氧纳米气泡改性颗粒对城市污染河流的增氧除磷效率研究

缺氧是城市污染河流水质持续恶化的关键诱因。本研究利用醇-水替换法将氧纳米气泡负载到膨润土、凹凸棒石和白云母矿物表面开发了氧纳米气泡改性矿物材料,并在室内开展了城市污染河流沉积物柱芯增氧除磷试验研究。结果表明,投加氧纳米气泡改性矿物材料使沉积物-水界面溶解氧含量快速提升,最高达7.0 mg/L以上,沉积物表层1.0 cm转变为好氧状态。与对照组相比,实验组柱芯上覆水体总磷含量降低90%以上。沉积物-水界面溶解氧的提升提高了表层沉积物氧化还原电位,抑制硫酸盐还原和还原态S^(2-)的形成,增加了沉积物铁氧化物对磷酸盐的固持能力。16S rRNA分析表明,投加氧纳米气泡改性矿物材料抑制了Longilinea和Syntrophomonas在表层沉积物中的生长,促进了Thermomonas的富集,微生物群落的变化显示了底栖生物生存环境的改善。Acidovorax和Acinetobacter丰度增加也反映了增氧过程中,硝酸盐还原亚铁氧化菌和聚磷菌对磷下降的作用。氧纳米气泡改性矿物材料能快速提升沉积物-水界面含氧性,有效抑制沉积物磷的释放,在城市河流水质改善和内源污染原位控制方面具有良好的应用前景。

湖泊沉积物内源磷通量定量方法与研究展望

磷是湖泊初级生产力的关键限制性元素。沉积物磷释放是湖泊水体磷的重要内源,特别是在外源磷输入得到有效控制的湖泊。量化湖泊内源磷通量对科学制定湖泊富营养化治理策略具有十分重要的现实意义。本文综述了现有的湖泊内源磷通量的定量估算方法,即原位观测法、沉积物柱芯培养法、孔隙水浓度剖面估算法、质量平衡法、同位素质量平衡法和经验公式法,系统分析了6种方法的原理、操作、优缺点及适用性;讨论了内源磷总通量与净通量的差异、时间和空间尺度的重要性以及深分层湖泊与浅分湖泊的区别。最后就加强湖泊内源磷通量及其环境意义的研究提出建议:为了正确评估内源负荷对湖泊水体磷的贡献,应强调总通量而不是净通量,重视沉降通量和沉积物再悬浮与再沉积的研究;应根据研究目的选择恰当的时空尺度;应重视内源磷负荷对湖泊初级生产力影响的研究。

湖泊有机质降解过程生源要素活化行为研究进展与展望

水体富营养化是全球面临的最突出的生态环境问题之一。大量研究表明,碳(C)、氮(N)、磷(P)等生源要素是控制富营养化的关键因子。随着日益强化的流域污染治理工程的实施,流域外源氮磷输入通量显著减少,但很多湖泊水体的氮磷浓度并未如预期那样显著降低,藻类水华依然频发,湖泊内负荷被认为是罪魁祸首。湖泊内负荷聚焦的C、N、P等生源要素在湖泊生态系统中的生物地球化学循环往往以有机质为主要载体,藻类生长过程伴随着C、N、P的吸收和有机质形成,而有机质在水体沉降和沉积物早期成岩过程中的矿化降解则伴随着C、N、P的释放。虽然C、N、P等生源要素都伴随着颗粒有机质矿化而活化再生,但它们在此过程中并不是等比例活化释放。国内外有关有机质降解过程中生源要素活化行为的研究已取得重要进展,主要体现在:(1)水体颗粒物的C∶N和C∶P比值随水体深度增加而逐渐增大,表明水体颗粒态氮和颗粒态磷通常具有比颗粒态碳更快的矿化速率;(2)缺氧条件下有机质降解过程磷比碳优先释放且强度远高于富氧环境;(3)微生物及其驱动的聚磷酸盐循环和酶水解作用可能是导致有机质降解过程磷优先活化的重要原因。水体富营养化后,有机质降解过程磷优先活化可能加速了磷的再循环,易形成“藻类暴发→水体缺氧加剧→有机质降解磷优先活化”正反馈机制,加大了富营养化修复治理难度,未来研究应着重加强有机质降解过程生源要素活化行为差异的原因机制及生态环境效应研究。

西南喀斯特地区地表水和地下水环境污染特征与研究展望

西南喀斯特地区是长江和珠江上游的重要水资源安全屏障。随着全球变化和矿产资源的开发利用,西南地区地表水和地下水污染日益严峻。本文系统总结了西南地区地表水和地下水的污染特征,主要表现在:1)地表水和地下水之间独特的交互关系影响水循环和水资源利用;2)水动力条件驱动水环境中污染物的富集和迁移转化动力学过程;3)大宗固体废弃物引起地表水和地下水交叉污染;4)湖泊水库潜流带高内源污染负荷导致二次污染风险大;5)地下水环境极其脆弱,极易受到污染,脆弱性评价方法缺乏。水污染难以根治的主要原因在于未弄清污染物在地表水-地下水系统中的运移规律。未来研究亟需瞄准西南喀斯特地区水环境保护国家重大需求,构建地表水-地下水监测网络体系,揭示污染物的多尺度迁移转化动力学规律与健康风险,研发经济、高效的水污染综合防治技术,支撑西南生态文明建设和乡村振兴战略。

贵州红枫湖沉积物磷赋存形态的空间变化特征

选取贵州省红枫湖这一典型的亚深水型人工湖泊作为对象,研究了6个代表性湖区沉积物柱芯磷的赋存形态,结合水体温度和溶解氧现场监测结果,探讨了该类型湖泊沉积物内源磷释放风险.研究结果表明,红枫湖沉积物总磷含量普遍较高,表层沉积物总磷含量均值大于1500 mg/kg,明显高于下部沉积物.NaOH-SRP和rest-P是沉积物磷的主要赋存形态.NH4Cl-P和BD-P含量表层最高,随深度增加明显降低,rest-P含量在垂向上变化不大.人为活动是造成沉积物总磷及赋存形态空间分布差异的主要原因,工业废水和网箱养鱼活动等大大增加了沉积物NaOH-SRP含量.红枫湖深水湖区底部水温多在14.5～23.5℃之间,随季节变化底部水温差异明显,溶解氧含量通常不高于1.5 mg/L,整体处于季节性缺氧或厌氧状态.以NaOH-SRP为主的沉积物磷赋存形态和深水缺氧环境大大增加了红枫湖沉积物内源磷释放的风险,在未来的研究中亟待加强对该类型湖泊沉积物内源磷释放机制、控制因素及治理措施的研究.

红枫湖季节性热分层消亡期水体的理化特征

以云贵高原典型的人工河道型水库红枫湖为研究对象,对近2年来4个代表性湖区季节性热分层消亡期水体的理化特征进行了原位监测.结果表明:红枫湖水体季节性热分层历经发生、发展和消亡的周期性演化过程,对湖泊水环境的变化起着重要的控制作用.秋季初期,气温骤降易于引起季节性热分层的突发性消亡,表现为水体垂向混匀.以2010年为例,分层消失使得上层水温由28.6℃降至23.0℃,ρ(DO)(溶解氧浓度)由9.6 mg/L降至4.0 mg/L,pH由8.8降至7.9,电导率由0.32 mS/cm升至0.36 mS/cm,局部湖区出现鱼类死亡现象;短时间内的剧烈垂直混合,致使沉积物营养盐扰动释放,上部水体ρ(TP)增加了约0.01 mg/L,ρ(TN)增加了0.1 mg/L.红枫湖水体垂向混合可对湖泊水环境产生重要影响,其影响的水体深度和环境效应一方面与气温变幅等因素有关,另一方面还受湖泊温跃层位置和底层水体的绝对温度等因素控制,在预测该类突发性水质恶化事件及评估其环境影响时需予以考虑.

贵州百花湖沉积物磷、氮及有机碳的空间分布特征

采集贵州百花湖沉积物柱芯,测定沉积物总磷(TP)、总氮(TN)和有机碳(Corg)含量,并进行TP、TN及Corg含量相关性分析.结果表明,百花湖沉积物TP、TN及Corg含量平均值分别为976 mg.kg-1,0.34%、2.91%,表层沉积物污染严重,随着沉积物深度的增加沉积物TP、TN及Corg含量逐渐降低.不同沉积物柱芯相同层位TP、TN及Corg含量存在较大差别,表明不同湖区底泥污染程度存在较大差异,在实施内源污染控制工程时需充分考虑这一特点,对不同湖区采用不同的治理与控制措施.

贵州红枫湖越冬藻类的空间分布与实验室复苏实验

本文选取贵州省红枫湖这一典型的亚深水型湖泊作为研究对象,在8个代表性湖区开展了为期一年的表层水体藻类浮游植物分布的月定量监测,并在4个采样点采集新鲜沉积物进行了越冬藻类赋存与复苏模拟实验研究.研究表明,红枫湖表层水体藻类种群密度蓝藻绿藻>硅藻>甲藻,蓝藻为优势门类,水体藻类种群密度秋季初期最高,其次是春季初期和夏季,具有明显的季节性演化特征.水体中越冬藻类以蓝藻为主,其次是硅藻和绿藻,水深对水体中藻类的种群密度及组成没有显著影响.沉积物中越冬藻类以硅藻为主,基本不含蓝藻.模拟实验表明,水体中的光照条件对藻类的复苏和生长有重要影响,温度和沉积物中藻类的种群密度与组成同样影响藻类的复苏.

微电极测量系统在湖泊沉积物-水界面生物地球化学过程研究中的应用

本文利用微电极测量系统对高原深水型湖泊红枫湖沉积物-水界面O2和H2S的微剖面分布进行了高分辨率研究。结果表明,红枫湖北湖中部和大坝沉积物-水界面扩散边界层厚度约为0.7mm,O2的扩散通量(J)分别为5.80和7.65mmol·m-2·d-1,O2的渗透深度分别为3.6±0.3mm和3.4±0.9mm,H2S的剖面变化主要受沉积物组成、O2消耗速率和硫酸盐还原菌(SRB)分布的影响。微电极测量系统具有原位测定、时空分辨率高、数据可靠性好等优点,在湖泊沉积物-水界面微尺度生物地球化学过程和驱动机制研究方面可发挥重要作用。

红枫湖沉积物内源磷释放通量估算方法的对比研究

湖泊沉积物内源磷是湖泊水体磷的重要来源,但目前对内源磷释放通量的科学估算缺乏定量研究。本文以贵州红枫湖为研究对象,对比研究了野外调查分析法、模拟实验法和扩散模型法等3种估算方法下的红枫湖沉积物内源磷释放通量。结果表明,野外调查分析法可宏观获取水体污染物来源的概况,但对采样点布设、采样频次和周期等要求较高,估算结果往往存在较大偏差和不确定性;模拟实验法可粗略获得沉积物磷释放通量,但由于取样和实验培养过程破坏了沉积物的物理化学结构,估算结果难以精确;扩散模型法可定量估算沉积物磷释放通量,但须与沉积物-水界面高分辨率观测数据相结合才能使结果可靠。红枫湖沉积物内源磷输入对水体磷污染的贡献较高（25.7%-46%）,因此在富营养化治理过程中,一方面应继续强化外源污染治理,另一方面亟待加强对沉积物内源磷释放的有效控制。

贵州红枫湖沉积物磷的生物有效性研究

选取贵州红枫湖这一典型的高原深水湖泊为研究对象,对其沉积物磷的生物有效性开展系统地分析研究。结果表明,红枫湖沉积物生物有效磷(BAP)含量从高到低依次为藻类可利用磷(AAP)>Na HCO3可提取态磷(Olsen-P)>水溶性磷(WSP),平均值分别为323、61.2和3.1mg/kg。红枫湖沉积物BAP含量呈现随深度增加而降低的垂向分布特征,在表层沉积物中含量较高,存在较大的磷释放风险。相关性分析表明,弱吸附态磷(NH4Cl-P)和可还原态磷(BD-P)可能是沉积物生物活性磷最主要的来源。红枫湖沉积物磷生物有效性的科学评价,将为科学制定湖泊沉积物内源磷污染治理方案提供理论依据。

深水人工湖环境生物地球化学过程研究：以贵州红枫湖-百花湖为例

红枫湖和百花湖地处长江支流乌江水系猫跳河流域,位于黔中人为活动高强度地区,具低纬度-高海拔的地理区位;是河道型梯级开发的人工湖,具碳酸盐岩的地质背景、水寄宿时间小、水深变幅大、水体多功能、农区与覆水区镶嵌等重要特征。红枫湖表层沉积物Pb稳定同位素组成表明其污染具多源特征;剖析百花湖-红枫湖"突发性"水质恶化相互关联水质指标表明"湖泊黑潮"是特定季节、特殊气候条件下,沉积有机质生物氧化作用的耦合;脱氮过程受阻的pH控制导致亚硝酸根浓度增高;维护该湖泊水系环境质量需预防工业污染、流域侵蚀、生活污染并综合治理湖区。

氧化还原条件对红枫湖沉积物磷释放影响的微尺度分析

选取贵州红枫湖为研究对象,在实验室条件下模拟了自然、好氧和厌氧条件下沉积物内源磷的释放过程,联合应用微电极技术和沉积物磷形态分析对沉积物—水界面开展了微尺度观测与研究.结果表明,厌氧条件下红枫湖沉积物总磷含量显著降低,且主要是NaOH提取态磷(NaOH-P)和残渣态磷(rest-P)含量降低所致,厌氧条件下沉积物孔隙水中磷酸盐浓度明显升高,而好氧条件下沉积物孔隙水磷酸盐浓度显著降低,反映厌氧条件显著促进了红枫湖沉积物磷释放.厌氧条件下沉积物内部溶解氧浓度下降、硫还原活动增强可能是导致NaOH-P释放的主要原因.O_2浓度的降低加速了沉积物还原作用并产生大量H2S,进而与二价铁离子形成硫化亚铁沉淀,最终导致NaOH-P(Fe-P)释放到孔隙水中.好氧条件向厌氧条件的转换可通过改变沉积物内部pH值分布和微生物活动促使rest-P释放:厌氧条件下,厌氧微生物不仅可以消耗硫酸根产生H_2S,导致pH值降低,还可消耗有机质,将有机磷转变为无机磷.上述研究结果表明,沉积物—水界面氧化还原环境可影响沉积物氧渗透深度、pH值分布、微生物活动、硫循环以及有机质降解过程,进而控制沉积物磷的形态转化与释放.联合应用微电极技术和沉积物磷形态分析对湖泊沉积物—水界面开展微尺度观测研究是揭示沉积物内源磷释放机制与控制因素的有效途径.

西南地区水库生态环境特征与研究展望

西南是我国水资源富集区,随着清洁能源"西电东送"、城镇化建设和水利水电发展战略的持续实施,西南地区水库的数量将不断被刷新,水库数量快速增长与日益凸显的生态环境问题存在突出矛盾。西南地区水库具有独特的地质地理背景和生态环境特征,主要表现在:1)具人工建造属性,水环境与生态系统演化起点不同于天然湖泊;2)水位逆周期人为调控,消落带生态功能退化;3)亚深水型,水体季节性分层控制了湖泊的关键物理、化学和生物过程;4)沉积物有机质和营养盐蓄积量大,潜在二次污染风险大;5)物质循环的累积效应对水库及下游水环境与水生态安全具重要影响;6)水体富营养化与重金属污染叠加、复合;7)物质循环和生物过程受多界面作用控制。当前对西南地区亚深水型水库生态环境的研究远落后于东部浅水湖泊,亟待对其生态环境演变过程与规律开展深入研究,研究建立与之适宜的水环境演变理论和治理技术体系,为该类型水库生态环境保护与治理提供有效科技支撑。

湖泊沉积物不同赋存状态Rb、Sr地球化学记录研究

湖泊沉积物中不同赋存状态的Rb、Sr记录了不同的表生地球化学过程和环境信息。本文选取广东湖光岩玛珥湖和内蒙古岱海作为研究对象,对沉积物柱芯不同赋存状态Rb、Sr的剖面变化进行了对比研究,发现湖光岩玛珥湖和岱海沉积物中不同赋存状态Rb、Sr的剖面变化存在显著差异,笼统利用沉积物全样Rb/Sr比值来反映流域气候环境变化是不合适的,甚至可能得出错误的结论。湖光岩玛珥湖和岱海沉积物中Sr非残渣态/Rb总与TIC、TOC、TN、C/N等环境代用指标的综合对比研究表明,Sr非残渣态/Rb总可有效指示流域化学风化变化:当流域化学风化作用增强时,沉积物Sr非残渣态/Rb总增大;当流域化学风化减弱时,沉积物Sr非残渣态/Rb总降低。因此,对不同类型的湖泊,在利用湖泊沉积物Rb、Sr地球化学记录反演古气候/古环境变化时,需综合考虑湖盆流域地质地理背景和湖泊自身特点,选用合适的研究方法,才能得出可靠的结论。

贵州红枫湖底泥磷释放的模拟实验研究

在实验室条件下,模拟了温度、溶解氧（Dissolved Oxygen,DO）、pH、扰动、微生物等环境因子对红枫湖底泥磷释放的影响。实验结果表明：（1）底泥磷的释放量随温度的升高而增大,5℃时底泥磷的释放通量为0.59mg·m-2·d-1;25℃和35℃时底泥磷的释放通量分别为1.25和3.68mg·m-2·d-1。（2）厌氧（DO〈2.0mg/L）条件下,底泥磷释放显著,释放通量在1.15~4.57mg·m-2·d-1之间;好氧（DO〉6.0mg/L）条件下,底泥磷的释放通量仅为0.82mg·m-2·d-1。（3）底泥磷的释放与上覆水pH值密切相关,且释放量随上覆水pH值的升高而增大,当pH=5.5和pH=7.5时,底泥磷的释放通量分别为1.15和1.25mg·m-2·d-1;当pH=9.5时,底泥磷的释放通量为4.57mg·m-2·d-1。（4）扰动条件下的底泥磷释放通量（2.62mg·m-2·d-1）明显大于静置条件下的底泥磷释放通量（1.25mg·m-2·d-1）。（5）微生物对底泥磷释放有明显影响,灭菌条件下的底泥磷释放量明显大于有微生物条件下的底泥磷释放量。综上所述,高温、厌氧、高pH值、强烈扰动均可促进红枫湖底泥磷的释放,微生物对底泥磷释放有明显抑制作用。基于红枫湖底泥磷释放模拟实验结果,计算了不同环境条件下红枫湖底泥磷的释放通量,在此基础上估算出红枫湖夏季热分层期间（6~9月）底泥磷释放量约为8.58t,占红枫湖水体总磷负荷（约28t）的30.6%,表明红枫湖底泥内源磷释放对水体磷负荷和富营养化有重要贡献,亟待开展底泥内源污染治理。

红枫湖入库河流沉积物中重金属污染状况分析

采用综合污染指数法和Hakanson生态风险指数法,对红枫湖几条主要入湖河流入湖处以及原后五养殖区沉积物中8种重金属(Cd、Pb、Cu、Co、Ni、Cr、V、Zn)含量进行了分析。研究结果表明桃花源河污染最严重,达到了中等污染水平(P=2.70,RI=171.02);后六河尽管Zn污染较严重,但其生态危害性低;其余河流的污染程度都较低。几条入湖河流的潜在生态危害性由高到低的顺序为:桃花源河>后六河>羊昌河>麻线河。所研究的8种重金属中只有Cd(Eir均≥40)具有较高的潜在生态风险,桃花源河的Cd的Eir最高(Eir=82)。其余重金属由于毒性系数小,尽管部分重金属含量达到了背景值的许多倍,但都无显著的潜在生态风险。但是后六河的Zn含量高过了生态效应必然浓度值(PEL),需引起重视。通过对桃花源河沉积物重金属含量垂向变化的研究发现,在早期成岩过程中沉积物中Cd、Pb、Ni、Co、Cr、Cu、V的沉降主要受有机质的控制;Cr不仅受有机质的影响,还受氧化还原条件的影响;而Zn则明显受粒度的控制。

环境地球化学研究近十年若干新进展

环境地球化学学科在中国生态文明和美丽中国建设、国际环境公约履约及过去全球变化研究中发挥着越来越大的作用。本文简要回顾了中国过去十年在环境地球化学领域的部分研究进展,介绍了汞、持久性有机污染物和其他重金属污染物长距离传输研究进展;总结了汞、镉、锑、铊等非传统稳定同位素在地表生物地球化学循环过程中的同位素分馏规律及污染来源和环境过程示踪方面的研究进展;回顾了传统稳定同位素地球化学与污染示踪及过去全球变化方面的研究进展。指出了以上研究方向还存在的问题及未来研究方向。

草海沉积物营养元素分布特征与控制因素

选取贵州草海这一典型高原湖泊湿地作为研究对象,在代表性湖区共布设17个采样点,采集了表层沉积物和沉积物柱芯,对沉积物总有机碳(TOC)、总氮(TN)和总磷(TP)分布特征及控制因素开展了对比研究。研究结果表明,草海表层沉积物营养盐分布主要受外源输入和湖泊初级生产控制:表层沉积物TOC、TN含量平均值分别为232.98mg/g和25.21mg/g,远高于国内其他湖泊,且呈现湖心高、近岸区低的分布特征,由于氮较高的迁移性和生物可利用性,草海沉积物TN明显受湖泊水生植物生长控制,主要以有机质形式赋存于沉积物中;表层沉积物TP含量平均值为1.03mg/g,其空间分布特征显著不同于TOC、TN,在湖心、东南湖区和出水口其含量较低,主要受外源输入控制,且主要以沉淀、吸附等无机形态赋存于沉积物中。草海沉积物柱芯中TOC、TN、TP含量总体上呈现随深度增加先迅速降低而后趋于稳定的变化趋势,但不同湖区其含量差异较大,反映了人为干扰强度和沉积环境的差异。草海流域外源污染物输入和沉积物较高的营养盐内负荷是其水体富营养化面临的主要威胁,一方面应采取有效手段消减外源污染物输入,另一方面应通过合理的生态修复措施控制内源营养盐释放。草海繁茂的沉水植物增强了水体自净功能,优化草海水生植物种群结构、恢复草型健康湖泊生态系统对保护草海生态环境具有重要意义。

一种可实现不同水深条件下采样的湖泊沉积物柱芯采样装置

沉积物柱芯采样器是一种广泛应用于生态环境研究的科研装备。在前人研究的基础上,我们研制了一套携带方便、操作简单、适用范围广、取样效果好的湖泊沉积物柱芯采样装置。通过组件的不同组合,该采样装置可实现不同水深条件下的沉积物柱芯采样,采集的沉积物厚度可达80～150cm。该采样装置具有体积小、重量轻、结构简单、性能可靠的特点。此外,该采样装置还配备了简单实用的分样装置,可快速、准确的进行野外分样。