湖泊沉積物磷釋放的影響因素研究進展

孫寧寧，陳蕾

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

磷是一種重要的生源要素之一。水體中各種微生物的繁殖代謝和水生植物的生長都與磷有著密切關系，同時磷也是引起水體富營養化的關鍵因素。

在經濟得到快速發展的過去幾十年里，過多的養分被投加到淡水湖泊生態系統中，導致湖泊富營養化，藍藻水華爆發愈加頻繁。沉積物高營養鹽是其產生的主要原因，而磷是常見的限制性營養鹽，因此研究沉積物磷的二次釋放過程對于控制湖泊富營養化有著重要作用。

1 沉積物磷的來源

水體磷的五種形態：總磷、可溶性總磷、可溶性磷、溶解性有機磷和顆粒態磷。磷在沉積物中存在的形態是由其它形式磷聚集結合的結果。其中，水體懸浮顆粒物磷沉降至水體，累積成為沉積物磷，所以沉積物中磷的來源主要是來自于水體顆粒磷的沉降。在藻類死亡分解過程中，水體中各形態磷的含量都大幅度增加，其中增幅最大的就是顆粒態磷。

一般來說，沉積物中的磷主要來源于外源輸入和內源輸入兩大類。外源輸入主要是工業廢水、生活污水、農業灌溉水等中的磷通過排污管道排放入湖或經雨水沖刷隨地表徑流入湖泊中；內源輸入主要是吸附沉降或者生物死亡分解等作用積累在沉積物中的磷。

近年來，雖然人們在水體磷污染的外源控制上取得很大進展，但是減少外部負荷并不能總使上覆水磷水平達到令人滿意的降低[1-2]，而且沉積物磷在多種影響因素作用下能發生逆向解吸、溶解等，再次釋放進入水體以產生二次污染，導致水體環境并沒有根本好轉，所以沉積物磷釋放研究對于保護和改善水環境有重要作用[3]。沉積物內部磷釋放的過程很復雜且影響因素眾多，涉及到多種內部循環和還原反應，以下就主要影響因子所做的研究進行探討。

2 沉積物磷釋放的影響因素分析

2.1 水動力影響

水體沉積物中含有豐富的營養鹽，其中主要以氮、磷為主。而對于富營養化水體，磷處于關鍵地位。磷的釋放主要是基于沉積物和上覆水的物質交換。一般來說，沉積物中磷的釋放主要是通過沉積物顆粒在懸浮過程中吸附于顆粒上的磷的解吸和表層沉積物或間隙水中磷的直接釋放進入上覆水中[4]。水動力擾動是影響沉積物磷釋放的常見因素，其可以導致沉積物表層顆粒產生再懸浮狀態，從而促使磷的再一次釋放[5]。

研究發現強風狀況下可以很大程度上提高水體沉積物的再懸浮量[6-9]。水體中磷的沉積以及沉積物磷的釋放量都可能會隨著水動力擾動而增加[10]。范成新等[11]研究了水動力對沉積物的理化特征以及磷釋放的影響。實驗表明水體擾動下可以大大增加水體中磷的含量，然而對實驗數據分析發現，磷的釋放量并不隨著擾動強度增加而增加。因此，王庭健[12]研究了水動力條件下沉積物磷釋放的效果。結果表明，水體中磷的濃度剛開始是隨著擾動強度的增加而增加，但隨著強度的逐步加大，水體中磷的濃度不繼續上升反而呈下降趨勢。這也說明在水動力條件下，磷的釋放效果并不能由單一的總磷濃度指數來確定，而應該結合各形態磷的狀況綜合考慮。基于此，Sondergaard等[13]也研究發現，雖然各形態磷都會再懸浮，但是懸浮狀態卻各不相同。實驗數據表明，水體中總磷和溶解態活性磷的濃度都會因為磷的再懸浮作用而有所增加，但是當實驗停止了人為的水動力運轉，總磷和溶解態活性磷的濃度都會立刻降低，并且總磷的減少速度要比溶解態活性磷快得多，因此可以得出一個結論：雖然沉積物再懸浮能夠釋放多種形態磷，但是相比而言，溶解態活性磷的釋放量最多即是最主要的磷釋放形態[14]。

對于水動力和沉積物磷釋放之間的關系，國內外科研人員做了大量研究但都以靜水實驗代替動水，并不符合水體的實際情況[15-17]。因此李彬[18]對污染物釋放的水槽機理進行了實驗以及李一平等[19]對不同動水條件下的污染物釋放規律的研究發現，底泥污染物通常以泥水界面或者再懸浮作用向上覆水擴散，并且在動水條件下水流速度對底泥磷的釋放有一定影響，流速越小，沉積物越不容易浮動，也就不會促進磷的釋放；流速大時則反之。

2.2 水化學影響

鐵結合磷是沉積物中活性磷的重要潛在來源。在沉積物氧化環境中，P和Fe3+化合物結合形成鐵結合態磷，貯存在沉積物中。在沉積物還原環境中，部分鐵結合態磷可能被還原成可溶的Fe2+，同時釋放與此結合的P進入上覆水中。除此之外，沉積物中的S 也會對沉積物中Fe和P的耦合循環產生影響。莫辰和李曉紅等[20]關于硫酸鹽濃度對磷遷移的實驗表明，在藍藻水華生物量(CBB)分解期間，增強的硫酸鹽還原促進了沉積物中鐵結合中的P釋放；磷酸鹽釋放速率和有毒硫化物的增加可以分別促進藍藻水華和黑水的發生和持續存在。其次，孫啟耀等[21]通過對中國北方沿海沉積物中的溶解硫化物、Fe2+等含量的測定實驗表明鐵減少是沉積物上部的主要過程，硫酸鹽減少以深度為主，總體來講，磷的釋放主要受鐵還原控制。

此外，沉積物中還含有大量的有機質，其對水中的營養鹽交換有很大影響。富營養化的一個明顯現象就是有機質的積累聚集。所謂的有機質礦化過程是指土壤中的各種有機質(包括動、植物殘體及腐殖質等物質)，受土壤條件和多種微生物活動的共同作用，逐步被分解成如水、二氧化碳等簡單無機化合物的過程。由于有機質的礦化過程涉及到微生物的生命代謝活動，因此在這過程中會消耗掉很多溶解氧，極可能會導致水生生物缺氧死亡，長此以往水體環境會逐漸惡化。同時，有機質的礦化過程對上覆水與沉積物之間的磷循環也有很大影響，首先在礦化之后形成的無機化合物會在微生物作用下再次作用產生有利于磷釋放的腐殖質；其次，腐殖質能和一些金屬元素形成較穩定的有利于磷吸附的有機無機聚合物，并且在此過程中產生的氫離子也對磷的釋放有正面導向作用[22]。其他學者如曹琳[23]和王圣瑞等[24]研究了有機質礦化過程對磷釋放的影響，結果也證明了上述結論，即有機質的礦化過程有利于磷的釋放。

礦化速率和產物受土壤有機質類型、組成以及土壤微生物種類的影響。閆興成等[25]研究了水體沉積物有機質礦化過程中碳、氮、磷的遷移特征。研究表明在好氧條件下，其主要分解為二氧化碳、水和硝酸鹽等；在厭氧條件下，一方面可以產生大量甲烷、二氧化碳、硫化氫和簡單有機酸等，還能促進沉積物磷的釋放。

2.3 微生物活動影響

目前，越來越多的研究表明，微生物的生命活動和湖泊中磷的釋放有顯著關系。微生物可以通過例如代謝反應、細胞溶解等促進或者限制磷的釋放。馬嚴等[26]在測定了南太湖沉積物中各種有機物的含量后提出水體沉積物中的細菌總數對磷的釋放有很大影響，并且磷的釋放量與上覆水中的BOD5和NH3-N濃度呈正相關性；錢燕和陳正軍等[27]在建立無菌底泥模型的基礎上對微生物活動和磷釋放關系進行模擬實驗，研究表明微生物的生命活動會導致泥水界面氧化還原位降低并且細菌代謝產物會溶解底泥中難溶解的磷酸鹽，從而促進磷的釋放；游雪靜[28]研究了水體底泥對磷釋放的影響，研究結果進一步表明，不管在有氧狀況下還是在缺氧狀況下，沉積物都會通過微生物的活動促進磷的釋放。此外，葉琳琳[29]和孫曉杭[30]也都通過好氧厭氧實驗表明微生物活動和磷循環過程有著緊密聯系。沉積環境不同，微生物對磷的影響也不同。但總體來講，微生物的生命活動會促進磷的釋放。

此外，由于水體中微生物種群和數量繁多，有些可以對磷有溶解、轉化、遷移、聚集、沉積的作用，此類微生物主要有解磷菌和聚磷菌兩種。東野脈興等[31]對滇池微生物解磷和聚磷的作用進行了研究，實驗結果表明，解磷菌和聚磷菌都對水體磷含量有一定的影響:當沉積物中磷含量比較高時，底泥磷含量越多或者水體磷含量越少，則解磷菌的種類和數量越少，而聚磷菌的種類和數量則越多；當沉積物中磷含量比較低時，上述相關性則相反。 其次，在厭氧微生物的自身生長代謝過程中，鐵元素通過參加多種酶反應以及種群間的循環作用促進生物生長，但是鐵元素對生物生長的促進作用有一定的限值，并不是越多越好，而是應適度投加以防產生負面作用[32-33]。

2.4 藻類死亡分解作用影響

前人研究表明，藻類死亡分解會影響水環境——溶解氧、pH、水透明度等，并隨之影響沉積物-上覆水界面處的P循環。實驗表明，沉積物磷的釋放量隨pH升高呈U型曲線，且沉積物P的釋放量在中性條件下最低，pH值升高或者降低時磷的釋放量增大，所以藻華引起的高pH是磷釋放的原因之一[34]。溶解氧也和磷的釋放有很大關系。研究表明水中溶解氧充足時，磷酸鹽會從厭氧沉積物中析出；而當藻類過度繁殖時，由于藻類和其他微生物的生命活動都將消耗氧氣最終會導致厭氧環境，氫氧化鐵就轉為氫氧化亞鐵，最終導致磷的釋放[35]。

3 研究展望

當前湖泊或水庫局部水域的富營養化和水華現象仍然是我國水環境的突出問題之一。沉積物是水體磷的重要來源，沉積物磷釋放對于湖泊水環境質量存在很大風險。本文主要從水動力擾動、水化學作用、微生物活動、藻類死亡分解等四方面探討了其對沉積物磷釋放的影響。然而，不同類型湖泊的沉積物環境有一定差異，影響沉積物磷釋放的因素研究還不夠全面，沉積物磷釋放機理還不明確，仍然需要對其進行更加深入的探索。未來對沉積物磷釋放的研究可以從以下幾個方面進行深入：

(1)對于沉積物磷釋放的原因，大多數是受到水動力、水化學和水生生物等的耦合作用。因此，應當將湖泊沉積物所處的水動力背景、水化學特征及水生生物分布相結合，綜合探討湖泊沉積物磷的釋放機理。

(2)當前的沉積物測定分析技術大多是依靠傳統的采集、離心、測定等方法，傳統方法破壞了沉積物原有的氧化還原環境，直接影響后續沉積物、孔隙水等介質磷的測定結果。因此，應當盡可能采用沉積物原位分析技術，例如薄膜擴散梯度技術(DGT)、平衡式孔隙水采樣技術(Peeper)等，獲取沉積物-孔隙水-上覆水界面磷的原位信息進行分析。

(3)不同類型的湖泊可造成不同的沉積物環境，單一湖泊的沉積物環境在不同季節可能發生變化。因此，應當考慮不同季節、不同類型的湖泊沉積物中磷的釋放特征的差異，對比研究其不同的沉積物磷釋放機理。