流域内矿源性磷在深水抚仙湖中的沉积和释放特征研究

磷矿开发过程散失的磷通过流域水系途经进入湖体的过程已有较多的认识，但沉积于深水湖的矿源磷对湖泊富营养化的贡献和驱动却未被重视。本项研究拟对抚仙湖流域最主要的磷污染源- - 磷矿开采过程产生的矿源固态磷在深水湖泊内的沉积和释放特征进行研究。针对以往湖泊污染难以溯源的缺点，通过对磷形态分级中碎屑磷灰石和磷矿的磷酸盐氧同位素特征，对抚仙湖含磷沉积物的矿物相来源进行辨析，分析矿源磷污染物在沉积物中的积累过程及其对抚仙湖的污染历程，并通过水深层的原位释放实验和室内动力学模拟实验，探究矿源磷污染对抚仙湖内源磷的贡献，为我国深水湖泊的富营养化防治提供决策依据。

我国磷矿资源丰富，与我国重要径流区分布位置一致，磷矿开采造成的磷流失是湖库富营养化的主要原因之一，我国第二深水湖泊抚仙湖是典型代表。本项目以抚仙湖为研究对象，采用连续萃取法（SEDEX）对沉积物磷形态分布及垂向变化特征进行分析，结合沉积速率，获得抚仙湖沉积物碎屑磷灰石态磷的垂向分布规律与流域磷矿开采兴起到矿点关闭的历史相吻合，揭示了磷矿开采对抚仙湖的污染历程。针对湖泊沉积物碳氮等杂质含量高的特点，优化了磷酸盐同位素的样品前处理方法，对抚仙湖流域及湖泊沉积物样品的总磷和碎屑磷灰石态磷分析了磷酸盐氧同位素值，进行沉积物污染来源示踪。以磷矿开发为主要污染来源东大河河口沉积物样品与磷矿区样品的磷酸盐δ18O值相近（9.22‰-11.17‰），指征了抚仙湖沉积物磷矿污染来源。本研究开发了重金属指纹识别方法，提取与沉积物磷分布相关的重金属元素，结合因子分析和聚类分析，进行沉积物污染来源示踪。依据磷污染来源示踪方法识别结果，确定了抚仙湖矿源磷的扩散区达到20.2 km2。由于深水抚仙湖存在季节性分层，其特殊的沉积环境特征影响了沉积物磷的释放特征。矿源磷为主的沉积物具有丰富的解磷细菌，并表现较强的解磷能力。筛选解有机磷细菌（根瘤菌属）和解无机磷细菌（假单胞菌属），进行沉积物批培养实验，发现矿源沉积物磷释放量高于其它来源沉积物。应用土壤微生物（Pantoea agglomerans和Bacillus megaterium）作用于纯磷灰石，进一步揭示了微生物对磷灰石的分解机制和分解速率，由于微生物分解、吸附、酸化、共沉淀等作用增强了磷灰石的分解速率，磷灰石的释放速率可达(1.1±0.07) × 10-14 (mol/cm2/s），与以往观察到湖泊沉积物磷释放速率相当。由于温度分层造成抚仙湖上覆水由有氧向缺氧状态发生季节切换，分层强烈时期造成抚仙湖下层水体缺氧有利于沉积物磷释放，并且沉积物磷形态发生明显转化，尤其是生源性磷灰石和碎屑磷灰石占总磷的比例呈降低趋势。因此碎屑磷灰石态磷与传统认识属于稳定磷库不同，是内源磷的重要贡献者。为了削减矿源性磷输入对湖泊的影响，本研究采用矿化垃圾、底泥和木屑研发了一种新型磷吸附多孔材料，该材料吸附磷效率高、可再生、低成本，具有良好的推广应用前景。