滇池沉積物磷濃度對內源磷釋放過程及藍藻生長的影響

牛 婧，包 立，楊牧青，王慧姣，汪 泰,張乃明

(云南農業大學，云南省土壤培肥與污染修復工程實驗室，云南 昆明 650201)

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滇池沉積物磷濃度對內源磷釋放過程及藍藻生長的影響

牛 婧，包 立，楊牧青，王慧姣，汪 泰,張乃明

(云南農業大學，云南省土壤培肥與污染修復工程實驗室，云南 昆明 650201)

通過不同沉積物磷濃度對內源磷釋放過程及藍藻生長影響的試驗開展滇池內源沉積物釋放過程的研究。試驗表明：①沉積物磷濃度的高低與藍藻的生長狀況有明顯關聯，高濃度的磷能使藍藻暴發時間更長且強度更大，且各形態磷變化的波動性越大。②沉積物全磷含量和各形態的無機磷在試驗結束后均有釋放，有機磷在處理四出現負釋放：4個處理全磷釋放量分別為4.88%、6.67%、7.69%、9.27%；有機磷在處理四增加0.83%。

沉積物；磷；內源釋放；藍藻；富營養化；滇池

0 引言

滇池地處云貴高原，位于昆明南郊, 東經102°36′～102 °47′，北緯24°40′～25°02′，是中國西南地區最大的晚新生代斷陷盆地型內陸淡水湖泊[1]，屬長江流域金沙江水系。其外形為南北分布，南北長40km，呈弓形，弓背向東，東西最寬12km，海拔1886m，水域面積約為300km2，湖容約13.6億m3[2]，多年平均水位標高1886.21m，最大水深11.3m，平均水深5.12m，換水周期485d。滇池的入湖河流有20多條，位于滇池北、東、南三面的盤龍江、寶象河和大觀河是主要入湖河流，每年入湖水量占80%以上，同時攜帶大量泥沙、污染物及營養物質進入滇池，使滇池成為城市污水、工業廢水及農業回歸水的接納水體[3-4]。

草海是位于滇池北部的內湖，湖面積7.25km2，總面積僅占滇池的2.5%，湖容0.188億m3，平均水深3.21m[2]，是滇池重要的組成部分。其與昆明城中的大觀河、西壩河相通，主要入庫河流有新河、運糧河、大觀河、船房河(圖1) ，水質為劣V類，處于嚴重的富營養狀態，生物多樣性破壞嚴重，是滇池污染最嚴重的區域。草海為滇池最靠近昆明市區的區域[5]，沉積物中的污染物質主要來源于城市污水的排放，地表徑流和湖水中水生生物的死亡殘骸[6]。

磷是我國眾多淡水湖泊富營養化的限制性因子[7-9]，湖泊水體的磷源可分為內源磷與外源磷[8]。滇池流域是我國重要的磷礦生產基地，大量的磷素伴隨磷礦開采與磷肥使用過程直接或間接進入滇池水體并蓄積到湖底沉積物中。

目前，滇池內源污染控制的成功與否成為治理滇池水體富營養化問題的關鍵[10-12]。從1998年開始，滇池草海開始進行定期疏浚，對草海南部、盤龍江以及大清河入湖口進行清淤,到2010年已完成污染底泥疏浚和處置二期工程，疏浚量達360萬m3[11]。然而，滇池富營養化現象仍十分嚴重，20世紀60年代，滇池無論是草海還是外海,水質均為Ⅱ類水,70年代為Ⅲ類,80年代草海為Ⅴ類而外海為Ⅳ類,至90年代草海和外海水質分別為超Ⅴ類和Ⅴ類水質。40年來滇池水質共下降了三個等級,水質逐步惡化。目前草海異常富營養化,局部沼澤化,外海嚴重富營養化,出現了全湖水質超Ⅴ類的嚴重狀況[22]。水質沒有明顯的改善，圍繞滇池內源磷形態[13-14]、釋放[15-16]、影響因素[17-19]的各類研究是目前研究的焦點與熱點。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

沉積物：源自滇池草海疏浚底泥的底泥堆場，用塑料袋取疏浚底泥若干袋，混合均勻后用于試驗。

試驗用水：試驗用水源自滇池草海上覆水，利用塑料桶直接于滇池內舀取，帶回試驗室備用。

藍藻：試驗藻種為滇池上覆水中的藍藻，取自滇池藻水分離站附近的高濃度新鮮藻漿。

1.2 模擬試驗設計

采集滇池草海區域疏浚底泥樣品，并取滇池原狀水樣。

模擬試驗在20cm×30cm×50cm(長寬高)的玻璃缸中進行。根據草海中平均水深3.21m，污染層分布平均約1m的比例，沉積物樣平鋪在玻璃裝置內12～15cm，上置水樣30cm左右。試驗共設計4組處理，每組3個平行，共12組玻璃缸。

根據2011年滇池草海沉積物磷濃度的測定值，在最大值與最小值范圍內設定4個濃度梯度，作為本試驗的4組處理，在保持N的濃度都為5000mg/kg的情況下，P的4個濃度梯度分別為：1300±100mg/kg，1800±100mg/kg，2300±100mg/kg，2800±100mg/kg。每個玻璃缸中加入4.2kg沉積物(含水量30%)，即3kg試驗土樣，可以保證沉積物在12～15cm范圍內，再通過添加K2HPO4作為外源磷來改變沉積物中總磷含量，外源磷的添加量分別為0g、8.412g、16.83g、25.245g。

模擬試驗設置后初次試驗結果見表1。

表1 模擬試驗設置后初次試驗結果 (mg/kg)

1.3 試驗測定項目及方法

1.3.1 沉積物測定項目及方法

沉積物測定項目包括總磷與各形態磷。

總磷(TP)：分別準確稱取不同目數的沉積物土樣0.5g于干燥的坩堝中，放人馬弗爐中，450℃煅燒3h；冷卻后，移至離心管，加入20mL 3.5mol/L鹽酸，加蓋搖勻，振蕩16h，離心提取總磷。

各形態磷的測定：根據E.Rydin[21]的提取方法對沉積各形態磷進行分級提取再測定。

1.3.2 上覆水測定項目及方法

上覆水測定項目包括總磷與葉綠素a。

(1)總磷：鉬酸銨分光光度法；

(2)測定細胞葉綠素a含量：參照USEPA標準方法[21]，葉綠素a的計算公式如下：

Chla=27.9V乙醇[(E665-E750)-(A665-A750)]/V樣品

(1)其中：Chla指葉綠素a濃度(mg/L )，V乙醇是萃取液定容的體積(mL)，V樣品是過濾水樣的體積(L)。

2 結果與分析

2.1 沉積物不同形態磷隨時間變化趨勢

沉積物中全磷含量在試驗結束后均有所下降，處理一在試驗結束時減少了4.88%，處理二減少了6.67%，處理三減少了7.69%，處理四減少量最大為9.27%。由圖1可以看出：4個處理的全磷含量都有吸附和釋放的過程，其變化均表現出先下降后上升的趨勢，培養到第6天4組處理都表現出微弱的下降趨勢，1～6d這段時間為試驗裝置內沉積物與上覆水組成的小生態系統所進行的自適應時期，因此這期間并沒有明顯的變化；6～18d全磷含量表現出急速下降趨勢，向上覆水大量釋放，在處理三與處理四中表現較為明顯，培養第18d為全磷含量從下降到上升趨勢的轉折點，18～24d沉積物不僅不會向上覆水釋放，反而會從上覆水吸附磷，使得沉積物呈負釋放狀態，隨后全磷有少量釋放但速率大大減緩。沉積物全磷含量的變化集中體現出沉積物和上覆水作為一個動態的平衡系統，二者在不斷地進行物質及能量的交換，直至平衡。綜合來看，沉積物中全磷含量越高，各形態磷的釋放量波動性越大，但都會有釋放與吸附的過程，處理四各形態磷的釋放和吸附作用最為激烈。

各形態的無機磷在試驗結束后均有不同程度的釋放，有機磷在試驗結束后除在處理四中出現負釋放狀態，在其余處理組也均表現出一定量的釋放。3種無機磷相比較而言：Ca-P的釋放量最小，其釋放量最大的處理為處理四，達到4.64%；Fe-P、Al-P表現活潑，釋放量均較大，Fe-P釋放量最大的處理為處理四,達24.88%；Al-P在4組處理中釋放量均在10%左右，Fe-P、Al-P更易通過藻類同化作用轉化為有機磷或釋放到上覆水中。O-P在處理一釋放量最大，為7.57%，處理四的O-P在試驗結束后增加0.83%，隨著沉積物底泥磷濃度的提高，O-P的釋放量呈減少的趨勢，這可能是受到了微生物活動的影響。

各形態磷具體的變化特征如下：

(1) 鈣磷(Ca-P)：4組處理的鈣磷在試驗結束后均有釋放，其中處理四的鈣磷在培養期間表現出強烈的波動性，其變化趨勢與全磷相似，4組處理釋放量的最大值均出現在第18d，且鈣磷含量的最小值較為接近。由圖2可以看出，當沉積物總磷含量升高時，鈣磷的活性也會加大，表現出明顯的釋放和吸附過程。到試驗結束時，4組處理鈣磷的釋放量依次為2.18%、2.87%、1.82%、4.64%。

(2) 鐵磷(Fe-P)：在整個培養期內，前3組處理的鐵磷均表現出持續的勻速釋放狀態，到試驗結束時，釋放量依次為6.33%、13.39%、18.59%。在處理四中，鐵磷前期表現為負釋放狀態，含量有少量的增加，從第12d開始，表現為持續加速釋放，且最終釋放量為24.88%，明顯高于前3組。

(3) 鋁磷(Al-P)：鋁磷在整個培養期內相比較其他形態的磷表現最為活潑，特別是處理四的鋁磷在12～24d表現出強烈的釋放，強度超過其余3組處理。到試驗結束時，4組處理的鋁磷釋放量依次為10.29%、10.52%、9.44%、11.82%。

(4) 有機磷(O-P)：處理一、處理二、處理三的有機磷變化趨勢基本一致，在試驗結束時釋放量依次為7.57%、4.28%、2.65%，處理四的有機磷在試驗結束時增加0.83%，可能是由于沉積物高磷狀態下，微生物加速增長，P富集于增長的微生物群落，形成有機磷，從而導致沉積物中有機磷含量的增加。由圖5可以看出，隨著沉積物磷濃度的增加，有機磷的釋放量減少，而2848.604mg/kg全磷含量條件下的有機磷發生負釋放，由此推斷沉積物全磷含量在2246.569～2848.604mg/kg可能存在有機磷釋放由正到負的閾值。

2.2 上覆水葉綠素a、總P動態變化

2.2.1 上覆水葉綠素a

水體中的Chla是評價浮游植物生產力和生物量的重要指標，大量研究表明Chla與藻類生物量之間存在極顯著的正相關[22]，因此Chla是藻類存在量的重要指標，本文用Chla的值來反映水體中富營養化的程度。由圖7上覆水Chla隨時間變化情況可見，在4組處理中，藻類在培養期內均完成了從生長到暴發到最后消亡的一個完整的生命周期。在本試驗中，并沒有外源磷素添加到上覆水中，可以看出，在切斷外源磷輸入的情況下，內源磷仍可供應給藻類所需的營養物質，促進藻類的暴發。處理一、處理二、處理三的Chla變化趨勢完全一致，從第6d開始大量暴發，到第24d進入衰亡期，在第30d幾乎全部衰亡。由于沉積物磷的起始濃度不同，藍藻暴發的強度也不同，遵循沉積物磷濃度越高暴發強度越大的規律。值得注意的是，處理四的沉積物磷濃度最大，而相應的藍藻大量暴發的時間會出現延后，處理四在第12d達到暴發的高峰，且強度明顯大于其他3組處理，且暴發持續的時間更長。由此可見，沉積物磷濃度的高低與藍藻的生長狀況有明顯的關聯，高濃度的磷能使藍藻暴發時間更長且強度更大。

2.2.2 上覆水總P動態變化

從表2上覆水同一時間不同處理TP差異性表可以看出，從第6d開始，4組處理開始表現出差異性，一直到試驗結束，這種差異性一直存在。說明在藍藻暴發的整個過程中，沉積物與上覆水之間的磷素轉化一直十分激烈。

表2 上覆水同一時間不同處理TP差異性表

圖7顯示出，上覆水TP濃度的變化與藍藻濃度的變化基本同步，4個處理均表現出這樣的趨勢。

2.3 沉積物各形態磷、葉綠素a相關性分析

2.3.1 沉積物各形態磷與葉綠素a相關性分析

在切斷外源磷輸入的情況下，依靠內源磷的供給藻類依然能生長并大量暴發。探索不同情況下沉積物中各形態磷與Chla的相關性可以更準確地把握供給藻類生長的內源磷類型，并有針對性地進行滇池草海水體富營養化分區域防治。

由圖8可以看出，在低磷濃度下，葉綠素a與有機磷表現出顯著的相關性，其次與鈣磷和鋁磷的相關性也較好，其相關性系數分別為0.7912和0.6203。鐵磷雖然是影響藻類生存的磷形態，容易從沉積物中釋放并被藻類所利用，但是在沉積物低磷濃度下，鐵磷與葉綠素a的相關性并不高。處理一沉積物中葉綠素a與各形態磷的變化情況進行3階回歸方程的模擬如下：

F(Ca-P)=12.140X3-116.62X2+345.75X+222；R2=0.7912

F(O-P)=-8.0143X3+112.41X2-486.86X+1065.7；R2=0.9701

F(Al-P)=10.277X3-102.03X2+311.1X-109.94；R2=0.6203

F(Fe-P)=0.1577X3-1.1064X2+1.4392X+64.534；R2=0.1924

由圖9可以看出，隨著沉積物磷濃度的增加，各形態磷與葉綠素a的相關性也發生變化，與處理一相比，處理二中葉綠素a與鐵磷的相關性上升，與有機磷的相關性下降，但有機磷與葉綠素a的相關性始終保持較高的水平。處理二沉積物中葉綠素a與各形態磷的變化情況進行3階回歸方程的模擬如下：

F(Ca-P)=13.581X3-146.17X2+446.12X+326.12；R2=0.8294

F(O-P)=6.7305X3-64.582X2+163.76X+583.67；R2=0.7809

F(Al-P)=-0.012X3-0.5423X2+5.2451X+173.49；R2=0.0608

F(Fe-P)=-0.8933X3+11.657X2-44.391X+122.19；R2=0.7128

由圖10可以看出，在2200mg/kg的沉積物全磷濃度下，葉綠素a與鋁磷及有機磷的相關性都很高，與鈣磷及鐵磷也存在較好的相關性。處理三沉積物中葉綠素a與各形態磷的變化情況進行3階回歸方程的模擬如下：

F(Ca-P)=2.5322X3-32.62X2+83.645X+944.28；R2=0.5999

F(O-P)=3.6027X3-49.914X2+181.98X+741.03；R2=0.9922

F(Al-P)=0.2777X3-4.9387X2+29.660X+130.06；R2=0.8883

F(Fe-P)=-0.1904X3+3.4506X2-16.086X+113.13；R2=0.5051

由圖11可以看出，在沉積物高磷濃度下，葉綠素a與鐵磷、鋁磷的相關性極高，而與鈣磷的相關性較低。在處理四中，藍藻暴發的時間更長、強度更大，過程中需要大量的營養元素，進一步說明鐵磷、鋁磷在藍藻暴發過程中的重要性，是影響藻類生存的磷形態。處理四沉積物中葉綠素a與各形態磷的變化情況進行3階回歸方程的模擬如下：

F(Ca-P)=2.6413X3-45.787X2+181.47X+1056.3；R2=0.6964

F(O-P)=-1.6366X3+29.642X2-118.12X+1310.5；R2=0.8281

F(Al-P)=-0.7182X3+16.816X2-110.41X+380.51；R2=0.9160

F(Fe-P)=-0.6533X3+14.325X2-86.512X+226.51；R2=0.8106

2.3.2 沉積物各形態磷之間相關性分析

沉積物在低磷濃度水平下，有機磷與全磷、鈣磷與全磷都表現出顯著正相關，而較為活潑的Al-P和Fe-P則沒有表現出顯著的相關性。鈣磷和有機磷在沉積物全磷中所占比例達到80%左右，說明沉積物各形態磷中，鈣磷和有機磷對沉積物全磷的貢獻極大，因此相關性要好于鐵磷和鋁磷。在處理四中，沉積物全磷濃度水平最高，鐵磷與鋁磷之間表現出顯著相關性。

表3 處理一沉積物各形態磷相關性矩陣

(注：*P<0.05)

表4 處理二沉積物各形態磷相關性矩陣

(注：*P<0.05)

表5 處理三沉積物各形態磷相關性矩陣

(注：*P<0.05)

表6 處理四沉積物各形態磷相關性矩陣

(注：*P<0.05)

3 討論

在模擬試驗整個過程中，底泥中不同形態磷在試驗結束時都有不同程度的減少，與易文利的研究結論一致[24]，其中Fe-P和Al-P受外界條件影響較大，較為活潑，當氧化還原電位或者pH發生改變時，均可能從沉積物中釋放出來轉移至上覆水從而增加水體中的磷濃度，為藻類生長提供磷源，具有向上釋放的潛能，與已有的研究結果一致[27-28]。Ca-P是沉積物中較為惰性的部分，是難以被生物所利用的磷形態，其釋放與磷酸鈣的沉淀溶解相關，一般來說只有在弱酸條件下會有少量的釋放。

除了與磷自身的活性有關外，內源磷的釋放也受到微生物的影響。在沉積物中存在大量微生物，會不斷分解和積聚沉積物中的磷，有機磷在處理四中含量最終增加，可看做是微生物的積聚作用，微生物同時還會促進沉積物中有機磷部分轉化為無機磷部分，進而釋放到上覆水中。本試驗研究結果表明各形態磷的變化都呈波動性，表現為磷釋放在初期較為劇烈、后期趨于平緩，這與周啟星[25-26]等的研究結果一致。試驗過程中各形態磷表現出釋放與吸收同時存在、交替進行的狀態，這是因為沉積物與上覆水的磷濃度之間存在一個動態平衡，當上覆水中磷的含量高于這個濃度，而沉積物低于這個濃度時，上覆水中的磷會向沉積物中轉化，沉積物表現出負釋放的狀態。反之，沉積物會向上覆水中釋放。有機磷源自沉積物中各種動物殘體、腐殖質類有機物，有機磷的釋放原因可能是由于礦化作用，導致有機磷向無機磷轉換，并有部分釋放到上覆水。

4 結論

(1)4個處理的全磷含量都表現出先下降后上升的趨勢，沉積物磷濃度的高低與藍藻的生長狀況有直接而明顯的關聯，高濃度的磷能使藍藻暴發時間更長且強度更大，各形態磷的釋放量波動性也越大。

(2)沉積物全磷含量和各形態的無機磷含量在試驗結束后均有所下降，有機磷在處理四中出現負釋放狀態，在其余處理組表現出一定量的釋放：4個處理的全磷釋放量分別為4.88%、6.67%、7.69%、9.27%；有機磷在處理四增加0.83%。沉積物在低磷濃度水平下，有機磷與全磷、鈣磷與全磷都表現出顯著正相關，高磷濃度水平下，鐵磷與鋁磷表現出顯著相關性。

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The Effects of Phosphorus Concentration in Sediment on Endogenous Phosphorus Release Process and Blue-green Algae Growth in Dianchi Lake

NIU Jing，BAO Li，YANG Mu-qing，WANG Hui-jiao，WANG Tai, ZHANG Nai-ming

(Yunnan Agricultural University, Yunnan Soil Fertilizer and Pollution Repair Engineering Laboratory, Kunming Yunnan 650201 ,China)

Dianchi Lake is a very serious eutrophication highland lake. Currently the eutrophication status of the lake has not been improved. The exogenous phosphorus input has been blocked. However, endogenous phosphorus could still lead to a large area of blue-green algae outbreak. Therefore, it's significant to do some research on the release process of endogenous sediment in Dianchi Lake to alleviate the eutrophication. The experiments showed that the level of sediment phosphorus concentration was directly related to the growth of blue-green algae. The outbreak of blue-green algae was more intense and has lasted longer in a high concentration of phosphorus condition. Meanwhile, phosphorus was in volatility changes of various forms. After the experiments, total phosphorus and inorganic phosphorus in various forms in sediments were released, and negative releasing of organic phosphorus in the fourth treatment occurred. The total released phosphorus rates of four treatments were 4.88%、6.67%、7.69%、9.27% respectively, and organic phosphorus increased for 0.83% in the fourth treatment.

Dianchi Lake; sediments；phosphorus；release of endogenous source; blue-green algae；eutrophication

2016-05-31

云南省社會發展科技計劃(2012CA017)。

牛婧(1989-)，女，河北省邯鄲市人，碩士研究生，研究方向：重金屬污染土壤安全利用。

張乃明，教授,博士生導師,主要從事農業非點源污染控制、土壤環境質量演變、設施農業與綠色食品生產等方面的研究。

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1673-9655(2016)06-0001-09