現湖泊不同點位的沉積物磷含量的變化情況並不一致，有的點位磷含量明顯降低，而有的點位則明顯升高，這與具體點位沉積物磷的生物可利用性有關。Gunduz 等2011年對Mediterranean 海岸表層沉積物磷分佈特徵進行了研究， 其對沉積物磷分級採用的方法與金相燦提出的類似，各形態磷含量大小關係為：Ca-P>Al-P>Fe-P>鬆散結合態磷。Zhang 等2012 年對三峽水庫磷的分佈特徵以及吸附-釋放特性進行了研究，得出結論：在研究區域內，無機磷為磷的主要存在形態，而鈣結合態磷為無機磷的主要存在形式。
3 湖泊沉積物磷吸附性質
在湖泊沉積物磷分佈特徵研究之外，對沉積物磷吸附性質的研究日益成為湖泊研究的重點之一。目前對沉積物磷吸附性質的研究多集中在大型淺水湖泊以及入湖河道上，如An 等在2009 年對南四湖及其主要入湖河道的沉積物-水介面上表層沉積物對磷酸鹽的吸附性質進行了研究，並得出沉積物對磷酸鹽的吸附過程主要發生在接觸後的10h 內，在48h 內完成整個吸附過程;Wang 等2012 年在賦石水庫對沉積物磷的吸附性質的研究中加入了沉積物本身性質的研究，並探討了沉積物磷的吸附性質與沉積物自身性質的相關性，得出沉積物粘土、鐵、鋁含量以及鐵與鋁含量之和為影響沉積物對磷吸附性質的主要因素;姜霞等2011 年在太湖對沉積物磷吸附-解吸性質進行了研究， 以期明確太湖沉積物“源”“匯”情況，透過90 組實驗以及結合間隙水、沉積物各形態磷的分佈特徵最終得出結論：在總體水平上，太湖沉積物是上覆水體的“源”。
4 沉積物磷釋放風險
沉積物磷釋放風險的研究方法為採用沉積物磷吸附指數(PSI)和磷吸附飽和度(DPS)及其衍生引數進行評價。國內黃清輝等在對太湖表層沉積物進行磷釋放潛能研究時首次使用了沉積物磷吸附指數(PSI)與磷吸附飽和度(DPS)2個指數，並結合2 者得出沉積物磷釋放風險指數(ERI)。之後，邢友華等沿用黃清輝總結的方法在東平湖對錶層沉積物磷釋放潛能進行研究，最終得出結論：東平湖表層沉積物磷釋放誘發富營養化的風險處於高度風險範圍;同樣，盧少勇等在北京6 個湖泊(前海、青年湖、昆明湖、紫竹院湖、陶然亭湖、紅領巾湖)對沉積物磷釋放風險進行了研究，其得出結論：PSI 與DPS、草酸銨提取的磷、鋁均呈顯著負相關關係，草酸銨提取的`鐵是影響PSI 的主導因素，而DPS 與草酸銨提取的磷呈顯著正相關， 且DPS 主要受沉積物原吸附態磷的影響，最終對前海、青年湖、紫竹院湖以及陶然亭湖表層沉積物磷的釋放潛能評價高度風險。國外學者在研究沉積物磷釋放風險時通常採用磷吸附飽和度(DPS) 及其衍生指數，如Jehangir 等在對美國佛羅里達州歐基求碧湖溼地土壤磷釋放的研究中使用磷的吸附性質與DPS 衍生指數SPSC (土壤磷儲存容量)對該地區土壤磷的釋放潛能進行評價，最終結論為溼地土壤目前為安全的磷“匯”，但是鑑於土壤孔隙水中磷濃度很高，土壤可能成為潛在的磷“源”。
5 研究建議
當前，我國淡水水體富營養化問題日益嚴重，因此，對湖泊磷汙染及其釋放風險急需開展進一步的深入研究， 對此，提出以下一些建議以供參考：
(1)我國科研工作者對湖泊沉積物磷汙染的研究已有豐富的工作，主要是沉積物磷的分級研究及其吸附性質，但是相關研究鮮有結合具體的湖泊水體情況以及當地的周邊環境，因此，在今後的工作中，此部分應當有所考慮。
(2)沉積物磷形態分級是沉積物磷汙染研究的基礎，但是目前並沒有1 套廣泛公認的方法，因此，有必要在現有方法的基礎之上，改良出1 套操作性、科學性、實用性更好的沉積物磷分級方法。
(3)目前對各形態磷提取後的最終測定還是採用分光光度法，此法雖然成本較低、使用方便，但是解析度較低，應當進一步開發更有優勢的定量和定性分析技術。
(4)沉積物磷賦存形態與含量和水華爆發之間的具體直接關係尚不清楚，在繼續進行沉積物磷各種性質研究的基礎之上，應當大量開展2 者之間具體關係的直接研究，以便為今後的研究指明方向。
(5)目前沉積物磷含量的汙染標準值尚未被廣泛接受，然而標準值是進行相應汙染治理的重要參考，因此，應當在結合具體環境的基礎上， 制定出1 套合理的標準參考值，並進一步對具有生物有效性的磷制定出參考值。此項工作任重道遠，意義重大。
6 小結
透過上述對湖泊沉積物磷汙染及其釋放風險方面的研究分析，可以得出結論如下：
(1)湖泊富營養化問題日益嚴重，沉積物磷汙染是影響湖泊富營養化程度的重要因素，對沉積物磷汙染及其釋放風險的研究急需進一步展開;
(2) 沉積物磷分級研究基本採用SMT 法或者C-J 法。SMT 法將總磷分為有機磷和無機磷，又將無機磷分為磷灰石磷和非磷灰石磷，其主要是根據各形態磷的地球化學意義進行劃分的，而C-J 法是將總磷劃分為鐵結合態磷、鋁結合態磷、鈣結合態磷、有機磷、以及殘渣態磷，其主要是根據磷的結合態進行劃分的;
(3)沉積物磷的吸附性質，目前通用方法即為等溫吸附法，即在恆溫、恆速的情況下，透過沉積物與標準溶液之間的相互作用進行研究;
(4)沉積物磷釋放風險則除了各形態磷的比例以及沉積物磷吸附性之外，還發展了沉積物磷吸附指數和沉積物磷吸附飽和度等引數研究。