农业科学  >> Vol. 11 No. 2 (February 2021)

湿地沉积物中无机磷的形态特征及主要影响因子研究
Speciation Characteristics and Main Influencing Factors of Inorganic Phosphorus in Wetland Sediments

DOI: 10.12677/HJAS.2021.112023, PDF, HTML, XML, 下载: 67  浏览: 124  国家自然科学基金支持

作者: 刘 蕾, 刘文静, 李学平:滨州学院生物与环境工程学院,山东 滨州

关键词: 黄河三角洲滨海湿地沉积物影响因子Yellow River Delta Coastal Wetland Sediment Phosphorus Influencing Factors

摘要: 对黄河三角洲退化滨海湿地沉积物中磷形态含量特征及温度、pH、上覆水理化性质对湿地沉积物磷形态含量的影响进行了研究。结果表明,退化滨海湿地沉积物中不同形态磷中铁结合磷(Fe-P)含量最高,最大值达到971.7 mg/kg,闭蓄态磷(O-P)含量最小,最小值为260.1 mg/kg。Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P平均含量分别683.7、400.9、331.6、287.9 mg/kg。当温度<20℃时,Fe-P含量随温度升高而增大,温度>20℃时,Fe-P含量随温度升高而下降;Al-P含量随温度升高逐渐增大,O-P含量随温度的升高先下降后增大。Fe-P含量随着pH的增大逐渐降低,pH > 9时对Fe-P含量的影响不大;Al-P和Ca-P含量均随pH的升高先下降后增大。
Abstract: The characteristics of phosphorus forms in sediments of degraded coastal wetlands in the Yellow River Delta and the effects of temperature, pH, physical and chemical properties of overlying water on phosphorus forms in sediments were studied. The results showed that the content of iron bound phosphorus (Fe-P) in different forms of phosphorus was the highest, and the maximum of Fe-P content was 971.7 mg/kg. The content of closed form phosphorus (O-P) was the lowest, and the minimum of O-P content was 260.1 mg/kg. The average contents of Fe-P, Al-P, Ca-P and O-P were 683.7, 400.9, 331.6 and 287.9 mg/kg, respectively. The content of Fe-P increases with the increase of temperature when the temperature is less than 20˚C. The content of Fe-P decreases with the increase of temperature when the temperature is more than 20˚C. The content of Al-P increases with the increase of temperature, and the content of O-P decreased and then increased with the increase of temperature. The content of Fe-P decreased gradually with the increasing of pH, and had little ef-fect on the content of Fe-P when pH > 9. The content of Al-P and Ca-P decreased and then increased with the increase of pH.

文章引用: 刘蕾, 刘文静, 李学平. 湿地沉积物中无机磷的形态特征及主要影响因子研究[J]. 农业科学, 2021, 11(2): 156-161. https://doi.org/10.12677/HJAS.2021.112023

1. 引言

湿地的运行由于受污染物负荷、自身内部结构等因素的影响,对磷的拦截去除效果并不稳定 [1] [2],而且不同湿地类型沉积物磷形态的分布特征也不相同。对南四湖微山湖区沉积物磷形态研究发现,闭蓄态磷的含量最高,并随着土层深度增大逐渐降低;相反,Al-P含量仅有4.08 mg·kg−1,且随着土层深度增大而增大 [3]。同一湿地不同区域沉积物中总磷和各形态磷的含量差异也较大,外源污染和沉积物颗粒组成是影响其分布的主要因子,其中无机磷占总磷含量的42.24%~82.04% [4]。影响沉积物中磷释放的因素包括内在和外在两类因素,如磷的含量和组合形态、上覆水的性质、磷的浓度、温度等 [5] [6] [7]。

黄河三角洲地区现有盐碱类湿地15万公顷,部分湿地土壤退化和盐碱化严重,导致湿地蓄洪防旱和净化水质功能大大下降。那么,对于退化滨海盐碱化湿地磷形态特征如何,目前了解甚少。因此,研究退化滨海盐碱化湿地沉积物中磷形态含量特征,并分析外在因子对沉积物磷形态的影响,这对退化湿地的修复具有重要指导意义。

2. 材料与方法

2.1. 试验区概况

试验区位于黄河三角洲腹地的滨州沾化县北约10 km处的重度退化滨海盐碱芦苇湿地(图1),试验地面积为1 ha,水溶性总盐含量0.9%~2.4%,pH平均为7.9,该区域属东亚温暖带潮湿大陆季风性气候,年平均气温 12.5 ℃ ,年平均降水量约584 mm,年蒸发量1800~2000 mm。目前,该试验区挺水植物主要为芦苇。

2.2. 样品的预处理

所研究的湿地位于滨州市,沉积物样品均取底泥表面5厘米到10厘米左右部分,取样时间是2018年9月,样品装入塑料袋后,带回实验室,将采集的泥样泥样在自然条件下风干,采用四分法取样研磨并通过100目的尼龙筛,处理后的样品保存于封口袋中备用。

2.3. 实验方法

2.3.1. 沉积物磷形态分析方法

利用SMT法测定沉积物中的Fe-P、A1-P、Ca-P和OP [8]。

2.3.2. 温度控制实验

将样品放入恒温培养箱中,分别设置于8℃、15℃、20℃、25℃ 4种温度中分别按照前面的方法测定磷含量。

2.3.3. pH值控制实验

使用0.1 mol/L的硫酸和氢氧化钠溶液控制pH值,分别将土样置于pH为3.0、5.0、7.0、9.0、11.0来模拟pH值的影响。

3. 结果与分析

3.1. 沉积物中不同Ca-P含量特征

沉积物中Ca8-P含量最多,Ca2-P含量最少(图1)。Ca-P含量最小值出现在A1,最小值为231.4 mg/kg,因为A1在湿地出水口位置底泥偏中性,不利于沉积物中Ca-P积累。最大值出现在A5,最大值为416.2 mg/kg,因为A5在入水口位置底泥酸性较大,其中的微生物的代谢产生的CO2少,利于Ca-P的积累。A4的Ca-P含量较高为412.1 mg/kg,因为A4沉积物表层水藻多,磷含量基数大。

Figure 1. Characteristics of different Ca-P contents in sediments

图1. 沉积物中不同Ca-P含量特征

3.2. 沉积物中其他形态无机磷含量特征

湿地A1点的O-P的含量达到最大值(图2),最大值为348.5 mg/kg,因为湿地A1点底泥成黑色,受污染较多,O-P含量相对较多。A2的O-P含量为最小,其最小值是195.6 mg/kg,因为A2受风力扰动和水的搅动作用较大,不利于O-P的积累。其余各点的O-P含量相当,受多种因素影响较小。

Figure 2. Characteristics of other forms of inorganic phosphorus in sediments

图2. 沉积物中其他形态无机磷含量特征

3.3. 温度对磷形态含量的影响

Fe-P含量随温度的增大其含量先增大后下降,且变化趋势较大(图3)。当温度为8℃、15℃、20℃、25℃时,其含量分别为568.5、689.3、925.4、635.4 mg/kg。温度<20℃时,Fe-P含量随温度升高增大。温度升高有利于Fe-P在沉积物中的积累。当温度为20℃时,含量为925.4 mg/kg达到最大值。温度>20℃时,Fe-P含量随温度升高下降。

Al-P含量随温度增大逐渐增大,因为温度引起溶解氧变化增大其积累,但变化趋势较小。变化范围为320.3~423.5 mg/kg。当温度为20℃时,Al-P含量为423.5 mg/kg时,而后温度>20℃时,Al-P含量变化趋于缓和。此时底泥中的光合细菌使得CO2增多,减缓Al-P的释放。Ca-P含量的变化曲线趋于平稳,波动很小,说明温度变化对两者含量的变化影响较小。O-P含量随温度的增大其含量先下降后增大,这是因为Fe-P、Al-P与O-P之间相互转化,Fe-P、Al-P含量增大则O-P含量降低,Fe-P、Al-P含量下降则O-P含量增大。

Figure 3. Effect of temperature on phosphorus forms in sediments

图3. 温度对沉积物磷形态含量的影响

3.4. pH对磷形态含量的影响

Fe-P含量随着pH的增大,其含量逐渐降低,最终趋于平衡(图4)。变化范围在880~755.4 mg/kg之间。当pH = 3时,Fe-P含量达到最大值,最大值为880 mg/kg。在PH = 3到pH = 9范围时,Fe-P含量随PH的增大其下降趋势是较大的,因为pH值铁络合胶体与非晶体磷交换作用增大,Fe-P积累较少。在pH = 9时,Fe-P含量为756.9 mg/kg时,再随着pH的增大其含量变化趋于缓和,波动不大。说明pH > 9时对Fe-P含量的影响不大。

Al-P和Ca-P含量随pH的增大先下降后增大。当pH < 7时两者含量都是下降的,因为酸性条件下,微生物代谢产生二氧化碳减少Al-P和Ca-P的积累。当pH = 7时,Al-P含量和Ca-P含量分别为285.4、270.6 mg/kg时,pH > 7两者含量又逐渐增大,因为碱性条件下,水中的氢氧根离子与沉积物胶体中的阴离子相互竞争吸附位,增大了Al-P和Ca-P的积累。O-P含量随pH的增大逐渐增大,但趋势较小,因为Fe-P,Al-P,Ca-P要转化为O-P。

Figure 4. Effect of pH on phosphorus forms in sediments

图4. pH对沉积物磷形态含量的影响

4. 结论

1) 沉积物中总磷含量较大,最大值为2119.1 mg/kg,平均值为2029.3 mg/kg。Fe-P含量的平均值为924.7 mg/kg,Ca-P含量的平均值为353.1 mg/kg,Al-P含量的平均值为380.0 mg/kg,有机磷含量的平均值为296.8 mg/kg,铁结合磷占总磷的40.1%。

2) Fe-P随pH的增大含量减少,Al-P和Ca-P含量随PH的增大先下降,当pH > 7后增加,O-P含量的随着pH的增加逐渐增加。

3) Fe-P含量随温度的增加其含量先增加后下降,Al-P含量随温度增加逐渐增加,温度变化对Ca-P含量影响不大,O-P含量随温度的升高先下降后增加。

基金项目

国自然基金项目(41601306);国家级大学生创新训练计划项目(201810449044)。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

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