影响湖泊沉积物_水界面磷交换的重要环境因子分析_黎颖治

第38卷第1期2007年2月土壤通报ChineseJournalofSoilScienceVol.38,No.1Feb.,2007影响湖泊沉积物—水界面磷交换的重要环境因子分析黎颖治,夏北成＊(中山大学环境科学与工程学院,广东广州510275)摘要:湖泊沉积物既可充当湖泊水体营养盐的汇也可转变为源,而磷则是富营养化的制约性因子。沉积物-水界面的磷交换过程与沉积物本身的物理化学特征直接相关。本文对沉积物-水界面磷交换动态的内部影响因子及其作用进行了综合分析,并分别论述了沉积物粒级分布、磷的存在形态、电子受体、有机物等对沉积物-水界面磷交换过程的影响与作用。关键词:磷;沉积物-水界面;交换动态;内部因子中图分类号:X524文献标识码:A文章编号:0564-3945(2007)01-0162-05外来营养盐和水生生物残体被沉积物吸收并积聚在河流湖泊的底部,这些沉积物可以长期积聚营养盐,但沉积物中的营养盐也有释放到水体的机会,因此沉积物又成了上覆水新的污染源[1,2]。在一定的环境条件下,沉积物与上覆水中的营养盐的源、汇关系可相互转化,因此即使外源污染源得到有效的控制,环境条件的变化也会导致沉积物营养盐重新释放到水中,从而使湖泊水体修复难度大增[3]。影响沉积物与水层间磷的源、汇转化动态的因素主要可归结为沉积物本身的物理化学特征和外部环境条件[4～6〗。沉积物-水界面的磷交换既与沉积物本身的物理化学特征所支配,但外部环境条件也有极为重要的影响,在某些情况下也可以起到支配作用,且随着在岩石圈、水圈、大气圈以及生物圈中均发现有磷化氢存在[7]和对磷化氢的生物地球化学行为研究的深入,环境条件对磷在沉积物—水界面的交换作用显得更为关键。沉积物内部因素的影响已另文阐述。外部环境条件作用于湖泊水体,影响湖泊沉积物—水界面磷交换的环境因子主要有:DO、生物作用、pH、温度、渗透、水文气象条件等因素[8～12]。这些环境条件的作用主要是引起水层磷浓度的改变,既有直接的作用,也有间接的影响,其中生物的作用最为复杂。1环境条件1.1溶解氧(DO)溶解氧不仅控制着水体氧化还原电位,而且控制着水生生物种类及其活性,控制着机物的矿化过程。而这些条件和过程是控制沉积物吸附、释放磷的主要因素。因此,溶解氧是通过控制这些过程和条件来间接控制着磷的吸附和释放。在湖泊下层滞水带DO较高时,DO能渗入沉积物层中且温度和渗透率是影响溶解氧渗入深度的重要因素,从而导致Fe3+、SO2-4、NO-3等的还原被控制在一定深度以下。据上所述,这些物质的还原作用均可促进磷的释放。Boers[13]等提出的湖泊沉积物磷释放稳态模型预测1cm/d的渗透率能把磷酸根有效分子扩散常数和氧气有效扩散系数提高6%;取决于氧气有效扩散系数(D),氧气渗入深入范围为0.33cm(D=1cm2/d)～3.3cm(D=10cm2/D)。而温度对氧气渗入深度的影响则大得多,10℃的温度差值能改变75%的渗入深度。DO和温度强烈地影响磷的总释放量和起始释放率,维持上覆水DO的高浓度对降低磷释放是十分重要的[14]。在厌氧状态(DO<0.7mgL-1),沉积物通常会向上覆水释放磷;而在好氧状态(DO>6mgL-1)沉积物则会吸附水中的磷[15]。氧气对微生物的生命活动有着极其重要的影响,按照微生物与氧气的关系,可分为好氧菌(aerobe)和厌氧菌(anaerobe)两大类。磷化氢现被认为是磷在生物地球化学循环中一种极为重要的形态[16,17],且在湖泊沉积物和水层中均发现有磷化氢的存在[18,19],尽管目前对磷化氢在环境中的产生机理还远未研究清楚,但是众多研究表明,在厌氧环境中更利于磷化氢的生成[20,21],但也有研究表明好氧环境下也可能产生磷化氢[22]。1.2温度温度不仅是影响一切物理化学反应过程快慢的重要因素,而且影响着水生生物、微生物的生长繁殖和活收稿日期:2005-01-21基金项目:中山大学985工程环境与污染控制技术创新平台项目作者简介:黎颖治(1978-),男,广东罗定市人,博士生,主要从事环境生态学研究。＊通讯作者:E-mail:zsuxbc@163.comDOI:10.19336/j.cnki.trtb.2007.01.036性,影响有机物矿化过程的快慢。分别采集夏、冬两季湖泊沉积物,并分别在20℃、13℃、5℃作模拟磷释放实验,发现冬季样品的释放率没有明显的变化,而夏季样品则对温度十分敏感,每提高10℃磷释放率平均提高2倍[13]。这可能由于季节温度的变化不仅导致了沉积物物理化学性质的改变,而且导致了微生物数量和活性甚至微生物的种类发生变化。Jensen[9]等研究丹麦三个湖泊时发现磷的总内源负荷的季节变动中,其中70%是温度引起的。温度也影响湖水的分层及垂直运动,从而影响湖水的复氧