谷河底泥磷釋放的影響因素研究

溫亞軍 胡志逵

摘 要：在一定的環(huán)境條件下，底泥能夠釋放磷，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。通過(guò)研究不同pH、溫度和溶解氧（DO）對(duì)谷河底泥磷釋放的影響，結(jié)果表明，pH顯著影響底泥磷的釋放，堿性環(huán)境比酸性環(huán)境磷釋放強(qiáng)度大，中性環(huán)境不利于底泥磷的釋放;溫度升高，磷釋放強(qiáng)度增加;厭氧環(huán)境比好氧環(huán)境更能促使底泥磷的釋放。正交模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，3個(gè)因素均是影響谷河底泥磷釋放的顯著因素，影響因素顯著性從大到小依次為DO>溫度>pH。

關(guān)鍵詞：底泥;磷釋放;正交實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào) X522文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）11-0143-03

Research on Remarkable Affecting Factors of Phosphorus Release from Gu River Sediments

WEN Yajun et al.

（Fuyang Institute of Environmental Protection Science and Technology， Fuyang 236000， China）

Abstract： Sediments can release Phosphorus into overlying water under certain conditions， which may have a significant impact on water quality and result in continuous eutrophication. We used laboratory experiments to evaluate effects of pH， temperature and Dissolved Oxygen on P release from River GU. The results demonstrate that effects of pH on P release from sediments were distinct; more P was released under alkaline conditions than acidic conditions， but the least amount of P was released under neutral pH. Increasing temperature resulted in more release of P between sediment P release and P in overlying water. Anaerobic conditions were more conducive to the release of P than aerobic conditions. Orthogonal experiments show that the 3 significant factors on P release from sediments were， in descending order， DO， temperature， and pH.

Key words： Sediments; Phosphorus release; Orthogonal experiments

底泥作為自然水域的重要組成部分，主要通過(guò)自然的過(guò)程及人類的行為，在水體底部逐漸形成的沉積物。受上覆水的影響，底泥在水體的營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)中既可扮演“匯”的角色，也可扮演“源”的角色。水體污染嚴(yán)重時(shí)，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽可通過(guò)沉降或者顆粒吸附作用而聚集于底泥中，再懸浮作用又會(huì)向上覆水釋放氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽[1]。經(jīng)研究表明，底泥中氮磷營(yíng)養(yǎng)物的釋放是影響水體中浮游生物生長(zhǎng)和水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵過(guò)程之一，往往底泥中氮磷的加速或過(guò)度釋放會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的加劇，造成水體的二次污染[2]。磷釋放受各種環(huán)境因子的影響，底泥中釋放的磷首先進(jìn)入底泥間隙水，這是釋磷速率的決定步驟。釋磷與化學(xué)沉淀形態(tài)有關(guān)，一旦出現(xiàn)利于鈣、鐵、鋁等不溶性磷酸鹽沉淀物溶解的條件，磷就釋放，釋放物質(zhì)逐步擴(kuò)散到沉積物表面，進(jìn)而向上覆水混合擴(kuò)散，成為水體總磷的一部分[3]。

谷河阜南列入國(guó)家和安徽省地表水考核斷面，對(duì)其水體監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，主要污染因子有COD、氨氮和總磷，其中總磷超標(biāo)較為嚴(yán)重。本研究探索了pH、溫度和DO對(duì)谷河底泥向上覆水釋放總磷影響的規(guī)律，為底泥污染的防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集 采用柱狀采樣器在內(nèi)源污染為主的監(jiān)測(cè)斷面采集0～5cm的表面底泥樣品，裝進(jìn)聚乙烯一次性袋子，剔除雜質(zhì)后烘干冷藏，同一地點(diǎn)采集底泥以上0.5m處的上覆水，4℃冷藏保存。

1.2 底泥磷釋放的研究試驗(yàn)

1.2.1 pH的影響 控制溫度為20℃，上覆水DO溶度為7mg/L，調(diào)節(jié)起始pH值為5～10。

1.2.2 溫度的影響 控制上覆水pH為7，DO為7mg/L，溫度分別設(shè)置為10、20和30℃。

1.2.3 DO的影響 控制溫度為20℃，上覆水pH為7，調(diào)節(jié)DO濃度為1～12mg/L。

1.3 正交試驗(yàn) 模擬試驗(yàn)考慮影響底泥磷釋放的主要因素：溫度、DO和pH。溫度根據(jù)4、5和6月的水體溫度，設(shè)置為10、20和30℃。DO主要根據(jù)地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置為1，4和7mg/L。pH主要根據(jù)谷河底泥的pH設(shè)置為6，7和8。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，選擇L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，共9種試驗(yàn)方案（表1），每組試驗(yàn)時(shí)間為11d，為保證試驗(yàn)的合理性和數(shù)據(jù)的可靠性，每種試驗(yàn)方案作2次平行試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH對(duì)底泥總磷釋放的影響 由圖1可知，在pH=7時(shí)，磷釋放最少為0.024mg/L，pH=10時(shí)，磷釋放最多為0.083mg/L。不同酸堿度條件下，上覆水中總磷濃度呈現(xiàn)的特征為堿性>酸性>中性。pH值主要通過(guò)影響沉積物對(duì)磷酸鹽的吸附和離子交換過(guò)程而對(duì)沉積物中磷的釋放產(chǎn)生影響。在酸性條件下上覆水中總磷濃度較高，可能是因?yàn)镠+對(duì)部分結(jié)合態(tài)磷具有溶出作用，另一方面微生物對(duì)有機(jī)磷進(jìn)行降解，釋放CO2和溶解態(tài)磷也會(huì)促使pH降低磷的釋放。在堿性條件下，水體中OH-能與結(jié)合態(tài)磷（如鐵結(jié)合態(tài)磷、鋁結(jié)合態(tài)磷和鈣結(jié)合態(tài)磷）發(fā)生交換，從而使得磷向上覆水釋放導(dǎo)致上覆水中總磷的濃度升高。

2.2 溫度對(duì)底泥磷釋放的影響 由圖2可知，底泥磷釋放的濃度隨溫度升高而升高，30℃條件下，上覆水中總磷濃度是20℃條件下的3.3倍，是10℃條件下的6.2倍。主要原因可能是因?yàn)闇囟壬叽龠M(jìn)底泥中微生物及底棲動(dòng)物的活動(dòng)，加快氧化分解作用。同時(shí)溫度升高對(duì)底泥中有機(jī)物的礦化也有較大的影響，從而使底泥中的有機(jī)磷和顆粒態(tài)磷釋放加速。

2.3 DO對(duì)底泥磷釋放的影響 從圖3可以看出，在前4d時(shí)，不同DO條件下，上覆水中總磷濃度類似，都處于低濃度。厭氧條件下，總磷釋放量從2.15mg/kg逐漸增加到7.42mg/kg，然后逐漸降低，10d后達(dá)到平衡。好氧條件下，上覆水中總磷濃度在前4d時(shí)有所變化，隨后達(dá)到平衡。在好氧條件下，由于沉積物的礦化以及有機(jī)物質(zhì)的好氧分解，部分有機(jī)磷可轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷釋放進(jìn)入上覆水中，沉積物也會(huì)發(fā)生磷的釋放，但氧化環(huán)境有利于沉積物表層中的Fe和Al以三價(jià)態(tài)形式存在，降低Fe-P、Al-P從沉積物釋放進(jìn)入上覆水，并一定程度上促進(jìn)磷的沉積。

2.4 正交試驗(yàn) 表2為谷河底泥磷釋放的極差分析表，其中K1，K2和K3是每組正交試驗(yàn)的平均值。比較K1、K2和K3值可以得出：（1）隨著pH值的增加，磷釋放先減少再增加;（2）谷河底泥磷釋放隨溫度升高而增加，溫度越高，磷釋放增幅加快;（3）隨DO濃度增加，底泥磷釋放降低，增長(zhǎng)速率逐漸減慢。

采用方差分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因素方差表示其對(duì)谷河底泥磷釋放影響主次順序。底泥磷釋放正交試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方差分析如表3所示。溫度SSQA=7.11，DO SSQB=56.79，pH SSQC=0.31，因此3個(gè)因素對(duì)谷河底泥磷釋放的影響顯著性從大到小依次為：DO>溫度>pH。

3 結(jié)論

（1）底泥磷在堿性條件下比在酸性條件釋放的多，中性條件不利于底泥磷的釋放。

（2）溫度越高，底泥磷釋放越多。

（3）DO對(duì)底泥磷釋放的影響顯著，在厭氧條件下比在好氧條件下，磷釋放的多。

（4）正交試驗(yàn)表明，谷河底泥磷釋放的3個(gè)主要影響因素的顯著性順序?yàn)椋篋O>溫度>pH。

參考文獻(xiàn)

[1]張茜，馮民權(quán)，郝曉燕.上覆水環(huán)境條件對(duì)底泥氮磷釋放的影響研究[J].環(huán)境污染與防治，2020，42（1）：7-11.

[2]黃勇，嚴(yán)過(guò)房，董運(yùn)常，等.底泥氮磷釋放的影響因素及控制策略[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2020，32（10）：116-120.

[3]張智，劉亞麗，段秀舉.湖泊底泥磷釋放影響因素顯著性實(shí)驗(yàn)分析[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，15（2）：16-19.

（責(zé)編：張宏民）