2022年沉积物和土壤中磷的生物有效性评估新方法 .pdf

沉积物和土壤中磷的生物有效性评估新方法黄清辉,王东红,马梅,王春霞,王子健3(中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室,北京 100085)摘要:利用自制的氧化铁/醋酸纤维素复合膜(FeO/CAM)发展了一种沉积物和土壤磷的生物有效性评估的新方法.结果表明:从沉积物和土壤中解吸的生物有效磷(FeO2P)含量随时间增加而增加,至1620h左右,解吸过程接近平衡;随着土/水比增大而减小,至2030g/L左右逐渐趋于平缓,且相对标准偏差较小;膜面积为2030cm2时FeO2P含量差别较小,且相对标准偏差也较小;适当提高振荡频率(一般200r/min左右),有利于促进FeO2P的提取动力学过程.在用于评估水体沉积物和土壤解吸磷的生物有效性方面,FeO/CAM膜克服了氧化铁浸渍滤纸的缺点,易于商品化,具有更好的应用前景.关键词:氧化铁/醋酸纤维素膜;氧化铁浸渍滤纸;土壤;沉积物;生物有效磷;解吸中图分类号:X833 文献标识码:A文章编号:025023301(2005)0220206203收稿日期:2004205208;修订日期:2004208227基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX12SW2122 232);国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划(863)项 目(2002AA601011203202)作者简介:黄清辉(1977),男,江西新干人,博士研究生,主要研究方向为湖泊环境化学.3 通讯联系人New Method to Assess PhosphorusBioavailabilityin the Sediments and SoilsHUAN G Qing2hui,WAN G Dong2hong,MA Mei,WAN G Chun2xia,WAN G Zi2jian(State Key Laboratoryof EnvironmentalAquaticChemistry,Research Center forEco2EnvironmentalSciences,Chinese Academy ofSciences,Beijing100085,China)Abstract:A new method to assessphosphorus bioavailabilityin the sediments and soils was developed by using a homemade iron oxide/cellulose acetate membrane(FeO/CAM).The results show that the amount of bioavailable phosphorus(FeO2P)desorbed from thesediment and soil increased with the shaking time,and FeO2P desorption would come to equilibriumafter 16 ot 20h.With the increaseof the ratio between soil massand water volume,the quantity of the desorbed FeO2P would decrease and then went planar after 20 to30g/L.The quantity of the desorbed FeO2P had no significantdifference between the FeO/CAMs of 20 to 30cm2.The dynamics ofFeO2P desorption from the sediments and soils would be accelerated by appropriately increasing the shaking frequency.In short,FeO/CAMs overcome many disadvantages of iron oxide impregnated filter paper and are easy to be commercialized;therefore it may have abetter future in the application to assessingphosphorus hioavailabilityin the sediments and soils.Key words:iron oxide/cellulose acetate membrane;iron oxideimpregnatedpaper;soil;sediment;bioavailable phosphorus;desorption磷在某种条件下可从土壤、泥沙和沉积物中释放出来并进入水体1,绝大部分可为植物或藻类的生长所利用,因而对这些解吸磷的生物有效性研究具有重要的意义1 土壤或沉积物中生物有效性磷含量可以通过藻类培养实验2 或化学提取法3 来获得.自 Sissingh(1983)发展氧化铁浸渍滤纸法4 进行土壤有效磷测试以来,该方法在土壤、农业和环境等领域中已经得到广泛应用57.但是,滤纸表面的氧化铁颗粒易脱落,且细孔易藏纳泥浆颗粒,不易清洗干净,会造成一定误差8.因此,本文试图利用自行研制的氧化铁/醋酸纤维素复合膜进一步改进和发展该方法.1 材料与方法111 氧化铁/醋酸纤维素复合膜(FeO/CAM)的制备向具有磨口塞的三角瓶中,加入 35g 丙酮和 5g二氧六环,将 3g FeCl3?6H2O 和 1g 无水高氯酸镁依次溶解于混合液中,再加入9g 醋酸纤维素,25 恒温振荡直至膜液溶解完全,即可制得混合均匀的氧化铁/醋酸纤维素复合膜的铸膜液;在洁净室内,将膜液倒在刮板上刮出一定厚度(以 4060 m 为宜)的膜液层,自然蒸发60s 干燥;将所制备的膜液层连带刮板一同浸渍在1%氨水中,温度保持在15 25 之间,浸渍 510min,以促使氧化铁微粒在膜中形成,取出后,将制得的膜用流动的去离子水冲洗掉残存的溶剂.此时得到FeO/CAM 膜.其基本特征为:膜厚(4912 818)m,灰分含量615%018%,膜密度(0163 0107)g/cm3,氧化铁含量(以Fe2O3计)210%013%.112 供试沉积物和土壤样品供试沉积物样品为太湖表层沉积物,供试土壤样品为北京某污灌区土壤,试验前均经冷冻干燥、研第26卷第2期2005年3月环 境 科 学ENV IRONM EN TAL SCIENCEVol.26,No.2Mar.,2005名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 3 页 -磨和过筛处理(沉积物100 目、土壤 60 目),其基本理化特征如表1 所示.表1供试沉积物和土壤的理化特征Table 1Physical and chemical properties of the testingsediment and soil samples样品类型及名称沉积物土壤pH(11土/水)713717有机质含量/%517119总磷含量/mg?kg-16031975613Olsen2P含量/mg?kg-1851310718113 磷的解吸动力学实验称取 1100g 沉积物或土壤样品于100mL 锥形瓶中,各放入 1 块 4cm 5cm 的 FeO/CAM 膜片,加50mL 去离子水,加塞后在振荡器上25 恒温振荡(200r/min).振荡015,1,2,4,6,8,12,16,20,24,30h 后,将膜取出,用去离子水洗去粘附在膜上的颗粒,再 转 入 另 一 锥 形 瓶 中,加 40mL011mol/LH2SO4振荡 1h,以洗脱出吸附的磷,用抗坏血酸法测定磷的含量9,求得每个取样时刻从沉积物/土壤中解吸的生物有效磷(FeO2P)含量.114 不同水土比例实验称取双份0125,0150,0175,1100,1150,2100g沉积物或土壤样品于100mL 锥形瓶中,各放入 1 块4cm 5cm 的 FeO/CAM 膜片,加 50mL 去离子水,加塞后在振荡器上25 振荡(200r/min)24h.振荡结束后,将膜取出,洗脱及测定过程同112 所述.115 不同膜面积实验将两批 2cm 5cm,3cm 5cm,4cm 5cm,5cm5cm,6cm 5cm 的 FeO/CAM 膜片分别放入至10个 100mL 锥形瓶中,各加 50mL 去离子水,分别称取 1100g 沉积物于锥形瓶中,加塞后在振荡器上25 振荡(200r/min)20h.振荡结束后,将膜取出,洗脱及测定过程同112 所述.116 不同振荡频率实验称取 1100g 沉积物于100mL 锥形瓶中,各放入1 块 4cm 5cm 的 FeO/CAM 膜片,加 50mL 去离子水,加塞后 25 恒温振荡(振荡频率分别为120、200和 280r/min).振荡 1,4,8,12,16,24h 后,将膜取出,洗脱及测定过程同112 所述.2 结果与讨论211 沉积物和土壤中磷的解吸动力学过程从沉积物和土壤中解吸的生物有效磷含量均随振荡时间增加而增加,至 1620h 左右(如图 1 所示),FeO2P含量变化较小,表明生物有效磷的解吸过程开始接近平衡,这与 Sharpley(1993)采用的氧化铁滤纸条法10 以及其它氧化铁方法6 有类似的磷解吸动力学过程.Myers 等(1997)指出一些土壤用氧化铁滤纸圈法获得的生物有效磷的解吸量在24 72h 间还有很大增幅6,而 Freese等(1995)采用的氧化铁 2渗析管法在500h 后仍未能达到解吸平台11.因此,氧化铁/醋酸纤维素复合膜在其富集动力学上与氧化铁滤纸方法具有一定的可比性.图1沉积物和土壤中磷的解吸动力学曲线Fig.1Dynamic curves of phosphorus desorptionof the sediment and soil212 不同水土比例对FeO 2P含量测定的影响如图 2 所示,随着土/水比值增大,沉积物和土壤中解吸的生物有效磷含量呈乘幂函数减小,至 2030g/L(如 1g/50mL)左右逐渐趋于平缓,且测得的 FeO2P值的相对标准偏差较小.在以往的氧化铁滤纸法中,通常用 0101mol/L CaCl2溶液作为支持电解质,来减少土壤颗粒物分散进入滤纸的细孔中4,12.但是,本研究采用的FeO/CAM 膜的孔径极小,颗粒物或胶体无法进入这些纳米膜孔中,因而可以不用0101mol/L CaCl2溶液作基质.从以上看来,以 20g/L 的 土/水 体 系 进 行 操 作 比 较 方 便、合适.图2 沉积物和土壤中的生物有效磷含量与土/水比的关系Fig.2The contents of bioavailable phosphorus dependedonthe ratio of soil to water213 不同膜面积对FeO 2P 含量测定的影响7022期环 境 科 学名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 3 页 -如图 3 所示,随着膜面积的增大,沉积物中解吸的生物有效磷含量呈增加趋势,至 2030cm2(以单面面积计,因氧化铁微粒是嵌在膜中的)差别较小,且相对标准偏差也较小.由于采用100mL 锥形瓶作为反应器,膜面积超过25cm2时膜面不易展开,因此,一般选择 4cm 5cm 膜片(20cm2)进行操作.图3 沉积物中解吸的生物有效磷含量与膜面积的关系Fig.3The contents of bioavailable phosphorus dependedonthe membrane areas214 不同振荡频率对FeO2P含量测定的影响在本 研 究 所 用 恒 温 振 荡 器 条 件 下(0 280r/min),振荡频率为120、200、280r/min时均能在1624h 达到平衡(如图 4 所示),但所得FeO 2P 含量略有差别:在同一时刻120r/min 时提取的FeO 2P含量最低,可能振速较低时溶液混合效率较低,且膜片一旦附在瓶壁上,与溶液接触机会较少,影响富集效率;适当提高振速,可以提高溶液混合效率,增加膜片与溶液接触几率,从而有利于FeO/CAM 膜对沉积物中FeO2P的提取;但是,振速过高时(如采用最高振荡频率280r/min)可能反而降低富集效率,且此时过大的振幅容易引起锥形瓶相互撞击而受损.因此,宜选择适当的振荡频率(如 200r/min)来提取FeO2P.图4 振荡频率对FeO2P的解吸动力学的影响Fig.4The influence of shaking frequency on the desorptiondynamics of bioavailable phosphorus215 FeO/CAM 膜萃取法的特点与目前广泛应用的氧化铁浸渍滤纸法相比较,FeO/CAM 膜的优点在于:与氧化铁浸渍滤纸类似,具有较强的磷富集能力;具有韧性较强的膜结构框架,能够将氧化铁颗粒牢牢固定在膜中而不易脱落;膜的孔径极小,仅为几 nm 左右,因而泥土颗粒或胶体不会嵌在孔中,清洗方便,粘附在膜表面的颗粒物易冲洗下来;能够抵抗较强的水力冲击,可以长时间振荡或浸泡,有应用于现场观测和长期观测的潜力;比起目前国际上常用于制作氧化铁浸渍滤纸的Whatman No150 等小孔径滤纸6 来说,具有成本低廉的优势.3 结论新型氧化铁/醋酸纤维素复合膜材料具有较强的磷富集能力,克服了氧化铁浸渍滤纸等类似物的众多缺点.该膜合成工艺简单、成本低廉,易于商品化,在用于评估水体沉积物和土壤解吸磷的生物有效性方面,FeO/CAM膜萃取法是一种具有较好应用前景的新方法.致谢:感谢吴云圣、韩旭等同志在实验上给予的帮助.参考文献:1 张志剑,王珂,朱荫湄,等.浙北水稻主产区田间土2 水磷素流失潜能J.环境科学,2001,22(1):98101.2 吴重华,王晓蓉,孙昊.几种物质磷形态的生物有效性模拟研究J.环境科学,1998,19(3):5861.3 王芳,晏维金.长江输送颗粒态磷的生物可利用性及其环境地球化学意义J.环境科学学报,2004,24(3):418422.4 Sissingh H A.Estimation of plant2available phosphates in tropi2cal soils.A new analytical technique R.Nota 235.Institute forSoil FertilityResearch,Haren,The Netherlands,1983.5 van der ZeeS E A T M,Fokkink L GJ,van Riemsdijk W H.Anew technique for assessmentof reversibly adsorbed phosphateJ.Soil Sci.Soc.Am.J.,1987,51:599604.6 Myers R G,Pierzynski G M,Thien SJ.Iron oxide sink methodfor extracting soil phosphorus paper preparation and useJ.SoilSci.Soc.Am.J.,1997,61:14001407.7 张树生,林咸永,章永松.氧化铁试纸法测定土壤有效磷的条件探索J.浙江大学学报(农业与生命科学版),2003,29(3):253256.8 Chardon W J,Menon R G,Chien S H.Iron oxide2impregnatedfilter paper(Pi test):a review of its development and method2ological researchJ.Nutr.Cycl.In Agroecosyst.,1996,46:4151.9 Murphy J,Riley J P.A modified single solution method for thedetermination of phosphate in natural watersJ.Anal.Chim.Acta,1962,27:3136.10 Sharpley A N.An innovative approach to estimate bioavailablephosphorus in 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