環(huán)境因子對(duì)鄱陽(yáng)湖沉積物中內(nèi)源磷釋放的影響

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(yáng)湖為研究對(duì)象，研究溫度和擾動(dòng)等環(huán)境因素對(duì)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(gè)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(dòng)（轉(zhuǎn)速為60 r/min）時(shí)總磷的最大釋放量分別為3.4、3.74、4 mg/g，高速擾動(dòng)（轉(zhuǎn)速為120 r/min）時(shí)總磷的最大釋放量分別為3.19、3.64、4.29 mg/g。溫度對(duì)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(guò)擾動(dòng)促使沉積物再懸浮，促進(jìn)了沉積物中的磷釋放，加速了沉積物間隙水中磷的擴(kuò)散，從而增加了磷的釋放。

關(guān)鍵詞： 鄱陽(yáng)湖;沉積物;溫度;擾動(dòng);內(nèi)源磷;磷釋放

中圖分類號(hào)： X524;X820? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）05-0227-09

近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展和居民生活水平的提高，人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境造成的壓力及影響日益加重，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化日益成為全球性的水環(huán)境污染問(wèn)題。磷作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是影響湖泊富營(yíng)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(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因子[3-4]。當(dāng)前，外源磷負(fù)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(yíng)養(yǎng)化的進(jìn)程。因此，內(nèi)源沉積物對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。沉積物磷釋放能夠?yàn)楹锤粻I(yíng)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(guò)程中有重要影響，相關(guān)研究證實(shí)在淺水湖泊中，表層沉積物中的磷通過(guò)再懸浮很容易進(jìn)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(duì)水-沉積物界面磷的遷移轉(zhuǎn)化的影響不同。水溫通過(guò)改變沉積物-水界面間的磷平衡影響磷循環(huán)的過(guò)程。pH值是水質(zhì)的重要指標(biāo)，對(duì)土壤-水界面的物理化學(xué)過(guò)程有重要影響[11-12]。水動(dòng)力條件是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)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(duì)湖泊pH值、溫度、溶解氧、擾動(dòng)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(jìn)而影響湖泊上覆水水質(zhì)。

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部，是我國(guó)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(lái)水，下接長(zhǎng)江。近年來(lái)，長(zhǎng)江流域進(jìn)入連續(xù)枯水年，來(lái)水量減少，加上上游三峽水利工程的運(yùn)行，汛期后長(zhǎng)江三峽水利工程蓄水過(guò)猛，長(zhǎng)江湖口水位持續(xù)走低，鄱陽(yáng)湖湖水外泄量加大，水位迅速走低，鄱陽(yáng)湖提前步入枯水期，且枯水期時(shí)間延長(zhǎng)[21]。這一變化打破了鄱陽(yáng)湖水量吞吐平衡，造成鄱陽(yáng)湖枯水期水位持續(xù)下降，沉積物出露面積增加，出露時(shí)間提前并延長(zhǎng)，使鄱陽(yáng)湖沉積物中不同形態(tài)有機(jī)磷含量顯著增加[18]，進(jìn)而增大沉積物中磷釋放的風(fēng)險(xiǎn)。本研究針對(duì)鄱陽(yáng)湖這種特定生態(tài)水文特征，通過(guò)研究上覆水溫度、擾動(dòng)等環(huán)境因子對(duì)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(dòng)等條件的響應(yīng)關(guān)系，以期為評(píng)估環(huán)境因素對(duì)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(yáng)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(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。沉積物經(jīng)冷凍干燥，碾碎研磨，充分混勻后過(guò)100目篩，密封保存?zhèn)溆谩２蓸油瑫r(shí)，測(cè)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[22]進(jìn)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(cè)量總磷和正磷酸鹽含量。取樣后，補(bǔ)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(jìn)行釋放試驗(yàn)。

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

1.3 樣品分析方法

試驗(yàn)過(guò)程中，總磷及正磷酸鹽含量用鉬銻抗分光光度法[23]測(cè)定，磷的累計(jì)釋放量計(jì)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(shí)營(yíng)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(duì)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(shí)，樣點(diǎn)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(shí)上覆水中總磷濃度達(dá)到最大值，為0.65 mg/L;樣點(diǎn)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(diǎn)PY54上覆水中總磷濃度在0～1 d增加至0.71 mg/L，5 d時(shí)總磷濃度達(dá)到最大值，為0.75 mg/L。15 ℃時(shí)，上覆水中總磷濃度最大值與5 ℃時(shí)差別不大，樣點(diǎn)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(shí)，上覆水中最大總磷濃度也明顯增加。在25 ℃時(shí)，樣點(diǎn)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(shí)，樣點(diǎn)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(diǎn)PY40，試驗(yàn)結(jié)束（13 d）時(shí)，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(diǎn)PY45，在5、15、25、40 ℃ 條件下對(duì)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(diǎn)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(duì)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(shì)。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(shì)。在樣點(diǎn)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(diǎn)PY45，溫度為5 ℃、15 ℃、25 ℃、 40 ℃時(shí)對(duì)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(diǎn)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(yàn)結(jié)束（13 d）時(shí)，在樣點(diǎn)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(diǎn)PY45，在5、15、25、40 ℃溫度下對(duì)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(diǎn)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(yàn)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(shí)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(yíng)養(yǎng)化程度加劇的原因。溫度主要是通過(guò)影響沉積物中微生物的活性和數(shù)量來(lái)影響不同形態(tài)磷的釋放量。一方面，溫度升高，微生物活動(dòng)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(shí)，微生物的活動(dòng)還可以使沉積物中有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)磷酸鹽[27]。另一方面，溫度對(duì)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(jī)質(zhì)礦化作用加劇，產(chǎn)生大量的CO2，含鈣沉積物會(huì)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(dòng)對(duì)沉積物磷釋放的影響

從圖5中可以看出，在樣點(diǎn)PY40，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(diǎn)PY45，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)條件下對(duì)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(diǎn)PY54，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(dòng)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(diǎn)PY40，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(diǎn)PY45，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)條件下對(duì)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(diǎn)PY54，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(dòng)對(duì)沉積物中正磷酸鹽釋放的影響同樣表現(xiàn)為隨著擾動(dòng)轉(zhuǎn)速的增加釋放量呈逐漸增大的趨勢(shì)。從圖7中可以看出，在樣點(diǎn)PY40，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(diǎn)PY45，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)條件下對(duì)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(diǎn)PY54，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(dòng)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(diǎn)PY40，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(diǎn)PY45，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)條件下對(duì)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(diǎn)PY54，靜置、低速擾動(dòng)、高速擾動(dòng)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(yàn)結(jié)果表明，沉積物中總磷及正磷酸鹽的釋放量隨擾動(dòng)轉(zhuǎn)速的增加而增大。擾動(dòng)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(gè)方面：一方面，間隙水中的可溶解性磷的濃度遠(yuǎn)高于上覆水，擾動(dòng)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(dòng)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(jìn)磷的釋放[29]。在本研究中， 低速擾動(dòng)條件下沉積物總磷及正磷酸鹽的釋放量在某些時(shí)段要大于高速擾動(dòng)條件下的磷釋放量，這是因?yàn)閿_動(dòng)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(dòng)會(huì)加速淺水型湖泊內(nèi)源磷的釋放。但水動(dòng)力條件對(duì)磷釋放的影響僅是有限的短期效應(yīng)，張路等在擾動(dòng)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(dāng)水體磷酸鹽負(fù)荷較低時(shí)，沉積物處于釋磷狀態(tài)，釋磷強(qiáng)度隨擾動(dòng)強(qiáng)度的加大而增加;反之當(dāng)水體磷負(fù)荷較高時(shí)，沉積物則充當(dāng)磷的吸收劑。該研究結(jié)果可為控制湖泊富營(yíng)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(duì)沉積物中內(nèi)源磷釋放影響的模擬試驗(yàn)研究表明，溫度升高對(duì)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(qiáng)微生物的活性，使底泥釋磷強(qiáng)度加大。

水動(dòng)力學(xué)條件的改變，如對(duì)水體的擾動(dòng)，有利于底泥在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大的釋磷能力。因此，一定條件的擾動(dòng)效應(yīng)會(huì)加速淺水型湖泊內(nèi)源磷的釋放。

對(duì)于淺水湖泊鄱陽(yáng)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(dòng)強(qiáng)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(jìn)一步加劇水體的富營(yíng)養(yǎng)化。

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收 稿日期：2019-02-28

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：GJJ160586）;國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目（編號(hào)：41562021、41867063）;江西省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：20161BAB204191）。

作者簡(jiǎn)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(xué)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(xué)研究。E-mail：liunana812@163.com。