湖泊沉积物孔隙水磷酸盐含量原位监测技术研究进展

收稿日期：２０１３－１１－２９；改回日期：２０１４－０３－２４基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＣ０２Ｂ０２）和国家自然科学青年基金项目（４１４０３１１３）联合资助。第一作者简介：罗婧（１９９０－），女，硕士研究生，主要研究方向为湖泊环境科学。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｏｊｉｎｇ＠ｖｉｐ．ｇｙｉｇ．ａｃ．ｃｎ．湖泊沉积物孔隙水磷酸盐含量原位监测技术研究进展罗婧１，２，王敬富２，３，杨海全２，３，徐洋１，陈敬安２（１．贵州大学，贵阳５５００２５；２．中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳５５０００２；３．中国科学院大学，北京１０００４９）摘要：传统的沉积物孔隙水磷酸盐含量测定方法通常是采用离心法获取沉积物柱芯孔隙水，然后再进行磷酸盐含量测定。这种常规测定方法不仅破坏了沉积物的原本物理化学结构，而且分样间距多为厘米级，无法满足沉积物－水界面磷酸盐的高分辨率分布特征研究和释放通量的高精度估算要求。为克服传统监测技术破坏系统原始状态和分辨率低的弊端，近年来沉积物孔隙水磷酸盐原位监测技术迅猛发展，较为成熟的有透析装置技术（Ｄｉａｌｙｓｉｓｐｅｅｐｅｒｓ）、薄膜扩散平衡技术（Ｄｉｆｆｕｓｉｖｅｅｑｕｉｌｉｂ－ｒｉｕｍｉｎｔｈｉｎ－ｆｉｌｍｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＤＥＴ）和薄膜扩散梯度技术（Ｄｉｆｆｕｓｉｖｅｇｒａｄｉｅｎｔｓｉｎｔｈｉｎ－ｆｉｌｍｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＤＧＴ）等。本文综述了透析装置技术、薄膜扩散平衡技术和薄膜扩散梯度技术的基本原理和应用实例，对比分析了他们各自的优缺点和发展应用前景。ＤＧＴ作为一种新型、廉价的原位被动采样技术，具有原位和高分辨率监测的优点，被广泛应用于水体、沉积物和土壤等研究，在获取沉积物孔隙水磷酸盐含量及时空分布特征等方面优势突出。如何延长ＤＧＴ胶体的使用寿命、提高监测的空间分辨率和实现多元素同步监测是其主要发展方向。大量研究表明，沉积物内源磷释放与沉积物中Ｆｅ－Ｓ的耦合循环存在密切联系，深入了解湖泊沉积物Ｐ－Ｆｅ－Ｓ的耦合生物地球化学循环过程是揭示湖泊内源磷释放机制的一把钥匙。快速发展的薄膜扩散梯度（ＤＧＴ）技术及其与ＤＥＴ技术联用无疑为Ｐ－Ｆｅ－Ｓ耦合循环研究提供了有效手段，亟待在不同类型湖泊中应用和完善，为深刻揭示Ｐ－Ｆｅ－Ｓ耦合循环过程与机制提供独特信息。关键词：沉积物；磷酸盐；透析装置技术；ＤＥＴ；ＤＧＴ；原位监测中图分类号：Ｘ５２文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－９２５０（２０１４）０５－０６８８－０７湖泊富营养化是当前我国面临的最主要水环境问题之一。众多研究表明，水体中氮磷浓度过高是引起湖泊富营养化的根本原因［１］。水体中磷的来源主要包括外源输入和内源释放［２－４］。外源性磷又可分为两大类：①点源，来自流域城镇生活污水和工业废水的排放，这种排放通常是湖泊水体中磷负荷的重要来源；②面源，来自流域的农田径流、大气沉降、畜禽和水产养殖等［５，６］。本文中内源性磷特指沉积物中的磷。随着国家环保政策的不断完善和各项外源治理工程的相继实施，湖泊外源磷的输入已逐步得到有效控制，而湖泊底泥内源磷释放对水环境的影响日益凸显［２，７，８］。研究表明，孔隙水扩散和沉积物再悬浮作用可导致大量污染物向水体释放，沉积物内源磷可能成为水体磷的重要来源［９－１１］。沉积物孔隙水溶解态反应性磷（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ，ＤＲＰ）可直接被动植物利用，是反映沉积物磷地球化学特征的敏感指标［１２］。湖泊沉积物孔隙水磷酸盐含量水平是影响湖泊上覆水体磷含量的重要因素［１３，１４］，沉积物磷酸盐的释放通量是评估内源磷对湖泊生态系统影响的重要指标。科学估算沉积物磷酸盐释放通量需以准确了解沉积物－水界面磷酸盐的空间分布为前提。传统上，沉积物孔隙水磷酸盐含量通常是采用离心法获取沉积物柱芯孔隙水再进行磷酸盐含量测定而获得。这种监测方法不仅破坏了沉积物的原本物理化学结构，而且分样间距多为厘米级，对于沉积物－水界面磷酸盐的微尺度分布研究而言，分辨精度不够。为克服传统监测技术的弊端，沉积物孔隙水磷酸盐原位监测技术近年来得到了迅猛发展。原位监测技术是一种新型的环境污染８８６地球与环境ＥＡＲＴＨＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ２０１４年第４２卷第５期Ｖｏｌ．４２．Ｎｏ．５，２０１４物采样／分析方法，与传统方法相比，具有明显优势：可以在基本不影响母体溶液和周围环境的前提下，在线收集目标监测物质，真实反映出其在被测体系中的真实浓度或者是时间平均浓度。目前发展较为成熟的原位监测技术有透析装置技术（Ｄｉａｌｙｓｉｓｐｅｅｐｅｒｓ）、薄膜扩散平衡技术（Ｄｉｆｆｕｓｉｖｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｉｎｔｈｉｎ－ｆｉｌｍｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＤＥＴ）和薄膜扩散梯度技术（Ｄｉｆｆｕｓｉｖｅｇｒａｄｉｅｎｔｓｉｎｔｈｉｎ－ｆｉｌｍｓ