沉积物中磷的赋存形态及磷形态顺序提取分析方法_许春雪.pdf

2011 年 12 月 December 2011 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 30，No． 6 785 ～794 收稿日期 2011 －06 －01; 接受日期 2011 －10 －10 基金项目 科技基础性工作专项 2008FY130200 作者简介 许春雪， 助理研究员， 从事分析测试和环境地球化学研究工作。E- mail xuchunxue1980163． com。 文章编号 02545357 2011 06078510 沉积物中磷的赋存形态及磷形态顺序提取分析方法 许春雪1，袁建1，王亚平1，王苏明1，代阿芳1， 2 1． 国家地质实验测试中心，北京100037; 2． 中国地质大学 武汉 ，湖北 武汉 430074 摘要 阐述了当前我国水体富营养化的现状， 水体的富营养化与水体中磷、 氮的浓度以及二者的浓度比值有着密 切的关系。水体富营养化时氮和磷的浓度均很高， 但没有一个固定的值， 是在一个较宽泛的富营养范围内， 氮和 磷的浓度比值大多在 10 ∶ 1 ～20 ∶ 1。湖泊沉积物作为湖泊水体中磷的重要蓄积库， 是湖泊流域磷循环的重要归 属， 也是湖泊水体内源性磷的主要来源， 沉积物中极少量的稳定磷转化为活性磷就会造成湖泊水体富营养化。文 中介绍了沉积物中无机磷形态的分类， 评述了欧盟标准局在研制湖泊沉积物磷形态标准物质时比对采用的 4 种 提取方法 Willimas 法、 Hieltjes － Lijklema 法、 Ruttenberg 法、 Golterman 法 ， 总结了国内外学者所应用的沉积物中 磷的各种形态提取方法和磷各形态的分析测定方法， 国内学者应用的方法是在国外学者方法的基础上提出的， 阐 述了顺序提取方法及其地球化学意义。简要评述了湖泊沉积物中磷的生物释放、 物理释放和化学释放三种释放 机制， 这三种释放机制相辅相成， 在一特定的环境条件下某一过程可能占主导地位来控制沉积物磷的释放。最后 提出应该加强对沉积物中磷的各种形态的专属提取剂及其提取有效性的分子表征和检测， 更加细化对于沉积物 中磷形态的分类和创新各种磷形态的分析方法， 建立沉积物 － 水体磷的迁移、 循环和转化模型， 这对于从根本上 解决富营养化问题具有重要意义。 关键词 磷形态; 沉积物; 顺序提取; 富营养化 Speciation and Release Mechanism of Phosphorus in Sediments and Analysis s for Sequential Extraction XU Chun- xue1，YUAN Jian1，WANG Ya- ping1，WANG Su- ming1，DAI A- fang1， 2 1． National Research Center for Geoanalysis，Beijing100037，China; 2． China University of Geosciences，Wuhan430074，China Abstract This article introduces the concept of chemical speciation analysis，the current status about eutrophication in China and the relationship between nitrogen and phosphorus in eutrophication． It considers that eutrophication has a close relationship with the concentration of phosphorus and nitrogen and their concentration ratio in water．If eutrophication occurs in one lake，the concentration of nitrogen and phosphorus are very high，but are not a fixed value， but rather in a relatively broad range． Moreover，the ratio of phosphorus and nitrogen is almost between 10 －20． As the important accumulation reservoir of phosphorus in lakes，phosphorus in sediments is the main source of endogenous phosphorus，a small amount of stable phosphorus changed into reactive phosphorus could cause lake eutrophication ． Therefore，the article discusses the classification and relationship between various speciations of phosphorus and the mechanism of phosphorus on eutrophication in sediments． It analyzes the four phosphorus extractale s used by the 587 ChaoXing European Commission when they developed the phosphorus reference materials in sediments namely，the Williams ，Hieltjes- Lijklema ，Ruttenberg and Golterman ． It summarizes the domestic and foreign scholars applied extractable and determination about phosphorus in sediments． The domestic scholars application s are based on the foreign scholars used s，expounding the geochemical significance of sequential extraction s． Also reviewed are the release mechanism of phosphorus in sediments． Establishing sediments- phosphorus in water migration，circulation and transation model which have great significance has been proposed because it could solve the problem of eutrophication fundamentally． Key words phosphorus speciation; sediments; sequential extraction; eutrophication 1沉积物中磷的形态 地壳中的磷属于常量元素， 平均含量高达0． 105 1050 mg/kg 。不同地域的岩石、 土壤或沉积物中磷 的含量不同， 但基本超过数百 mg/kg。地壳中大约有 200 多种无机磷酸盐类物质， 常见的有钙磷酸盐、 铁磷 酸盐、 铝磷酸盐等， 其中钙磷酸盐占了绝大部分， 主要 为磷灰石族矿物。磷灰石根据附加阴离子， 又分为氟 磷 灰 石 ［Ca10 PO4 6 F2 ］ 、 碳 氟 磷 灰 石 ［ Ca10 PO4 6 CO3F2 ］ 、羟基磷灰石 ［ Ca10 PO4 6 OH2］ 、 氯磷灰石［Ca10 PO46 Cl2］ 等 ［1 ］， 其中纯羟基磷灰石在矿物中很少见， 通常 PO3 － 4 、 OH － 都会被一些其他阴离子取代。岩石矿物、 土壤中 的磷可以通过风化、 侵蚀等地质现象进入到湖泊水体 中， 构成了湖泊水体中磷的自然来源; 而农业上的磷 肥、 工业、 生活污水中磷进入湖泊水体成为磷的人为来 源， 构成了湖泊水体中磷的外源性来源。 从地质尺度来看， 湖泊沉积物是湖泊营养物质的 重要蓄积库， 是湖泊流域磷循环的重要归属， 也是湖泊 内源性磷的主要来源。金相灿等 ［2 ］调查的长江中下 游浅水湖沉积物样品中， 总磷含量在 217. 8 ～ 3337. 2 mg/kg。磷在湖泊中的聚集来自于外部输入和沉积物 的内部填充， 它的迁移取决于其在沉积物中的形 式 ［3 ］。而沉积物中磷以无机磷和有机磷两大类形式 存在， 其中无机磷的存在形式可以进一步分为易交换 态磷或弱吸附态磷、 铝结合磷、 铁结合磷、 闭蓄态磷、 钙 结合磷、 原生碎屑磷 ［4 ］。也有学者将无机磷分为可溶 性磷 DP， 与易交换态磷或弱吸附态磷相似 、 铁结合 态磷 Fe － P 、 铝结合态磷 Al － P 、 钙结合态磷 Ca － P 、 闭蓄态磷 Oc － P ［5 ］。由于有机磷分离和 鉴定困难， 因此许多学者将有机磷看作一个形态， 实际 上有机磷又可以分为糖类磷酸盐、 核苷酸、 腐殖质和富 里酸部分、 磷酸酯、 膦酸盐 ［6 ］。当湖泊外源性磷的来 源得到有效控制时， 内源性的来源就成为湖泊水体中 磷的主要来源。 2水体富营养化中磷的作用 水体富营养化是发生水华现象发生的物质基础， 是当今世界面临的一个严重的环境问题， 国际上 30 ～40 湖泊遭受不同程度的影响 ［7 ］。在我国大于 1 km2的 2300 多个天然湖泊中， 24 介于富营养化和 高度富营养化中， 32 介于营养化和富营养化之间。 富营养化的主要指标有营养因子、 环境因子和生物因 子三类， 其中营养因子是富营养化的根本原因， 而在营 养因子中， 氮、 磷对水的富营养化起关键性作用。一般 认为， 藻类生长 N 和 P 的适宜浓度范围是 N 不低于 0. 1 mg/L， P 不低于 0. 009 mg/L， 且 N、 P 的浓度均不 超过 45 mg/L。但发生水华时 N、 P 的浓度一般都比较 高， 多在富营养化的水平以上 总氮 0. 2 mg/L， 总磷 0. 02 mg/L 。例如， 我国汉江发生水华期间 N、 P 的浓 度 分 别 为 1. 126 ～ 1. 635 mg/L、 0. 0507 ～ 0. 1962 mg/L［8 ］。草海是云南滇池的重要组成部分， 在 20 世 纪 90 年代后期滇池发生水华现象时草海的 N、 P 浓度 分别为 7. 56 ～11. 89 mg/L 和 0. 55 ～1. 06 mg/L， 滇池 外海的 N、 P 浓度分别为 1. 95 ～ 2. 13 mg/L 和 0. 22 ～ 0. 33 mg/L［9 －10 ］。因此可以看出虽然发生水华现象水 体的 N、 P 浓度都很高， 但是并没有一个固定的值， 是 在一个较宽泛的富营养范围内。 普遍认为， N、 P 浓度比 简称 N/P 值 与富营养化 有着重要的关系， 涉及藻类的繁殖， 同样受到人们的关 注。根据藻类体内的 N、 P 的原子个数比 16 ∶ 1 折合成 质量比约为7 ∶ 1 ， 推测水中N/P 值为7 ∶ 1 时最有利于 藻类的吸收利用， 即理论上这是水体中藻类生长的最佳 N/P 比值， 对富营养化藻类而言可能具有独特的生物学 效应， 最容易引起富营养化 ［ 11 ］。但是通过对富营养化 水体的实地调查和实验发现所得的 N/P 实际值与理论 值7 ∶ 1 有着不同。如汉江三次发生水华期间， N/P 值 在10 ～15， 尤其在13 ∶ 1 时富营养化最为严重 ［ 8 ］。太湖 发生水华时 N/P 值几乎一直在25 ∶ 1 以上 ［ 12 ］。孙凌等 在水族箱中进行生态模拟试验发现， 在 N/P 值分别为 687 第 6 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 25 ∶ 1、 50 ∶ 1 的情况下才发生了水华， 而在 0. 5 ∶ 1 和 7. 2 ∶ 1 时则没有发生水华。综合调查和实验数据可以 看出 N/P 值与 N、 P 的浓度一样， 目前还没发现发生水 华现象的固定的 N/P 值， 但是 N/P 值大多在10 ∶ 1 ～20 ∶ 1 或大于20 ∶ 1 。N/P 值低于10 ∶ 1 的例子也有不少 报道， 如滇池的外海发生水华时 N/P 值为 6. 3 ∶ 1［ 9 －10 ］。 而低于 6. 3 ∶ 1 时发生水华的情况则很少见。在水流 速、 温度和光照等条件适宜的情况下， 沉积物中活性磷 的浓度只要达到 0. 010 ～0. 025 mg/L， 就能引发水华爆 发， 因此只要极少量的稳定磷转化为活性磷就会造成湖 泊的水华现象。图 1 列出了控制和治理水体水体富营 养化的方法。 研究沉积物中磷的赋存形态， 建立各种形态磷的 顺序提取方法， 以及建立沉积物 － 水体磷的迁移、 循环 和转化模型， 有助于更好地解释内源性磷对于水体富 营养化的贡献， 为最终建立治理水体富营养化的理论 模型， 从而在根本上治理水体的富营养化奠定基础。 由于无机磷是导致水体富营养化的关键因素， 本文主 要阐述沉积物中无机磷各个形态的地球化学特征和 意义。 图 1湖泊富营养化防治措施 Fig． 1The measures of control lake eutrophication 3沉积物中无机磷形态分类和地球化学意义 在大部分湖泊、 河流中， 无机磷含量一般占水体总 磷的 60， 甚至达到 80 以上， 因此无机磷的分析对 于研究沉积物中磷的吸附 － 释放、 水体富营养化的贡 献等有重要意义。而有机磷在提取过程中也是通过高 温灰化法将有机磷转化为无机磷来提取的， 有机磷本 身很难被生物利用。沉积物中无机磷形态主要分为以 下几类。 3． 1易交换态磷或弱吸附态磷 易交换态磷或弱吸附态磷， 主要是指被沉积物中 787 第 6 期许春雪， 等 沉积物中磷的赋存形态及磷形态顺序提取分析方法第 30 卷 ChaoXing 活性的 Fe/Mn 氧化物、 氢氧化物以及黏土矿物等颗粒 表面吸附或共沉淀的磷 ［13 ］。使用的提取剂有 NaCl、 NH4Cl［14 －15 ］、 MgCl2 ［16 ］等， NaCl 和 MgCl2也用来降低连 续提取过程中的再吸附效应。在磷的各种形态中， 易 交换态磷或弱吸附态磷易进入水体被生物吸附和利 用， 这类磷的含量通常不是很高， 但却是最容易被生物 利用的部分。温度、 pH、 水动力条件及生物扰动等因 素都可能导致这些形态的磷向上覆水体的扩散， 从而 影响水体的营养状况。 3． 2铁结合磷 Fe －P 和铝结合磷 Al －P 铁结合磷 Fe －P 和铝结合磷 Al － P 两种形态的 磷是潜在的活性磷， 在一定条件下可以进入水体被生物 利用， 例如 Fe － P 容易受到环境变化的影响， 在富氧环 境下铁易以 Fe3 存在， Fe3 容易与 P 结合， 以磷酸盐形 成沉淀， 这时 Fe －P 就是潜在的内源性磷释放源。在厌 氧或缺氧环境中， 难溶性的 Fe OH 3容易变成可溶性的 Fe OH 2， 可使与 Fe 结合的磷大量进入水体， 加速水体 的富营养化 ［ 17 ］。而 Al － P 很容易从底泥中溶出， 水中 相当多的化合物可作为它们的提取剂。在相当的时间 内， Fe －P 与 Al －P 存在一个转化过程， 底泥中的 Al － P 将逐渐转化成 Fe －P。同样在面灰性土质中， 存在着向 钙结合磷 Ca －P 的转化 ［ 18 ］。 3． 3钙结合磷 Ca －P 沉积物中的钙结合磷 Ca － P 主要以钙的磷酸盐 形式存在， 这主要指与自生磷灰石、 湖泊沉积碳酸钙以 及生物骨骼等的含磷矿物有关的沉积磷存在形态。 Ca － P 作为一种难溶性的物质， 以磷酸盐的形式存在 于底泥中， 因此对磷从底泥向水体释放的促进作用较 小 ［16， 19 ］， 也很难被生物利用［20 ］。但是当水体中 CO 2的 量足够大时能够增大 Ca － P 的可溶性， 促进 Ca － P 的 释放， 会使湖泊富营养化更加严重。 3． 4闭蓄态磷 Oc －P 闭蓄态磷 Oc －P 主要是一层 Fe2O3胶膜所包裹的 磷盐， 这种磷盐包括一部分 Al － P 和 Ca － P， 被沉积物 吸附后， 被一层 Fe2O3包裹在颗粒表面上， 能长时间地存 在。Oc －P 的磷被认为是生物不可利用的磷 ［ 19， 21 ］。 4沉积物中磷形态的提取方法 不同区域由于各种物理化学条件和生物环境的变 化， 对沉积物中磷的形态分布有很大的影响。因此探 讨沉积物中磷的存在形态， 有助于获得沉积环境的有 关信息， 了解物质迁移、 成岩过程以及磷和其他生物元 素的循环。沉积物中磷的形态分布研究起始于土壤学 家在农业研究上对土壤中磷的各种形态及有效性探 讨， 并总结出了较为成熟的形态分步提取方法和各形 态的分析方法。近年来， 随着生物地球化学研究的深 入， 地质学家和地球化学家将土壤中磷的分析方法引 入沉积物中磷的研究并加以改进 ［10 ］。 由于同一元素的不同形态具有不同的活性， 因而对 环境和人体健康的影响不同， 定性、 定量地测定样品中 特定元素的形态是评价元素毒性、 研究其迁移和转化规 律的重要依据 ［ 22 ］。在这种情况下， 形态分析逐渐发展 成为分析化学的一个重要分支， 也是当代科学研究的活 跃领域之一 ［ 23 ］。因此在对化学形态的定义就显得很重 要， 国内外曾有很多学者对其进行定义。直到 2000 年 国际纯粹与应用化学联合会 IUPAC 规定痕量元素形 态分析的定义才统一了有关形态分析的术语。化学形 态 chemical species 定义为一种元素的特有形式， 如同 位素组成、 电子或氧化状态、 化合物或分子结构等。形 态 speciation 定义为一种元素的形态， 即该元素在一个 体系中特定化学形式的分布。形态分析 speciation analysis 定义为识别和 或 定量测量样品中的一种或 多种化学形式的分析工作。顺序提取 sequential extraction 定义为根据物理性质 如粒度、 溶解度等 或 化学性质 如结合状态、 反应活性等 将样品中一种或一 组被测定物质进行分类提取的过程 ［ 24 ］。 目前许多学者都发表了关于磷形态分析的研究成 果， 但不同学者运用的方法不尽相同， 当然其中也有许 多局限性需要改进。目前应用最多的是顺序提取方法 sequential extraction ， 现在国内外广泛使用的顺序提 取方法大都是在 Tessier 等 ［25 ］于 1979 年提出的土壤 沉积物样品中重金属元素顺序提取方法的基础上发展 起来的， 迄今为止应用最为普遍， 其中应用结果最好的 提取方法是欧盟的 BCR 顺序提取法 ［3 ］。 许多方法可以用于沉积物中磷的测定， 如海藻的 生物分析、 化学形态分析、 阴离子树脂交换、 电渗析和 同位素交换 ［26 ］等， 其中化学形态分析被广泛应用［27 ］。 4． 1磷形态的顺序提取法 为了研究沉积物中磷的不同形态， 许多磷形态化 学顺序提取法得到了运用。它的原理是利用不同化学 浸提剂的特性， 将沉积物中各种形态的无机磷加以逐 级分离。本文阐述在 Tessier 等 ［25 ］研究结果基础上发 展起来的顺序提取方法 BCR 顺序提取方法。 欧共体标准物质局 BCR， 现名欧共体标准测量与 检测局 SM＆T 为解决由于不同的学者使用的流程各 异、 缺乏一致的实验步骤和相关标准物质、 世界各地实 887 第 6 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 验室的数据缺乏可比性等问题， 欧盟委员会通过建立 标准， 测量和测试框架发起了一个综合性项目， 主要目 的是 ①设计一个合理的顺序提取流程; ②测试内部试 验研究中所选用的流程; ③鉴定沉积物标准物质中的 磷元素。该项目 1996 年开始已经验证了 4 种方法 Willimas法［28 ］、Hieltjes- Lijklema法［14 ］、 Ruttenberg［29 －30 ］法、 Golterman［13 ］法 ， 被看作是获得一 个综合的标准方法的基础。这 4 种提取方法使用的反 应剂以及相应的磷形态概述见表 1。 表 14 种顺序提取程序中使用的反应剂以及相应的磷形态 Table 1Applied reagent and corresponding fractions of P in four sequential extraction schems 提取方法第 1 步第 2 步第 3 步第 4 步第 5 步 Willimas 法 使用的反应剂 1 mol/L NaOH 溶液 1 mol/L HCl 3． 5 mol/L HCl 3．5 mol/L HCl 煅烧 1 mol/L HCl 煅烧 － 相应的磷形态 生物可用的 Fe － P 非生物可用的 Ca － P总磷 部分生物可用 的有机磷 － Hieltjes － Lijklema 法 使用的反应剂 1 mol/L NH4Cl 0．1 mol/L NaOH 溶液 0．5 mol/L HCl－－ 相应的磷形态 生物可用的 不稳定的磷 生物可用的 Fe － P非生物可用的 Ca － P－ － Golterman 法 使用的反应剂水 0．05 mol/L Ca － EDTA 连二亚硫酸盐 0．1 mol/L Na2－ EDTA 0．25 mol/L H2SO4 2 mol/L NaOH 溶液 相应的磷形态 生物可用的 不稳定的磷 生物可用的 Fe － P生物不可用的 Ca － P 生物可用的酸性 溶解的有机磷 非可用的还原态 的有机磷 Ruttenberg 法 使用的反应剂 1 mol/L MgCl2溶液 0．3 mol/L 柠檬酸钠 1 mol/L NaHCO3溶液 1 mol/L NaAc 溶液 1 mol/L HCl1 mol/L HCl 煅烧 相应的磷形态 易吸收的生物 可用的磷 生物可用的 Fe － P 自生的磷灰石 Ca － P、 非可用的 生物性磷灰石 非可用的碎屑 磷灰石态磷 部分可用的 有机磷 表 2 4 种顺序提取方法的优缺点 Table 2The advantages and disadvantages of the four sequential extraction s 顺序提取方法优点缺点 Willimas 法简单， 实用 部分 NaOH 提取的磷 被 CaCO3吸收 Hieltjes － Lijklema 法简单， 实用 NaOH 溶 解 少 量 的 Fe － P、 Al － P; 有机磷 的水解; 与生物可用性 没联系 Ruttenberg 法 可以提取特定的组分; 可以提取有机磷部分; 提供关于生物可用性 部分的信息 不实用; NTA、 EDTA 干 扰磷的测定; 溶液制备 复杂; 在 一 些 沉 积 物 中， 必须要重复提取 Golterman 法 不同磷酸盐形态的区 别; 提取液中磷不会再 次分布于剩余的固体 表面 时间长， 不实用 Willimas 法和 Hieltjes － Lijklema 法是用 NaOH 溶 解 Fe 和 HCl 溶解 Ca， Fe － P 与 NaOH 的水解反应使 Fe － P 中的磷酸根转化而释放。就 Hieltjes － Lijklema 法来说， NaOH 提取先于 NH4Cl 的提取， Willimas 法导 致含磷酸钙的沉积物中磷酸盐的再吸附。Hieltjes － Lijklema 法中可能有少量的 Fe － P 和 Al － P 未溶解。 NaOH 作为提取剂会溶解部分有机物质， 而 HCl 作为 提取剂会使酸溶解的那部分有机质释放。 Golterman 法中， 反应剂 EDTA 代替了 NaOH/HCl， 这是由于强酸和强碱溶液反应太剧烈， 会破坏黏土结 合态磷 即一部分可交换态磷 和有机磷， 在顺序提取 中应该避免使用。在这个方法中， 螯合剂如 EDTA 能 够提取 Fe － P 和 Ca － P 而不受到黏土结合态或有机 磷的干扰。这种方法的缺陷是 EDTA 可能对磷的测定 带来干扰。 Ruttenberg 法最初是用于海洋沉积物中磷的提 取， 分为五步， 分别提取弱吸附或可交换态的磷、 与铁 结合的磷、 自生的磷酸盐的氟磷灰石 源于生物的磷 灰石 结合磷的 CaCO3、 碎屑的磷灰石和有机磷。它 首次提出区分原生碎屑磷和自生 Ca － P 的磷形态分 离方法， 比较适合研究沉积物中磷的生物地球化学行 为， 尤其是对于研究水生生物生产力旺盛水域的沉积 物中的磷形态更有意义。而且在各种磷形态提取前先 用 MgCl2和水洗涤残留物， 再进行下一步提取， 这在很 大程度上降低连续提取过程的再吸附效应， 并解决了 987 第 6 期许春雪， 等 沉积物中磷的赋存形态及磷形态顺序提取分析方法第 30 卷 ChaoXing 由于提取中磷再次分布于剩余固体表面的问题 ［3 ］。 然而 Ruttenberg 法仅仅侧重于碎屑磷和原生磷的分 离， 对其他形态的磷的分离不够， 例如第二步提取的实 际上是 Al － P、 Fe － P 和闭蓄态磷的总和， 如果仅认为 是 Fe － P 则过于偏颇。 通过 数 据 比 较 和 综 合 考 虑，最 后 欧 盟 选 用 Willimas 法为标准方法。这主要是基于两个原因 ① 实验说明对于相同的沉积物用不同的提取方案所得的 结果有很多不同， 因此证明了有必要开发一种协调的 程序; ②修正的 Willimas 提取方案对于达到结果的准 确性来说是最有前途的方法 ［3 ］。具体的比对数据可 以查阅参考文献［ 3］ 。该文献在附录中给出了磷的顺 序提取流程标准方案 根据 Williams 方法修正 。该 方案中将沉积物中的磷分为 NAIP 非磷灰石中的无 机磷， 即与 Fe、 Al、 Mn 结合的磷 ， AP 磷灰石中的无 机磷， 即与 Ca 结合的磷 ， 无机磷 IP ， 有机磷 OP ， 总磷 TP 。根据所得数据可以推断其中的关系是 TP IP OP IP NAIP AP 土壤中的磷分为无机磷和有机磷， 有机磷是不溶 于任何提取剂的， 因此必须要经过高温煅烧， 使有机磷 转化为可溶性的磷酸盐， 经 HCl 提取后测得的即为沉 积物样品中有机磷含量。在煅烧之前要先将样品中的 无机磷提取干净， 而所有的无机磷都可以用提取剂提 取， 无机磷又分为磷灰石中的磷和非磷灰石中的磷， 因 此也可推断出上述关系。但是至今还没有比较完整证 明上述关系的理论研究， 只是通过大量的测量数据得 出的。本文作者认为其中在量值上的较小差异是由于 有一些包含在难溶矿物或其他基体中的磷不能被顺序 提取造成的。上述各种形态磷的关系式能够很好地表 明磷的各形态之间的关系和表述沉积物中的磷对于研 究富营养化的贡献， 而对于这种关系的理论证明是日 后亟待解决的问题。 其他文献中也给出了分别用紫外可见光谱法 UV － Vis 和电感耦合等离子体发射光谱法 ICP － AES 测得的 TP、 OP、 IP、 NAIP、 AP， 通过该文献 ［6 ］所获得数 据可近似得出 TPS APICP － AES NAIPICP － AES IPS APUV － Vis NAIPUV － Vis OPS TPS－ IPS 这是由于 ICP － AES 测定的是所有化学形态的 磷， 而 UV － Vis 测定的是无机磷， 因此通常 ICP － AES 的结果高于 UV － Vis 测定的结果。用标准物质 CRM BCR601 和 CRM BCR684 验证， 也能得到上述的关系。 除了上述介绍的 4 种顺序提取方法外， 国内还有 许多类似的沉积物中磷的顺序提取方法， 例如朱广伟 等 ［31 ］、 胡凯等［32 ］、 胡俊等［33 ］都对沉积物中磷的顺序提 取给出了具体的方案。 表 3国内学者应用的沉积物中磷形态的顺序提取方法 Table 3Sequential extraction s for phosphorus in sediments applied by domestic scholars 国内学者磷的形态分类提取剂 朱广伟等［31 ］ ①可交换态①MgCl2溶液 ②铝结合态②NH4F 溶液 ③钙结合态③NaOH 溶液及 Na2CO3溶液 ④闭蓄态磷④NaOH － Na2S2O4－ 柠檬酸钠 ⑤自生钙磷⑤HAc － NaAc 缓冲液 ⑥碎屑钙磷⑥HCl ⑦有机磷⑦煅烧后用 HCl 提取 胡凯等［32 ］ ①松散性磷①1 mol/L NH4Cl 溶液 ph 7 ②铁结合态磷②0．11 mol/L Na2S2O4－NaHCO3溶液 ③铝结合态磷③0．1 mol/L NaOH 溶液 ④有机/细菌聚合磷④0．1 mol/L NaOH溶液提取后消解 ⑤结合态磷测定与不消解测定的差值 ⑥残渣磷⑤0．5 mol/L HCl 胡俊等［33 ］ ①松散吸附态磷①NH4Cl 溶液 ②铁锰结合态磷 ②BD 溶液 碳酸氢盐 － 次硫酸钠 混合溶液 ③铁铝结合态磷③NaOH 溶液 ④结合态磷④HCl 从表 3 中可以看出， 国内学者应用的方法与国外 学者 应 用 的 方 法 相 似。朱 广 伟 等 的 方 法 是 在 Ruttenberg 法的基础上建立的， 不同的是在 Ruttenberg 法中提取 Fe － P 时可能将少量的 Al － P 也一并提取 了。朱广伟等将 Al － P 作为一个单独形态在 Fe － P 之 前提取， 另外还将闭蓄态磷作为顺序提取中的一个单 独的形态， 利用连二亚硫酸钠强烈的还原作用， 使包蔽 的氧化铁还原成亚铁， 继而被柠檬酸钠配合， 使氧化亚 铁包裹不断剥离， 而浸提出全部闭蓄态磷。这种方法 对沉积物中的磷的形态划分更详细， 对于研究沉积物 中磷的形态和富营养化有重要意义。胡凯等的方法是 综合了 Hieltjes － Lijklema 法和 Ruttenberg 法建立起来 的， 该方法认为残渣磷即闭蓄态磷， 结合态磷指的 Ca － P， 有机/细菌聚合磷即为有机磷， 并没有将 Ca － P 进一步划分。胡俊等的方法也是在 Hieltjes － Lijklema 法和 Ruttenberg 法的基础上提出的， 该方法认为铁锰 结合态磷就是闭蓄态磷， 并且与 Hieltjes － Lijklema 法 和 Ruttenberg 法一样将 Fe － P 和 Al － P 一并提取， 但 097 第 6 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 是没有提取有机磷。 4． 2磷形态分析的其他方法 近年来国内外许多学者在化学分级提取的基础上 对沉积物中磷的形态和释放机理进行了大量的实验和 研究 ［34 －47 ］， 也取得了不少的成果。例如， 提取总磷时 也可以用加入浓 H2SO4和 HClO4的方法测定总磷含 量 ［48 ］。我国学者翁焕新等［49 ］将土壤磷的提取方法 C － J法 ［50 ］稍加修正， 测定了美国华盛顿河流和湖泊沉 积物中的磷， 发现不同结合态磷主要包括无机磷 Fe － P、 Ca － P、 Al － P ， 固着态 Fe － P 和 Al － P。 5沉积物中磷形态分析的测定方法 国内外测定沉积物中磷的方法大多采用 Murphy 等 ［ 26 ］建立的二氯化锡 － 磷钼蓝分光光度法、 Eisenreich 等 ［ 51 ］改进的混合液钼锑抗光度法和 ICP － AES 法。国 内也有学者采用铋磷钼蓝光度法 ［ 52 ］和罗丹明 B 显色分 光光度法测定 ［ 53 ］水系沉积物中的磷。比色法的原理是 在酸性介质中， 活性磷酸盐与钼酸铵反应生成磷钼杂多 酸， 用抗坏血酸还原为磷钼蓝后采用比色法将其测定。 一些学者已经研究了 EDTA 的存在对于比色法测定的 干扰 ［ 54 ］， 而其他提取剂对于测定不会产生干扰。 ICP － AES 测定样品时， 当 K、 Na、 Ca、 Mg 存在较 高浓度时会使检测信号减弱而背景信号增强 ［55 ］， 因此 在磷的顺序提取时特别要注意 Na、 Ca。实验研究表 明 ［56 －58 ］， Na 的浓度在 1000 mg/L、 Ca 的浓度在 100 mg/L 对测量有干扰作用， 所以当提取剂中有 Na 和 Ca 这两种元素时应该在标准溶液中加入这两种元素 即 标准液与测定液有相同的基体 。 ICP － AES 测定的是所有化学形态的磷， 而 UV － Vis 测定的是无机磷， 因此当样品中的磷不只以无机 磷存在时， 两种方法测定的结果是不同的。通常用 ICP － AES 测定的结果要高于 UV － Vis 测定的结果， 这说明沉积物中的磷不只是以无机磷形式存在， 差异 的大小是由提取剂和样品决定的， 因此两种技术不能 用于同一样品的测定， 必须选取一种技术测定 ［59 ］。 6沉积物中磷的释放机制 沉积物中磷的释放机制研究对防治水体的富营养 化同样重要。深水湖泊沉积物中磷的释放比较有规 律， 随季节变化呈周期性变化， 而浅水沉积物中磷的释 放比较复杂。一方面， 浅水湖泊中由于水浅， 温度等理 化性质分层不明显， 风浪作用对沉积物 － 水界面的干 扰大， 表层沉积物的氧化比较充分， 铁锰氧化物等胶体 通过吸附作用对磷的迁移控制作用也较大， 有利于沉 积物中磷的固定; 另一方面， 与深水湖泊相比， 浅水湖 泊单位体积的水拥有更大面积的沉积物表面， 风浪作 用更容易扰动沉积物 － 水界面， 沉积物与水体的接触 机会大大增加， 沉积物与水之间磷的交换作用更加充 分， 尤其是在湖面开阔、 风的吹程长的大型湖泊中， 沉 积物对水体磷的影响也更为直接和频繁。研究浅水湖 泊沉积物中磷的地球化学规律， 对正确认识浅水湖泊 的内源负荷特点及揭示水华爆发机制都有重要意 义 ［60 ］。磷从沉积物中释放出来， 有很多因素对其产生 影响， 如溶解氧 DO 、 pH 值、 氧化态氮、 铁含量、 温度、 微生物活动等。在诸多的因素中， 溶解氧、 氧化态氮、 铁含量都是影啊沉积物表层的氧化还原电位 Eh 值 ， 而影响磷的析出。Eh 值提高， 增强沉积物对磷的 吸咐能力， 从而阻碍了磷酸盐从沉积物中的释放。应 该指出， 溶解氧的影啊是最显著和明确的， 同时 pH 值 和温度也是两个显著影响因素 ［50 ］。 图 2湖泊沉积物释放磷图解 Fig． 2The illustrations of release phosphorus from lake sediments 沉积物中营养盐的释放对水体营养水平有着不可 忽视的影响， 研究富营养化湖泊沉积物磷的释放行