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磷是大多数淡水生态系统的限制性营养元素。浅水湖泊沉积物中磷的释放是引起湖泊富营养化发生及水质恶化的重要因素。本文以北方浅水湖泊白洋淀沉积物为主要研究对象,分析探讨了沉积物磷形态及磷释放规律,揭示了北方浅水湖泊沉积物磷的释放机制,并结合模型预测了磷释放风险。
运用SMT法、Ivanoff法和31PNMR对沉积物各种磷形态尤其是有机磷形态进行了深入研究,结果表明Ca-P是沉积物磷形态的主体,占沉积物总磷(TP)的48.5％-71.3％。中等活性有机磷(MLOP)是有机磷(OP)的主要成分,占总提取有机磷的38％-55％。代表微生物的 DNA-P仅占 OP和 TP的不到7％和2％。与生物可利用的铁/铝结合态磷(Fe/Al-P)含量相比(14.4-101.8 mg kg-1),活性有机磷(LOP)(7.95-36.72mg kg-1)与DNA-P(2.40-8.69mg kg-1)含量相对较低,说明Fe/Al-P仍然是水体内源 P释放的主体。数据拟合表明 DNA-P和 LOP存在指数增长关系(y=1.791e0.04x,R2=0.92)。Fe:P模型预测表明白洋淀北部和东南部区域存在重大释放风险。运用 P法对白洋淀四季沉积物进行分级提取并测定影响 P形态的Fe、Al和Ca含量,结合Fe:Al模型预测白洋淀四季磷释放风险,说明春季和秋季存在更大释放风险,春季释放风险最大。而高钙的白洋淀水体及沉积物表明较高的 Ca:Fe和Ca:P比预示可能较低的沉积物 P释放风险。研究结果对于通过沉积物提取分析来预测和控制北方湖泊富营养化风险具有指导意义。
运用沉积物 P等温吸附和室内模拟释放探讨了白洋淀沉积物磷的释放规律和机制。结果表明,Langmuir吸附平衡浓度揭示大多采样区域处于沉积物磷解吸状态,存在释放风险。同时,水体Ca2+浓度的增大可显著增加沉积物最大可吸附量Qmax并降低吸附平衡浓度Ceq0,抑制了可能的沉积物 P释放。模拟四季温度下的沉积物释放研究表明,沉积物磷从冬季向夏季逐渐由滞留转为释放,而在夏季向冬季过程则相反。春季沉积物磷释放主要以沉积物Fe/Al-P为主、而夏季较高的温度所导致生物活性的升高则使 OP降解释放成为沉积物磷释放的主体。由于各样点沉积物磷形态含量差异较大,表现出含 Fe/Al-P较多沉积物样点则会在春季时达到释放的峰值,而含 OP较多沉积物样点则基本在夏季达到释放顶峰。模拟春季的柱状沉积物释放速率在-1.31mg m-2 d-1～1.21mg m-2 d-1之间,水体富营养化程度越高的样点其沉积物P释放的速率越大。厌氧环境下的沉积物P释放速率平均是好氧状态的2-3倍。表层沉积物模拟释放过程的微生物跟踪分析表明,沉积物细菌和好氧细菌生物量及碳源代谢活性在释放过程都呈逐渐增大的趋势,说明沉积物中含有的营养物质通过释放后可以充分供应细菌生长所需的营养,增大了沉积物磷的释放风险。