沉積物磷吸附解吸平衡濃度的測定及其生態學意義

李　慧*　余能智

（1銅仁學院農林工程與規劃學院貴州銅仁5543002銅仁市創建國家環境保護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定及其生態學意義

李慧1，2*余能智2

（1銅仁學院農林工程與規劃學院貴州銅仁5543002銅仁市創建國家環境保護模范城市辦公室貴州銅仁554300）

在湖泊與河流中，當沉積物固相與周邊水溶液中的磷酸鹽達到吸附與解吸附平衡時，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和溶解反應性磷濃度（SRP），可以估算沉積物向水柱釋放SRP的潛能。在富營養化湖泊中，疏浚是控制內源營養釋放的最直接有效的手段。可借工程措施在水與沉積物界面維持低EPC0值，進而充分實現其磷匯功能，有利于湖泊和河流水質的好轉。

沉積物；磷吸附解吸平衡濃度；疏浚

在對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］。而進入沉積物-水界面的磷，由于有機質的礦化分解，可以溶解態形式進入沉積物間隙水中，進而通過擴散作用到上覆水體［2］。水體沉積物控制著水柱中磷的濃度，并提供暫時或長期的緩沖能力增加溪流中的磷負荷［3］。因此，沉積物與上覆水柱之間的相互作用是調節水生態系統生產力的一個因素，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到吸附與解吸附平衡時，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態平衡，在初始磷濃度很低時，由于顆粒沉積物上含有一定量的PO43--P，當這部分的PO43--P解吸量大于吸附過程中被吸附的量時，此時沉積物就表現為解吸；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，即沉積物的凈吸附量為0時水體中磷酸鹽濃度值稱為吸附解吸平衡濃度，在此濃度時沉積物對磷酸鹽既不吸附也不解吸［5］。

2　 EPC0的測定

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定的。這種混合物通常在常溫、一定轉速下平衡一段時間（基本上是24h）。磷的吸附量（Y軸）和平衡之后的溶解態磷濃度（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復雜性的影響，又受其他物理化學因素的多重影響，從而導致各種吸附模式及等溫線形式存在，常用Linear、Langmuir、Freundlich方程進行線性擬合得到：

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；

Freundlich方程：Q=KFCn-Q0F，其中，Q為培養結束時沉積物磷吸附量（mg/kg）；C為培養結束時溶解態反應性磷濃度（Mg）；KF為Freundlich吸附能參數（mg/kg）；Q0F為試驗開始前沉積物表層吸附的磷（mg//L kg）；n為常數（L/kg）。

Langmuir方程：Q=Qm axKLC/（1+KLC）-Q0L，其中，Q0L為試驗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Langmuir吸附能參數（L/Mg）。

EPC0為Q=0時所對應的溶解態反應性磷濃度。

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

3　 EPC0的生態學意義

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和溶解反應性磷濃度（SRP），可以估算沉積物向水柱釋放SRP的潛能［6］。當水中SRP的濃度高于EPC0值時，沉積物表現出吸附磷的趨勢［7］，反之亦然［8］。與進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，當雨季外界輸入的磷較多時，沉積物以鋁結合態的方式貯存磷營養［10］，在英國富營養化河流，去除上覆水中的磷，可使河床沉積物由磷匯轉變為磷源［6］。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-水界面的循環狀況，即EPCsat=100（EPC0-SRP）/EPC0%，當EPCsat＞20%時，沉積物向水體釋放磷，當EPCsat<-20%時，沉積物向水體吸收磷，而EPCsat在±20%時，沉積物-水界面處于一種平衡狀態。

3.2實踐意義

近年來，國家和地方政府禁止工業廢水直接排入河流，外源磷污染量得到初步控制，但在一些污染較為嚴重的大型湖泊（如太湖和滇池），水體總磷仍呈上升趨勢［11］。由此可見，外源磷負荷減少后，富營養化湖泊并未得到恢復。蘇格蘭Leven湖外源磷輸入的減少導致湖內磷負荷的顯著降低，春季葉綠素a（Chla）濃度下降，夏季水質好轉，但全年Chla平均濃度未見明顯變化［12］。外源營養截斷后，內源營養釋放是導致湖泊恢復延緩的重要原因之一［13］。對丹麥27個湖泊的研究發現，雖然這些湖泊的外源磷負荷得到了大幅削減，但經過了4～16年，水體中的磷濃度也未達到期望的水平，故外源污染與內源負荷密切相關，尤其是在外源負荷大幅減少的同時，內源營養負荷的比重逐漸增加［13］。因此，內源磷負荷在淺水湖泊營養動力學中起著重要作用。

在富營養化湖泊中，通過對表層富含營養物質的沉積物進行疏浚清淤是控制內源營養釋放的最直接有效的手段［14］，其作用在于降低沉積物營養水平，并顯著改變有機質降解方式和微生物活性［15］。相對水中磷的濃度而言，沉積物低EPC0值對應于磷匯功能，而高EPC0值則對應于磷源功能。因此，在富營養化湖泊與河流沉積物的修復過程中，應借工程措施在水與沉積物界面維持低EPC0值，進而充分實現其磷匯功能。然而，疏浚是否有益要應不同湖泊或河流而異。過深地疏浚亦可能促進磷的釋放［16］。因此，可根據沉積物EPC0值的垂直分布模式來確定疏浚深度。通過測定沉積物分層樣品的EPC0值，可確定EPC0值較小值的深度。當通過環保疏浚至該深度后，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的好轉。

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《梵凈山特色動植物資源重點實驗室》子課題項目（15157）和銅仁市創建國家環境保護模范城市科研項目（trcmb16-5）聯合資助。

李慧（1986—），女，湖北省天門人，博士，副教授，主要從事環境化學研究。