High mobilization of phosphorus in black-odor river sediments with the increase of temperature  

溫度升高導致黑臭河道沉積物中磷的高度遷移  

來源：Science of the Total Environment, 775 (2021) 145595

《總體環境科學》，第775卷 2021年，文章編號145595  

 

摘要內容：  

摘要指出，溫度升高顯著促進了黑臭河道沉積物中磷（P）的遷移。研究發現，孔隙水中可溶性活性磷（SRP）濃度隨溫度升高而顯著增加（25°C時增加28%，35°C時增加87%，相比15°C）。這種變化主要歸因于沉積物中鐵氧化物（Fe(III)）的還原以及溶解性有機物（DOM）與礦物的競爭吸附作用。溫度升高導致溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh）降低，促使鐵結合態磷（Fe-P）減少，同時DOM增加進一步競爭礦物吸附位點，共同驅動磷釋放。  

 

研究目的：  

1. 探究溫度升高對黑臭河道沉積物中磷遷移和釋放的影響機制。  

2. 揭示磷-鐵-硫（P-Fe-S）生物地球化學耦合過程在溫度驅動磷釋放中的作用。  

3. 量化沉積物中磷形態變化及DOM在競爭吸附中的貢獻。  

 

研究思路：  

1. 原位模擬實驗：采集南京中字河（典型黑臭河道）沉積物（圖1），在實驗室控制溫度（15°C、25°C、35°C）進行15天厭氧培養（持續充氮模擬黑臭環境）。  

 

2. 多技術聯用：  

   ? 丹麥Unisense微電極（OX-100和RD-100）測定沉積物-水界面（SWI）的DO和Eh（圖2）。  

 

   ? HR-Peeper技術獲取孔隙水中SRP、溶解性Fe(II)、UV254（反映DOM）的垂直分布（圖3）。  

 

   ? AgI DGT技術（結合計算機成像密度法）測定沉積物中活性硫化物（S(-II)）的二維分布（圖4）。  

 

   ? 沉積物磷形態連續提取法（Rydin and Welch, 1998）分析不同溫度下磷組分變化（圖5）。  

 

3. 統計分析：使用SPSS進行Pearson相關性檢驗（如SRP與DOM、Fe(II)的相關性，表2）和獨立樣本t檢驗（p<0.05）。  

 

測量數據及其研究意義：  

1. DO與Eh值（圖2）：  

   ? 數據：15°C時DO為3.65 μmol/L（極低），25°C和35°C時進一步降至0.51–0.64 μmol/L；Eh值隨溫度升高顯著降低19%（25°C）和32%（35°C）。  

 

   ? 意義：證實溫度升高加劇沉積物厭氧環境，為鐵還原和磷釋放提供條件。  

 

2. 孔隙水參數（圖3）：  

   ? 數據：SRP濃度隨溫度升高顯著增加（15°C→35°C：+87%）；UV254（代表DOM）同步增加160%；溶解性Fe(II)濃度下降50%。  

 

   ? 意義：SRP與DOM顯著正相關（r≥0.776，表2）表明DOM競爭吸附促進磷釋放；Fe(II)減少與硫化物生成有關（圖4）。  

 

3. 活性硫化物（圖4）：  

   ? 數據：15°C時S(-II)濃度為0.027 mg/L，25°C和35°C時升至0.042 mg/L和0.186 mg/L。  

 

   ? 意義：溫度升高促進硫酸鹽還原，生成FeS（沉積物變黑），降低Fe(II)并間接驅動磷釋放。  

 

4. 磷形態（圖5）：  

   ? 數據：溫度從15°C升至35°C，固定態磷（Ca-P + Res-P）占比從55.5%降至44.7%，活性磷（Labile-P + OP）從11.1%升至21.6%。  

 

   ? 意義：證實DOM競爭吸附使礦物結合態磷轉化為可移動態，加劇磷遷移。  

 

結論：  

1. 溫度驅動機制：溫度升高（15°C→35°C）通過降低DO和Eh，促進Fe(III)還原，導致鐵結合態磷（Fe-P）減少，SRP釋放增加28–87%。  

2. DOM競爭作用：DOM顯著增加（UV254升高160%）競爭礦物吸附位點，使固定態磷轉化為活性磷，進一步釋放SRP。  

3. 硫化物生成：硫酸鹽還原生成FeS（沉積物變黑），消耗Fe(II)，間接促進磷釋放。  

4. 實際意義：夏季高溫將加劇黑臭河道內源磷釋放，需針對性控制沉積物厭氧環境及DOM輸入以抑制磷遷移。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用Unisense微電極（OX-100和RD-100）原位測定沉積物-水界面的DO和Eh（圖2），其意義在于：  

1. 高分辨率原位監測：微電極可無擾動獲取SWI毫米尺度DO和Eh動態，避免傳統采樣氧化干擾。15°C時測得的極低DO（3.65 μmol/L）直接證實黑臭河道強還原環境，為鐵還原脫磷提供關鍵證據。  

2. 量化溫度效應：明確DO和Eh隨溫度升高的下降幅度（DO降低>98%，Eh降低32%），建立溫度-厭氧強度-磷釋放的定量關系，支撐“溫度升高→Fe(III)還原→磷釋放”機制。  

3. 技術優勢：相比培養實驗間接估算，微電極數據更直接可靠，尤其適用于高有機質、強還原的黑臭沉積物，為模型提供精準參數。