湖泊沉积物磷释放的影响因素研究进展

孙宁宁，陈蕾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

磷是一种重要的生源要素之一。水体中各种微生物的繁殖代谢和水生植物的生长都与磷有着密切关系，同时磷也是引起水体富营养化的关键因素。

在经济得到快速发展的过去几十年里，过多的养分被投加到淡水湖泊生态系统中，导致湖泊富营养化，蓝藻水华爆发愈加频繁。沉积物高营养盐是其产生的主要原因，而磷是常见的限制性营养盐，因此研究沉积物磷的二次释放过程对于控制湖泊富营养化有着重要作用。

1 沉积物磷的来源

水体磷的五种形态：总磷、可溶性总磷、可溶性磷、溶解性有机磷和颗粒态磷。磷在沉积物中存在的形态是由其它形式磷聚集结合的结果。其中，水体悬浮颗粒物磷沉降至水体，累积成为沉积物磷，所以沉积物中磷的来源主要是来自于水体颗粒磷的沉降。在藻类死亡分解过程中，水体中各形态磷的含量都大幅度增加，其中增幅最大的就是颗粒态磷。

一般来说，沉积物中的磷主要来源于外源输入和内源输入两大类。外源输入主要是工业废水、生活污水、农业灌溉水等中的磷通过排污管道排放入湖或经雨水冲刷随地表径流入湖泊中；内源输入主要是吸附沉降或者生物死亡分解等作用积累在沉积物中的磷。

近年来，虽然人们在水体磷污染的外源控制上取得很大进展，但是减少外部负荷并不能总使上覆水磷水平达到令人满意的降低[1-2]，而且沉积物磷在多种影响因素作用下能发生逆向解吸、溶解等，再次释放进入水体以产生二次污染，导致水体环境并没有根本好转，所以沉积物磷释放研究对于保护和改善水环境有重要作用[3]。沉积物内部磷释放的过程很复杂且影响因素众多，涉及到多种内部循环和还原反应，以下就主要影响因子所做的研究进行探讨。

2 沉积物磷释放的影响因素分析

2.1 水动力影响

水体沉积物中含有丰富的营养盐，其中主要以氮、磷为主。而对于富营养化水体，磷处于关键地位。磷的释放主要是基于沉积物和上覆水的物质交换。一般来说，沉积物中磷的释放主要是通过沉积物颗粒在悬浮过程中吸附于颗粒上的磷的解吸和表层沉积物或间隙水中磷的直接释放进入上覆水中[4]。水动力扰动是影响沉积物磷释放的常见因素，其可以导致沉积物表层颗粒产生再悬浮状态，从而促使磷的再一次释放[5]。

研究发现强风状况下可以很大程度上提高水体沉积物的再悬浮量[6-9]。水体中磷的沉积以及沉积物磷的释放量都可能会随着水动力扰动而增加[10]。范成新等[11]研究了水动力对沉积物的理化特征以及磷释放的影响。实验表明水体扰动下可以大大增加水体中磷的含量，然而对实验数据分析发现，磷的释放量并不随着扰动强度增加而增加。因此，王庭健[12]研究了水动力条件下沉积物磷释放的效果。结果表明，水体中磷的浓度刚开始是随着扰动强度的增加而增加，但随着强度的逐步加大，水体中磷的浓度不继续上升反而呈下降趋势。这也说明在水动力条件下，磷的释放效果并不能由单一的总磷浓度指数来确定，而应该结合各形态磷的状况综合考虑。基于此，Sondergaard等[13]也研究发现，虽然各形态磷都会再悬浮，但是悬浮状态却各不相同。实验数据表明，水体中总磷和溶解态活性磷的浓度都会因为磷的再悬浮作用而有所增加，但是当实验停止了人为的水动力运转，总磷和溶解态活性磷的浓度都会立刻降低，并且总磷的减少速度要比溶解态活性磷快得多，因此可以得出一个结论：虽然沉积物再悬浮能够释放多种形态磷，但是相比而言，溶解态活性磷的释放量最多即是最主要的磷释放形态[14]。

对于水动力和沉积物磷释放之间的关系，国内外科研人员做了大量研究但都以静水实验代替动水，并不符合水体的实际情况[15-17]。因此李彬[18]对污染物释放的水槽机理进行了实验以及李一平等[19]对不同动水条件下的污染物释放规律的研究发现，底泥污染物通常以泥水界面或者再悬浮作用向上覆水扩散，并且在动水条件下水流速度对底泥磷的释放有一定影响，流速越小，沉积物越不容易浮动，也就不会促进磷的释放；流速大时则反之。

2.2 水化学影响

铁结合磷是沉积物中活性磷的重要潜在来源。在沉积物氧化环境中，P和Fe3+化合物结合形成铁结合态磷，贮存在沉积物中。在沉积物还原环境中，部分铁结合态磷可能被还原成可溶的Fe2+，同时释放与此结合的P进入上覆水中。除此之外，沉积物中的S 也会对沉积物中Fe和P的耦合循环产生影响。莫辰和李晓红等[20]关于硫酸盐浓度对磷迁移的实验表明，在蓝藻水华生物量(CBB)分解期间，增强的硫酸盐还原促进了沉积物中铁结合中的P释放；磷酸盐释放速率和有毒硫化物的增加可以分别促进蓝藻水华和黑水的发生和持续存在。其次，孙启耀等[21]通过对中国北方沿海沉积物中的溶解硫化物、Fe2+等含量的测定实验表明铁减少是沉积物上部的主要过程，硫酸盐减少以深度为主，总体来讲，磷的释放主要受铁还原控制。

此外，沉积物中还含有大量的有机质，其对水中的营养盐交换有很大影响。富营养化的一个明显现象就是有机质的积累聚集。所谓的有机质矿化过程是指土壤中的各种有机质(包括动、植物残体及腐殖质等物质)，受土壤条件和多种微生物活动的共同作用，逐步被分解成如水、二氧化碳等简单无机化合物的过程。由于有机质的矿化过程涉及到微生物的生命代谢活动，因此在这过程中会消耗掉很多溶解氧，极可能会导致水生生物缺氧死亡，长此以往水体环境会逐渐恶化。同时，有机质的矿化过程对上覆水与沉积物之间的磷循环也有很大影响，首先在矿化之后形成的无机化合物会在微生物作用下再次作用产生有利于磷释放的腐殖质；其次，腐殖质能和一些金属元素形成较稳定的有利于磷吸附的有机无机聚合物，并且在此过程中产生的氢离子也对磷的释放有正面导向作用[22]。其他学者如曹琳[23]和王圣瑞等[24]研究了有机质矿化过程对磷释放的影响，结果也证明了上述结论，即有机质的矿化过程有利于磷的释放。

矿化速率和产物受土壤有机质类型、组成以及土壤微生物种类的影响。闫兴成等[25]研究了水体沉积物有机质矿化过程中碳、氮、磷的迁移特征。研究表明在好氧条件下，其主要分解为二氧化碳、水和硝酸盐等；在厌氧条件下，一方面可以产生大量甲烷、二氧化碳、硫化氢和简单有机酸等，还能促进沉积物磷的释放。

2.3 微生物活动影响

目前，越来越多的研究表明，微生物的生命活动和湖泊中磷的释放有显著关系。微生物可以通过例如代谢反应、细胞溶解等促进或者限制磷的释放。马严等[26]在测定了南太湖沉积物中各种有机物的含量后提出水体沉积物中的细菌总数对磷的释放有很大影响，并且磷的释放量与上覆水中的BOD5和NH3-N浓度呈正相关性；钱燕和陈正军等[27]在建立无菌底泥模型的基础上对微生物活动和磷释放关系进行模拟实验，研究表明微生物的生命活动会导致泥水界面氧化还原位降低并且细菌代谢产物会溶解底泥中难溶解的磷酸盐，从而促进磷的释放；游雪静[28]研究了水体底泥对磷释放的影响，研究结果进一步表明，不管在有氧状况下还是在缺氧状况下，沉积物都会通过微生物的活动促进磷的释放。此外，叶琳琳[29]和孙晓杭[30]也都通过好氧厌氧实验表明微生物活动和磷循环过程有着紧密联系。沉积环境不同，微生物对磷的影响也不同。但总体来讲，微生物的生命活动会促进磷的释放。

此外，由于水体中微生物种群和数量繁多，有些可以对磷有溶解、转化、迁移、聚集、沉积的作用，此类微生物主要有解磷菌和聚磷菌两种。东野脉兴等[31]对滇池微生物解磷和聚磷的作用进行了研究，实验结果表明，解磷菌和聚磷菌都对水体磷含量有一定的影响:当沉积物中磷含量比较高时，底泥磷含量越多或者水体磷含量越少，则解磷菌的种类和数量越少，而聚磷菌的种类和数量则越多；当沉积物中磷含量比较低时，上述相关性则相反。 其次，在厌氧微生物的自身生长代谢过程中，铁元素通过参加多种酶反应以及种群间的循环作用促进生物生长，但是铁元素对生物生长的促进作用有一定的限值，并不是越多越好，而是应适度投加以防产生负面作用[32-33]。

2.4 藻类死亡分解作用影响

前人研究表明，藻类死亡分解会影响水环境——溶解氧、pH、水透明度等，并随之影响沉积物-上覆水界面处的P循环。实验表明，沉积物磷的释放量随pH升高呈U型曲线，且沉积物P的释放量在中性条件下最低，pH值升高或者降低时磷的释放量增大，所以藻华引起的高pH是磷释放的原因之一[34]。溶解氧也和磷的释放有很大关系。研究表明水中溶解氧充足时，磷酸盐会从厌氧沉积物中析出；而当藻类过度繁殖时，由于藻类和其他微生物的生命活动都将消耗氧气最终会导致厌氧环境，氢氧化铁就转为氢氧化亚铁，最终导致磷的释放[35]。

3 研究展望

当前湖泊或水库局部水域的富营养化和水华现象仍然是我国水环境的突出问题之一。沉积物是水体磷的重要来源，沉积物磷释放对于湖泊水环境质量存在很大风险。本文主要从水动力扰动、水化学作用、微生物活动、藻类死亡分解等四方面探讨了其对沉积物磷释放的影响。然而，不同类型湖泊的沉积物环境有一定差异，影响沉积物磷释放的因素研究还不够全面，沉积物磷释放机理还不明确，仍然需要对其进行更加深入的探索。未来对沉积物磷释放的研究可以从以下几个方面进行深入：

(1)对于沉积物磷释放的原因，大多数是受到水动力、水化学和水生生物等的耦合作用。因此，应当将湖泊沉积物所处的水动力背景、水化学特征及水生生物分布相结合，综合探讨湖泊沉积物磷的释放机理。

(2)当前的沉积物测定分析技术大多是依靠传统的采集、离心、测定等方法，传统方法破坏了沉积物原有的氧化还原环境，直接影响后续沉积物、孔隙水等介质磷的测定结果。因此，应当尽可能采用沉积物原位分析技术，例如薄膜扩散梯度技术(DGT)、平衡式孔隙水采样技术(Peeper)等，获取沉积物-孔隙水-上覆水界面磷的原位信息进行分析。

(3)不同类型的湖泊可造成不同的沉积物环境，单一湖泊的沉积物环境在不同季节可能发生变化。因此，应当考虑不同季节、不同类型的湖泊沉积物中磷的释放特征的差异，对比研究其不同的沉积物磷释放机理。