再悬浮过程对磷在颗粒物上的分配过程的影响及生态环境效应

张思亮

摘  要：磷（P）是重要的生源要素，磷循环属于沉积型循环，颗粒物是沉积物最基本的组成单位和物质载体。同时，磷在颗粒物-水界面的分配和转化过程最为活跃，而水动力扰动则是颗粒物分选和磷再分布的驱动力。研究再悬浮过程中磷在颗粒物上的分配，对了解磷在水生态系统中的迁移转化，以及进一步管理和调控流域富营养化和渔业生产具有重要参考意义。

关键词：再悬浮;磷;富营养化

中图分类号 X52文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）05-0150-03

Abstract：Phosphorus （P） is an important source element and cycling in sedimentary.Particulate matter is the most basic component of sediment and material carrier.At the same time，the distribution and transformation process of P at the sediment-water interface is the most active，while the hydrodynamic disturbance is the driving force for particle sorting and P redistribution.Therefore，researching the distribution of phosphorus on particulate matter during resuspension has important reference significance for understanding the migration and transformation of phosphorus in aquatic ecosystems and further managing and regulating water eutrophication and fishery production.

Key words：Resuspension process;P;Eutrophication

再悬浮作用广泛发生在河流、浅水湖泊和入海河口中，其引起的污染物质交换、迁移和转化以及对环境的生态效应受到了相关学者的广泛关注。而磷是水体富营养化的重要限制性元素，导致水体中藻类的暴发生长死亡，影响水质。同时磷也是沉积性内循环，水生态系统绝大多数磷富集在沉积物中的颗粒物上。本文结合国内外研究，从再悬浮过程，磷在沉积物中的形态分布，以及磷在颗粒物上分布过程3个方面综述了磷在悬浮颗粒物上分配的生态效应。

1 再悬浮过程的发生机理和产生因素

沉积物在比较稳定的环境条件下，静置沉降在湖泊底部，呈颗粒物-间隙水-上覆水动态、稳定的物质交换。但在自然条件下复杂水体环境中，沉积物往往受水体流动的影响，从而悬浮进入上覆水。

1.1 沉积物再悬浮的机制 沉积物再悬浮机制是由于外部扰动的力量高于沉积物再悬浮的临界切应力，而临界切应力主要受沉积物的粒径分布、矿物的结构组成以及内部底栖生物的活动影响[1]。沉积物再悬浮量与切应力间的关系可用如下关系式表达：

其中，R（kg·m-2·s-1）为再悬浮过程沉积物向上覆水释放的颗粒物通量;τ（N·m-2）为扰动在水体沉积物表面产生的切应力;τc（N·m-2）为颗粒物发生悬浮的临界切应力;M（kg·m-2·s-1）为沉积物再悬浮系数。M值的大小取决沉积物粒度组成、密度及厚度以及环境因素[2]。当τ<τc时，沉积物颗粒不会发生再悬浮;τ>τc时，沉积物颗粒发生再悬浮，且进入水体的颗粒物量随着切应力的增加而线性增加。

1.2 沉积物再悬浮的产生因素

1.2.1 风浪扰动 风浪扰动是导致沉积物悬浮的重要自然因素之一，是由于空气流动产生的风作用于水体，产生波动能量向下传递到沉积物表面产生切应力，扰动底部的沉积物，这些现象多见于浅水湖泊中。Qian等通过模拟自然条件下的不同风速，测量产生的不同速度的水流扰动沉积物，并测定上覆水的悬浮物浓度，构建太湖沉积物在风浪扰动下产生的悬浮物浓度的关系式：SSC=3.9458V2.4065+11.54[3]。Booth等[4]通过对美国巴拉塔里尔湾（Barataria Ba-sin）的研究得出，沉积物再悬浮发生频率与风速呈正相关。

1.2.2 生物扰动 生物扰动作用主要是由于河蚌、蚯蚓和摇蚊幼虫等底栖动物的爬行、摄食、排泄和栖所建造等活动造成的沉积颗粒物的成分、粒径分布和渗透性等沉积结构的改变[5]。研究表明，99%的底栖动物活动在近表层12cm沉积物的区域，这一区域通常会形成底栖生物区系[6]。由于底栖生物的活动造成近底层悬浮物浓度升高从而形成底栖浊度带。底栖动物的爬行、建造土墩、掘穴等活动，一方面能促使沉积物混合，改变沉积物孔隙度、渗透性，使沉积物疏松，在外力干扰下更易被悬浮;另一方面，加速了沉积物与上覆水的交换，改变了沉积物内部还原态的沉积环境，提高沉积物的氧化还原电位，改变颗粒物上结合的铁、磷和重金属的稳定性，从而引起“生物灌溉”（bio-irrigation）[7]。

1.2.3 人为活动扰动 底泥疏浚、船舶航运、拖网捕鱼、采砂挖掘、水体底部管道架设等人为活动是导致水体沉积物再悬浮的重要因素。Liu等通过研究疏浚后的悬浮颗粒物可以促进磷的内源释放，从而削弱了疏浚工程内源控制的效果[8]。船舶的扰动是运河地区颗粒物悬浮的重要因素。运河河道由于较浅，两边河岸距离近，底部沉积物容易受到船舶葉轮扰动产生的螺旋桨射流的影响。相关统计数据表明，苏南运河无锡段2014年5月船舶通过量平均达到17.6艘/h[9]，频繁的船舶行驶导致河道底部的沉积物悬浮。除了航运扰动，渔业捕捞也会导致沉积物再悬浮。拖网捕鱼主要影响近海渔场区域，一般渔业资源较为丰富区域的沉积物每年会被拖网多次扫过。因捕鱼拖网要穿透表层沉积物至一定深度，往往在船后几百米出现面积约为500m2的高浓度悬浮云团[10]。人为活动造成的沉积物再悬浮程度取决于活动采用的工具、活动的持续时间和区域范围，对环境水体会造成不同程度的影响。

2 磷在沉积物上的分布形态和调控因素

磷（P）是重要生源要素，近几十年来由于人类对粮食的需求日益增长，埋藏在地壳内部的磷矿石被大量开采出来，导致P元素从岩石圈向水生态环境迁移，扰乱了其自然状态下的循环过程，引起显著的生态环境效应[11]。P循环属于沉积型循环，其生物地化过程与颗粒物密切相关，其在沉积物-孔隙水界面、沉积物—上覆水界面、懸浮颗粒（有机和无机）—水界面的迁移转化过程最为活跃。

2.1 铁氧化物的调控 悬浮过程中，氧化条件的改变，导致颗粒物中不同形态的磷也存在相互转化的风险。其中最为典型的是铁锰化物的氧化还原导致磷的吸附解吸。再悬浮条件下，水体的复氧使沉积物的氧化还原电位升高，促进了Fe2+、Mn2+以及铁锰硫化物的氧化。沉积物中铁是大量元素，是影响内源磷释放的主要因素。铁对磷的调控主要有以下2个方面[12]：

反应生成的Fe3+可与DIP结合生成不溶复合物（FeOOH–P）而吸附大量的磷，同时生成的氢氧化铁胶体也可吸附一定量的磷元素。然而当扰动悬浮结束时，沉积物沉降到底部，由于富含有机物质，在微生物活动下开始被逐渐还原，使得沉积物环境处于1个相对厌氧的状态，使得之前结合的不溶复合物（FeOOH-P）被还原，使得结合在上面的磷被释放出来。一方面可能通过扩散作用向上覆水释放;另一方面也可能向其他形态磷，如铝磷转化。

2.2 铝氧化物的调控 铝磷主要结合在铝氢氧化物上的磷，而该化合物是中性化合物，在中性或较低pH值非钙质湖库中P迁移转化受还原条件影响较小，但在pH较高条件下，铝结合态P易于释放[13]。但铝氧化物对磷具有很大的吸附容量，一些湖泊富营养化华的内源修复采用投加Al2（SO4）3来治理。在细颗粒中，由于主要是黏土成分，铝氧化物含量远高于以二氧化硅为主要成分的砂质粗颗粒，导致细颗粒中磷主要富集在铝磷上。虽然受氧化还原条件影响较小，但对pH的变化非常敏感。随河流输入到湖泊中，藻类生长释放碱性磷酸酶，使得水体pH上升，会导致细颗粒上铝磷的释放，造成水体富营养化。

2.3 钙化合物的调控 沉积物中钙化合物主要以碳酸钙和羟基磷灰石等矿物存在，同时富集较为稳定形态的磷。但是碳酸盐平衡是开放水体最重要的缓冲体系，其所控制的溶液酸碱平衡、微生物反应、矿物溶解与沉淀均可能对生源物质迁移转化和沉淀有重要影响。在碱性较高的湖泊中，藻类生长会导致水体pH值升高、CO2浓度降低，从而引起钙化合物和P的共沉淀，使其得以沉积和固定[14]。沉积物中各个形态的磷目前已有大量的研究，但不同形态的磷的转化过程目前仍需进一步研究，一方面由于沉积物体系相比较于磷的庞大，磷在不同形态上的转化难以观测到;另一方面由于不同形态磷对环境条件如溶解氧、pH和氧化还原电位的敏感，导致实验操作的困难，并且沉积物本身矿物种类的繁杂，异质性也导致沉积物磷研究的困难和复杂性。

3 磷在颗粒物上分配的生态效应

在自然水动力的影响下，粗细颗粒物被一同悬浮起来，但细颗粒由于粒径较小，在水体中的停留时间较长，本身由于比表面积较大和较为活性的矿物，对磷的富集能力远远高于粗颗粒，具有更高的生态风险。目前研究多集中于沉积物再悬浮过程中P在颗粒物—水界面间的分配过程和影响机制[15]，研究过程中基本都将颗粒物匀质化处理，不同粒径颗粒物异质性考虑较少。实际上再悬浮颗粒物粒径分布广泛，其水力学迁移性、矿物组成、复合结构及元素赋存形态等均存在显著差别，再悬浮过程中界面过程及速率也存在显著差别，元素生物地球化学行为在不同颗粒物之间存在巨大差别[16]。研究沉积物再悬浮过程中其颗粒物间的分配具有重要的环境生态效应。

3.1 对水库的生态分区以及对下游生境的影响 目前国内水利工程不断兴建，一方面是清洁能源，减少了火力发电对环境损害，另一方面也有利于减少下游的洪涝灾害。但是水库的修建拦截了大量从上游输入的泥沙，部分学者认为上游的水利闸坝建造拦截了泥沙上富集的磷等营养元素，导致下游渔业生产受到影响;另一部分学者认为，水库拦截的大部分是难以悬浮的粗颗粒，富含大量氮磷等生源要素的细颗粒被悬浮起来未被拦截。在国际上仍然处于一个争论的情况[17]。

3.2 对湖泊富营养化的影响 湖泊富营养化主要由于氮磷的过量输入，而氮磷的输入分为外源输入和内源输入。一般湖泊输入河流都具有强烈的水动力扰动条件和工业，农业等点、面源的污染，外界输入的磷被小颗粒富集，而小颗粒随水体流动的迁移，向湖泊中输入大量的富含磷的细颗粒，由于湖泊相比较河流较为稳定的水动力环境，细颗粒沉降到底部，在微生物的作用下被释放出来，造成严重内源污染，影响湖泊水生态环境。

4 展望

目前对磷的研究大多将沉积物均相看待，而沉积物由于其粒度组成的差异，所处水动力条件的不同，不同粒径颗粒物对磷的赋存能力以及携带迁移能力也不尽相同。因此，当前对沉积物的研究应该着眼于具有更高生态风险的细颗粒上，而不是将沉积物作为一个整体进行研究，应该进一步细化到颗粒物筛选上，才可以进一步合理、准确的研究磷在生态形态中的迁移和转化。

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（责编：张宏民）