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淡水水体沉积物磷的环境生态效应研究进展及建议


第 28 卷  第 3 期 地质科技情报 Vol. 28  No. 3             20 0 9 年    5 月 Geological Science and Technology Informatio n May   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   2 涛

/>(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

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)

   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 ] 。国际上公认的发生富营养化磷的 预警 质 量 浓 度 为 0. 02 mg/ L ; 对 藻 类 生 长 来 讲 , ρ TN ) ( 总氮) ∶ ( TP) ( 总磷) > 20 ∶ 时 ,表现为磷 ( ρ 1 不足 ; < 13 ∶ 时 ,表现为氮不足 。据经济合作与发 1 ( O ECD ) 调查 , 世界上 80 %以上湖泊的富营 展组织 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 。

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 80 cm , 如 80 [ 4 ] ,30 [ 526 ] ,26 [ 7 ] ,18 [ 8 ] ,10 [ 9 ] ,5~10 cm [ 10 ] ,甚至 仅 5 cm [ 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 78 cm [ 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

摘   : 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、 ; 提出了尽快开展真正内源磷 ——地 要 评价 — 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

(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 ( HJ 200507) ) 作者简介 : 葛继稳 (1965 —  ,男 ,教授 ,主要从事环境生态学及保护生态学研究 。

准的分离分析方法 [ 13215 ] 。国内学者多采用 《湖泊营 [ 16 ] [ 425 ,8 ] 养化调查规范》 中的逐级提取方法 ; 国外多 采用欧盟标准测试委员会框架下发展的 SM T 提取 法 [ 17 ] ,国内亦有学者采用该法[ 6 ,9210 ] 。此外 , 还有早 期的 Rut tenberg[ 18 ] 的连续提取法以及李悦等 [ 19 ] 改 进的连续提取法 。 1. 2 沉积物磷的形态 、 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 ( O2P) 和有机磷 ( O P) 6 种 [ 16 ] ; SM T 提取法将磷 态磷 的形态分为 5 种 :NaO H2P ( 主要是铝 、 、 铁 锰氧化物 和水化 物结 合的 磷 ) 、 2P ( 主 要 是 与 钙 结 合 的 HCl 磷) 、 ( 无机磷) 、 P 和 TP ( 总磷) [ 17 ] 。这方面的研 IP O 究主要集中在湖泊[ 20221 ] , 其中太湖 [ 6 ,22 ] 、 东湖 [ 23225 ] 、 滇池 [ 26227 ] 、 [ 28 ] 等是研究的重点 ; 对水库的研究 巢湖 [ 8 ,29230 ] 较少 ,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 、 2P 、 2P 、 2P 和 Al Fe Ca O P 5 种 ,其中以 O P 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

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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 。J in 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 NaO H2P ,中富营养化湖区主要是 HCl2 P。 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 ~ 1 500 μg/ 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 ( < 2 000 μg/ g) ,而且其 下游 w ( TP) 也 增 加 ( > 7 000 μg/ g ) , w ( IP ) ∶ w ( O P) 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 Chungp yung 湖 沉 积 物 磷 中 , 3 % ~ 5 % 为 吸 附 磷 ( adsorbed2P) ,15 %~ 20 %为非磷灰石磷 ( no n2apa2 tite2P) ,25 %~30 %为磷灰石磷 ( apatite2P ) ,45 %~ 57 %为留存态磷 ( residual2P) ; 而在 J amsil 坝区 , 上 述 4 种形态磷分别为 1 %~ 3 % 、 %~ 39 % 、 % 22 26 ~40 % 、 %~39 % 。 30 1. 3 沉积物磷释放、 吸附、 迁移机理及其影响因子研究 这方面的研究已有众多的成果 [ 5 ,36237 ] , 包括磷 释放通量估测[ 38 ] 、 释放或迁移模型及模拟 [ 39241 ] 、 沉 [ 42243 ] [7 ] 积物对磷的吸附 、 磷释放的动力机制 、 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 :p H 值 [ 9 ,47 ] 、 溶解氧 ( DO ) 及氧化还原电位 [ 48250 ] 、 硝酸盐 [ 51 ] [ 10 ] [ 38 ,52 ] 浓度 、 温度 、 光照 、 水的 搅动 、 生物作 微 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 PO4 2P 的浓度 ; 相反高 DO 浓度时 , 水体中的 PO4 2P 容易 矿化形成 Fe2P 和 Al2P [ 57258 ] 。J in 等 [ 6 ] 的模拟研究 表明 ,p H 值是影响太湖沉积物磷释放的重要因素 : 在酸性条件下 ,p H 值从 2 增大到 6 时磷的释放降 低 ; 在碱性条件下 ,p H 值从 8 增大到 12 时磷的释 放增加 ; 高 p H 值促进 NaO H2P 的释放 ,低 p H 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 Per2 saud 等 [ 69 ] 提出加拿大 Ontario 省湖底泥 TP 最低影 响质量分数为 600 μg/ g , 当达到 2 000 μg/ 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 ( soluble reactive ) 磷质量浓度达到 0. 02~0. 10 mg/ L 时 ,即需采取管理措施 ,达到0. 20 mg/ 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 ) 的生物地球化学研究较碳 、 、 素 氧 氮等典型氧化还 原敏感性元素少 [ 70 ] 。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 ] 的研究表明 : 太湖沉 积物的理化性质和磷的化学形态一般都在表层以下 深 5~ 15 cm 发生明显的转折 ; 草型湖区 、 藻型湖 区、 开阔湖面的大湖区沉积物的理化性质 、 间隙水中 磷的浓度及沉积物中磷的形态存在较大的差异 ; 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 O P 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 、 2P 、 P 3 种形态 , 孔隙 Al D 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 : p H 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 p H 值 的上升 ,这可改变沉积物表面的 p H 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 , 首次提出了浅水湖泊中内 源磷负荷的季节波动与营养水平密切相关主要是由 于藻类光合作用驱动的新观点 。 国内有关磷与河流藻类相关关系的野外研究尚 未见报道 。国外的野外模拟试验也不多 ,例如 Kel2 ly [ 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 ( N i t zschi a sp . ) ; 施肥导致磷 的增加 ,窗纹藻属 ( E pi t hem i a) 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 ( so urce ) 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) 、 ( 地下水 、 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 80 cm , 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 、 [ 7 ] 。 循环 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 ( 包括地下水的广泛存在 ) , 加上微生 物的矿化分解 ,矿物中的磷可能会由固相转移到液 相和土壤中 , 进而增加水体磷的负荷 。如 Tho mas 等 [ 97 ] 通过 18 年的跟踪研究发现 , 在美国 Kent ucky 洲 7 条 小 规 模 农 业 溪 流 中 , 连 续 影 响 NO3 2N 和 PO4 2P 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. 268 mg/ L , 磷为 0. 087 mg/ 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 ) 的内源磷”的自然释放与水体主要初级生产者 —— — 藻类的关联研究 ,国内外尚未见报道 。

3    建 议

地质成因磷 ( geologic origin p ho sp horus ) 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 ( enviro nmental miner2 alogy) 专题 ,其中矿物与生物交互作用 、 矿物风化后 [ 101 ] 的环境效应研究引起格外关注 。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 [ 1072111 ] 类生态响应 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 。在研究磷污染 源解析过程中 ,学者们做了很多的工作 ,但地质成因 磷单一源自然释放的污染问题迄今未见报道 , 亦未 引起关注 。 而这种特殊的污染在高磷地区相当普 遍 ,在特定区域 ( 如三峡库区 、 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 ,N H3 2N 、 COD 等常规监测指标均达到 《地表水环 ( 境质量标准》 GB383822002 ) I 类水质标准 , 但 TP 平均质量浓度达到 0. 057 mg/ L ,最高质量浓度达到 ρ ρ 0. 101 mg/ L , ( TN ) ∶ ( TP) 为 8 ∶ , 表明氮不足 。 1 对另一条支流 —— — 神农架林区长坊河的监测表明 , ρ TP 质量浓度甚至比 TN 高 ,ρ( TN ) ∶ ( TP) 为 1 ∶ [ 111 ] 2 ,表明氮严重不足 。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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