毕业论文：晋江感潮河段柱状沉积物中N/P的分布、赋存形态及环境意义

题目： 晋江感潮河段柱状沉积物中N/P的分布、赋存形态及环境意义
院（系） 化工学院环境科学与工程系
专 业 环境科学

晋江感潮河段柱状沉积物中N/P的分布
及赋存形态及环境意义
摘要
本文通过对晋江感潮河段柱状沉积物中N/P的分布和赋存形态进行测定，分析了晋江感潮河段柱状沉积物中总磷及各形态、总氮及铵态氮以及TOC的垂向分布规律，同时分析了TOC/N值及N/P值的垂向分布，初步探讨其环境指示意义。
结果显示：晋江感潮河段柱状沉积物中总磷的含量范围为577mg.kg-1~1126mg.kg-1。该地区与国内典型的河口和滨岸带潮滩比较，总磷处于相对较高水平。总磷中有75%~90%以无机磷形式存在，铁铝结合态磷是无机磷、总磷的主要控制形态。闭蓄态磷(10%~44%)，铁铝结合态磷(21%~41%)，钙结合态磷(15%~27%)，有机态磷(10%~25%)，可交换态磷(2%~8%)。柱状沉积物中总氮含量变化范围为378mg.kg-1~1015mg.kg-1。总氮含量随深度的变化范围为1.04mg.kg-1~2.07mg.kg-1。人为活动会大大增加沉积物有机质的外源输，随着晋江经济迅速发展，人为的有机质输入在逐年增加，也是上层沉积物总氮、总有机碳含量高并出现垂向叠置分布的原因之一。柱状沉积物中TOC/N比值随深度的变化范围为1.74~4.97，N/P比值变化范围为446~1185，TOC/P比值随深度增大的变化范围为1.11~2.53。
关键词：晋江感潮河段；柱状沉积物；形态磷；氮；TOC。


Distribution and speciation of phosphorus and nitrogen in the core sediment collected from Jinjiang River tidal reach
Abstract
In this paper, the total content and forms of carbon, nitrogen and phosphorus were determined, and the vertical distributional characteristics of the total content and different forms of carbon, nitrogen and phosphorus were analysed, at the same time the meaning of the ratio of TOC/N and N/P were also analyse, and their environmental meanings were further discussed ,this research can reflect the concentrating situation and the environmental situation at present of the nutrients in Jinjiang river tidal reach.
The results showed that: the content of total phosphorus in the core sediments in Jinjiang river tidal reach rang
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。在环境条件发生改变时，氮、磷营养盐可通过扩散、对流、沉积物再悬浮等过程从沉积物中重新释放出来，影响上覆水体，成为湖泊营养的内负荷。因此，研究氮、磷等营养盐在沉积物中的赋存形态及其界面过程，对掌握氮、磷等营养盐在沉积物与水界面的迁移转化规律及揭示富营养化问题的本质具有重要意义[4]。
1.1研究区域概况
晋江是福建省第三大河，流域面积5629km2，全长182km，年径流量54.25*108m3，平均流量163m3/s，沿程流经永春、安溪、南安、晋江及泉州市区等县市[5]。晋江主干流长29km，下游自河口至南安丰州金鸡拦河闸约20km的河段属感潮河段[6]。感潮河段沉积物是地球上主要的湿地类型之一，生物多样性丰富，在养殖、围垦造田、环境净化、休闲旅游等方面具有特殊的作用，为人类提供了巨大的生态、经济和社会效益。
晋江水系水质：2010 年度晋江水系水质状况优，功能区Ⅲ类水质达标率 100%。13 个省控水质监测断面中，Ⅰ～Ⅱ类水质比例53.9%，较2009 年度下降14个百分点；Ⅲ类水质比例46.1%。自 2004 年起，晋江水系连续七年水质状况保持优，水质达标率均为100%。[7]
感潮河段指的是河流与海洋的过渡地段，它同时受到了河流与海洋两种动力的相互作用与影响，是互相消长的区域[8]。感潮河段水流既受内陆径流的影响，又受外海潮汐侵入的影响，是复杂的周期性不恒定往复流动，其水位、流量等要素的变化规律均难以掌握[9]。感潮河段沉积物是地球上重要的湿地类型之一，生物种类丰富多样，在控制洪水、发展农业、水产养殖、环境净化、调节气候、观光旅游等方面具有独特的功能和作用，给人类提供了巨大的生态、经济和社会效益[10]。经调查分析，感潮河段沉积物的污染源主要有工业废水污染、生活污水污染、生活或工业垃圾大量排放、水产养殖污染、农田径流及水土流失等。
1.2营养盐研究情况及其发展
1.2.1营养盐提取方法
在最新研究中，有研究报告对污泥中营养盐的提取方法进行探讨，而污泥与沉积物均属于固态样品，故其研究方法对沉积物中营养盐提取具有参考意义。[11]
热碱法：取30 mL污泥放入100 mL高型烧杯中，用NaOH(10 mol/L)调至所需pH值，表面皿封口，置于恒温水浴中反应一定时间。冷却30min，离心(转速5 000 r/m)15 min，取上清液分析。采用正交实验优化反应体系pH值、水浴温度和水浴时间。在预实验的基础上，每个因素设3个水平。
超声波法：取30 mL污泥放入50 mL高型烧杯中，在冰水浴条件下采用适当超声功率作用一定时间，离心(转速5 000 r/m)15 min，取上清液分析。采用单因素实验研究超声功率(200、400、600和800 W)及超声时间(5、10、30、40、60和80 min)对污泥提取效果的影响。
加碱超声波法：用NaOH将污泥调到一定pH值后，在超声波法得到的最佳功率下，考察不同污泥pH值(11、12和13)以及超声时间(10、20、30和40 min)对污泥提取效果的影响。
热碱法对营养盐的提取和污泥减量效果最差，加碱超声波法对污泥的提取效果和减量程度最大，但是两者都存在着操作管理难度大、设备易腐蚀、提取液pH值偏高不适于资源化利用等问题。超声波法的提取和减量效果与加碱超声波法相近，但不存在上述缺陷，因此是提取污泥氮磷营养盐的最适方法，在超声功率400W、作用40 min时，该方法对污泥N和PO43--P的提取率到33•48%和57•5%，提取液中N和PO43--P浓度分别达351.5 mg/L和115.0 mg/L，同时，污泥的减量率达到64•54%。
1.2.2国内鄱阳湖沉积物营养盐研究
向速林等[12]利用分级提取法对鄱阳湖沉积物进行了磷形态的分级提取和测定，系统研究了沉积物中磷的赋存形态及分布特征。结果表明：鄱阳湖表层沉积物中磷的赋存形态主要有铁磷(Fe-P)、磷(Ca-P)、铝磷(Al-P)、可溶性磷(DP)等无机磷(IP)及有机磷(OP)，各形态磷的空间分布基本具有从河口地区向湖区方向升高的趋势，垂向分布上总磷及各形态磷含量随深度增加而降低；表层沉积物(0-2cm)中总磷含量为578.36-813. 55mg.kg-1，主要由无机磷组成，无机磷中以Fe-P含量最高，最大值达350. 24mg.kg-1，占总磷的40%以上， Ca-P、Al-P含量相当，约占总磷含量的20%左右，而以DP的含量最低，含量在5%以下，有机磷含量约占总磷含量的15%左右；另外，沉积物中TP含量与Fe-P、Al-P、Ca-P及OP均具有较好的相关性，且OP含量与Fe-P、Al-P也具有较好的正相关关系，而与Ca-P的相关性较弱。
1.2.3太亚湾海域春季沉积物营养盐研究
大亚湾表层沉积物中TN含量的变化范围为(764. 75~2 938. 60)*10-6，平均值为1692. 52*10-6。TN含量最高值位于DS12号站，在沿岸附近的DS00、DS13、DS24、DS25号站也表现出很高的测值。这主要是由于近年来大亚湾沿岸经济的快速发展、人口剧增，大量的工业废水和生活污水排入海湾，加之海水养殖自身污染的影响，导致了上述结果。TN的空间分布整体表现为由大亚湾西北部向东南部阶梯式递减，造成这种分布趋势的主要原因除了与人为排污和海水养殖污染有关外，可能还与沉积物中粘土的含量有极大关系，即沉积物中粘土含量越高，沉积物颗粒越细，空隙越小，氧的含量越低，N的含量就越高。在本次研究中，大亚湾西北部各站位表层沉积物中粘土含量普遍比东南部各站位高，所以西北部各站位沉积物中TN的含量就高。
大亚湾表层沉积物中TP含量的变化范围为(399. 39~527. 96)*10-6，平均值为468. 86*10-6，比该海区以往研究测值略低。TP的峰值出现在DS15号站位，其次为DS17号站位，再次为DS25、DS24号站位，这4个站位TP含量均超过500. 00*10-6，最低值出现在DS26号站位。TP的分布总体上表现为大亚湾中、东部高于西部的分布趋势，但含量的变化幅度不大，这可能与P的存在形式有关。[4]
1.2.4沉积物中的磷研究情况
1.2.4.1沉积物中磷研究的必要性
磷在生命物质的遗传和新陈代谢中，起着极其重要的作用。它是组成酶、三磷酸腺苷、核糖核酸、脱氧核糖核酸以及磷脂等生命和遗传物质的一个结构元素，其中磷脂构成细胞膜，三磷酸腺苷以及其它有机化合物参与植物组织中各种生物化学的能量转化反应。磷既是浮游植物生长的重要营养元素，也是引起水体富营养化的主要因素[13]。
一般而言[14]，沉积环境中矿物的次生作用、生物或非生物的氧化作用、生物同化、酶促和非酶促水解反应等时刻影响着沉积物磷的行为，其中最主要的过程或作用，部分决定于沉积物中磷的种类即形态的丰度。因此，形态鉴定及含量测定对了解磷的释放很有意义。
1.2.4.2沉积物中磷的来源
在天然水体中磷的来源主要包括外源输入和内源释放，而内源释放则主要来自于水体沉积物。但沉积物中的磷以多种复杂的结合形式存在，其不同存在形态具有不同的生物有效性，沉积物中磷的形态分布、含量高低及迁移转化等会直接控制水体的营养状况和初级生产力，对水体沉积物中磷的形态分布及生物可获得性具有重要的生态环境意义［14-15］。
1.2.4.3沉积物中磷形态的分类
沉积物中的磷从性质上包括无机磷和有机磷；而形态上，不同的研究者根据研究需要可能略有不同，但大致可将沉积物磷分为：可溶性磷(DP)，铝结合磷(Al-P)，铁结合磷(Fe-P)，钙结合磷(Ca-P)，闭蓄态磷(OcP)，有机磷(OP)，碎屑态磷(De-P)。[16]
1.2.4.4沉积物-水界面的交换
沉积物中的磷主要通过沉积物-水界面的分子扩散作用进行质量转移。在淡、咸水经常剧烈混合的区域，水体的高度混浊加剧了固、液相间的相互作用。沉积物与水体之间磷的交换十分活跃[18]，包括含磷颗粒的沉降与再悬浮、溶解态磷的吸附与解吸、磷酸盐的沉淀与溶解等。磷的吸附与解吸是水体和沉积物之间进行磷交换的一种重要方式，而沉积物的吸附作用对界面间PO4--P的物质交换起着非常重要的作用：陈淑珠等认为，沉积物吸附磷的量与水中溶存的磷的量之间存在平衡关系：当水中的磷浓度发生变化时，沉积物就会向水中释放或吸附水中的磷；这种吸附解吸机制受环境条件的影响，与溶解氧、pH、温度、盐度、扰动、生物、上覆水中磷的浓度以及沉积物组成及粒径有密切关系[17-19]。
1.2.4.5影响磷分布因素
（1）溶解氧
根据测定水中的溶解氧的结果发现:缺氧加速沉积物中磷的释放，好氧抑制磷的释放，二者相差一个数量级。原因主要是：水中的溶解氧会影响沉积物的氧化还原电位，厌氧条件下，容易发生Fe3+-Fe2+化学反应，Fe-P表面的Fe(OH)3保护层转化为Fe(OH)2，然后溶解释放，Fe-P是沉积物向水体释磷的主要形态[20，21]。
（2）氧化还原电位
在磷的各种形态中，Fe-P经常被认为是沉积物中最不稳定的部分，因为它会随氧化还原环境的变化而改变，从而改变磷在沉积物中各种形态的分配比例。当Eh降低时，Fe3+被还原为Fe2+并溶解，同时与Fe结合的磷就会被活化而进入水体中，与其它离子结合;而Eh升高时，Fe2+氧化为Fe3+重新沉淀。Aigars(2001)研究近海表层沉积物中磷形态和氧化还原电位时发现：0-1cm的表层沉积物中总磷含量最高，在氧化层最上层，依赖于氧化还原电位的不稳定磷(MP)占总磷的一半以上；而在还原层，只有17%左右。在夏季受氧化还原细菌活动的影响，氧化还原电位高的区域MP有短暂积累；而在氧化还原电位低的区域没有积累，全部释放到水体中。随着富营养化程度的增加，导致沉积物-水界面缺氧并引起原本储存在表层沉积物中的依赖氧化还原条件的磷的快速释放，这在水体中可能引起赤潮藻的爆发式增殖[22]。
（3）酸度
根据模拟释放实验，沉积物磷释放量随pH升高呈“U”形曲线，即pH在7-8之间的吸附量较小；在偏酸性条件下随pH的增大，PO4--P的吸附量逐渐减少；而在偏碱性条件下，随pH的升高，PO4--P的吸附量逐渐增大[25]。其机理是:pH值影响磷与沉积物的吸附和离子交换作用。沉积物中富含Fe-P，由于OH-与Fe-P、Al-P中的磷酸根具有离子交换作用，在pH值高时，使Fe、Al结合态磷酸盐中的磷释放出来;而在pH值低时，沉积物中的Ca-P朝着解吸方向进行，从而促使磷的释放[23]。
（4）温度
随温度的升高，PO4--P释放量基本上呈线性增加。这是因为温度升高，微生物的活动增强，耗氧增多，溶解氧减少，从而使氧化还原电位降低，发生Fe3+-Fe2+化学反应，Fe-P得以释放；另外，微生物的活动还可使沉积物中的有机磷转化成无机态的磷酸盐而得以释放[24]。
（5）盐度
在低盐度(0-5)区，随盐度的增加，沉积物对PO4--P的吸附量显著增加;但当盐度>5时，随盐度的增加，吸附量略有下降。盐度也会影响各种结合态磷所占的比例:盐度增加后水体中Fe3+含量迅速减少，相应的Fe3+吸附P的能力就会减弱，而含量Ca2+相对变高，促使Fe-P向Ca-P转化。此外，各种形态磷的含量与沉积物中Ca、Al、Fe的含量相关。所以当沉积物中Ca、Al、Fe的含量由于人为污染等因素变化时，P就会在不同的形态之间发生一系列解吸释放和重新结合过程，从而实现在不同形态之间的转化[25，26]。
（6）其他因素
影响沉积物中磷元素的分布还有扰动、生物的生长、沉积物的组成和粒径。
1.2.5沉积物中氮的研究情况
1.2.5.1沉积物中氮研究的必要性
氮元素是水体生物的重要营养元素，其作为能量上下传递的主体，在不同区域中的含量和分布特征，会在一定 ……（未完，全文共35711字，当前仅显示6423字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：晋江感潮河段柱状沉积物中N/P的分布、赋存形态及环境意义》）