潼湖平塘沉積物-水界面磷垂向分布及釋放通量研究*

郝文彬 黃佳舒 陶春梅 郭有順# 林曉敏 馬瀟然 姚 羽

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045；2.廣東環(huán)科院環(huán)境科技有限公司，廣東 廣州 510045；3.連云港市水利局，江蘇 連云港 222000；4.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210023)

磷被公認(rèn)為是控制湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵，是湖泊營養(yǎng)鹽循環(huán)重要的限制因子[1]。沉積物作為湖泊污染物的主要的蓄積庫，沉積物內(nèi)源磷的不斷釋放對湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)程起到了至關(guān)重要的作用[2-3]。因此，磷在沉積物-水界面的分布特征及遷移轉(zhuǎn)化受到關(guān)注。沉積物-水界面磷擴(kuò)散的方向能有效判斷沉積物是營養(yǎng)鹽的“源”還是“匯”。磷在沉積物-水界面的釋放過程受到多方面因素的影響，主要包括沉積物結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力條件、底棲生物擾動(dòng)及藻華衰亡等過程[4-6]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測磷在沉積物-水界面的分布特征及其釋放強(qiáng)度，是評估其內(nèi)源污染的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的分析檢測大多采用異位采集技術(shù)[7-8]，不能真實(shí)反映沉積物和孔隙水之間的交互作用，無法準(zhǔn)確評估磷的釋放通量[9-10]?；诖耍槐O(jiān)測技術(shù)在分析磷元素的分布及遷移特性的應(yīng)用中日益受到關(guān)注[11-12]。

潼湖平塘位于廣東省惠州市仲愷高新區(qū)。隨著流域內(nèi)城市的發(fā)展，潼湖平塘匯集了全流域污染的較大負(fù)荷。尤其是2021年以來，潼湖平塘總磷(TP)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。潼湖平塘周邊河網(wǎng)水系復(fù)雜，導(dǎo)致湖體TP污染的來源和成因復(fù)雜，同時(shí)多年累積的底泥內(nèi)源污染釋放問題，造成含磷污染物進(jìn)入平塘，加劇了TP污染。然而，目前缺乏對潼湖平塘沉積物的內(nèi)源磷污染的定量研究。因此，開展潼湖平塘沉積物-水界面磷垂向分布特征以及釋放通量的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以潼湖平塘為研究對象，利用高分辨率孔隙水采樣裝置Peeper，原位采集沉積物-水界面的孔隙水樣品，監(jiān)測界面內(nèi)磷的賦存特征及遷移特性；計(jì)算評估磷在沉積物-水界面的釋放通量，解析沉積物磷污染負(fù)荷和內(nèi)源磷釋放水平，為后續(xù)水體富營養(yǎng)化控制及污染底泥治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣點(diǎn)布設(shè)

潼湖平塘位于23°0′N～23°2′N，114°11′E～114°16′E，呈長方形，長約6.2 km，寬約1.0 km，水深1.0～2.5 m，潼湖庫區(qū)的有效容積約14 000萬m3。潼湖平塘段的主要入湖河流包括甲子河、水圍河、埔仔河、社溪河和梧村河，年平均氣溫22 ℃，常年平均降水量1 770 mm。目前潼湖平塘整體水質(zhì)呈輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)。本研究設(shè)置了10個(gè)樣點(diǎn)(S1～S10，見圖1)，2021年11月采樣。其中，S1和S2位于主要行水區(qū)(北岸附近)，S3和S4位于上游河道入湖區(qū)域，S5～S8位于南岸區(qū)域，S1、S9和S10在出湖區(qū)域。由于湖心區(qū)域(虛線標(biāo)記區(qū)域)底泥厚度較低(<20 cm)且多為沙質(zhì)顆粒，不易進(jìn)行沉積物柱狀樣的采集，因此未設(shè)置樣點(diǎn)。采樣期間未發(fā)生降雨。

圖1 潼湖平塘樣點(diǎn)示意圖

1.2 沉積物樣品采集與原位監(jiān)測

按照5 cm分層，利用柱狀采樣器進(jìn)行柱狀沉積物的采集分層，根據(jù)《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)測定沉積物TP。

原位投放Peeper裝置獲取孔隙水中的溶解性磷(SRP)。Peeper裝置的主體由兩列相同體積的小室組成，每列垂向排布36個(gè)小室，小室兩側(cè)分別覆蓋一層0.45 μm聚偏二氟乙烯濾膜作為孔隙水的原位測定裝置，室內(nèi)預(yù)先封裝去離子水，充氮去氧后插入沉積物中，單個(gè)小室獲得400 μL孔隙水。利用透析膜過濾的特性，使沉積物孔隙水中一些可溶離子或分子通過透析膜與透析裝置中的采樣介質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)交換，放置一段時(shí)間后達(dá)到平衡[13]。本研究中，Peeper投放48 h后回收，低溫保存，帶回實(shí)驗(yàn)室，用200 μL移液槍從上至下依次將孔隙水樣品取出。利用酶標(biāo)儀(Synergy H4)對孔隙水SRP濃度進(jìn)行分析。

基于SRP的剖面分布，采用一維孔隙水?dāng)U散模型法計(jì)算底泥SRP的釋放通量[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 潼湖平塘水體基本理化特征

利用YSI裝置測定各樣點(diǎn)上覆水的理化性質(zhì)，結(jié)果見表1。潼湖平塘各樣點(diǎn)DO為3.26～8.87 mg/L。位于湖區(qū)東南部行水區(qū)的S5～S7的DO較低，這可能是由于湖泊較淺的水深會(huì)造成藻類迅速大量繁殖，快速降低水體DO濃度[15-16]。水體pH整體為弱堿性(除S6)，ORP為230.4～333.6 mV。淤泥厚度差異明顯(30～120 cm)。

表1 潼湖平塘樣點(diǎn)水體理化指標(biāo)

2.2 沉積物TP的垂向分布特征

10個(gè)樣點(diǎn)不同深度的TP平均值為1.20～4.98 mg/g(見圖2)，表明磷污染負(fù)荷相對嚴(yán)重。垂向上TP分布沒有明顯特征?？臻g分布上，S6～S10的沉積物TP濃度較高，排序?yàn)镾9>S8>S6>S7>S10>S2>S3>S1>S5>S4，整體表現(xiàn)為西南部較高、東部較低。各樣點(diǎn)TP濃度差異較明顯，這與區(qū)域沉積物的淤泥厚度、有機(jī)質(zhì)含量和鐵錳氧化物含量相關(guān)[17-18]。

圖2 潼湖平塘沉積物TP的垂向分布

2.3 沉積物孔隙水中SRP的垂向分布

從空間上看，10個(gè)樣點(diǎn)不同深度的孔隙水中SRP平均值為0.09～3.21 mg/L，排序?yàn)镾2>S7>S9>S8>S1>S5>S10>S4>S6>S3(見圖3)，西部高、東部低，這與樣點(diǎn)的區(qū)域特征、氧化還原條件及微生物活性有關(guān)。與圖2對比發(fā)現(xiàn)，SRP與TP的空間分布不一致，表明沉積物中TP并不是孔隙水中SRP的主導(dǎo)控制因素。沉積物中活性磷在受到擾動(dòng)后，易遷移到孔隙水，從沉積物界面釋放到上覆水中?；钚粤壮１徽J(rèn)為是湖泊水體的一種限制性營養(yǎng)鹽，這類磷的增加可能會(huì)加快多種水生生物的生長和繁殖，進(jìn)而引起水質(zhì)惡化和生態(tài)退化等[19]。

注：位置0 mm處為沉積物-水界面。

在垂向分布上，各樣點(diǎn)上覆水中的SRP濃度均低于孔隙水，反映出SRP的可能遷移趨勢，沉積物是上覆水磷的潛在“源”。同時(shí)，SRP隨深度增加總體表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。SRP在多數(shù)樣點(diǎn)沉積物-水界面下0～3 cm快速增加到最大值，之后逐漸減小。不同深度孔隙水中SRP濃度與該層的微生物活性關(guān)系密切，與鐵氧化物的吸附平衡也緊密相關(guān)[20]。文帥龍等[21-22]對于橋水庫和大黑汀水庫沉積物孔隙水的研究中發(fā)現(xiàn)，孔隙水SRP濃度由表層至深層表現(xiàn)出先增加后降低的現(xiàn)象，最大值均分布于4～5 cm，與本研究基本一致。

2.4 沉積物-水界面磷釋放通量分析

潼湖平塘沉積物-水界面的磷釋放通量為1.33～10.96 mg/(d·m2)，排序?yàn)镾1>S10>S2>S5>S9>S6>S7>S4>S8>S3。S1～S10的磷釋放通量分別為10.96、6.26、1.33、3.73、5.65、5.45、3.84、1.82、5.53、7.62 mg/(d·m2)。潼湖東部和中部(S3～S8)磷釋放通量較低，平均值為3.63 mg/(d·m2)；西部較高，平均值為7.59 mg/(d·m2)。所有樣點(diǎn)的SRP的遷移方向皆為沉積物向上覆水釋放，此時(shí)上覆水是磷污染的“匯”。

沉積物累積來自于上覆水、顆粒物的溶解性和不溶性的含磷物質(zhì)，并以SRP的形式賦存在孔隙水中。多種生化過程會(huì)導(dǎo)致沉積物-水界面中的磷再次釋放到上覆水中，主要包括：在微生物驅(qū)動(dòng)的有機(jī)質(zhì)分解過程中，產(chǎn)生的游離態(tài)SRP迅速遷移到上覆水中；沉積物中鐵氧化物被還原時(shí)，被吸附的磷會(huì)解析出來，通過孔隙水?dāng)U散到上覆水中[23]。同時(shí)，表層沉積物受到外界擾動(dòng)后，會(huì)使得下層沉積物孔隙水中的SRP直接釋放到上層水體。S1、S9和S10位于出湖區(qū)域，水體擾動(dòng)較劇烈，加之水流流速較快，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的磷釋放較大。

2.5 潼湖平塘磷釋放總量評估

不同湖區(qū)沉積物磷釋放通量差異較大，西部明顯大于東部。研究表明，由于溫度升高，磷在夏季的釋放速率高于秋冬季[24]。本研究采樣在秋季，水溫相對較低，因此計(jì)算得到的磷釋放量處于全年的較低水平，預(yù)計(jì)該湖體在夏季會(huì)有更高的磷釋放量。

此外，由表2對比發(fā)現(xiàn)，潼湖平塘沉積物磷釋放通量明顯高于大黑汀水庫(冬季)、滇池(秋季)、駱馬湖、南四湖(夏季)，與太湖(夏季)較接近。由此可見，潼湖平塘沉積物釋放磷是水體磷的重要來源，在該湖泊富營養(yǎng)化防治過程中，應(yīng)高度重視內(nèi)源磷釋放過程及四季變化，并研究建立內(nèi)源磷污染控制的有效途徑。

表2 國內(nèi)湖庫磷釋放通量比較

3 結(jié) 論

(1) 潼湖平塘底泥中的TP污染較嚴(yán)重，且各樣點(diǎn)的TP濃度差異較明顯，TP的平均值為1.20～4.98 mg/g。垂向分布上TP沒有明顯特征。

(2) 沉積物孔隙水中SRP平均值排序?yàn)镾2>S7>S9>S8>S1>S5>S10>S4>S6>S3，與沉積物TP的空間分布存在一定差異。在垂向分布上，孔隙水中SRP均高于上覆水，起到潛在“源”的作用，且在多數(shù)樣點(diǎn)沉積物-水界面下0～3 cm快速增加到最大值，之后逐漸減小。

(3) 沉積物-水界面的磷釋放通量為1.33～10.96 mg/(d·m2)，東部和中部磷釋放通量較低，西部位于出湖區(qū)域，水體擾動(dòng)較劇烈，導(dǎo)致磷釋放通量較高。沉積物內(nèi)源磷釋放是上覆水磷的重要來源。