淺談水生植物對(duì)沉積物中各賦存形態(tài)磷的影響研究論文
沉積物中的磷是水體重要的內(nèi)源污染物，其磷的釋放對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響不可忽視。對(duì)于抑制磷釋放的措施很多，其中水生植物以其高效、低耗、低投資及有利于修復(fù)水生態(tài)環(huán)境，吸收水體中磷營(yíng)養(yǎng)物等特點(diǎn)，用于治理水體的富營(yíng)養(yǎng)化，在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛共識(shí)。因此，研究沉積物中各賦存形態(tài)磷的釋放規(guī)律、水生植物對(duì)沉積物中各賦存磷的影響是非常重要的。
1 沉積物中磷的賦存形態(tài)
磷在沉積物中有多種賦存形態(tài)，由于不同研究領(lǐng)域的特點(diǎn)，沉積物中的磷形態(tài)有不同的分類(lèi)方法，在國(guó)內(nèi)外都不一樣。對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體沉積物中磷的分類(lèi)，針對(duì)現(xiàn)今研究熱點(diǎn)，較多關(guān)注藻類(lèi)可利用性磷。伴隨對(duì)沉積物中磷的研究逐步加深和提取方法的提高，目前，對(duì)各賦存形態(tài)磷的分析采用改良的Ruttenbery 法，磷分為交換態(tài)磷(Ex-P)、鋁磷(Al-P)、鐵磷(Fe-P)、閉蓄態(tài)磷(Oc-P)、自生鈣磷(ACa-P)、碎屑磷(De-P)、有機(jī)磷(Or-P)。其中交換態(tài)磷(Ex-P)、鋁磷(Al-P)和鐵磷(Fe-P)屬于不穩(wěn)態(tài)磷(labile phosphorus，LP)，這種磷在氧化還原等沉積物環(huán)境因素變化時(shí)，會(huì)變成可溶性磷并遷移至間隙水，成為容易被生物利用的無(wú)機(jī)磷，它們都是導(dǎo)致藻類(lèi)爆發(fā)的重要磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);而閉蓄態(tài)磷(Oc-P)、自生鈣磷(ACa-P)、碎屑磷(De-P)、有機(jī)磷(Or-P)相對(duì)前三種磷形態(tài)要難被分解，對(duì)間隙水和上覆水的影響較小。研究表明，大多數(shù)湖泊沉積物中不穩(wěn)態(tài)磷占賦存形態(tài)磷總量的10 %左右，該種形態(tài)磷占有的比例是比較小的，但在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，沉積物中所有不穩(wěn)態(tài)磷的量占全磷比例可達(dá)到35 %以上。
2 磷在沉積物-水界面的遷移轉(zhuǎn)化及其影響因素
2.1 磷在沉積物—水界面的遷移轉(zhuǎn)化
泥水界面是上覆水和沉積物之間至關(guān)重要的物質(zhì)交換區(qū)，各形態(tài)磷在泥水界面的交換過(guò)程是水體生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中必不可少的部分。研究表明，磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在沉積物-水界面進(jìn)行著一系列的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，如吸附-解吸作用，絡(luò)合-解絡(luò)作用，分配-溶解作用，沉淀-溶解作用，離子交換作用以及氧化還原作用等，在沉積物中磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)還會(huì)發(fā)生如生物降解、同化等轉(zhuǎn)化作用。總的來(lái)說(shuō)，磷從沉積物到上覆水需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段，即顆粒態(tài)磷的活化與溶解態(tài)磷的擴(kuò)散。沉積物再懸浮、解吸、含磷沉淀的溶解、配位體的交換、礦化和生物體分解等就是顆粒態(tài)磷活化過(guò)程;溶解態(tài)磷的擴(kuò)散傳輸過(guò)程主要包括溶解態(tài)磷和間隙水向上的流動(dòng)過(guò)程、間隙水中溶解磷的擴(kuò)散過(guò)程以及水體與沉積物在界面的混合交換過(guò)程。
在淡水生態(tài)系統(tǒng)中沉積物的表面通常含有95 %到99 %的水，這些水中只有小部分與其他組分結(jié)合成水合物，大部分是以自由移動(dòng)的`介質(zhì)形態(tài)存在，即間隙水。對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)中磷的傳輸動(dòng)力學(xué)而言，間隙水是一個(gè)非常重要的介質(zhì)。在絕大多數(shù)水體中上覆水和間隙水之間有很大的濃度梯度，間隙水中磷濃度大約比上覆水高5 到20 倍，為磷的擴(kuò)散提供驅(qū)動(dòng)力。
2.2 磷在沉積物—水界面的遷移轉(zhuǎn)化的影響因素
泥水界面的微環(huán)境中，其條件變化與沉積物中各賦存形態(tài)磷釋放有密切的關(guān)系。
2.2.1 微生物影響因素
若水體生態(tài)系統(tǒng)中微生物比較豐富，則沉積物中磷的釋放量會(huì)顯著提高，一方面沉積物中的有機(jī)磷可以通過(guò)微生物生物解降作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，使得沉積物中磷的釋放增強(qiáng);另一方面微生物在泥水界面的活動(dòng)使沉積物再懸浮，同樣加強(qiáng)了沉積物磷的釋放。
2.2.2 化學(xué)影響因素
影響磷釋放的主要化學(xué)因素有以下幾個(gè)：氧化還原電位、溶解氧、pH、溫度。氧化還原電位：沉積物中磷的釋放與磷的存在形態(tài)緊密聯(lián)系，而對(duì)磷釋放量大小產(chǎn)生影響的主要是不穩(wěn)態(tài)磷，包括交換態(tài)磷、鋁磷、鐵磷，這幾種形態(tài)磷中鐵磷所占比例較高，所以沉積物中釋磷量受鐵磷的影響較強(qiáng)烈。Rydin 指出，當(dāng)表層沉積物Eh 較高時(shí)，會(huì)使得Fe2+向Fe3+轉(zhuǎn)化，使Fe3+與磷組合變成不易溶解的磷鹽，而當(dāng)Eh 較低(<200 mv)時(shí)，會(huì)使得Fe3+向Fe2+的轉(zhuǎn)化，不易溶解的Fe(OH)3 與磷結(jié)合物變?yōu)榭扇苄訤e(OH)2，使PO43-從沉積物中溶解并進(jìn)入間隙水，接著向上覆水中擴(kuò)散，導(dǎo)致上覆水中磷濃度提高。溶解氧：由于泥水界面的氧化還原狀態(tài)主要受溶解氧影響，所以泥水界面的含氧量與鐵磷的吸附和釋放有密切關(guān)系，當(dāng)處于厭氧條件下時(shí)，Eh 較低，提高Fe3+向Fe2+的轉(zhuǎn)化量，使PO43-從表層沉積物中溶解并進(jìn)入間隙水，接著向上覆水中擴(kuò)散，導(dǎo)致上覆水中磷濃度提高。
pH：研究表明，pH 是表層沉積物中磷釋放的重要影響因素，中性范圍時(shí)，顆粒態(tài)磷不易被釋放;當(dāng)pH 偏離中性時(shí)，使顆粒態(tài)磷失穩(wěn)，變?yōu)榛罨�，釋磷量顯著增大，溶解性磷的釋放量與pH 呈“U”型相關(guān)。溫度：溫度升高時(shí)刺激沉積物整體礦化，將有機(jī)結(jié)合態(tài)磷從沉積物中釋放到間隙水，除了這種直接效果，還能提高微生物活性，降低表層沉積物的氧化還原電位，這些都可能促使Fe3+還原為Fe2+，導(dǎo)致鐵結(jié)合態(tài)磷的釋放。
2.2.3 物理影響因素受物理因素
影響可以總結(jié)為：(1)當(dāng)上覆水磷濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沉積物磷釋放臨界濃度值時(shí)，沉積物中的磷才會(huì)釋放;(2)由風(fēng)吹、波浪等物理因素導(dǎo)致表層沉積物再懸浮，顯著地增加沉積物中磷的釋放量。
3 水生植物對(duì)沉積物中磷遷移轉(zhuǎn)化的影響研究
對(duì)于水體生態(tài)系統(tǒng)，水生植物占據(jù)著生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵界面，不僅以自身的形態(tài)特性、種群構(gòu)成特性及生理活性對(duì)生境造成影響，同時(shí)還影響沉積物中磷的釋放與吸收。因此，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注水生植物及其根系對(duì)沉積物中磷形態(tài)的影響，如有利用沉水植物黑藻，研究其對(duì)湖泊不同深度沉積物及其間隙水中各賦存形態(tài)磷含量的影響，研究發(fā)現(xiàn)黑藻主要影響根系所在層的磷含量，吸收易溶性無(wú)機(jī)磷，如鐵磷、鋁磷等，還對(duì)鈣磷的沉積與釋放產(chǎn)生影響;而包先明等研究了苦草、金魚(yú)藻、石龍尾等六種沉水植物對(duì)五里湖沉積物磷形態(tài)的影響，結(jié)果表明，六種植物的生長(zhǎng)明顯削減了沉積物中全磷，同時(shí)有效抑制鐵磷、有機(jī)磷等形態(tài)磷的釋放;另外，也有研究者就沉水植物對(duì)沉積物中有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷及其交換性磷的作用展開(kāi)了研究。
水生植物對(duì)沉積物中磷遷移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制非常復(fù)雜，現(xiàn)有研究主要揭示出如下幾種：
3.1 根部釋氧
無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室還是野外調(diào)查中，水生植物對(duì)沉積物性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在對(duì)根際沉積物氧化還原電位的改變。水生植物通過(guò)光合作用，會(huì)釋放出氧氣，同時(shí)根部也會(huì)向根際沉積物釋放出氧氣，使得根際沉積物和間隙水的氧化還原電位升高，pH 降低，并改變沉積物中的金屬離子狀況，以至影響到沉積物對(duì)磷的吸附和釋放的能力。根區(qū)沉積物的氧化還原電位升高，有助于Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)換，并使Fe3+與磷酸鹽絡(luò)合成難溶的磷酸鐵保存在沉積物中。
根部呼吸釋放氧氣還可以給某些微生物提供所需要的微環(huán)境，促進(jìn)根部微生物活動(dòng)，豐富的微生物群落使得沉積物中的富營(yíng)養(yǎng)有機(jī)物降解為無(wú)機(jī)物[7]。水生植物使得根際沉積物形成有氧和缺氧的不同區(qū)域，給微生物提供所需要的不同生境，比如吸磷菌和解磷菌。
3.2 產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)
一方面有機(jī)質(zhì)自身是沉積物中重要磷源之一，另一方面有機(jī)質(zhì)會(huì)通過(guò)吸附磷影響釋磷。沉積物中的有機(jī)質(zhì)與植物生物量之間聯(lián)系緊密，水生植物死亡后的有機(jī)殘?bào)w會(huì)增加沉積物中有機(jī)質(zhì)含量，而沉積物中的有機(jī)質(zhì)與鐵的相互作用可以促進(jìn)沉積物對(duì)磷的吸附作用。
3.3 植物生理生態(tài)結(jié)構(gòu)
Horppila 等研究顯示，對(duì)比無(wú)植被區(qū)域，浮葉植物、沉水植物與挺水植物能夠?qū)?nèi)源磷負(fù)荷平均降低了21、12 與26mg/(m2·d)。影響原因是水生植物在沉積物與上覆水界面間形成一道保護(hù)屏障，減少了沉積物中的磷向上覆水釋放。
3.4 降低堿性磷酸酶活性
水生植被能降低水樣和表層沉積物酶的催化效率，抑止作用因植物種類(lèi)而異，且在未過(guò)濾水中表現(xiàn)的尤為突出。水生植物種植區(qū)表面沉積物的低酶活性是其中有機(jī)磷不易礦化故得以保持從而改善水質(zhì)的可能原因，而深層沉積物酶的反應(yīng)速度則明顯高于對(duì)照。劉兵欽等的實(shí)驗(yàn)指出，不同時(shí)期菹草生物量較高的沉積物表現(xiàn)較低的堿性磷酸酶活性與最大反應(yīng)速度，推斷出延緩沉積物有機(jī)磷的酶促分解反應(yīng)為菹草維持低營(yíng)養(yǎng)水平一個(gè)重要機(jī)制。
4 研究展望
從取得的大量研究成果來(lái)看，水生植物對(duì)沉積物中磷遷移的影響研究，主要集中于研究短期內(nèi)磷的動(dòng)態(tài)變化，顯示出水生植物對(duì)水體和沉積物間物質(zhì)流動(dòng)的重要性。這些研究選用的水生植物多數(shù)是沉水植物，對(duì)挺水植物的研究相對(duì)比較少，而對(duì)于沉水植物與挺水植物兩種不同類(lèi)型的水生植物對(duì)比研究就更少了。不同的水生植物對(duì)沉積物中不同賦存形態(tài)磷的影響是不同的，因此，不同類(lèi)型水生植物對(duì)沉積物中不同賦存形態(tài)磷的影響效果值得進(jìn)一步探討。
5 結(jié)束語(yǔ)
水體生態(tài)系統(tǒng)中水生植物一方面通過(guò)吸磷作用將系統(tǒng)中的磷同化吸收，另一方面通過(guò)其根系及其生長(zhǎng)活動(dòng)可以改變根際沉積物的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)，例如：氧化還原電位、pH、粘土比例、有機(jī)質(zhì)含量、金屬離子的數(shù)量和形式及磷的吸附能力等，由此影響磷在沉積物和上覆水之間的遷移過(guò)程，影響的程度根據(jù)物種的不同而不同。因此，對(duì)水生植物根際沉積物的研究具有重要的環(huán)境意義。
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