湖泊沉积物中氮磷源—汇现象影响因素研究进展

湖泊沉积物中氮磷源—汇现象影响因素研究进展

杨赵

【摘要】沉积物中氮磷是湖泊的重要污染源.近年来内源污染日益受到重视.相对湖泊上覆水而言,沉积物既是污染物的汇也是源,存在源-汇转换现象.文章就溶解氧、氧化还原电位、pH、氮磷元素形态、生物及风浪等因素对湖泊沉积物氮磷释放的影响研究结果进行了综述.指出目前研究主要存在的问题是室内模拟研究较多,野外原位研究较少;单项因子研究较多,多因子交互作用研究较少,研究结果不能有效指导内源治理.

【期刊名称】《环境科学导刊》

【年(卷),期】2017(036)0z1

【总页数】5页(P16-19,29)

【关键词】湖泊沉积物;内源;氮磷释放;源-汇

【作者】杨赵

【作者单位】云南环境工程设计研究中心,云南昆明650034

【正文语种】中文

【中图分类】X52

近年来富营养化湖泊点源及非点源污染治理工作取得了突破性的进展，但湖泊水质并未明显好转，使得内源问题日益凸显。在湖泊富营养化防治实践中，一般认为当外源得到有效控制后内源将成为上覆水氮磷主要的来源。湖泊内源污染物主要来源于沉积物。一方面进入湖泊的污染物随泥沙沉积于水体底部形成沉积物，是湖泊及

其流域中营养盐及其它污染物的重要归宿和蓄积库，成为湖泊污染物的汇。另一方面在一定的环境条件下湖泊沉积物中蕴藏的营养盐可以向上覆水体释放，成为内源。有研究表明大多数湖泊在一年中至少经历一次沉积物的源-汇转换过程[1]。源-汇

转换现象比较复杂，受多种因素的影响。本文根据已有研究结果对湖泊沉积物氮磷释放影响因素进行小结，以期为科学有效地治理湖泊内源污染提供参考。

沉积物潜在释放能力的大小主要取决于湖泊沉积物及其上覆水体的物理化学和生物特性的改变。在湖泊底泥营养盐释放风险的研究中，沉积物的物理和化学特性(包

括其含量和地球化学形态)是影响沉积物中氮磷营养要素迁移、转化以及生态效应

的重要参数，同时沉积物蓄积的氮磷等养分元素向上覆水释放还受生物(藻类、水草、底栖动物)和水文气象因子的影响[2]。

1.1 溶解氧和氧化还原电位

溶解氧和氧化还原电位是一对密切相关的指标，溶解氧含量高表现为氧化状态，厌氧条件下则表现为还原状态。沉积物向上浮水释放氮磷主要是通过有机质分解矿化后以可溶态由间隙水再释放到上覆水中。含氧量及氧化还原电位的高低是决定有机质分解快慢和养分元素存在形态的关键因素。所以溶解氧和氧化还原电位是控制沉积物氮磷释放的重要因素。一般而言，在高溶解氧水平下，水体呈现出好氧状态，会抑制沉积物中反硝化作用，使 NO3--N 消耗减少，同时，好氧条件能够抑制NO3-异化还原为NH4+，促进硝化作用，有利于抑制底泥释放，也会限制间隙水中 PO43-向上覆水中的扩散。反之，厌氧条件下将加速沉积物中污染物释放。室

内静态模拟研究结果表明，溶解氧<0.5 mg/L的厌氧状况能加速沉积物中磷的释放，溶解氧>5.0 mg/L的好氧状况则抑制沉积物中磷的释放[3] 。滨海水库模拟试验结果也表明好氧条件下上覆水NO3--N含量和释放通量有所增加，但是上覆水NH3- -N、TN浓度及其释放通量大幅降低，上覆水TP浓度和释放通量分别降低85.6%和92.1%[4]。因此要提高水质，降低内源负荷磷的释放，应该控制水体中

的各种耗氧物，提高水体的溶解氧水平。而曝气、投加过氧化氢和投加过氧化钙等措施均能显著提高底部水体的溶氧水平，并能有效抑制底泥氮磷的释放[5]。

当水体中有足够的溶解氧时，湖水-沉积物界面处于氧化状态，Fe3+与磷结合，以磷酸铁的形式沉积到沉积物中；当水体溶解氧下降，出现厌氧状态，此时水-土界

面氧化还原电位较低，Fe3+被还原成Fe2+，胶体状的氢氧化铁变成可溶性的氢

氧化亚铁使磷酸根脱离沉积物进入间隙水，进而向上覆水扩散。也有学者认为，沉积物富含有机物时，好氧条件可能比厌氧条件更有利于沉积物内源磷的释放[6]。1.2 pH值

pH通过影响沉积物的物质形态而影响物质间的化学结合从而影响沉积物-上覆水

间的养分元素交换。由于PO43-与不同的阳离子结合后，表现出不同的溶解性，

因此关于pH值对沉积物养分释放的研究多以磷的释放为主。一般认为在中性条件下，磷释放量最小；升高或降低pH值时释放磷倍增。总溶解磷释放量与pH值呈抛物线相关；pH值成为最终控制沉积物磷生物有效性和加速湖泊富营养化的重要因素[7]。其机理在于沉积物中磷的存在形态有铝结合态磷、铁结合态磷、钙结合

态磷等多种形态，这些形态的磷在环境改变的条件下可以转化成可溶解性磷而进入间隙水，进而释放入上覆水体，这几种类型的磷形态是内源负荷的重要来源。pH

值对沉积物磷释放的影响主要表现在 pH值影响 Fe、Al、Ca等元素与磷的结合状态。铁结合态磷、铝结合态磷在pH值高时易溶出；钙结合态磷在酸性条件下更容易释放，但一般状况下，钙结合态磷很难释出[8]。

1.3 营养元素的形态

如上所述，不同的营养元素形态影响其释放的难易程度，如钙结合态磷和闭蓄态磷不容易释放进入水体，而水溶性磷则有利于界面交换。检测结果显示滇池沉积物中以钙结合态磷和铁结合态磷为主[9]。试验表明滇池沉积物具有较强的磷释放能力。沉积磷释放是滇池水体中磷负荷的重要来源，尤其是在外源得到控制后，沉积内源

的释放问题更为突出。滇池沉积物磷释放强度的空间分布草海和外海明显不同。尽管滇池草海经过了局部疏浚，该湖区仍然是磷累积最高的区域，沉积磷的释放强度远高于全湖平均水平。滇池外海沉积磷释放通量强度的空间分区不显著，外海强烈的水动力条件下，沉积磷分布和释放趋于均一化。滇池沉积磷释放通量与沉积物有机质呈显著正相关，而与沉积物中无机形态磷的含量没有显著相关性。分析表明，滇池沉积物释磷的主要机制是有机质矿化分解，而非深水湖泊的典型无机磷，如铁磷、还原溶解释放[10]。

一般来说，沉积物间隙水的磷可以直接通过再悬浮或者渗透被带到上覆水中，直接参与生态系统循环，这部分磷是沉积物中最具活性磷。可交换态磷主要是那些通过物理吸附到沉积物固体表面的磷，当水体磷浓度发生变化时很容易解析到水而保持吸附—解吸的浓度平衡，也具有较高的活性。铝磷和铁磷主要是通过一些物理和化学作用吸附在铁氧化物胶体表面上的磷。由于氧化铁很容易受到氧化还原电位变化的影响，而沉积物的氧化还原电位很容易变化[11]。

2.1 藻类

沉积物-上覆水间的氮磷变化是彼此联系的，它们互为源/汇，相互转换。以浓度梯度为动力，趋向于从高浓度的一侧向低浓度一侧扩散。藻类的暴发性生长要消耗水体中大量的可利用氮磷，使水体中的可利用氮磷浓度大幅降低从而改变之前沉积物-上覆水之间的氮磷平衡，引起沉积物的源-汇转换。围隔研究发现[12]，夏季藻类生长会对沉积物形成磷的“泵吸”作用。随着对水体磷需求速率剧增，完全通过自主扩散对上覆水进行磷补充已不能得到满足，藻类对水体吸收磷的需求就像一台无法停止的“磷泵”对沉积物进行超负荷的抽吸，最终使底泥间隙水产生区域性缺磷状态。虽然在此过程中，通过酶和细菌活动增加水体磷的供应量可能占主导地位[13]，但在藻类生长旺盛的环境下，沉积物的供磷能力往往会被动地发挥至较高或最高水平。沉积物磷枯竭不可避免地发生，其结果就是形成沉积物磷汇，即在上覆