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本文作者：李建金黃勇李大鵬王晶作者單位：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

底泥一般系指江河湖庫(kù)的底泥，是自然水域的重要組成部分，是水體中氮磷等物質(zhì)遷移和轉(zhuǎn)化的載體、歸宿和蓄積庫(kù)。研究表明[1-3]，淺水湖泊底泥易受波浪、湖流、疏浚以及船只航行等外力擾動(dòng)的共同作用而頻繁發(fā)生再懸浮，懸浮過(guò)程中由于吸附-解吸作用造成磷在懸浮顆粒物和水體間遷移，導(dǎo)致上覆水中磷濃度突然上升，進(jìn)而增加水體富營(yíng)養(yǎng)化程度。然而，底泥再懸浮過(guò)程中釋放的磷主要是顆粒態(tài)磷（PP），占總磷（TP）的百分比高達(dá)80%~90%，而PP很難被浮游生物直接利用，但其也包含了部分可以被浮游生物利用的磷（BAPP）[4]，這部分磷要轉(zhuǎn)化成溶解態(tài)磷（DTP）才能被利用。因此，生物有效磷（BAP）就包括了DTP和BAPP。而以往研究?jī)H關(guān)注水體中TP或DTP的變化，通過(guò)其變化來(lái)評(píng)估水體富營(yíng)養(yǎng)化。這種做法忽視了顆粒態(tài)磷對(duì)生物有效磷的影響。溶解氧被認(rèn)為是影響內(nèi)源磷釋放與否的關(guān)鍵因素。通常認(rèn)為，厭氧環(huán)境可促進(jìn)磷在底泥中的釋放和遷移[5]；好氧環(huán)境則有利于底泥表層中的鐵、鋁以氧化態(tài)形式存在，降低Fe-P、Al-P從底泥釋放進(jìn)入上覆水，并促進(jìn)上覆水中磷在底泥中的沉積[6]。底泥擾動(dòng)可以增加水體中溶解氧含量，而且擾動(dòng)可以改變內(nèi)源磷賦存形態(tài)的數(shù)量分布，并提高底泥對(duì)磷的持留能力，降低磷的生物有效性[7-8]。通過(guò)對(duì)底泥曝氣同樣可以導(dǎo)致底泥懸浮，而且其充氧能力還要大于底泥擾動(dòng)，盡管也有研究表明，底泥曝氣可以改變內(nèi)源磷的生物有效性，但底泥擾動(dòng)與底泥曝氣這2種底泥懸浮模式對(duì)內(nèi)源磷生物有效性產(chǎn)生的影響有何異同則很少受到關(guān)注。因此，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)M了擾動(dòng)和曝氣2種模式下的底泥懸浮實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)水體中不同形態(tài)磷的變化規(guī)律，同時(shí)通過(guò)藻類可利用態(tài)磷來(lái)表征顆粒態(tài)磷生物有效性，進(jìn)而了解底泥不同懸浮方式對(duì)水體中生物有效磷的影響。

1材料與方法

1.1樣品的采集與處理

實(shí)驗(yàn)用的底泥采自太湖月亮灣處。利用進(jìn)口大口徑柱狀采樣器（RigoCo.直徑110mm，高500mm）采集無(wú)擾動(dòng)柱狀樣，并現(xiàn)場(chǎng)切得表層1cm的底泥樣品，立即用冰盒保存（4℃）送至實(shí)驗(yàn)室，采用孔徑為1mm的鐵篩對(duì)底泥進(jìn)行粗篩，以除去植物殘?bào)w和貝類等大顆粒物質(zhì)，對(duì)篩過(guò)的底泥進(jìn)行充分混勻，裝入清潔的聚乙烯保鮮袋中備用。同時(shí)取采樣點(diǎn)上覆水50L。底泥的本底值包括pH值、有機(jī)質(zhì)、總磷及磷的各種形態(tài)。底泥的理化性質(zhì)見表1。上覆水的本底值包括溶解氧、pH值、總磷等。上覆水的性質(zhì)見表2。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

2個(gè)5L圓形容器作為實(shí)驗(yàn)裝置（D=17cm，H=25cm），分別編號(hào)為E1和E2。在每個(gè)容器中分別加200g充分混勻的濕底泥，底泥厚度約為1.2cm，并小心加入采集自底泥采樣點(diǎn)的湖水2.5L，避免使底泥懸浮起來(lái)。對(duì)于E1，采用恒速攪拌機(jī)對(duì)底泥進(jìn)行擾動(dòng)（140r/min），使底泥處于完全懸浮狀態(tài)，每天擾動(dòng)10min，隨后底泥自然沉降。對(duì)于E2，采用小氣泵（氣量為25L/min）對(duì)底泥進(jìn)行曝氣，使底泥處于完全懸浮狀態(tài)，每天曝氣10min。對(duì)于E1和E2而言，擾動(dòng)和曝氣時(shí)間均為10min，自然沉淀時(shí)間均為1430min。實(shí)驗(yàn)從第0天開始，每隔1天取樣。每次采樣位置為水面以下10cm處，采樣量為50mL。每次采完水樣，立即向容器中補(bǔ)充等量的湖水。在底泥再懸浮過(guò)程中采集懸浮物樣品用于bapP的分析，采樣時(shí)間分別為第1、5、10、20天，采樣量分別為500mL，采樣后迅速補(bǔ)充等量體積的湖水。

1.3分析方法

上覆水中各形態(tài)磷的分析方法見表3。以懸浮物中藻類可利用磷（AAP）占懸浮物總磷（TP）的百分比來(lái)表示底泥懸浮對(duì)顆粒態(tài)磷生物有效性的影響。具體而言，采用AAP/TP來(lái)表示BAPP/PP。分別采用第1天與第5天的AAP/TP平均值、第5天和第10天的AAP/TP平均值、第10天和第20天的AAP/TP平均值來(lái)表示第1~5天、第5~10天、第10~20天的BAPP/PP。懸浮物中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷（Fe/Al-P）的數(shù)量分布參照Hieltjes[9]的方法。底泥含水率的定義為105℃烘干12h的質(zhì)量損失，有機(jī)質(zhì)含量的定義為550℃灼燒2.5h的質(zhì)量損失。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

E1和E2中AAP占TP的百分比、AAP占Fe/Al-P的百分比、BAPP、BAP之間的區(qū)別采用單因子方差分析（ANOVA）進(jìn)行檢驗(yàn)。所有統(tǒng)計(jì)分析利用Origin8.0軟件進(jìn)行，文中所有結(jié)果，除上覆水中DTP、DIP、PP含量外，均表示為（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）（n=3）的形式。

2結(jié)果與討論

2.1懸浮物中AAP占TP的百分比變化及鐵鋁磷對(duì)AAP的貢獻(xiàn)

底泥再懸浮后，上覆水中溶解性總磷和顆粒態(tài)磷含量顯著改變。研究發(fā)現(xiàn)，底泥懸浮后，上覆水中顆粒態(tài)磷占總磷的百分比超過(guò)了80%，高于初始狀態(tài)。因此，顆粒態(tài)磷對(duì)水體中生物有效磷的貢獻(xiàn)不能被忽視。Ellison等[8]研究表明，顆粒態(tài)磷的生物有效性與懸浮物中不同形態(tài)磷的數(shù)量分布密切相關(guān)。從不同形態(tài)磷的遷移活性考慮，鐵鋁結(jié)合態(tài)磷（Fe/Al-P）最容易轉(zhuǎn)化成溶解態(tài)磷并釋放，并被水體中浮游生物利用。然而，研究表明，并非所有的Fe/Al-P均能釋放[10]，而僅是非閉蓄態(tài)Fe/Al-P才能釋放[11]，這部分Fe/Al-P可以采用藻類可利用態(tài)磷（AAP）表示[12]。因此，本研究中采用懸浮物中AAP占TP的百分比來(lái)表示顆粒態(tài)磷的生物有效性。底泥經(jīng)不同方式懸浮后，AAP占TP的百分比的變化見圖1。如圖1所示，E1和E2中，AAP占TP的百分比的變化趨勢(shì)一致，開始時(shí)均略微升高，隨后降低，第10天降到最低值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)又突然升高。由圖1可知，第10天時(shí)，E1和E2中AAP占TP的百分比僅為初始狀態(tài)（39.86%）時(shí)的34.75%和17.03%。E2中AAP占TP的百分比的降低幅度遠(yuǎn)高于E1。這說(shuō)明在相同尺度內(nèi)，底泥曝氣更有利于降低顆粒態(tài)磷的生物有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，AAP占TP的百分比突然升高，這與AAP的變化密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)期間AAP的變化見圖2。如圖2所示，E1和E2中，AAP的變化趨勢(shì)基本一致，第10天降至最低值，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)又突然升高。藻類可利用磷（AAP）表示湖泊在有氧條件下光合層中藻類可利用磷含量，能很好地表征底泥中藻類可利用磷的含量[13]。底泥再懸浮后，無(wú)論是AAP還是AAP占TP的百分比，與初始狀態(tài)相比在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都有所降低，這可能與再懸浮過(guò)程中水中溶解氧和pH值改變有關(guān)。底泥懸浮過(guò)程中大量溶解氧的融入，有利于底泥中鐵錳等金屬離子被氧化，而Feox對(duì)磷具有較強(qiáng)的吸附能力，有利于磷的沉積。Rydin[14]研究表明，底泥在懸浮狀態(tài)下，易釋放態(tài)磷（以AAP計(jì)）向難釋放態(tài)磷轉(zhuǎn)化的速率可能更快。E1采用底泥擾動(dòng)，而E2采用底泥曝氣，由于E1和E2中底泥懸浮方式不同，導(dǎo)致E2中溶解氧含量高于E1中溶解氧含量。E1和E2中溶解氧從2.59mg/L分別增加至5mg/L和6mg/L左右。這可能會(huì)導(dǎo)致E2中AAP低于E1中AAP。而上覆水中，E1的pH保持在7.4左右，E2的pH保持在7.3左右。與初始狀態(tài)相比，E1和E2的pH分別降低了0.6和0.7，則E1和E2的上覆水中要達(dá)到相應(yīng)的pH值分別需要0.948molH+和1.106molH+。由于E1和E2采用相同的底泥和上覆水。因此，H+的來(lái)源可能與Fe2+的氧化有關(guān)[15]。Kraal等[16]研究表明，將1molFe2+被氧化成Fe（OH）3會(huì)產(chǎn)生2molH+。由此推斷，E2在底泥懸浮過(guò)程中生成了更多的Fe（OH）3。Fe（OH）3被認(rèn)為是非晶型鐵氧化物[16]。其對(duì)磷的持留能力弱于晶型鐵氧化物。但是，F(xiàn)e（OH）3在有氧環(huán)境中會(huì)迅速轉(zhuǎn)化成晶型鐵氧化物。因此，晶型Fe（OH）3的形成是導(dǎo)致懸浮物中AAP含量及其占TP的百分比均有所降低的關(guān)鍵原因。AAP主要來(lái)自于Fe/Al-P[12]。李大鵬等[17]研究也表明，底泥懸浮狀態(tài)下，AAP的形成與鐵鋁結(jié)合態(tài)磷（Fe/Al-P）密切相關(guān)。Fe/Al-P含量及AAP占Fe/Al-P百分比見圖3(a)和圖3(b)。如圖3(a)所示，F(xiàn)e/Al-P的變化規(guī)律與AAP類似。第1～10天，F(xiàn)e/Al-P有所降低，第10天降到最低值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，F(xiàn)e/Al-P又有所升高。AAP被認(rèn)為是非閉蓄態(tài)Fe/Al-P，因此，AAP占Fe/Al-P百分比可以說(shuō)明懸浮物對(duì)磷的固定能力。如圖3（b）所示，與初始狀態(tài)相比，第1天，E1和E2中AAP占Fe/Al-P百分比基本保持不變。第5天，E1和E2中AAP占Fe/Al-P百分比出現(xiàn)不同的變化，E1有所降低，而E2卻有所升高。但第10天，E1和E2中AAP占Fe/Al-P百分比明顯降低，而且E2降低的幅度高于E1（p<0.05）。這說(shuō)明底泥曝氣有利于抑制閉蓄態(tài)Fe/Al-P的轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，E1和E2中AAP的突然升高，導(dǎo)致AAP占Fe/Al-P百分比也突然升高。Fe/Al-P的變化與底泥再懸浮有關(guān)。研究表明，底泥再懸浮是內(nèi)源磷釋放的主要途徑[1-2，7]，但底泥再懸浮過(guò)程中，上覆水中無(wú)機(jī)礦物顆粒如粘土，鐵鋁氧化物（Feox，Alox），碳酸鈣等顯著增加，使上覆水中的可溶活性磷（SRP）被迅速吸附，重新進(jìn)入底泥，進(jìn)而形成某種形態(tài)磷，不僅導(dǎo)致底泥中不同形態(tài)磷的數(shù)量分布發(fā)生改變，而且新形成的形態(tài)磷的性質(zhì)不同于底泥靜止?fàn)顟B(tài)下形成的形態(tài)磷。與初始狀態(tài)相比，第10天，E1和E2的底泥中磷的賦存形態(tài)發(fā)生了顯著變化。E1和E2中NH4Cl-P分別降低到22.41和22.49mg/kg，降低的幅度基本一致。而E1和E2中Ca-P分別增加至151.89和139.98mg/kg。這說(shuō)明底泥再懸浮有利于磷在底泥的固定和降低顆粒態(tài)磷的生物有效性。AAP的突然升高除了與Fe/Al-P有關(guān)，還可能與底泥再懸浮狀態(tài)下底泥的其他物理化學(xué)變化和水中微生物的作用有關(guān)，這有待于進(jìn)一步的深入研究。

2.2BAPP的變化規(guī)律

參照AAP占TP的百分比計(jì)算了實(shí)驗(yàn)期間E1和E2中BAPP的變化規(guī)律見圖4。如圖4所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，E1中BAPP明顯低于E2（p<0.01），除第3天外均低于初始狀態(tài)（BAPP為0.034mg/L）。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，E2中BAPP突然釋放，其含量明顯高于初始狀態(tài)，第1天高出初始狀態(tài)的60%。隨后E2中BAPP出現(xiàn)降低現(xiàn)象，第7～15天均低于初始狀態(tài)；之后到實(shí)驗(yàn)結(jié)束E2中BAPP又突然升高至實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的含量。BAPP不僅與顆粒態(tài)磷（PP）的生物有效性有關(guān)，而且與水體中PP的含量（圖5）有關(guān)。如圖1所示，第1天和第10天，E2中顆粒態(tài)磷生物有效性低于E1。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中E2中BAPP明顯高于E1（圖4）。這說(shuō)明E2水體中PP含量明顯高于E1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中確實(shí)是如此（圖5）。E1和E2底泥懸浮時(shí)間（均為10min）和沉淀時(shí)間（均為1430min），導(dǎo)致PP不同的主要原因可能是采樣時(shí)水體的濁度不同造成的。實(shí)驗(yàn)期間，E2上覆水的濁度是E1的3~4倍。這從側(cè)面說(shuō)明底泥再懸浮過(guò)程中，E2中底泥懸浮更完全。底泥再懸浮增加了細(xì)小顆粒物質(zhì)與溶解性磷的接觸幾率，也會(huì)強(qiáng)化細(xì)小顆粒物的聚集與絮凝，從而使吸附了大量溶解態(tài)磷的懸浮物發(fā)生沉降，促使上覆水中溶解態(tài)磷含量迅速降低[18-19]。同時(shí)底泥再懸浮增加了水體顆粒物質(zhì)的數(shù)量[20]，加劇水體顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和顆粒與顆粒間的碰撞，增大了水體無(wú)機(jī)和有機(jī)膠體顆粒對(duì)溶解性鹽類的吸附作用，強(qiáng)化了易釋放態(tài)磷向難釋放態(tài)磷的轉(zhuǎn)化。E2的這種作用強(qiáng)于E1，從而使E2中BAPP一直高于E1。

2.3BAP的變化規(guī)律

BAP主要由BAPP和DTP組成，并隨著兩者的變化而變化的（圖6）。如圖6(a)所示，BAP的變化規(guī)律與BAPP的變化規(guī)律（圖4）基本一致。除第3天外，E1中BAP都低于初始狀態(tài)（0.059mg/L）。E2中BAP雖然在實(shí)驗(yàn)后期突然升高，但與初始狀態(tài)相比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中呈下降趨勢(shì)，但E2中BAP明顯高于E1。從DTP的變化來(lái)看（圖6(b)），除了第3天和第7天外，E1中DTP均低于初始狀態(tài)（0.025mg/L），實(shí)驗(yàn)后期甚至幾乎為零。雖然實(shí)驗(yàn)過(guò)程中E2中DTP低于初始狀態(tài)，但還是高于E1。底泥再懸浮狀態(tài)下，BAP隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)（圖6(a)）。因此，底泥再懸浮降低了BAP的含量，似乎更有利于延緩水體富營(yíng)養(yǎng)化的進(jìn)程。然而，E1中BAP低于E2，這說(shuō)明底泥擾動(dòng)更有利于降低BAP含量，更有利于提高底泥對(duì)磷的持留能力。BAP是由BAPP和DTP組成的。BAPP不能被浮游生物直接利用，必須轉(zhuǎn)化成DTP才能被利用。底泥再懸浮狀態(tài)下DTP低于初始狀態(tài)。因DTP屬于浮游生物可以直接利用態(tài)磷，因此，DTP的降低意味著水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)得到了控制。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程E1和E2中DTP均低于初始狀態(tài)（圖6(b)）。由此推斷，底泥擾動(dòng)更有利于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化。而底泥曝氣使底泥再懸浮過(guò)程中融入更多的氧，使水中氧化狀態(tài)更強(qiáng)，這可能導(dǎo)致底泥的礦化以及有機(jī)物質(zhì)的好氧分解作用加強(qiáng)，部分有機(jī)磷可能轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷釋放進(jìn)入上覆水，底泥發(fā)生了磷的釋放。這可能是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)后期E2的DTP突然升高的原因。但這需要進(jìn)一步的深入探究。

3結(jié)論

（1）底泥再懸浮過(guò)程中，顆粒態(tài)磷生物有效性有降低的趨勢(shì)，并且，底泥曝氣時(shí)，顆粒態(tài)磷生物有效性明顯低于底泥擾動(dòng)時(shí)。這主要與底泥再懸浮導(dǎo)致溶解氧融入和pH改變有關(guān)。AAP及其占Fe/Al-P的百分比均有下降的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)顆粒態(tài)磷生物有效性突然升高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因較復(fù)雜，需要進(jìn)一步探究。（2）底泥再懸浮導(dǎo)致水體中生物有效磷含量呈下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中，底泥曝氣狀態(tài)下BAP含量較高，與底泥擾動(dòng)狀態(tài)相比。這是底泥曝氣導(dǎo)致水體中顆粒態(tài)磷含量較高所致。（3）底泥再懸浮導(dǎo)致水體中溶解態(tài)總磷含量呈下降趨勢(shì)。但底泥擾動(dòng)狀態(tài)下DTP含量較低，與底泥曝氣狀態(tài)相比。比較而言，底泥擾動(dòng)似乎導(dǎo)致水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的直接風(fēng)險(xiǎn)較小。