袁軼君 劉娜娜 陳傳紅 黃德娟 徐將 畢永紅

摘要： 以大型通江湖泊鄱陽湖為研究對象，研究溫度和擾動等環(huán)境因素對湖泊沉積物內(nèi)源磷釋放的影響。結(jié)果表明，在5 ℃條件下，PY40、PY45和PY54這3個站位總磷的最大釋放量分別為90.08、96.42、112.64 mg/g;在15 ℃條件下，總磷的最大釋放量分別為91.65、105.79、119.86 mg/g;在25 ℃條件下，總磷的最大釋放量分別為92.08、117.2、136.69 mg/g;在40 ℃條件下總磷的最大釋放量分別為 107.04、132.89、159.19 mg/g;靜置條件下，總磷的最大釋放量分別為2.9、3.42、4.03 mg/g;低速擾動（轉(zhuǎn)速為60 r/min）時總磷的最大釋放量分別為3.4、3.74、4 mg/g，高速擾動（轉(zhuǎn)速為120 r/min）時總磷的最大釋放量分別為3.19、3.64、4.29 mg/g。溫度對內(nèi)源磷的釋放有明顯影響，隨著環(huán)境溫度的不斷升高，沉積物釋磷量明顯增加。通過擾動促使沉積物再懸浮，促進了沉積物中的磷釋放，加速了沉積物間隙水中磷的擴散，從而增加了磷的釋放。

關(guān)鍵詞： 鄱陽湖;沉積物;溫度;擾動;內(nèi)源磷;磷釋放

中圖分類號： X524;X820? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）05-0227-09

近年來，隨著工業(yè)化進程的發(fā)展和居民生活水平的提高，人類活動對水環(huán)境造成的壓力及影響日益加重，湖泊富營養(yǎng)化日益成為全球性的水環(huán)境污染問題。磷作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)主要營養(yǎng)元素之一，也是影響湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性限制元素[1-2]。而作為水體中的沉積物，在一定條件下可以成為湖泊富營養(yǎng)化的主導(dǎo)因子[3-4]。當前，外源磷負荷得到了有效的控制，而沉積物磷的釋放在一定程度上決定了湖泊富營養(yǎng)化的進程。因此，內(nèi)源沉積物對水體營養(yǎng)鹽的貢獻成為人們關(guān)注的焦點。沉積物磷釋放能夠為湖泊富營養(yǎng)化提供磷源[5-6]，是湖泊水質(zhì)惡化的重要因素。

水-沉積物界面磷的遷移轉(zhuǎn)化在內(nèi)源磷釋放過程中有重要影響，相關(guān)研究證實在淺水湖泊中，表層沉積物中的磷通過再懸浮很容易進入到上覆水[7-10]。影響沉積物磷釋放的因素很多，主要有溶解氧含量、溫度、光照、pH值等。不同因素對水-沉積物界面磷的遷移轉(zhuǎn)化的影響不同。水溫通過改變沉積物-水界面間的磷平衡影響磷循環(huán)的過程。pH值是水質(zhì)的重要指標，對土壤-水界面的物理化學過程有重要影響[11-12]。水動力條件是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要驅(qū)動因子，是造成污染物釋放的關(guān)鍵因素之一[13-15]。其中，水位變化可對湖泊pH值、溫度、溶解氧、擾動等產(chǎn)生影響[16-18]，使沉積物磷含量、形態(tài)及生物有效性發(fā)生變化[19-20]，進而影響湖泊上覆水水質(zhì)。

鄱陽湖位于江西省北部，是我國第一大淡水湖和通江湖泊，上承“五河”（贛江、撫河、修水、信江、饒河）來水，下接長江。近年來，長江流域進入連續(xù)枯水年，來水量減少，加上上游三峽水利工程的運行，汛期后長江三峽水利工程蓄水過猛，長江湖口水位持續(xù)走低，鄱陽湖湖水外泄量加大，水位迅速走低，鄱陽湖提前步入枯水期，且枯水期時間延長[21]。這一變化打破了鄱陽湖水量吞吐平衡，造成鄱陽湖枯水期水位持續(xù)下降，沉積物出露面積增加，出露時間提前并延長，使鄱陽湖沉積物中不同形態(tài)有機磷含量顯著增加[18]，進而增大沉積物中磷釋放的風險。本研究針對鄱陽湖這種特定生態(tài)水文特征，通過研究上覆水溫度、擾動等環(huán)境因子對沉積物磷釋放的影響，試圖建立沉積物磷釋放特征與溫度和擾動等條件的響應(yīng)關(guān)系，以期為評估環(huán)境因素對湖泊水體磷的影響提供合理充分的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2016年7月在鄱陽湖湖心區(qū)（PY45）和非湖心區(qū)（PY40，PY54），利用彼得森采泥器采集表層沉積物樣，避光條件下快速運送至實驗室。沉積物經(jīng)冷凍干燥，碾碎研磨，充分混勻后過100目篩，密封保存?zhèn)溆?。采樣同時，測定水體葉綠素a（Chl a）含量、透明度（SD）、水溫（T）、溶解氧量（DO）、pH值、氧化還原電位（ORP）、總氮（TN）含量、總磷（TP）含量如表1所示。

1.2 模擬試驗設(shè)計

試驗按照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[22]進行，將10 g（干質(zhì)量）沉積物置于500 mL錐形瓶底部平鋪，緩慢加入300 mL去離子水，并記錄液面位置。每24 h取中層水樣100 mL，測量總磷和正磷酸鹽含量。取樣后，補充上覆水至已記錄的液面，保證上覆水體積不變。

溫度條件：在避光、pH值為7.1、以蒸餾水為上覆水條件下，選擇在5、15、25、40 ℃溫度下進行釋放試驗。

擾動條件：將以蒸餾水為上覆水的錐形瓶裝置置于25 ℃恒溫搖床中，分別進行靜置、低速擾動（60 r/min）和高速擾動（120 r/min）條件下的磷釋放試驗。

1.3 樣品分析方法

試驗過程中，總磷及正磷酸鹽含量用鉬銻抗分光光度法[23]測定，磷的累計釋放量計算公式[24]如下：

R=[V（Cn-C0）+∑n iViCi]/m。

式中：R為沉積物氮化合物累積釋放量（mg/g）;V為反應(yīng)裝置剩余水樣體積（mL）;C0為初始水樣濃度（mg/L）;Vi為每次取樣量（mL）;Cn、Ci為第n、第i次采樣時營養(yǎng)物的濃度（mg/L）;m為底泥質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對沉積物磷釋放的影響

由圖1和圖2可知，溫度的升高有利于沉積物中總磷的釋放。5 ℃時，樣點PY40上覆水中總磷濃度在0～1 d內(nèi)劇烈增加至0.54 mg/L，在2 d時上覆水中總磷濃度達到最大值，為0.65 mg/L;樣點PY45總磷濃度0～1 d內(nèi)劇烈增加至最大值，為 0.65 mg/L，然后逐漸下降;樣點PY54上覆水中總磷濃度在0～1 d增加至0.71 mg/L，5 d時總磷濃度達到最大值，為0.75 mg/L。15 ℃時，上覆水中總磷濃度最大值與5 ℃時差別不大，樣點PY40、PY45和PY54上覆水中總磷濃度最大值分別為0.58、0.65、0.90 mg/L。隨著溫度升高到25、40 ℃時，上覆水中最大總磷濃度也明顯增加。在25 ℃時，樣點PY40、PY45和PY54上覆水中總磷濃度最大值分別為0.58、0.78、0.88 mg/L;40 ℃時，樣點PY40、PY45和PY54上覆水中總磷濃度最大值分別為 0.71、0.84、1.01 mg/L。由圖2可以看出，隨著溫度的升高，沉積物總磷的累積釋放量也逐漸增加。在樣點PY40，試驗結(jié)束（13 d）時，在5、15、25、40 ℃條件下沉積物中總磷的累積釋放量分別為90.08、91.65、92.08、107.04 mg/g;而在樣點PY45，在5、15、25、40 ℃ 條件下對應(yīng)的沉積物中總磷的累積釋放量分別為96.42、105.79、117.20、132.89 mg/g;在樣點PY54，在5、15、25、40 ℃溫度下沉積物中總磷的累積釋放量分別為112.64、119.86、136.69、159.19 mg/g。

溫度對沉積物中正磷酸鹽釋放的影響同樣表現(xiàn)為隨著溫度的升高釋放量呈逐漸增大的趨勢。從圖3可以看出，上覆水中正磷酸鹽濃度在0～1 d內(nèi)均呈現(xiàn)劇烈增加的趨勢。在樣點PY40，在5、15、25、40 ℃ 溫度下上覆水中正磷酸鹽濃度最大值分別為0.34、0.34、0.47、0.51 mg/L;而在樣點PY45，溫度為5 ℃、15 ℃、25 ℃、 40 ℃時對應(yīng)的上覆水中正磷酸鹽濃度最大值分別為0.43、0.51、0.47、0.67 mg/L;在樣點PY54，在5、15、25、40 ℃溫度下上覆水中正磷酸鹽濃度最大值分別為0.47、0.47、0.59、0.88 mg/L。從圖4可以看出，沉積物正磷酸鹽的累積釋放量與總磷的累積釋放量相似，同樣表現(xiàn)為隨著溫度的升高而逐漸增大。在試驗結(jié)束（13 d）時，在樣點PY40，在5、15、25、40 ℃溫度下沉積物中正磷酸鹽的累積釋放量分別為48.00、52.51、57.51、73.00 mg/g;而在樣點PY45，在5、15、25、40 ℃溫度下對應(yīng)的沉積物中正磷酸鹽的累積釋放量分別為 59.99、61.51、70.49、95.86 mg/g;在樣點PY54， 在5、15、25、 40 ℃溫度下沉積物中正磷酸鹽的累積釋放量分別為64.94、65.35、84.84、129.92 mg/g。

試驗結(jié)果表明，沉積物中的總磷和正磷酸鹽的釋放量隨溫度的升高逐漸遞增，這與張義等研究西湖沉積物磷釋放時得到的結(jié)論[25]一致。該結(jié)果似乎解釋了夏季許多湖泊富營養(yǎng)化程度加劇的原因。溫度主要是通過影響沉積物中微生物的活性和數(shù)量來影響不同形態(tài)磷的釋放量。一方面，溫度升高，微生物活動增加，耗氧加快，溶解氧減少，使環(huán)境由氧化狀態(tài)向還原狀態(tài)轉(zhuǎn)化，促使沉積物磷釋放[26]。同時，微生物的活動還可以使沉積物中有機磷轉(zhuǎn)化成無機磷酸鹽[27]。另一方面，溫度對含鈣沉積物的作用也顯著影響沉積物的磷釋放，隨著溫度升高，有機質(zhì)礦化作用加劇，產(chǎn)生大量的CO2，含鈣沉積物會加速溶解，沉積物磷的釋放也相應(yīng)加快[26]。此外，隨著溫度的升高，沉積物中的磷逐漸釋放[28]。

2.2 擾動對沉積物磷釋放的影響

從圖5中可以看出，在樣點PY40，靜置、低速擾動、高速擾動條件下上覆水中總磷濃度最大值分別為0.023、0.032、0.025 mg/L;而在樣點PY45，靜置、低速擾動、高速擾動條件下對應(yīng)的上覆水中總磷濃度最大值分別為0.029、0.033、0.029 mg/L;在樣點PY54，靜置、低速擾動、高速擾動條件下上覆水中總磷濃度最大值分別為0.033、0.033、0.039 mg/L。由圖6可以看出，隨著擾動轉(zhuǎn)速的增加，沉積物總磷的累積釋放量也逐漸增加。在樣點PY40，試驗結(jié)束時，靜置、低速擾動、高速擾動條件下沉積物中總磷的累積釋放量分別為2.90、3.40、3.19 mg/g;而在樣點PY45，靜置、低速擾動、高速擾動條件下對應(yīng)的沉積物中總磷的累積釋放量分別為3.42、3.74、3.64 mg/g;在樣點PY54，靜置、低速擾動、高速擾動條件下沉積物中總磷的累積釋放量分別為4.03、4.00、4.29 mg/g。

擾動對沉積物中正磷酸鹽釋放的影響同樣表現(xiàn)為隨著擾動轉(zhuǎn)速的增加釋放量呈逐漸增大的趨勢。從圖7中可以看出，在樣點PY40，靜置、低速擾動、高速擾動條件下上覆水中正磷酸鹽濃度最大值分別為0.018、0.029、0.016 mg/L;而在樣點PY45，靜置、低速擾動、高速擾動條件下對應(yīng)的上覆水中正磷酸鹽濃度最大值分別為0.018、0.021、0.023 mg/L;在樣點PY54，靜置、低速擾動、高速擾動條件下上覆水中正磷酸鹽濃度最大值分別為 0.023、0.031、0.026 mg/L。由圖8可以看出，隨著擾動轉(zhuǎn)速的增加，沉積物正磷酸鹽的累積釋放量也逐漸增加。在樣點PY40，試驗結(jié)束時，靜置、低速擾動、高速擾動條件下沉積物中正磷酸鹽的累積釋放量分別為1.84、2.17、2.10 mg/g;而在樣點PY45，靜置、低速擾動、高速擾動條件下對應(yīng)的沉積物中正磷酸鹽的累積釋放量分別為2.25、2.54、2.64 mg/g;在樣點PY54，靜置、低速擾動、高速擾動條件下沉積物中正磷酸鹽的累積釋放量分別為2.74、2.85、3.07 mg/g。

試驗結(jié)果表明，沉積物中總磷及正磷酸鹽的釋放量隨擾動轉(zhuǎn)速的增加而增大。擾動是影響淺水湖泊沉積物-水界面反應(yīng)的重要物理因素之一。其原因可能有2個方面：一方面，間隙水中的可溶解性磷的濃度遠高于上覆水，擾動加快了間隙水與上覆水體的物質(zhì)交換速度與量，增加磷向水體的釋放;另一方面，擾動可使沉積物的顆粒懸浮，增大顆粒與水體接觸的表面積，促進磷的釋放[29]。在本研究中， 低速擾動條件下沉積物總磷及正磷酸鹽的釋放量在某些時段要大于高速擾動條件下的磷釋放量，這是因為擾動太劇烈可能使部分已釋放的磷又被沉積物吸附。由此可見，一定條件的擾動會加速淺水型湖泊內(nèi)源磷的釋放。但水動力條件對磷釋放的影響僅是有限的短期效應(yīng)，張路等在擾動條件下研究了太湖表層沉積物的釋磷行為，發(fā)現(xiàn)沉積物-水體是湖泊磷酸鹽天然的緩沖體系[30]。當水體磷酸鹽負荷較低時，沉積物處于釋磷狀態(tài)，釋磷強度隨擾動強度的加大而增加;反之當水體磷負荷較高時，沉積物則充當磷的吸收劑。該研究結(jié)果可為控制湖泊富營養(yǎng)化提供一定的理論指導(dǎo)。

3 結(jié)論

不同環(huán)境因子對沉積物中內(nèi)源磷釋放影響的模擬試驗研究表明，溫度升高對沉積物釋磷的影響較大。水溫升高不僅可以提高各類磷酸鹽的飽和度，而且可以增強微生物的活性，使底泥釋磷強度加大。

水動力學條件的改變，如對水體的擾動，有利于底泥在較短時間內(nèi)達到最大的釋磷能力。因此，一定條件的擾動效應(yīng)會加速淺水型湖泊內(nèi)源磷的釋放。

對于淺水湖泊鄱陽湖而言，夏季水溫的升高以及江湖關(guān)系變化導(dǎo)致的擾動強度的增加，將引起內(nèi)源磷的釋放，水體磷的濃度增加，從而進一步加劇水體的富營養(yǎng)化。

參考文獻：

[1]Xie L Q，Xie P，Tang H J. Enhancement of dissolved phosphorus release from sediment to lake water by Microcystis blooms-an enclosure experiment in a hyper-eutrophic，subtropical Chinese lake[J]. Environmental Pollution，2003，122（3）：391-399.

[2]Zhang C，Zhu M Y，Zeng G M，et al. Active capping technology：a new environmental remediation of contaminated sediment[J]. Environmental Science and Pollution Research，2016，23（5）：4370-4386.

[3]House W A，Denison F H. Factors influencing the measurement of equilibrium phosphate concentrations in river sediments[J]. Water Research，2000，34（4）：1187-1200.

[4]陳建良，胡明明，周懷東，等. 洱海藍藻水華暴發(fā)期浮游植物群落變化及影響因素[J]. 水生生物學報，2015，39（1）：24-28.

[5]黎 睿，王圣瑞，肖尚斌，等. 長江中下游與云南高原湖泊沉積物磷形態(tài)及內(nèi)源磷負荷[J]. 中國環(huán)境科學，2015，35（6）：1831-1839.

[6]Christophoridis C，F(xiàn)ytianos K. Conditions affecting the release of phosphorus from surface lake sediments[J]. Journal of Environmental Quality，2006，35（4）：1181-1192.

[7]張亞昆，楊麗標，雷 坤，等. 黃河下游沉積物-水界面氮磷交換與沉積通量研究[J]. 泥沙研究，2013（6）：66-74.

[8]Testa J M，Brady D C，Di T D M，et al. Sediment flux modeling：simulating nitrogen，phosphorus，and silica cycles[J]. Estuarine Coastal and Shelf Science，2013，131：245-263.

[9]Martinez-Soto M C，Martinez G. Organic carbon，phosphorus and nitrogen in surface sediments of the marine-coastal region north and south of the Paria Peninsula，Venezuela[J]. Environmental Earth Sciences，2012，65（2）：429-439.

[10]Wu D，Hua Z L. The effect of vegetation on sediment resuspension and phosphorus release under hydrodynamic disturbance in shallow lakes[J]. Ecological Engineering，2014，69：55-62.

[11]Boers C M P. The influence of pH on phosphorus release from lake sediments[J]. Water Research，1991，25（3）：309-3l1.

[12]林建偉，朱志良，趙建夫. 曝氣復(fù)氧對富營養(yǎng)化水體底泥氮磷釋放的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境，2005，14（6）：812-815.

[13]Graham N D，Bouffard D，Loizeau J L. The influence of bottom boundary layer hydrodynamics on sediment focusing in a contaminated bay[J]. Environmental Science & Pollution Research，2016，23（24）：1-15.

[14]Shakibaeinia A，Dibike Y B，Kashyap S，et al. A numerical framework for modelling sediment and chemical constituents transport in the Lower Athabasca River[J]. Journal of Soils & Sediments，2016，17（4）：1-20.

[15]燕文明，麻 林，向 龍，等. 沉積物-水界面中可交換態(tài)氮對不同菹草密度的響應(yīng)[J]. 水資源保護，2016，32（2）：119-122.

[16]劉 凱，倪兆奎，王圣瑞，等. 鄱陽湖不同高程沉積物中磷形態(tài)特征研究[J]. 中國環(huán)境科學，2015，35（3）：856-861.

[17]Ni Z，Wang S，Zhang L，et al. Role of hydrological conditions on organic phosphorus forms and their availability in sediments from Poyang Lake，China[J]. Environmental Science & Pollution Research，2015，22（13）：10116-10129.

[18]馬雙麗，倪兆奎，王圣瑞，等. 鄱陽湖沉積物有機磷形態(tài)及對水位變化響應(yīng)[J]. 環(huán)境科學學報，2016，36（10）：3607-3614.

[19]Wang S R，Jin X C，Bu Q Y，et al. Effects of dissolved oxygen supply level on phosphorus release from lake sediments[J]. Colloids and Surfaces A（Physicochemical and Engineering Aspects），2008，316（1/2/3）：245-252.[HJ1.98mm]

[20]Li Y，Zhou Y B，Zhou Z H，et al. Effects of sustained-release composite on the oxygen levels and sediment phosphorus fractions of an urban river in Shanghai[J]. Environmental Technology，2014，35（17/18/19/20）：2176-2182.

[21]胡振鵬. 調(diào)節(jié)鄱陽湖枯水位維護江湖健康[J]. 江西水利科技，2009，35（2）：82-86.

[22]金相燦，屠清瑛. 湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范[M]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，1990：230-232.

[23]國家環(huán)境保護總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：243-246.

[24]陶玉炎，耿金菊，王榮俊，等. 環(huán)境條件變化對河流沉積物“三氮”釋放的影響[J]. 環(huán)境科學與技術(shù)，2013，36（6L）：41-44.

[25]張 義，劉子森，張垚磊，等. 環(huán)境因子對杭州西湖沉積物各形態(tài)磷釋放的影響[J]. 水生生物學報，2017，41（6）：1354-1361.

[26]周啟星，俞 潔，陳 劍，等. 某城市湖泊中磷的循環(huán)特征及富營養(yǎng)化發(fā)生潛勢[J]. 環(huán)境科學，2004，25（5）：138-142.

[27]范成新，張 路，秦伯強，等. 風浪作用下太湖懸浮態(tài)顆粒物中磷的動態(tài)釋放估算[J]. 中國科學（D輯：地球科學），2003，33（8）：760-780.

[28]王曉蓉，華兆哲，徐 菱，等. 環(huán)境條件變化對太湖沉積物磷釋放的影響[J]. 環(huán)境化學，1996，15（1）：15-19.

[29]王茹靜，趙 旭，曹瑞鈺. 富營養(yǎng)化水體中底泥釋磷的影響因素及其釋放機理[J]. 新疆環(huán)境保護，2005，27（3）：5-8.

[30]張 路，范成新，秦伯強，等. 模擬擾動條件下太湖表層沉積物磷行為的研究[J]. 湖泊科學，2001，13（1）：35-42.

收 稿日期：2019-02-28

基金項目：江西省教育廳科學技術(shù)研究項目（編號：GJJ160586）;國家自然科學基金地區(qū)項目（編號：41562021、41867063）;江西省自然科學基金面上項目（編號：20161BAB204191）。

作者簡介：袁軼君（1989—），男，江西上饒人，博士，講師，主要從事湖泊生態(tài)學研究。E-mail：yuanyijun1229@163.com。

通信作者，劉娜娜，博士，講師，主要從事藻類生理生態(tài)學研究。E-mail：liunana812@163.com。