绿潮藻类分解过程中水体磷-铁-硫含量的动态变化

徐书童，张文斌，高丽，魏烈群

烟台大学海洋学院，山东 烟台 264005

湖泊水体中磷的来源包括外源输入和内源释放，当外源磷的输入得到控制时，沉积物内源磷的释放就变成了促进湖泊富营养化进程的决定性条件（Pei et al.，2015；文帅龙等，2018）。沉积物和上覆水体间存在着一种动态平衡（薄涛等，2017），当沉积物间隙水中磷的质量浓度较水体高时，在适宜条件下就会向水中释放磷，此时沉积物作为磷源（刘佳等，2018）；反之沉积物则作为磷汇（宋鹏鹏等，2011；Gao et al.，2013）。随着工农业的发展，近海海域水体富营养化日益严重，藻类在生长繁殖过程中大量吸收水中的营养盐，导致大型藻类大量滋生引发绿潮。另一方面，藻类分解过程中可以向周围区域释放大量的可溶性（Dong et al.，2018）、颗粒态和胶体态营养盐，并在一定程度上改变水土界面的理化环境，从而对沉积物内源营养盐的释放以及对水体营养盐的循环产生一定影响（王敬富等，2012；Puttonen et al.，2016；孙清清等，2017）。近年来，水生生态系统中藻类过量堆积降解导致的水环境恶化成为全球关注的环境问题（曾诚，2015）。

水土界面铁、硫的氧化还原过程对沉积物磷的释放具有明显影响，磷-铁-硫间的耦合关系成为国内外学者关注的焦点。沉积物中硫的循环影响着铁和磷的循环，在沉积物中磷和微量重金属元素主要吸附在铁氧化物上（王婷等，2018）。还原条件下铁结态磷被释放出来，然后SO42-被还原为S2-，S2-则与Fe2+形成不溶性的FeS和FeS2，阻止Fe2+与磷结合，铁硫磷间具有极显著的相互制约机制或相互促进机制（陈可可，2015；王艳平等，2015；Sun et al.，2016）。目前，蓝藻暴发对沉积物磷释放、FeS等致黑物质生成以及磷-铁-硫间耦合关系的影响已有研究（Martins et al.，2014；王玉琳等，2016），而对大型绿潮藻类分解过程中磷-铁-硫的耦合关系研究较少。衰亡蓝藻可以沉淀并稳定在湖泊中，其中大量的颗粒/可溶性/胶体营养素可以释放到周围区域，导致磷铁硫的可利用性增加（Han et al.，2015）。在极低DO浓度和Eh、较低pH值、高营养盐负荷等条件下，铁和硫在沉积物-水界面处迅速累积并形成FeS等致黑物质，引起湖泛（刘国峰等，2010；蔡萍等，2015）。硬毛藻是绿潮藻类的优势种之一，近年来在荣成天鹅湖频繁爆发，藻类衰亡分解严重恶化了水体环境。本文通过室内模拟，探讨了硬毛藻分解对沉积物中磷铁释放的影响，以期对天鹅湖水质的治理以及内源污染控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018年5 月，在荣成天鹅湖的湖中心采集暴发的硬毛藻（Chaetomorpha）和表层沉积物（0－10 cm）。沉积物带回实验室后充分混匀，去除植物根系、贝壳等杂质，避光冷藏保存（2 ℃），供释放试验使用。硬毛藻用海水洗净，之后进行冷冻灭生（-20 ℃，48 h）；释放试验前，将藻解冻，控水，切碎（约1 cm）备用。

1.2 试验设计

模拟试验容器为2.0 L的高型烧杯（高度23.5 cm、直径12.5 cm），外面覆盖黑纸以避光。设置沉积物+水（A）、沉积物+10 g藻+水（B）、沉积物+30 g藻+水（C）、沉积物+50 g藻+水（D）、30 g藻+水（E）等5个不同处理，其中10、30、50 g藻处理分别为模拟低浓度、中浓度和高浓度藻类暴发；每个处理设置3次重复，试验周期为15 d。具体步骤：在高型烧杯中准确称取0.30 kg新鲜沉积物，均匀平铺在烧杯底部，再将不同质量的硬毛藻平铺在沉积物表面（无藻处理只加入沉积物），之后缓慢向烧杯中加入1.8 L过滤后的湖水，加水过程中尽量避免沉积物悬浮；静置24 h，待水体澄清后开始采样测定，以降低扰动对试验结果的影响。湖水可溶性磷含量为0.002 mg·L-1，pH和盐度分别为8.14和31.85。

培养期间，每隔1天采集1次水样，测定水体中的亚铁离子（Fe2+）、硫离子（S2-）、可溶性磷（SRP）质量浓度，并监测水土界面pH、DO的动态变化。水样采集后定期向烧杯内补充海水，并记录补水体积。试验结束后，测定残余藻体的剩余干物重和藻体中的铁磷质量浓度，计算释放量和释放率。

1.3 分析方法

水体Fe2+：邻菲罗啉比色法测定；S2-：亚甲基蓝比色法测定；SRP：过滤后使用钼锑抗分光光度法测定；DO用溶氧仪（SG6-FK2）测定；pH值用多参数测试仪（SG78）测定。藻体铁和磷质量浓度：采用H2SO4-H2O2消煮-比色法测定，释放量和释放率的计算公式如下：

式中，A为每个烧杯中藻体磷、铁的释放量（mg）；R为藻体磷、铁释放率（%）；C0、Ct分别为试验初始和分解结束时藻体中磷、铁质量浓度；M0、Mt分别为试验起始和分解结束时的藻体干重（g）。

1.4 统计分析

统计分析采用SPSS 17.0软件。就藻密度对水体SRP、Fe2+、S2-质量浓度的影响效应进行了单因素方差分析，并对处理间的差异进行了 Duncan’s多重比较。对30 g藻+水和沉积物+30 g藻+水两处理进行了独立样本t检验，以检验沉积物对水体各指标产生的影响。对水体SRP、Fe2+、S2-质量浓度间的相互关系进行了Pearson’s相关性分析。

2 结果与分析

2.1 硬毛藻分解对水体SRP质量浓度的影响

图1a反映了试验过程中沉积物+水、30 g藻+水和沉积物+30 g藻+水3个处理上覆水SRP质量浓度的动态变化。藻分解过程中，水体SRP质量浓度的变化在 0.004－0.89 mg·L-1之间；各处理在试验初期（前 5 d）质量浓度较高，之后呈降低趋势，试验后期处理间差异减小。有无沉积物处理相比，沉积物+30 g藻+水的SRP质量浓度略高于30 g藻+水；有无藻类处理相比，沉积物+水的水体SRP质量浓度明显低于沉积物+30 g藻+水。

图 1b反映了不同密度藻类分解情况下上覆水SRP质量浓度的变化情况。整个试验过程中SRP质量浓度的变化趋势为：试验初期（1－5 d）各处理质量浓度均呈上升趋势，并在第5天达到峰值，大约在 0.02－0.89 mg·L-1之间；试验中后期（5－15 d），各处理质量浓度呈下降趋势，并逐渐平缓下来，处理间差异变小。硬毛藻的密度越大，水体SRP质量浓度越高。5个不同处理质量浓度顺序为：沉积物+50 g藻+水＞沉积物+30 g藻+水＞30 g藻+水＞沉积物+10 g藻+水＞沉积物+水。

就藻密度对 SRP质量浓度的影响进行了单因素方差分析，表明残藻密度对水体磷质量浓度具有极显著影响（F=10.180，P=0.000）。多重比较表明，沉积物+50 g藻+水与沉积物+水、沉积物+10 g藻+水处理间差异均达极显著水平（P＜0.01），与沉积物+30 g藻+水间达显著水平（P＜0.05）。沉积物+30 g藻+水与沉积物+水处理间差异达显著水平（P＜0.05），与沉积物+10 g藻+水间差异不显著（P＞0.05）。就沉积物对磷质量浓度的影响进行了独立样本t检验，发现30 g藻+水与沉积物+30 g藻+水处理间差异不显著（t=-0.312，P=0.759）。

图1 藻类分解过程中水体SRP质量浓度的变化Fig. 1 Change of SRP concentration in water during algae decomposition

2.2 硬毛藻分解对水体Fe2+质量浓度的影响

由图2a可知，有无沉积物相比，沉积物+30 g藻+水处理水体Fe2+质量浓度高于30 g藻+水，两个处理的峰值相差0.68 mg·L-1；有无藻类处理相比，沉积物+30 g藻+水的Fe2+质量浓度远高于沉积物+水，前者峰值为1.91 mg·L-1。总体而言，藻分解过程中水体 Fe2+质量浓度变化在 0.062－2.62 mg·L-1之间；各处理在试验初期（前3 d）质量浓度较高，之后呈降低趋势，试验后期各处理间差异减小。

图2 藻类分解过程中水体Fe2+质量浓度的变化Fig. 2 Change of Fe2+ concentration in water during algae decomposition

在整个试验过程中不同密度处理 Fe2+质量浓度的变化趋势为：试验初期各处理质量浓度均呈上升趋势，并在第 3天达到峰值，变幅为 0.07－2.62 mg·L-1；试验后期，各处理质量浓度呈下降趋势并逐渐趋于平缓，处理间差异减小，在第15天时，各处理质量浓度变化在 0.06－0.80 mg·L-1之间（图2b）。5个不同处理Fe2+质量浓度表现为沉积物+50 g藻+水＞沉积物+30 g藻+水＞30 g藻+水＞沉积物+10 g藻+水＞沉积物+水，与SRP一致。

残藻密度对水体Fe2+质量浓度具有极显著影响（F=14.424，P=0.000）。多重比较可知，沉积物+50 g藻+水与沉积物+水、沉积物+10 g藻+水处理间Fe2+质量浓度差异达极显著水平（P＜0.01），与沉积物+30 g藻+水差异不显著（P＞0.05）。沉积物+30 g藻+水与沉积物+水、沉积物+10 g藻+水处理间差异达到极显著水平（P＜0.01）。沉积物+10 g藻+水与沉积物+水处理间差异不显著（P＞0.05）。就沉积物对Fe2+质量浓度的影响进行了独立样本t检验，发现30 g藻+水与沉积物+30 g藻+水间差异不显著（t=-0.631，P=0.538）。

2.3 硬毛藻分解对水体S2-质量浓度的影响

试验过程中，各处理水体 S2-质量浓度变幅为0.66－17.36 mg·L-1，大约在第5天出现峰值，11 d后，所有处理均呈降低趋势（图3a）。有无沉积物处理相比，沉积物+30 g藻+水处理的S2-质量浓度高于30 g藻+水，两处理的峰值相差11.14 mg·L-1。有无藻类相比，沉积物+30 g藻+水的S2-质量浓度远高于沉积物+水，沉积物+水处理在整个试验周期中质量浓度一直很低。

由图3b可知，试验初期（1－5 d）不同密度处理S2-质量浓度均呈上升趋势，第5天达到峰值，在0.44－16.31 mg·L-1之间；之后质量浓度呈下降趋势（除沉积物+50 g藻+水外）。硬毛藻的密度越大，水体S2-质量浓度越高。沉积物+50 g藻+水和沉积物+30 g藻+水两处理质量浓度在整个试验过程中一直很高，而沉积物+10 g藻+水一直很低，且变化不明显。5个不同处理 S2-质量浓度的大小顺序与 SRP和Fe2+相同。

残藻密度对水体 S2-质量浓度具有极显著影响（F=6.929，P=0.001）。多重比较可知，沉积物+50 g藻+水与沉积物+水、沉积物+10 g藻+水处理间S2-质量浓度差异达极显著水平（P＜0.01），与沉积物+30 g藻+水之间差异不显著（P＞0.05）。沉积物+30 g藻+水与沉积物+水处理间 S2-质量浓度差异达显著水平（P＜0.05），与沉积物+10 g藻+水之间差异不显著（P＞0.05）。沉积物+10 g藻+水与沉积物+水处理间差异不显著（P＞0.05）。就沉积物对 S2-质量浓度的影响进行了独立样本t检验，发现30 g藻+水与沉积物+30 g藻+水质量浓度差异不显著（t=-1.507，P=0.154）。

2.4 藻类分解过程中水体理化性质的变化

图4a所示为藻类分解过程中水体pH的变化，总体表现为前3 d水体pH值呈降低趋势，降幅为0.36－1.19，在5－15 d期间随时间呈上升趋势，水体总体呈弱碱性。不同处理相比，硬毛藻的密度越高，水体pH越低，其中沉积物+50 g藻+水处理在第3天最低（6.62）。有无沉积物处理相比，沉积物+30 g藻+水的处理 pH略高于 30 g藻+水（t=-1.573，P=0.138），说明沉积物对上覆水体pH具有一定缓冲作用。总体而言，硬毛藻的分解对上覆水的 pH具有很大影响，藻分解可促进水体 pH的下降。

图3 藻类分解过程中水体S2-质量浓度的变化Fig. 3 Change of S2- concentration in water during algae decomposition

图4 藻类分解过程中水体理化性质的变化Fig. 4 Change of physical and chemical properties of water during algae decomposition

由图4b可知，藻类分解过程中水体DO在前7 d呈下降趋势，之后又有所升高。比较沉积物+水、沉积物+10 g藻+水、沉积物+30 g藻+水、沉积物+50 g藻+水这几个处理可知，硬毛藻的密度越大，水体DO越低。沉积物+50 g藻+水处理水体DO在第9天最低，为1.57 mg·L-1，达厌氧状态。有无沉积物处理相比，30 g藻+水比沉积物+30 g藻+水的DO略低（t=-0.488，P=0.633）。有无藻类处理相比，沉积物+水处理 DO高于沉积物+藻（不同密度）+水，说明硬毛藻的分解过程中大量消耗了水中氧气。

3 讨论

3.1 残藻堆积密度对水体磷铁硫质量浓度的影响

在藻华消亡阶段，大规模残藻堆积时藻类分解对水质的影响反映在DO和pH降低，营养盐质量浓度显著增加（Chuai et al.，2011）。藻类大量繁殖可导致水中DO、氧化还原电位和pH明显降低，上覆水中磷显著增加；SRP与DO、氧化还原电位和pH均呈显著相关关系（Wang et al.，2016）。藻类大量消亡促进沉积物中磷的释放（侯金枝等，2013），水体中磷质量浓度的升高又反过来促进藻华时间的延长（魏权等，2014），从而形成正反馈（Chen et al.，2018）。本研究中，硬毛藻分解对上覆水体的磷硫铁质量浓度均有较大影响。如表1所示，试验前期（1－7 d），各处理质量浓度差异较大，沉积物+50 g藻+水与沉积物+30 g藻+水、沉积物+10 g藻+水两处理的SRP、Fe2+、S2-质量浓度差异均达极显著水平（P＜0.01）；沉积物+10 g藻+水与沉积物+水处理间 Fe2+质量浓度差异达显著水平（P＜0.05）。在试验后期（8－15 d），沉积物+50 g藻+水与沉积物+30 g藻+水、沉积物+10 g藻+水两处理的SRP、Fe2+、S2-质量浓度差异均达极显著水平（P＜0.01）；沉积物+10 g藻+水与沉积物+水处理间 SRP、Fe2+、S2-质量浓度差异均不显著（P＞0.05）。可见，残藻堆积密度对水体中铁磷质量浓度具有显著影响，大量藻类堆积分解可在短时间内使得水体铁磷质量浓度达到较高水平。试验过程中，水体 SRP质量浓度的变化主要受藻体磷的释放、沉积物中磷的释放以及沉积物对水体磷的吸附这3个因素的共同影响；藻分解过程中向水体中释放大量的磷，藻分解也可在某种程度上促进沉积物中磷的释放，而当水体中磷质量浓度较高时，沉积物对上覆水中的磷可起到一定吸附作用（Gao et al.，2013；Gao et al.，2014；Wang et al.，2016）。

表1 各处理间水体Fe2+、SRP、S2-质量浓度的多重比较Table 1 Multiple comparisons of Fe2+, SRP and S2- concentrations in water among different treatments

试验结束后，藻体磷的释放率表现为30 g藻+水＞沉积物+50 g藻+水＞沉积物+30 g藻+水＞沉积物+10 g藻+水，这与藻体磷的释放量相一致；相同藻密度下，无沉积物处理比有沉积物处理的释放率略大（表 2），其可能原因是沉积物也向水体中释放一部分磷，导致了藻体磷的释放受到抑制。就铁而言，沉积物+30 g藻+水处理的释放率最高，表现为沉积物+30 g藻+水＞沉积物+10 g藻+水＞沉积物+50 g藻+水＞30 g藻+水，释放量表现为沉积物+50 g藻+水＞沉积物+30 g藻+水＞30 g藻+水＞沉积物+10 g藻+水。相同藻密度下，无沉积物处理铁的释放率低于有沉积物处理，与释放量保持一致，可见沉积物的存在可以促进藻体中铁的释放。总体而言，在硬毛藻初级分解阶段，藻体中的磷和铁可大量向水体释放，其中磷的释放率高于铁。

表2 分解过程中不同处理藻体磷和铁释放率的差异Table 2 Differences in phosphorus and iron release rates of different algae treatments during decomposition

3.2 硬毛藻分解过程中水体铁硫磷质量浓度间的关系

Ding et al.（2016）利用DGT采样技术对太湖水体铁、磷间的耦合关系作了进一步研究，结果证实了沉积物中磷-铁耦合促进磷释放的机理。本研究表明，上覆水体的 SRP、S2-和 Fe2+质量浓度在整个试验期间变化趋势基本一致，总体为在试验初期质量浓度均较高，受藻密度影响较大，而试验后期各处理间差异减小。为探究藻分解过程中水体SRP、Fe2+和S2-质量浓度间的相互关系，进行了相关性分析。结果表明（Ding et al.，2012），藻分解过程中水体磷铁之间、磷硫之间均呈显著正相关关系，r值分别为 0.671（P=0.000）和 0.498（P=0.013），其中磷和铁的相关性较大（图5）。铁硫之间呈正相关关系，但并未达显著水平（r=0.227，P=0.287）。

图5 水体中磷铁硫质量浓度的相关性分析Fig. 5 Correlation analysis among the concentrations of phosphorus, iron and sulfur in water

研究表明，蓝藻水华衰亡过程中，藻体衰亡可降低上覆水 DO而间接促进沉积物上覆水营养盐浓度大幅提升（刁晓君等，2015；杨艳等，2018）。绿潮硬毛藻分解过程中，试验前期（1－7 d）水体DO和pH明显降低，且藻密度越高，pH和DO变幅越大，其中高密度藻类条件下水体在第 7天趋于厌氧状态。在试验前期，水体Fe2+和SRP质量浓度也表现为随藻密度增加而大幅升高。可见，藻分解对水体理化性质的改变及营养盐释放均具有一定影响（Giles et al.，2016）；残藻分解降低了水土界面pH和DO（王亚蕊等，2018），促进了沉积物中磷和铁的释放（Smolders et al.，2017；薄涛等，2017）。藻类分解过程中，上覆水中的磷铁硫主要来源于两部分：（1）硬毛藻分解使得水土界面的微环境产生变化，促进了沉积物中营养盐的释放，使得上覆水中浓度升高；（2）硬毛藻体中含有大量的磷铁硫，藻体早期分解过程中可直接向水体释放。这与微藻水华消亡的研究结果 相 一 致 （ García-robledo et al.， 2011 ；Balasubramanian et al.，2012；Shen et al.，2013；孟祥森等，2017）。本研究中，大量硬毛藻的堆积分解使得水体铁磷质量浓度达到较高水平，其中磷铁之间、磷硫之间均呈显著正相关关系。可见，大型藻类分解过程中，水体磷-铁-硫质量浓度间具有一定的耦合关系，其中水土界面铁-硫-磷间的耦合机制有待进一步探讨。

4 结论

（1）硬毛藻分解过程中，残藻密度对上覆水中SRP、Fe2+和 S2-质量浓度均具有极显著影响（P＜0.01），且磷铁、磷硫质量浓度间均呈显著正相关关系。试验前期（1－7 d）质量浓度高且变幅较大，不同藻密度处理间SRP、Fe2+、S2-质量浓度差异均达极显著水平（P＜0.01）；后期各物质浓度降低，处理间差异减小。

（2）在硬毛藻初级分解阶段，藻体中的磷和铁可大量向水体释放。残藻密度越高，水体DO和pH的变幅则越大；高密度藻类条件下水土界面趋近厌氧状态，从而促进了沉积物中磷和铁的释放。绿潮消亡过程中，大量藻类的堆积分解可在短时间内使得水体SRP、Fe2+和S2-质量浓度达到较高水平，且三者间具有一定的耦合关系。