李　慧*　余能智

（1銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院貴州銅仁5543002銅仁市創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室貴州銅仁554300）

沉積物磷吸附解吸平衡濃度的測(cè)定及其生態(tài)學(xué)意義

李慧1，2*余能智2

（1銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院貴州銅仁5543002銅仁市創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室貴州銅仁554300）

在湖泊與河流中，當(dāng)沉積物固相與周邊水溶液中的磷酸鹽達(dá)到吸附與解吸附平衡時(shí)，水相中磷酸鹽的濃度即為磷吸附解吸平衡濃度（EPC0）。通過比較EPC0和溶解反應(yīng)性磷濃度（SRP），可以估算沉積物向水柱釋放SRP的潛能。在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，疏浚是控制內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)釋放的最直接有效的手段?？山韫こ檀胧┰谒c沉積物界面維持低EPC0值，進(jìn)而充分實(shí)現(xiàn)其磷匯功能，有利于湖泊和河流水質(zhì)的好轉(zhuǎn)。

沉積物；磷吸附解吸平衡濃度；疏浚

在對(duì)湖泊和河流的研究中，常常將水柱中大量磷的流失歸因于沉積物顆粒的吸收［1］。而進(jìn)入沉積物-水界面的磷，由于有機(jī)質(zhì)的礦化分解，可以溶解態(tài)形式進(jìn)入沉積物間隙水中，進(jìn)而通過擴(kuò)散作用到上覆水體［2］。水體沉積物控制著水柱中磷的濃度，并提供暫時(shí)或長(zhǎng)期的緩沖能力增加溪流中的磷負(fù)荷［3］。因此，沉積物與上覆水柱之間的相互作用是調(diào)節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的一個(gè)因素，而這種相互作用主要通過沉積物磷吸附解吸平衡濃度來量化。

1　 EPC0的定義

EPC0是指沉積物固相與周邊水溶液中的磷酸鹽達(dá)到吸附與解吸附平衡時(shí)，水相中磷酸鹽的濃度［4］。沉積物和水體之間存在著一種吸附解吸的動(dòng)態(tài)平衡，在初始磷濃度很低時(shí)，由于顆粒沉積物上含有一定量的PO43--P，當(dāng)這部分的PO43--P解吸量大于吸附過程中被吸附的量時(shí)，此時(shí)沉積物就表現(xiàn)為解吸；隨著初始磷濃度的遞增，顆粒物上原有的解吸量等于被吸附的PO43--P量時(shí)，即沉積物的凈吸附量為0時(shí)水體中磷酸鹽濃度值稱為吸附解吸平衡濃度，在此濃度時(shí)沉積物對(duì)磷酸鹽既不吸附也不解吸［5］。

2　 EPC0的測(cè)定

沉積物磷吸附解吸平衡濃度主要通過等溫吸附方程獲得。而沉積物的吸附等溫線是通過將一定量的沉積物與不同濃度梯度的磷濃度混合在一起測(cè)定的。這種混合物通常在常溫、一定轉(zhuǎn)速下平衡一段時(shí)間（基本上是24h）。磷的吸附量（Y軸）和平衡之后的溶解態(tài)磷濃度（X軸）所做的曲線就成為吸附等溫線。磷在沉積物中的吸附解吸過程既受介質(zhì)復(fù)雜性的影響，又受其他物理化學(xué)因素的多重影響，從而導(dǎo)致各種吸附模式及等溫線形式存在，常用Linear、Langmuir、Freundlich方程進(jìn)行線性擬合得到：

Linear方程：Q=K′C？Q0，其中，Q為單位沉積物或其它固體顆粒磷的吸附量；C為平衡溶液濃度；Q0為常數(shù)；

Freundlich方程：Q=KFCn-Q0F，其中，Q為培養(yǎng)結(jié)束時(shí)沉積物磷吸附量（mg/kg）；C為培養(yǎng)結(jié)束時(shí)溶解態(tài)反應(yīng)性磷濃度（Mg）；KF為Freundlich吸附能參數(shù)（mg/kg）；Q0F為試驗(yàn)開始前沉積物表層吸附的磷（mg//L kg）；n為常數(shù)（L/kg）。

Langmuir方程：Q=Qm axKLC/（1+KLC）-Q0L，其中，Q0L為試驗(yàn)開始前沉積物表層吸附的磷（mg/kg）；Qm ax為沉積物最大吸附量（mg/kg）；KL為L(zhǎng)angmuir吸附能參數(shù)（L/Mg）。

EPC0為Q=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的溶解態(tài)反應(yīng)性磷濃度。

Zhou and Li［5］指出平衡溶液濃度≤0.1MgL-1時(shí)，吸附過程符合Linear方程，平衡溶液濃度在0.1 MgL-1～40 MgL-1時(shí)，符合Langmuir和Freundlich方程，且Freundlich方程擬合較好，當(dāng)平衡溶液濃度高于40 MgL-1時(shí)沉積物將發(fā)生共沉淀。

3　 EPC0的生態(tài)學(xué)意義

3.1理論意義

EPC0值越高沉積物向上覆水體的釋放潛力越大。通過比較EPC0和溶解反應(yīng)性磷濃度（SRP），可以估算沉積物向水柱釋放SRP的潛能［6］。當(dāng)水中SRP的濃度高于EPC0值時(shí)，沉積物表現(xiàn)出吸附磷的趨勢(shì)［7］，反之亦然［8］。與進(jìn)入密歇根湖的支流相連的芹菜地改為淹沒濕地后，沉積物顯示高于水柱中溶解反應(yīng)性磷濃度的EPC0值，故行使磷源功能［9］，太湖流域不同濕地沉積物EPC0值差異顯著，其值最低處常為磷匯，當(dāng)雨季外界輸入的磷較多時(shí)，沉積物以鋁結(jié)合態(tài)的方式貯存磷營(yíng)養(yǎng)［10］，在英國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化河流，去除上覆水中的磷，可使河床沉積物由磷匯轉(zhuǎn)變?yōu)榱自矗?］。Jarvie，etal.［6］提出吸附解吸平衡飽和度（EPCsat）的概念更加適用于天然沉積物-水界面的循環(huán)狀況，即EPCsat=100（EPC0-SRP）/EPC0%，當(dāng)EPCsat＞20%時(shí)，沉積物向水體釋放磷，當(dāng)EPCsat<-20%時(shí)，沉積物向水體吸收磷，而EPCsat在±20%時(shí)，沉積物-水界面處于一種平衡狀態(tài)。

3.2實(shí)踐意義

近年來，國(guó)家和地方政府禁止工業(yè)廢水直接排入河流，外源磷污染量得到初步控制，但在一些污染較為嚴(yán)重的大型湖泊（如太湖和滇池），水體總磷仍呈上升趨勢(shì)［11］。由此可見，外源磷負(fù)荷減少后，富營(yíng)養(yǎng)化湖泊并未得到恢復(fù)。蘇格蘭Leven湖外源磷輸入的減少導(dǎo)致湖內(nèi)磷負(fù)荷的顯著降低，春季葉綠素a（Chla）濃度下降，夏季水質(zhì)好轉(zhuǎn)，但全年Chla平均濃度未見明顯變化［12］。外源營(yíng)養(yǎng)截?cái)嗪?，?nèi)源營(yíng)養(yǎng)釋放是導(dǎo)致湖泊恢復(fù)延緩的重要原因之一［13］。對(duì)丹麥27個(gè)湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，雖然這些湖泊的外源磷負(fù)荷得到了大幅削減，但經(jīng)過了4～16年，水體中的磷濃度也未達(dá)到期望的水平，故外源污染與內(nèi)源負(fù)荷密切相關(guān)，尤其是在外源負(fù)荷大幅減少的同時(shí)，內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的比重逐漸增加［13］。因此，內(nèi)源磷負(fù)荷在淺水湖泊營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)中起著重要作用。

在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，通過對(duì)表層富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沉積物進(jìn)行疏浚清淤是控制內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)釋放的最直接有效的手段［14］，其作用在于降低沉積物營(yíng)養(yǎng)水平，并顯著改變有機(jī)質(zhì)降解方式和微生物活性［15］。相對(duì)水中磷的濃度而言，沉積物低EPC0值對(duì)應(yīng)于磷匯功能，而高EPC0值則對(duì)應(yīng)于磷源功能。因此，在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊與河流沉積物的修復(fù)過程中，應(yīng)借工程措施在水與沉積物界面維持低EPC0值，進(jìn)而充分實(shí)現(xiàn)其磷匯功能。然而，疏浚是否有益要應(yīng)不同湖泊或河流而異。過深地疏浚亦可能促進(jìn)磷的釋放［16］。因此，可根據(jù)沉積物EPC0值的垂直分布模式來確定疏浚深度。通過測(cè)定沉積物分層樣品的EPC0值，可確定EPC0值較小值的深度。當(dāng)通過環(huán)保疏浚至該深度后，該深度的沉積物作為表層沉積物與水體形成新的沉積物-水界面，可有效減少沉積物磷的釋放，有利于湖泊和河流水質(zhì)的好轉(zhuǎn)。

［1］Caracon，etal..A cross-system study of phosphorus release from Lake sediments［M］//Col e J，etal..Comparative Analyses of Ecosystems：Patterns，Mechanism sand Theories.New York；Springer-Verlag.1991：241-58.

［2］王雨春等.湖泊現(xiàn)代沉積物中磷的地球化學(xué)作用及環(huán)境效應(yīng)［J］.重慶環(huán)境科學(xué)，2000，22（4）：39-41.

［3］Haggard B，et al..Sediment-phosphorus relationships in three Northcentral Oklahoma streams［J］.Transactions of the ASAE，1999，42（6）：1709-14.

［4］Barrow N J.A Mechanistic Model for Describing the Sorption and Desorpt i on of Phosphate by Soil［J］.Journal of Soil Science，1983，34（4）：733-750.

［5］Zhou M，LiY.Phosphorus-Sorption Characteristics of Calcareous Soils and Limestone from the Southern Everglades and Adjacent Farm-l ands［J］.SoilSciSocAm J，2001，65：1404-12.

［6］Jarvie H P，etal..Role of riverbed sediments as sources and sinks of phosphorus across two major eutrophic UK river basins：the Hampshire Avon and Herefordshire Wye［J］.Journal of Hydrology，2005，304（1-4）：51-74.

［7］Palmer-Felgate E J，etal..Phosphorus release from sediments in a treatment wetland：Cont rast between DET and EPC（0）methodologies［J］. Ecological Engineering，2011，37（6）：826-832.

［8］Dong L M，etal..Phosphorus fractions，sorption characteristics，and its release in the sediments of Baiyangdian Lake，China［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2011，179（1-4）：335-345.

［9］Steinman A D，OgdahlM E.Does converting agricultural fields to wetlands retain or release P［J］.Journal of the North American Benthological Society，2011，30（3）：820-830.

［10］Zhang Z J，etal..Properties of phosphorus retention in sediments under different hydrological regimes：A laboratory-scale simulation study［J］.Journal of Hydrology，2011，404（3-4）：109-116.

［11］黃漪平等.太湖水環(huán)境及其污染控制［M］.北京：科學(xué)出版社，2001：238-240.

［12］Carval ho L，etal..Water quality of Loch Leven：responses to enrichment，restoration and climate change［J］.Hydrobiologia，2012，681（1）：35-47.

［13］Sondergaard M，etal..Role of sediment and internal loading of phosphorus in shallow lakes［J］.Hydrobiologia，2003，506（1-3）：135-145.

［14］ZhangS Y，etal..Effects of sediment dredging on water quality and zooplankton community structure in a shallow of eutrophic lake［J］. Journal of Environmental Sciences-China，2010，22（2）：218-224.

［15］Cao X Y，etal..Dredging effects on Pstatus and phytoplankton density and composition during winter and spring in Lake Taihu，China［J］.Hydrobiologia，2007，581：287-295.

［16］Reddy K R，etal..Potential effects of sediment dredging on internal phosphorus loading in a shallow，subtropical lake［J］.Lake and Reservoir Management，2007，23（1）：27-38.

《梵凈山特色動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室》子課題項(xiàng)目（15157）和銅仁市創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市科研項(xiàng)目（trcmb16-5）聯(lián)合資助。

李慧（1986—），女，湖北省天門人，博士，副教授，主要從事環(huán)境化學(xué)研究。