2015, Vol. 27 
(2: 中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，北京 100012)
(2: State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Research Center for Lake Eco-environment, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, P. R. China)
水-沉积物界面是环境中水相和沉积相之间的转换区，是溶解物质在地球化学循环与生物体系之间进行耦合作用的最初场所，也是水生生态系统物质循环不可缺少的环节.N、P等生源要素在湖泊水-沉积物界面及其附近发生剧烈的生物地球化学循环，并控制N、P等在上覆水体和沉积物间的物质平衡、形态转化和沉积剖面分布等[1].湖泊中磷在生物地球化学循环中，其中沉积物中的磷与水体中的磷相比，潜在的磷源是相对巨大的[2].影响沉积物中磷释放的因素有很多，除温度、pH、溶解氧水平、界面的氧化还原状况、微生物、底泥磷形态和水体扰动之外[3-6]，还有沉积物与上覆水磷浓度梯度差、湖泊水化学组成、水生生物、有机质含量及类型、盐度[7-9]等.磷的释放同时受多种因素的影响，多种因素之间也相互影响，释放量的变化取决于它们的综合作用[10].
研究内源磷的释放既有助于评价沉积物中磷的可交换性和生物可利用性，又有助于了解水环境中磷的循环过程与再生机制，为生态环境评价提供科学依据[11-12].近年来，关于滇池沉积物磷释放机制的研究在环境因素的影响[13-14]、释放通量[15]等方面较多，但也存在一定的不足之处，如较少结合沉积物性质、样点，多以一个为代表进行分析等.本文以滇池全湖35个表层沉积物样本为研究对象，系统分析了上覆水-沉积物中磷的形态及分布特征，并从不同磷形态与释放过程的关系出发研究二者的相互影响，以期揭示滇池磷素在沉积物-水界面的迁移转化规律，为控制或削减滇池流域内源磷污染提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况滇池位于我国西南部的云贵高原，是云南省面积最大的高原湖泊，也是我国第6大淡水湖泊[16].滇池是一个典型的断陷构造湖泊，海拔1990m，湖面面积309.5km2，蓄水量15.7×108 m3，最大水深10.24m，平均水深4.40 m[17].滇池具有水体滞留时间长的特点，南、西、东三面分布大量寒武纪磷块岩，磷输入来源丰富是导致滇池沉积物中磷含量较高的主要原因.每年有大量磷通过物理、化学和生物作用进入滇池，尤其是近几十年来由于大规模开采磷矿以及一些磷化工企业废物排放，导致进入滇池的磷急剧增加.仅南部澄江、晋宁磷矿开采，每年就有1.3×104 t含磷泥砂进入滇池，滇池北部盘龙江流经昆明市，携带的工业与生活污水也含有相当的磷元素[18]，湖泊富营养化严重.
1.2 样品采集与处理用彼得森采泥器于2013年3月分别在滇池的草海(n=3)、外海北部(n=15)、湖心区(n=6)和外海南部(n=11)4个湖区采集表层沉积物，样点分布见图 1(其中，D4样点沉积物层已被疏浚，未采样).沉积物样品泥深控制在10cm以内，装入塑料密封袋后及时送回实验室冷冻保存，待样品完全冷冻后，放入真空冷冻干燥机进行干燥，同时采集原位约20cm的上覆水.
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图 1 滇池采样点分布 Fig.1 Location of sampling sites in Lake Dianchi |
沉积物中总磷(TP)含量用Ruban等提出的欧洲标准测试委员会框架下发展的SMT分离方法测定[19]；根据改进的Psenner连续提取法[20]测定磷形态(表 1).
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表 1 沉积物中不同磷形态连续提取方法 Tab.1 Sequential extraction method of phosphorus in sediments |
上覆水中TP浓度采用过硫酸钾消解后用钼锑抗分光光度法测定[21]；溶解性总磷(DTP)浓度是将水样经过0.45μm滤膜过滤后，进行消解测定；颗粒态磷(PP)浓度是指TP与DTP浓度的差值；溶解态无机磷(DIP)浓度是将水样经过0.45μm滤膜过滤后直接测定；溶解态有机磷(DOP)浓度用DTP与DIP浓度之差表示[22].
1.3.3 磷的释放实验磷的释放实验分为释放动力学和释放潜力实验.具体方法如图 2.
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图 2 沉积物中磷的释放实验方法 Fig.2 The experiment method of release phosphorus in sediments |
滇池表层沉积物中TP含量介于843.96~8144.44mg/kg之间，平均值为2171.81mg/kg(表 2)，与国内其他湖泊相比(图 3)，滇池表层沉积物中TP含量处于较高水平，是其他湖泊的3~12倍左右[23-27].滇池表层沉积物的TP含量较高值出现在草海和外海西南部海口、晋宁附近区域(图 4)，前者显然与外源排入有关，后者与滇池流域的昆阳、海口、尖山、澄江等大型富磷矿区有关，其磷矿资源储量约为2.1×109 t，约占全国的12 %，近30多年来大规模开采使大量的磷被带入湖内[28].东北部区域是昆明花卉蔬菜的主产区，周边土壤TP含量在0.50~7.00g/kg之间，高于全国土壤平均值[29]，农业面源的输入加重了沉积物的磷污染；在湖心区也出现了沉积物中磷的高值区，这与湖区的“汇集”作用有关[30].
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表 2 滇池表层沉积物中不同形态磷的含量 Tab.2 The contents of different forms of phosphorus in the surface sediment in Lake Dianchi |
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图 3 不同湖泊沉积物中TP含量 Fig.3 The total phosphorus contents of the sediments in different lakes |
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图 4 滇池表层沉积物不同形态磷的空间分布 Fig.4 Spatial distribution of different forms of phosphorus in surface sediment of Lake Dianchi |
地球化学形态是判别沉积物中磷的迁移能力、生态效应的重要参数.化学连续提取法利用不同性质的化学提取剂，依次提取出沉积物中某种形态的磷而达到分离目的，能较好地反映出沉积物磷的生物地球化学特征[28].沉积物中磷的形态决定了其能否参与界面交换和能否为生物所利用[31]，不同结合态磷含量也反映了沉积物的磷污染程度和潜在释放能力，滇池表层沉积物不同形态磷含量表现为：OP(1482.49±1156.82mg/kg)＞Ca-P(865.54±558.40mg/kg)＞Al-P(463.77±662.18mg/kg)＞Res-P(218.52±83.11mg/kg)＞Fe-P(128.13±101.56mg/kg)＞NH4Cl-P(2.26±3.05mg/kg)(表 2).
滇池表层沉积物中NH4Cl-P含量在0.69~14.69mg/kg之间，约占TP含量的0.10 % (表 2)，以草海和外海北部湖区含量较高(图 4)，由于NH4Cl-P主要指被沉积物矿物颗粒表面吸附的磷酸盐，其含量虽然很小，但沉积物产生磷释放时，首先释放出这部分磷，并被水生生物吸收利用[32].Fe-P、Al-P是指通过物理化学作用被Fe、Al和Mn的氧化物及其氢氧化物所结合包裹的磷，该部分磷被认为是生物可以利用的磷，在厌氧和碱性条件下的溶解、迁移是其释放的重要机制[33]，对水-沉积物界面磷的循环起到主要作用[34]，其受外源磷输入的影响较大，来源主要为生活污水、工业废水和部分农业面源流失的磷[19]，能够反映不同区域磷污染的状况.滇池表层沉积物中Fe-P和Al-P含量分别占TP含量的5.65 %和20.45 % (表 2)，以草海和晋宁附近湖区较高，海口和呈贡附近湖区较低(图 4)，最大值和最小值相差10倍以上，其含量的差异体现了人类活动对不同湖区的影响程度不同.Ca-P含量占滇池表层沉积物中TP含量的38.18 % (表 2)，是滇池表层沉积物中无机磷含量最高的磷形态，南部晋宁附近湖区沉积物的Ca-P含量明显高于其他湖区(图 4)，这可能是因为磷肥生产中石膏和酸性磷酸盐的分离导致Ca-P形成，从而进入表层沉积物[35].Ca-P一般不易释放，但在pH值低、酸度增加时可转化为可溶性磷酸盐[36]，从而造成湖泊内源污染.Res-P主要为大分子有机磷或其他难溶性磷，大部分会被沉积物埋藏，难以再生释放出来，被认为是永久结合态磷，滇池(表层)沉积物中Res-P含量占TP含量的9.64 % (表 2).湖泊沉积物中OP具有部分活性，大约50 % ~60 %的OP可被降解或水解为生物可利用的磷形态，是沉积物中重要的“磷蓄积库”，对湖泊富营养化具有重要作用[37]，其主要来源于农业面源[38].滇池表层沉积物中OP含量在830.99~4074.72mg/kg之间，占TP含量的25.98 % (表 2)，其中以滇池草海湖区最高，南部湖区次之(图 4)，这与滇池流域人口及工农业布局情况相符.
2.2 上覆水磷形态分布沉积物中潜在的磷与水体相比是巨大的，这表明少量磷的释放就会对上覆水水质产生明显的影响.通常情况下，沉积物和上覆水间磷酸盐的交换会达到一个动态平衡，当环境条件变化时会形成新的界面平衡，在这个过程中会导致沉积物磷吸附或释放.天然水体中磷的主要来源是含磷矿物(如碳酸钙磷矿、磷灰石等)的侵蚀溶解作用和人类活动的排放(如农业灌溉、城市废水、工业污水、畜牧业养殖等).一般认为当水体中磷浓度在0.02mg/L以上时，对水体的富营养化就会产生明显的促进作用.湖泊水体中的大部分磷以DOP和PP的形式存在，后者占TP的绝大部分[39].
对比我国《地表水环境质量标准》(GB 3838 2002)，滇池上覆水TP浓度在0.09~0.70mg/L之间(表 3)，其中，草海TP浓度处于劣Ⅴ类水平(≥0.2mg/L)，外海不同湖区TP浓度介于Ⅳ~Ⅴ类之间(0.10~0.20 mg/L)，以湖心区最低，外海北部和南部湖区较高(图 5).DTP指溶于水中，且能通过0.45μm微孔滤膜的磷，根据理化性质，可再细分为DIP和DOP[40].滇池上覆水中DTP浓度在0.01~0.11mg/L之间，平均值为0.03mg/L(表 3)，分布特征与TP十分相似，以草海和外海北部较高为主要分布特点(图 5)；DIP能直接被藻类所利用，对湖泊初级生产力有重要的影响，滇池上覆水中DIP浓度为0~0.09mg/L，平均值为0.02mg/L(表 3)，湖心区和外海南部的中心区域DIP浓度处于较低水平(≤0.005mg/L)(图 5)；浮游植物细胞被食植动物所消耗，浮游动物的排泄为DOP的主要来源，DOP是一种不容易被生物所利用的磷形态[41]，滇池DOP浓度在0~0.04mg/L之间，平均值为0.01 mg/L(表 3)，以草海和外海南部的中心区域浓度较高(图 5)；PP是指存在于水体中的、因吸附作用存在于固体颗粒物表面或内部的颗粒态磷形态，它通常以粒子运动方式进行运输，虽然PP通常不能被生物区系直接吸收利用，但是从长远来看它又会对水体富营养化有一定的贡献[42]，并受水体微环境和物化性质的影响很大.滇池水体中以PP浓度最高，占TP浓度的67.61 %，其浓度为0.05~0.62mg/L，平均值为0.13 mg/L(表 3)，滇池水体中PP在入湖河口(如新运粮河、盘龙江、广普大沟、南冲河、柴河，这些河流几乎同时兼有农灌、泄洪、纳污等功能)区域含量较高(图 5)，其主要与有机物颗粒结合，是河流系统和河口地区磷的主要存在形态[43].
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表 3 滇池上覆水中不同形态磷浓度 Tab.3 The concentrations of different forms of phosphorus in overlying water of the Lake Dianchi |
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图 5 滇池上覆水不同形态磷浓度的空间分布 Fig.5 Spatial distribution of different forms of phosphorus concentrations in overlying water of Lake Dianchi |
磷的释放是一个复杂的动力学过程，由快反应和慢反应两部分组成.通常前一阶段快反应和慢反应同时进行，释放量增加较快，后一阶段以慢反应为主，释放量逐渐趋于平衡并达到最大[44].滇池表层沉积物对磷的释放过程主要发生在前8h内，各样点沉积物磷的释放量较大，曲线较陡；随着时间的延长，曲线逐渐呈平缓的趋势，基本在15h后，释放量及释放速率随时间的变化不明显，基本趋近于0，释放逐渐达到动态平衡(图 6).
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图 6 滇池表层沉积物磷的释放动力学曲线 Fig.6 The release kinetic curve of phosphorus in the surface sediments of Lake Dianchi |
为了进一步研究沉积物中磷释放的动力学特征，引入释放速率(单位时间、单位质量的沉积物中磷的释放量)的概念[45].滇池表层沉积物磷在0~0.5h之内释放速率最大，为0.08~7.09mg/(kg·h)，平均值为1.56mg/(kg·h)；在0.5h之后释放速率逐渐降低，与0.5h之内的释放速率相差较大；4h之内是一快速反应，15h之后释放速率很小，且在此之后时间段的释放速率很接近，呈动态稳定的状态(表 4).所以，滇池表层沉积物释磷的快反应过程在前0.5h之内完成，慢反应过程延迟至15h，15h内基本完成释放.滇池不同区域表层沉积物磷的最大释放速率表现为：草海(2.22±1.03mg/(kg·h))＞外海北部(2.06±1.96mg/(kg·h))＞外海南部(0.72±0.42mg/(kg·h))＞湖心区(0.37±0.32mg/(kg·h)).
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表 4 滇池表层沉积物不同时间段磷的释放速率 Tab.4 The release rate of phosphorus in surface sediments of Lake Dianchi in different intervals |
为定量分析沉积物磷的释放动力学过程，采用一级动力学方程[46]进行拟合：Qt=Qmax·(1-e-kt).式中，Qt为t时刻磷的释放量(以干质量计，下同)(mg/kg)；Qmax为释放平衡时磷的释放量(即最大释放量)(mg/kg)；k为磷的释放速率常数；t为释放时间(min).一级动力学方程很好地拟合了滇池表层沉积物释磷的动力学过程，R2＞0.70，达到显著相关水平(P＜0.05).Qmax表示本研究条件下沉积物磷的释放能力，也是沉积物磷释放动力学特征的重要参数[47].滇池表层沉积物中磷的Qmax介于0.14~11.76mg/kg之间，平均值为2.12mg/kg.不同区域表层沉积物磷的Qmax平均值表现为草海(3.32±2.10mg/kg)＞外海北岸(2.83±2.82mg/kg)＞外海南岸(1.43± 0.50mg/kg)＞湖心区(0.99±0.52mg/kg)，其分布情况与最大释放速率(Vmax)相同.由于草海植物生长较其它湖区茂盛，植物死亡所产生的生物残体也就较其它湖区多，碎屑在湖底分解往往不能彻底进行，残存物将随泥沙沉降而被层叠式掩埋，在表层仍能进行好氧分解，下层则会产生自上而下的缺氧和厌氧环境.在微生物作用下，向水体中析出游离态PO43-离子[48]；其次，草海和外海北部是较多入湖河道的受纳区域，新运粮河、宝象河、盘龙江等入湖河流流量较大，且兼顾农灌、泄洪、纳污等功能，表层底泥接纳来自外部污染性颗粒物沉降的机会较其它湖区高，在生物矿化和化学转化等作用下，游离态磷(通常为正磷酸盐(PO43--P))被不断分解出来，进入并溶存于沉积物间隙水中，在表层沉积物物性决定的阻碍层两侧，与上覆水PO43--P浓度形成浓度梯度，进行着与环境条件(如温度)相适应的并遵守分子扩散定律的磷界面的释放[49]；再次，湖心区相对远离陆源，因此沉积物中TP和有机质含量较其它湖区偏低，再加上该区域湖面开敞，水动力作用影响大，因此表层沉积物的分选程度较好，有机质矿化作用将较显著，无机矿物颗粒成分应有较高比例.在相对平静的环境中，表层沉积物在一定时段内吸收上覆水中的PO43--P，以致形成内汇，磷的释放作用降低[50].
与不同湖泊沉积物相比，滇池沉积物中磷的Vmax和Qmax处于较低水平[51](表 5).当湖泊沉积物中金属含量Ca/(Fe+Al)＞0.7时，为钙质沉积物[52].滇池沉积物中Ca/(Fe+Al)为0.78~1.46，表明滇池沉积物为典型的钙质沉积物.滇池年平均温度约为17℃，水体pH为7.59~8.80.因此，滇池湖内正磷酸盐被吸附到CaCO3沉淀上或者与CaCO3沉淀发生共沉淀，共沉淀的作用随着温度和pH(在8.0~10.0范围内)的增加而加强[53]，这个自然机制阻碍了滇池沉积物中IP含量较高的Ca-P的释放.
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表 5 不同湖泊沉积物中磷的最大释放速率和最大释放量 Tab.5 The maximum release rate and quantity of phosphorus in sediments of different lakes |
本实验对沉积物释放潜力的测定采用的是一步浸提法，即在1 : 100的沉积物和水的比值下磷的释放量[54].水土比不同，沉积物-水界面磷的平衡浓度也不同，一般来讲，水土比越大越有利于沉积物磷的释放.因此，可以采用无限稀释法测定沉积物磷的释放潜力(IDE-P).滇池表层沉积物中磷的释放量随着水土质量比的增加而增加，水土质量比约为20000时，磷释放量基本达到最大值，水土比再增大时，其磷释放量基本趋于平衡(图 7).滇池表层沉积物IDE-P介于32.64~419.00mg/kg之间，不同区域沉积物的IDE-P平均值表现为：草海(157.96±94.11mg/kg)＞外海北部(113.45±87.64mg/kg)＞外海南部(80.16±33.69 mg/kg)＞湖心区(67.17±30.01 mg/kg)，湖心区由于人类活动较少，磷含量较低，其释放潜力相对较小，而靠近昆明主城区和流经城区的河流入湖口区域的样点由于沉积物TP和PP含量较高，污染物释放潜力相对较高.
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图 7 滇池表层沉积物中磷释放量随水土质量比的变化 Fig.7 The changes of the maximal release potential of phosphorus in surface sediment of Lake Dianchi with the ratios of water to soil |
沉积物中不同结合态的磷可以反映不同历史时期磷污染输入特征，同时具有不同的生物有效性，可以间接反映沉积物中磷的释放潜力[55]，对上覆水体富营养化的发生具有潜在的、不可忽视的影响.沉积物中磷的释放机理、释放量与内源的存在形态、金属结合态的转化能力、沉积物-上覆水之间磷元素的交换有关[56].底泥中的磷以无机态的PO43--P为主，一旦出现利于钙、铝、铁等不溶性磷酸盐沉淀物溶解的条件，磷的释放就可能发生[57].不同地理环境的湖泊磷释放的决定因素存在差别[58].滇池表层沉积物中磷的释放主要由NH4Cl-P、Fe-P、Al-P和OP进行(表 6)，其中，NH4Cl-P和Fe-P所占比重较大.NH4Cl-P是较容易释放的磷，Fe-P几乎都具有活性，并且在还原环境下几乎可以全部释放，这进一步说明Fe-P极其不稳定.另外，当氧化还原电位和盐度降低时，Fe-P会被活化而进入水体，这部分磷或被生物利用，或与水体中其他离子(Ca2+、Al3+)相结合，因此当沉积物中Fe、Al、Ca等含量由于人为污染等因素发生改变时，磷就会在不同形态间进行释放和重新组合，从而实现不同形态磷间的转化.
PO43--P被认为是DTP中最易被生物利用的磷形态，也称作生物可利用磷，可作为研究湖泊富营养化状态的参数，并随着岩石的自然分化、溶解、土壤的淋溶和迁移，以及生物转化等过程进入水体[59].磷的释放与上覆水中DTP、DIP和DOP浓度呈显著正相关(P＜0.05)(表 6)，预示着上覆水中磷的迁移转化更多地受到水-沉积物界面浓度梯度的控制，进一步说明不能以TP含量来评价湖泊磷素释放的状况，需与磷形态及分布特征相结合进行分析.
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表 6 滇池表层沉积物磷的释放特征参数与不同磷形态之间的相关性 Tab.6 Correlation of different forms of phosphorus with the release of phosphorus characteristic parameters in surface sediment of Lake Dianchi |
滇池表层沉积物中TP含量介于843.96~8144.44mg/kg之间，是其他湖泊的3~12倍左右，处于较高水平；不同形态磷含量表现为：OP(1482.49±1156.82mg/kg)＞Ca-P(865.54±558.40 mg/kg)＞Al-P(463.77±662.18mg/kg)＞Res-P(218.52±83.11mg/kg)＞Fe-P(128.13±101.56mg/kg)＞NH4Cl-P(2.26±3.05mg/kg).
滇池表层上覆水中TP浓度在0.09~0.70mg/L之间，草海水质为劣Ⅳ类，外海不同湖区水质介于Ⅳ~Ⅴ类之间；滇池上覆水中磷浓度以PP最高，占TP浓度的67.61 %，在入湖河流河口处(如新运粮河、盘龙江、广普大沟、南冲河、柴河)浓度较高，长远看来对水体富营养化有一定的贡献.
滇池沉积物磷的释放过程主要发生在前8h内；不同区域沉积物磷的Vmax、Qmax和IDE-P平均值均表现为：草海＞外海北部＞外海南部＞湖心区；滇池表层沉积物中磷的释放主要由NH4Cl-P、Fe-P、Al-P和OP进行，其中，NH4Cl-P和Fe-P所占比重较大；磷的释放与上覆水中DTP、DIP和DOP浓度呈显著正相关(P＜0.05)，预示着上覆水中磷的迁移转化更多地受到水-沉积物界面浓度梯度的控制，进一步说明不能以TP含量来评价湖泊磷素释放的状况，需与磷形态及分布特征相结合分析.
致谢: 感谢中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地的焦立新博士在本文完成期间提供的帮助.| [1] |
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