湖泊水体溶解氧水平对内源磷释放的影响

湖泊水体溶解氧水平对内源磷释放的影响
钱宝;刘凌;潘畅
【摘要】以江苏省里下河地区的大纵湖为研究对象，通过室内原位培养法，在3种不同溶解氧水平下(自然状态、好氧状态和厌氧状态)对湖底底泥原位沉积柱进行了连续16 d的室内培养，研究浅水湖泊溶解氧水平对上覆水体可溶性磷酸盐( SRP)释放的影响。

结果发现：在不同溶解氧条件下，上覆水体SRP含量有显著差异，厌氧条件下上覆水体SRP平均含量比自然条件下高7倍左右，而好氧条件下上覆水体则比自然条件下低了近80%。

由此说明，与自然状态相比，厌氧条件能显著促进内源磷的释放，而好氧条件则会抑制这一过程，甚至出现磷吸附现象，好氧条件能降低上覆水中磷的含量，改善湖泊富营养化状况。

%Taking Dazong Lake in Lixiahe area of Jiangsu Province as the research object, the in-situ sediment columns of Dazong lake were cultured for 16 days under three different levels of dissolved oxygen ( natural state, aerobic and anaerobic state) , so as to study the influence of different dissolved oxygen levels on the soluble phosphate ( SRP) releasing in the overlying water. The research showed that under different dissolved oxygen concentrations, the content of SRP in the overlying water is strikingly different. Under the anaerobic conditions, the average SRP content in the overlying water is about 7 times higher than that under natural conditions, and under aerobic condition, the average SRP content reduces nearly 80% comparing with the nat-ural condition. Therefore, the anaerobic conditions can significantly promote the release of internal phosphorus compared with the nature state, while the aerobic conditions can inhibit this process, even the phosphorus
adsorption phenomenon occurs, which shows that the aerobic condition can reduce the phosphorus content in the overlying water and mitigate the eutrophication of lakes.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】4页(P93-96)
【关键词】溶解氧;浅水湖泊;内源磷释放规律;原位培养实验;大纵湖;江苏省
【作者】钱宝;刘凌;潘畅
【作者单位】长江水利委员会长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉430012; 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098;长江水利委员会长江中游水文水资源勘测局，湖北武汉430012
【正文语种】中文
【中图分类】X171
在水环境中，氧气主要来源于水体与大气交换以及水体中浮游植物的光合作用，溶解氧进入表层水后，会很快混合到底层水中，以满足水生动物的呼吸需求，当供应到底层的溶解氧被截断或者消耗量超过补给量，溶解氧下降到超过维持大多数动物生命的值时，即为缺氧。

很显然，自然界其他环境变量大都不能像溶解氧一样快速变化，并对水体生态系统有如此重大的生态学意义。

磷素作为导致水体藻类异常增殖并造成湖泊水体富营养化的重要控制因子，在湖泊的内源释放过程受到众多环境因子变化影响，如溶解氧、pH值、温度、光照、微
生物作用等。

为清楚了解磷释放的内在发生机制，大多采用室内模拟培养的方法进行研究[1-2]。

目前涉及的沉积柱培养实验方案众多，其中利用单变量因子控制，
通过不断改变环境介质中各因素，以分析不同条件下均匀沉积物的释放状态的研究已经屡见不鲜。

但从近两年的文献报道分析[3-5]，由于沉积物的非均质性，界面
发生的反应复杂多变，再加上环境变量之间的相互响应关系，仅研究均匀沉积物释放将很难取得突破，因此，最终还需逐渐回到原位状态下的沉积物柱状培养研究。

本文以江苏省里下河地区的大纵湖为研究对象，采用室内模拟培养原状沉积柱的方式，研究3种不同溶解氧条件下(好氧、厌氧和自然条件)对湖泊内源磷释放的影响，为控制和治理湖泊富营养化提供科学依据。

2.1 样品采集与处理
选取江苏省里下河地区的大纵湖为研究对象，采样工作于2012年9月进行。

采样点设置在大纵湖湖心，标记为DZ(119°49'03"E，33°09'06"N)。

采样前先用GPS 测定采样点位置，再用水质分析仪(V6600,YSI,USA)现场测定采样点水体基本水质指标，如水温、pH值、Eh等，然后采集上覆水样品300 mL，同时用仿制重力采样器采集长约15 cm的原位沉积物柱状样带回实验室进行后处理，同一采样点重
复采集3次作为平行样[6]。

实验采用连续培养法，将采集的3根原位沉积柱分别置于不同溶解氧水平下(好氧、厌氧和自然状态)逐日培养。

培养前先用厚为0.45 μm的玻璃纤维滤膜将原水过滤后小心注入沉积柱，形成沉积物高15 cm，上覆水高5 cm的沉积物-水界面体系，静置12 h待其稳定，开始连续培养。

培养周期为16 d，培养开始后，前24 h在0，3，6，9，12 h和24 h时采用注射器采集上覆水20 mL，之后每间隔24 h
采集一次上覆水样品。

每次取样后向柱内补充与所取水样相同体积且经过预处理的原水水样。

培养实验控制条件如下。

(1) 厌氧状态(DO<2 mg/L)。

培养系统每天通入高纯氮气(99.99%)8 h，通气完毕后，用橡胶塞塞紧顶部，胶带密封连接处，保证整个原位沉积物-水界面系统处于厌氧状态。

(2) 好氧(饱和)状态(DO>8 mg/L)。

利用充气泵在不扰动表层沉积物的条件下，向上覆水中通入空气，24 h不间断，维持培养系统中溶解氧处于饱和状态。

(3) 自然状态。

将自然状态下的沉积物-水界面系统与上述两种状态的原位沉积柱置于同一环境中，保持气温、气压、光照等大环境要素相同，不作其他处理，静态培养。

2.2 样品分析方法
采样点现场水样指标包括水温、pH、Eh、TN、TP、叶绿素a(Chla)、高锰酸盐指数CODMn以及透明度SD，培养期间水样指标为可溶性磷酸盐SRP(Soluble Reactive Phosphate)，测定方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[7]。

2.3 数据处理
由于培养过程中需要不断用采样点原水补充被取出的水样，以保证系统上覆水总量一定，因此要对所测定的上覆水浓度进行校正。

校正公式为
式中是第i次(i≥2)校正后的上覆水浓度，Ci是第i次(i≥1)测定的上覆水浓度，C0是采样点原水浓度，V0与V分别为每次抽取的水样体积和沉积柱上覆水的体积。

为了获得培养过程中沉积物-水界面的营养盐的释放水平，可根据质量平衡法计算沉积柱中的各指标释放量，计算公式为
式中，r为待测物释放速率，mg/(m2·d)；V为柱中上覆水体积，L；Cn、C0、Cj-1为第n次、初始和j-1次采样时待测物浓度，mg/L；Ca为添加水样中的待测物含量，mg/L；Vj-1为第j-1次采样体积，L；A为柱状样中水、沉积物接触面积，m2；t为释放时间，d。

本次实验中上覆水体积为0.32L，水深5cm，接触面积为0.006 4m2。

3.1 研究区水环境现状
江苏里下河地区为古泻湖堆积平原，具有丰富的淡水资源。

近年来，由于过度的围网养殖、围湖造田，湖荡面积锐减，水系通道不畅，生态环境恶化。

大纵湖为该地区典型的小型浅水湖泊，总面积约24km2，以渔业养殖为主，全湖大部分水域被
围网占用，人类活动对其影响较大。

研究中，测定了采样点水样的水质指标，包括水温、pH、Eh、TN、TP、叶绿素a(Chla)、高锰酸盐指数(CODMn)以及透明度(SD)，并采用金相灿等的湖泊富营养化评价标准[8]，对大纵湖的富营养化水平进
行了评价，结果见表1。

由表1可知，大纵湖水体已经到了中度富营养化的前期，主要污染指标为总氮和
总磷，按照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，总磷达到了V类水标准，
而总氮达到了劣V类水标准。

由此可见，该地区湖泊富营养化问题突出。

3.2 培养实验条件控制
每次采集上覆水水样前要先测定上覆水DO含量，确认沉积物-水界面系统在合适
的溶解氧条件下。

图1为培养期内大纵湖沉积物-水界面系统上覆水溶解氧变化情况。

由图1可知，培养期间大纵湖沉积物-水界面系统的溶解氧水平达到实验预设要求，其中好氧条件下的大纵湖沉积物-水界面系统上覆水DO含量在8.0mg/L以上，达到饱和状态，部分时间DO水平因气温的差异而有所波动，但对培养实验没有影响；厌氧条件下的沉积物-水界面系统上覆水DO含量也在2mg/L以下，一般均
在1mg/L含量上下波动，也符合实验要求；而自然条件下沉积物-水界面系统的
上覆水DO未加以控制，故在整个培养期间有不断下降趋势，溶解氧从开始的
5.43mg/L下降到培养末期的1.93mg/L，下降了近65%。

由此也说明，实验室模拟状态下的湖泊沉积物-水界面系统与现场存在差异，沉积物-水界面系统进入培养状态后，在实验室条件下由于其自身净化能力被大大削弱，同时室内又缺少足够的
自然光源，加快了水体富营养化进程，反而使得实验结果更加直观、有效。

3.3 溶解氧水平对上覆水磷释放的影响
图2为培养期间大纵湖沉积物-水界面上覆水SRP含量的逐日变化情况。

由于每次取样后均补入相同体积的原水，因此该SRP含量是经式(1)校正后得到的结果。

由图2可以看出，水体溶解氧含量对SRP的释放具有显著作用。

在不同溶解氧水
平下，上覆水SRP浓度大小排序为厌氧，自然，好氧。

在自然、好氧和厌氧实验
条件下，上覆水中SRP最大浓度分别为0.25，0.15，1.09mg/L，在培养初期的
前6d，SRP浓度波动尤为明显。

其中，在自然条件下，上覆水SRP含量变化稍小，浓度在0.09～0.25mg/L之间；在好氧条件下，随着培养的进行，上覆水SRP含
量在第1天就开始下降，浓度在0.01～0.15mg/L之间；在厌氧条件下，上覆水SRP含量变化明显，从开始的0.09mg/L逐日上升，在第5天时达到最大，之后
稍有下降，但总体保持较高浓度水平。

培养第6天后，各条件下上覆水SRP含量
趋于稳定，其中厌氧条件下上覆水SRP含量比自然条件下增加了7倍左右，而好
氧条件下上覆水SRP含量比自然条件下降低了80%。

由此可见，不同溶解氧水平对湖泊内源磷的释放具有较大的影响。

为了更直观地表示培养过程中沉积柱上覆水SRP释放吸附过程，通过质量平衡法
计算了其在沉积物-水界面的释放过程，具体如图3所示。

从图3可以看出，在厌氧条件下，上覆水SRP在初期，即12h内就发生了明显的释放过程，释放速率达到了5.5mg/(m2·d)，第2天时释放速率达到最大，为
15.1mg/(m2·d)，从第2天到第7天，释放过程出现波动，之后释放速率缓慢减弱。

在好氧条件下，在培养期内出现一个吸附过程，其吸附最大值出现在第2天，达到2.89mg/(m2·d)，随着培养的继续，吸附速率逐渐减小。

在自然条件下，SRP平均释放速率为1.25mg/(m2·d)，这与范成新等在太湖梅梁湾中的研究成果
相近[9]，但在厌氧条件下，释放速率显然比自然条件下高，最高时超出近10倍之
多。

由此可知，厌氧条件促进了SRP从沉积物向水中释放，而好氧条件则抑制了这一过程，甚至出现了SRP从上覆水向沉积物的迁移，降低了水中SRP的含量。

出现上述差别的主要原因可能来源于不同溶解氧水平下环境中的氧化还原条件发生了明显改变，进而影响了具有对磷酸盐释放起着调节作用的其他环境因素的含量，如活性铁等。

从目前研究结果看，在湖泊内源磷释放过程中，铁结合态磷是重要的潜在可移动磷[10]。

铁结合态磷在缺氧和还原条件下容易发生溶解，通过界面扩散向上覆水释放，而在好氧条件下活性态的二价铁和磷酸盐结合形成结合态沉淀，从而对磷酸盐起到吸附作用。

通过不同条件下的实验发现，溶解氧水平能够显著影响上覆水的氧化还原环境，进而调节其他环境变量，对湖泊内源磷的释放和吸附具有重要的控制作用。

利用采集的大纵湖原位沉积柱，在室内分别在自然状态、好氧状态和厌氧状态3种不同溶解氧条件下进行了为期16d的短期培养，探究了不同溶解氧水平对湖泊内源磷释放的影响，发现与自然状态相比，厌氧条件能显著促进内源磷的释放，而好氧条件则会抑制这一过程，甚至出现磷的吸附现象，说明好氧条件能降低上覆水中磷的含量，改善湖泊富营养化状况。

这一结论可为控制和治理湖泊富营养化提供科学依据。

【相关文献】
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[9] 范成新,张路,秦伯强,等.风浪作用下太湖悬浮态颗粒物中磷的动态释放估算[J].中国科学(D辑:地球科学),2003，(8):760-768.
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