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大型富营养化湖泊内源磷及沉积物早期成岩研究取得进展

  河道输入、面源流失以及工业与生活废水等外源途径进入湖泊生态系统中的磷最终蓄积于底泥中,被称之为内源磷。蓄积于底泥中的磷并非永久被埋藏,而会在外界环境条件的影响下再次进入上覆水体,造成湖水中磷的浓度和水平升高,引起湖泊富营养化及蓝藻水华等环境问题。 

  大量研究表明,湖泊底泥磷释放是阻碍富营养化湖泊治理的关键。因此,弄清湖泊磷平衡及释放过程、机理对于湖泊内源磷的管理至关重要。通常,很多学者对于底泥磷释放的认识只停留在短期释放,而鲜有对底泥磷长期释放进行研究和分析。底泥磷短期释放是指“天”尺度上的底泥间隙水中磷扩散到上覆水中的速率。目前,对于短期磷释放的测定主要利用静态释放以及间隙水梯度扩散的方法(Fick第一定律计算)获得。而另一方面,底泥中随着深度增加而减少的磷含量代表着其在长期有潜力释放的量,因此底泥磷长期释放可以通过垂向稳定层位磷(磷含量停止减少,即永久埋藏层)含量与埋藏(沉积)速率之积与稳定层位以上每层(活性层位)磷含量与相应沉积速率之积的差值进行定量。如果长期P长期释放≥P短期释放,则表明该区域底泥磷长年累月对于上覆水体均为源,对水体可造成长期的污染。若反之,则表明该区域该时段(短期释放测定时期)底泥磷释放为暂时性处于高值,其长期对水体的污染低于短期水平。  

  此外,对于短期或长期释放来说,不同形态磷的贡献程度仍十分缺乏定量研究,即到底何种形态磷起到主导作用未进行深入研究。底泥内源磷的循环与释放过程相当复杂,在短期内(以天、周、月、季度计)通常受到如有机质的矿化,铁氢氧化物的溶解等过程驱动而活化释放,严重时甚至能够造成如蓝藻水华等季节性发生的水环境问题;长期来看(以数年或数十年计),短期内释放的磷有可能经过各类生物地球化学过程后再分配重新转化为底泥中不同形态的磷库,而暂时被固定在铁氢氧化物上的磷(随时间推移最终会被埋入厌氧层而被释放)也可能使得计算的短期释放量被低估。总体而言,底泥磷的长期释放量取决于湖泊系统内磷的供给、固定、埋藏过程之间的物料平衡,这些过程控制着数年或数十年湖泊生态系统中磷的循环轨迹,并长期影响着水环境健康问题。至此,对于湖泊底泥磷的释放到底是怎样影响整个湖泊生态系统的,在不同的时间尺度内底泥内源磷主要通过哪些过程响应(以及如何响应)动态变化的环境条件这些问题仍缺乏深入的理解。 

  南京地理与湖泊研究所尹洪斌研究员课题组以我国典型的富营养化浅水湖泊——巢湖为研究对象,通过全湖的底泥采样分析,研究底泥磷的组成成分,空间分布,短期、长期磷的释放与固定的速率,柱状底泥磷的垂向分布等内容。研究阐明了巢湖底泥在湖泊富营养化问题中的重要地位,其中西巢湖平均短期(2.76 mg/m2·d-1)与长期磷释放速率(5.34 mg/m2·d-1)都显著高于东巢湖(短期与长期分别为1.051.3 mg/m2·d-1,全巢湖的短期与长期磷释放速率与外源磷的输入(3.56 mg/m2·d-1)均处于同一量级。研究结果表明,西巢湖底泥内源磷的长期释放对巢湖富营养化具有严重的影响,底泥磷的长期释放为698/年,约占外源输入磷的69%(按照巢湖年输入1100吨磷计)。而占巢湖面积仅为33%的西巢湖,其底泥磷长期释放占到了整个巢湖的70%左右。底泥磷长期释放的量级超过了巢湖出湖磷量(年出湖量约为530/年,滞留湖体的磷约480/年)。 

  论文还利用长短期综合研究的方式初步阐明了底泥磷释放的主控过程的发生机制,比如有机质,金属铁、铝等起到的作用:有机质的矿化仅贡献了短期磷释放量的19%,而其他金属结合态磷贡献了81%;铁结合态磷在底泥磷长期释放的磷库中贡献52.1%,铝结合态磷在西巢湖底泥磷长期释放中具有潜在活性。此外,论文还阐明了西巢湖底泥磷污染状况对巢湖水质管理措施的响应。下一步的研究工作,需要以大量的采样与实验为基础,更加深入地理解巢湖中磷的循环过程,为底泥磷的动态变化模型的建立以及预测提供更多可靠的依据。以上研究成果对于巢湖水质修复措施的实践具有重要的支撑作用。 

  上述研究成果得到了“十三五”国家水体污染治理重大专项巢湖项目、中科院交叉团队、中科院重点部署项目以及国家自然科学基金项目的资助,成果发表于Environmental Pollution上。论文连接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749121020534 


巢湖采样点位图 

   

图2 巢湖底泥磷短期与长期释放相结合的对比性研究 

图3 巢湖底泥磷形态剖面图(a)(b)和它们占总磷的比例(c)