湖泊沉积物磷形态分布特征及磷来源辨析:基于磷酸盐氧同位素方法

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沉积物是湖泊磷的蓄积库,但在一定条件下,沉积物又由磷的“汇”转变为“源”。探究沉积物中磷的赋存形态和磷来源,对控制和治理湖泊富营养化具有十分重要的指导意义。本论文针对湖泊沉积物高碳、杂质多的特点,对已有的磷酸盐氧同位素(δ18OP)方法进行整合优化,建立一套适用于湖泊沉积物的磷酸盐氧同位素前处理方法。以我国深水湖泊抚仙湖为研究对象,对湖心沉积物、主要入湖河流河道及河口沉积物、流域土壤样品进行磷分级提取,分析其形态分布特征。运用磷酸盐氧同位素方法分析抚仙湖沉积物样品及其流域样品的磷酸盐氧同位素组成,结合磷形态分析结果进行溯源分析。主要研究结果如下:  (1)对比预处理除碳方法、Blake法和McLaughlin法等现有的磷酸盐氧同位素前处理方法发现,NaClO处理可以使无机磷提取液中DOC含量减少32%~74%,且对无机磷提取率和磷形态几乎无影响;H2O2处理对有机质去除效果不稳定,并且会造成磷形态之间的转化;通过McLaughlin法获得的Ag3PO4中C和N杂质含量分别是Blake法的5.4倍和17.2倍。表明NaClO法适合湖泊沉积物预处理除碳;Blake法具有较高有机质去除率和稳定性,适用于湖泊沉积物样品纯化。本文结合NaClO法与Blake法的优点,建立了一种适合湖泊沉积物的磷酸盐氧同位素前处理方法:首先用2.5% NaClO对沉积物样品进行除碳预处理,然后用1M HCl提取预处理后沉积物的磷酸盐,接着对磷酸盐提取液依次通过氢氧化镁共沉淀(MAGIC)、磷钼酸铵(APM)+磷酸铵镁(MAP)沉淀、阳离子交换树脂处理,最后生成Ag3PO4。  (2)对抚仙湖流域主要入湖河流河口表层沉积物和流域表层土壤样品进行磷形态对比分析,发现东大河流域样品碎屑磷灰石(CAP)占总磷的57.8%以上,东大河菜地、马料河河道和路居河道以自生磷灰石(CFAP)为主,梁王河菜地、隔河河道和红土以有机磷(Org-P)为主;东大河河口以CAP为主,其他河口沉积物CFAP、CAP和Org-P含量差异不明显。北湖心与南湖心相比,磷形态特征更接近与东大河。流域样品之间的差异大于河口样品,表明沉积物从流域汇入到河口的过程中,磷形态的特异性有减弱趋势,且北半湖比南半湖受磷矿影响更大。  (3)对东大河河口以及南北湖心柱状沉积物的磷形态沉积特征进行分析,发现北湖心磷形态垂向变化与东大河河口类似,CAP变化最为明显,分别在2-9cm和8-14cm处出现剧烈变化,与流域磷矿开采鼎盛时期和全面停采的时间一致,但南湖心磷形态无明显垂向变化。表明东大河河口沉积物和北湖心沉积物受帽天山磷矿开采活动影响严重,且磷矿关停后对东大河的影响依然存在,对北湖心的影响逐渐减小;南湖心受磷矿影响较小,垂向变化特征可能与沉积物粒径和硅藻类型的变化有关。  (4)对抚仙湖流域土壤和湖泊沉积物样品进行磷酸盐氧同位素组成进行分析,发现矿源性磷的δ18OP最低,约10.8‰~11.5‰;藻源性磷δ18OP最高,约15.5‰~17.6‰;农业面源12.9‰~14.1‰。北半湖和南半湖δ18OP均呈现河道<河口<湖心的趋势(隔河除外);东大河和北湖心沉积物δ18OP与无机磷含量呈显著负相关,但南湖心δ18OP与无机磷含量关系不明显。矿源磷输入是影响东大河和北湖心δ18OP特征的主要因素,很好地印证了磷形态分析结果。通过对不同时期沉积物磷酸盐氧同位素和磷含量的分析,发现磷矿开采前东大河河口对北湖心沉积物中无机磷贡献率仅有10.09%,磷矿开采鼎盛时期,贡献率高达37.74%,磷矿停采之后,贡献率仍有29.78%。
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