[发明专利]一种二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法

说明书

技术领域

本发明属于环境科学和地球科学领域，涉及一种对土壤、沉积物等环境介质中活性磷的二维、高分辨测定技术，该技术能够简易地在毫米和亚毫米尺度上获取湿地土壤、沉积物剖面中活性磷(DRP)的二维分布特征。

背景技术

磷是水生生物生长的重要营养元素，是水体初级生产力和富营养化的主要限制性因子。外源磷进入湿地和湖泊水体后，大部分积累于湿地土壤和沉积物中，并在一定条件下重新释放进入上覆水，维持水体的富营养状态。在外源磷输入得到遏制的情况下，湿地土壤或沉积物磷污染是造成水体富营养化的主要原因。湿地土壤和沉积物中磷的释放潜力与其在水-土和沉积物-水界面的分布有密切的关系。通常，由于界面处物理、化学和生物性质上的巨大差异，造成磷在该界面附近可能存在强烈的浓度梯度分布，由此驱动磷在湿地土壤与上覆水或沉积物与上覆水之间进行交换。所以获取磷在沉积物-水微界面间的分布信息，是评价沉积物磷活性及其向水体释放的重要依据。活性磷或溶解态反应性磷(Dissolved reactive phosphorus，DRP)是用钼蓝比色法测定得到的磷，绝大部分为磷酸根磷，还包括少量能在酸性条件下发生水解的有机磷和多聚磷化合物。活性磷是沉积物中最具活性的磷，其在沉积物剖面中的含量和分布直接影响着水体的营养状态。获取活性磷在沉积物中的含量和空间分布信息，对于研究和评价水体营养状态具有十分重要的意义。

由于分析方法的限制，通常只能得到活性磷在沉积物剖面中的一维垂向分布信息。然而，沉积物性质在横向空间上同样存在着非常大的差异，依据一维活性磷数据已不能满足对水体科学研究和评价的需要，迫切需要发展活性磷的二维获取技术，同时获取活性磷在沉积物剖面中的横向和垂向分布信息。另一方面，常规分辨率(1mm-1cm)的活性磷数据不能准确反映其在沉积物中的空间变化，迫切需要提高分辨率，在100μm-1mm尺度获取活性磷的空间分布信息。

薄膜扩散梯度(Diffusive gradients in thin films，DGT)测定技术是一种非破坏性、原位获取沉积物中污染物分布和活性的新技术。该技术装置主要由固定膜和扩散膜叠加组成(图1)，两者均由凝胶配置而成，其中固定膜通过向凝胶加入能吸附污染物离子的固定剂配置而成。当DGT装置放入沉积物中，污染物离子以扩散方式穿过扩散膜，随即被固定膜捕获，并在扩散膜上形成线性梯度分布，扩散膜与固定膜接触一端的离子浓度维持为零，与介质接触一端的浓度(C_DGT)为：

上式中M为固定膜上目标离子的积累量(μg)，Δg为扩散层厚度(cm)，D_g为离子在扩散膜中的扩散速率(cm²/s)，A为固定膜的面积(cm²)，t为扩散时间(s)，C_DGT即是通过DGT分析得到的沉积物中离子的含量(10³μg/L)。

对于溶解态活性磷二维分布的获取，中国专利申请2011103235556通过采用改进型二氧化锆磷固定膜，结合比色分析技术，已实现沉积物活性磷(DRP)二维分布的获取。

基于DGT，现有的溶解态活性磷二维分布的获取方法包括LA ICP-MS分析技术和切片-提取-测定的方法。LAICP-MS是将激光束聚焦于样品表面，使之熔蚀气化，由载气将样品微粒送入等离子体中电离，再经质谱系统进行质量过滤，最后用接收器分别检测不同质荷比的离子。该技术具有较高的空间分辨率(＜10μm)。切片-提取-测定方法是对固定膜沉积物-水界面上下部分进行二维、亚毫米切片，用NaOH提取各切片中的活性磷，采用微量比色方法测定提取液中活性磷含量，换算成各切片中的活性磷固定量，通过Fick第一扩散定律计算得到沉积物剖面中对应位置的活性磷浓度，并作出二维分布图。

切片-提取-测定方法操作麻烦，耗时耗力，效率低下，易丢失部分切片造成信息丢失，造成对湿地土壤或沉积物磷空间分布信息的错误判断。LA ICP-MS技术仪器非常昂贵，绝大多数实验都不具备，同时样品前处理程序繁琐，需要具备一定的专业技能。