湖泊水生植物根区磷元素吸收特征的DGT测试分析方法

摘要

本发明提供了一种湖泊水生植物根区磷元素吸收特征的DGT测试分析方法，该方法基于DGT在水生植物根区的现场测定、分析方法及其参数、沉积物间隙水/沉积物固相和植物样品的分析方法，针对现场水生植物-水-沉积物体系进行的上述内容的测定，获得一系列表示固液相分配、平衡浓度、沉积物磷贮库容量和DGT参数(C

说明书

技术领域

本发明属于环境科学和地球科学领域，具体涉及一种湖泊水生植物根区 磷元素吸收特征的DGT测试分析方法。

技术背景

湖泊污染尤其是湖泊的富营养化，是我国水环境研究长期面临的主要 问题。湖泊富营养化往往表现为水生植被衰退甚至消亡，水质恶化。恢复和 重建水生植被，特别是恢复和重建水生植物植被是治理富营养化浅水湖泊的 重要措施。但是，水生植物植被修复技术的基础理论研究相对滞后。水生植 物根际沉积物磷迁移和形态转化及其季节性变化的理解是恢复和重建沉水 植被中必须解决的关键科学问题，是富营养化浅水湖泊生态修复中急需回答 的关键问题，同时也是进一步揭示浅水湖泊富营养化发生机理需要研究的内 容。根际是水生植物对沉积物磷迁移和形态转化影响最为活跃的区域，若要 从机理上揭示水生植物对沉积物磷的吸收的迁移和形态转化的影响，必须针 对水生植物的根际开展研究。

现有技术中，通常是使用化学提取法对土壤或者是沉积物中的磷进行测 定，但是化学提取法是基于化学试剂的反应性而不是元素有效性的真实的响 应值。目前，DGT(薄膜扩散梯度技术)在植物根区测试主要用于土壤中植 物根部对金属元素吸收机制的预测和吸收机理的研究，但对湖泊水生植物所 生长的沉积物区域从未进行过DGT测试和以此为基础的植物根部吸收磷或 其它元素的机制的研究。因此，如何根据湖泊营养化特征和水生植物根部特 征，正确进行湖泊沉积物水生植物根区的DGT测试，选择合适的沉积物/植 物样品的预处理和测定方法，并结合DGT/沉积物/植物的磷的测定结果进行 根部吸收特征、预测植物根部吸收和植物的磷含量的DGT指示器功能的研 究，是本领域技术人员尚未解决的难题。

发明内容

本发明解决的是现有技术中缺少适用于湖泊营养化特征和水生植物根 部特征的磷元素吸收特征分析方法，进而提供一种湖泊水生植物根区磷元素 吸收特征的DGT测试和分析方法。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种湖泊水生植物根区磷元素吸收特征的DGT测试分析方法，包括如 下步骤：

(1)在湖泊水生植物的根区选择多个样点，将多个完成驱氧处理的水 合氧化铁圆形DGT分别放入所述多个样点的根区沉积物中并保持至少24小 时；

(2)将多个所述水合氧化铁圆形DGT取出，用去离子水冲洗干净并取 出所述水合氧化铁圆形DGT中的水合氧化铁固定胶；用酸溶液分别对每个 所述水合氧化铁固定胶进行静置洗脱，利用钼锑抗光度法测定每个洗脱液中 活性磷的浓度，最后分别根据每个洗脱液中活性磷的浓度计算得到每个样点 的DGT浓度C_DGT；

(3)用抓斗式采样器分别取出所述多个样点的湖泊水生植物以及所述 湖泊水生植物根区的沉积物；在每个样点的所述湖泊水生植物根区的沉积物 中采集两份沉积物样品，将其中一份所述沉积物样品在惰性气体条件下进行 离心处理，收集上清液，采用钼锑抗光度法测定所述上清液中活性磷的浓度， 即得到沉积物间隙水中活性磷的浓度C_solu；

对另一份沉积物样品进行干燥得到沉积物颗粒，先依次使用浓度为 1mol/L的NH₄Cl水溶液、BD试剂溶液、浓度为0.1mol/L的NaOH水溶液 和浓度为0.5mol/L的HCl水溶液作为提取剂在室温条件下对所述沉积物颗 粒进行提取，最后再使用浓度为0.1mol/L的NaOH水溶液在85℃的温度条 件下对所述沉积物颗粒进行提取，每一次提取平衡后进行离心，由磷钼蓝法 测定离心上清液中的可溶性活性态磷的浓度，从而依次分别得到弱结合态 磷、氧化还原敏感态磷、金属水合氧化物结合态磷、钙结合态磷和惰性有机 态磷的浓度；沉积物的磷贮库Cs为所述弱结合态磷和所述氧化还原敏感态 磷的浓度之和；其中所述BD试剂溶液为NaHCO₃和Na₂S₂O₄的混合水溶液， 所述NaHCO₃和Na₂S₂O₄的浓度均为0.11mol/L；

(4)对每个样点的所述湖泊水生植物根区的沉积物的颗粒物密度和颗 粒物空隙率进行测定，利用所述颗粒物空隙率计算得到沉积物间隙水的扩散 系数；

(5)将固液分配系数和响应时间以及所述沉积物的颗粒物密度、扩散 层的扩散系数、扩散层的厚度、所述沉积物间隙水的扩散系数、所述水合氧 化铁圆形DGT中扩散胶的空隙率、所述沉积物的颗粒物空隙率、所述沉积 物间隙水的初始浓度输入DIFS软件中，计算得出R_diff值，其中所述固液分 配系数的值设定为10^-10cm³g^-1，所述响应时间的值设定为10¹⁰s；然后分别利 用下述公式计算得到所述多个样点的磷的有效浓度C_E：

C_E＝C_DGT/R_diff；

(6)分别测定每个样点的所述湖泊水生植物的根、茎、叶中磷的浓度；

(7)将多个所述样点的DGT浓度C_DGT、所述沉积物的弱结合态磷浓度、 氧化还原敏感态磷浓度、金属水合氧化物结合态磷浓度、钙结合态磷浓度和 惰性有机态磷浓度、沉积物的磷贮库Cs、磷的有效浓度C_E、沉积物间隙水 中活性磷的浓度C_solu分别与所述多个样点的湖泊水生植物的根、茎、叶中磷 的浓度进行数理统计，获得水生植物根区的磷吸收特征。

步骤(1)中所述湖泊水生植物为茭草。

所述湖泊水生植物所在的区域的水深为1.2-1.5m；所述湖泊水生植物的 地上部分的高度为40-50cm。

每个所述样点至少生长有三株所述湖泊水生植物，三株所述湖泊水生植 物的根系交缠在一起。

对所述水合氧化铁圆形DGT进行驱氧处理的方法为：将所述水合氧化 铁圆形DGT放入装有0.01M优级纯NaCl溶液的塑料容器中，通入高纯氮 气并保持18小时。

步骤(2)中，采用0.25M的硫酸对所述水合氧化铁固定胶进行静置洗 脱；所述静置洗脱的时间为24小时。

步骤(4)中所述颗粒物密度和颗粒物空隙率的测定方法为：取重量为 W₀的所述柱样的沉积物，在105℃下烘干后，再次称重的重量为W₁，然后 按下式计算所述颗粒物密度ρ_C和颗粒物空隙率Φs：

ρ_C＝W₁/(W₀-W₁)/ρ_W)

Φ_s＝dp/(ρ_C+d_p)

其中，ρ_W是水的密度；dp为2.65g/cm³。

步骤(6)中分别测定每个点样的所述湖泊水生植物的根、茎、叶中磷 的浓度的方法为：

(a)使用去离子水对所述湖泊水生植物进行清洗，并分别采集每个样 点的所述湖泊水生植物的根、茎和叶的样品；

(b)将所述根、茎和叶的样品干燥至恒重，并分别称取所述根、茎和 叶的样品干重；

(c)分别将所述根、茎和叶的样品放置于微波消解器中，加入硝酸溶 液进行消解；消解完毕后，利用钼蓝法测定出消解液中的磷含量，即可分别 计算得到单位质量的所述根、茎和叶对应的磷的含量。

步骤(7)中进行数理统计的方法为线性回归法。

本发明中所述的DIFS软件是指沉积物DGT诱导扩散通量软件。

本发明所述的湖泊水生植物根区磷元素吸收特征的分析方法，其原理主 要是基于DGT分析方法和参数、沉积物间隙水/沉积物固相的分析方法和植 物样品的分析方法，针对现场水生植物-水-沉积物体系进行的上述内容的测 定，获得一系列表示固液相分配、平衡浓度、沉积物贮库容量和DGT参数 (C_DGT、R_diff和C_E)，根据以上参数进行数理统计以及植物吸收参数的运算， 进行植物吸收机制和特征的预测和评价。DGT像植物根部一样进行沉积物 中元素的吸收，DGT技术在沉积物中的测试局部降低了沉积物间隙水中的 元素浓度，并且响应于溶液和固相贮库的再补给作用。DGT在沉积物中所 测试的通量可以得出有效浓度C_E。DGT表面平均浓度C_diff与沉积物间隙水 中活性磷的浓度C_solu的比值可以表示为：

R_diff＝C_diff/C_solu

其中，在“仅仅是扩散”的DGT测试条件下，C_diff是这种情况下的DGT 浓度，C_solu是常规法测定的根区沉积物间隙水中活性磷浓度；R_diff是这种情 况下的再补给参数。R_diff由设备的尺寸、操作时间和沉积物理化性质所决定。 它可以用扩散方程的数学模型计算。在通常的情况下，C_solu并不代表有效浓 度(C_E)，C_E是一个DGT设备或植物根部所经历的浓度。有效浓度C_E包括 沉积物间隙水的浓度和从固相中获得的浓度，有效浓度C_E可以用下式获得：

C_E＝C_DGT/R_diff

这样一来，DGT提供了对有效浓度C_E的直接测定。这个有效浓度C_E是对通过与植物吸收机制相似的DGT扩散过程测定的真实反映。因此，本 发明中的有效浓度C_E就提供了对于通过扩散而产生的沉积物中根部的吸收 活性磷特征的评价参数。从而可以根据DGT测试结果(C_DGT和C_E)以及沉 积物、水生植物和间隙水中的磷元素的测定结果，进行数理统计(主要是线 性回归法)，获得水生植物根/茎/叶中磷总量和沉积物/间隙水磷/活性磷、沉 积物的磷的提取相、DGT浓度和C_E值(有效浓度)之间的数量关系和磷在 水生植物根区吸收过程的迁移转化规律，尤其可以进行DGT对水生植物根 部吸收和磷在植物中分配的预测功能的研究。

附图说明

图1所示是茭草根部的磷浓度C_根与有效浓度C_E之间的线性关系图；

图2所示是茭草根部的磷浓度C_根与C_DGT之间的线性关系图；

图3所示是茭草根部的磷浓度C_根与沉积物间隙水中活性磷的浓度C_solu之间的线性关系图；

图4所示是茭草根部的磷浓度C_根与沉积物的磷贮库Cs之间的线性关系 图；

图5所示是茭草茎部的磷浓度C_茎与有效浓度C_E之间的线性关系图；

图6所示是茭草茎部的磷浓度C_茎与C_DGT之间的线性关系图；

图7所示是茭草茎部的磷浓度C_茎与沉积物间隙水中活性磷的浓度C_solu之间的线性关系图；

图8所示是茭草茎部的磷浓度C_茎与沉积物的磷贮库Cs之间的线性关系 图；

图9所示是茭草叶的磷浓度C_叶与有效浓度C_E之间的线性关系图；

图10所示是茭草叶的磷浓度C_叶与C_DGT之间的线性关系图；

图11所示是茭草叶的磷浓度C_叶与沉积物间隙水中活性磷的浓度C_solu之间的线性关系图；

图12所示是茭草叶的磷浓度C_叶与沉积物的磷贮库Cs之间的线性关系 图。

具体实施方式

本实施例所述的湖泊水生植物根区磷元素吸收特征的DGT测试分析方 法，包括如下步骤：

(1)在云南洱海选择水生植物研究区域，所述区域的平均水深为 1.2～1.5m，在该区域单一生长有一种水生植物-茭草；在该区域的水生植物 根区选择10个样点，每个样点分布有3棵茭草，所述3棵茭草的根系发达， 主根较长。每棵所述茭草在地上部分的高度均处于40～50cm之间；其中，所 述水生植物根区是指在水生植物生长的沉积物上，以每棵水生植物为圆心， 直径为4cm的沉积物表面范围内且深度为3cm范围内的区域。

取出10个水合氧化铁圆形DGT并进行驱氧处理，进行所述驱氧处理的 方法为：将所述10个水合氧化铁圆形DGT分别单独放入装有0.01M优级 纯NaCl溶液的塑料容器中，向所述NaCl溶液中通入高纯氮气并保持18小 时，即完成驱氧处理；将10个完成驱氧处理的水合氧化铁圆形DGT分别放 置在所述10个样点的根区沉积物中并保持24小时；本实施例中使用的水合 氧化铁圆形DGT由DGT Research Ltd.(Lancaster University)公司出品，型号 为Ferrihyrite-DGT。

(2)将10个所述水合氧化铁圆形DGT取出，用去离子水冲洗干净并取 出所述水合氧化铁圆形DGT中的水合氧化铁固定胶；采用0.25M的硫酸分别 对每个所述水合氧化铁固定胶进行静置洗脱24小时，利用钼锑抗光度法测定 每个洗脱液中活性磷的浓度C_e，最后分别按照下列公式计算每个样点的DGT 浓度C_DGT：

C_DGT＝MΔg/DAt

其中，t为操作时间；A为所述水合氧化铁固定胶的暴露面积；D为所述 水合氧化铁圆形DGT中扩散胶溶质的扩散系数；Δg为水合氧化铁圆形DGT 的扩散层厚度；M为吸收的溶质的质量，M的计算公式如下：

M＝C_e(V_gel+V_elution)/f_e

其中，C_e是洗脱液中活性磷的浓度，V_gel是所述水合氧化铁固定胶的体 积，V_elution是所述洗脱液的体积，f_e是洗脱系数，取值为1.0；C_DGT的计算结 果如表2所示。

(3)用抓斗式采样器分别取出所述10个样点的湖泊水生植物以及所述 湖泊水生植物根区的沉积物；在每个样点的所述湖泊水生植物根区的沉积物 中采集两份沉积物样品，将其中一份所述沉积物样品在惰性气体条件下进行 离心处理，收集上清液，采用钼锑抗光度法测定所述上清液中活性磷的浓度， 即得到沉积物间隙水中活性磷的浓度C_solu；

对另一份沉积物样品进行干燥得到沉积物颗粒，先依次使用浓度为 1mol/L的NH₄Cl水溶液、BD试剂溶液、浓度为0.1mol/L的NaOH水溶液 和浓度为0.5mol/L的HCl水溶液作为提取剂在室温条件下对所述沉积物颗 粒进行提取，最后再使用浓度为0.1mol/L的NaOH水溶液在85℃的温度条 件下对所述沉积物颗粒进行提取，每一次提取平衡后进行离心，由磷钼蓝法 测定离心上清液中的可溶性活性态磷的浓度，从而依次分别得到弱结合态 磷、氧化还原敏感态磷、金属水合氧化物结合态磷、钙结合态磷和惰性有机 态磷的浓度，沉积物的磷贮库Cs为所述弱结合态磷和所述氧化还原敏感态 磷的浓度之和；其中所述BD试剂溶液为NaHCO₃和Na₂S₂O₄的混合水溶液， 所述NaHCO₃和Na₂S₂O₄的浓度均为0.11mol/L；本实施例采用沉积物磷的 标准物质GSS2(购自中国物探化探研究所)进行磷储库回收率的测定，其 回收率为95.9％。

(4)对每个样点的所述湖泊水生植物根区的沉积物的颗粒物密度和颗 粒物空隙率进行测定，具体方法为：取50g沉积物，在105℃下烘干后，再 次称重，然后按下式计算所述颗粒物密度ρ_C和颗粒物空隙率Φ_s：

ρ_C＝W₁/(W₀-W₁)/ρ_W)

Φ_s＝dp/(ρ_C+d_p)

其中，ρ_W是水的密度；dp为2.65g/cm³，W₀为50g；W₁为烘干后再次 称重的重量；

利用所述颗粒物空隙率Φ_s计算得到沉积物间隙水的扩散系数Ds，其计 算公式如下：

Ds＝D₀/(1-2lnΦ_s)

其中，D₀是活性磷在水中的扩散系数，Φs是颗粒物的空隙率。

(5)将固液分配系数K_d和响应时间T_c以及所述沉积物的颗粒物密度ρ_c、 扩散层的扩散系数D_d、扩散层的厚度d_g、所述沉积物间隙水的扩散系数D_s、 所述水合氧化铁圆形DGT中扩散胶的空隙率pordif、所述沉积物的颗粒物空 隙率Φ_s、所述沉积物间隙水中活性磷的浓度C_solu输入DIFS软件中，计算得 出R_diff值，其中所述固液分配系数K_d的设定值为10^-10cm³g^-1，所述响应时间 Tc的设定值为10¹⁰s；

本实施例中使用的所述水合氧化铁圆形DGT的所述扩散胶的空隙率 pordif为0.95；本实施例中所述DIFS的输入参数和输出参数如表1所示； 然后分别利用下述公式计算得到所述多个样点的磷的有效浓度C_E：

C_E＝C_DGT/R_diff；

本实施例中计算得到的Cs和C_E值如表2所示。

(6)使用去离子水对所述湖泊水生植物进行清洗，分别测定每个样点 的所述湖泊水生植物的根、茎、叶中磷的浓度；具体测定方法为：

(a)使用去离子水对所述湖泊水生植物进行清洗，并分别采集每个样 点的所述湖泊水生植物的根、茎和叶的样品；

(b)将所述根、茎和叶的样品分别在105℃条件下干燥1小时后，再在 80℃条件下下干燥72小时至一恒重，并分别称取所述根、茎和叶的样品干 重；

(c)分别将0.25g的所述根、茎和叶的样品放置于微波消解器中，加入 5mL浓硝酸和5mL水进行消解；消解完毕后，利用钼蓝法测定出消解液中 的磷含量，将磷含量除以0.25g，即可分别计算得到单位质量的所述根、茎 和叶对应的磷的含量，即根、茎和叶中的磷浓度C_根、C_茎和C_叶。

为了验证本步骤中对根、茎、叶中磷浓度测试的准确性，本实施例还同 时进行标准物质的测定，所用的植物标准样为：GBW07603和GBW08504， 这两种样品测得的回收率分别为90.48％和105.8％。

(7)将所述10个样点的DGT浓度C_DGT、沉积物的弱结合态磷浓度、 氧化还原敏感态磷浓度、金属水合氧化物结合态磷浓度、钙结合态磷浓度和 惰性有机态磷浓度、沉积物的磷贮库Cs、磷的有效浓度C_E、沉积物间隙水 中活性磷的浓度C_solu分别与所述10个样点的湖泊水生植物的根、茎、叶中 磷的浓度进行数理统计；结果表明，DGT浓度C_DGT、有效浓度C_E、磷储库 Cs与茭草根/茎/叶中磷的浓度间的线性关系较好，尤其是C_DGT、C_E与茭草 根/茎/叶中磷的浓度相关性最好。本实施例获得的C_DGT、C_solu、C_E、Cs和C _根、C_茎和C_叶之间的线性关系如图1-12所示；这充分表明了DGT浓度尤其 是C_E浓度对于根区磷的有效成份和因为根部吸收造成的颗粒物的再补给作 用具有指示器作用。而沉积物中磷的前两相与茭草根/茎/叶中磷的线性关系 表明了茭草根部主要吸收的是沉积物中的弱结合态磷(主要是可交换磷)和 氧化还原敏感态磷(主要是Fe-P)。

对洱海水生植物-茭草根区的DGT测试表明，DGT可以较好地完成湖 泊水生植物根区测试，模拟根部吸收磷的机制，并对根部吸收和植物中的分 配进行预测，完成湖泊水生植物根部吸收机制和磷在沉积物/间隙水/根/茎/ 叶的迁移转化的研究。并且，除了本实施例中针对生长在湖泊中的水生植物 进行根区测试外，本发明中的测试分析方法也适用于对实验室培育的湖泊水 生植物进行根区测试和分析。

表1 DIFS的输入参数和输出参数

表2 本实施例计算得到的C_DGT、C_solu和C_E值：

样点编号 C_E(nmol/ml) C_DGT(nmolml^-1) Cs(μmol/g) 1 51.61 4.8 1.41 2 66.74 6.14 1.66 3 84.32 6.24 1.89 4 115.70 10.76 2.05 5 213.46 16.65 2.20 6 219.26 20.83 2.33 7 295.27 26.87 2.36 8 312.82 24.4 2.48 9 372.11 28.28 2.80 10 500.00 31.5 3.27

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式 的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷 举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围 之中。