再悬浮条件下河口沉积物内源磷迁移-转化机制研究——以青岛李村河为例

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河口是联系陆地河流与海洋两大生态系统的过渡地带,河口区营养元素的生物地球化学行为对其向海洋的输出有显著的影响。磷是水体中浮游植物生长的限制性营养元素之一,內源磷的释放是导致水体富营养化的重要因素。由于水深较浅,河口区的沉积物往往在风浪和潮汐等外力引起的底部剪切力作用下经历着周期性的再悬浮。沉积物再悬浮过程往往伴随着内源磷向上覆水体的放释,是內源磷迁移-转化的重要途径。作为一条典型的城市纳污河流,李村河口沉积物污染比较严重。再悬浮条件下,沉积物中赋存的磷的迁移和转化对河口区乃至胶州湾的生物生产过程有重要的影响。本文通过现场观测、采样和分析,掌握了李村河口沉积物及其上覆水体中磷及其它主要生源要素的时空分布规律;通过模拟沉积物的再悬浮过程,研究了沉积物对侵蚀切应力的响应特征,探讨了再悬浮对上覆水体磷负荷和沉积物磷形态的影响机制;通过培养试验,研究了再悬浮条件下沉积物中有机磷的矿化机制,并在此基础上考察了沉积物性质和环境因素对矿化速率的影响;通过研究悬浮沉积物的光化学降解过程,探讨了再悬浮条件下內源有机磷的光降解特性,并进一步分析了不同因素对降解过程的影响。通过研究取得了以下新的认识和结论:
　　1.监测研究区水-沉积物的理化性质和动态变化特征。
　　(1)在不同季节中,上覆水体溶解性总磷(DTP)、溶解性无机磷(DIP)、NH4+-N和NO2--N的含量均呈现出涨潮时降低,落潮时升高的趋势;而盐度、pH、溶解氧和氧化还原电位等指标的变化规律则与之相反,即涨潮高,落潮低。上覆水的物理化学性质受潮汐影响显著。
　　(2)河口沉积物含水率、烧失量和营养盐含量在不同季节差别不大。沉积物含水率和无机磷含量随深度的增加总体上呈现逐渐减小的趋势,而NH4+-N和NO3--N的含量随深度的变化范围较大,无明显的变化规律。间隙水中 DTP和DIP的浓度均呈现出随深度的增大先增加后减小的分布规律。间隙水中的溶解性总氮和NOx--N浓度在夏季随着深度的增加总体上是降低的,而其在春季的垂向分布规律不明显。此外,研究区内沉积物所受到的扰动切应力主要来源于潮汐流。
　　2.模拟了李村河口潮间带沉积物的再悬浮过程,确定了沉积物发生再悬浮的临界切应力。不同季节中,细颗粒沉积物发生再悬浮的临界切应力介于0.117-0.156N/m2之间,而潮汐流产生的切应力可达到0.410N/m2,表明潮汐流的扰动可以使细颗粒沉积物发生再悬浮。研究区内具有再悬浮潜力的沉积物的厚度小于1mm,并且该厚度存在显著的季节性差异。此外,河口区的水动力扰动强度不足以使区内粗颗粒的砂质沉积物发生显著的再悬浮。
　　3.分析了再悬浮对水体磷负荷和沉积物磷形态的影响机制。在冬季,沉积物再悬浮促进了上覆水体中 DIP的去除;在春季、夏季和秋季,沉积物再悬浮有利于內源 DIP向上覆水释放。一年四季中,沉积物再悬浮均可导致內源溶解性有机磷(DOP)的释放,其释放量随沉积物侵蚀深度的增大而增大。再悬浮过程中,內源DOP与內源DIP的释放量相当,但两者均比颗粒磷的释放量低一个数量级,表明该过程中内源磷主要以颗粒态释放。在冬季,再悬浮导致沉积物中弱吸附态磷含量升高,而在夏季则导致其降低。沉积物中弱吸附态磷含量的变化主要源于悬浮沉积物颗粒对DIP的吸附和解吸。除弱吸附态磷外,铁结合态磷、自生磷、碎屑磷和有机磷的含量与再悬浮之前相比均未出现明显差别,表明再悬浮并未对沉积物中磷形态的变化和相互转化产生显著地促进作用。
　　4.探讨了水环境条件对沉积物中磷矿化的影响。水动力扰动能够促进內源磷的矿化。相对于间歇性扰动,持续扰动更有利于磷的矿化。随着沉积物有机质含量的增加,其矿化过程中的磷释放量增大;微生物活动和外加碳源均可显著促进沉积物中有机磷的矿化;盐度的降低对于矿化过程具有抑制作用。水动力扰动条件下,沉积物中有机磷的矿化速率随着时间的延长呈现出逐渐减小的趋势。
　　5.研究了再悬浮条件下沉积物中有机磷的光化学降解特性及其影响因素。结果表明,沉积物中有机质的光化学降解作用可增加水体中DIP、DOP的含量。其中,DIP的生成可能直接来源于沉积物中的颗粒态有机磷的降解,也可能来源于光解作用所生成的DOP的进一步降解。光降解过程中,沉积物有机质中DIP、DOP的释放量随沉积物有机磷含量的增大而增大、随沉积物粒径的减小而增大。当悬浮沉积物的浓度较低时,磷的光解释放量随悬浮物浓度的增加而增加。然而,当悬浮物浓度达到一定值时,增大悬浮物浓度对光降解释磷的促进作用不再显著,无法生成更多的磷。沉积物中有机磷的光化学降解具有显著的光谱敏感性。光降解过程中,DIP的生成量主要来源于紫外波段的照射。紫外波段和可见光波段的照射对应的DOC和DOP生成量各占两者总生成量的50％左右。

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作者
张俊杰;
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作者单位

中国海洋大学;

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授予单位中国海洋大学;
学科环境工程
授予学位博士
导师姓名郑西来;
年度 2014
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 P736.212;
关键词
河口潮间带; 沉积物再悬浮; 内源磷; 迁移机制; 转化机制;

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