滇池沉积物磷浓度对内源磷释放过程及蓝藻生长的影响

牛 婧，包 立，杨牧青，王慧姣，汪 泰,张乃明

(云南农业大学，云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南 昆明 650201)



滇池沉积物磷浓度对内源磷释放过程及蓝藻生长的影响

牛 婧，包 立，杨牧青，王慧姣，汪 泰,张乃明

(云南农业大学，云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南 昆明 650201)

通过不同沉积物磷浓度对内源磷释放过程及蓝藻生长影响的试验开展滇池内源沉积物释放过程的研究。试验表明：①沉积物磷浓度的高低与蓝藻的生长状况有明显关联，高浓度的磷能使蓝藻暴发时间更长且强度更大，且各形态磷变化的波动性越大。②沉积物全磷含量和各形态的无机磷在试验结束后均有释放，有机磷在处理四出现负释放：4个处理全磷释放量分别为4.88%、6.67%、7.69%、9.27%；有机磷在处理四增加0.83%。

沉积物；磷；内源释放；蓝藻；富营养化；滇池

0 引言

滇池地处云贵高原，位于昆明南郊, 东经102°36′～102 °47′，北纬24°40′～25°02′，是中国西南地区最大的晚新生代断陷盆地型内陆淡水湖泊[1]，属长江流域金沙江水系。其外形为南北分布，南北长40km，呈弓形，弓背向东，东西最宽12km，海拔1886m，水域面积约为300km2，湖容约13.6亿m3[2]，多年平均水位标高1886.21m，最大水深11.3m，平均水深5.12m，换水周期485d。滇池的入湖河流有20多条，位于滇池北、东、南三面的盘龙江、宝象河和大观河是主要入湖河流，每年入湖水量占80%以上，同时携带大量泥沙、污染物及营养物质进入滇池，使滇池成为城市污水、工业废水及农业回归水的接纳水体[3-4]。

草海是位于滇池北部的内湖，湖面积7.25km2，总面积仅占滇池的2.5%，湖容0.188亿m3，平均水深3.21m[2]，是滇池重要的组成部分。其与昆明城中的大观河、西坝河相通，主要入库河流有新河、运粮河、大观河、船房河(图1) ，水质为劣V类，处于严重的富营养状态，生物多样性破坏严重，是滇池污染最严重的区域。草海为滇池最靠近昆明市区的区域[5]，沉积物中的污染物质主要来源于城市污水的排放，地表径流和湖水中水生生物的死亡残骸[6]。

磷是我国众多淡水湖泊富营养化的限制性因子[7-9]，湖泊水体的磷源可分为内源磷与外源磷[8]。滇池流域是我国重要的磷矿生产基地，大量的磷素伴随磷矿开采与磷肥使用过程直接或间接进入滇池水体并蓄积到湖底沉积物中。

目前，滇池内源污染控制的成功与否成为治理滇池水体富营养化问题的关键[10-12]。从1998年开始，滇池草海开始进行定期疏浚，对草海南部、盘龙江以及大清河入湖口进行清淤,到2010年已完成污染底泥疏浚和处置二期工程，疏浚量达360万m3[11]。然而，滇池富营养化现象仍十分严重，20世纪60年代，滇池无论是草海还是外海,水质均为Ⅱ类水,70年代为Ⅲ类,80年代草海为Ⅴ类而外海为Ⅳ类,至90年代草海和外海水质分别为超Ⅴ类和Ⅴ类水质。40年来滇池水质共下降了三个等级,水质逐步恶化。目前草海异常富营养化,局部沼泽化,外海严重富营养化,出现了全湖水质超Ⅴ类的严重状况[22]。水质没有明显的改善，围绕滇池内源磷形态[13-14]、释放[15-16]、影响因素[17-19]的各类研究是目前研究的焦点与热点。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

沉积物：源自滇池草海疏浚底泥的底泥堆场，用塑料袋取疏浚底泥若干袋，混合均匀后用于试验。

试验用水：试验用水源自滇池草海上覆水，利用塑料桶直接于滇池内舀取，带回试验室备用。

蓝藻：试验藻种为滇池上覆水中的蓝藻，取自滇池藻水分离站附近的高浓度新鲜藻浆。

1.2 模拟试验设计

采集滇池草海区域疏浚底泥样品，并取滇池原状水样。

模拟试验在20cm×30cm×50cm(长宽高)的玻璃缸中进行。根据草海中平均水深3.21m，污染层分布平均约1m的比例，沉积物样平铺在玻璃装置内12～15cm，上置水样30cm左右。试验共设计4组处理，每组3个平行，共12组玻璃缸。

根据2011年滇池草海沉积物磷浓度的测定值，在最大值与最小值范围内设定4个浓度梯度，作为本试验的4组处理，在保持N的浓度都为5000mg/kg的情况下，P的4个浓度梯度分别为：1300±100mg/kg，1800±100mg/kg，2300±100mg/kg，2800±100mg/kg。每个玻璃缸中加入4.2kg沉积物(含水量30%)，即3kg试验土样，可以保证沉积物在12～15cm范围内，再通过添加K2HPO4作为外源磷来改变沉积物中总磷含量，外源磷的添加量分别为0g、8.412g、16.83g、25.245g。

模拟试验设置后初次试验结果见表1。

表1 模拟试验设置后初次试验结果 (mg/kg)

1.3 试验测定项目及方法

1.3.1 沉积物测定项目及方法

沉积物测定项目包括总磷与各形态磷。

总磷(TP)：分别准确称取不同目数的沉积物土样0.5g于干燥的坩埚中，放人马弗炉中，450℃煅烧3h；冷却后，移至离心管，加入20mL 3.5mol/L盐酸，加盖摇匀，振荡16h，离心提取总磷。

各形态磷的测定：根据E.Rydin[21]的提取方法对沉积各形态磷进行分级提取再测定。

1.3.2 上覆水测定项目及方法

上覆水测定项目包括总磷与叶绿素a。

(1)总磷：钼酸铵分光光度法；

(2)测定细胞叶绿素a含量：参照USEPA标准方法[21]，叶绿素a的计算公式如下：

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

(1)其中：Chla指叶绿素a浓度(mg/L )，V乙醇是萃取液定容的体积(mL)，V样品是过滤水样的体积(L)。

2 结果与分析

2.1 沉积物不同形态磷随时间变化趋势

沉积物中全磷含量在试验结束后均有所下降，处理一在试验结束时减少了4.88%，处理二减少了6.67%，处理三减少了7.69%，处理四减少量最大为9.27%。由图1可以看出：4个处理的全磷含量都有吸附和释放的过程，其变化均表现出先下降后上升的趋势，培养到第6天4组处理都表现出微弱的下降趋势，1～6d这段时间为试验装置内沉积物与上覆水组成的小生态系统所进行的自适应时期，因此这期间并没有明显的变化；6～18d全磷含量表现出急速下降趋势，向上覆水大量释放，在处理三与处理四中表现较为明显，培养第18d为全磷含量从下降到上升趋势的转折点，18～24d沉积物不仅不会向上覆水释放，反而会从上覆水吸附磷，使得沉积物呈负释放状态，随后全磷有少量释放但速率大大减缓。沉积物全磷含量的变化集中体现出沉积物和上覆水作为一个动态的平衡系统，二者在不断地进行物质及能量的交换，直至平衡。综合来看，沉积物中全磷含量越高，各形态磷的释放量波动性越大，但都会有释放与吸附的过程，处理四各形态磷的释放和吸附作用最为激烈。

各形态的无机磷在试验结束后均有不同程度的释放，有机磷在试验结束后除在处理四中出现负释放状态，在其余处理组也均表现出一定量的释放。3种无机磷相比较而言：Ca-P的释放量最小，其释放量最大的处理为处理四，达到4.64%；Fe-P、Al-P表现活泼，释放量均较大，Fe-P释放量最大的处理为处理四,达24.88%；Al-P在4组处理中释放量均在10%左右，Fe-P、Al-P更易通过藻类同化作用转化为有机磷或释放到上覆水中。O-P在处理一释放量最大，为7.57%，处理四的O-P在试验结束后增加0.83%，随着沉积物底泥磷浓度的提高，O-P的释放量呈减少的趋势，这可能是受到了微生物活动的影响。

各形态磷具体的变化特征如下：

(1) 钙磷(Ca-P)：4组处理的钙磷在试验结束后均有释放，其中处理四的钙磷在培养期间表现出强烈的波动性，其变化趋势与全磷相似，4组处理释放量的最大值均出现在第18d，且钙磷含量的最小值较为接近。由图2可以看出，当沉积物总磷含量升高时，钙磷的活性也会加大，表现出明显的释放和吸附过程。到试验结束时，4组处理钙磷的释放量依次为2.18%、2.87%、1.82%、4.64%。

(2) 铁磷(Fe-P)：在整个培养期内，前3组处理的铁磷均表现出持续的匀速释放状态，到试验结束时，释放量依次为6.33%、13.39%、18.59%。在处理四中，铁磷前期表现为负释放状态，含量有少量的增加，从第12d开始，表现为持续加速释放，且最终释放量为24.88%，明显高于前3组。

(3) 铝磷(Al-P)：铝磷在整个培养期内相比较其他形态的磷表现最为活泼，特别是处理四的铝磷在12～24d表现出强烈的释放，强度超过其余3组处理。到试验结束时，4组处理的铝磷释放量依次为10.29%、10.52%、9.44%、11.82%。

(4) 有机磷(O-P)：处理一、处理二、处理三的有机磷变化趋势基本一致，在试验结束时释放量依次为7.57%、4.28%、2.65%，处理四的有机磷在试验结束时增加0.83%，可能是由于沉积物高磷状态下，微生物加速增长，P富集于增长的微生物群落，形成有机磷，从而导致沉积物中有机磷含量的增加。由图5可以看出，随着沉积物磷浓度的增加，有机磷的释放量减少，而2848.604mg/kg全磷含量条件下的有机磷发生负释放，由此推断沉积物全磷含量在2246.569～2848.604mg/kg可能存在有机磷释放由正到负的阈值。

2.2 上覆水叶绿素a、总P动态变化

2.2.1 上覆水叶绿素a

水体中的Chla是评价浮游植物生产力和生物量的重要指标，大量研究表明Chla与藻类生物量之间存在极显著的正相关[22]，因此Chla是藻类存在量的重要指标，本文用Chla的值来反映水体中富营养化的程度。由图7上覆水Chla随时间变化情况可见，在4组处理中，藻类在培养期内均完成了从生长到暴发到最后消亡的一个完整的生命周期。在本试验中，并没有外源磷素添加到上覆水中，可以看出，在切断外源磷输入的情况下，内源磷仍可供应给藻类所需的营养物质，促进藻类的暴发。处理一、处理二、处理三的Chla变化趋势完全一致，从第6d开始大量暴发，到第24d进入衰亡期，在第30d几乎全部衰亡。由于沉积物磷的起始浓度不同，蓝藻暴发的强度也不同，遵循沉积物磷浓度越高暴发强度越大的规律。值得注意的是，处理四的沉积物磷浓度最大，而相应的蓝藻大量暴发的时间会出现延后，处理四在第12d达到暴发的高峰，且强度明显大于其他3组处理，且暴发持续的时间更长。由此可见，沉积物磷浓度的高低与蓝藻的生长状况有明显的关联，高浓度的磷能使蓝藻暴发时间更长且强度更大。

2.2.2 上覆水总P动态变化

从表2上覆水同一时间不同处理TP差异性表可以看出，从第6d开始，4组处理开始表现出差异性，一直到试验结束，这种差异性一直存在。说明在蓝藻暴发的整个过程中，沉积物与上覆水之间的磷素转化一直十分激烈。

表2 上覆水同一时间不同处理TP差异性表

图7显示出，上覆水TP浓度的变化与蓝藻浓度的变化基本同步，4个处理均表现出这样的趋势。

2.3 沉积物各形态磷、叶绿素a相关性分析

2.3.1 沉积物各形态磷与叶绿素a相关性分析

在切断外源磷输入的情况下，依靠内源磷的供给藻类依然能生长并大量暴发。探索不同情况下沉积物中各形态磷与Chla的相关性可以更准确地把握供给藻类生长的内源磷类型，并有针对性地进行滇池草海水体富营养化分区域防治。

由图8可以看出，在低磷浓度下，叶绿素a与有机磷表现出显著的相关性，其次与钙磷和铝磷的相关性也较好，其相关性系数分别为0.7912和0.6203。铁磷虽然是影响藻类生存的磷形态，容易从沉积物中释放并被藻类所利用，但是在沉积物低磷浓度下，铁磷与叶绿素a的相关性并不高。处理一沉积物中叶绿素a与各形态磷的变化情况进行3阶回归方程的模拟如下：

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

由图9可以看出，随着沉积物磷浓度的增加，各形态磷与叶绿素a的相关性也发生变化，与处理一相比，处理二中叶绿素a与铁磷的相关性上升，与有机磷的相关性下降，但有机磷与叶绿素a的相关性始终保持较高的水平。处理二沉积物中叶绿素a与各形态磷的变化情况进行3阶回归方程的模拟如下：

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

由图10可以看出，在2200mg/kg的沉积物全磷浓度下，叶绿素a与铝磷及有机磷的相关性都很高，与钙磷及铁磷也存在较好的相关性。处理三沉积物中叶绿素a与各形态磷的变化情况进行3阶回归方程的模拟如下：

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

由图11可以看出，在沉积物高磷浓度下，叶绿素a与铁磷、铝磷的相关性极高，而与钙磷的相关性较低。在处理四中，蓝藻暴发的时间更长、强度更大，过程中需要大量的营养元素，进一步说明铁磷、铝磷在蓝藻暴发过程中的重要性，是影响藻类生存的磷形态。处理四沉积物中叶绿素a与各形态磷的变化情况进行3阶回归方程的模拟如下：

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 沉积物各形态磷之间相关性分析

沉积物在低磷浓度水平下，有机磷与全磷、钙磷与全磷都表现出显著正相关，而较为活泼的Al-P和Fe-P则没有表现出显著的相关性。钙磷和有机磷在沉积物全磷中所占比例达到80%左右，说明沉积物各形态磷中，钙磷和有机磷对沉积物全磷的贡献极大，因此相关性要好于铁磷和铝磷。在处理四中，沉积物全磷浓度水平最高，铁磷与铝磷之间表现出显著相关性。

表3 处理一沉积物各形态磷相关性矩阵

(注：*P<0.05)

表4 处理二沉积物各形态磷相关性矩阵

(注：*P<0.05)

表5 处理三沉积物各形态磷相关性矩阵

(注：*P<0.05)

表6 处理四沉积物各形态磷相关性矩阵

(注：*P<0.05)

3 讨论

在模拟试验整个过程中，底泥中不同形态磷在试验结束时都有不同程度的减少，与易文利的研究结论一致[24]，其中Fe-P和Al-P受外界条件影响较大，较为活泼，当氧化还原电位或者pH发生改变时，均可能从沉积物中释放出来转移至上覆水从而增加水体中的磷浓度，为藻类生长提供磷源，具有向上释放的潜能，与已有的研究结果一致[27-28]。Ca-P是沉积物中较为惰性的部分，是难以被生物所利用的磷形态，其释放与磷酸钙的沉淀溶解相关，一般来说只有在弱酸条件下会有少量的释放。

除了与磷自身的活性有关外，内源磷的释放也受到微生物的影响。在沉积物中存在大量微生物，会不断分解和积聚沉积物中的磷，有机磷在处理四中含量最终增加，可看做是微生物的积聚作用，微生物同时还会促进沉积物中有机磷部分转化为无机磷部分，进而释放到上覆水中。本试验研究结果表明各形态磷的变化都呈波动性，表现为磷释放在初期较为剧烈、后期趋于平缓，这与周启星[25-26]等的研究结果一致。试验过程中各形态磷表现出释放与吸收同时存在、交替进行的状态，这是因为沉积物与上覆水的磷浓度之间存在一个动态平衡，当上覆水中磷的含量高于这个浓度，而沉积物低于这个浓度时，上覆水中的磷会向沉积物中转化，沉积物表现出负释放的状态。反之，沉积物会向上覆水中释放。有机磷源自沉积物中各种动物残体、腐殖质类有机物，有机磷的释放原因可能是由于矿化作用，导致有机磷向无机磷转换，并有部分释放到上覆水。

4 结论

(1)4个处理的全磷含量都表现出先下降后上升的趋势，沉积物磷浓度的高低与蓝藻的生长状况有直接而明显的关联，高浓度的磷能使蓝藻暴发时间更长且强度更大，各形态磷的释放量波动性也越大。

(2)沉积物全磷含量和各形态的无机磷含量在试验结束后均有所下降，有机磷在处理四中出现负释放状态，在其余处理组表现出一定量的释放：4个处理的全磷释放量分别为4.88%、6.67%、7.69%、9.27%；有机磷在处理四增加0.83%。沉积物在低磷浓度水平下，有机磷与全磷、钙磷与全磷都表现出显著正相关，高磷浓度水平下，铁磷与铝磷表现出显著相关性。

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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

云南省社会发展科技计划(2012CA017)。

牛婧(1989-)，女，河北省邯郸市人，硕士研究生，研究方向：重金属污染土壤安全利用。

张乃明，教授,博士生导师,主要从事农业非点源污染控制、土壤环境质量演变、设施农业与绿色食品生产等方面的研究。

X52

A

1673-9655(2016)06-0001-09