底泥中磷釋放的影響因素
摘要：綜述了水體底泥中磷的化學形態以及磷素釋放的影響因素。化學形態有水溶性磷、鋁磷、鐵磷、鈣磷、還原態可溶性磷、閉蓄磷、有機磷等。磷素釋放的影響因素有：溶解氧、溫度、pH值、磷存在的形態、微生物作用、沉積物-水界面磷的濃度梯度、鹽度以及擾動。這些因素具有關聯性。
關鍵詞：底泥 化學形態 磷釋放 影響因素
1 引言
P是造成湖泊水質富營養化的關鍵性的限制性因素之一[1]。一般認為當水體中磷濃度在0.02 mg·L - 1以上時,對水體的富營養化就起明顯的促進作用[2 ]。由于近年來大量未經處理的生活污水加上農業面源氮磷的大量流失，造成河流尤其是河口富營養化趨勢的逐年加劇[3 -4 ]。大量的磷在河流等水體中沉積下來，其在適宜的條件下會重新釋放進入水體，從而延續水體的富營養化過程并加劇了水體的惡化[5 - 8 ]。
沉積物-水界面是水體和沉積物之間物質交換和輸送的重要途徑，沉積物中的磷可能通過有機質的礦化分解作用、鐵氧化物解吸作用和沉積物擾動等形式向水體釋放。本文根據國內外研究富營養化水體磷釋放的有關資料，綜述了水體底泥中磷的化學形態以及底泥中磷釋放的影響因素，對于今后研究水體中磷行為、抑制水體富營養化、改善水質具有深遠的意義及參考價值。
2 沉積物中磷的含量和存在形態
沉積物中磷形態通常分為水溶性磷( Psol) 、鋁磷(PAl) 、鐵磷(PFe) 、鈣磷(PCa) 、還原態可溶性磷、閉蓄磷(Po-p) 、有機磷(Porg) 等7 種化學形態[9 ]。閉蓄磷表面有一層不溶性的Fe (OH) 3 或Al (OH) 3 膠膜,包括一部分PAl和PFe ,溶解度極小，含量較小，這部分磷被認為是生物不能利用的。水溶性磷和還原態可溶性磷可以通過物理溶解作用進入水體，在沉積物中的含量也不會太高，但它們是最先被釋放出來的，可以很方便地被水生生物吸收利用[10 ]。
沉積物中P的結合態及形態之間的相互轉化是控制沉積物P遷移和釋放的主要因素。P釋放量是由不同的遷移和轉化過程決定的，控制沉積物P遷移（釋放和形態轉化）的環境參數的相對重要性首先取決于沉積物中P的化學形態[11]。沉積物釋P量的多少并不與沉積物中的總P量成比例關系，釋放進入間隙水中的P大部分是無機可溶性P[12，13]。在厭氧釋放過程中，存在著有機P向無機P轉化，Fe-P、Al-P向Ca-P、O-P轉化的趨勢，沉積物中總P濃度不斷減少，就是P形態遷移轉化動態平衡的結果[14]。
沉積物中釋放的P與Fe-P關系密切相關，PFe是沉積物向水體釋磷的主要形態。曾有人提出用沉積物中P：Fe 比例作為表層沉積物P釋放能力的一個參數，兩者呈負相關關系[15]。
3 水體磷釋放的影響因素
3.1溶解氧（DO）
底層水體中溶解氧含量（DO）對沉積物P的釋放起著決定性的作用，底泥首先要消耗溶解氧，降低溶解氧濃度，加速水體進入厭氧狀態。厭氧狀態可大大促進P在沉積物的遷移和釋放，而在好氧狀態下釋放速率遠小于厭氧釋放速率 [16]。兩者差一個數量級[17 ]。
水中的溶解氧會影響沉積物的氧化還原電位, P釋放對表層沉積物的氧化還原電位（Eh）的變化非常敏感。當表層沉積物Eh較高時(>350mv)，Fe3+與磷酸鹽結合成不溶的磷酸鐵，可溶性P也被氫氧化鐵吸附而逐漸沉降；而當Eh較低時（<200mv），有助于Fe3+向Fe2+轉化，PFe表面的Fe (OH) 3 保護層轉化為Fe(OH) 2 ,然后溶解釋放，使Fe及被吸附的磷酸鹽轉變成溶解態而析出，沉積物P釋放量增加[18]。
研究表明，底質所釋放的磷主要為溶解性正磷酸鹽，是水生生物最易吸收的形式，這樣就為大型水生生物和藻類的增殖提供條件，加速其生長繁殖的速度。而這些死亡后的生物殘體不能及時取走，由于微生物分解、腐爛，消耗水中的溶解氧，使水體更加缺氧，這種缺氧的環境反過來加速底質磷的釋放，形成惡性循環[19 ]。另外淺水湖泊中高的硝酸鹽濃度可使Fe處于氧化狀態從而對沉積物P釋放存在一定的拮抗作用[20]。
3.2溫度
溫度升高有利于沉積物釋P。沉積物P的釋放因季節而變化，在冬天釋放量很低，在夏天達到最大值[21、22]。這是由于溫度升高會增加沉積物中微生物和生物體的活動，促進生物擾動、礦化分解作用和厭氧轉化等過程，導致水-土界面呈還原狀態，促使Fe3+還原為Fe2+，加速磷酸鹽的釋放。
3.3 pH值
對非石灰性湖泊沉積物而言，pH在中性范圍時，沉積物釋P量最小；而升高或降低pH值釋P量成倍的增大，溶解P總的釋放量與pH值呈拋物線（或U型）相關[23、24]。在pH值較低時，沉積物釋P以溶解作用為主；而在高pH值時，體系中OH-可與無定形Fe-Al 膠合體中的磷酸根發生交換，沉積物中P釋放量的增加是因為水體中pH影響了磷酸鹽的存在形式。當pH為3～7 時，磷主要以HPO42－形式存在；pH為8～10時，磷主要以H2PO4－形式存在。而當以H2PO4－為主要存在形式時，底泥的吸附作用最大。此時底泥中鎂鹽、硅酸鹽、鋁硅酸鹽以及氫氧化鐵膠體都參與吸附作用。pH值高有利于磷酸根離子從氫氧化鐵膠體中解吸附，而使更多的磷酸鹽釋放到水中。因此pH值升高有利于底泥中磷的釋放[25]。
3.4微生物
當污水尤其是生活污水進入水體后，經過細菌分解，加速消耗溶解氧，同時微生物作用可把沉積物中有機態P轉化、分解成無機態P，把不溶性P轉化成可溶性P。藻類對沉積物P的釋放有促進作用，藻類生長的越多，P釋放越多；反過來，沉積物中P的釋放又進一步促進藻類的生長，兩者有相互促進的關系[26、27]。
3.5沉積物-水界面磷的濃度梯度
沉積物中的總磷含量與上覆水中的磷濃度關系密切。因泥水界面受生物作用影響明顯，常與底泥進行著物質和能量的交換[28 ]。但是底泥中磷素釋放不是無條件進行的，而是受濃度差以及臨界濃度的影響。白洋淀底質磷的釋放研究發現[19 ]，當湖水中磷含量高于底質磷釋放臨界濃度時，總的表現是以沉積為主，國外學者也發現當富營養化湖泊水體磷濃度<0.03mg·L - 1時，沉積物中的磷才被釋放，當水中磷濃度> 0.09～0.12 mg·L - 1時，水中的磷會向沉積物遷移[30 ]。總之,磷的釋放與沉積物-水界面間的濃度差有關，濃度差越大，沉積物釋磷越快。
3.6 鹽度
大量研究結果證明，隨著加入Al鹽量的增加，沉積物釋放P的量呈線形遞減[31]。從國內外脫氮除磷工業中可以看出氮鹽的存在形態同樣具有影響，硝態氮包括硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，它們會消耗有機基質而抑制聚磷菌對磷的釋放，從而影響在好氧條件下聚磷菌對磷的吸收。另一方面硝態氮的存在會被部分生物聚磷菌(氣單胞菌)利用作為電子受體進行反硝化，從而影響其以發酵中間產物作為電子受體進行發酵產酸，從而抑制了聚磷菌的釋磷和攝磷能力[31]。
3.7擾動
對淺水湖泊來說擾動是影響沉積物-水界面反應的重要物理因素。動態條件下P從沉積物的釋放量遠大于靜態條件的釋放量[32、33]。對于淺水湖泊而言，在一定條件下，風力和湖流引起湖泊底部沉積物的擾動使沉積物處于再懸浮狀態，這種再懸浮狀態會強烈地影響P在沉積物-水界面間的再分配，部分營養元素可從沉積物中向上層水體釋放，使水體營養負荷增加[34]。增加沉積物顆粒的反應界面并促進沉積物中P的釋放，同時加速了沉積物間隙水中P的擴散。
4 展望
綜觀國內外學者的文章，氮素的存在狀態對磷釋放具有一定的影響，兩者應具有某種關聯性，磷素釋放是十分復雜的多因素綜合作用的動態過程，且磷釋放的影響因素之間相互影響，相互錯雜。若將其影響因素割裂開來研究存在很大不足，容易忽略各個因素之間的互相影響。因此應全面考慮整個水體的性質、綜合考慮各因素的變化。由于沉積物磷釋放的研究是涉及多方面的，必須逐步分析總結以往各種研究成果和經驗，不斷改進研究方法和手段，逐步建立一套完善的磷釋放模型。
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