风浪作用下太湖梅梁湾水体磷负荷变化及与水体氧化还原特征关系

现场观测了一次风浪过程中风速的变化及水体中磷酸盐,溶解性铁等多种物化参数的变化过程.结合室内分析及模拟实验,分析了风浪作用下水体中磷酸盐的变化规律.溶解态铁磷比的变化规律显示随着风浪的增强和水体氧化性的升高,水体中溶解态磷与铁形成共沉淀从水体中去除的趋势得到增强.间隙水中铁磷比小于2,溶解态磷酸盐能够在动力条件下释放进入水体,但在水体中的稳定性受动力条件的制约.沉积物中磷酸盐的释放速率结果表明,分子扩散仅是水体磷负荷的部分来源,而间隙水直接释放导致的磷释放也只是水体中磷负荷的一部分,悬浮物的矿化分解和生物过程可能是梅梁湾内源性磷负荷的另一个重要原因.     

浅水湖泊沉积物磷释放的波浪水槽试验研究

为探索浅水湖泊水动力扰动作用对沉积物内源营养盐释放的规律,采用波浪水槽试验研究了波浪扰动对太湖和巢湖沉积物悬浮和磷释放的作用.试验结果显示在强波浪扰动下,底泥大规模悬浮,使得水体中悬浮固体(SS)、总磷(TP)和溶解性总磷(DTP)含量显著升高,太湖和巢湖底泥水槽试验中上覆水体TP含量分别升高了6倍和3倍,DTP分别升高了1倍和70％,太湖底泥试验中溶解性活性磷(SRP)含量亦升高了25％.掀沙过程中,不但表层底泥间隙水中的溶解性磷释放到上覆水体当中,沉积物颗粒所吸附的磷也大量转化为SRP而解吸释放.然而,强波浪掀沙一段时间后,溶解态磷的释放逐渐受到限制.随着波浪扰动作用的持续,悬浮物的中值粒径减小,细颗粒组分的百分含量明显增加,使得悬浮物对溶解态磷的吸附能力增强;波浪扰动显著提高了水体的溶解氧浓度,也会促进水体铁锰物质的氧化,增大其对磷酸根离子的吸附能力.这些变化可能是波浪掀沙后期限制水体SRP浓度进一步升高的主要原因.太湖底泥波浪水槽试验的结果与太湖梅梁湾中心区域常见风浪扰动下底泥的悬浮起动情况相吻合,底泥起动的临界切应力也基本相同,强波浪掀沙的切应力条件及水体SS,TP及SRP浓度变化的特点也一致,表明本实验的结果接近太湖的实际状况.本研究说明太湖的水动力扰动能显著提高水体TP及SRP浓度,大波掀沙初期对底泥磷释放的影响最大,后期的影响强度则有所下降.     

大型浅水湖泊--巢湖内源磷负荷的时空变化特征及形成机制

通过对大型浅水富营养化湖泊--巢湖湖水、间隙水以及沉积物中磷形态及吸附行为时空变化的研究发现,富营养化较为严重的巢湖西区湖水、间隙水中的正磷酸盐(orthophosphate,Ortho-P)、总磷(total phosphorus,TP)显著高于东湖区,这与西湖区有大量的营养物质通过入湖河道输入有密切关系;此外水柱中颗粒态磷(particulate phosphorus,PP)亦有同样的空间分布规律,且PP的含量与微囊藻的生物量呈显著正相关关系,表明微囊藻在吸收与储藏磷方面比其它藻类更具优势.夏季浮游藻类爆发性增长引起湖水pH的升高以及对磷的大量需求是促使沉积物中的磷(特别是Fe-P)向间隙水中释放的关键因子.沉积物TP、磷形态及吸附行为的空间变化及统计分析的结果表明,沉积物中磷含量的空间异质性与人类活动、土壤地球化学背景及矿物组成等的差异有密切关系.此外,即使沉积物磷含量相同,Fe-P含量的增加将会带来更高的磷释放风险.     

浅水湖泊内源磷负荷季节变化的生物驱动机制

由于磷是重要的生源要素,过量的磷促进浮游植物(包括有毒蓝藻)的生长而使水质恶化,水-泥界面的磷交换机制受到广泛关注.一般认为沉积物的磷释放模式在浅水湖泊和深水湖泊之间有很大的差异.在探讨沉积物中磷释放机制时,人们一直最关注的要素为铁和氧及其相关的环境因子(如扰动、分解),但是浅水湖泊中磷含量变化的大部分结果仍然无法解释.通过对欧洲温带浅水湖泊和亚热带气候的长江中下游浅水湖泊中有关沉积物磷释放模式的野外和实验研究结果的分析,认为在浅水湖泊内源磷负荷季节变动模式的驱动因子中,pH可能比溶氧更为重要,即浮游藻类的光合作用增强时导致水体pH值的上升,这又可改变沉积物表面的pH,从而促进沉积物中磷(特别是铁磷)的释放并基于藻类水华对沉积物中磷的泵吸作用,首次提出了浅水湖泊中内源磷负荷的季节波动与营养水平密切相关主要是由于藻类光合作用驱动的新的观点.此外,浅水湖泊中藻类水华对沉积物磷的选择性泵吸作用,一方面圆满地解释了为何在超富营养的武汉东湖通过非经典的生物操纵于20世纪80年代中期消除了东湖的蓝藻水华后水柱中总磷和活性磷含量均显著下降,另一方面也解释了为何在许多欧洲湖泊的群落季节演替过程中出现的春季浮游植物较少的清水期或通过经典的生物操纵降低浮游植物的现存量均可显著地降低湖水中的磷含量.相对于深水湖泊来说,浅水湖泊生态系统结构的改变引发的浮游植物的兴衰,能对水-泥界面磷的交换能产生更显著的影响.也就是说,生物的生命活动同样可以驱动沉积物中营养盐的释放,而且在浮游植物丰富的富营养化浅水湖泊中,这种静态释放作用更为明显.     

磷循环的非线性动力学特性及富营养化

本文在假设湖泊受单一营养盐磷限制和不考虑湖底沉积物影响的情形下,建立了一个单层箱体磷循环的非线性动力学模型,研究湖泊中颗粒磷、可溶性磷和藻类中的磷这三种磷之间的相互关系,理论上分析了磷循环系统的稳定特性,得出三种形式的磷共存是系统趋向稳定的平衡点．然后论文又从人工治理的角度,通过数值计算综合考虑外源性磷、水力冲刷、生物调控和基质浓度因素对磷循环的影响,分析不同因素的改变对系统和湖泊水质的影响,进而对这一类的富营养化现象防治提供可行性的工程上的实际建议．     

沉积物磷形态的分级分离及其生态学意义

磷是湖泊营养状况的重要指标。本文综述了国外对沉积物中不同形态磷的分级提取的发展概况,分析比较了各提取法的优缺点,阐述了不同形态磷的生态学意义,并总结了沉积物磷分级分析的发展趋势,以期为国内相关研究提供参考和借鉴。     

北京市北运河沉积物对氮、磷的吸附/解吸动力学特征

选取北运河土沟、榆林庄及和合站3个典型河道断面,进行河道0~60 cm深度沉积物对氨氮、磷酸盐的吸附/解吸批平衡静态试验研究,采用多种动力学模型分析北运河沉积物对氮、磷的吸附/解吸动力学特性,提出适用于北运河沉积物吸附/解吸特性的动力学模型,并对模型参数的主要影响因素进行探讨.结果表明:1)北运河典型断面各深度的沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附/解吸过程总体呈现3个阶段:快反应阶段—慢反应阶段—平衡阶段;在0~0.5 h的快反应阶段可完成吸附或解吸总量的60%,且对氮、磷的吸附速率大于解吸速率.2)北运河各断面对氨氮与磷酸盐的平衡吸附量表现为S(榆林庄)S(土沟)S(和合站);对氨氮的平衡解吸量表现为S(土沟)S(榆林庄)S(和合站),对磷酸盐的平衡解吸量表现为S(和合站)S(土沟)S(榆林庄),沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附以化学吸附为主,平衡吸附与解吸量随断面深度的增加而减小,0~20 cm表层沉积物对氮、磷的吸附能力较强.3)Lagergren二级动力学模型对各深度沉积物的吸附/解吸过程拟合最优,模型参数公式为k2=S-0.369max+0.163;qe=0.022 Smax+18.077 Kf+41.947.通过模拟得出在400 mg/L氮、磷浓度下吸附于沉积物中的氮、磷污染物会随着解吸过程释放52%~80%的氨氮和6%~42%的磷酸盐,可能不仅二次污染上覆水体,还随河水下渗从而对地下水质形成潜在污染风险.     

动、静水条件下苦草(Vallisneria natans L.)对沉积物磷释放的影响

在浅水湖泊中,沉降在沉积物中的营养盐易受到水流的扰动再释放出来,而沉水植物可以在一定程度减少营养盐的释放.借助自主开发的生态水槽,在40 d的实验周期内检测动、静水条件下有、无苦草(Vallisneria natans L.)时沉积物、上覆水中磷含量变化,旨在为沉水植物对湖泊沉积物营养盐释放量的影响估算及水环境质量评价提供科学依据.结果表明:动水条件下,沉积物在没有苦草的保护下总磷含量下降21.8%,而有苦草的保护下总磷含量下降17.7%.苦草根系从周围沉积物中吸收磷,1~4 cm沉积物层的吸收量高于4~8 cm沉积物层.动水槽的上覆水中总溶解态磷浓度和总颗粒态磷浓度均大量增加,并且总颗粒态磷浓度相对于总溶解态磷浓度占较大比例.苦草减少了沉积物中磷的释放,并对上覆水中正磷酸盐有明显的吸收作用.     

“引江济太”对2016年后太湖总磷反弹的直接影响分析

针对“引江济太”工程将总磷浓度偏高的长江水引入太湖后对2016年后太湖总磷反弹的影响,本文实测并收集整理了2016年前后“引江济太”调水入湖水量、磷通量及全太湖入湖水量、磷通量与太湖磷存量等数据,对2016年前后“引江济太”调水入湖水量、磷通量、磷形态与其他入湖河道水量、磷通量、磷形态以及全太湖的水质、受水区贡湖的水质进行了分析.结果表明：2016年前后,“引江济太”年均入湖磷通量为97.56 t,年均入湖水量为8.16亿m³,从调水量、入湖磷通量、调水后短期磷响应及各湖区磷增量来看,“引江济太”与2016年后太湖总磷反弹相关性不强.“引江济太”调水累计入湖磷通量为877.97 t,占太湖总入湖磷通量的4.58%,累计入湖水量占太湖累计入湖水量的7.36%,单位水量携带的磷通量仅为其他来水的一半左右,占比相对有限.与太湖主要入湖河流相比,“引江济太”调水属于优质来水,湖泊的入湖河流总磷浓度一般都高于湖泊本身的总磷浓度,“引江济太”调水总磷浓度偏高属于正常范围.目前“引江济太”工程在保证供水安全、缓解水华危机的同时对处于严重富营养化状态的太湖具有一定的改善效果,但未来引水量增加的情况下,必须继续关注引水带来的磷通量与太湖磷循环系统的关系,确保“引江济太”对太湖继续产生良性的影响.     

风浪扰动引起湖泊磷形态变化的模拟试验研究

为了解一次完整的大风浪过程(包括风浪扰动及扰动后的静风期)水体中各形态磷的变化情况及其影响因素,进行了室内模拟风浪扰动的试验研究。结果显示大风浪扰动初期水体中悬浮物(SS)、总磷(TP)、颗粒态磷(PP)和溶解性总磷(DTP)的浓度大幅增加,扰动持续半天后水体SS、TP、PP的浓度均达到最大值,扰动停止后,至少需要10d时间水体中SS、TP、PP的浓度才能回复到扰动前水平;扰动期间水体DTP浓度居于高值,但风浪停止后立即降低;整个风浪过程水体中溶解性反应磷(SRP)浓度变化不大。试验表明,扰动初期沉积物中Fe、Mn结合态磷能快速释放到水体中,但随着扰动的持续,水体复氧,释放到水体中的溶解性活性磷又能与Fe、Mn结合随悬浮物沉降到水底。扰动期间及随后静置1d时间内,水体中悬浮颗粒物的中值粒径连续下降,意味着悬浮颗粒物对磷的吸附能力在不断增强。但水体静置较长时间后,扰动引起的悬浮物几乎全部沉降,絮凝等作用导致水体颗粒物粒度增大。本研究说明虽然大风浪扰动初期能引起浅水湖泊中颗粒态和溶解态营养盐浓度的迅速提高,能够为水华蓝藻的快速生长提供大量可直接利用或酶解的营养盐,但随着风浪扰动的持续,由于水体复氧、水中颗粒物粒度不断细化、颗粒物中的有机成分比例不断增高等,悬浮颗粒物对活性磷的吸附能力也相应提高,两种作用相互削减使得风浪扰动后期水体活性磷浓度的增幅并不明显。