减河湿地沉积物磷的赋存状态及含量调查

德州学院化学系2014届环境工程专业毕业论文1减河湿地沉积物中磷的赋存状态及含量调查张文文（德州学院化学化工学院山东德州253023）摘要：本文采用化学连续提取法测定沉积物中磷的形态及含量，并研究了植物对磷的形态及含量的影响。结果表明，沉积物含量较高的磷是自生磷和碎屑磷；同时闭蓄态磷、碎屑磷和自生磷在植物生长的沉积物中含量有所增加，说明植物促进了生物难利用磷的积累；可交换态磷和有机磷在植物生长的沉积物中含量有所降低，分别降低了58.58%和60.82%；铁结合态磷和铝结合态磷是活性磷，植物对它们的影响较小。有植物的沉积物中总磷含量降低了8.10%。关键词：富营养化；磷形态；顺序提取；植物影响1引言1.1水体富营养化1.1.1水体富营养化现状在20世纪前,水体富营养化的问题得到了国外很大一部分生态学家和湖泊学家的注意，然后开始对其出现的原因进行初步的探索[1]。我国对水体富营养化研究起步比较晚，真正开始是在70年代以后，那是全国已经有25%的富营养化水体。而到90年代前期，我国大约有63%的湖泊水体存在富营养化现象。到90年代末期，85%的水体存在富营养化现象。由于水体富营养化的演变过程非常复杂,研究涉及的学科多种多样，所以至今对它的形成机理仍然无法作出科学的解释,研究还依然停留在初步阶段,有待进一步的深入[2]。水体富营养化现象极大地妨碍了人类对这些水体的使用，对经济、社会和环境造成了极其重大损失[3]。1.1.2水体富营养化危害影响水藻类生长的物理、化学和生物因素(如阳光、水温、pH值等等)是极为复杂的[4]。水体富营养化的危害主要表现在以下几个方面：(1)在富营养化的水体中，生长着大量水藻。有的藻类本身会释放出有毒化学物质，致使水生生物大量死亡[5]。(2)富营养化的水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，将会给净水厂带来一系列问题，如增加水处理成本等[6]。德州学院化学系2014届环境工程专业毕业论文2(3)在正常的情况下水体生态，水体中的各种生物都会处在一种相对平衡的状态。一旦水体出现富营养状态的时候，将会导致水生生物的稳固性与多样性低落。(4)它还会影响旅游和水上交通运输。水体如果发生富营养化，减弱旅游的价值。另外，富营养化的水体还会生长着各种各样的的浮游生物，就会填塞航路而影响水上交通运输。1.1.3水体富营养化的防治水污染处理中富营养化的防治是很麻烦的。这是因为：①污染来源的很复杂。这就将控制污染源变成了极大的难题；②营养物质去除的难度很高。(1)控制外源性营养物质的输入：如果减少或者断开外部输入的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能性[7]。检测进入水体中的污水中的氮、磷浓度，为实施控制外源性的营养物质的措施提供了可靠的、科学的依据[8]。(2)减少内源性营养物质的负荷：氮、磷元素在水体中可可以溶解性盐类的形式溶解在水中，减少内源性营养物负荷，并有效地控制湖泊内部的磷富集，应根据事实，采用不同的方法[9]。1.2沉积物1.2.1沉积物中磷形态的分类(1)研究江流湖川等天然水体的时候，一般将可溶解态磷分为可溶活性磷和可溶非活性磷。在近几年，除了溶解态磷和颗粒态磷外，以胶体的形式结合的磷也越来越受到学术界的重视[10]。(2)沉积物中的磷主要以无机磷和有机磷两种形式存在。由于有机磷分离较困难，所以许多学者将有机磷当作是一个形态，实际上有机磷可分成糖类磷酸盐、富里酸部分、核苷酸、磷酸盐等形态。研究沉积物中磷的各种赋存形态，确立不同形态的磷的顺序提取方法，对于解释内源性磷对水体富营养化的贡献，为建立治理水体富营养化的理论模型，从而在根本上为治理水体富营养化奠定基础。1.2.2沉积物中的磷分布影响因素在沉积物的营养元素中，磷有很长的研究历史。研究结果表明，磷是水体富营养化的主要限制因素[11]。沉积物-水界面磷的迁移释放过程其实十分复杂，它包含磷颗粒的沉淀与再浮、溶解态磷的吸附与解吸附、磷的生物循环、配位的交德州学院化学系2014届环境工程专业毕业论文3换、磷从活细胞中释放等等7个主要的过程[12]。水界面-沉积物磷交换主要是通过分子的扩散来实现的，扩散是当从沉积物间隙水向上覆水体释放的时候，其交换强度是由沉积物之间磷的浓度梯度和间隙水来决定的[13]。沉积物中磷的释放，研究时主要是通过实验模拟释放来估计磷的释放量，同时改变实验条件，如光照、pH和温度等，来探究环境条件对沉积物中磷的释放的影响。通过实验的研究结果表明，沉积物-水界面磷的迁移释放行为的主要影响因素是pH、溶解氧、温度、Eh、有机质和光照等等。傅庆红等利用分级提取的方法研究了太湖五里湖内沉积物中磷的形态，其结果表明，五里湖底泥中以无机磷为主，无机磷中可溶性态的磷活性最高并且是最容易释放的[14]。磷的释放容易受pH值的影响，在上覆水为中性条件下，底泥之中磷的释放量最低；在偏碱或偏酸时，沉积物磷的释放量往往呈倍数增长。隋少峰等对武汉东湖的沉积物中的磷的释放特点用动态的实验方法进行了研究，结果表明：通过扰动与提高水体的温度都可以加速沉积物中磷的释放速度[15]。李勇等对南京玄武湖沉积物磷释放特点进行了研究，得出了温度、光照、溶解氧等因素底泥中磷释放的影响曲线[16]。1.2.3河底沉积物中磷的提取方法国内外对沉积物磷赋存形态的研究较多[17],为了研究沉积物中磷的不同形态，学者先后进行了许多关于磷形态提取法研究。Hieltjes[18]等在1980年提出的4步连续提取法被普遍使用。李悦等归纳了前人的经验改进了沉积物中磷的连续提取方法，将沉积物中磷分为7种形态，分别为可交换态磷、铝结合态磷、铁结合态磷、闭蓄态磷、钙结合态磷、碎屑态磷以及有机磷[19]。2实验2.1实验材料与仪器实验药品：硫酸，盐酸，氟化铵，氢氧化钠，过硫酸钾，抗坏血酸，钼酸铵，磷酸二氢钾，氯化镁，碳酸钠，柠檬酸钠，碳酸氢钠，连二亚硫酸钠，醋酸，醋酸钠，以上药品均为分析纯。实验用沉积物采自德州市减河湿地，用自制柱状采样器分别在无植物、有植物根、植物生长茂盛的河边取表层沉积物。取完后，带回实验室进行初步处理。首先进行风干，风干后剔除石块和草根，然后对其进行研磨，过80目筛，备用。德州学院化学系2014届环境工程专业毕业论文4实验仪器：表2-1部分实验仪器仪器生产厂家752型紫外可见分光光度计上海光谱仪器有限公司AL204型电子分析天平梅特勒-托利多仪器有限公司LDZX-50FB立式电热压力蒸汽灭菌机上海申安医疗器械厂箱式电阻炉SX2型上海鹏顺科学仪器有限公司水浴恒温振荡器上海比朗仪器有限公司TG16G离心机江苏盐城市凯特实验仪器有限公司其他均为常规仪器：50mL比色管，坩埚，磨口锥形瓶，抽滤装置，移液管，棕色试剂瓶，烧杯，胶头滴管，量筒，玻璃棒，吸耳球等等2.2实验方法沉积物中磷的形态的提取采用是化学连续提取分析法[20]。本实验共选取三种沉积物，分别是无植物的沉积物(即远离植物10m)，有植物根但植物还未生长时的根际沉积物(即植物根上粘附的沉积物)，植物生长茂盛时的根际沉积物。实验中称取0.3g沉积物进行磷的形态提取。具体的提取方法如表2-2所示。表2-2沉积物中磷的连续提取方法形态符号提取方法交换态磷Ex-p0.3g的沉积物加入30mL1mol/LMgCl2(pH约为8)，震荡提取2h后，通过4000r/min离心20min获取提取液(下同)，同样再提取一次，合并提取液，提取液抽滤通过0.45μm的滤膜，然后测定提取液中的磷浓度铝结合磷Al-p将Ex-p提取后的残渣加入30mL0.5mol/L的NH4F(pH约为8.2)进行震荡提取1h，然后离心获取提取液，再将提取液抽滤过0.45μm的滤膜，最后测定提取液中的磷浓度。铁结合磷Fe-p将Al-p提取后的残渣加入30mL0.1mol/L的NaOH0.5mol/LNa2CO3混合提取液震荡提取4h后，然后离心获取提取液，同样将提取液抽滤通过0.45μm的滤膜，测定提取液中的磷浓度。闭蓄态磷Oc-p将Fe-p提取后残渣加入24mL0.3mol/L柠檬酸钠、1mol/LNaHCO3和0.675gNa2S2O4配成的混合提取剂(pH约为7.6)然后搅拌15min后再加入6mL0.5mol/LNaOH,震荡提取8h以后，再通过离心，得到提取液，再将提取液通过0.45μm的滤膜，最后测定提取液中的磷浓度。自生磷De-p将Oc-p提取后残渣加入30mL1mol/L的NaAc-Hac(pH约为4)缓冲液震荡提取6h后，离心获取提取液，同样再以30mL1mol/LMgCl2提取一次，然后合并提取液后进行过滤，测定提取液中的磷浓度。碎屑磷Ca-p将De-p提取后残渣加入30mL1mol/L的HCl震荡提取16h，离心后，将提取液进行过滤，再测定提取液中的磷浓度。有机磷Or-p将Ca-p提取后残渣转移到坩埚内，在马弗炉中550℃灼烧2h，冷却后用30mL1mol/LHCl震荡提取16h后，将提取液过滤，测定提取液中的磷浓度。德州学院化学系2014届环境工程专业毕业论文5总磷的测定采用钼酸盐分光光度法[21]。(1)水样消解：分别取上述提取完的各形态磷的水样30mL，加入4mL的过硫酸钾溶液以后，将比色管的盖塞紧以后，用纱布和皮筋将玻璃塞子扎紧以后将其放在大烧杯中，再放在高压蒸汽灭菌锅中进行加热，等压力达到1.1kg/cm2，同时温度达到120℃时，维持30min后停止加热。等到压力表的读数降为零后，打开高压蒸汽灭菌锅，将刻度管取出放冷，然后用水稀释到标线即可。(2)发色：分别向每份已经消解好的试样中加入1mL的抗坏血酸溶液然后混合均匀，30s后再加2mL的钼酸盐溶液然后进行充分混匀。(3)磷的工作曲线的绘制：取出7支比色管，在管中分别加入0mL、0.50mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL、10.00mL、15.0mL的磷酸盐标准溶液。然后用水稀释至标线，再按照测定步骤进行测定。以蒸馏水做参比，测定吸光度。在扣除了空白试验的吸光度之后，和对应的磷含量绘制相应的工作曲线。(4)分光光度测定：在室温下放置15min以后，使用光程为10mm的比色皿，在700nm的波长下，用水做参比，进行吸光度的测定。扣除掉空白试验的吸光度以后，再从工作曲线上查得磷的含量。(5)数据处理:根据实验测得的数据查标准曲线，可得到对应的磷含量。本实验的磷含量以每千克干土中含有多少毫克磷表示。磷含量=Mm2m—查标注曲线得到的磷含量(μg)M—本实验所取干土用量(0.3g)2—若有合并提取液，则取30mL水样做实验，所得结果乘2才是最终结果，若没有合并提取液则无需乘23结果分析3.1磷的标准曲线图实验所得的标准曲线数据填入表3-1。表3-1标准曲线数据磷含量/μg126102030吸光度/A0.0150.0350.1020.1850.3650.573德州学院化学系2014届环境工程专业毕业论文6图3-1磷标准曲线图由图3-1可知，该标准曲线的R2=0.9991符合标准，故该曲线可以作为标准曲线使用。3.2沉积物中不同形态磷的含量经过实验，沉积物中各种形态磷含量的具体数值见表3-2：表3-2不同采样地点的不同形态的磷含量交换态磷铝结合态磷铁结合态磷闭蓄态磷自生磷碎屑磷有机磷无植物9.393.985.995.9914.5414.8011.05植物根7.034.336.077.0315.0616.206.07有植物3.894.506.427.8216.1117.334.33注：有植物指植物生长旺盛期植物根际的沉积物3.3沉积物中各种磷形态含量的变化将不同赋存形态的磷分别进行分析。(1)交换态磷(Ex-p)在无植物、有植物根、有茂盛植物的沉积物中交换态磷含量如图3-2所示分别为：9.39mg/kg、7.03mg/kg、3.89mg/kg。交换态磷是磷的各种形态中最不稳定的状态，是最容易释放的磷形态，是植物最容易从水中吸收的一种磷,植物对交换态磷有一定的吸收，能减少河沉积物中交换态磷的含量。本文的结论与天津大学硕士论文中赵旭光的结论基本一致[22]。在植物生长茂盛的沉积物中交换态磷的含量显著