1、I密级： JINGGANGSHAN UNIVERSITY本科毕业论文题目 挹翠湖底泥中磷形态的调查研究 学 院 生命科学学院 专 业 环境科学 班 级 10 环境（本 1） 学 号 100813003 姓 名 李敬玲 指导教师 尹 丽 起讫时间 2012.6.202014.5.14 教 务 处 印 制井冈山大学生命科学学院本科毕业论文i摘 要水体富营养化是当今世界面临的一个严重环境问题。造成富营养化的限制因子主要是 N 和 P，尤其是 P。对于大多数外源磷得到控制的水体来说，底泥磷的释放对长期维持藻类生长，促进湖泊富营养化的发展具有举足轻重的作用。湖泊的环保治理必将从有机污染控制转向富营养化污
2、染的控制与治理。而底泥作为河流、湖泊的组成部分，是营养物质氮磷的重要蓄积库，在一定条件下，内源氮磷负荷可释放到水体中，加剧富营养化程度或者延缓水体功能的恢复。沉积物的磷形态、理化性质与磷形态之间相关性能进一步揭示沉积物一水界面磷行为机理，并为我国富营养化浅水湖泊的治理与管理提供指导和理论依据。本试验通过对挹翠湖 2012 年 7 月份至 2013 年 5 月份底泥的基本状况进行调查，并对底泥中磷形态进行分析测定。结果表明，挹翠湖底泥中的磷以 Fe-P 和 O-P形态为主。关键词：挹翠湖；底泥；磷形态。井冈山大学生命科学学院本科毕业论文iiAbstractEutrophication of su
3、rface waters is a serious problem in many parts of the world. Internal load of nitrogen and phosphorus especially P play a major role in eutrophication. Phosphorus release in sediment is very important to support algae during eutrophication. Eutrophication control will take the place of organic poll
4、utant removal to become the most important way of the Lake treatment. As a substaintial component of river and lake, the sediments are important storeroom of N and P. Under certain conditions, the internal Phosphorus can be released into water which can deteriorate the eutrophication or hamper the r
5、estoration process. Furthermore, the studies on phosphorus action in the interface of sediment-water is one of the key elements which helps find the mechanism of eutrophication. Among these, the studies on phosphorus forms are crucial aspects that can further reveal the mechanism of phosphorus actio
6、n in the interface of sediment-water and supply direction and theoretical grounds to treatment and management of eutrophic shallow lakes in our country.To survey the basic situation of Yicui Lake in 2012 July to 2013 May. The results show that phosphorus of sedimen of Yicui Lake mainly Fe-P and O-P
7、form of existence.Key word：Yicui Lake； sediment ； fractiongs of phosphorus. 井冈山大学生命科学学院本科毕业论文I目 录摘 要 .iAbstract .ii1. 引言 .11.1 研究背景 .11.2 挹翠湖概况 .12.底泥中的磷 .22.1 磷 .22.2 底泥的概念 .22.3 底泥中磷的形态及其来源 .22.4 底泥与水体水质的关系 .43. 实验与结果 .53.1 实验 .53.1.1 仪器设备 .53.1.2 采样与预处理 .53.1.3 分析方法 .53.1.4 主要试剂及其配制方法 .63.1.5 试验方
8、法 .73.2 结果与分析 .93.2.1 底泥基本性质 .93.2.2 底泥磷形态分析 .114 结论 .12参考文献 .13致 谢 .15井冈山大学生命科学学院本科毕业论文11.引言1.1 研究背景据国家环保总局 2012 年 6 月发布的中国环境公报 ，2011 年，中国湖泊（水库）富营养化问题仍突出。26 个国控重点湖泊（水库）中，类、类和劣 类水质的湖泊（水库）比例分别为 42.3%、50.0%和 7.7%，主要污染指标是总磷和化学需氧量 1。随着现代经济的飞速发展，城镇的人口和排污量不断增加，一些城镇的小型景观水体正遭受严重的破坏。这些小型水体由于自身相对封闭，流速较缓，湖体置换周
9、期长，不利于污染水体的稀释扩散，其接纳的污染负荷往往大于自身的自净能力，生态系统脆弱，富营养化及富营养化趋势显著，已面临着严重的环境问题。在湖泊富营养化治理过程中，底泥污染整治是主要的难点之一，也是目前较为普遍存在的环境问题。污染物进入水体中后，有一部分会积聚在底泥中。在一定的条件下，累积于底泥中的各种有机和无机污染物通过与上覆水体间的物理、化学、生物交换作用，重新进入到上覆水体中，成为影响水体水质的二次污染源 2。底泥有着很高的储存能力，一个水力循环中，仅有不足 1%的污染物溶解于水中，超过 99%的污染物贮存于底泥。磷被认为是限制湖泊生产率的最关键的营养物，长久以来被认为是导致淡水富营养化
10、的关键因素，因此磷浓度是确定水生态系统富营养化状态的重要参数。底泥中总磷浓度不能预测潜在的生态风险，因为并非所有的磷的形态都能向上覆水释放而导致富营养化，由于底泥中磷以各种化学形态存在，因而具有不同的迁移性和生物有效性，磷形态的研究对底泥磷的潜在释放的预测和未来水体磷水平的预测都有着重要参考价值。因此了解和掌握底泥中磷的形态对水体中磷含量的关系对于改善和恢复水体有重要意义。1.2 挹翠湖概况挹翠湖，位于江西省井冈山市茨坪中心，为茨坪主要景点公园，湖四周为林荫大道所环绕，环境十分幽雅，也是憩息玩赏的极好场所。该景点占地面积129 亩，内有茶室、亭榭、盆趣园等游赏景点，在该湖北端建有中国优秀旅游城
11、“马踏飞燕 ”雕塑标志。园内有水面 86 亩，著名书法家陆俨少为之题写 “挹翠井冈山大学生命科学学院本科毕业论文2映波”，因而命名 “挹翠湖 ”。2.底泥中的磷2.1 磷磷是水体中生物的必需营养元素，是水体富营养化的关键因子。随着经济的发展和人口的增长，由于磷含量的升高而引起的水体富营养化己经成为全球性的环境问题 3，换而言之，在导致水体富营养化的营养物质中，磷是最重要的因素之一。研究表明，当磷元素富集时，水体中的藻类植物能利用空气中的碳和氮提高其初级生产力，而在磷元素缺乏的状态下再继续添加碳和氮，水体的初级生产力并没有显著变化。因此，要防止富营养化，关键在于加强对磷元素含量的控制 4，5 。
12、2.2 底泥的概念底泥是河流湖泊生态系统的重要组成部分，是大多数水生动植物及微生物的生长栖息地，也是水土界面物质物质交换带，是河湖治理过程中不可忽视的一部分。同时水体底泥也是营养物质的一个重要贮蓄库，不仅可以间接地反映出水体的污染情况和水动力态，而且底泥由外界水动力因素的影响，向上覆水释放营养成分，从而成为二次污染源，影响水体水质，甚至导致富营养化 6。水体底泥中的物理、化学条件极易受外界影响而复杂多变，底泥的物质组成结构复杂，演化途径多样，这些都给水体中底泥研究带来了很多困难 7。按照底泥理化性质，可将其划分为三层，第一层底泥为近二三十年人类活动的产物，多呈黑色至深黑色;第二层为过渡层，含大
13、量沉水植物根系及茎叶残骸，结构疏松;第三层为正常沉积层，一般保持河湖区周围土壤母质的岩相特征，多为粘质夹粉质粘土，质地密实 8。2.3 底泥中磷的形态及其来源在自然界中，磷元素有不同的存在形态，而且各种形态可以互相转化，大多数情况下，磷循环是一个单向过程 9，10 。而在底泥中，据国内外对富营养化水体底泥中磷含量的研究，底泥中磷元素的赋存形态有以下几种分类 11：在对国内湖泊水体的研究中，许多学者把底泥中的磷分为无机态磷和有机态磷。无机态磷又分为弱吸附态磷(NH 4Cl-P)、钙磷（Ca-P） 、铝磷(Al-P） 、铁磷井冈山大学生命科学学院本科毕业论文3(Fe-P)、有机态磷(O-P) 等，
14、我国大量的湖泊水体调查资料表明，内源磷主要以无机态存在，一般占总磷（TP)的 60%以上 12。有机磷不易直接被藻类等水生植物吸收，只能在其它生物，尤其是微生物的作用下，矿化分解为易被植物吸收的活性可溶性磷，并由固相转移到液相中。从而引起水体营养水平的增加。有机磷化合物在厌氧、缺氧或好氧条件下均会被相应的微生物分解为活性可溶性磷。其释放的速率与微生物的活性密切相关 13。国外有的研究者把沉积物中的磷区分为:不稳定态磷、难溶态磷。随着磷化学提取剂的广泛应用，人们又将沉积物中的磷划分为可吸附磷、与 CaCO3 结合的磷、Fe 和 Al 束缚态磷、易提取的生物磷、钙矿物磷(如磷灰石)、难溶的有机磷，
15、这些磷形态可被广泛组合为无机磷、有机磷(易提取的生物磷和难溶有机磷。根据不同形态磷的释放能力，人们又将不同形态磷归为两类:易释放态磷( 或潜在活性磷)和难释放态磷。通常，弱吸附态磷、铁结合态磷、有机磷被归为易释放态磷，而钙结合态磷和残渣磷则被认为是难释放态磷，而对于铝结合态磷，人们对其的释放能力看法不一 13。按照磷的迁移能力，底泥中磷可以分为以下几个部分 14(1）弱吸附态磷(NH 4Cl-P):指吸附在无机物颗粒表面的弱结合态磷。易于释放。(2)铁结合态磷 (Fe-P):指以不同形式与铁矿物结合的磷，特别是无定形态及弱晶形铁氧化物;在氧化还原电位较低的条件下，会发生释放。(3)铝结合态磷(
16、Al-P): 与金属离子铝及其氧化物相结合的磷。(4)有机磷(O-P):主要源于沉积物中有机体细胞中所含的聚合磷酸盐以及腐殖质、肌醇六磷酸等有机物。这些有机形态的磷具有很强的活性，易于分解。(5)钙结合态磷(Ca-P): 主要包括自生钙磷(A Ca-P)和碎屑态磷(Det-P), 同时也包括钙离子与磷酸根形成的钙磷酸盐，Ca-P 被认为是难释放态磷，对水体富营养化程度贡献较小。总磷(TP):底泥中总磷含量为以上各步提取磷的总和 14。底泥是水体生态系统的主要组成部分，是底泥水生物生活繁衍的场所，同时作为环境物质的重要载体，时刻与上覆水进行物质和能量的交换 13。通常来说，底泥中的磷负荷主要来源
17、于以下几个方面:(1)流域岩石土壤的风井冈山大学生命科学学院本科毕业论文4化侵蚀产物;(2) 大气降尘和降水 ;(3)地表径流和农田排水 :(4)湖泊中的船只和湖区旅游活动等排入湖泊的废弃物:(5)湖泊水产养殖投入的饵料:(6) 直接或间接排入湖泊的工业废水和城市生活污水，特别是化肥、畜牧业、食品加工业等工业废水和含磷的生活污水。这些来源的磷通过吸附、络合、絮凝和沉降等途径被贮存在湖泊底泥中 13。2.4 底泥与水体水质的关系沉积物主要是指底泥，是底栖生物的主要活动场所，水域生态系统重要组成部分。当水体受到污染后，水中污染物会部分沉积或通过吸附作用在沉积物中富集。在一般水体中，沉积物接纳大量污
18、染物，大大缓解水体富营养化进程。但是，在一定条件下，如微生物分解作用、扰动等，沉积物中污染物会再次释放出来，影响上覆水体。王少梅的研究表明，在一定条件下，沉积物中的氮、磷营养盐可能成为富营养化的主导因子。云南滇池中 80%的氮和 90%的磷都分布在沉积物中 6。调查资料也表明，当入湖氮、磷减少或完全截污后，水体仍处于富营养化状态，甚至出现“水华” 15。因此沉积物是重要的污染汇，但是在一定条件下会成为重要的污染源 7。富营养化的定义为:营养物质的不断增加导致水体营养状态变化的过程 ,也有定义为“多余营养物质，特别氮磷化合物的增加，导致藻类和大型植物的生长进而破坏水体生态系统平衡” 7。其直接结
19、果为水体中藻类和大型植物的迅速生长，深水沉积物中溶解氧减少，最后造成水体生态系统退化 15。一般根据水体的初级生产力不同，将其营养状态区分为:贫营养化、中营养化、富营养化、超营养化四种 7。一般地，当水体中硝态氮浓度为 0. 3mg/L，总磷浓度为 0. 02mg/L 时，可发生富营养化 17。水体中的植物可以吸收各种形态的氮，并且大气中的氮也源源不断的补充入水体以满足生物生长，故磷成为水体富营养化的首要限制性因子 7。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当底泥中氮和磷向水柱释放达到某个营养水平时造成的。在导致水体富营养化的营养物质中，磷是大多数淡水水体中藻类生长
20、的限制因子 18，国际上一般认为水体总磷浓度 0.02mg/L，总氮浓度 0.2 mg/L 为湖泊富营养化的发生浓度 18。井冈山大学生命科学学院本科毕业论文5在一般的静水水体中，底泥接纳了大量的污染物，大大缓解了富营养化进程，如果没有底泥对磷的缓冲，藻华的发生将更为频繁，所以，底泥是污染汇，而不是污染源，但富营养化湖泊沉积物有很高的容量暂时吸附水中的磷，然后将其释放出来(Jensen 和 Anderson 1992. Ramm 和 Scheps 1997)。研究表明，沉积物(也叫底泥 )中的磷循环在很大程度上影响着水体富营养化的进程。如Nuernberg 和 Peter(1984)调查的 2
21、3 个分层湖中，厌氧均温层释放的内源磷占总输入磷的 29%，有时甚至高达 90%。Carpenter 和 Capone(1983),Pomeroy et al(1965)指出，底泥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，底泥营养物质的释放成了导致水体富营养化的一个重要因子。因而底泥在控制湖泊水库营养物质浓度中的重要性受到长期关注 20。3.实验与结果3.1 实验3.1.1 仪器设备采样：采样器，密封袋，记号笔，标签纸，笔贮存：冰箱实验仪器：烘干机，培养皿，标签纸，万分之一电子天平，研钵，60 目,100 目筛子，离心机，离心管，锥形瓶，匀速摇摆机
22、，注射器，过滤器，45m滤纸，比色管，消解仪，分光光度计，烧杯，移液管，容量瓶，试剂瓶3.1.2 采样与预处理在挹翠湖边上固定两个点，用采样器深入到底泥层，但在 15cm 以上的范围内打捞上一定的底泥，放在密封袋里面，做好标记以及相应的记录，带回实验室，部分取出来，放在阴凉干燥的环境风干底泥样品，3.1.3 分析方法测定的项目有有机质、pH 值、全氮、铵态氮和全磷（包括 NH4Cl-P、Fe-P、Al-P 、Ca-P 和 O-P） ，测定方法见下表 1井冈山大学生命科学学院本科毕业论文6表 1 监测分析方法标准序号 监测项目 分析方法及标准号（或来源）1 有机质 重铬酸钾氧化-外加热法（GB7
23、857-87）2 pH 值 电位法3 全氮 凯氏消煮法4 铵态氮 氯化钾浸提-靛酚蓝比色法5 全磷 酸溶-钼锑抗比色法3.1.4 主要试剂及其配制方法有机质：1. 0.8mol/L 1/6 K2Cr2O7 标准溶液：39.2245g 重铬酸钾加 400ml 水，加热溶解，冷却后用水定容至 1L2. 0.2mol/L 硫酸亚铁溶液：56g 硫酸亚铁溶于水，加 15ml 浓硫酸，用水定容至 1L3. N-苯基邻胺基苯甲酸指示剂：溶 0.2g 指示剂与 100ml10.2%碳酸钠溶液中，稍加热并不断搅拌，促使浮于表面的指示剂溶解4. 邻菲啰啉指示剂：1.485g 邻菲罗啉及 0.695g 硫酸亚铁溶于 100ml 水，形成红棕色络合物，储存于棕色瓶中pH 值：1. PH 4.003，25 度 邻苯二甲酸氢钾可配制 250ML 溶液2. PH 6.864，25 度 混合磷酸盐可配制 250ML 溶液3. PH 9.182，25 度 硼酸可配制 250ML 溶液4. 电极浸泡液：3M 氯化钾溶液全磷：1. 5%（ m/V)过硫酸钾溶液：溶解 5g 过硫酸钾于水中，并稀释至 100ml。
