專利名稱：沉積物間隙水分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水樣的采集及分析測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種沉積物間隙水分析方法。
在湖泊、海洋水環(huán)境研究中，尤其是對沉積物-水界面的化學(xué)質(zhì)量轉(zhuǎn)移、化學(xué)物質(zhì)在界面附近的分布特征及遷移機(jī)理和沉積物中早期成巖過程的研究中，間隙水的地球化學(xué)是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。在野外常用間隙水平衡采樣器采集原位間隙水或用特制的沉積物采樣器采集泥芯或表層底泥，再經(jīng)分層、離心或壓(抽)濾獲得間隙水。
在室內(nèi)模擬研究中，大多采用厭氧離心法獲取間隙水。但厭氧離心對操作條件要求苛刻，如需在充氮的環(huán)境中進(jìn)行以避免空氣中氧的影響。即使如此，操作中壓力、酸度和溫度的改變也會影響間隙水的化學(xué)平衡。離心法的最大不足在于它屬于破壞性采樣，不能對樣品進(jìn)行長期定位研究。
本發(fā)明的目的在于提供一種沉積物間隙水分析方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處。
本發(fā)明的任務(wù)是以下述方式完成的，一種沉積物間隙水分析方法，包括以下步驟a、試樣的采集及處理取所需層位的沉積物和水樣，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后立即過濾水樣，沉積物和經(jīng)過濾的水樣0～4℃保存?zhèn)溆?；b、將處理后的試樣(即沉積物和水樣)加入室內(nèi)模擬裝置使沉積物的泥層厚度以及水樣的水層厚度形成一定高度；所述室內(nèi)模擬裝置為一圓柱狀容器，其距底板近旁的側(cè)壁上鉆有小孔，水平插入根際土壤溶液采樣器至容器中部，容器上蓋板的橡膠塞上插有鉑電極、Ag-AgCl電極和pH復(fù)合電極，并設(shè)有換氣孔(兼溫度計(jì)插孔)；c、塞緊橡膠塞，使電極插入底泥中；通過換氣孔向液面上空間通入高純(99.99％)N22～8分鐘，立即插入溫度計(jì)并用硅酮玻璃膠密封；將室內(nèi)模擬裝置放入人工氣候箱中進(jìn)行遮光培養(yǎng)；d、沉積物pH和Eh的測定每隔3～5天，用SY-5電導(dǎo)、pH-Eh、溫度測定儀測定沉積物的pH和Eh；e、上覆水及間隙水的采集每隔10～20天采樣一次，用根際土壤溶液采樣器采集間隙水樣，打開橡膠塞用注射器采集上覆水樣，立即用微孔濾膜過濾、冷藏；小心地向培養(yǎng)容器中補(bǔ)入等量由步驟a所得的水樣，然后按上面所述的同樣方法換氣、密封，放入人工氣候箱中繼續(xù)培養(yǎng)。
f、底泥吸附態(tài)NH4+的測定取塑料離心管若干個，分別加入經(jīng)混勻的新鮮沉積物和經(jīng)過濾的水樣，其余處理方法同步驟e中所述；每次采集水樣的同時(shí)取3個離心管樣品；用針筒吸去上覆水，離心去掉間隙水后測定底泥吸附態(tài)NH4+；g、測定、計(jì)算底泥NH4+-N用奈氏比色法測定，NH4+-N釋放通量的計(jì)算按《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行。
步驟a中所抽濾出的水樣最好通過0.45μm濾膜(必要時(shí)先用濾紙粗濾，再抽濾通過0.45μm濾膜)。
步驟b中所述的室內(nèi)模擬裝置的容器上蓋板的橡膠塞上最好增設(shè)有進(jìn)/出氣孔及氣體采樣口。
步驟c中所述的電極插入底泥的深度可以控制在0～5cm，所述遮光培養(yǎng)的溫度需根據(jù)野外實(shí)際情況而定，范圍可從0～35℃。
步驟e還可以包括氣體的采集，氣體樣品用微量進(jìn)樣器通過氣體采樣口采集。
下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1表示沉積物基本處于中性強(qiáng)還原環(huán)境；圖2反映了培養(yǎng)期間上覆水和間隙水NH4+-N濃度的變化；圖3反映了厭氧條件下，沉積物-水界面NH4+-N的累計(jì)通量與培養(yǎng)時(shí)間的關(guān)系；圖4為本發(fā)明所使用的室內(nèi)模擬裝置示意圖。
杭州西湖是我國著名風(fēng)景旅游湖泊，目前仍屬于富營養(yǎng)湖泊。利用本發(fā)明所提供的方法對西湖底泥進(jìn)行為期78天的厭氧培養(yǎng)，并采用根際土壤溶液采樣器對培養(yǎng)期間沉積物的間隙水進(jìn)行定位連續(xù)采樣分析。
1.材料與方法1.1材料1.1.1沉積物和水樣1999年10月18日在杭州西湖湖心采集表層沉積物和水樣。運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后立即過濾水樣，底泥和經(jīng)過濾的水樣4℃保存?zhèn)溆谩?br> 1.1.2根際土壤溶液采樣器主要由多孔聚酯管、PVC管和螺旋型外凸式連接器組成。它的特點(diǎn)是(1)小巧(管徑2.5mm)，安裝時(shí)對體系擾動小。(2)使用方便(抽氣部分的長度可變、濾液清亮可直接分析)(3)死體積小(＜0.1ml)、吸附解吸效應(yīng)小，能快速響應(yīng)待測溶液濃度的變化，測定時(shí)空分辨率高。
1.1.3室內(nèi)模擬裝置在圓柱狀容器(φ10cm×11cm)側(cè)壁距底板5mm處鉆孔，水平插入根際土壤溶液采樣器至容器中部。容器上底板的橡膠塞上插有鉑電極、Ag-AgCl電極和pH復(fù)合電極，并設(shè)有換氣孔(兼溫度計(jì)插孔)。在容器中加入1675g經(jīng)混勻的新鮮沉積物(泥層厚約5cm)，并小心加入1250mL經(jīng)過濾的湖水(水層厚約4cm)。塞緊橡膠塞，使電極插入底泥約1cm。通過換氣孔向液面上空間通入高純(99.99％)N2約5分鐘，立即插入溫度計(jì)并用硅酮玻璃膠密封。將培養(yǎng)容器放入人工氣候箱(LRH-250-GS廣東省醫(yī)療器械廠)中，在25℃下遮光培養(yǎng)，設(shè)4個重復(fù)。
1.2方法1.2.1沉積物pH和Eh每隔3～5天用SY-5電導(dǎo)、pH-Eh、溫度測定儀(中科院南京土壤研究所研制)測定沉積物的pH和Eh。
1.2.2上覆水及間隙水的采集每隔2周左右采樣一次用根際土壤溶液采樣器采集間隙水樣15mL，打開橡膠塞用注射器采集上覆水樣75mL，立即用微孔濾膜(0.45μm)過濾、冷藏。小心地向培養(yǎng)容器中補(bǔ)入90mL經(jīng)過濾的水樣，然后按前文所述方法換氣、密封，放入人工氣候箱中繼續(xù)培養(yǎng)。
1.2.3底泥吸附態(tài)NH4+的測定取100mL塑料離心管30個，分別加入35g經(jīng)混勻的新鮮沉積物和30mL經(jīng)過濾的湖水，其余處理方法同1.2.2中所述。每次采集水樣的同時(shí)取3個離心管樣品。用針筒吸去上覆水，離心(5500rpm，25min)去掉間隙水后測定底泥吸附態(tài)NH4+。
1.2.4測定、計(jì)算方法底泥NH4+-N用奈氏比色法測定，NH4+-N釋放通量的計(jì)算按《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行。
2.結(jié)果與討論2.1沉積物pH和Eh培養(yǎng)期間沉積物pH和Eh的變化如圖1所示。在培養(yǎng)最初的10天里，pH下降近0.3個pH單位(從pH 7.16下降到pH 6.87)。10天以后pH變幅較小，基本穩(wěn)定在6.86±0.01左右。而Eh在最初的一周里急劇下降(從-185mV降至-447mV)，之后略有回升，一個月后基本穩(wěn)定在-379±5mV。沉積物Eh-pH的變化與沉積物中發(fā)生的早期成巖作用(如有機(jī)質(zhì)分解、氧化還原、沉淀溶解反應(yīng)等)有關(guān)。圖1表明沉積物基本處于中性強(qiáng)還原環(huán)境。在還原條件下，有機(jī)氮礦化產(chǎn)生的NH4+-N常在還原層中積累，大部分以交換態(tài)存在。
2.2上覆水和間隙水NH4+-N的交換圖2反映了培養(yǎng)期間上覆水和間隙水NH4+-N濃度的變化。從圖2中可以看出，在培養(yǎng)期間，上覆水NH4+-N濃度不斷增加，而間隙水NH4+-N濃度先下降，后呈逐漸增加趨勢。至78天時(shí)，上覆水NH4+-N濃度已接近于間隙水NH4+-N濃度(分別為11.6和11.96 mg/L)。
值得注意的是，前18天內(nèi)上覆水NH4+-N濃度增加了近3.6倍(從2.05增至7.29mg/L)，而同期間隙水NH4+-N濃度僅下降了1.1mg/L(從10.15下降到9.05mgN/L)。在本研究中，上覆水NH4+-N濃度的變化只可能因?yàn)?1)間隙水的擴(kuò)散(2)表層沉積物的分解釋放。實(shí)際上，由于上覆水與間隙水的濃差較大(初始為8.1mg/L，18天時(shí)為1.76mg/L)，再加上厭氧條件下有機(jī)氮分解速率較慢[12，17]，前18天內(nèi)上覆水NH4+-N濃度增加應(yīng)主要?dú)w因于間隙水的擴(kuò)散。
為驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，我們采用Fick第一定律 估算前18天內(nèi)NH4+-N的擴(kuò)散量。其中，F(xiàn)為通過沉積物-水界面的擴(kuò)散通量，0為表層沉積物的孔隙度，Ds為包括沉積物顆粒排列不規(guī)則的彎曲效應(yīng)在內(nèi)的分子擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)＞0.7時(shí)，Ds＝2D0(D0為離子在無限稀釋溶液中的理想擴(kuò)散系數(shù))，最后一項(xiàng)為沉積物水界面的濃度梯度，一般可近似用界面附近的濃度差ΔC/Δx代替。
估算時(shí)，取0.88，Δx取5cm(均為本研究實(shí)測值)，D0取19.8×10-6cm2s-1[19]，并假設(shè)上覆水和間隙水濃度都是線性變化的，對F定積分求得18天內(nèi)NH4+-N的擴(kuò)散量。估算結(jié)果為擴(kuò)散的貢獻(xiàn)率約為99％，而表層分解釋放的貢獻(xiàn)率僅為1％左右。此外，同期測定的底泥吸附態(tài)NH4+-N的結(jié)果也表明在最初的18天內(nèi)底泥吸附態(tài)NH4+-N有明顯地減少(從115μg/g干重降至88μg/g干重)，這說明有部分交換態(tài)的銨從底泥上解吸下來進(jìn)入間隙水。以上的粗略估算證實(shí)前18天內(nèi)上覆水NH4+-N濃度增加主要來自間隙水的擴(kuò)散。
在培養(yǎng)后期，間隙水濃度有上升的趨勢，這說明底泥有機(jī)質(zhì)分解釋放進(jìn)入間隙水的NH4+-N的量已超過間隙水因擴(kuò)散而減少的NH4+-N的量。
2.3厭氧條件下NH4+-N的釋放通量厭氧條件下，沉積物-水界面NH4+-N的累計(jì)通量與培養(yǎng)時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，累計(jì)通量vs培養(yǎng)時(shí)間曲線呈現(xiàn)三個階段。前18天內(nèi)，NH4+-N釋放速率較快。這主要?dú)w因于沉積物-水界面的化學(xué)質(zhì)量轉(zhuǎn)移，即擴(kuò)散作用。18～39天期間，隨著間隙水與上覆水濃度差的不斷縮小(參見圖2)，擴(kuò)散速率下降，NH4+-N通量增加速度減慢。39天后，NH4+-N的累計(jì)通量幾乎呈線性增加，但增加的速率遠(yuǎn)小于第一個階段。此時(shí)上覆水NH4+-N濃度的增加很可能有兩個途徑(1)沉積物表層有機(jī)物的分解產(chǎn)物直接進(jìn)入上覆水體；(2)沉積物內(nèi)部有機(jī)質(zhì)分解釋放的NH4+-N部分進(jìn)入間隙水，再經(jīng)由擴(kuò)散作用進(jìn)入上覆水。
根據(jù)圖3中兩個線性階段計(jì)算的NH4+-N的釋放速率分別為11.60和5.12mg m-2d-1。宋靜(1999)采用每天人工調(diào)節(jié)上覆水pH至8.5，并間歇向水層通入N2條件下得到西湖底泥NH4+-N的釋放速率為1.99mg m-2d-1[18]。由于研究對象、方法、條件等不同，研究結(jié)果之間可能有較大的差異。例如，Luijn等(1999)對厭氧條件下Nuldernauw湖(荷蘭)底泥NH4+-N釋放通量的研究結(jié)果為19.49～81.65mg m-2d-1(淤泥質(zhì)底泥)；17.47～50.40mg m-2d-1(砂質(zhì)底泥)]。
3.結(jié)論厭氧條件下，沉積物-水界面NH4+-N的累計(jì)通量與時(shí)間關(guān)系曲線呈現(xiàn)三個階段，不同階段間隙水的擴(kuò)散和沉積物的分解釋放對上覆水濃度增加的貢獻(xiàn)不同。根據(jù)累計(jì)通量-培養(yǎng)時(shí)間曲線中兩個線性階段計(jì)算的NH4+-N的釋放速率分別為11.60和5.12mg m-2d-1。
土壤溶液微型采樣器克服了傳統(tǒng)的離心法、抽(壓)濾法無法進(jìn)行原位連續(xù)測定的缺點(diǎn)和間隙水平衡采樣器體積大、采樣步驟煩瑣、時(shí)間分辨率差的弱點(diǎn)。它具有小巧、使用方便、時(shí)間分辨率高等特點(diǎn)，是間隙水地球化學(xué)研究的一個有力工具。
參照圖4，本發(fā)明公開的沉積物間隙水分析方法中所使用的室內(nèi)模擬裝置具有測定室1、測定室頂板11、傳感器2以及土壤溶液微型采樣器4，測定室1為一圓柱狀容器，測定室頂板11處于測定室1的上部，測定室頂板11的橡膠塞3上插有傳感器2，在圖4中的傳感器2包括有鉑電極21、Ag-AgCl電極22、23和pH復(fù)合電極24，傳感器2的信息采集端位于測定室1內(nèi)部，而其信息輸出端伸出測定室外部，測定室1靠近底板的側(cè)壁12上開設(shè)有小孔，土壤溶液微型采樣器4經(jīng)由橡膠塞固定在該小孔內(nèi)。從圖4中還可以看出，測定室頂板11上同時(shí)設(shè)置有進(jìn)/出氣孔5及氣體采樣口6。
而上述土壤溶液微型采樣器由連接器、PVC管以及微孔聚酯管構(gòu)成，微孔聚酯管的一端閉合，另一端通過PVC管續(xù)接在連接器上，PVC管與微孔聚酯管的結(jié)合部位的外圍增設(shè)有一橡膠套管，在連接器、PVC管以及微孔聚酯管的內(nèi)部增設(shè)有一根加強(qiáng)絲，用以增加其強(qiáng)度。
本發(fā)明由于采用了一種特定的室內(nèi)模擬裝置，既具備間隙水平衡采樣器可進(jìn)行定位非破壞性采樣、空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，又克服了間隙水平衡采樣器時(shí)間精度差、體積大、采樣步驟繁瑣的缺點(diǎn)，因而可以動態(tài)連續(xù)監(jiān)測沉積物pH和Eh的變化，間隙水和上覆水化學(xué)組成以及液面上空間氣體成分的變化，可用來研究泥水界面物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程，計(jì)算各種物質(zhì)在界面的遷移通量。
權(quán)利要求
1.一種沉積物間隙水分析方法，包括以下步驟a、試樣的采集及處理取所需層位的沉積物和水樣，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后立即過濾水樣，沉積物和經(jīng)過濾的水樣0～4℃保存?zhèn)溆?；b、將處理后的試樣(即沉積物和水樣)加入室內(nèi)模擬裝置使沉積物的泥層厚度以及水樣的水層厚度形成一定高度；所述室內(nèi)模擬裝置為一圓柱狀容器，其距底板近旁的側(cè)壁上鉆有小孔，水平插入根際土壤溶液采樣器至容器中部，容器上蓋板的橡膠塞上插有鉑電極、Ag-AgCl電極和pH復(fù)合電極，并設(shè)有換氣孔(兼溫度計(jì)插孔)；c、塞緊橡膠塞，使電極插入底泥中；通過換氣孔向液面上空間通入高純(99.99％)N22～8分鐘，立即插入溫度計(jì)并用硅酮玻璃膠密封；將室內(nèi)模擬裝置放入人工氣候箱中進(jìn)行遮光培養(yǎng)；d、沉積物pH和Eh的測定每隔3～5天，用SY-5電導(dǎo)、pH-Eh、溫度測定儀測定沉積物的pH和Eh；e、上覆水及間隙水的采集每隔10～20天采樣一次，用根際土壤溶液采樣器采集間隙水樣，打開橡膠塞用注射器采集上覆水樣，立即用微孔濾膜過濾、冷藏；小心地向培養(yǎng)容器中補(bǔ)入等量由步驟a所得的水樣，然后按上面所述的同樣方法換氣、密封，放入人工氣候箱中繼續(xù)培養(yǎng)。f、底泥吸附態(tài)NH4+的測定取塑料離心管若干個，分別加入經(jīng)混勻的新鮮沉積物和經(jīng)過濾的水樣，其余處理方法同步驟e中所述；每次采集水樣的同時(shí)取3個離心管樣品；用針筒吸去上覆水，離心去掉間隙水后測定底泥吸附態(tài)NH4+；g、測定、計(jì)算底泥NH4+-N用奈氏比色法測定，NH4+-N釋放通量的計(jì)算按《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》進(jìn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的沉積物間隙水分析方法，其特征是步驟a中所抽濾出的水樣通過0.45μm濾膜抽濾。
3.如權(quán)利要求1或2所述的沉積物間隙水分析方法，其特征是步驟b中所述的室內(nèi)模擬裝置的容器上蓋板的橡膠塞上增設(shè)有進(jìn)/出氣孔及氣體采樣口。
4.如權(quán)利要求1或2所述的沉積物間隙水分析方法，其特征是步驟c中所述的電極插入底泥的深度為0～5cm，所述遮光培養(yǎng)的溫度控制在0～35℃。
5.如權(quán)利要求3所述的沉積物間隙水分析方法，其特征是步驟c中所述的電極插入底泥的深度為0～5cm，所述遮光培養(yǎng)的溫度控制在0～35℃。
6.如權(quán)利要求1、2或5所述的沉積物間隙水分析方法，其特征是步驟e還包括氣體的采集，氣體樣品用微量進(jìn)樣器通過氣體采樣口采集。
7.如權(quán)利要求3所述的沉積物間隙水分析方法，其特征是步驟e還包括氣體的采集，氣體樣品用微量進(jìn)樣器通過氣體采樣口采集。
8.如權(quán)利要求4所述的沉積物間隙水分析方法，其特征是步驟e還包括氣體的采集，氣體樣品用微量進(jìn)樣器通過氣體采樣口采集。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種沉積物間隙水分析方法,包括:試樣的采集及處理、將處理后的試樣加入室內(nèi)模擬裝置、將室內(nèi)模擬裝置放入人工氣候箱中進(jìn)行遮光培養(yǎng)、沉積物pH和Eh的測定、上覆水及間隙水的采集、底泥吸附態(tài)NH
文檔編號G01N21/25GK1356542SQ0013436
公開日2002年7月3日 申請日期2000年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月7日
發(fā)明者駱永明, 宋靜 申請人:中國科學(xué)院南京土壤研究所