景觀表流濕地沉積物磷賦存形態及特征研究

王葉姣，田在鋒，吳亦紅，李 橙，王月鋒，朱 靜

(河北省環境科學研究院, 河北 石家莊 050011)

1 引言

近年來景觀水體黑臭問題已經引起人們的高度重視。由于景觀水體與外界水體交流少，水體自凈能力相對較弱，且流速緩慢容易造成底泥淤積等特點，致使景觀水體富營養化嚴重，有機污染物厭氧使水體發生黑臭現象[1～3]。景觀黑臭水體不僅損害了城市人居環境，也嚴重影響城市形象。

表流型景觀濕地除了能給人以視覺享受外，還常作為修復技術用于城市景觀水體[4]。濕地除磷原理是水體中的可溶性磷酸鹽經過物理作用使磷儲存于濕地內部的過程，因此沉積物是濕地中磷的主要匯，但并非磷的長期有效匯[5]。當水體中發生生態環境變化時，例如：生物作用、水體營養鹽負荷改變、溫度改變、pH值改變等，沉積物中的氮、磷等營養物質會再次釋放，引起水體的二次污染[6～8]。因此修復景觀濕地水體黑臭問題，必須采取有效措施控制底泥造成的內源污染。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

本實驗樣品采至某公園表流型景觀人工濕地，濕地是在原有人工湖的基礎上建立而成，占地面積為5000 m2，湖區水深1 m左右。濕地建立經過湖底晾曬，底質改良(改良劑為石灰，用量約為0.1 kg/m2)，種植沉水植物伊樂藻、狐尾藻、眼子菜、輪葉黑藻、苦草等，以及挺水植物荷花。補給水為該市污水廠出水，水質達到污水排放一級A標準。投入的菌劑和水生動物包含微生物、魚卵、螺類幼卵等。通過研究該公園景觀濕地沉積物的磷賦存形態，以及隨著時間推移沉積物各磷形態含量的變化，進而解決景觀水體內源污染問題。

2.2 樣品采集與處理

在景觀濕地湖區上下左右均勻布四點分別為1-4號，用柱狀采泥器于采樣點采集表層沉積物5cm厚度，各采樣點均采集6個平行樣并除去植物等殘體現場混合，帶回時樣品用潔凈的聚乙烯塑料袋存放在4℃冰箱內保存。

將帶回的樣品冷凍干燥，同時用格瑞德曼-MG100臼式研磨儀進行研磨，然后用100目格瑞德曼-SS200震動篩分儀篩分，將制備的樣品放置在潔凈的聚乙烯塑料袋中備用。為了防止水分產生的誤差，分析測定前要將樣品放置在烘箱中烘干至恒重。

2.3 沉積物測定方法

本實驗沉積物磷的測定項為：活性有機磷(NaOH-Po)、易解析磷(KCl-P)、鈣鎂結合磷(Ca-P)、鐵鋁結合磷(NaOH-P)和惰性磷(Res-P)。提取方法是在Hieltjes和Lijklema 1980年發表的連續浸提法基礎上做了更改，提取時將KCl替代NH4Cl作為對易交換態磷的提取劑。此方法較Ruttenberg法更為實用簡便, 而且能通過降低提取過程中的再吸附效應使易解析磷更充分的提取出來[9]。測量分級提取液所用儀器為Agilent8543紫外可見分光光度計。具體步驟見圖1。

圖1 沉積物磷分級提取方法

3 數據分析及討論

3.1 沉積物磷賦存形態分析

將景觀濕地建立時的沉積物進行磷分級提取，各采樣點磷形態含量如表1所示。

各采樣點的磷形態含量所占總磷含量的比例見圖2。

表1 各個采樣點各磷形態含量 mg/kg

圖2 沉積物各形態的磷占的比例

測定結果表明：景觀濕地表層沉積物總磷(TP)的含量在504.97～893.05 mg/kg之間，易解析磷(KCl-P)含量在22.81～30.94 mg/kg之間，鐵鋁結合磷(NaOH-P)含量在30.58～100.30 mg/kg之間，鈣鎂結合磷(Ca-P)含量在306.83～506.92 mg/kg之間，惰性磷(Res-P)含量在112.20～244.12 mg/kg之間，活性有機磷(NaOH-P0)的含量在5.60～18.02 mg/kg之間。其中KCl-P、NaOH-P、Ca-P、Res-P、NaOH-P0的含量所占總磷含量的比例分別為：3.70%～5.21%、6.06%～11.23%、60.76%～68.55%、17.35%～27.56%、1.01%～2.02%。主要磷形態含量排序為：Ca-P>Res-P>NaOH-P>KCl-P>NaOH-P0。

公園景觀濕地的表層沉積物中無機磷(IP)的形態為主要磷形態，其含量所占總磷含量的比例超過90%。無機磷(IP)的主要形態之一是鈣鎂結合磷，其含量所占總磷(TP)含量比例超過50%。鈣鎂結合態磷(Ca-P)被認為是除惰性磷(Res-P)以外較穩定的磷形態，短時間內不會參與磷循環。

3.2 改良劑對其特征形態的影響

景觀濕地建設使用了石灰為改良劑，用量約為0.1 kg/m2，從濕地建立起隔月采集沉積物進行磷形態含量分析至冬季濕地植物進入越冬期，監測時間為5個月。經連續浸提法測得沉積物中各形態的磷含量見表2。

各形態磷所占總磷含量的比例見圖3。

表2 各磷形態含量 mg/kg

圖3 各形態磷含量所占總磷的比例

結果表明：表層沉積物總磷(TP)的含量在704.18～833.04 mg/kg之間，易解析磷(KCl-P)含量在33.19～53.25 mg/kg之間，鐵鋁結合磷(NaOH-P)含量在104.87～133.81 mg/kg之間，鈣鎂結合磷(Ca-P)含量在210.12～489.36 mg/kg之間，惰性磷(Res-P)含量在111.03～327.06 mg/kg之間，活性有機磷(NaOH-P0)的含量在5.609.35～27.28 mg/kg之間。其中KCl-P、NaOH-P、Ca-P、Res-P、NaOH-P0的含量所占總磷含量的比例分別為4.71～7.78%、14.54%～16.16%、56.51%～63.30%、15.40%～19.29%、4.71%～7.78%。主要磷形態含量排序為：Ca-P>Res-P>NaOH-P>KCl-P>NaOH-Po。

沉積物中總磷含量在第70的時候達到最值787.16 mg/kg,可能是初期水中顆粒物的沉降作用所致。870 d～90 d的時候溫度適宜，是動植物、微生物生長活躍期，沉積物總磷含量降為775.10 mg/kg。90 d后，隨著外界溫度的降低，植物開始進入越冬期，沉積物總磷含量上升為833.04 mg/kg，可能由于冬季植物大量死亡，打撈不及時植物殘體腐爛淤積造成的。

通過比較各時間段磷形態含量發現：隨著時間推移沉積物磷形態含量分布中惰性磷和有機磷含量范圍變化較小，但易解析磷所占總磷含量的比例明顯降低，鈣鎂結合磷所占總磷含量的比例明顯升高。可能因為景觀濕地建造時投加了改良劑生石灰，石灰可以通過改變pH來改變沉積物的酸性環境，使沉積物表層處于氧化狀態，氧化沉積物中富含磷的有機物，形成難溶的磷石灰礦化物。

4 結論

景觀濕地表層沉積物磷的賦存形態主要為無機磷(IP)，其含量占總磷(TP)比例的90%以上。無機磷(IP)的主要形態之一是鈣鎂結合磷，其含量所占總磷含量比例超過50%。主要磷形態含量排序為：Ca-P>Res-P>NaOH-P>KCl-P>NaOH-Po。

水中顆粒物的沉降作用會增加沉積物中總磷的含量。越冬期，未及時打撈的植物殘體會以有機磷的形式沉降到底泥中，增加沉積物總磷的含量。在沉積物中按0.1 kg/m2的量添加石灰作改良劑，能增加鈣結合磷的含量。因為鈣結合磷短時間內不參與磷循環，從而在一定程度上減少磷的內源污染問題。