氧化还原环境制约湖泊沉积物内源磷释放过程的研究

摘要

湖泊水体富营养化是当前湖泊面临的最主要生态环境问题之一，而磷是大多数湖泊富营养化的关键控制因子。当外源输入逐步得到有效控制之后，沉积物内源释放就成为了湖泊水体营养物质的重要来源。沉积物内源磷的释放受多种环境因子影响，包括 pH、温度、溶解氧、扰动等等。在我国云贵高原的亚深水型湖泊，独特的地理气候条件和湖泊自然环境导致沉积物 pH、温度等变化不大，溶解氧变化是影响沉积物磷释放的主要因素。因此，深入了解氧化还原环境对沉积物内源磷释放的影响对揭示沉积物内源磷释放机制具有重要意义，并可为湖泊富营养化防治提供科学指导。
　　选取贵州红枫湖为研究对象，在实验室条件下模拟了自然(对照组）、好氧（充O2组)和厌氧(充N2组)条件下沉积物内源磷的释放过程，并联合应用微电极和沉积物磷形态分析技术对沉积物-水界面开展了微尺度观测与研究，取得了如下主要成果和认识：
　　1、不同氧化还原环境造就了沉积物-水界面的较大差异。在实验室厌氧状态下，沉积物-水界面的溶解氧含量降低，只有70.0μmol/L，溶解氧的渗透深度仅0.9mm左右，而硫化氢含量最高能达到47.3μmol/L；好氧状态下，沉积物-水界面的溶解氧含量约为280.0μmol/L，渗透深度为4.2mm，硫化氢的含量最高仅为9.0μmol/L。通过对典型区域大坝（深水）、后五（浅水)沉积物柱芯的原位观测研究，发现天然条件下沉积物中的溶解氧、硫化氢受季节和地点的影响很大：大坝冬、夏两季沉积物-水界面处的溶解氧分别为186.4μmol/L、28.4μmol/L，后五冬、夏两季的溶解氧则均为200.0μmol/L左右；硫化氢产生的量同样存在较大差别，大坝处冬、夏两季峰值分别为11.0μmol/L、135.0μmol/L，而后五处则均低于10.0μmol/L左右，但夏季峰值要高于冬季。
　　2、在实验室模拟情况下，对照组沉积物总磷平均含量为1474.0mg/kg，而充N2组沉积物总磷平均含量为1039.9mg/kg，充 O2组沉积物总磷平均含量为1483.7mg/kg，充N2组相比对照组总磷平均含量显著降低，主要原因是NaOH-P和rest-P含量降低所致。通过对红枫湖两个湖区冬、夏两个季节进行沉积物柱芯采样研究发现，夏季沉积物内源磷较冬季更加易于释放，红枫湖底泥可释放的磷含量较高，存在较大的磷释放风险。
　　3、厌氧条件下沉积物孔隙水中磷酸盐浓度明显高于好氧条件下沉积物孔隙水磷酸盐浓度，说明厌氧条件显著促进了红枫湖沉积物磷释放。厌氧条件下沉积物内部溶解氧浓度下降、硫还原活动增强可能是导致NaOH-P释放的主要原因。O2浓度的降低加速了沉积物还原作用并产生大量H2S，进而与二价铁离子形成硫化亚铁沉淀，最终导致NaOH-P（Fe-P）释放到孔隙水中。好氧向厌氧条件的转换可通过改变沉积物内部pH值分布和微生物活动促使rest-P释放，厌氧条件下，厌氧微生物不仅可以消耗硫酸根产生 H2S，导致 pH值降低，还可消耗有机质,将有机磷转变为无机磷。
　　4、大坝、后五湖区沉积物磷形态研究结果表明，无论大坝还是后五，冬季还是夏季，NaOH-P所占的比例均为最高，其次为 rest-P，NH4Cl-P最少。不同形态的磷所受氧化还原环境的影响不同，NH4Cl-P与HCl-P受溶解氧影响较小；BD-P、NaOH-P、rest-P受溶解氧影响较大。不同氧化还原环境对沉积物磷释放的影响可能主要是通过影响BD-P、NaOH-P、rest-P的迁移转化和释放来实现。
　　上述研究结果表明，沉积物-水界面氧化还原环境可影响沉积物氧渗透深度、pH值分布、微生物活动、硫循环以及有机质降解过程，进而控制沉积物磷的形态转化与释放。联合应用微电极技术和沉积物磷形态分析对湖泊沉积物-水界面开展微尺度观测研究是揭示沉积物内源磷释放机制与控制因素的有效途径。

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第一章 绪论

1.1我国湖泊富营养化及其发展趋势

1.2沉积物磷释放影响因素概述

1.3水体中氧化还原环境的形成

1.4沉积物磷赋存形态研究

1.5研究背景及意义

1.6研究内容和技术路线

第二章 红枫湖流域的基本特征及其研究现状

2.1云贵高原自然地理概况

2.2红枫湖流域自然地理概况

2.3红枫湖流域污染特征与研究现状

第三章 样品采集、处理与实验方法

3.1样品采集与实验设计

3.2实验方法与使用仪器

3.3微电极

3.4沉积物-水界面O2扩散通量计算

第四章 不同氧化还原条件下沉积物微剖面与化学组成的差异

4.1微电极测量沉积物内部参数的可信性以及先进性

4.2不同培养条件下沉积物溶解氧、硫化氢以及pH之间的差异

4.3不同培养条件下沉积物-水界面化学组成的差异

4.4扩散边界层厚度的估算

4.5不同培养条件下沉积物O2的扩散通量

4.6本章小结

第五章 不同氧化还原条件对沉积物磷释放的影响

5.1沉积物、上覆水的理化性质变化

5.2不同培养条件下沉积物孔隙水磷酸盐浓度变化

5.3不同培养条件下沉积物磷赋存形态变化

5.4溶解氧对沉积物NaOH-P的释放的影响

5.5溶解氧对沉积物rest-P释放的影响

5.6本章小结

第六章 沉积物内源磷释放的机制探究

6.1研究区概况

6.2研究区微电极分析

6.3研究区磷形态分析

6.4本章小结

第七章 结论和展望

7.1主要结论

7.2特色与创新

7.3存在问题及研究展望

参考文献

致谢

附录