太湖水体有机磷组成空间分布及与水环境关系

摘要

有机磷作为水体磷的主要组成部分,在水生生态系统中发挥着重要作用。加强水体有机磷组成的空间分布及其与环境因子之间关系研究,对于加深认识水体磷的生物地球化学循环和磷在湖泊富营养化中的作用具有重要意义。本文以典型富营养化湖泊——太湖作为研究对象,在确定富集水体有机磷最优方案的基础上,利用31磷核磁共振技术(31P-NMR)系统分析太湖水体有机磷的组成特征;并借助ArcGIS10.0的空间分析模块反映太湖水体有机磷组成的空间分布特征;最后,利用 SPSS17.0的相关分析方法研究水体有机磷组成与水环境因子之间的关系。主要研究结果如下:
　　(1)采用不同体积的太湖水进行模拟实验,从pH值、提取剂的选择、铝盐的添加量和铝盐的添加方式等几个因素考虑,最终确定了水体溶解态有机磷最优富集方案:通过比较pH值在3、4、5、6、7、8和9条件下铝盐对水体磷的沉淀率,结果显示pH为6~7时铝盐对水体磷的沉淀率较高;分别采用1MNaOH、1MNaOH+0.1MEDTA、1MNaOH+0.05MEDTA、0.5MNaOH、0.5MNaOH+0.1MEDTA和0.5MNaOH+0.05M EDTA震荡提取絮状沉淀物,通过比较提取率,确定最佳的提取剂为0.5M NaOH+0.1M EDTA;分别在小体积250mL水样中添加0.1、0.2和0.3g的铝盐和大体积20L水样中添加1、2、3和4g的铝盐,结果发现250mL水样添加0.3g铝盐和20L水样添加3g铝盐时的沉淀率最高;将铝盐的添加方式分为一步(20L水样中添加3g铝盐)和两步添加(20L水样中先添加1.5g铝盐,24h后再加入1.5g铝盐),通过有机磷组成图谱的比较,结果发现一步添加铝盐的图谱效果最好。
　　(2)太湖水体溶解态有机磷主要分布于污染严重的太湖西北部,而水质相对较好的东太湖分布较少。溶解态有机磷主要由磷酸单酯、磷酸二酯和膦酸盐组成。磷酸单酯的含量范围在0.799~7.03μg/L之间,主要集中于竺山湾和太湖西区,呈西北-东南方向递减,东太湖的含量最低;磷酸二酯的含量范围在0.069~2.942μg/L之间,主要分布于梅梁湾北部的五里湖区,而梅梁湾和竺山湾的交界处和东太湖南侧的磷酸二酯的含量最低;膦酸盐的含量范围为0.066~1.482μg/L,其中梅梁湾、竺山湾及太湖西岸的含量最高,而东太湖的含量最低;多聚磷只在样点13、14和20处检测到,其含量分别为0.298、0.628和0.291μg/L,主要分布在东太湖的西部和太湖的西南端。
　　(3)太湖水体颗粒态有机磷主要分布在太湖北部的竺山湾和西部沿岸湖区。其主要组分是磷酸单酯、磷酸二酯。磷酸单酯的含量范围为0.615~6.506μg/L,主要分布在竺山湾北部,其次是湖心和南湖区,而太湖东侧和太湖西岸的含量低;磷酸二酯的含量范围是0.095~2.639μg/L,主要分布于太湖西岸、西山西侧和东太湖西侧,在东太湖和胥口湾未检测到;膦酸盐在样点3、6、7、10、11、16和21的含量分别是0.67、1.553、0.311、0.226、0.137、0.158和0.287μg/L,除了南太湖和竺山湾未检测到,其它湖区均有分布;多聚磷在样点1、5、7、14、16和17的含量分别是0.058、0.373、0.622、0.215、0.412、0.545μg/L,主要分布在梅梁湾和竺山湾的交界处及胥口湾的东侧,在东太湖和太湖西侧未检测到。
　　(4)溶解态和颗粒态磷酸单酯与TN、DTN、TP、DTP、PO43-、COD、叶绿素a和TLI的相关关系显著(显著水平α=0.01)。磷酸单酯与环境因子之间存在着密切的联系,且这种关系与其形态无关。而溶解态磷酸二酯与上述指标均不相关,颗粒态磷酸二酯与TN、DTN、TP、COD和TLI在α=0.01水平上显著相关,与DTP、PO43-和叶绿素a在α=0.05水平上显著相关,由此可见溶解态磷酸二酯比颗粒态稳定,几乎不受外界环境因子的影响。溶解态膦酸盐与TN、DTN、TP、DTP、PO43-、COD和叶绿素a在0.01的显著水平上相关,与 TLI的相关关系显著(显著水平α=0.05)。上述表明磷酸单酯和溶解态膦酸盐是潜在的生物有效磷,积极参与了水体磷的循环,与湖泊的营养水平密切相关。
　　(5)溶解态有机磷组分中磷酸单酯与膦酸盐在α=0.01的显著水平下的相关系数是0.727,磷酸二酯与单酯和膦酸盐均不相关。颗粒态有机磷组分中的磷酸单酯与二酯的相关系数是0.599(显著水平α=0.01)。表明颗粒态磷酸酯类间磷的转化比溶解态的更明显。溶解态单酯与颗粒态磷酸单酯和二酯均在α=0.05水平上显著相关;溶解态磷酸二酯和颗粒态磷酸单酯的相关系数是0.324,与颗粒态磷酸二酯不相关;溶解态膦酸盐和颗粒态单酯在α=0.01水平上显著相关,与颗粒态磷酸二酯相关系数是0.411。上述表明溶解态磷酸单酯与膦酸盐和颗粒态酯类之间存在着磷形态的转化,且后者的转化更复杂。

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1 绪 论

1.1 选题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 存在问题及研究趋势

1.4 研究的主要内容及意义

2 研究区概况

2.1 太湖的地理位置

2.2 太湖流域的自然环境概况

2.3 太湖流域的社会经济概况

2.4 太湖的水体富营养化概况

3 材料与方法

3.1 采样点布设与样品采集

3.2 水样的处理和常规测定项目

3.3 湖泊水体磷的富集方法与有机磷组成的测定技术

4 太湖水体有机磷组成的空间分布特征

4.1 溶解态有机磷组成的空间分布特征

4.2 颗粒态有机磷组成的空间分布特征

4.3讨论

5 太湖水体有机磷组成与水环境因子关系分析

5.1 太湖水环境现状分析

5.2 太湖水体溶解态有机磷与水环境因子关系

5.3 太湖水体颗粒态有机磷组成与水环境关系

5.4 讨论

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

附图A-1太湖水体（D1-D11）溶解态有机磷组成图谱

附图A-2太湖水体（D12-D22）溶解态有机磷组成图谱

附图B-1太湖水体（P1-P11）颗粒态有机磷组成图谱

附图B-2太湖水体（P12-P22）颗粒态有机磷组成图谱