渭河河床底泥磷释放机理研究.doc

第一章前言
研究的目的与意义
水体富营养化是指由于自然的或人类的活动,使水体中营养成分(如氮、磷等)增加,引起植物(尤其是藻类)过量繁殖,导致水质恶化的现象。产生富营养化的过量营养物将导致一系列问题,如分泌毒素藻华的产生、氧的减少、鱼的死亡、生物多样性的丧失、水生植物床和珊瑚礁的失去,此外,营养物的富集使水生生态系统严重退化,以饮用、工业和农业生产、娱乐等为目的的水的使用也受到损害[1]。富营养化是水体演化过程中的一种自然现象,这种演化是十分缓慢的,但由于人类经济活动的加剧,含营养物质的工业废水和生活污水的排放,大大加速了水体的这一进程。它严重影响到水环境质量和功能,破坏了水生生态平衡,加速水体老化和消亡。这种人为的富营养化过程自五十年代以来更为突出,比如,全世界湖泊都不同程度地面临着富营养化的威胁。我国水体富营养化也日趋严重。水体富营养化己成为一个世界性环境问题而受到重视。
在水生生态系统中,金属营养的迁移也受富营养化营养物质的支配[2],磷等营养元素的增加,促进了一些有毒重金属向水体的释放和在生物体内的富集[3],如P对底泥中Cd、Zn、Cu、,世界上许多国家投入了大量资金予以治理。2000年10月23日,欧盟在水框架指示中,把富营养化作为影响水质的最主要因素之一,它的目标是在2015年以前,使所有水体取得一个“好的状况”[4]。
众所周知,在外源营养负荷得到控制的情况下,二次富营养化的产生主要是底泥中氮和磷向水体释放达到某个营养水平造成的[5]。在一般的静水水体中,底质接纳了大量的污染物,一方面,这大大缓解了富营养化进程,如果没有底质磷的缓冲,藻华的发生将更为频繁,所以,底质是污染汇,而不是污染源;另一方面,富营养化水体底质又有很高的磷吸附容量,可以暂时吸附水中的磷,然后将其释放出来(Jensen&Anderson 1992,Ramm和Scheps 1997)[6]。研究表明,底质中的磷循环在很大程度上影响着水体富营养化的进程Carpenter&Capone(1983),Pomeroy et al(1965)[7]指出,底质营养物质的释放使上覆水中营养物质的浓度维持在足以满足大量藻类生长需要的高水平。由此可见,底质营养物质的释放成了导致水体富营养化的一个重要因子。
在水生生态系统中,磷仅以五价形式存在,例如正磷酸盐、焦磷酸盐、长链的聚磷酸盐、有机磷酸醋、磷酸二醋和有机磷酸醋,进入水生生态系统中的磷是可溶的和颗粒态的混合物,其中可溶的和颗粒态的又是不同分子结构五价磷的混合物。然而,磷是一种动态和生物学非常活跃的元素,磷进入水体后,颗粒(微粒)能释放磷酸盐和有机磷酸盐进入水溶液中,同时不同磷化合物能经化学方法或酶作用水解形成正磷酸盐,这是磷能被细菌、藻类和植物吸收的唯一形态。颗粒物有时沉降于底部底泥中,在这儿,微生物群落逐渐利用分解底泥有机成份,最终大部分磷以正磷酸盐形式返回水柱。因此,我们不能认为水生生态系统中的颗粒态磷或可溶性磷是惰性的,因为一旦条件合适,这些形式的磷能转变为可溶的正磷酸盐。一旦进入湖泊、水库、河口,磷通常被生物吸收、沉于底泥或有效保持于底泥生物区,这种对输入磷的有效固定使生态系统对过量磷的污染物很敏感。如果生态系统初级生产力低,底部水将在全年保持好氧状态,绝大部分磷被贮存在底泥中。然而,在高初级生产力系统中,底部水在生长季节期间常表现厌氧(缺氧状态),甚至在浅水体中,在温暖、无风的天气,全天缺氧。当这些条件发生时,底泥中的大部分磷通过扩散释放回水柱中。
自20世纪70年代初以来,我国学者对水体沉积污染问题进行了较为广泛的研究,但是,大多数工作集中在研究沉积物中的重金属的吸附以及表面络合方面,对沉积物中营养盐的释放过程、机制研究较少。直至90年代起,在这一方面的研究才相对多了起来。韩伟明(1991年)通过实验室研究和模拟研究,考察了pH、温度等环境因素对底质磷的释放量和释放速度的影响[8]。其研究表明,在较高或较低pH值时,底质释磷量倍增。同时,升高水温也能增加磷的释放速度。伊大强(1994年)研究了环境因子(pH、温度和沉积物中微生物作用)对太湖五里湖区沉积物磷释放的影响,结果表明,温度、pH均能不同程度地对底质磷的释放产生作用,其中尤以pH值的改变影响较大;另外,结果还显示,微生物在底质磷释放过程中有着重要作用[9]。水体底部存在的活性有机碎屑层,在大量微生物的作用下,释放出浓度较高的PO43-,从而驱使PO43-向沉积物中扩散,在表层沉积物间隙水中形成高于水体浓度的PO43-浓度。见图1-1
一般来说,当下层水体以正磷酸盐的形式存在的磷的浓度比较高,达到1~2 mg·L-1时,底质就会吸收水体中的磷素;低于1 mg·L-1时,在厌氧情况下