孫寧寧，陳蕾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)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(zhǎng)都與磷有著密切關(guān)系，同時(shí)磷也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。

在經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展的過(guò)去幾十年里，過(guò)多的養(yǎng)分被投加到淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，藍(lán)藻水華爆發(fā)愈加頻繁。沉積物高營(yíng)養(yǎng)鹽是其產(chǎn)生的主要原因，而磷是常見的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽，因此研究沉積物磷的二次釋放過(guò)程對(duì)于控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化有著重要作用。

1 沉積物磷的來(lái)源

水體磷的五種形態(tài)：總磷、可溶性總磷、可溶性磷、溶解性有機(jī)磷和顆粒態(tài)磷。磷在沉積物中存在的形態(tài)是由其它形式磷聚集結(jié)合的結(jié)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(lái)源主要是來(lái)自于水體顆粒磷的沉降。在藻類死亡分解過(guò)程中，水體中各形態(tài)磷的含量都大幅度增加，其中增幅最大的就是顆粒態(tài)磷。

一般來(lái)說(shuō)，沉積物中的磷主要來(lái)源于外源輸入和內(nèi)源輸入兩大類。外源輸入主要是工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)灌溉水等中的磷通過(guò)排污管道排放入湖或經(jīng)雨水沖刷隨地表徑流入湖泊中；內(nèi)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(lái)，雖然人們?cè)谒w磷污染的外源控制上取得很大進(jìn)展，但是減少外部負(fù)荷并不能總使上覆水磷水平達(dá)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(fā)生逆向解吸、溶解等，再次釋放進(jìn)入水體以產(chǎn)生二次污染，導(dǎo)致水體環(huán)境并沒有根本好轉(zhuǎn)，所以沉積物磷釋放研究對(duì)于保護(hù)和改善水環(huán)境有重要作用[3]。沉積物內(nèi)部磷釋放的過(guò)程很復(fù)雜且影響因素眾多，涉及到多種內(nèi)部循環(huán)和還原反應(yīng)，以下就主要影響因子所做的研究進(jìn)行探討。

2 沉積物磷釋放的影響因素分析

2.1 水動(dòng)力影響

水體沉積物中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽，其中主要以氮、磷為主。而對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體，磷處于關(guān)鍵地位。磷的釋放主要是基于沉積物和上覆水的物質(zhì)交換。一般來(lái)說(shuō)，沉積物中磷的釋放主要是通過(guò)沉積物顆粒在懸浮過(guò)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(jìn)入上覆水中[4]。水動(dòng)力擾動(dòng)是影響沉積物磷釋放的常見因素，其可以導(dǎo)致沉積物表層顆粒產(chǎn)生再懸浮狀態(tài)，從而促使磷的再一次釋放[5]。

研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)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(huì)隨著水動(dòng)力擾動(dòng)而增加[10]。范成新等[11]研究了水動(dòng)力對(duì)沉積物的理化特征以及磷釋放的影響。實(shí)驗(yàn)表明水體擾動(dòng)下可以大大增加水體中磷的含量，然而對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，磷的釋放量并不隨著擾動(dòng)強(qiáng)度增加而增加。因此，王庭健[12]研究了水動(dòng)力條件下沉積物磷釋放的效果。結(jié)果表明，水體中磷的濃度剛開始是隨著擾動(dòng)強(qiáng)度的增加而增加，但隨著強(qiáng)度的逐步加大，水體中磷的濃度不繼續(xù)上升反而呈下降趨勢(shì)。這也說(shuō)明在水動(dòng)力條件下，磷的釋放效果并不能由單一的總磷濃度指數(shù)來(lái)確定，而應(yīng)該結(jié)合各形態(tài)磷的狀況綜合考慮?；诖耍琒ondergaard等[13]也研究發(fā)現(xiàn)，雖然各形態(tài)磷都會(huì)再懸浮，但是懸浮狀態(tài)卻各不相同。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，水體中總磷和溶解態(tài)活性磷的濃度都會(huì)因?yàn)榱椎脑賾腋∽饔枚兴黾?，但是?dāng)實(shí)驗(yàn)停止了人為的水動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)，總磷和溶解態(tài)活性磷的濃度都會(huì)立刻降低，并且總磷的減少速度要比溶解態(tài)活性磷快得多，因此可以得出一個(gè)結(jié)論：雖然沉積物再懸浮能夠釋放多種形態(tài)磷，但是相比而言，溶解態(tài)活性磷的釋放量最多即是最主要的磷釋放形態(tài)[14]。

對(duì)于水動(dòng)力和沉積物磷釋放之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外科研人員做了大量研究但都以靜水實(shí)驗(yàn)代替動(dòng)水，并不符合水體的實(shí)際情況[15-17]。因此李彬[18]對(duì)污染物釋放的水槽機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以及李一平等[19]對(duì)不同動(dòng)水條件下的污染物釋放規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，底泥污染物通常以泥水界面或者再懸浮作用向上覆水?dāng)U散，并且在動(dòng)水條件下水流速度對(duì)底泥磷的釋放有一定影響，流速越小，沉積物越不容易浮動(dòng)，也就不會(huì)促進(jìn)磷的釋放；流速大時(shí)則反之。

2.2 水化學(xué)影響

鐵結(jié)合磷是沉積物中活性磷的重要潛在來(lái)源。在沉積物氧化環(huán)境中，P和Fe3+化合物結(jié)合形成鐵結(jié)合態(tài)磷，貯存在沉積物中。在沉積物還原環(huán)境中，部分鐵結(jié)合態(tài)磷可能被還原成可溶的Fe2+，同時(shí)釋放與此結(jié)合的P進(jìn)入上覆水中。除此之外，沉積物中的S 也會(huì)對(duì)沉積物中Fe和P的耦合循環(huán)產(chǎn)生影響。莫辰和李曉紅等[20]關(guān)于硫酸鹽濃度對(duì)磷遷移的實(shí)驗(yàn)表明，在藍(lán)藻水華生物量(CBB)分解期間，增強(qiáng)的硫酸鹽還原促進(jìn)了沉積物中鐵結(jié)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(jìn)藍(lán)藻水華和黑水的發(fā)生和持續(xù)存在。其次，孫啟耀等[21]通過(guò)對(duì)中國(guó)北方沿海沉積物中的溶解硫化物、Fe2+等含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)表明鐵減少是沉積物上部的主要過(guò)程，硫酸鹽減少以深度為主，總體來(lái)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(jī)質(zhì)，其對(duì)水中的營(yíng)養(yǎng)鹽交換有很大影響。富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)明顯現(xiàn)象就是有機(jī)質(zhì)的積累聚集。所謂的有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程是指土壤中的各種有機(jī)質(zhì)(包括動(dòng)、植物殘?bào)w及腐殖質(zhì)等物質(zhì))，受土壤條件和多種微生物活動(dòng)的共同作用，逐步被分解成如水、二氧化碳等簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)化合物的過(guò)程。由于有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程涉及到微生物的生命代謝活動(dòng)，因此在這過(guò)程中會(huì)消耗掉很多溶解氧，極可能會(huì)導(dǎo)致水生生物缺氧死亡，長(zhǎng)此以往水體環(huán)境會(huì)逐漸惡化。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程對(duì)上覆水與沉積物之間的磷循環(huán)也有很大影響，首先在礦化之后形成的無(wú)機(jī)化合物會(huì)在微生物作用下再次作用產(chǎn)生有利于磷釋放的腐殖質(zhì)；其次，腐殖質(zhì)能和一些金屬元素形成較穩(wěn)定的有利于磷吸附的有機(jī)無(wú)機(jī)聚合物，并且在此過(guò)程中產(chǎn)生的氫離子也對(duì)磷的釋放有正面導(dǎo)向作用[22]。其他學(xué)者如曹琳[23]和王圣瑞等[24]研究了有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程對(duì)磷釋放的影響，結(jié)果也證明了上述結(jié)論，即有機(jī)質(zhì)的礦化過(guò)程有利于磷的釋放。

礦化速率和產(chǎn)物受土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)礦化過(guò)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(chǎn)生大量甲烷、二氧化碳、硫化氫和簡(jiǎn)單有機(jī)酸等，還能促進(jìn)沉積物磷的釋放。

2.3 微生物活動(dòng)影響

目前，越來(lái)越多的研究表明，微生物的生命活動(dòng)和湖泊中磷的釋放有顯著關(guān)系。微生物可以通過(guò)例如代謝反應(yīng)、細(xì)胞溶解等促進(jìn)或者限制磷的釋放。馬嚴(yán)等[26]在測(cè)定了南太湖沉積物中各種有機(jī)物的含量后提出水體沉積物中的細(xì)菌總數(shù)對(duì)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(guān)性；錢燕和陳正軍等[27]在建立無(wú)菌底泥模型的基礎(chǔ)上對(duì)微生物活動(dòng)和磷釋放關(guān)系進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，研究表明微生物的生命活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致泥水界面氧化還原位降低并且細(xì)菌代謝產(chǎn)物會(huì)溶解底泥中難溶解的磷酸鹽，從而促進(jìn)磷的釋放；游雪靜[28]研究了水體底泥對(duì)磷釋放的影響，研究結(jié)果進(jìn)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(huì)通過(guò)微生物的活動(dòng)促進(jìn)磷的釋放。此外，葉琳琳[29]和孫曉杭[30]也都通過(guò)好氧厭氧實(shí)驗(yàn)表明微生物活動(dòng)和磷循環(huán)過(guò)程有著緊密聯(lián)系。沉積環(huán)境不同，微生物對(duì)磷的影響也不同。但總體來(lái)講，微生物的生命活動(dòng)會(huì)促進(jìn)磷的釋放。

此外，由于水體中微生物種群和數(shù)量繁多，有些可以對(duì)磷有溶解、轉(zhuǎn)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(duì)滇池微生物解磷和聚磷的作用進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，解磷菌和聚磷菌都對(duì)水體磷含量有一定的影響:當(dāng)沉積物中磷含量比較高時(shí)，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(shù)量越少，而聚磷菌的種類和數(shù)量則越多；當(dāng)沉積物中磷含量比較低時(shí)，上述相關(guān)性則相反。 其次，在厭氧微生物的自身生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，鐵元素通過(guò)參加多種酶反應(yīng)以及種群間的循環(huán)作用促進(jìn)生物生長(zhǎng)，但是鐵元素對(duì)生物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用有一定的限值，并不是越多越好，而是應(yīng)適度投加以防產(chǎn)生負(fù)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(huì)影響水環(huán)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(huán)。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(guān)系。研究表明水中溶解氧充足時(shí)，磷酸鹽會(huì)從厭氧沉積物中析出；而當(dāng)藻類過(guò)度繁殖時(shí)，由于藻類和其他微生物的生命活動(dòng)都將消耗氧氣最終會(huì)導(dǎo)致厭氧環(huán)境，氫氧化鐵就轉(zhuǎn)為氫氧化亞鐵，最終導(dǎo)致磷的釋放[35]。

3 研究展望

當(dāng)前湖泊或水庫(kù)局部水域的富營(yíng)養(yǎng)化和水華現(xiàn)象仍然是我國(guó)水環(huán)境的突出問(wèn)題之一。沉積物是水體磷的重要來(lái)源，沉積物磷釋放對(duì)于湖泊水環(huán)境質(zhì)量存在很大風(fēng)險(xiǎn)。本文主要從水動(dòng)力擾動(dòng)、水化學(xué)作用、微生物活動(dòng)、藻類死亡分解等四方面探討了其對(duì)沉積物磷釋放的影響。然而，不同類型湖泊的沉積物環(huán)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(jī)理還不明確，仍然需要對(duì)其進(jìn)行更加深入的探索。未來(lái)對(duì)沉積物磷釋放的研究可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入：

(1)對(duì)于沉積物磷釋放的原因，大多數(shù)是受到水動(dòng)力、水化學(xué)和水生生物等的耦合作用。因此，應(yīng)當(dāng)將湖泊沉積物所處的水動(dòng)力背景、水化學(xué)特征及水生生物分布相結(jié)合，綜合探討湖泊沉積物磷的釋放機(jī)理。

(2)當(dāng)前的沉積物測(cè)定分析技術(shù)大多是依靠傳統(tǒng)的采集、離心、測(cè)定等方法，傳統(tǒng)方法破壞了沉積物原有的氧化還原環(huán)境，直接影響后續(xù)沉積物、孔隙水等介質(zhì)磷的測(cè)定結(jié)果。因此，應(yīng)當(dāng)盡可能采用沉積物原位分析技術(shù)，例如薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)(DGT)、平衡式孔隙水采樣技術(shù)(Peeper)等，獲取沉積物-孔隙水-上覆水界面磷的原位信息進(jìn)行分析。

(3)不同類型的湖泊可造成不同的沉積物環(huán)境，單一湖泊的沉積物環(huán)境在不同季節(jié)可能發(fā)生變化。因此，應(yīng)當(dāng)考慮不同季節(jié)、不同類型的湖泊沉積物中磷的釋放特征的差異，對(duì)比研究其不同的沉積物磷釋放機(jī)理。