大宁河回水区消落带土壤磷释放动力学研究

收稿日期：2010-06-20；修订日期：2010-12-28基金项目：科技部国际(中德)合作项目（2007DFA90510）资助作者简介：张晨光（1984-），黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，主要从事农业面源污染控制方面的研究。

E-mail:chenguangzhang@ *通讯作者：E-mail:zhangnaiming@ 。

大宁河回水区消落带土壤磷释放动力学研究张晨光1，徐德星2，张乃明1*，郑丙辉3（1.云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201；2.蓝星环境工程有限公司，北京101318；3.中国环境科学研究院河流与海岸带环境研究室，北京100012）摘要：以三峡大宁河回水区消落带采集的6个土壤样品为研究对象，在室内模拟条件下，通过磷释放动力学实验，研究了三峡入库河流大宁河消落带土壤磷释放动力学特征，并分析了样品组成特征对释放动力学的影响，结果表明：指数动力学模型可以很好的拟合大宁河回水区消落带土壤样品磷释放动力学特征，前25h 为快反应，磷释放速度较大，随后进入慢反应，逐渐达到最大磷释放量；样品磷释放动力学特征与总氮、总磷和有机质等理化指标相关性较弱；样品磷释放动力学特征与Fe/Al-P 的呈现极显著正相关关系，与Ca-P 和O-P 的相关性较弱，这说明样品中磷的释放量主要受Fe/Al-P 含量控制。

关键词：大宁河；回水区；消落带；磷中图分类号：S147.2文献标识码：A文章编号：0564-3945（2011）05-1159-06Vol.42,No.5Oct.,2011土壤通报Chinese Journal of Soil Science第42卷第5期2011年10月磷（P ）是大多数淡水水体富营养化的主要限制性因子[1]。

三峡水库蓄水后,磷成为其生态系统生产力的限制性因素[2]。

沉积物是湖泊水库营养物质的重要蓄积库，营养物质在沉积物中不断积累，形成营养物质的内源污染负荷[3]。

沉积物营养物质的内源释放能够维持上覆水体中的营养物质浓度，导致水华现象的持续发生[4]。

大宁河是三峡水库的典型支流之一，发源于川、陕、鄂交界的大巴山南麓，地跨重庆市巫溪、巫山两县。

大宁河流域面积343.5km 2，过境流程54.9km 2，多年平均流量98.4m 3s -1，是巫山县境内最大的长江支流水系[5]。

该流域位于亚热带湿润季风气候区，年平均气温15~16℃，多年平均降雨量1000~1300mm 左右，4~10月为雨季，夏季多暴雨[6]。

当地的土壤类型主要为黄壤和黄棕壤，流域内植被主要为亚热带常绿阔叶林[7]。

流域内的主要作物有玉米、小麦、水稻和马铃薯等，土地利用类型主要为耕地、草地、林地和其他类型，其面积分别占土地利用总面积的26%、14%、59%和1%[8]。

按照三峡水库支流回水区水体水力滞留时间和流速指标分类，大宁河回水区属湖泊型水体，易产生富营养化。

由于河流水体污染的原因，大宁河经常出现蓝藻“水华”现象[9]。

迄今，大宁河水体富营养化及水华现象的出现已经引起各方面的关注和重视，也对其进行了一些相关研究[9,10~13]。

大宁河回水区消落带建坝以前多为农业耕作区，农业耕作过程中农药和化肥的使用，可能致使消落带土壤较高的氮磷含量。

针对大宁河回水区沉积物和消落带土壤磷形态所做的监测表明：对比同站位的沉积物样品，消落带土壤各形态磷含量平均高出很多[14]，因此，本研究着重对消落带土壤磷释放动力学进行实验，揭示土壤磷释放动力学特征，为三峡库区支流大宁河回水区富营养化治理提供理论指导和科学依据。

1材料与方法1.1采样点布置样品于2007年10月采集。

由大宁河回水末端至长江干流交汇处，共设置6个采样点，依次标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6，采样站位如图1所示。

每个站位采集河流中泓线处沉积物样品，同时采集消落带土壤样品。

图1大宁河六个采样点站位示意Fig.1Six sediment sampling sites in Daning River第42卷土壤通报1.2样品的采集和处理用蚌式采泥器采集表层（0~5cm）沉积物样品，同时采集消落带表层土壤（0~2cm）样品。

样品采集后，放在铁盒中、密封好，于4℃条件下保存。

样品运回实验室后，-20℃条件下冷冻，经FD-1A-50型冷冻干燥机冷冻干燥处理，用重物捣碎、过100目（0.149mm）筛，保存于封口袋中，置于干燥器中备用。

1.3释放动力学实验称取0.5g样品于一系列100ml离心管中，各离心管分别加入0.02mol L-1的KCl溶液50ml，在（25±1）℃下，恒温振荡（150r min-1），实验开始前，先将装有混合液的离心管振荡30min，当样品与水溶液充分混合后开始计时。

实验初期每隔1h取样，取样时停止振荡。

取样时间点（11次）：1h、2h、3h、4h、5h、7h、10h、20h、30h、40h、50h，500r离心15min，上清液过0.45μm微孔滤膜，分别测定总溶解性磷（TDP）含量，根据上清液磷酸盐含量计算磷释放量。

以上实验在相同的条件下作3次平行实验。

实验所用器皿均用稀硫酸浸泡过夜，所用药品均为分析纯。

1.4样品分析样品磷形态分析方法采用欧洲标准测试委员会框架下发展的SM T[15,16]法，该法将沉积物中的磷分为总磷（TP）、有机磷（OP）、无机磷（IP）、铁铝结合态磷（Fe/Al-P）和钙结合态磷（Ca-P），具体步骤见图2；有机质用重铬酸钾容量法[17]测定；主要元素组成用电感耦合等离子体发射光谱仪测定（此分析项目数据由德国方面提供）；颗粒组成用马尔文2000型激光粒度分析仪测定（此分析项目由中国科学院生态环境研究中心协助完成）；矿物组成采用X射线衍射法测定（此分析项目由中国地质大学地学中心协助完成），测试参照标准为JY/T009-1996。

图2淡水沉积物磷形态分离SMT法Fig.2SMT protocol for phosphorus forms sequential extraction in freshwater sediment2结果与讨论2.1理化性质大宁河回水区消落带土壤样品粒径组成见表1。

样品粒径组成主要为粉砂、极细砂和粘土，其中粉砂的平均含量达到67.7%。

样品的氧化物组成以SiO2、CaO、Al2O3为主，其中SiO2含量最高。

样品中矿物组成以含Si和Ca的石英、绿泥石、伊利石、长石、方解石为主，含铁矿物含量极低。

样品中有机质含量较高，在2.2%~7.7%之间，最大值出现在S5点处，最小值出现在S1点处，最大值与最小值相差3.5倍，变化范围较大。

大宁河流域以农业为第一产业，耕种过程中农药及化肥的施用以及生11605期张晨光等:大宁河回水区消落带土壤磷释放动力学研究活污水的排放等可能是造成消落带土壤有机质含量较高的主要原因。

大宁河流域多暴雨，水土流失严重，消落带土壤中较高的有机质含量对水体富营养化有潜在的威胁。

粒径组分含量Grain size component concentration （%）表1大宁河回水区消落带供试土壤粒径组分含量Table 1The sediment samples in water-level-fluctuating zones of Daning River grain size component concentration中砂M edium sand9.92.72.603.12.23.4细砂Fine sand 7.610.43.83.23.61.14.9极细砂Very fine sand 10.922.713.415.314.011.014.5粉砂Silt61.254.569.773.568.578.967.7粘土Clay 8.25.210.38.05.47.47.4供试土壤Sediment sample S1S2S3S4S5S6平均值图3大宁河回水区消落带供试土壤磷释放动力学曲线Fig.3Phosphorus release kinetics of sediment samples in water-level-fluc-tuating zone in Daning Riverq m axk b表2大宁河回水区消落带土壤磷最大释放量与释放动力学参数Table 2Best-fitted parameters of the exponential model for phosphorus release kinetics of sediment samples in the backwater-fluctuating zones in Daning RiverS 17.500.121.61S 23.380.210.54S 34.260.190.81S 49.450.091.96S 54.200.180.84S 64.950.171.052.2土壤磷释放动力学特征大宁河回水区消落带土壤样品磷释放动力学结果见图3。

由图3可见，本研究的6个消落带土壤样品磷释放具有相似的变化趋势，沉积物磷释放的动力学过程开始是以快速反应，随后是一慢反应，这与前人的研究结果相同[18~20]。

本研究条件下基本上是前25h 内，具有较大的释放速度，而在25h 之后达到最大释放量（图3），与前人的研究结果类似[20]。

描述磷释放动力学可以用磷释放量对数与释放时间对数的线型关系，即可以用指数动力学模型来描述，具体模型如下：释放动力学模型：ln （q ）=b +k ln （t ）上式中，q 为时段沉积物磷释放总量，mg kg -1；t 为时间，h ；b 为常数；k 为沉积物磷释放速率，mg kg -1h -1。

根据消落带土壤磷释放的动力学实验结果，可以得出本研究条件下，6个样品的最大磷释放量（q m ax ），以及释放动力学模型参数（k 和b ），其结果见表2。

由表2可见，S3和S5两条曲线基本完全重合，这说明这两个土壤样品释放磷的能力基本一致。

本研究条件下，6个消落带土壤样品的释放动力学过程均可以用指数动力学模型来描述，且均达到极显著水平。

这一结果与其它研究者的结果基本一致[21]。

由表3可见，0~1h 释放磷的速率最大，在0.63~6.27mg kg -1h -1之间变化，且0~1h 内所释放的磷量约占最大释放磷量的20%~60%。

表明样品快速释放磷的过程主要发生在0~1h ，1h 之后释放磷的速率逐渐降低，25h 之后释放磷的速率接近于零，即此时达到释放磷平衡。

2.3土壤磷释放动力学特征与其理化性质的相关性土壤动力学模型中常数k 为反应速率常数，k 值的大小标志1着消落带土壤磷释放强度，是表示沉积物磷释放动力学特征的重要参数，最大磷释放量是表示本研究条件下土壤磷释放的能力，也是表示磷释放动力学特征的重要参数。