底泥中磷释放的影响因素

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简介： 综述了水体底泥中磷的化学形态以及磷素释放的影响因素。化学形态有水溶性磷、铝磷、铁磷、钙磷、还原态可溶性磷、闭蓄磷、有机磷等。磷素释放的影响因素有：溶解氧、温度、pH值、磷存在的形态、微生物作用、沉积物-水界面磷的浓度梯度、盐度以及扰动。这些因素具有关联性。
关键字：底泥 化学形态 磷释放 影响因素

　　1 引言

　　P是造成湖泊水质富营养化的关键性的限制性因素之一[1]。一般认为当水体中磷浓度在0.02 mg·L - 1以上时,对水体的富营养化就起明显的促进作用[2 ] 。由于近年来大量未经处理的生活污水加上农业面源氮磷的大量流失，造成河流尤其是河口富营养化趋势的逐年加剧[3 -4 ]。大量的磷在河流等水体中沉积下来，其在适宜的条件下会重新释放进入水体，从而延续水体的富营养化过程并加剧了水体的恶化[5 - 8 ] 。

　　沉积物-水界面是水体和沉积物之间物质交换和输送的重要途径，沉积物中的磷可能通过有机质的矿化分解作用、铁氧化物解吸作用和沉积物扰动等形式向水体释放。本文根据国内外研究富营养化水体磷释放的有关资料，综述了水体底泥中磷的化学形态以及底泥中磷释放的影响因素，对于今后研究水体中磷行为、抑制水体富营养化、改善水质具有深远的意义及参考价值。

　　2 沉积物中磷的含量和存在形态

　　沉积物中磷形态通常分为水溶性磷( Psol) 、铝磷(PAl) 、铁磷(PFe) 、钙磷(PCa) 、还原态可溶性磷、闭蓄磷(Po-p) 、有机磷(Porg) 等7 种化学形态[9 ] 。闭蓄磷表面有一层不溶性的Fe (OH) 3 或Al (OH) 3 胶膜,包括一部分PAl和PFe ,溶解度极小，含量较小，这部分磷被认为是生物不能利用的。水溶性磷和还原态可溶性磷可以通过物理溶解作用进入水体，在沉积物中的含量也不会太高，但它们是最先被释放出来的，可以很方便地被水生生物吸收利用[10 ]。

　　沉积物中P的结合态及形态之间的相互转化是控制沉积物P迁移和释放的主要因素。P释放量是由不同的迁移和转化过程决定的，控制沉积物P迁移（释放和形态转化）的环境参数的相对重要性首先取决于沉积物中P的化学形态[11]。沉积物释P量的多少并不与沉积物中的总P量成比例关系，释放进入间隙水中的P大部分是无机可溶性P[12，13]。在厌氧释放过程中，存在着有机P向无机P转化，Fe-P、Al-P向Ca-P、O-P转化的趋势，沉积物中总P浓度不断减少，就是P形态迁移转化动态平衡的结果[14]。

　　沉积物中释放的P与Fe-P关系密切相关，PFe是沉积物向水体释磷的主要形态。曾有人提出用沉积物中P：Fe 比例作为表层沉积物P释放能力的一个参数，两者呈负相关关系[15]。

　　3 水体磷释放的影响因素

　　3.1溶解氧（DO）

　　底层水体中溶解氧含量（DO）对沉积物P的释放起着决定性的作用，底泥首先要消耗溶解氧，降低溶解氧浓度，加速水体进入厌氧状态。厌氧状态可大大促进P在沉积物的迁移和释放，而在好氧状态下释放速率远小于厌氧释放速率 [16]。两者差一个数量级[17 ] 。

　　水中的溶解氧会影响沉积物的氧化还原电位, P释放对表层沉积物的氧化还原电位（Eh）

　　的变化非常敏感。当表层沉积物Eh较高时(>350mv)，Fe3+与磷酸盐结合成不溶的磷酸铁，可溶性P也被氢氧化铁吸附而逐渐沉降；而当Eh较低时（<200mv），有助于Fe3+向Fe2+转化，PFe表面的Fe (OH) 3 保护层转化为Fe(OH) 2 ,然后溶解释放，使Fe及被吸附的磷酸盐转变成溶解态而析出，沉积物P释放量增加[18]。

　　研究表明，底质所释放的磷主要为溶解性正磷酸盐，是水生生物最易吸收的形式，这样

　　就为大型水生生物和藻类的增殖提供条件，加速其生长繁殖的速度。而这些死亡后的生物残

　　体不能及时取走，由于微生物分解、腐烂，消耗水中的溶解氧，使水体更加缺氧，这种缺氧

　　的环境反过来加速底质磷的释放，形成恶性循环[19 ]。另外浅水湖泊中高的硝酸盐浓度可使

　　Fe处于氧化状态从而对沉积物P释放存在一定的拮抗作用[20]。

　　3.2温度

　　温度升高有利于沉积物释P。沉积物P的释放因季节而变化，在冬天释放量很低，在夏天达到最大值[21、22]。这是由于温度升高会增加沉积物中微生物和生物体的活动，促进生物扰动、矿化分解作用和厌氧转化等过程，导致水-土界面呈还原状态，促使Fe3+还原为Fe2+，加速磷酸盐的释放。

　　3.3 pH值

　　对非石灰性湖泊沉积物而言，pH在中性范围时，沉积物释P量最小；而升高或降低pH值释P量成倍的增大，溶解P总的释放量与pH值呈抛物线（或U型）相关[23、24]。在pH值较低时，沉积物释P以溶解作用为主；而在高pH值时，体系中OH-可与无定形Fe-Al 胶合体中的磷酸根发生交换，沉积物中P释放量的增加是因为水体中pH影响了磷酸盐的存在形式。当pH为3～7 时，磷主要以HPO42－形式存在；pH为8～10时，磷主要以H2PO4－形式存在。而当以H2 PO4－为主要存在形式时，底泥的吸附作用最大。此时底泥中镁盐、硅酸盐、铝硅酸盐以及氢氧化铁胶体都参与吸附作用。pH值高有利于磷酸根离子从氢氧化铁胶体中解吸附，而使更多的磷酸盐释放到水中。因此pH值升高有利于底泥中磷的释放[25]。

　　3.4微生物

　　当污水尤其是生活污水进入水体后，经过细菌分解，加速消耗溶解氧，同时微生物作用可把沉积物中有机态P转化、分解成无机态P，把不溶性P转化成可溶性P。藻类对沉积物P的释放有促进作用，藻类生长的越多，P释放越多；反过来，沉积物中P的释放又进一步促进藻类的生长，两者有相互促进的关系[26、27]。

　　3.5沉积物-水界面磷的浓度梯度

　　沉积物中的总磷含量与上覆水中的磷浓度关系密切。因泥水界面受生物作用影响明显，常与底泥进行着物质和能量的交换[28 ]。但是底泥中磷素释放不是无条件进行的，而是受浓度差以及临界浓度的影响。白洋淀底质磷的释放研究发现[19 ]，当湖水中磷含量高于底质磷释放临界浓度时，总的表现是以沉积为主，国外学者也发现当富营养化湖泊水体磷浓度<

　　0.03mg·L - 1时，沉积物中的磷才被释放，当水中磷浓度> 0.09～0.12 mg·L - 1时，水中的磷会向沉积物迁移[30 ] 。总之,磷的释放与沉积物-水界面间的浓度差有关，浓度差越大，沉积物释磷越快。

　　3.6 盐度

　　大量研究结果证明，随着加入Al盐量的增加，沉积物释放P的量呈线形递减[31]。从国内外脱氮除磷工业中可以看出氮盐的存在形态同样具有影响，硝态氮包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，它们会消耗有机基质而抑制聚磷菌对磷的释放，从而影响在好氧条件下聚磷菌对磷的吸收。另一方面硝态氮的存在会被部分生物聚磷菌(气单胞菌)利用作为电子受体进行反硝化，从而影响其以发酵中间产物作为电子受体进行发酵产酸，从而抑制了聚磷菌的释磷和摄磷能力[31]。

　　3.7扰动

　　对浅水湖泊来说扰动是影响沉积物-水界面反应的重要物理因素。动态条件下P从沉积物的释放量远大于静态条件的释放量[32、33]。对于浅水湖泊而言，在一定条件下，风力和湖流引起湖泊底部沉积物的扰动使沉积物处于再悬浮状态，这种再悬浮状态会强烈地影响P在沉积物-水界面间的再分配，部分营养元素可从沉积物中向上层水体释放，使水体营养负荷增加[34]。增加沉积物颗粒的反应界面并促进沉积物中P的释放，同时加速了沉积物间隙水中P的扩散。

　　4 展望

　　综观国内外学者的文章，氮素的存在状态对磷释放具有一定的影响，两者应具有某种关联性，磷素释放是十分复杂的多因素综合作用的动态过程，且磷释放的影响因素之间相互影响，相互错杂。若将其影响因素割裂开来研究存在很大不足，容易忽略各个因素之间的互相影响。因此应全面考虑整个水体的性质、综合考虑各因素的变化。由于沉积物磷释放的研究是涉及多方面的，必须逐步分析总结以往各种研究成果和经验，不断改进研究方法和手段，逐步建立一套完善的磷释放模型。