淡水水体沉积物磷的环境生态效应研究进展及建议

生态效应

第28卷　第3期地质科技情报Vol.28　No.3

2009年　　5月GeologicalScienceandTechnologyInformationMay　　2009

淡水水体沉积物磷的环境生态效应研究进展及建议

葛继稳1a,1b,蔡庆华2,唐　涛2

(1.中国地质大学a.生态环境研究所;b.环境学院,武汉430074;2.中国科学院

3

水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室,武汉430072)

摘　要:对淡水水体沉积物磷的环境生态效应的国内外研究热点和领域进行了综述、评价;提出了尽快开展真正内源磷———地质成因磷自然释放的水环境生态效应研究,特别是天然条件下(如人为干扰少的源头河流),富磷河流水体主要初级生产者———藻类生态响应研究的建议。

关键词:地质成因磷;淡水水体;环境生态效应;沉积物

中图分类号:X522　　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:100027849(2009)0320113207　　水体富营养化是全球性的复杂环境问题。其影响因子众多,发生的机制极其复杂,但其实质是自养型浮游植物(藻类)吸收利用水体的营养物质充分增殖而导致水体初级生产力异常增大的生态学过程。在限制性营养物质中,磷被认为是限制藻类增殖的最重要因子[122]预警质量浓度长,ρ(TN)(总氮)(20不足;<13∶1。据经济合作与发展组织(OECD)调查,世界上80%以上湖泊的富营养化受磷控制,只有10%是受氮控制的[3]。因此,作为主要生源要素———磷的研究一直是国内外研究的热点。

准的分离分析方法[13215]。国内学者多采用《湖泊营

[16]

养化调查规范》中的逐级提取方法[425,8];国外多SMT提取法[17],62]。此外,还有早[18[19]改、分布等研究

沉积物中磷的形态分为可溶性磷(DP)、铁结合磷(Fe2P)、铝结合磷(Al2P)、钙结合磷(Ca2P)、闭蓄

[16]

态磷(O2P)和有机磷(OP)6种;SMT提取法将磷的形态分为5种:NaOH2P(主要是铝、铁、锰氧化物和水化物结合的磷)、HCl2P(主要是与钙结合的磷)、IP(无机磷)、OP和TP(总磷)[17]。这方面的研究主要集中在湖泊[20221],其中太湖[6,22]、东湖[23225]、滇池[26227]、巢湖[28]等是研究的重点;对水库的研究较少[8,29230],对河流的研究则更少[31234]。

侯立军等[4]的研究表明,长江口岸带柱状沉积物中磷的存在形态主要有DP、Al2P、Fe2P、Ca2P和OP5种,其中以OP和Ca2P为主;各形态磷的垂直分布变化十分复杂,受人类活动的影响比较明显。朱广伟等[11]对长江中下游22个不同生态类型的浅水湖泊表层沉积物中磷的地球化学形态及水相磷含量等水质特征的研究发现:自然粒度下,绝大部分沉积物中90%以上的磷是以生物较难利用的形态存在的,活性磷所占比例很小;而在严重污染的城市湖泊中,活性磷含量则可以占到TP的35%以上;沉积物中活性磷含量的高低与TP含量并不一致;水草的存在对水相磷含量及沉积物中磷的活性都有显著

1　磷生态效应国内外研究进展

纵观国内外淡水水体沉积物磷及其环境生态效应研究,其研究内容和相关热点可归纳为以下几个方面。

1.1沉积物的采集、磷的提取及测定方法

根据研究目的及研究对象的不同,沉积柱采样的厚度不一:在研究磷释放及形态变化时均采取表层沉积物,采样厚度不等,但一般都不超过80cm,如80[4],30[526],26[7],18[8],10[9],5～10cm[10],甚至仅5cm[11]。在研究沉积物孔隙水中磷的特征时采样厚度要大一些,如约78cm[12]。

沉积物中各种形态磷的化学提取测定在过去几十年得到了很大发展,但至今仍然没有一个通用标

3收稿日期:2008208228　　　编辑:刘江霞

(30330140);中国地质基金项目:国家自然科学基金重点项目“小水电群对河流生态系统的破坏及恢复机制的研究———以香溪河为例”

大学(武汉)优秀人才引进项目(HJ200507)

),男,教授,主要从事环境生态学及保护生态学研究。作者简介:葛继稳(1965—　

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的影响;水相磷的含量与沉积物中交换态磷的含量、

沉积物铁磷含量比有显著的相关关系。Jin等[6]对太湖不同营养水平和不同特征沉积物的TP、磷形态、粒径组成、化学组成进行系统研究的结果表明:太湖沉积物的磷主要由IP组成,其中严重富营养化湖区主要是NaOH2P,中富营养化湖区主要是HCl2P。

Owens等[33]对比研究了英国Yorkshire流域乡村和工业河流沉积物磷的含量:乡村河流沉积物w(TP)一般在500～1500μg/g之间,其下游w(TP)基本上没有增加;而工业河流则相反,不但其源头沉积物的w(TP)高(<2000μg/g),而且其下游w(TP)也增加(>7000μg/g),w(IP)∶w(OP)值从小于2提高到大于4;微粒(particulate)磷浓度与漫滩和河床沉积物有关,但与悬浮沉积物关系不大。Kim等[35]的研究表明:韩国汉江支流Chungpyung湖沉积物磷中,3%～5%为吸附磷(adsorbed2P),15%～20%为非磷灰石磷(non2apa2tite2P),25%～30%为磷灰石磷(apatite2P),45%～57%为留存态磷(residual2P);而在Jamsil坝区,上述4种形态磷分别为1%～3%%%～40%、30%～1.3[5,36237],包括磷释放通量估测[38]、释放或迁移模型及模拟[39241]、沉积物对磷的吸附[42243]、磷释放的动力机制[7]、沉积物磷-水界面交换特征[44246]、磷前述行为的影响因子等。其中影响因子为研究热点,研究的因子有:pH值[9,47]、溶解氧(DO)及氧化还原电位[48250]、硝酸盐浓度、温度[51]、光照[10]、水的搅动[38,52]、微生物作用[53254],以及藻类影响[55256]等。

已有的研究表明,DO浓度的变化会影响水体中氮、磷的生物地球化学循环过程:低DO时有利于沉积物中Fe2P和Al2P的释放,提高水体中PO42P的浓度;相反高DO浓度时,水体中的PO42P容易矿化形成Fe2P和Al2P[57258]。Jin等[6]的模拟研究表明,pH值是影响太湖沉积物磷释放的重要因素:在酸性条件下,pH值从2增大到6时磷的释放降低;在碱性条件下,pH值从8增大到12时磷的释放增加;高pH值促进NaOH2P的释放,低pH值促进HCl2P的释放,在自然条件下,基本上无磷释放。1.4沉积物磷的负荷及其对水质的影响研究

国内对主要水体,尤其是湖泊和水库沉积物磷的负荷进行大量研究[38,59261]的同时,对于沉积物在控制湖泊水库营养物质浓度中的重要性也给予了长期关注。研究证明,沉积物在水体污染中扮演“双重”角色:既是污染汇,即纳污和缓冲外源磷等,又是污染源,即在某种条件下内源性释放磷,使水体富营

养化成为可能[26]。

关于水体沉积物TP负荷,国外研究也非常[32,35,62268]多。由于沉积物磷的影响,许多学者提出了水环境沉积物TP质量分数的限值标准。如Per2saud等[69]提出加拿大Ontario省湖底泥TP最低影响质量分数为600μg/g,当达到2000μg/g时,即视为遭到严重污染,需要采取管理措施。在英国,河流中可溶性活性(solublereactive)磷质量浓度达到0.02～0.10mg/L时,即需采取管理措施,达到0.20mg/L时即视为严重富营养化[3]。1.5沉积物磷的生物地球化学研究

相对而言,目前国内外有关沉积物中磷(微量元素)的生物地球化学研究较碳、氧、氮等典型氧化还

[70]

原敏感性元素少。就研究区域看,海洋水环境中的界面生物地球化学研究较多,近10多年湖泊研究亦兴起热潮,但河流研究相对薄弱,即使有也多见于河口地区[23,70274]。朱广伟等[75]:太湖沉5;、藻型湖、间隙水中;浅水湖泊中水生生物状况、风浪扰动状况对沉积物中磷的地球化学行为有至关重要的影响;沉积物地球化学性质、水体营养盐含量及浅水湖泊生态类型之间存在复杂而密切的关系。刘晓端等[12]对密云水库沉积物-水界面磷的地球化学作用研究表明:表层沉积物中OP含量明显高于底层;表层沉积物和孔隙水中的磷都有明显上升的趋势;上覆水中的磷主要来自沉积物的Fe2P、Al2P、DP3种形态,孔隙水中TP以及总有机碳含量对上覆水中总溶解磷浓度存在较大的影响。1.6沉积物磷的控制研究

控制内源磷负荷是水体治理、加速水体功能恢复的关键。这方面的研究日益增多[76278]。目前的治理方法主要有3类:①底泥疏浚、引水清淤和深层水排放;②通过化学和物理方法抑制内源磷的释放,如水体曝气、投加化学药剂等;③通过调整生物群落结构和优化大型水生植物群落结构达到稳定沉积物、削减内源磷负荷的目的[79280]。1.7沉积物磷的生物有效性研究

沉积物中不同结合态的磷具有不同的生物有效性。这方面的研究颇多[2,81283]。一般认为颗粒磷中的1%～41%是可被生物利用的,更接近的估计是10%～20%[71,84]。一般认为,海洋中浮游植物的生长受氮限制,湖泊中受磷限制,河口中可能受磷或氮交替控制。但对湖泊和河口最新的研究表明,磷、

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氮,甚至硅都可能成为限制因素,这取决于研究地点的地质背景、人为影响、水体特征(包括营养水平、换水周期、流量等)、地理位置等,甚至与取样方法、试

[72]

验条件、研究尺度(时间和空间)等都有关系。这些研究表明,沉积物磷的生物效应机理复杂。1.8沉积物磷与藻类的相关关系研究

藻类是水体最重要的初级生产者,而作为藻类生长主要限制因子的磷与其有着密切的关系。相关研究表明,磷的过剩将导致藻类的大量繁殖,从而对水体富营养化构成严重威胁。这方面的研究一直是热点[3,85289],主要集中在磷对藻类多样性、生理、生态毒理等方面。这些研究基本上都在富营养化的湖泊或有此趋势的水库中进行,其中,实验室模拟是主要研究形式[80,90292],对河流,特别是山区自然条件下河源中的研究非常少[3,93294]。

在解释浅水湖泊内源磷负荷季节变动模式的驱动因子时,谢平[55]提出:pH值可能比DO更为重要,即浮游藻类的光合作用增强时导致水体pH值的上升,这可改变沉积物表面的pH值,从而促进沉积物中磷(特别是铁磷)的释放,并基于藻类水华对沉积物中磷的泵吸作用,未见报道。国外的野外模拟试验也不多,例如Kel2ly[94]对北爱尔兰一小高地河流中的研究:施肥(注:肥料中含磷)3周后,河流硅藻优势种由附石硅藻变为运动型的菱形藻属(Nitzschiasp.);施肥导致磷的增加,窗纹藻属(Epithemia)由于喜好较低N∶P比值而增加。

2　国内外研究评价

国内外早期富营养化生源的研究侧重于磷的外负荷,如磷的点源和面源污染。水体沉积物一方面是营养物质的重要蓄积库或汇(sink),对上覆水体具有很强的环境净化功能;另一方面,由于各种自然和人为因素的干扰,导致沉积物在一定程度上又能够起到营养源(source)的作用,可以不断地向上覆水体释放不同结合态的磷营养盐,对水体富营养化具有重要的影响[95]。在无氧的水体底层,沉积物释放磷较多,可能导致水体实际总磷浓度的低估,在控制了外源磷污染后,内源磷的污染成为水体富营养化威胁的首要因子[45,96]。因此,沉积物释放磷对水体污染不容忽视。从20世纪80年代开始,内源磷的负荷,即由水体沉积物释放磷引起的富营养化研究愈来愈受到重视。

分析国内外沉积物磷及其与水体环境生态影响的耦合研究,我们认为以下几个方面有待深入和加强。

(1)真正内源磷的研究几乎是空白　现阶段研究的释放磷的底质均是水体中的底泥、淹没的土壤等表层沉积物,它们或是浮游藻类死亡后的沉积,或是陆地表土附着磷的转移,因此其中的磷大都是外源的,不能算是真正的“内源”。

(2)研究对象主要是浅层沉积物,多介质耦合研究罕见　目前很少见到同一地点沉积物(磷块岩、土壤、河流沉积物)、水(地下水、间隙水、地表水)和浮游生物(主要是藻类)等多介质耦合研究的实例;研究对象多是表层(底泥)或拖网等沉积物,沉积物取样深度一般不超过80cm,未见深层沉积物或基岩深度的报道。因为一般认为,如此深度的沉积物一般不可能再参与水-土界面营养盐的交换、循环[7]。但我们认为:在特定地质背景的高磷地区,由于特殊的地质微环境(),加上微生,,。如Thomas97],在美国Kentucky农业溪流中,连续影响NO32N和PO42P浓度的是土壤的母岩,而不是农业活动。日本琵琶湖的资料也表明,由于地下水将岩石或土壤中的氮、磷物质溶解后带入水体,地下水中氮质量浓度为1.268mg/L,磷为0.087mg/L[98299]。我国许多湖泊沉积物孔隙水磷浓度较上覆水高,也表明间隙水在磷转运中的重要作用[12,22,50]。

(3)人为干扰少的源头河流的研究非常少　目前研究地点主要选在湖泊和河道型水库,且多是受到不同程度影响的富营养化水体,而对人为干扰少的源头河流的研究非常少[100]。因此,河流磷的研究仍然应是今后全球研究的重点[3,33]。

(4)野外研究数据非常缺乏　磷释放的数据及其为数不多的与藻类相关关系的研究基本上都是基于试验条件下获得的,野外研究数据非常缺乏。试验条件下获得的数据往往很难反映实际情况。

(5)国内外尚未见地质成因磷的自然释放与藻类的关联研究　关于地质成因磷(我们称之为“真正

)的自然释放与水体主要初级生产者—的内源磷”——

藻类的关联研究,国内外尚未见报道。

3　建　议

地质成因磷(geologicoriginphosphorus)系指三大地质作用下形成的天然磷块(灰)岩,是许多地区的主要磷源。由于成因不同,磷矿成分复杂。沉

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积物(sediment)是由岩石风化产生的固体碎片,经

各种沉积作用而形成的,是物理、化学和生物过程综合作用的结果。要深入研究污染物产生的机理及其防治措施,离不开对主要沉积物———天然污染矿物的详细研究。正因为如此,1998年第17届国际矿物学大会增设了环境矿物学(environmentalminer2alogy)专题,其中矿物与生物交互作用、矿物风化后的环境效应研究引起格外关注[101]。芬兰、俄罗斯、挪威和奥地利等国开展了国际科拉半岛生态地球化学研究计划,旨在分析矿业对周围环境的破坏[102]。

近年来,我国在进行沉积物磷释放研究的同时,对河流生态系统的健康研究也给予了重视[1032104]。尤其是围绕国家重大水电和水资源利用工程,如三峡库区和南水北调工程等展开了这方面的研究,已发表了近百篇研究和硕博学位论文。三峡库区营养物质磷的来源及其风险[1052106]、富营养化问题及藻类生态响应[1072111]等的研究近年日益受到关注。

从现有资料看,磷污染源的解析是当前环境科学研究的热点问题。而单一源的特征或地球化学标志又是污染源解析的重要基础之一。源解析过程中,,,引起关注。遍,在特定区域(、南水北调工程水源区)又非常重要,构成潜在的生态威胁。如前所述,现有文献提供了较多的湖泊、水库沉积物(包括底泥和浅层沉积物)磷的地球化学特征,包括磷的释放、影响因子等。但这些研究成果均存在两个缺憾:一是磷的释放绝大部分是在实验室中模拟完成的;二是没有涉及到自然磷矿、源头无人为干扰、地下水发育等特殊复合因素。

笔者在对湖北省神农架林区香溪河上游支流人为干扰极小的富磷地区进行地表水质量监测与评价时发现,TP超标异常。在九冲河的5个监测样点中,NH32N、COD等常规监测指标均达到《地表水环

(GB383822002)I类水质标准,但TP境质量标准》

平均质量浓度达到0.057mg/L,最高质量浓度达到

ρ(TN)∶ρ(TP)为8∶0.101mg/L,1,表明氮不足。

对另一条支流———神农架林区长坊河的监测表明,

ρ(TP)为1∶TP质量浓度甚至比TN高,ρ(TN)∶

2,表明氮严重不足[111]。由于这些地区人为活动很少,外源磷来源不太可能,因此我们推测地表水中高磷质量浓度与地质成因磷矿中磷的释放密切相关。三峡库区,尤其是其支流在蓄水后出现富营养化的问题已引起全球的高度关注[110]。从我们的初步研究看,地质成因磷的释放很可能是三峡水库库湾藻类水华爆发的一个潜在的诱因[112]。

基于以上分析,我们建议应尽快开展地质成因磷的水环境生态效应研究,特别是天然环境(如人为干扰少的源头河流)富磷河流藻类生态响应方面的研究。其研究意义在于:①可以探明自然状态下地质成因磷的诸多生态地球化学特征;②探讨富磷河流主要初级生产者———藻类在多样性及初级生产力时空格局方面的响应,为河流生态系统健康提供早期预警;③探究流域生态系统管理的新思路,为流域内源营养物质磷的控制提供新的科学依据。参考文献:

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EcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,CAS,Wuhan430072,China)Abstract:Thispapergivesanappraisalonresearchhotspotsofenvironmentalandecologicaleffectsofsedi2mentphosphorusinfreshwaterbodiesinChinaandothercountries.Itsuggeststhatfurtherresearchshouldbemadeonecologicaleffectsinwaterenvironmentofrealinternalphosphorus2geologicaloriginalphosphorusnaturalrelease,especiallyonmainprimaryproduceralgalecologicalresponseinphosphorus2richriversπwaterbodiesundernaturalconditions,suchastheheadstreamriverswithfewartificialdisturb2ances.

Keywords:geologicoriginphosphorus;freshwaterbody;environmentalandecologicaleffect;sediment

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jckm.html