沉积物再悬浮氮磷释放的机制与影响因素

刘 伟， 周 斌， 王丕波， 陈庆锋， 马君健， 李 青， 张 婧

(1. 齐鲁工业大学(山东省科学院), 山东省分析测试中心, 济南 250014； 2.山东省海洋生态与防灾减灾重点实验室，青岛 266061；3. 国家海洋局北海海洋工程勘察研究院, 青岛 266061)

氮、磷是水生生态系统中的重要营养物质，是水生生物生产力的限制性因子[1]。水体中的氮磷可通过吸附等作用沉降富集在沉积物中，同时沉积物中的氮磷也会在一定条件下会向水体中释放[2-3]，从而使沉积物在不同条件下分别饰演着水体氮磷源汇的角色。沉积物是水生态环境中氮磷的重要储库，对水体氮磷的循环有着十分重要的意义。研究表明，沉积物中的氮磷在扰动尤其是人为扰动下，沉积物自身及间隙水中的营养盐将得以释放，重新进入水体参与其生物地球化学再循环。沉积物中巨大的氮磷存储量在再悬浮释放后，必定会对水生生态系统产生重要的影响[4-6]。沉积物-水界面上的氮磷释放对水生生态系统具有重要的意义。

本文针对沉积物再悬浮过程中氮磷释放这一科学问题，在对沉积物再悬浮的诱因和方式进行分析的基础上，系统总结探讨沉积物再悬浮氮磷释放的机制和影响因素，提出下一步研究应着重关注的问题，为进一步明确沉积物再悬浮过程对水生生态系统的影响提供依据。

1 沉积物再悬浮的诱因

外力干扰沉积物产生切应力，当切应力达到引起沉积物颗粒移动的程度，即达到了沉积物再悬浮的临界切应力的时候，再悬浮现象就会发生[7-8]。引起沉积物再悬浮的因素很多，尤其是在河流入海口、浅水湖泊、潮间带等受人类活动影响明显的区域更为复杂，风浪、人类活动、生物活动都会引起沉积物再悬浮。

1.1 自然因素

引起沉积物再悬浮的自然因素包括海洋及湖泊底部水体流动和风浪作用引起的底部水体扰动。Yuan等[9]发现底部海水潮汐流运动是胶州湾口沉积物再悬浮的主要原因。雷蕾等[10]对长江口启海港的研究显示该港区海域的悬浮物浓度与水体流速成正相关性。水体表面受风力作用产生风浪，当能量传递到水体底部时，会引起沉积物的再悬浮，沉积物的再悬浮强度与水面风速有明显正相关关系[11]。对水深较浅的海湾和湖泊而言，风浪和底部水流的共同作用导致了沉积物的再悬浮，风浪的作用要比底部水流运动产生的影响更为明显[12]，风浪对沉积物表面的切应力要比底层水流对沉积物的切应力高出几个数量级[13]。Paphitis等[14]对希腊Thermaikos湾沉积物再悬浮现象的研究也支持了上述观点。但对深海沉积物来说，潮流运动则为沉积物再悬浮的主要影响因素。

1.2 人类活动

人类活动引起的沉积物再悬浮会引起沉积物再悬浮突然加剧，水体中悬浮物浓度瞬间升高，造成影响的范围广、强度大，其具体的方式有吹填、倾废区倾废、疏浚、底拖网、采砂、海底电缆施工等。如海洋倾废过程中，5 000 m3/h的耙吸式挖泥船抛泥后，造成的悬浮物进入海水中的速率可达1 t/s之多[15]。在疏浚、海底施工等过程中，由于施工工具的搅动，大量细小的沉积物再悬浮形成颗粒物云团，在水体保持一定时间并随水流的运动迁移，进而对生态环境造成影响。如疏浚土的水上倾抛会使抛泥点周围海域浮游植物种类和密度因悬浮物含量升高造成一定程度的减小[16]。波浪和海流共同影响了人类活动引起的再悬浮沉积物的迁移过程。吴瑞贞等[17]通过数模研究指出，波浪是影响大亚湾倾废区疏浚产生的悬浮物浓度的主要因素，二者显著正相关，而海流则是疏浚物扩散方向的主要影响因子。

1.3 生物扰动

底栖生物的爬行、掘穴、摄食等活动可引起沉积物在垂直和水平方向上小范围的扰动。同时底栖生物的活动会造成沉积物变得疏松，从而会使水流和波浪作用更容易引起再悬浮。有研究显示，Narragansett 海湾云母蛤引起的沉积物总悬浮物量每年可达20 kg/m2左右[18]。Yahel等[19]认为比目鱼的活动是造成加拿大Saanich湾沉积物再悬浮的主要因素，再悬浮扰动面积要高于100 m2/d。底栖生物掘穴等活动导致氧含量较高的上覆水进入还原态较高的深层沉积物中，进而提高沉积物氧化还原电位影响氮磷释放[20]。

不同诱因引起的沉积物再悬浮强度见表1。总起来看，人类活动引起的沉积物再悬浮强度要远高于自然因素。

表1 不同诱因下的沉积物再悬浮强度Table 1 Sediment resuspension intensity caused by different inducement

2 沉积物再悬浮氮磷释放机制

沉积物中氮磷的释放可通过静态扩散作用和扰动条件下沉积物-水界面破坏引起的释放两种形式进行。无论静态扩散还是扰动条件下的动态释放，氮磷进入水体的方式均包括沉积物表面与内部氮磷的转化迁移，及沉积物间隙水中氮磷的直接释放。

2.1 沉积物氮的迁移释放机制

氮在沉积物-水界面的迁移释放实质上是不同氮形态的转化过程。氮元素交换以氨态氮(NH4-N)、硝态氮(NO3-N)、亚硝态氮(NO2-N)及有机态氮等多种形态进行。各种形态之间通过硝化作用、反硝化作用、氨化作用、矿化作用等方式进行转化，同时也通过溶解和扩散这种简单的物理过程在界面之间进行迁移。在沉积物-水界面上，硝化作用和反硝化作用是主要的作用形式[24]，二者通常主要发生在沉积物表面几厘米的厚度上[25]。沉积物中的有机态氮在矿化作用下转化为氨态氮直接进入水体，或者被进一步氧化成硝态氮再进入水体，同时水体中的硝态氮等也能反向进入沉积物中。在沉积物的厌氧层中，在反硝化作用下硝态氮会被还原成氮气而从水体逸出。沉积物对不同形态的氮释放量并不相同，相对而言硝态氮(NO3-N)和氨态氮(NH4-N)容易从沉积物中溶解和扩散进入水体。沉积物-水界面上氮的迁移转化过程见图1[26-27]。

图1 沉积物-水界面氮的迁移转化过程Fig.1 Migration and transformation of nitrogen at sediment-water interface

沉积物的再悬浮过程带来的环境条件变化会显著影响上述作用过程。研究显示，再悬浮过程产生的有氧环境将促进氨态氮(NH4-N)向硝态氮(NO3-N)的转化[28]。Richey等[29]的研究发现，沉积物再悬浮产生的大量颗粒物为硝化反应提供了活性位点，进而引起硝酸盐的大量释放。余晖等[30]的研究也支持了上述结果，其实验结果显示1.9 g/L颗粒物含量的水体的硝化速率是0.35 g/L颗粒物含量水体硝化速率的2倍左右。沉积物间隙水中的氮中以氨态氮(NH4-N)为主要的存在形式。一般来讲，间隙水中硝态氮和亚硝态氮垂向上随深度的增加而降低，但氨态氮则随深度的增加逐渐升高。静止状态下间隙水中的氮向上覆水体的释放主要取决于扩散过程，外力引起的沉积物再悬浮过程将会改变间隙水和上覆水之间的压力差，促进间隙水中各种形态氮的直接释放[31]。

2.2 沉积物磷的迁移释放机制

图2 沉积物-水界面磷的迁移转化过程Fig.2 Migration and transformation of phosphorus at sediment-water interface

沉积物中的有机态磷在微生物的矿化作用下可转化为无机态磷，并且再悬浮引起的氧化还原条件更为有利而加速有机态磷的生物矿化过程，从而使再悬浮颗粒物中矿化释放的磷成为上覆水体磷的重要来源。Ståhlberg等[37]的室内模拟实验研究表明，在悬浮/静止(12 h/12 h)交替条件下，沉积物的矿化速率是完全静止条件的2倍，而若每隔1～2 d进行一次5 s的短时间再悬浮，矿化速率可提升至5倍。另外，最新研究结果表明再悬浮后的沉积物颗粒还可以通过光化学分解作用释放无机态的磷酸盐，这意味着再悬浮至表层水体的细粒径沉积物因其长时间受光照影响，有机态磷会发生光化学分解而释放更多的磷酸盐[38]。

3 沉积物再悬浮氮磷释放的影响因素

沉积物再悬浮过程中，水体的理化性质[如pH、盐度、温度、溶解氧(DO)和氧化还原电位等]、沉积物的理化性质(如粒径、氮磷赋存形态等)、沉积物再悬浮强度(扰动时间和强度)等均会影响到氮磷的释放。沉积物中氮磷释放进入上覆水体的机制和影响因素示意图见图3。

图3 沉积物氮磷释放的影响因素Fig.3 Factors affecting the release of nitrogen and phosphorus from sediment

3.1 水体的理化性质

3.1.1 pH

pH是影响沉积物-水界面化学平衡和氧化还原环境的重要因素，pH的改变有利于某些矿物的溶解和组分的转化。付春平等[39]发现，三峡库区沉积物总氮的释放量随pH的增大而减小。低pH能抑制硝化作用，促进沉积物-水界面氨氮(NH4-N)交换，从而使氨氮(NH4-N)的释放更为迅速[40]。相对于氮来说，pH对沉积物中磷的释放影响更为明显。沉积物中磷的释放与pH呈现出抛物线型的相关性，中性pH环境下磷容易与沉积物中的金属离子结合从而固定在沉积物中，因此中性pH条件下磷的释放量最小，而在低pH或高pH的情况下沉积物磷的释放量均增大[41]。

3.1.2 盐度

盐度代表了水体中的电解质浓度，其也是影响沉积物-水界面氮磷交换的重要因素，各种盐离子如Na+、Ca2+、Mg2+等与氮磷形成对沉积物的竞争吸附关系。Rysgaard等[42]指出，在低盐度条件下，沉积物对氨氮(NH4-N)的吸附能力与盐度成反比。盐度通过影响磷与阴离子在沉积物吸附点位上的竞争吸附而影响磷在沉积物-水界面的吸附释放特性[43]，从而低盐度的淡水区域沉积物对磷(PO4-P)的吸附能力较强[44]。

3.1.3 温度

温度对沉积物中氮磷的释放影响是多方面的，它能够影响硝化、反硝化、氨化等反应的速率，也影响有机质的分解和矿化速率，从而影响沉积物-水界面氮磷的释放与吸附。通常来说，在一定范围内温度越高，反应的速率越快。如研究表明，水体温度在40 ℃时，沉积物中氨氮的释放速率是30 ℃的7倍之多[45]，这说明温度升高可以加快氨化作用，从而促进铵态氮的释放。胡国山等[46]探讨了10、25、30 ℃时的反硝化过程，结果显示温度在25、 30 ℃时的反硝化速率要远高于10 ℃时的速率。而温度每升高1～3 ℃，沉积物中磷的释放量也将会增加9%～57%之多[47]。温度的升高也会影响沉积物中微生物的生理活性，增加微生物的生长繁殖速度，使沉积物中的有机质更容易分解释放。微生物活性增加的同时氧气消耗量增大，溶解氧减小，降低氧化还原电位，也会进一步改变氮磷的释放量。

3.1.4 溶解氧(DO)和氧化还原电位

氧化还原电位与溶解氧(DO)密切相关，高溶解氧状态下为氧化状态，反之则呈还原状态。二者影响着有机质的分解和营养盐的赋存形态，成为控制沉积物-水界面氮磷迁移的关键因素[48]。沉积物中的有机质矿化分解后释放进入间隙水，进而释放进入上覆水中。Kim等[49]指出，上覆水中氧浓度的变化控制沉积物中的硝化和反硝化过程。代政等[50]通过模拟实验得出，好氧条件下释放到水体中的硝态氮(NO3-N)增加。低溶解氧环境则有利于沉积物中磷的释放，当沉积物再悬浮于溶解氧低的水体中时，沉积物-水界面的活性磷释放活跃，并有可能形成缺氧环境和沉积物释磷之间的正反馈机制，从而加剧磷的释放[51]。与之相反，氨氮则在好氧条件下更容易释放[52]。

3.2 沉积物性质

3.2.1 粒径

沉积物粒径直接影响到沉积物的再悬浮程度，从而影响再悬浮过程中氮磷在沉积物和水界面上的再分配，粒径小的细颗粒沉积物很容易在外力扰动下发生再悬浮。沉积物粒径越小，其比表面积越大，沉积物中的氮磷释放速率越高，但同时也会造成对水体中氮磷的吸附效应增强。Wang等[53]的研究表明，沉积物在再悬浮过程中细粒径沉积物对上层水体氨氮(NH4-N)的贡献最大，粒径越大对氨氮的贡献越小，而硝态氮(NO3-N)以中粒径的贡献为最大。沉积物中磷的释放也有着类似的结果，孙士权等[54]的研究结果指出即便在不同的上覆水流速度下，35 μm 粒径的沉积物磷的释放量均要大于130 μm粒径的释放量。但必须注意到的是，细粒径的沉积物在释放较多氮磷的同时也会对氮磷有较大的吸附量。李旺等[55]通过实验分析了三峡库区长寿、忠县、奉节三个地区泥沙对磷的吸附情况，结果显示颗粒粒径越细，磷的最大平衡吸附量就越大。

3.2.2 沉积物氮磷赋存形态

沉积物中氮磷的赋存形态对再悬浮时沉积物内源氮磷的释放起着重要的作用。沉积物中一部分氮磷结合固定在沉积物的晶格中，另一部分以各种形式参与相应的生物地球化学过程。如沉积物中氮通常可以分为可转化态及非转化态两种，而可转化态又可继续细分，包括离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机态和硫化物结合态几种形态[56]。沉积物中磷通常可以分为弱吸附态、铁结合态磷、铝结合态磷及钙结合态磷等[57]。不同赋存形态的氮磷生物地球化学差异较大，当沉积物再悬浮时，离子交换态氮和弱吸附态磷与沉积物结合最弱，会最先释放到水体中，随后其他各种形态的氮磷依次释放。这些可以释放的氮磷也称为生物可利用性氮磷，当沉积物受到扰动引发再悬浮时，会将这部分氮磷逐渐释放至水体。研究显示，从时间尺度上来看，一年以内沉积物释放的氮均由离子交换态提供[4]。非转化态氮磷以矿物晶格等形式固定，难以从沉积物中释放入水体[58]。

3.3 扰动时间与强度的影响

当再悬浮发生时，大量沉积物分布于上覆水中，一次再悬浮扰动引起的上覆水磷浓度增加比自由扩散产生的高出数十倍[59]。在自然条件下，大风浪的频繁扰动成为水体内源氮磷释放的主要方式之一，对水中藻类爆发前氮磷营养盐的供给有着重要作用。扰动时间和扰动强度是决定沉积物再悬浮程度的关键因素。李大鹏等[60]通过模拟研究显示，扰动时间越长，上覆水中溶解性总磷的浓度越高，并且扰动会促进沉积物中易释放态磷向难释放态磷的转化。但随着扰动时间的增加，水中磷的增加速率会逐渐减慢。Wang等[53]在不同震荡速率下对沉积物无机氮的释放进行了研究，结果显示较高震荡速率下(120 r/min)水体中氨氮(NH4-N)的浓度最高，震荡速率较低的情况下(60 r/min)氨氮(NH4-N)的释放量较小，对于硝态氮(NO3-N)而言，震荡速率与水体中浓度却负相关。波浪水槽实验可以用于研究沉积物再悬浮氮磷释放对水体的影响，孙振红等[61]的研究结果指出沉积物加波液化后上覆水中总磷的浓度是沉积物静止阶段上覆水中的59倍，水中总氮浓度也提高了数倍，并且随着波高的增加水中氮磷浓度逐渐增加，说明再悬浮强度显著影响沉积物中氮磷的释放。

4 结论

再悬浮沉积物氮磷的释放是水体内源氮磷来源研究的热点问题，沉积物再悬浮释放氮磷会对水环境质量和水生生物产生重要影响。学者们对沉积物再悬浮的动力来源与发生机制、沉积物-水界面氮磷释放的机制、沉积物再悬浮氮磷释放的影响因素等方面进行了许多有益的探索。总结分析了近些年来沉积物再悬浮氮磷释放的研究进展，目前该领域研究现状和主要研究结论归纳如下：①波浪与水流、人类活动、生物扰动是沉积物再悬浮的主要诱因；②各形态之间的转化、溶解与迁移为氮磷在沉积物-水界面的释放机制; ③沉积物再悬浮释放氮磷的关键因素包括上覆水体pH、盐度、温度、溶解氧与氧化还原电位等理化性质，沉积物的粒径及赋含氮磷的形态，扰动时间与强度等，各因素单独或通过相互作用影响氮磷从再悬浮沉积物中的释放过程。

到目前为止，尽管关于沉积物再悬浮过程氮磷释放进行了不少研究，但再悬浮氮磷释放的过程、机制及效应等仍有很多问题尚未阐明，存在的问题和下一步研究重点如下。

(1)再悬浮过程沉积物释放氮磷释放的动力学过程尚不清晰。以往研究主要局限在研究某一特定因子如水体理化性质、沉积物性质对氮磷释放的影响程度方面，但对于释放后氮磷随水体的流动、扩散、形态转化及受环境因素的影响方面尚很少深入。因此应在上述环境因子影响研究的基础上，建立氮磷释放的动力学预测模型，从时间尺度和空间尺度上评估沉积物再悬浮后氮磷释放对水体环境的影响。

(2)再悬浮沉积物释放后氮磷的生物影响程度仍不明确。以往研究主要集中于再悬浮后水体氮磷浓度的变化。而氮磷释放后究竟有多少被生物所利用，有多少重新被吸附沉淀回到沉积物中，对水体中生物生长繁殖的影响程度究竟多大，这些问题尚待进一步探究。