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水體底泥中磷的吸附-解吸研究進(jìn)展
摘要：水環(huán)境污染和破壞已成為當(dāng)今世界上最引人注意的環(huán)境問題之一，通過對(duì)水體底泥中磷的吸附—解吸的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，介紹了底泥磷在水體污染方面的作用，為底泥磷在農(nóng)業(yè)面源污染及水體富營養(yǎng)化的研究提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞水：體底泥;磷;吸附;解吸
AbstractThe water environmental pollution and the destruction have become one of most remarkable environment problems in the world now。 Based on the review of research on absorption and desorption of phosphorus in underwater sediment，the effects of sediment phosphorus on water pollution were introduced，so as to provide a theoretical basis for research of phosphorus in agricultwral non—point pollution and water eutrophication。
Key wordsunderwater sediment;phosphorus;absorption;desorption
水環(huán)境污染和破壞已成為當(dāng)今世界上最引人注意的環(huán)境問題之一，水環(huán)境的好壞直接關(guān)系到人類的生存。我國在持續(xù)高速增長的同時(shí)，帶來最大的負(fù)效應(yīng)就是環(huán)境污染日益嚴(yán)重，江河湖海等水環(huán)境質(zhì)量日趨惡化，而影響這一趨勢(shì)惡化的主要原因是水體富營養(yǎng)化。隨著富營養(yǎng)化水體的不斷增加，水體富營養(yǎng)化的研究和防治日益被重視，其中過量的磷輸入或水體磷的高負(fù)荷是導(dǎo)致河流湖泊營養(yǎng)化污染的重要原因。近年來，人們對(duì)底泥的空間分布及其表面營養(yǎng)物的分布已有較多的調(diào)查和分析，但對(duì)底泥中磷在底泥—水界面的吸附—解吸特性的分析和研究較少。現(xiàn)對(duì)底泥磷的吸附—解吸研究進(jìn)展作一綜述。為農(nóng)業(yè)面源研究和水體富營養(yǎng)化的研究提供資料。
1水體底泥對(duì)磷的吸附作用與富營養(yǎng)化的關(guān)系
磷是最早發(fā)現(xiàn)的作物必需的營養(yǎng)元素之一，它不僅是植物體內(nèi)許多重要化合物的組分，而且還以多種途徑參與植物體內(nèi)的各種代謝過程，在人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)中起著不可替代的作用[1]。磷也是控制水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)鹽之一，對(duì)于某些水體，盡管采取了各種措施并杜絕了外源磷的輸入，但水體富營養(yǎng)化并未得到有效控制，可歸因于水體底泥中磷等營養(yǎng)元素的釋放[2—4]。
磷作為沉積物的宿體，是水體的重要營養(yǎng)源之一，其內(nèi)源污染對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響不容忽視。沉積物，也稱底泥或底質(zhì)，是來自各種途徑的營養(yǎng)物，即各種過程和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的產(chǎn)物，在一般的靜水水體中，污染物質(zhì)被水體中顆粒物吸附、絡(luò)合、絮凝、沉降，從而進(jìn)入沉積物。從一定意義上來說，沉積物通過接納了大量的污染物而緩解了水體富營養(yǎng)化的進(jìn)程，是污染匯而非污染源，但富營養(yǎng)化湖泊沉積物有很高的容量暫時(shí)吸附水中的磷，然后將其釋放出來[5—6]。沉積物一般含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和大量的腐朽性有機(jī)質(zhì)。由于湖泊沉積物粒度的差異，比表面積不同，表面電荷的性質(zhì)也不一樣，對(duì)磷的吸收與釋放表現(xiàn)較大不同。研究表明，沉積物中的磷循環(huán)在很大程度上影響著水體富營養(yǎng)化的進(jìn)程。土壤和沉積物能通過交換吸附作用從環(huán)境中富集包括磷在內(nèi)的多種微量元素及其他有毒有機(jī)物，對(duì)天然水體起到一定的凈化作用，是一種極好的清潔劑[7—9]。
2水體底泥中磷吸附—解吸機(jī)理的研究進(jìn)展
天然含水介質(zhì)中都不同程度地含有一些膠體物質(zhì)，由于膠體有非常大的比表面積，污染物對(duì)膠體比對(duì)固相基質(zhì)表面顯示出更高的親和性。底泥中的膠散復(fù)合體，對(duì)底泥中物質(zhì)的遷移和積累具有重要作用[10]。土壤和含水層中的膠體不但能像固相基質(zhì)那樣吸附污染物，而且還以類似于水相的速率運(yùn)移[11]。因此，膠體作為污染物的載體，可以大大地影響污染物運(yùn)移的凈速率。膠體不僅是底泥的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是重金屬或有機(jī)有毒污染物過濾器，而且它的存在對(duì)于物質(zhì)的遷移和積累具有重要作用[12]。膠體是形成良好底泥的重要機(jī)制，有機(jī)物質(zhì)對(duì)良好底泥的形成和穩(wěn)定起著重要作用。膠體的形成是穩(wěn)定性團(tuán)聚體和底泥形成的重要機(jī)制和物質(zhì)基礎(chǔ)。底泥的形成必須借助膠結(jié)物質(zhì)，才能使分散的土粒通過凝聚作用粘結(jié)形成團(tuán)聚體，微團(tuán)聚體組成是評(píng)價(jià)底泥水平的綜合指標(biāo)。這種團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及其在底泥中的作用，與膠結(jié)物質(zhì)組成、性質(zhì)、陽離子種類及團(tuán)聚過程中的土粒排列方式有密切關(guān)系。由于土壤不同，肥瘦和好壞不一，膠體的數(shù)量、程度、方式和狀態(tài)也各異[13—15]。
目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)磷釋放機(jī)理開展了大量的研究，如溫度、溶解氧、pH值、水動(dòng)力學(xué)的擾動(dòng)以及底泥覆蓋對(duì)磷釋放的影響[16]。尹濤等通過對(duì)大鏡山水庫底泥磷釋放模擬研究發(fā)現(xiàn)底泥上覆水的氧化還原電位和pH值是影響底泥磷釋放的重要影響因子[17]。Berg等考察了方解石覆蓋技術(shù)控制底泥磷釋放的效果，結(jié)果表明1cm厚的方解石覆蓋層2~3個(gè)月內(nèi)可以減少80%的底泥磷釋放通量[18]。林建偉等研究發(fā)現(xiàn)天然沸石和方解石復(fù)合覆蓋技術(shù)能有效抑制底泥磷的釋放[19]。
Olila等[20]認(rèn)為，底泥對(duì)磷的吸附過程包括底泥中有機(jī)質(zhì)、黏土、鐵鋁氧化物、碳酸鈣等礦物顆粒對(duì)磷酸根的專性吸附以及微生物通過吸收同化而產(chǎn)生的生物固定;Torrent等[21—22]認(rèn)為其吸附速度可以Langmuir或Freundilch模型描述，其表現(xiàn)為磷和鐵氧化物初期在表面快速吸附，隨后在礦物晶格內(nèi)部慢速擴(kuò)散。Langmuir方程可以很好地?cái)M合磷在底泥上的等溫吸附，通過Langmuir方程的曲線擬合，可以得到磷在底泥上的最大吸附量。
韓偉明通過對(duì)杭州西湖底泥釋磷的研究，考察了pH值、DO、溫度和上復(fù)水組成等環(huán)境因素對(duì)其影響，發(fā)現(xiàn)在20 ℃，pH值為6。5時(shí)，底泥釋磷量最小，pH值升高或降低，釋磷量倍增，TDP（可溶性磷）解吸量與pH值呈拋物線相關(guān)。
Shang等研究發(fā)現(xiàn)，pH值變化對(duì)有機(jī)磷和無機(jī)磷的吸附影響明顯;Sundar等研究認(rèn)為，鹽度變化對(duì)潮灘濕地沉積物的磷吸附影響也十分顯著;石曉勇等在黃河口懸浮物磷的吸附和解吸研究中發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，懸浮物對(duì)磷的吸附呈線性增加。
劉敏研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子對(duì)沉積物吸附磷作用有顯著的影響，隨著pH值的變化，沉積物對(duì)磷的吸附量呈“U”形變化曲線，pH值在7~8，磷的吸附量較小。在低鹽度區(qū)，隨鹽度的增加，沉積物對(duì)磷的吸附量隨之呈顯著增加趨勢(shì)，而當(dāng)鹽度大于5‰時(shí)，反而隨鹽度的增加，吸附量略呈下降趨勢(shì)。隨著溫度的升高，對(duì)磷的吸附量基本上呈線性增加。
李敏等研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素影響沉積物磷吸附量的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篠S>pH值>溫度>鹽度，其中懸浮沉積物濃度是影響吸附量最重要的因素，pH值、溫度和鹽度對(duì)吸附量的影響程度差不多。沉積物對(duì)磷酸鹽的吸附量與粒徑小于0。005 mm顆粒的含量成較好的正相關(guān)關(guān)系，說明吸附作用主要發(fā)生在細(xì)顆粒沉積物上，樣品中細(xì)顆粒含量越高，吸附量就越大。
pH值是湖泊水環(huán)境的重要指標(biāo)，大量研究表明，pH值與沉積物釋磷量之間呈拋物線關(guān)系，上覆水pH值近中性時(shí)釋磷量最低，而在偏酸、偏堿時(shí)都有利于磷的釋放。其原因可能是一方面pH值的改變引起了系統(tǒng)內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)及其活動(dòng)強(qiáng)度的變化，另一方面也影響了磷素的溶解狀態(tài)。
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