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磷是自然水体的限制性营养元素之一[1]，过剩的磷会导致水生生态系统初级生产力升高，进而导致水体富营养化，破坏水生生态系统平衡[2]。沉积物作为天然河道的组成部分，一方面，沉积物磷的赋存形态及含量、分布特征、迁移转化和吸附特性等影响着水体富营养化的进程[3]；另一方面，在外源污染得到有效控制的同时，内源磷释放会成为主要的污染因子，导致水体富营养化[4]。影响磷在表层沉积物吸附释放的主要因素有沉积物组成粒径、各形态磷含量、腐殖质种类等沉积物本身的特性和pH、氧化还原电位、离子强度、温度等环境因素。目前，已经提出对沉积物不同形态磷的分析方法。朱广伟等[5]对沉积物不同形态磷进行了化学分级浸提，是目前比较系统的方法，该方法将沉积物中的磷分为7种形态，有效地分离了Fe/Al-P，减少后续投加富里酸对各形态磷影响研究的异议。
根据清远市人民政府网站公开数据，“十三五”期间漫水河黄坎桥断面水质为Ⅴ类-劣Ⅴ类，定类因子主要为总磷，而总磷质量浓度超标是造成水体富营养化的主要因素之一，从天地图可知，该流域污染源以畜禽养殖、农田及生活污水为主，其产生的废水富含有机物，排入河道会造成水体有机质含量上升[6]。
有机质作为大气二氧化碳和植物养分的来源以及连接土壤物理、化学和生物特性的主要因素，对其研究具有重要意义[7]。土壤有机质由生物化学组成、生物稳定性和碳周转率等各不相同的单元组成。腐殖化的有机质被称为腐殖质(腐殖酸HA、富里酸FA和胡敏素HA)[8]，含有羧基、醇羟基、酚羟基等各种官能团。在腐殖质丰富的环境中，腐殖质与多种金属氧化物(Al2O3、Fe2O3、SiO2和TiO2等)通过络合、螯合和吸附等机理相互作用形成有机胶体，并随水体大量迁移，从而直接或间接影响土壤中磷酸盐的吸附和磷的有效性[9]。因此，本研究将通过模拟实验，向水环境中投加外源富里酸以探究腐殖质对沉积物中磷酸盐的吸附和磷有效性的影响。另外，有机质腐殖化是一个缓慢的过程，在实验过程中，添加外源富里酸可以在不等待有机质腐殖化的情况下增加有机质含量，是排除不同矿物组成和其他因素变化对实验结果造成影响的有效途径[10]。
目前，关于水体和沉积物营养盐污染的研究分析较多[11]，对蓝藻、有机质等物质对沉积物磷形态迁移转化规律研究较为深入[12]，也有研究者分析了FeO与腐殖质的结合机理[13]。但目前尚缺乏对腐殖质浓度影响沉积物总体磷形态迁移转化规律的研究。因此，本研究在已有研究的基础上，选取清远市清新区漫水河河段5条污染贡献比较高且污染来源不同的农灌渠作为研究对象，分析了其表层沉积物中磷的分布特征；通过投加外源富里酸探究了腐殖质浓度对沉积物各形态磷分布的影响，揭示了沉积物中各形态无机磷迁移转化的机制，以期为后续河道富营养化控制和内部养分负荷降解提供参考。
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漫水河是珠江水系北江下游的一级支流，发源于广东省广宁县义和村湴仔顶，穿过广宁、四会、清新、三水，最后至佛山市三水区大塘圩澉鱼咀汇入北江，干流长75 km，集水面积791 km2。本研究选取境内5条污染贡献比较高的农灌渠，分别采取12个上覆水和沉积物样品，采样点的空间位置如图1所示。
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1)样品采集与预处理。2021年3月对漫水河开展水样和沉积物样品采集，当采样点位水深小于2 m时，在水下20 cm处采集水样300 mL；若水深大于2 m时，则在水面下20 cm处和距水面1.5 m处分别采集水样后混合；水样采集后，取50%水样过0.45 μm滤膜后于4 ℃条件下避光保存。
沉积物采样点和水样采样点位保持一致，利用抓泥斗采集表层沉积物，每个样点平行采集3次后混合。运回实验室后，将沉积物自然风干，剔除石子及动植物残渣后，用玛瑙研钵研磨并过100目筛，用于氮、磷等相关指标分析。
2)相关指标分析。水样各指标分析均按《水和废水监测分析方法(第4版)》相应的标准方法进行测定；采集沉积物原样后，参考朱广伟等[5]对沉积物不同形态磷进行化学分级浸提，将沉积物总磷划分为交换态磷(Ex-P)、铝结合磷(Al-P)、铁结合磷(Fe-P)、闭蓄态磷(Oc-P)、自生磷(De-P)、碎屑磷(Ca-P)和有机磷(Or-P)，提取液采用钼锑抗法测定，TP含量由7种磷组分的总和计算得出。测定过程中所用试剂均为优级纯，以上实验在相同条件下做3个平行实验，各样品重复测定3次取平均值，相对误差控制在5%以内。
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利用采集的沉积物样品，以富里酸为代表，探讨腐殖质对沉积物磷形态的改变机制。取4只250 mL的烧杯，每只烧杯装10 g风干处理后的土样，分别加入0、13、35、87 mL质量浓度为0.5 mg·L−1 的富里酸溶液，所含总有机碳浓度用总有机碳分析仪测定。最后，在每个烧杯中加入同一采样点、同一时间采集且经过滤的上覆水并定容至200 mL，在室温和弱光条件下通风培养，使用磁力搅拌器在200 r·min−1下搅拌20 d后，所得样品于4 000 r·min−1条件下进行20 min离心处理，以此收集实验土样，测定各形态磷含量的变化。
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采用Excel 2016和IBM SPSS Statistics 25软件统计分析实验数据，数据图形使用origin 2018软件绘制。
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2021年3月共采集12个上覆水样品，各形态磷的分析结果如表1所示。由表1可见，水体TP质量浓度为0.87~2.83 mg·L−1，平均值为1.66 mg·L−1；XST干渠TP质量浓度为1.76 mg·L−1、JK干渠TP质量浓度为1.36~2.83 mg·L−1，JJ排坑TP质量浓度为1.07 mg·L−1，HYT排坑TP质量浓度为2.39 mg·L−1，JK干渠与JJ排坑、HYT排坑汇合后汇入XST排坑，故XST排坑TP浓度较JK干渠有所降低。另外，MT排涝TP质量浓度为0.87~1.43 mg·L−1，参考地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，上述干渠上覆水均为劣Ⅴ类水质，为了进一步分析该区域内源磷污染的可能性和风险，对上述采样点表层沉积物进行分析。
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沉积物是河流的重要组成部分，沉积物中的磷以多种结合形态存在。关注沉积物中磷的赋存形态有助于揭示人为活动对水体富营养化的影响，并对河道水体富营养化控制提供指导。本研究选择漫水河清新区JK干渠、MT排涝、XST排坑、JJ排坑、HYT排坑5条农灌渠作为研究对象，共采集12个沉积物样品进行分析。如图2所示，漫水河清新区河段沉积物TP含量为593.35~2 973.00 mg·kg−1，平均含量为1 528.43 mg·kg−1；7种磷形态平均含量的排序为Fe-P>Ca-P>Oc-P>Ex-P>De-P>Or-P，无机磷为主要组分。变异系数排序为De-P>Al-P>Fe-P>Ca-P>Ex-P>Oc-P>Or-P。除Or-P外，其余磷形态变异系数均高于36%，达到高等变异水平，表明沉积物各形态磷分布波动程度相对较大[13]。
由图2可见，总磷含量的最大值出现在L12点位，最小值出现在L6点位。其主要原因可能是：HYT排坑周围遍布鱼塘，大量投饵养殖使得大部分未被生物完全利用的营养物质随鱼塘排水而进入HYT排坑，使得饵料残渣和鱼类排泄物直接或间接沉降到沉积物表面，不同赋存形态的磷酸盐与碳酸钙形成共沉淀或被氧化铁胶体吸附[14]，导致该农灌渠整体总磷含量升高。
沉积物7种磷形态分级提取结果如图2和图3所示。可交换态磷(Ex-P)易通过解吸作用被水生植物直接吸收利用，一般代表沉积物无机磷中容易解吸的组分。该形态磷活性较强，对植物生长及控制上覆水体磷浓度具有重要影响，是造成水体富营养化的重要形态磷[15]。研究对象沉积物Ex-P含量为37.7~177.13 mg·kg−1，占TP比例为3.92%~15.38%，空间分布呈现一定的异质性。
铝结合磷(Al-P)和铁结合磷(Fe-P)通常被认为是生物可利用性磷，其含量与外源磷输入有关[16]。如图2和图3所示，沉积物Al-P含量为14.35~186.58 mg·kg−1，占TP含量比为1.22%~8.63%，表明研究对象沉积物Al-P含量整体水平较低；Fe-P占总磷的比例最大，含量为225.07~1 679.53 mg·kg−1，所占TP含量比为19.54%~64.47%。其中，JK干渠沉积物的Fe-P所占TP比例均低于40%，另外4条农灌渠的Fe-P所占TP比例为40%~60%，空间分布呈现出明显的区域特点。这一结果与YANG等[17]的研究结果相反。这可能与沉积物特性、环境条件等有关，反映了不同区域、水生生态系统沉积物中的Fe-P含量差异性较为明显。
闭蓄态磷(Oc-P)指被氧化铁胶膜包蔽的磷酸盐，在土壤体系中，Fe-P在还原条件下可被还原成可溶性磷酸亚铁，氧化还原电位升高后，亚铁离子又会迅速被氧化成氧化铁。由于铁和磷的化学亲和性，新形成的氧化铁易在磷酸盐(尤其是磷酸铁盐)周围形成胶膜，将磷酸盐包裹起来，故该形态的磷属于稳定态磷。研究对象沉积物中的Oc-P含量为144.44~507.99 mg·kg−1，平均含量为240.80 mg·kg−1，其含量高于Ex-P，仅次于Ca-P。这可能与水环境中氧化铁的形成及其与磷酸盐反应有关。有研究表明，人为排放的生活污水会导致上覆水水体较高浓度的Ca2+和溶解性磷酸盐形成难溶性的钙磷酸盐(Ca-P)沉淀，如羟基磷灰石和氟磷灰石，通常很难被生物体利用[18]。5条农灌渠沉积物中的Ca-P平均含量为275.57 mg·kg−1，仅次于Fe-P，表明排放生活污水可能是导致农灌渠水体富营养化的主要原因之一[19]。De-P和Oc-P、Ca-P一样较难分解，属稳定态磷，沉积物中De-P平均含量为73.37 mg·kg−1，占TP的0.37%~10.58%。
由图2和图3可见，5条农灌渠沉积物有机磷(Or-P)的含量最低，其质量浓度为26.47~56.82 mg·kg−1，平均含量仅为39.36 mg·kg−1，占TP比例小。这可能是由于浮游动植物、微生物在新陈代谢过程中产生的磷酸酶有生物作用，在其催化水解下，Or-P可以转化为其他可被生物所利用的形态磷[20]。
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沉积物中的磷具有不同赋存形态，但并非所有形态的磷都易从沉积物释放并被生物所利用。因此，对沉积物中的生物有效磷(BAP)进行风险评估对预测河道富营养化生态问题有重要意义[21]。BAP可通过式(1)进行计算，计算结果如图4所示。
如图4所示，漫水河清新区5条农灌渠中沉积物各采样点生物有效磷分布差异较大，含量为309.94~1 875.12 mg·kg−1，平均含量为937.84 mg·kg−1，占TP的质量百分比为38.54%~81.84%，平均占比为57.73%，超过沉积物总磷的50%。因此，在一定条件下，沉积物会向上覆水释放磷，从而被水生生物所利用[22]。其中，采样点位L10的生物有效磷含量为1 875.12 mg·kg−1，占TP的质量百分比为71.98%。因此，选取该点位的沉积物进行模拟实验，探究富里酸对沉积物各形态磷含量变化的影响。
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表层沉积物不同形态磷的含量及形态间的转化会影响沉积物的释磷能力，因此，探讨表层沉积物中各形态磷的相关性有利于掌握其分布规律。Pearson相关性分析结果见表2，沉积物中的TP含量和Fe-P(R=0.939，P<0.01)、Oc-P(R=0.833，P<0.01)、De-P (R=0.631，P<0.05)含量之间呈显著正相关，而TP含量与Ex-P、Al-P、Ca-P、Or-P含量间的相关性不大。由图3和图4可见，Oc-P和De-P含量及占比远低于Fe-P，这表明沉积物中TP的富集主要来自Fe-P含量的升高，Ex-P、Al-P、Ca-P及Or-P在迁移转化过程中对TP的影响不明显。此外，BAP与Al-P、Fe-P及Oc-P呈显著正相关，表明外源磷输入可能是沉积物释磷能力升高的主要原因之一。
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土壤有机质(SOM)具有氧化还原活性，是营养物质迁移转化过程中的重要介质，对沉积物中氮、磷元素向上覆水扩散过程有重要影响，可以作为土壤中原生的电子穿梭体在污染物和微生物间传递电子[23]。有机质能与重金属和疏水性的有机污染物等结合，进而影响污染物在环境中的迁移、转化和分配等环境过程以及生物有效性。腐殖化的有机质主要包括腐殖酸HA、富里酸FA和胡敏素HA[12]。其中，富里酸可溶于酸碱，在实验过程中具有更好的可操控性，故本研究拟通过投加富里酸提高体系中的有机质含量。
由图2和图3可见，L10点位的Fe-P浓度及占比最高，其中TP浓度仅次于L12点位。结合2.3的结论，选取L10点位的沉积物进行模拟实验，通过控制变量法将沉积物分为4组，加入不同质量的FA，实验条件如表3所示，FA对沉积物释磷影响的实验结果如图5所示。
L10点位沉积物原样的TP含量为2 604.97 mg·kg−1，Fe-P占TP含量的百分比为64.47%；而对照组的TP含量为940.67 mg·kg−1，Fe-P占TP含量的百分比为9.07%。这说明在不添加任何外源污染时，沉积物会因水动力扰动而释磷，主要释放的磷组分为Fe-P。
由图5可见，和对照组相比，组别3沉积物的TP含量升高至2 143.17 mg·kg−1。这说明以FA为代表的土壤有机质(SOM)有利于沉积物中的磷以束缚态形式存在，与DEBICKA等[24]的研究结果一致。Fe-P主要指通过物理或化学作用吸附在氢氧化铁胶体(FeOOH)表面的磷[26]，其释放过程受颗粒大小、pH等多种因素影响。如图5(c)所示，随着FA浓度的增加，Fe-P的含量不断升高，Ca-P含量降低。
可见，投加外源富里酸会促进Ca3(PO4)2的还原，Fe2+被氧化为Fe3+，进一步导致FeOOH的溶解和Fe-P的形成[13]，反应如式(2)所示。
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1) 2021年3月，清远市清新区漫水河部分农灌渠水体TP质量浓度为0.87~2.83 mg·L−1，超过地表水环境质量标准Ⅴ类水浓度限值。
2)漫水河污染贡献比最高的5条农灌渠沉积物总磷含量为593.35~2 973.00 mg·kg−1，各形态磷在不同农灌渠的分布波动相对较大。其中，Fe-P占TP的质量比最高，为19.54%~64.47%；JK干渠沉积物的Fe-P占比低于40%；另外4条农灌渠的Fe-P占比为40%~60%。空间分布呈现明显的区域特征。
3)漫水河清新区河段沉积物各采样点生物有效磷分布差异较大，含量为309.94~1 875.12 mg·kg−1，平均值为937.84 mg·kg−1，占TP的质量比为38.54%~81.84%，平均值为57.73%，超过沉积物总磷的50%，说明沉积物有较大的释磷潜能，这可能是影响5条农灌渠水体富营养化的重要因素之一。
4)沉积物中的TP含量和Fe-P含量间呈显著正相关(R=0.939，P<0.01)，与Oc-P、De-P含量间也呈显著正相关，而与Ex-P、Al-P、Ca-P、Or-P含量间的相关性不大，故沉积物中TP的富集可能主要来自于Fe-P、Oc-P含量的升高。BAP和Al-P、Fe-P与Oc-P呈显著正相关，表明外源磷输入可能是导致沉积物释磷能力升高的主要原因。
5)水动力扰动会促进沉积物大量释放磷，主要释放的形态为Fe-P；随着FA浓度的增加，沉积物的TP含量从对照组的620.80 mg·kg−1升至组别3的2 143.17 mg·kg−1，说明沉积物对磷的吸附能力随着FA浓度的升高而增强；同时，FA会促进Ca3(PO4)2的还原，Fe2+被氧化为Fe3+，导致FeOOH的溶解和Fe-P的形成。
漫水河清远流域磷污染特征及富里酸对沉积物释磷的影响
Characteristics of phosphorus pollution in Manshui River and the effects of fulvic acid on phosphorus release from sediments
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摘要: 探讨了漫水河清新区境内流域上覆水和沉积物中磷的空间分布特征，以及富里酸含量对沉积物释磷的影响。结果表明：5条农灌渠水体总磷质量浓度为0.87~2.83 mg·L−1，超过地表水环境质量标准Ⅴ类水浓度限值；沉积物样本取自12个采样点，测得总磷含量为593.35~2 973.00 mg·kg−1，其中铁结合磷(Fe-P)占比最高，为19.54%~64.47%；沉积物各采样点生物有效磷分布差异较大，占总磷比例平均为57.73%，说明研究农灌渠的沉积物潜在释磷能力大。相关性分析结果表明，TP含量与Fe-P、闭蓄态磷(Oc-P)、自生磷(De-P)含量间呈显著正相关，表明外源磷输入是导致沉积物磷含量升高的主要原因。投加外源富里酸的模拟实验结果表明，富里酸浓度升高会提高沉积物对磷的吸附能力，进而促进Fe-P的形成。Abstract: In this study, the spatial distribution of phosphorus in the overlying water and sediments in the Qingxin District of the Manshui River was explored, and the effect of fulvic acid concentration on phosphorus release from sediments. The results showed that the total phosphorus concentrations at the 5 agricultural irrigation canals were 0.87~2.83 mg·L−1, which exceeded the surface water environmental quality standard V class water concentration limit; sediment samples were taken from 12 sampling points, the measured total phosphorus contents were 593.35~2 973.00 mg·kg−1, iron-bound phosphorus(Fe-P) accounted for the highest proportion of total phosphorus, which was 19.54%~64.47%; the distribution of biologically available phosphorus at each sampling point of the sediment was quite different, accounting for 57.73% of total phosphorus on average, which indicated that the potential release capacity of phosphorus from the sediments of the studied agricultural irrigation canals was large. The correlation analysis results showed that the significant positive correlations occurred between the content of TP and the content of Fe-P, closed storage state phosphorus(Oc-P), and authigenic phosphorus(De-P), indicating that the external source phosphorus input was the main reason for the increase of the phosphorus content of the sediment. The simulation experiment results of adding exogenous fulvic acid showed that the increase of the fulvic acid concentration could increase the adsorption capacity of the sediment for phosphorus, leading to Fe-P formation.
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Key words:
- phosphorus /
- sediment /
- sequential extraction /
- iron-bound phosphorus /
- fulvic acid
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图 2 各采样点表层沉积物中不同形态磷的含量
Figure 2. Concentrations of different phosphorus forms at different sampling points in surface sediments
图 3 各采样点表层沉积物中不同形态磷的比例
Figure 3. The proportion of different forms of phosphorus in the surface sediments of each sampling site
图 4 各采样点表层沉积物磷的生物有效磷分布
Figure 4. Distribution of biologically available phosphorus in surface sediments phosphorus at each sampling point
图 5 FA对沉积物磷组分的影响
Figure 5. Effect of humus FA on the phosphorus composition of sediments
表 1 不同采样点各形态磷浓度Fig.1 Phosphorus concentration of each form at different sampling sites
采样点
编号所属
农灌渠各形态磷浓度/(mg·L−1) TP TDP TPP SRP DOP L1 MT排涝 1.05 0.21 0.84 0.19 0.02 L2 MT排涝 1.08 0.33 0.75 0.27 0.06 L3 MT排涝 0.87 0.15 0.72 0.10 0.05 L4 MT排涝 1.43 0.53 0.90 0.51 0.02 L5 JK干渠 2.08 0.54 1.54 0.13 0.41 L6 JK干渠 1.66 0.62 1.04 0.47 0.15 L7 JK干渠 2.83 1.78 1.05 1.51 0.27 L8 JK干渠 2.34 1.13 1.21 0.82 0.31 L9 JK干渠 1.36 0.48 0.88 0.33 0.15 L10 JJ排坑 1.07 0.44 0.63 0.05 0.39 L11 XST排坑 1.76 0.74 1.02 0.06 0.68 L12 HYT排坑 2.39 1.17 1.22 0.47 0.70 
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表 2 表层沉积物总磷及不同赋存形态磷之间的Pearson相关性(n=12)
Table 2. Pearson correlation between total phosphorus in surface sediments and phosphorus in different forms(n=12)
TP Ex-P Al-P Fe-P Oc-P Ca-P De-P Or-P BAP TP 1 — — — — — — — — Ex-P 0.520 1 — — — — — — — Al-P 0.468 0.625* 1 — — — — — — Fe-P 0.939** 0.415 0.482 1 — — — — — Oc-P 0.833** 0.413 0.472 0.637* 1 — — — — Ca-P 0.575 0.248 -0.154 0.312 0.673* 1 — — — De-P 0.641* 0.240 -0.074 0.419 0.736** 0.762** 1 — — Or-P 0.490 0.508 0.245 0.315 0.590* 0.448 0.530 1 — BAP 0.944** 0.517 0.580* 0.991** 0.662* 0.295 0.400 0.359 1 注： **表示在P<0.01级别相关性显著；*表示在P<0.05级别相关性显著。
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表 3 模拟实验相关条件参数
Table 3. Relevant condition parameters of simulation experiment
组别 土样
质量/g添加FA
体积/mL定容后溶液
体积/mLTOC质量浓度/
(mg·L−1)对照组 9.999 6 0 200 0 1 9.999 8 13 200 14.95 2 10.000 5 35 200 40.25 3 10.000 3 87 200 100.05
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