再懸浮過程對磷在顆粒物上的分配過程的影響及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

張思亮

摘 ?要：磷（P）是重要的生源要素，磷循環(huán)屬于沉積型循環(huán)，顆粒物是沉積物最基本的組成單位和物質(zhì)載體。同時，磷在顆粒物-水界面的分配和轉(zhuǎn)化過程最為活躍，而水動力擾動則是顆粒物分選和磷再分布的驅(qū)動力。研究再懸浮過程中磷在顆粒物上的分配，對了解磷在水生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化，以及進(jìn)一步管理和調(diào)控流域富營養(yǎng)化和漁業(yè)生產(chǎn)具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：再懸浮;磷;富營養(yǎng)化

中圖分類號 X52文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 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

再懸浮作用廣泛發(fā)生在河流、淺水湖泊和入海河口中，其引起的污染物質(zhì)交換、遷移和轉(zhuǎn)化以及對環(huán)境的生態(tài)效應(yīng)受到了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。而磷是水體富營養(yǎng)化的重要限制性元素，導(dǎo)致水體中藻類的暴發(fā)生長死亡，影響水質(zhì)。同時磷也是沉積性內(nèi)循環(huán)，水生態(tài)系統(tǒng)絕大多數(shù)磷富集在沉積物中的顆粒物上。本文結(jié)合國內(nèi)外研究，從再懸浮過程，磷在沉積物中的形態(tài)分布，以及磷在顆粒物上分布過程3個方面綜述了磷在懸浮顆粒物上分配的生態(tài)效應(yīng)。

1 再懸浮過程的發(fā)生機(jī)理和產(chǎn)生因素

沉積物在比較穩(wěn)定的環(huán)境條件下，靜置沉降在湖泊底部，呈顆粒物-間隙水-上覆水動態(tài)、穩(wěn)定的物質(zhì)交換。但在自然條件下復(fù)雜水體環(huán)境中，沉積物往往受水體流動的影響，從而懸浮進(jìn)入上覆水。

1.1 沉積物再懸浮的機(jī)制 沉積物再懸浮機(jī)制是由于外部擾動的力量高于沉積物再懸浮的臨界切應(yīng)力，而臨界切應(yīng)力主要受沉積物的粒徑分布、礦物的結(jié)構(gòu)組成以及內(nèi)部底棲生物的活動影響[1]。沉積物再懸浮量與切應(yīng)力間的關(guān)系可用如下關(guān)系式表達(dá)：

其中，R（kg·m-2·s-1）為再懸浮過程沉積物向上覆水釋放的顆粒物通量;τ（N·m-2）為擾動在水體沉積物表面產(chǎn)生的切應(yīng)力;τc（N·m-2）為顆粒物發(fā)生懸浮的臨界切應(yīng)力;M（kg·m-2·s-1）為沉積物再懸浮系數(shù)。M值的大小取決沉積物粒度組成、密度及厚度以及環(huán)境因素[2]。當(dāng)τ<τc時，沉積物顆粒不會發(fā)生再懸浮;τ>τc時，沉積物顆粒發(fā)生再懸浮，且進(jìn)入水體的顆粒物量隨著切應(yīng)力的增加而線性增加。

1.2 沉積物再懸浮的產(chǎn)生因素

1.2.1 風(fēng)浪擾動 風(fēng)浪擾動是導(dǎo)致沉積物懸浮的重要自然因素之一，是由于空氣流動產(chǎn)生的風(fēng)作用于水體，產(chǎn)生波動能量向下傳遞到沉積物表面產(chǎn)生切應(yīng)力，擾動底部的沉積物，這些現(xiàn)象多見于淺水湖泊中。Qian等通過模擬自然條件下的不同風(fēng)速，測量產(chǎn)生的不同速度的水流擾動沉積物，并測定上覆水的懸浮物濃度，構(gòu)建太湖沉積物在風(fēng)浪擾動下產(chǎn)生的懸浮物濃度的關(guān)系式：SSC=3.9458V2.4065+11.54[3]。Booth等[4]通過對美國巴拉塔里爾灣（Barataria Ba-sin）的研究得出，沉積物再懸浮發(fā)生頻率與風(fēng)速呈正相關(guān)。

1.2.2 生物擾動 生物擾動作用主要是由于河蚌、蚯蚓和搖蚊幼蟲等底棲動物的爬行、攝食、排泄和棲所建造等活動造成的沉積顆粒物的成分、粒徑分布和滲透性等沉積結(jié)構(gòu)的改變[5]。研究表明，99%的底棲動物活動在近表層12cm沉積物的區(qū)域，這一區(qū)域通常會形成底棲生物區(qū)系[6]。由于底棲生物的活動造成近底層懸浮物濃度升高從而形成底棲濁度帶。底棲動物的爬行、建造土墩、掘穴等活動，一方面能促使沉積物混合，改變沉積物孔隙度、滲透性，使沉積物疏松，在外力干擾下更易被懸浮;另一方面，加速了沉積物與上覆水的交換，改變了沉積物內(nèi)部還原態(tài)的沉積環(huán)境，提高沉積物的氧化還原電位，改變顆粒物上結(jié)合的鐵、磷和重金屬的穩(wěn)定性，從而引起“生物灌溉”（bio-irrigation）[7]。

1.2.3 人為活動擾動 底泥疏浚、船舶航運(yùn)、拖網(wǎng)捕魚、采砂挖掘、水體底部管道架設(shè)等人為活動是導(dǎo)致水體沉積物再懸浮的重要因素。Liu等通過研究疏浚后的懸浮顆粒物可以促進(jìn)磷的內(nèi)源釋放，從而削弱了疏浚工程內(nèi)源控制的效果[8]。船舶的擾動是運(yùn)河地區(qū)顆粒物懸浮的重要因素。運(yùn)河河道由于較淺，兩邊河岸距離近，底部沉積物容易受到船舶葉輪擾動產(chǎn)生的螺旋槳射流的影響。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，蘇南運(yùn)河無錫段2014年5月船舶通過量平均達(dá)到17.6艘/h[9]，頻繁的船舶行駛導(dǎo)致河道底部的沉積物懸浮。除了航運(yùn)擾動，漁業(yè)捕撈也會導(dǎo)致沉積物再懸浮。拖網(wǎng)捕魚主要影響近海漁場區(qū)域，一般漁業(yè)資源較為豐富區(qū)域的沉積物每年會被拖網(wǎng)多次掃過。因捕魚拖網(wǎng)要穿透表層沉積物至一定深度，往往在船后幾百米出現(xiàn)面積約為500m2的高濃度懸浮云團(tuán)[10]。人為活動造成的沉積物再懸浮程度取決于活動采用的工具、活動的持續(xù)時間和區(qū)域范圍，對環(huán)境水體會造成不同程度的影響。

2 磷在沉積物上的分布形態(tài)和調(diào)控因素

磷（P）是重要生源要素，近幾十年來由于人類對糧食的需求日益增長，埋藏在地殼內(nèi)部的磷礦石被大量開采出來，導(dǎo)致P元素從巖石圈向水生態(tài)環(huán)境遷移，擾亂了其自然狀態(tài)下的循環(huán)過程，引起顯著的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[11]。P循環(huán)屬于沉積型循環(huán)，其生物地化過程與顆粒物密切相關(guān)，其在沉積物-孔隙水界面、沉積物—上覆水界面、懸浮顆粒（有機(jī)和無機(jī)）—水界面的遷移轉(zhuǎn)化過程最為活躍。

2.1 鐵氧化物的調(diào)控 懸浮過程中，氧化條件的改變，導(dǎo)致顆粒物中不同形態(tài)的磷也存在相互轉(zhuǎn)化的風(fēng)險。其中最為典型的是鐵錳化物的氧化還原導(dǎo)致磷的吸附解吸。再懸浮條件下，水體的復(fù)氧使沉積物的氧化還原電位升高，促進(jìn)了Fe2+、Mn2+以及鐵錳硫化物的氧化。沉積物中鐵是大量元素，是影響內(nèi)源磷釋放的主要因素。鐵對磷的調(diào)控主要有以下2個方面[12]：

反應(yīng)生成的Fe3+可與DIP結(jié)合生成不溶復(fù)合物（FeOOH–P）而吸附大量的磷，同時生成的氫氧化鐵膠體也可吸附一定量的磷元素。然而當(dāng)擾動懸浮結(jié)束時，沉積物沉降到底部，由于富含有機(jī)物質(zhì)，在微生物活動下開始被逐漸還原，使得沉積物環(huán)境處于1個相對厭氧的狀態(tài)，使得之前結(jié)合的不溶復(fù)合物（FeOOH-P）被還原，使得結(jié)合在上面的磷被釋放出來。一方面可能通過擴(kuò)散作用向上覆水釋放;另一方面也可能向其他形態(tài)磷，如鋁磷轉(zhuǎn)化。

2.2 鋁氧化物的調(diào)控 鋁磷主要結(jié)合在鋁氫氧化物上的磷，而該化合物是中性化合物，在中性或較低pH值非鈣質(zhì)湖庫中P遷移轉(zhuǎn)化受還原條件影響較小，但在pH較高條件下，鋁結(jié)合態(tài)P易于釋放[13]。但鋁氧化物對磷具有很大的吸附容量，一些湖泊富營養(yǎng)化華的內(nèi)源修復(fù)采用投加Al2（SO4）3來治理。在細(xì)顆粒中，由于主要是黏土成分，鋁氧化物含量遠(yuǎn)高于以二氧化硅為主要成分的砂質(zhì)粗顆粒，導(dǎo)致細(xì)顆粒中磷主要富集在鋁磷上。雖然受氧化還原條件影響較小，但對pH的變化非常敏感。隨河流輸入到湖泊中，藻類生長釋放堿性磷酸酶，使得水體pH上升，會導(dǎo)致細(xì)顆粒上鋁磷的釋放，造成水體富營養(yǎng)化。

2.3 鈣化合物的調(diào)控 沉積物中鈣化合物主要以碳酸鈣和羥基磷灰石等礦物存在，同時富集較為穩(wěn)定形態(tài)的磷。但是碳酸鹽平衡是開放水體最重要的緩沖體系，其所控制的溶液酸堿平衡、微生物反應(yīng)、礦物溶解與沉淀均可能對生源物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化和沉淀有重要影響。在堿性較高的湖泊中，藻類生長會導(dǎo)致水體pH值升高、CO2濃度降低，從而引起鈣化合物和P的共沉淀，使其得以沉積和固定[14]。沉積物中各個形態(tài)的磷目前已有大量的研究，但不同形態(tài)的磷的轉(zhuǎn)化過程目前仍需進(jìn)一步研究，一方面由于沉積物體系相比較于磷的龐大，磷在不同形態(tài)上的轉(zhuǎn)化難以觀測到;另一方面由于不同形態(tài)磷對環(huán)境條件如溶解氧、pH和氧化還原電位的敏感，導(dǎo)致實驗操作的困難，并且沉積物本身礦物種類的繁雜，異質(zhì)性也導(dǎo)致沉積物磷研究的困難和復(fù)雜性。

3 磷在顆粒物上分配的生態(tài)效應(yīng)

在自然水動力的影響下，粗細(xì)顆粒物被一同懸浮起來，但細(xì)顆粒由于粒徑較小，在水體中的停留時間較長，本身由于比表面積較大和較為活性的礦物，對磷的富集能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粗顆粒，具有更高的生態(tài)風(fēng)險。目前研究多集中于沉積物再懸浮過程中P在顆粒物—水界面間的分配過程和影響機(jī)制[15]，研究過程中基本都將顆粒物勻質(zhì)化處理，不同粒徑顆粒物異質(zhì)性考慮較少。實際上再懸浮顆粒物粒徑分布廣泛，其水力學(xué)遷移性、礦物組成、復(fù)合結(jié)構(gòu)及元素賦存形態(tài)等均存在顯著差別，再懸浮過程中界面過程及速率也存在顯著差別，元素生物地球化學(xué)行為在不同顆粒物之間存在巨大差別[16]。研究沉積物再懸浮過程中其顆粒物間的分配具有重要的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)。

3.1 對水庫的生態(tài)分區(qū)以及對下游生境的影響 目前國內(nèi)水利工程不斷興建，一方面是清潔能源，減少了火力發(fā)電對環(huán)境損害，另一方面也有利于減少下游的洪澇災(zāi)害。但是水庫的修建攔截了大量從上游輸入的泥沙，部分學(xué)者認(rèn)為上游的水利閘壩建造攔截了泥沙上富集的磷等營養(yǎng)元素，導(dǎo)致下游漁業(yè)生產(chǎn)受到影響;另一部分學(xué)者認(rèn)為，水庫攔截的大部分是難以懸浮的粗顆粒，富含大量氮磷等生源要素的細(xì)顆粒被懸浮起來未被攔截。在國際上仍然處于一個爭論的情況[17]。

3.2 對湖泊富營養(yǎng)化的影響 湖泊富營養(yǎng)化主要由于氮磷的過量輸入，而氮磷的輸入分為外源輸入和內(nèi)源輸入。一般湖泊輸入河流都具有強(qiáng)烈的水動力擾動條件和工業(yè)，農(nóng)業(yè)等點、面源的污染，外界輸入的磷被小顆粒富集，而小顆粒隨水體流動的遷移，向湖泊中輸入大量的富含磷的細(xì)顆粒，由于湖泊相比較河流較為穩(wěn)定的水動力環(huán)境，細(xì)顆粒沉降到底部，在微生物的作用下被釋放出來，造成嚴(yán)重內(nèi)源污染，影響湖泊水生態(tài)環(huán)境。

4 展望

目前對磷的研究大多將沉積物均相看待，而沉積物由于其粒度組成的差異，所處水動力條件的不同，不同粒徑顆粒物對磷的賦存能力以及攜帶遷移能力也不盡相同。因此，當(dāng)前對沉積物的研究應(yīng)該著眼于具有更高生態(tài)風(fēng)險的細(xì)顆粒上，而不是將沉積物作為一個整體進(jìn)行研究，應(yīng)該進(jìn)一步細(xì)化到顆粒物篩選上，才可以進(jìn)一步合理、準(zhǔn)確的研究磷在生態(tài)形態(tài)中的遷移和轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)

[1]俞慎，歷紅波.沉積物再懸浮-重金屬釋放機(jī)制研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19（07）：1724-1731.

[2]Ribbe J，Holloway P E.A model of suspended sediment transport by internal tides[J].Continental Shelf Research，2001，21（4）：395-422.

[3]Qian J，Zheng S S，Wang P F. Experimental Study on Sediment Resuspension in Taihu Lake under Different Hydrodynamic Disturbances[J].Jounal of Hydrodynamics，2011，23（6）：826-833

[4]Booth J G，Miller R L，Mckee B A，et al.Wind-induced bottom sediment resuspension in a microtidal coastal environment [J].Continental Shelf Research，2000，20（7）：785-806.

[5]陳聚法，趙俊，孫耀，等.桑溝灣貝類養(yǎng)殖水域沉積物再懸浮的動力機(jī)制及其對水體中營養(yǎng)鹽的影響[J].海洋水產(chǎn)研究，2007，28（3）：105-111.

[6]楊群慧，周懷陽，季福武，等.海底生物擾動作用及其對沉積過程和記錄的影響[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2008，23（9）：932-941.

[7]Hamer K，Karius V.Tributyltin release from harbour sediments--modelling the influence of sedimentation，bio-irrigation and diffusion using data from Bremerhaven.[J].Marine Pollution Bulletin，2005，50（9）：980-992.

[8]Liu C，Shao S，Shen Q，et al.Effects of riverine suspended particulate matter on the post-dredging increase in internal phosphorus loading across the sediment-water interface.[J].Environmental Pollution，2016，211：165-172.

[9]唐月明.京杭運(yùn)河船舶交通流特性研究[D].南京：東南大學(xué)，2016：28-31.

[10]Durrieu D M，F(xiàn)erre B，Le C G，et al.Trawling-induced resuspension and dispersal of muddy sediments and dissolved elements in the Gulf of Lion （NW Mediterranean）[J].Continental Shelf Research，2005，25（19-20）：2387-2409.

[11]Elser J，Bennett E.Phosphorus cycle：A broken biogeochemical cycle.[J].Nature 2011，478 （7367），29-31.

[12]李小平，程曦，陳小華，等.湖泊學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013：130-139.

[13]Huser B J，Egemose S，Harper H，et al.Longevity and effectiveness of aluminum addition to reduce sediment phosphorus release and restore lake water quality[J].Water Research，2016，97：122-132.

[14]Dittrich M，Gabriel O，Rutzen C，et al.Lake restoration by hypolimnetic Ca（OH）2 treatment：impact on phosphorus sedimentation and release from sediment[J].Science of The Total Environment，2011，409（8）：1504-1515.

[15]Huang L，F(xiàn)ang H W，F(xiàn)azeli M，et al.Mobility of phosphorus induced by sediment resuspension in the Three Gorges Reservoir by flume experiment.[J].Chemosphere，2015，134：374-379.

[16]Yi Q T，Chen Q W，Shi WQ，et al.Sieved transport and re-distribution of bioavailable phosphorus from watershed with complex river networks to lake[J].Environmental Science & Technology，2017，51（18）：10379-10386.

[17]Liu Q，Liu S，Zhao H，et al.The phosphorus speciations in the sediments up- and down-stream of cascade dams along the middle Lancang River[J].Chemosphere，2015，120：653-659.

（責(zé)編：張宏民）