在浅水湖泊中,风浪和人为等因素扰动会导致沉积物大量悬浮,促使其水体总磷含量明显增加^{[1, 2]}. 然而,沉积物中内源磷的释放究竟是促进还是延缓了水体富营养化的发展进程仍然存在着争议,这主要与颗粒态磷的生物有效性有关. 研究表明,扰动条件下内源磷释放主要以颗粒态磷为主^{[3, 4]},但到目前为止,人们对反复扰动下颗粒态磷中生物有效磷的再生与转化规律尚不明确,对其估算也没有统一标准.

目前,颗粒态磷生物有效性多以藻类可利用磷(AAP)来表征^[5],AAP是以0.1 mol ·L^-1NaOH溶液作为萃取剂来提取的形态磷. 由于化学药剂的提取力要明显强于藻类,因此,AAP中可能包括了部分不能被生物利用的磷. 通常,AAP被定义为非闭蓄态铁铝结合态磷(Fe/Al-P)^{[6, 7]},Golterman^[8]和Grobler等^[9]在研究中也将悬浮物中AAP归纳为部分铁结合态磷(Fe-P). 然而,王琦等^[10]在研究中发现,AAP不但与Fe-P表现出较好的相关性,而且与钙结合态磷(Ca-P)的相关性更好,这暗示了提取的AAP可能包括了Fe-P和Ca-P,且其中Ca-P所占的比例可能更大. 但是,Ca-P通常被认为是难释放态磷^{[11, 12]}. 因此,采用化学提取剂提取的AAP含量来表征其生物有效性就略显不妥. 此外,微生物在代谢过程中也会对悬浮物中不同形态磷产生影响,用来满足其生长所需^{[13, 14]}. 而在采用化学提取剂进行悬浮物磷形态分析时也存在将这部分磷误认为难释放态磷的可能性. Ellison等^[4]在研究中曾利用藻类培养方法来测定生物可利用磷(BAP)和溶解态总磷(DTP),从而间接计算可被生物利用颗粒态磷(BAPP),并用作评估悬浮物生物有效性的指标. 然而,并不是所有DTP均可被生物利用,其中只有部分是生物有效的^{[15, 16]}.

沉积物扰动通过改变上覆水和悬浮物上不同形态磷的分布,并且每一次扰动均会改变悬浮物上不同形态内源磷的数量分布^[5],从而改变水体中可被生物利用磷的含量,因此,沉积物反复扰动过程中,相邻扰动对生物有效磷的组成及其转化存在影响. 目前,有关沉积物扰动状态下生物有效磷的研究多集中在较长时间尺度上,10 d甚至更长,这使得研究者不能忽视微生物对生物有效磷的吸收以及对其他形态磷的转化,然而,在沉积物扰动作用下,物理、 化学、 生物作用共存,因此,很难阐明如此复杂作用下生物有效磷的变化规律. 基于此,为了避免微生物的影响,同时利用藻类培养方法,研究了较短时间尺度上反复扰动状态下,上覆水以及悬浮物上生物有效磷组成及其转化的变化规律，以期为完善浅水湖泊悬浮物中不同形态磷的迁移转化理论提供理论依据. 1 材料与方法 1.1 沉积物与上覆水的采集

利用进口大口径柱状采样器(Rigo Co. 直径110 mm 高500 mm) 于2012年9月26日从太湖梅梁湾(坐标: N 31°31′33.6″,E 120°12′32.4″,水深: 2~3 m)、 月亮湾(坐标: N 31°24′38.8″,E 120°6′4.57″，水深: 2~3 m)采集表层1 cm的无扰动柱状沉积物样品,装袋密封,用冰盒(4℃)保存,立即送至实验室,过孔径为1 mm的铁筛,对沉积物进行均化处理. 同时取采样点上覆水100 L. 并于当日对沉积物和上覆水中各指标初始值进行测定. 沉积物和上覆水理化性质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 梅梁湾、 月亮湾沉积物和上覆水的理化性质 Table 1 Physicochemical properties of sediments and overlying water from Meiliang Bay and Yueliang Bay 项目 DO/mg ·L-1 pH 含水率/% 有机质/% DTP/mg ·L-1 Tot-P/mg ·g-1 叶绿素a/μg ·L-1 粒径/μm <5 5~50 50~250 月亮湾上覆水 3.45 8.85 0.041 13.894 梅梁湾上覆水 3.52 8.00 0.021 4.859 月亮湾沉积物 36.41 4.28 0.268 24.16% 72.48% 3.78% 梅梁湾沉积物 30.89 3.38 0.201 19.24% 79.98% 0.78%

表 1 梅梁湾、 月亮湾沉积物和上覆水的理化性质 Table 1 Physicochemical properties of sediments and overlying water from Meiliang Bay and Yueliang Bay

于2012年9月27日取两个5 L圆形容器作为试验装置(d=17 cm,h=25 cm),分别放入取自梅梁湾、 月亮湾湿沉积物200 g,并缓慢加入采样点上覆水3 L.

试验从0 h开始,到13 h结束. 试验期间,分别在0、 3.5、 7、 10.5 h采用恒速搅拌机(IKA RW20 digital)对沉积物进行扰动(140 r ·min^-1),每次扰动时间为0.5 h,扰动过程中使沉积物充分悬浮. 每次扰动结束后,立即取水面以下10 cm处水样150 mL,用于测定上覆水中总磷(TP)、 DTP、 溶解性磷酸盐(DIP)、 DTP中AAP,并用0.45 μm滤膜(混合膜)过滤采集的水样以获取悬浮物,分析悬浮物磷形态和BAPP,同时监测溶解氧(DO)、 pH值的变化. 每次扰动后的自由沉降阶段,每隔1 h采集样品(25 mL)测定上覆水中TP、 DTP、 DIP以及DTP中AAP含量,同时监测DO、 pH值的变化. 每次采完水样,立即向容器中补充等量上覆水.

悬浮物中BAPP测定的具体方法为将藻在无磷BG11(Bull-Green Medium)培养液中饥饿培养7 d,供试验所用. 取30 mL无磷BG11培养液并加入0.01 g悬浮物湿样以及经过饥饿培养的藻液0.3 mL,每个样品3个平行样. 在温度为24℃±2℃,光照度为2000 lx,亮暗比为14 h ∶10 h条件下培养,每天早中晚各摇动一次,于14 d取样测定上覆水中叶绿素a含量. 同时分别用不同已知磷浓度BG11培养液来培养饥饿藻类,14 d后测定上覆水中叶绿素a含量,通过拟合曲线,得出量化悬浮物中BAPP含量公式.

采用Hieltjes等^[17]提出的H&L4步连续提取法对悬浮物进行磷形态分析,每个样品3个平行样,相对误差<5%. 选用Ellison等^[4]的藻类培养方法来测定悬浮物上BAPP含量,试验中所用藻类为铜绿微囊藻(Microcysis aeruginosa). 悬浮物中AAP采用0.1 mol ·L^-1NaOH溶液提取法进行测定. 沉积物含水率的定义为105℃烘干12 h的质量损失,有机质(OM)含量的定义为550℃灼烧2.5 h的质量损失. 沉积物粒径分析采用激光粒度仪[欧美克LS-POP(Ⅲ)]测定.

TP是直接将水样消解后采用钼锑抗分光光度法(美国HACH DR5000型紫外可见分光光度计)测定； DTP是将水样过滤(0.45 μm滤膜)消解后测定； DIP含量是将水样过滤后(0.45 μm滤膜)直接测定. DTP中AAP的测定是将水样过滤后(0.45 μm滤膜)选用Ellison^[4]的方法来做藻类分析试验,叶绿素a含量的测定采用water Pam s/n edee0225叶绿素仪.

上覆水中 DO和pH值分别通过便携式溶解氧测定仪(美国HACH HQ30d)和数显pH计(pHs-3TC,武汉)测定.

2 结果与分析 2.1 扰动对上覆水中磷形态的影响

图 1(a)显示,第1次扰动后上覆水中TP浓度显著增加,随后的自由沉降阶段,TP则迅速下降. 试验过程中,4次扰动过程(0.5 h的扰动与后续3 h自由沉降称为1次扰动)上覆水中TP平均浓度的变化趋势基本呈现随扰动次数增加而逐渐降低的趋势(梅梁湾: 0.229、 0.241、 0.203、 0.160 mg ·L^-1，月亮湾: 0.345、 0.308、 0.315、 0.307 mg ·L^-1),并且始终远高于初始值(梅梁湾: 0.044 mg ·L^-1，月亮湾: 0.096 mg ·L^-1,初始值为0 h时水样指标值),这表明反复扰动促进了沉积物中内源磷向水体的迁移,且随着扰动次数的增加后续扰动有降低内源磷释放的趋势. 这可能是因为扰动过程导致上覆水中颗粒态物质大量增加,提高了颗粒态物质之间的碰撞几率,强化了悬浮物的絮凝作用,增加了悬浮物中较大粒径悬浮物所占比重 (表 2),通过加大其沉降速度使上覆水中TP含量发生改变^[18].

图 1

Fig. 1

图 1 上覆水中不同形态磷的变化规律 Fig. 1 Variation of different phosphorus forms in the overlying water

表 2(Table 2)

表 2 沉积物中粒径分布 /% Table 2 Diameter distribution in the sediments/% 项目 黏土(<5 μm) 细粉砂(5~50 μm) 粗砂粒(50~250 μm) 梅梁湾初始值 19.24 79.98 0.78 月亮湾初始值 24.16 72.48 3.36 梅梁湾试验结束时 24.35 69.60 6.05 月亮湾试验结束时 8.04 91.89 0.07

表 2 沉积物中粒径分布 /% Table 2 Diameter distribution in the sediments/%

试验期间,无论是上覆水中DTP的平均浓度(梅梁湾: 0.028 mg ·L^-1，月亮湾: 0.082 mg ·L^-1)还是试验结束时上覆水中DTP浓度(梅梁湾: 0.022 mg ·L^-1，月亮湾: 0.058 mg ·L^-1)都较初始值高(梅梁湾: 0.021 mg ·L^-1，月亮湾: 0.041 mg ·L^-1).

DTP由DIP和溶解态有机磷(DOP)组成,扰动强化了沉积物中易释放态磷(非闭蓄态Fe/Al-P、 NH₄Cl-P)的释放以及DOP向水体迁移,增加了上覆水中DTP浓度[图 1(b)]. 扰动停止后,上覆水中DTP浓度则有所下降. 究其原因可能与颗粒态物质对其吸附及自由沉降有关^[18]. 扰动结束后,降低了水动力作用对絮凝团粒的破坏,同时由于絮凝作用存在,强化了细颗粒有机质(OM)的集聚^[18],有利于其对上覆水中DTP的专属性吸附,并加大了沉降速度,从而导致上覆水中DTP浓度降低^[19]. 另外,扰动增加了水环境中溶解氧含量(图 2),提高了沉积物-水体系的氧化还原电位,促进了上覆水以及悬浮物中含磷物质以及铁锰等金属离子以氧化态的形式存在,进而抑制了磷的释放. 相关研究^{[20, 21]}也证明了溶解氧含量增加对DTP释放的抑制作用.

反复扰动对上覆水中DIP浓度也产生了显著影响[图 1(c)]. 试验期间,4次扰动过程中梅梁湾、 月亮湾上覆水中DIP浓度随扰动次数增加而逐渐降低,除了月亮湾第3次扰动刚结束时DIP出现高值. 该高值的出现可能与取样过程中不小心扰动底泥有关. 如果除去该高值,则扰动过程中DIP浓度低于初始值(梅梁湾0.010 mg ·L^-1,月亮湾0.028 mg ·L^-1). 这表明,反复扰动有利于降低上覆水中DIP浓度. 沉积物再悬浮,显著增加了上覆水中铁、 锰等氧化物胶体以及黏土矿物的含量,提高了细小颗粒态物质与DIP的接触几率,促进了悬浮物对上覆水中DIP的吸附^[22]. 同时,扰动促进了细小颗粒态物质的集聚、 絮凝作用,强化了内源磷向底泥的迁移和转化. 孙小静等^[23]在研究中发现,扰动次数的增加会强化悬浮物的沉淀效果.

图 2

Fig. 2

图 2 上覆水中DO的变化规律 Fig. 2 Variation of DO in the overlying water

DTP中AAP由部分DOP和DIP组成^{[15, 16]}. 试验期间,梅梁湾、 月亮湾在4次扰动过程中(0.5 h的扰动)DTP中AAP含量呈现了不同的趋势,前者基本保持不变,后者则先升高后降低. 而在4次自由沉降阶段(3 h自由沉降),梅梁湾DTP中AAP略有减低,而月亮湾则呈减低趋势,除第3次沉降过程中出现高值外. 这与扰动导致水体中颗粒物质含量增加有关,特别是有机物(OM)的增加. OM作为DOP的主要载体,其可间接表征DOP含量,并影响着水环境中DOP的形态转化和浓度变化^{[19, 24, 25, 26, 27]}. 除此之外,4次扰动过程中梅梁湾与月亮湾DTP中AAP占DTP的百分比(质量分数)平均值均表现出先增高再降低的变化趋势(梅梁湾: 15.9%、 22.4%、 25.0%、 14.3%； 月亮湾: 50.5%、 59.4%、 31.2%、 26.7%)，见图 3,且试验结束前最后1次扰动过程中梅梁湾、 月亮湾DTP中AAP占DTP的百分比平均值均低于初始状态的16.0%、 36.6%,暗示了反复扰动有利于降低上覆水中DTP的生物有效性.

图 3

Fig. 3

图 3 上覆水中AAP占DTP的百分比 Fig. 3 Percentage of AAP in the overlying water of DTP

从图 4(a)中可以看出,梅梁湾、 月亮湾悬浮物中NH₄Cl-P含量均表现出先升高再降低的变化趋势,且在试验结束时都下降到10.00 mg ·kg^-1. 试验期间,梅梁湾、 月亮湾悬浮物中NH₄Cl-P平均含量分别为12.50 mg ·kg^-1、 11.25 mg ·kg^-1,均高于初始值(梅梁湾: 5.00 mg ·kg^-1，月亮湾: 10.00 mg ·kg^-1). 此外,梅梁湾、 月亮湾悬浮物中NH₄Cl-P占Tot-P百分比的平均值分别为5.7%、 5.8%,也高于初始值(梅梁湾: 2.2%，月亮湾: 3.9%) [图 4(c)],这与李大鹏等^[29]的研究是相似的. 这与悬浮物对水体中溶解态磷的物理吸附、 化学吸附及其他形态磷向NH₄Cl-P的转化有关^{[29, 30]}. NH₄Cl-P与Fe/Al-P间较好的相关性(表 3)也证明了这一点.

悬浮物中AAP通常是指能够以溶解态磷酸盐的形式释放到水体中,并能够被藻类生长所利用的那部分磷^[31]. 4次扰动过程中,悬浮物中AAP含量平均值分别为87.00 mg ·kg^-1(梅梁湾)、 83.75 mg ·kg^-1(月亮湾),相对于初始值而言(梅梁湾: 98.00 mg ·kg^-1，月亮湾: 72.00 mg ·kg^-1),梅梁湾有所降低,月亮湾则有所增加[图 4(b)]. 梅梁湾和月亮湾悬浮物中AAP占Tot-P百分比的变化规律则明显不同,前者悬浮物中AAP占Tot-P百分比随着扰动次数增加而逐渐增加,而后者则随着扰动次数增加明显降低. 并且试验结束时该值均高于初始值[图 4(d)],这与李大鹏等^[32]的研究有所不同. 反复扰动条件下,每次扰动虽然都会增加上覆水中颗粒态物质的含量,但同时也促进了小颗粒态物质的絮凝、 聚集、 沉降作用,导致上覆水中小分子颗粒态物质比例增加(表 2). 并且随着扰动次数的增加,前一次扰动有抑制后一次扰动条件下上覆水中大、 中颗粒态悬浮物含量的趋势,导致上覆水中悬浮物主要以小颗粒态物质为主,降低了上覆水中悬浮物含量^[33],从而降低了悬浮物中AAP含量. 另外,扰动也强化了大气复氧作用,提高了水体中DO含量,导致大量中小分子量OM被氧化,降低了悬浮物中AAP的含量^[34].

图 4

Fig. 4

图 4 悬浮物中NH4Cl-P、 AAP的数量分布及其在总磷中的质量分数 Fig. 4 Distribution of NH4Cl-P,AAP and their percentages in Tot-P in the suspended solids

表 3(Table 3)

表 3 悬浮物中不同形态磷的相关关系 Table 3 Correlation of different phosphorus fractions in the suspended solids NH4Cl-P Fe/Al-P Ca-P AAP BAPP NH4Cl-P 1 Fe/Al-P 0.29096 1 Ca-P -0.34018 0.41460 1 AAP -0.52145 -0.34824 0.18819 1 BAPP -0.26169 -0.08674 0.35917 0.76661 1

表 3 悬浮物中不同形态磷的相关关系 Table 3 Correlation of different phosphorus fractions in the suspended solids

若将悬浮物中AAP含量等价于悬浮物中非闭蓄态Fe/Al-P含量^{[6, 7]},那么根据以往研究,扰动会导致悬浮物中非闭蓄态Fe/Al-P释放及向其他形态磷的转化,其含量应有所降低^{[32, 35]},可试验结果却并非如此. 也有学者采用Ca-NTA可提取Fe-P来估算沉积物中AAP含量^{[8, 9]}. 但通过相关分析发现,相对于Fe/Al-P,Ca-P反而与悬浮物中AAP表现出更好的相关性(表 3),说明悬浮物中AAP可能包含部分Ca-P,这与王琦等^[10]在研究中的发现是相似的.

图 5(a)显示,梅梁湾、 月亮湾悬浮物中BAPP的质量分布呈先增加后降低的趋势,但始终保持在高于初始值(梅梁湾: 48.19 mg ·kg^-1，月亮湾: 28.59 mg ·kg^-1)的水平. 同样,梅梁湾、 月亮湾悬浮物中BAPP占Tot-P的百分比也始终保持在高于初始值(梅梁湾: 20.7%，月亮湾: 11.0%)的水平[图 5(b)]. 试验期间,BAPP的平均值分别为126.13 mg ·kg^-1(梅梁湾)、 118.40 mg ·kg^-1(月亮湾),其在Tot-P中所占百分比的平均值分别为57.9%(梅梁湾)、 61.7%(月亮湾),也都显著高于初始值. 试验期间,BAPP与悬浮物中AAP、 NH₄Cl-P之和相比的平均值分别为(梅梁湾: 127.0%，月亮湾: 126.1%),明显大于1(图 6),表明悬浮物中BAPP含量始终是大于其AAP、 NH₄Cl-P之和. 这说明采用NH₄Cl-P和AAP之和可分别代表 78.7%(梅梁湾)和79.3%(月亮湾)的BAPP,即BAPP的80%是由NH₄Cl-P和AAP组成的,剩余的20%可能来自于其它形态磷.

图 5

Fig. 5

图 5 悬浮物中BAPP的数量分布及其在总磷中的质量分数 Fig. 5 Distribution of BAPP and its percentage in Tot-P in the suspended solids

图 6

Fig. 6

图 6 BAPP与悬浮物中NH4Cl-P、 AAP的百分比 Fig. 6 Percentage of BAPP in NH4Cl-P and AAP in the suspended solids

3 结论

(1) 较短时间尺度和反复扰动条件下,AAP占DTP的百分比随着扰动次数增加呈逐渐降低的趋势. 说明反复扰动有利于降低DTP的生物有效性.

(2) 较短时间尺度和反复扰动对梅梁湾和月亮湾悬浮物上AAP含量及其占Tot-P的百分比的影响恰好相反. 而相关性分析发现悬浮物中AAP与Ca-P也有较好的相关性.

(3) 在较短时间尺度下,BAPP含量随着扰动次数增加而呈先增加后降低的趋势. 另外,悬浮物中BAPP含量明显大于其AAP、 NH₄Cl-P含量之和,表明BAPP的80%是由NH₄Cl-P和AAP组成的.