| 题名 | 巢湖流域农业区入湖河口沉积物质量演变过程研究 ――以磷和重金属为例 |
| 作者 | 唐文忠 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 单保庆 |
| 关键词 | 河口沉积物 农业集约化 磷 重金属 水生植物腐烂 磷释放 estuarine sediments agricultural intensification phosphorus heavy metals hydrophyte decomposition P release |
| 其他题名 | Study on the evolutive process of estuarine sediment quality in the agricultural region of Chaohu Lake Valley, East China (phosphorus and heavy metal) |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 中文摘要 | 自20 世纪80 年代以来，巢湖流域农业集约化迅速发展，化肥大量使用改变了流域物 质通量，也导致了农业区入湖河口沉积物质量持续下降，其中以磷富集和重金属污染问题 最为突出。研究磷和重金属在河口沉积物中分布特征及其潜在风险水平，分析其输入源， 不仅有助于我们对于流域沉积物质量恶化驱动机制的探索，还可以为流域水环境管理策略 的制定提供理论依据。本研究选择安徽省巢湖流域农业区10 个入湖河口及北岸的六叉河 农业小流域，分析河口沉积物中磷和重金属空间-垂直分布特征及其存在的潜在风险，揭示 农业集约化对入湖河口沉积物质量演变的影响；通过“原位”模拟实验，分析流域水生植物 （空心莲子草，Alternanthera philoxeroide）季节性腐烂、分解引起的沉积物中磷释放过程 及其机理，并揭示这一过程对湖泊“藻华”爆发的诱导作用。研究结果表明： 1、近几十年流域农业集约化迅速发展，期间磷素在入湖河口沉积物中大量富集。河口 沉积物中总磷含量自下而上明显增加，从底层（0-5cm）到表层（25-30cm），平均总磷浓 度由374 mg/kg增加到537 mg/kg。从磷赋存形态上看，沉积物中化学活性最强的易解析磷 （KCl-P）含量不到总磷的0.602%；铁铝结合态磷（NaOH-Pi）占16.0-53.1%，其变化趋 势与总磷类似，与磷肥的使用密切相关；惰性磷（Res-P）在沉积物中含量最高，占总磷含 量的19.8-74.0%；而沉积物中活性有机磷（NaOH-Po）与钙结合态磷（Ca-P）在垂直尺度 上有小幅变化或者基本维持稳定。与磷的分布类似，河口沉积物中有机质含量随深度增加 而减少，其中25-30 cm沉积层有机质平均含量为12.5 g/kg，而0-5 cm 沉积层其含量上升 到21.3 g/kg，相关性分析表明磷和有机质在入湖河口有共沉积过程。沉积物中磷吸附饱和 度（DPS，3.92-21.4%）和磷释放风险指数（ERI，12.6-33.6%）研究发现，流域农业区近 半数河口沉积物有磷释放风险，可能成为巢湖“藻华”爆发的源头区。 2、入湖河口沉积物中重金属累积与流域农业集约化迅速发展密切相关。磷肥大量使 用不仅带来了磷污染问题，也导致重金属在河口沉积物中大量累积。在垂直尺度上，Cd、 Pb 和Zn 3种重金属含量自下而上明显增加，平均浓度分别由0.208、8.05 和73.8 mg/kg 增 加到0.331、17.2 和100 mg/kg。重金属富集系数研究和基于赋存形态的释放风险评价结果表明，磷肥大量使用导致了Cd、Pb 和Zn（富集系数：4.96, 3.68 和2.25）在河口沉积物 中大量累积，并已呈现释放风险，其中交换态和碳酸盐结合态Cd 含量占到了总Cd 的 18.1-33.6%；而Cr、Cu和Ni 无累积，且基本无风险。聚类分析表明Cd、Pb 和Zn 主要是 人为同源输入，即磷肥的大量使用；而另外3 种重金属主要是自然同源输入。入湖河口已 经存在较严重的重金属污染，这直接造成河口沉积物质量下降，并威胁到上覆水水质安全。 3、秋末和初春季节水生植物（空心莲子草）大量凋落、腐烂和分解，是导致流域农业 区沉积物中磷释放的主要因素。本论文通过“原位”模拟和实时监测发现，空心莲子草腐烂、 分解过程中，模拟装置上覆水氧化还原电位（ORP）急剧下降，前3 天，大约从440 mv 降至-280 mv，随后升至90 mv左右，并保持平稳，溶氧（DO）大量被消耗，水体变成厌 氧状态（0.754 mg/L）。上覆水中磷和溶解性金属含量也发生了变化，活性磷酸盐（SRP）、 溶解性总磷（DTP）、总磷（TP）含量均明显增加，最大值分别达到0.629、0.908 和1.16 mg/L，是原水的近24、13 和12 倍；溶解性金属元素中，Fe含量增加最为明显，最高达到 22.8 mg/L。沉积物中各形态磷含量高低顺序由Oc-P > Fe-P ≈ Org-P >Ca-P >Al-P ≈ Ex-P变 为Org-P ≈ Fe-P >Oc-P >Ca-P >Al-P ≈ Ex-P（可交换态磷 Ex-P、铝结合态磷 Al-P、铁结合 态磷 Fe-P、闭蓄态磷 Oc-P、钙结合态磷 Ca-P、有机态磷 Org-P）；在0-3 cm沉积层中， Al-P 和Fe-P含量增加主要来自于Oc-P 和Ca-P 的转化；而Ex-P 和Org-P 含量增加可能来 自空心莲子草腐烂、分解的残体或水体中颗粒态磷的沉降。总之，上覆水ORP 和DO 变化 是导致沉积物中磷释放的主要原因，而磷释放主要来自沉积物中Fe-P。近年来巢湖流域气 温不断上升，加速了水生植物凋落、腐烂和分解，导致沉积物中磷提前释放，湖泊“藻华” 提前爆发。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 水处理工程 |
| 公开日期 | 2011-04-14 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/559]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 唐文忠. 巢湖流域农业区入湖河口沉积物质量演变过程研究 ――以磷和重金属为例[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010. |
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