中国北雲河における河床堆積物中のリンの輸送と関連する吸着・脱離特性

Phosphorus transport in riverbed sediments and related adsorption and desorption characteristics in the Beiyun River, China.

• Renkuan Liao
• Jieyun Hu
• Yunkai Li
• Shuqin Li

抄録

河川底堆積物は、河川生態系の界面層であり、水の上層媒質と不動態域をつなぐ役割を果たしている。淡水富栄養化の主な原因として認識されているリン(P)の河床堆積物中での輸送挙動は不明な点が多い。河川底堆積物がリンの輸送に及ぼす影響を理解することは、潜在的な地下水汚染を低減するための適切な戦略を開発するために必要な前提条件である。本研究では，中国北雲河の上流部，中流部，下流部の河川底堆積物を採取し，鉛直な土柱に充填して浸出実験を行い，Pの輸送特性を定量化した．また、実験室でのバッチ試験により、Pの吸着・脱着の影響メカニズムをさらに検討した。その結果、土柱浸出実験では、河床堆積物に約80%のPが吸着され、その脱着にはテーリング現象が観察されることが明らかになった。河床堆積物の透水係数特性を移流分散式で評価したところ、上流部から下流部にかけてPの吸着能力が徐々に低下していることが示され、吸着・脱着熱力学的バッチ試験や運動論的バッチ試験の結果からも裏付けられた。また、Pの年間溶出量の推定値は、上流区間では60.72g/maから下流区間では132.31g/maに増加した。河床堆積物がPの供給源あるいは吸収源としての役割を果たしているかどうかは、その粗い砂粒子の含有量と平均平衡P濃度(EPC0)によって決定される可能性がある。また，Pと他の形態の栄養素との競合関係も，Pの供給源・吸収源としての役割に重要な影響を与えていると考えられる。これらの結果から、北雲河の下流域では、潜在的なPの溶出を防止することが最も必要であり、地下水汚染を回避するためには、対応する制御戦略を策定する必要があることが示唆された。

Riverbed sediments are the interface layer in riverine ecosystems connecting the overlying medium of water and the vadose zone. The transport behavior of phosphorus (P), which has been recognized as the primary cause of freshwater eutrophication, in riverbed sediments remains unclear. Understanding the impact of riverbed sediments on P transport is a necessary prerequisite for the development of appropriate strategies to reduce potential groundwater pollution. In this study, riverbed sediments were collected from the upstream, midstream, and downstream sections of the Beiyun River, China, and packed into vertical soil columns to perform leaching experiments to quantify P transport characteristics. In addition, the impact mechanisms were further explored by conducting laboratory batch tests of P adsorption and desorption. The results demonstrated that approximately 80% of P can be adsorbed by riverbed sediments in soil column leaching experiment, and a tailing phenomenon was observed in its desorption. The hydraulic conductivity properties of riverbed sediments were evaluated by the advection-dispersion equation, showing a gradually decreasing adsorption capacity for P from upstream to downstream sections, which was supported by the results obtained from adsorption-desorption thermodynamic and kinetic batch tests. The estimated annual leaching masses of P increased from 60.72 g/(m a) in the upstream section to 132.31 g/(m a) in the downstream section. The role of riverbed sediments as a source or sink of P is possibly determined by their coarse sand particles content, and the mean equilibrium P concentration (EPC0). The competitive relationship between P and other forms of nutrients also has an important influence on its source-sink role. These findings suggest that the prevention of the potential P leaching is most needed in the downstream sections of Beiyun River, and corresponding control strategies should be developed to avoid groundwater pollution.

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