畢業(yè)論文：晉江感潮河段柱狀沉積物中N/P的分布、賦存形態(tài)及環(huán)境意義

題目： 晉江感潮河段柱狀沉積物中N/P的分布、賦存形態(tài)及環(huán)境意義
院（系） 化工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系
專 業(yè) 環(huán)境科學(xué)

晉江感潮河段柱狀沉積物中N/P的分布
及賦存形態(tài)及環(huán)境意義
摘要
本文通過對晉江感潮河段柱狀沉積物中N/P的分布和賦存形態(tài)進(jìn)行測定，分析了晉江感潮河段柱狀沉積物中總磷及各形態(tài)、總氮及銨態(tài)氮以及TOC的垂向分布規(guī)律，同時分析了TOC/N值及N/P值的垂向分布，初步探討其環(huán)境指示意義。
結(jié)果顯示：晉江感潮河段柱狀沉積物中總磷的含量范圍為577mg.kg-1~1126mg.kg-1。該地區(qū)與國內(nèi)典型的河口和濱岸帶潮灘比較，總磷處于相對較高水平。總磷中有75%~90%以無機(jī)磷形式存在，鐵鋁結(jié)合態(tài)磷是無機(jī)磷、總磷的主要控制形態(tài)。閉蓄態(tài)磷(10%~44%)，鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(21%~41%)，鈣結(jié)合態(tài)磷(15%~27%)，有機(jī)態(tài)磷(10%~25%)，可交換態(tài)磷(2%~8%)。柱狀沉積物中總氮含量變化范圍為378mg.kg-1~1015mg.kg-1。總氮含量隨深度的變化范圍為1.04mg.kg-1~2.07mg.kg-1。人為活動會大大增加沉積物有機(jī)質(zhì)的外源輸，隨著晉江經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人為的有機(jī)質(zhì)輸入在逐年增加，也是上層沉積物總氮、總有機(jī)碳含量高并出現(xiàn)垂向疊置分布的原因之一。柱狀沉積物中TOC/N比值隨深度的變化范圍為1.74~4.97，N/P比值變化范圍為446~1185，TOC/P比值隨深度增大的變化范圍為1.11~2.53。
關(guān)鍵詞：晉江感潮河段；柱狀沉積物；形態(tài)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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。在環(huán)境條件發(fā)生改變時，氮、磷營養(yǎng)鹽可通過擴(kuò)散、對流、沉積物再懸浮等過程從沉積物中重新釋放出來，影響上覆水體，成為湖泊營養(yǎng)的內(nèi)負(fù)荷。因此，研究氮、磷等營養(yǎng)鹽在沉積物中的賦存形態(tài)及其界面過程，對掌握氮、磷等營養(yǎng)鹽在沉積物與水界面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及揭示富營養(yǎng)化問題的本質(zhì)具有重要意義[4]。
1.1研究區(qū)域概況
晉江是福建省第三大河，流域面積5629km2，全長182km，年徑流量54.25*108m3，平均流量163m3/s，沿程流經(jīng)永春、安溪、南安、晉江及泉州市區(qū)等縣市[5]。晉江主干流長29km，下游自河口至南安豐州金雞攔河閘約20km的河段屬感潮河段[6]。感潮河段沉積物是地球上主要的濕地類型之一，生物多樣性豐富，在養(yǎng)殖、圍墾造田、環(huán)境凈化、休閑旅游等方面具有特殊的作用，為人類提供了巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。
晉江水系水質(zhì)：2010 年度晉江水系水質(zhì)狀況優(yōu)，功能區(qū)Ⅲ類水質(zhì)達(dá)標(biāo)率 100%。13 個省控水質(zhì)監(jiān)測斷面中，Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)比例53.9%，較2009 年度下降14個百分點；Ⅲ類水質(zhì)比例46.1%。自 2004 年起，晉江水系連續(xù)七年水質(zhì)狀況保持優(yōu)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率均為100%。[7]
感潮河段指的是河流與海洋的過渡地段，它同時受到了河流與海洋兩種動力的相互作用與影響，是互相消長的區(qū)域[8]。感潮河段水流既受內(nèi)陸徑流的影響，又受外海潮汐侵入的影響，是復(fù)雜的周期性不恒定往復(fù)流動，其水位、流量等要素的變化規(guī)律均難以掌握[9]。感潮河段沉積物是地球上重要的濕地類型之一，生物種類豐富多樣，在控制洪水、發(fā)展農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、環(huán)境凈化、調(diào)節(jié)氣候、觀光旅游等方面具有獨特的功能和作用，給人類提供了巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益[10]。經(jīng)調(diào)查分析，感潮河段沉積物的污染源主要有工業(yè)廢水污染、生活污水污染、生活或工業(yè)垃圾大量排放、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、農(nóng)田徑流及水土流失等。
1.2營養(yǎng)鹽研究情況及其發(fā)展
1.2.1營養(yǎng)鹽提取方法
在最新研究中，有研究報告對污泥中營養(yǎng)鹽的提取方法進(jìn)行探討，而污泥與沉積物均屬于固態(tài)樣品，故其研究方法對沉積物中營養(yǎng)鹽提取具有參考意義。[11]
熱堿法：取30 mL污泥放入100 mL高型燒杯中，用NaOH(10 mol/L)調(diào)至所需pH值，表面皿封口，置于恒溫水浴中反應(yīng)一定時間。冷卻30min，離心(轉(zhuǎn)速5 000 r/m)15 min，取上清液分析。采用正交實驗優(yōu)化反應(yīng)體系pH值、水浴溫度和水浴時間。在預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，每個因素設(shè)3個水平。
超聲波法：取30 mL污泥放入50 mL高型燒杯中，在冰水浴條件下采用適當(dāng)超聲功率作用一定時間，離心(轉(zhuǎn)速5 000 r/m)15 min，取上清液分析。采用單因素實驗研究超聲功率(200、400、600和800 W)及超聲時間(5、10、30、40、60和80 min)對污泥提取效果的影響。
加堿超聲波法：用NaOH將污泥調(diào)到一定pH值后，在超聲波法得到的最佳功率下，考察不同污泥pH值(11、12和13)以及超聲時間(10、20、30和40 min)對污泥提取效果的影響。
熱堿法對營養(yǎng)鹽的提取和污泥減量效果最差，加堿超聲波法對污泥的提取效果和減量程度最大，但是兩者都存在著操作管理難度大、設(shè)備易腐蝕、提取液pH值偏高不適于資源化利用等問題。超聲波法的提取和減量效果與加堿超聲波法相近，但不存在上述缺陷，因此是提取污泥氮磷營養(yǎng)鹽的最適方法，在超聲功率400W、作用40 min時，該方法對污泥N和PO43--P的提取率到33•48%和57•5%，提取液中N和PO43--P濃度分別達(dá)351.5 mg/L和115.0 mg/L，同時，污泥的減量率達(dá)到64•54%。
1.2.2國內(nèi)鄱陽湖沉積物營養(yǎng)鹽研究
向速林等[12]利用分級提取法對鄱陽湖沉積物進(jìn)行了磷形態(tài)的分級提取和測定，系統(tǒng)研究了沉積物中磷的賦存形態(tài)及分布特征。結(jié)果表明：鄱陽湖表層沉積物中磷的賦存形態(tài)主要有鐵磷(Fe-P)、磷(Ca-P)、鋁磷(Al-P)、可溶性磷(DP)等無機(jī)磷(IP)及有機(jī)磷(OP)，各形態(tài)磷的空間分布基本具有從河口地區(qū)向湖區(qū)方向升高的趨勢，垂向分布上總磷及各形態(tài)磷含量隨深度增加而降低；表層沉積物(0-2cm)中總磷含量為578.36-813. 55mg.kg-1，主要由無機(jī)磷組成，無機(jī)磷中以Fe-P含量最高，最大值達(dá)350. 24mg.kg-1，占總磷的40%以上， Ca-P、Al-P含量相當(dāng)，約占總磷含量的20%左右，而以DP的含量最低，含量在5%以下，有機(jī)磷含量約占總磷含量的15%左右；另外，沉積物中TP含量與Fe-P、Al-P、Ca-P及OP均具有較好的相關(guān)性，且OP含量與Fe-P、Al-P也具有較好的正相關(guān)關(guān)系，而與Ca-P的相關(guān)性較弱。
1.2.3太亞灣海域春季沉積物營養(yǎng)鹽研究
大亞灣表層沉積物中TN含量的變化范圍為(764. 75~2 938. 60)*10-6，平均值為1692. 52*10-6。TN含量最高值位于DS12號站，在沿岸附近的DS00、DS13、DS24、DS25號站也表現(xiàn)出很高的測值。這主要是由于近年來大亞灣沿岸經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口劇增，大量的工業(yè)廢水和生活污水排入海灣，加之海水養(yǎng)殖自身污染的影響，導(dǎo)致了上述結(jié)果。TN的空間分布整體表現(xiàn)為由大亞灣西北部向東南部階梯式遞減，造成這種分布趨勢的主要原因除了與人為排污和海水養(yǎng)殖污染有關(guān)外，可能還與沉積物中粘土的含量有極大關(guān)系，即沉積物中粘土含量越高，沉積物顆粒越細(xì)，空隙越小，氧的含量越低，N的含量就越高。在本次研究中，大亞灣西北部各站位表層沉積物中粘土含量普遍比東南部各站位高，所以西北部各站位沉積物中TN的含量就高。
大亞灣表層沉積物中TP含量的變化范圍為(399. 39~527. 96)*10-6，平均值為468. 86*10-6，比該海區(qū)以往研究測值略低。TP的峰值出現(xiàn)在DS15號站位，其次為DS17號站位，再次為DS25、DS24號站位，這4個站位TP含量均超過500. 00*10-6，最低值出現(xiàn)在DS26號站位。TP的分布總體上表現(xiàn)為大亞灣中、東部高于西部的分布趨勢，但含量的變化幅度不大，這可能與P的存在形式有關(guān)。[4]
1.2.4沉積物中的磷研究情況
1.2.4.1沉積物中磷研究的必要性
磷在生命物質(zhì)的遺傳和新陳代謝中，起著極其重要的作用。它是組成酶、三磷酸腺苷、核糖核酸、脫氧核糖核酸以及磷脂等生命和遺傳物質(zhì)的一個結(jié)構(gòu)元素，其中磷脂構(gòu)成細(xì)胞膜，三磷酸腺苷以及其它有機(jī)化合物參與植物組織中各種生物化學(xué)的能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)。磷既是浮游植物生長的重要營養(yǎng)元素，也是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素[13]。
一般而言[14]，沉積環(huán)境中礦物的次生作用、生物或非生物的氧化作用、生物同化、酶促和非酶促水解反應(yīng)等時刻影響著沉積物磷的行為，其中最主要的過程或作用，部分決定于沉積物中磷的種類即形態(tài)的豐度。因此，形態(tài)鑒定及含量測定對了解磷的釋放很有意義。
1.2.4.2沉積物中磷的來源
在天然水體中磷的來源主要包括外源輸入和內(nèi)源釋放，而內(nèi)源釋放則主要來自于水體沉積物。但沉積物中的磷以多種復(fù)雜的結(jié)合形式存在，其不同存在形態(tài)具有不同的生物有效性，沉積物中磷的形態(tài)分布、含量高低及遷移轉(zhuǎn)化等會直接控制水體的營養(yǎng)狀況和初級生產(chǎn)力，對水體沉積物中磷的形態(tài)分布及生物可獲得性具有重要的生態(tài)環(huán)境意義［14-15］。
1.2.4.3沉積物中磷形態(tài)的分類
沉積物中的磷從性質(zhì)上包括無機(jī)磷和有機(jī)磷；而形態(tài)上，不同的研究者根據(jù)研究需要可能略有不同，但大致可將沉積物磷分為：可溶性磷(DP)，鋁結(jié)合磷(Al-P)，鐵結(jié)合磷(Fe-P)，鈣結(jié)合磷(Ca-P)，閉蓄態(tài)磷(OcP)，有機(jī)磷(OP)，碎屑態(tài)磷(De-P)。[16]
1.2.4.4沉積物-水界面的交換
沉積物中的磷主要通過沉積物-水界面的分子擴(kuò)散作用進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移。在淡、咸水經(jīng)常劇烈混合的區(qū)域，水體的高度混濁加劇了固、液相間的相互作用。沉積物與水體之間磷的交換十分活躍[18]，包括含磷顆粒的沉降與再懸浮、溶解態(tài)磷的吸附與解吸、磷酸鹽的沉淀與溶解等。磷的吸附與解吸是水體和沉積物之間進(jìn)行磷交換的一種重要方式，而沉積物的吸附作用對界面間PO4--P的物質(zhì)交換起著非常重要的作用：陳淑珠等認(rèn)為，沉積物吸附磷的量與水中溶存的磷的量之間存在平衡關(guān)系：當(dāng)水中的磷濃度發(fā)生變化時，沉積物就會向水中釋放或吸附水中的磷；這種吸附解吸機(jī)制受環(huán)境條件的影響，與溶解氧、pH、溫度、鹽度、擾動、生物、上覆水中磷的濃度以及沉積物組成及粒徑有密切關(guān)系[17-19]。
1.2.4.5影響磷分布因素
（1）溶解氧
根據(jù)測定水中的溶解氧的結(jié)果發(fā)現(xiàn):缺氧加速沉積物中磷的釋放，好氧抑制磷的釋放，二者相差一個數(shù)量級。原因主要是：水中的溶解氧會影響沉積物的氧化還原電位，厭氧條件下，容易發(fā)生Fe3+-Fe2+化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e-P表面的Fe(OH)3保護(hù)層轉(zhuǎn)化為Fe(OH)2，然后溶解釋放，F(xiàn)e-P是沉積物向水體釋磷的主要形態(tài)[20，21]。
（2）氧化還原電位
在磷的各種形態(tài)中，F(xiàn)e-P經(jīng)常被認(rèn)為是沉積物中最不穩(wěn)定的部分，因為它會隨氧化還原環(huán)境的變化而改變，從而改變磷在沉積物中各種形態(tài)的分配比例。當(dāng)Eh降低時，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+并溶解，同時與Fe結(jié)合的磷就會被活化而進(jìn)入水體中，與其它離子結(jié)合;而Eh升高時，F(xiàn)e2+氧化為Fe3+重新沉淀。Aigars(2001)研究近海表層沉積物中磷形態(tài)和氧化還原電位時發(fā)現(xiàn)：0-1cm的表層沉積物中總磷含量最高，在氧化層最上層，依賴于氧化還原電位的不穩(wěn)定磷(MP)占總磷的一半以上；而在還原層，只有17%左右。在夏季受氧化還原細(xì)菌活動的影響，氧化還原電位高的區(qū)域MP有短暫積累；而在氧化還原電位低的區(qū)域沒有積累，全部釋放到水體中。隨著富營養(yǎng)化程度的增加，導(dǎo)致沉積物-水界面缺氧并引起原本儲存在表層沉積物中的依賴氧化還原條件的磷的快速釋放，這在水體中可能引起赤潮藻的爆發(fā)式增殖[22]。
（3）酸度
根據(jù)模擬釋放實驗，沉積物磷釋放量隨pH升高呈“U”形曲線，即pH在7-8之間的吸附量較小；在偏酸性條件下隨pH的增大，PO4--P的吸附量逐漸減少；而在偏堿性條件下，隨pH的升高，PO4--P的吸附量逐漸增大[25]。其機(jī)理是:pH值影響磷與沉積物的吸附和離子交換作用。沉積物中富含F(xiàn)e-P，由于OH-與Fe-P、Al-P中的磷酸根具有離子交換作用，在pH值高時，使Fe、Al結(jié)合態(tài)磷酸鹽中的磷釋放出來;而在pH值低時，沉積物中的Ca-P朝著解吸方向進(jìn)行，從而促使磷的釋放[23]。
（4）溫度
隨溫度的升高，PO4--P釋放量基本上呈線性增加。這是因為溫度升高，微生物的活動增強(qiáng)，耗氧增多，溶解氧減少，從而使氧化還原電位降低，發(fā)生Fe3+-Fe2+化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)e-P得以釋放；另外，微生物的活動還可使沉積物中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成無機(jī)態(tài)的磷酸鹽而得以釋放[24]。
（5）鹽度
在低鹽度(0-5)區(qū)，隨鹽度的增加，沉積物對PO4--P的吸附量顯著增加;但當(dāng)鹽度>5時，隨鹽度的增加，吸附量略有下降。鹽度也會影響各種結(jié)合態(tài)磷所占的比例:鹽度增加后水體中Fe3+含量迅速減少，相應(yīng)的Fe3+吸附P的能力就會減弱，而含量Ca2+相對變高，促使Fe-P向Ca-P轉(zhuǎn)化。此外，各種形態(tài)磷的含量與沉積物中Ca、Al、Fe的含量相關(guān)。所以當(dāng)沉積物中Ca、Al、Fe的含量由于人為污染等因素變化時，P就會在不同的形態(tài)之間發(fā)生一系列解吸釋放和重新結(jié)合過程，從而實現(xiàn)在不同形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化[25，26]。
（6）其他因素
影響沉積物中磷元素的分布還有擾動、生物的生長、沉積物的組成和粒徑。
1.2.5沉積物中氮的研究情況
1.2.5.1沉積物中氮研究的必要性
氮元素是水體生物的重要營養(yǎng)元素，其作為能量上下傳遞的主體，在不同區(qū)域中的含量和分布特征，會在一定 ……（未完，全文共35711字，當(dāng)前僅顯示6423字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：晉江感潮河段柱狀沉積物中N/P的分布、賦存形態(tài)及環(huán)境意義》）