沉積物磷形態分離分級及其環境地球化學特征

王 毅，崔 健，陳益人

（三川德青科技有限公司，湖北 武漢 430075）

磷被認為是水體富營養化的關鍵限制因子[1-3]，人類的生產、生活活動產生的磷通過地表徑流、大氣沉降及水氣交換作用進入水體后對水體產生嚴重的污染[4-5]，控制磷已成為歐美國家湖泊富營養化的主要管理策略[6]8923，這些策略取得了一定成績并使一些湖泊的水質得到改善，但也有一些并不成功的案例[7]1014，人們發現這與內源磷的釋放有關[8]。 水體磷按照其來源分為外源磷和內源磷，外源磷主要是指高強度的人類活動產生并進入水體的磷，這部分磷經吸附、絡合、絮凝和沉降等一系列物理化學過程，最終進入沉積物即形成所謂的內源磷。 當水體向沉積物輸入磷的速率大于沉積物向水體釋放磷的速率時，即形成內源磷污染的積累，也稱沉積物對磷的吸收或負釋放；而當沉積物向水體釋放磷的速率大于水體向沉積物輸入磷的速率時，即形成內源磷的釋放[9-12]。 在外源污染被有效阻斷后，沉積物通過再懸浮釋放等過程仍可對水體形成磷的二次污染[13]，從而影響水體水質的恢復并延緩水體富營養化的治理效果[6]8928[7]1014。

因此，對于水體的治理既要關注外源磷污染并對其加以控制，也要重視內源磷污染的釋放，要對沉積物中的磷開展深入研究。

1 沉積物磷進行形態分離分級的意義

沉積物主要與水、懸浮顆粒物及生物體之間發生磷的遷移轉化，水體中的磷可被懸浮顆粒物中的鐵鋁氫氧化物和有機質等通過吸附、絡合、絮凝并沉降至沉積物，也可通過沉積物- 水界面的交換作用直接被沉積物中的鐵錳氧化物、鐵鋁氫氧化物、黏土礦物、磷灰石和有機質等吸附、螯合及固定，還可直接被生物體吸收并通過生物體的遺體殘骸最終沉降至沉積物[14]，從而形成沉積物中不同形態的磷，各形態的磷將產生不同的生物有效性及不同的生態學意義[15-16]。

為揭示這些不同的生物有效性及生態學意義，并探索不同磷形態之間的遷移與轉化過程[17]403[18]，確定沉積物中磷的不同賦存形態顯得尤為關鍵，因此必須開展磷形態的分離分級研究。 在磷形態的分離分級研究中，各形態的磷含量及其分布特征均反映著大量的生物地球化學信息，這對我們認識沉積物磷的生物有效性、生物可利用性以及評價水體的營養狀況或污染現狀，了解沉積物- 水界面磷的交換作用機制及沉積物內源磷的積累與釋放機制，探索成巖過程及評估成巖速率，預防與治理水體磷污染及江河湖庫富營養化問題等具有十分重要的指導意義。

2 沉積物磷形態的分離分級方法

2.1 C-J 法

沉積物磷形態的分離分級起源于土壤學中的化學分析方法[19]。1957 年Chang 和Jackson 首次將土壤中的磷分離為不穩定或松散結合態磷（NH4Cl-TP，以1.0 mol/L 量濃度NH4Cl 提?。?、鋁結合態磷[Al-P，以0.5 mol/L 量濃度NH4F（pH=8.2）提取]、鐵結合態磷（Fe-P，用0.1 mol/L 量濃度NaOH 提?。?、鈣結合態磷（Ca-P，以0.5 mol/L 量濃度HCl 提?。?、可還原性水溶態磷[RSP，以0.22/1.0/1.0 mol/L 量濃度檸檬酸鈉-連二亞硫酸鈉- 碳酸氫鈉（CBD）提取]、閉蓄態磷（Oc-P，以0.1 mol/L 量濃度NaOH 提?。┖陀袡C磷（Or-P）形態，簡稱C-J 法[20]。

2.2 W 法

20 世紀六七十年代Williams 等人將C-J 法改進，以0.22/1.0/1.0 mol/L 量濃度CBD 提取沉積物中的非磷灰巖磷（NAP），之后再用0.1 mol/L 量濃度NaOH 提取鐵鋁結合磷（Fe/Al-P），用0.5 mol/L 量濃度HCl 提取磷灰巖磷（AP），并將沉積物磷主要分為AP、NAP 及Or-P，簡稱W 法[21-23]。 W 法在提取Fe/Al-P 前未引入F-不會產生CaF2，避免了C-J 法提取的Fe-P 重吸附于沉積物CaF2從而以磷酸鐵沉淀的缺陷。

2.3 H-L 法

1980 年Hieltjes 和Lijklema 指出W 法 中部分NaOH 提取的磷可被沉積物中鈣鹽重吸附的缺點，并提出以0.1 mol/L 量濃度NH4Cl 為提取劑進行第一步提取，在提取不穩定或松散結合態磷的同時去除掉碳酸鹽，由此將沉積物磷分為NH4Cl-TP、Fe/Al-P（NaOH-RP，以0.1 mol/L 量濃度NaOH 提?。?、Ca-P（HCl-RP，以0.5 mol/L 量濃度HCl 提?。┖蜌堄嗔譡總磷（TP）與各反應性磷總和的差值，該部分磷很難提取，主要以Or-P 形式存在]，簡稱H-L 法[24]。 H-L 法著重于沉積物磷的化學性質分析，有助于認識磷在沉積物-水界面的交換過程及氧化還原電位、離子強度和pH 等環境因子對其交換過程的影響。

2.4 P 法

1984 年Psenner 等人在分析奧地利Piburg Sea沉積物磷形態時提出P 法，該法以H2O、碳酸氫鈉-連二亞硫酸鈉（BD，0.11 mol/L，40 ℃）、NaOH（0.1 mol/L）、HCl（0.5 mol/L）和NaOH（0.1 mol/L，85 ℃）依次提取水溶 性磷（WSP）、可還原 態 磷（BD-P）、Fe/Al-P、Ca-P 和殘渣態磷（Res-P）[25]。Petterson 等人通過對比P 法和H-L 法發現，前者用BD 試劑提取BD-P時存在干擾現象，而后者在用氯化銨2 次提取NH4Cl-TP后會導致HCl 提取的Ca-P 不準確[26]。

2.5 H 法

1995 年Hupfer 等人對P 法進行修改，將第一步的H2O 替換為NH4Cl，依次提取弱吸附態磷（NH4Cl-TP）、BD-P、Fe/Al-P（即圖1 中的NaOH-rP）、Ca-P（即圖1 中的HCl-P）、有機質結合態磷（NaOH-nrP）和Res-P，即為H 法[27]。 H 法沉積物磷形態分離分級提取流程見圖1[28]3386。其中，NaOH-TP 表示NaOH 可提取態磷，為Fe/Al-P、NaOH-nrP 二者之和。 H 法是國際上較為常用的磷形態分離分級提取方法。

圖1 H 法沉積物磷形態分離分級提取流程

2.6 G 法

以往方法中所用的強酸或強堿（如HCl 或NaOH）容易導致Or-P 水解，造成實測值偏高（如Ca-P），因此提取Fe-P 和Ca-P 最好使用螯合劑或絡合劑[29]。Golterman 通過采用氨三乙酸（NTA）分別以其鈣鹽（Ca-NTA）和其鈉鹽（Na-NTA）提取Fe-P 和Ca-P，有效避免了Or-P 的水解及堿提取引起的重吸附現象，但由于Ca-NTA 在量濃度超過0.02 mol/L 時難溶，因而一次提取的Ca-P 偏低，因此必須重復多次提取，會增加誤差[30]。 此外，有些以NTA 提取的嘗試并未成功，這可能與NTA 的干擾有關[31-32]。 之后，Golterman等在此基礎上發展出了G 法，即用Ca-NTA（0.02 mol/L）和連二亞硫酸鈉（0.045 mol/L）的混合液（pH=8）提取Fe-P，而以乙二胺四乙酸二鈉（Na2-EDTA）（0.05 mol/L，pH=8）提取Ca-P[33-34]。

2.7 EDTA 法

1996 年Golterman 再次提出用乙二胺四乙酸（EDTA）代替NTA，從而發展形成了EDTA 法，即提取Fe-P 用乙二胺四乙酸二鈉鈣（Ca-EDTA）（0.05 mol/L，溶劑為1%連二亞硫酸鈉，pH=7～8）代替Ca-NTA，并先后分離出Fe-P、Ca-P[以Na2-EDTA（0.1 mol/L，pH=4.5）提取]、酸可提取Or-P（以0.5 mol/L 量濃度的H2SO4提?。┖蛪A可提取Or-P[以2 mol/L 量濃度的NaOH（90 ℃）提取]，后者又可分為富里酸磷和胡敏酸磷，在用某些特定的提取劑時還可進一步得到核酸磷、磷酸糖類和肌醇六酸磷等[35]。

2.8 SEDEX 法

1992 年Ruttenberg 在提取海洋沉積物中各形態的磷時提出了一種新的連續提取技術法（SEDEX法），SEDEX 法首次區分了自生鈣結合磷與原生碎屑磷（DAP），并以0.1 mol/L 量濃度MgCl2（pH=8）提取交換態磷（Ex-P）、0.3/1.0/0.144 mol/L 的CBD 提取碳酸氟磷灰巖磷（CFAP）、1.0 mol/L 的NaAc/NaHCO3（pH=4）提取Ca-P 和氟磷灰巖磷（FAP）、1.0 mol/L 的HCl 進一步提取出FAP，最后經550 ℃灰化后用1.0 mol/L 的HCl 提取Or-P[36]1461。 SEDEX 法使得沉積物中磷的分離分級適合環境地球化學研究的實際要求，并在每一步提取前均用MgCl2和H2O 進行洗滌以最大限度降低重吸附現象，但該法未考慮提取劑的提取效率不夠高。1996 年Baldwin 通過重復每一步提取步驟直至使提取液中磷濃度低于某一閾值對SEDEX法進行改進，使NaHCO3可提取的磷形態在提取4 次后提取效率由60%升至95%[37]。 Kassila 等通過對P 法、H-L 法、EDTA 法和SEDEX 法進行比較，認為EDTA 法優于其他3 種方法，而P 法和SEDEX法對Or-P 會存在低估[38]。

2.9 7 步提取法

1998 年李悅等人將土壤中磷的分離分級提取方法融合至SEDEX 法中，形成所謂的7 步提取法，該法將沉積物磷分成Ex-P、Al-P、Fe-P、Oc-P、自生鈣磷（ACa-P）、碎屑鈣磷（De-P）和Or-P 等[39]。2004 年朱廣偉等對7 步提取法進行改進和簡化，如圖2 所示，通過采用新鮮沉積物代替風干沉積物樣，去掉原方法中每一步用MgCl2溶液與H2O 對殘渣進行洗滌的步驟，將Or-P 提取前的灼燒時間從2 h 增加到5 h，并用孔雀綠分光光度法代替鉬銻抗測定Ex-P 和Al-P，由此更好地避免了風干等過程造成的沉積物磷的形態變化，并增加了Or-P 提取的穩定性及Ex-P 與Al-P 測定的準確性[40]。 其中，LOI 表示有機質。

圖2 改進的7 步提取法

2.10 SMT 法

沉積物磷形態的分離分級得到快速發展，但并未形成標準的磷形態分離分級方法，針對這種狀況，1996 年歐洲標準測試測量組織發起了1 個聯合項目，該項目通過對W 法、H-L 法、EDTA 法及SEDEX法等4 種被廣泛接受的方法進行對比，在改進的W法基礎上形成了淡水沉積物磷形態連續提取的為歐洲標準測試委員會協議（2001年）推薦的SMT 法，SMT 法也是目前較為常用的一種分離分級方法，該法將沉積物磷形態分為Fe/Al-P（即圖3 中的NaOH-P）、Ca-P（即圖3 中的HCl-P）、無機磷（IP）、Or-P（即圖3中的OP）和TP[41]。 Ruban 在對比SMT 法和EDTA 法后認為SMT 法優于EDTA 法[17]403。 SMT 法分析步驟見圖3[42]。

圖3 SMT 法分析步驟

2.11 其他方法

2009 年Kovar 分 別 以NH4Cl、NH4F、NaOH、CBD溶液、稀H2SO4溶液和濃H2SO4與HClO4的混合溶液依次提取出NH4Cl-TP、Al-P、Fe-P、RSP、Ca-P 和Res-P[43]。在以往已有磷形態分離分級的基礎上，近年來仍有不少學者對其進行改進，如2005 年朱廣偉改進的SEDEX 法將沉積物磷分為Ex-P、Al-P、Oc-P、ACa-P 和Or-P 等[44]；2018 年高春梅等將沉積物磷分為TP、IP、DAP、Ca-P、Or-P、NH4Cl-RP 及Fe-P[45]。 另外，對于Or-P的進一步分離分級的研究相對較少[46-48]，Ivannoff 等將土壤中Or-P 分為活性有機磷（NaHCO3-Po）、中活性有機磷（包括酸提取態有機磷HCl-Po 和富里酸結合態有機磷Fulvic-Po）和非活性有機磷（包括腐殖酸結合態有機磷Humic-Po 和殘渣態有機磷Residual-Po）的方法被廣泛應用于沉積物中[49]。

3 不同形態磷的環境地球化學特征

磷在沉積物中主要以IP 和Or-P 形式存在，IP是磷參與生物地球化學循環的主要形式[50]115，在SMT 法中，IP 又主要包括Fe/Al-P 和Ca-P[51]；Or-P主要指沉積物中動植物的遺體殘骸和腐殖質類有機物中包含的磷形態，在微生物或酶的作用下可轉化成生物活性磷[52-53]或IP[50]115，從而參與生物地球化學循環，IP 和Or-P 構成TP 的2 個組成部分。 實際上，不同的分離分級方法將得到沉積物中不同的磷形態，以下僅對一些較為常用的方法得到的磷形態的環境地球化學特征進行總結。

3.1 交換態磷

Ex-P 主要指被沉積物中的活性鐵錳氧化物、氫氧化物或黏土礦物等顆粒表面吸附或者共沉淀的磷形態[36]1474，該形態磷雖然濃度很低，但卻是最易于生物利用的磷形態[54]404。

3.2 弱吸附態磷

NH4Cl-TP 主要系指被沉積物礦物顆粒表面吸附的磷酸鹽，也包括孔隙水中溶解性磷[55]，是可溶性活性磷酸鹽進入沉積物的最初形態，該形態磷是沉積物所有磷形態中含量最低的組分[28]3386，但在沉積物受到擾動或發生其他環境條件變化時，該形態的磷最容易重新進入水體。

3.3 可還原態磷

BD-P 主要是指與鐵氫氧化物及錳化合物結合的可還原性磷酸鹽[56]，該形態磷主要通過化學鍵的斷裂與合成實現轉化，受氧化還原電位等環境因子影響較大，具有潛在活性，可為藻類所利用，該形態作為評價沉積物內源磷復核的重要指示指標[57]。

3.4 鐵鋁氧化態磷

Fe/Al-P 主要為Fe、Al 金屬氧化物結合的磷[58]，一般公認是沉積物中較為穩定形態磷的組成部分，屬于潛在活性的磷，該形態磷受pH 影響較大，在pH 較高時由于OH-與磷酸根發生置換能形成更穩定的Al（OH）3或Fe（OH）3，會導致磷酸根的釋放，從而易于被生物利用[59]。 Fe/Al-P 主要包括Fe-P 和Al-P，其中Fe-P 是磷與鐵氧化物或氫氧化物發生共沉淀形成的磷酸鹽[14]3，該形態磷可以被生物（如藻類等）所利用，在一定條件下（如溫度或溶解氧發生變化[60]）容易釋放至上覆水中[54]405；Al-P 是磷與鋁氧化物或氫氧化物結合的磷形態，該形態磷易與溶解的磷酸鹽復合物交換或與OH-發生反應而溶解，后者將形成既可以在好氧條件又可以在厭氧條件下穩定存在的Al（OH）3。

3.5 有機質結合態磷

NaOH-nrP 主要是用NaOH 提取的Or-P 及腐殖酸磷[61]，該形態磷主要通過NaOH 提取到的TP 減去Fe/Al-P 得到，該形態磷通過細菌礦化分解后可成為內源磷的重要來源[62]，有機質因其附著作用成為該形態磷的載體，其對沉積物磷的固定及該形態磷的含量產生很大的影響[63]。

3.6 鈣結合態磷

Ca-P（HCl-P）主要為磷灰石磷，其包括與碳酸鹽結合的磷和微量可水解的Or-P，是沉積物磷中相對穩定的組分，也是磷在沉積物早期成巖的最終產物之一，該形態有利于磷在沉積物中的長期埋藏，但在酸性環境中該部分磷可以釋放出來。Ca-P 按照其來源可以分為ACa-P 和De-P，前者主要指包含于沉積物中的原生礦物顆粒中的鈣磷，該部分鈣磷主要來源為各種難溶性的磷酸鈣礦物（如過磷酸鈣等），該形態鈣磷穩定性比較高，較難被生物利用[64]57；后者主要指沉積物中通過生物作用沉積或固結的顆粒磷（如羥基磷灰石等），該部分鈣磷主要反映了動植物遺體殘骸引入沉積物的磷[54]405，同樣難以被生物利用[64]57。

3.7 閉蓄態磷

Oc-P 主要為鐵的氧化物或鐵鋁礦物包裹的還原性磷酸鐵或磷酸鋁，還包括一部分硅酸鹽晶格中的磷，該形態磷可能來源于風化作用，或早期成巖過程中形成的含磷自生礦物，該部分磷屬于穩定態[65]，即使在強還原條件下也很難釋放出來。

3.8 殘渣態磷

Res-P 也稱為惰性磷，主要為禁錮在礦物和其氧化物晶格中的磷[66]，該形態磷在環境條件發生改變時也基本不會釋放出來，是沉積物所有磷形態中最為穩定的部分[67]。

4 展望

盡管前人對于磷的分離分級已經進行了許多較為深入的研究，但至今仍未形成一種國際或國內通用的沉積物磷的分離分級方法，許多研究數據缺乏可比性，很多方法仍是基于操作上的便利而非對于具體化學存在形態或結構上的研究，并且很多方法均存在一定的缺陷性。 對于Or-P，其形態更是復雜多樣和高度可變，許多新的方法和高端技術如X 射線衍射技術、核磁共振等逐漸應用到磷形態的研究中。

展望未來，加快對磷形態分離分級技術的研究，改進前人方法的不足，并借助高端技術從分子和化學結構角度對沉積物磷形態進行探索和提高分析結果的準確度仍是磷形態分離分級研究的首要任務；另外，運用單一的分離分級方法對沉積物磷形態進行定量分析時需謹慎，最好通過多種被廣泛接受的方法綜合比較再作結論；此外，僅從環境領域研究磷形態的分離分級存在較大的局限性，加大如流體力學、物理學、化學、礦物學和水力學等學科領域的交叉與結合研究，勢必能解決以往所遺留的一些科學難題。 經過不斷探索和不斷更正，建立磷形態分離分級方法的標準體系是我們的重要目標。 通過一系列關于磷形態的研究，總結經驗并應用于水體磷污染的治理與管控是我們的最終目標。目前，對于Fe-P 的研究已提出通過增氧曝氣和納米氣泡礦物改性顆粒等技術控制沉積物-水界面溶解氧從而控制內源磷的釋放，這些技術和經驗的發展增加了我們對于磷形態分離分級研究的信心，未來勢必可期。