沉積物再懸浮氮磷釋放的機(jī)制與影響因素

劉 偉， 周 斌， 王丕波， 陳慶鋒， 馬君健， 李 青， 張 婧

(1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院), 山東省分析測試中心, 濟(jì)南 250014； 2.山東省海洋生態(tài)與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，青島 266061；3. 國家海洋局北海海洋工程勘察研究院, 青島 266061)

氮、磷是水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要營養(yǎng)物質(zhì)，是水生生物生產(chǎn)力的限制性因子[1]。水體中的氮磷可通過吸附等作用沉降富集在沉積物中，同時沉積物中的氮磷也會在一定條件下會向水體中釋放[2-3]，從而使沉積物在不同條件下分別飾演著水體氮磷源匯的角色。沉積物是水生態(tài)環(huán)境中氮磷的重要儲庫，對水體氮磷的循環(huán)有著十分重要的意義。研究表明，沉積物中的氮磷在擾動尤其是人為擾動下，沉積物自身及間隙水中的營養(yǎng)鹽將得以釋放，重新進(jìn)入水體參與其生物地球化學(xué)再循環(huán)。沉積物中巨大的氮磷存儲量在再懸浮釋放后，必定會對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響[4-6]。沉積物-水界面上的氮磷釋放對水生生態(tài)系統(tǒng)具有重要的意義。

本文針對沉積物再懸浮過程中氮磷釋放這一科學(xué)問題，在對沉積物再懸浮的誘因和方式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)探討沉積物再懸浮氮磷釋放的機(jī)制和影響因素，提出下一步研究應(yīng)著重關(guān)注的問題，為進(jìn)一步明確沉積物再懸浮過程對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響提供依據(jù)。

1 沉積物再懸浮的誘因

外力干擾沉積物產(chǎn)生切應(yīng)力，當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到引起沉積物顆粒移動的程度，即達(dá)到了沉積物再懸浮的臨界切應(yīng)力的時候，再懸浮現(xiàn)象就會發(fā)生[7-8]。引起沉積物再懸浮的因素很多，尤其是在河流入海口、淺水湖泊、潮間帶等受人類活動影響明顯的區(qū)域更為復(fù)雜，風(fēng)浪、人類活動、生物活動都會引起沉積物再懸浮。

1.1 自然因素

引起沉積物再懸浮的自然因素包括海洋及湖泊底部水體流動和風(fēng)浪作用引起的底部水體擾動。Yuan等[9]發(fā)現(xiàn)底部海水潮汐流運動是膠州灣口沉積物再懸浮的主要原因。雷蕾等[10]對長江口啟海港的研究顯示該港區(qū)海域的懸浮物濃度與水體流速成正相關(guān)性。水體表面受風(fēng)力作用產(chǎn)生風(fēng)浪，當(dāng)能量傳遞到水體底部時，會引起沉積物的再懸浮，沉積物的再懸浮強(qiáng)度與水面風(fēng)速有明顯正相關(guān)關(guān)系[11]。對水深較淺的海灣和湖泊而言，風(fēng)浪和底部水流的共同作用導(dǎo)致了沉積物的再懸浮，風(fēng)浪的作用要比底部水流運動產(chǎn)生的影響更為明顯[12]，風(fēng)浪對沉積物表面的切應(yīng)力要比底層水流對沉積物的切應(yīng)力高出幾個數(shù)量級[13]。Paphitis等[14]對希臘Thermaikos灣沉積物再懸浮現(xiàn)象的研究也支持了上述觀點。但對深海沉積物來說，潮流運動則為沉積物再懸浮的主要影響因素。

1.2 人類活動

人類活動引起的沉積物再懸浮會引起沉積物再懸浮突然加劇，水體中懸浮物濃度瞬間升高，造成影響的范圍廣、強(qiáng)度大，其具體的方式有吹填、傾廢區(qū)傾廢、疏浚、底拖網(wǎng)、采砂、海底電纜施工等。如海洋傾廢過程中，5 000 m3/h的耙吸式挖泥船拋泥后，造成的懸浮物進(jìn)入海水中的速率可達(dá)1 t/s之多[15]。在疏浚、海底施工等過程中，由于施工工具的攪動，大量細(xì)小的沉積物再懸浮形成顆粒物云團(tuán)，在水體保持一定時間并隨水流的運動遷移，進(jìn)而對生態(tài)環(huán)境造成影響。如疏浚土的水上傾拋會使拋泥點周圍海域浮游植物種類和密度因懸浮物含量升高造成一定程度的減小[16]。波浪和海流共同影響了人類活動引起的再懸浮沉積物的遷移過程。吳瑞貞等[17]通過數(shù)模研究指出，波浪是影響大亞灣傾廢區(qū)疏浚產(chǎn)生的懸浮物濃度的主要因素，二者顯著正相關(guān)，而海流則是疏浚物擴(kuò)散方向的主要影響因子。

1.3 生物擾動

底棲生物的爬行、掘穴、攝食等活動可引起沉積物在垂直和水平方向上小范圍的擾動。同時底棲生物的活動會造成沉積物變得疏松，從而會使水流和波浪作用更容易引起再懸浮。有研究顯示，Narragansett 海灣云母蛤引起的沉積物總懸浮物量每年可達(dá)20 kg/m2左右[18]。Yahel等[19]認(rèn)為比目魚的活動是造成加拿大Saanich灣沉積物再懸浮的主要因素，再懸浮擾動面積要高于100 m2/d。底棲生物掘穴等活動導(dǎo)致氧含量較高的上覆水進(jìn)入還原態(tài)較高的深層沉積物中，進(jìn)而提高沉積物氧化還原電位影響氮磷釋放[20]。

不同誘因引起的沉積物再懸浮強(qiáng)度見表1。總起來看，人類活動引起的沉積物再懸浮強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于自然因素。

表1 不同誘因下的沉積物再懸浮強(qiáng)度Table 1 Sediment resuspension intensity caused by different inducement

2 沉積物再懸浮氮磷釋放機(jī)制

沉積物中氮磷的釋放可通過靜態(tài)擴(kuò)散作用和擾動條件下沉積物-水界面破壞引起的釋放兩種形式進(jìn)行。無論靜態(tài)擴(kuò)散還是擾動條件下的動態(tài)釋放，氮磷進(jìn)入水體的方式均包括沉積物表面與內(nèi)部氮磷的轉(zhuǎn)化遷移，及沉積物間隙水中氮磷的直接釋放。

2.1 沉積物氮的遷移釋放機(jī)制

氮在沉積物-水界面的遷移釋放實質(zhì)上是不同氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。氮元素交換以氨態(tài)氮(NH4-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、亞硝態(tài)氮(NO2-N)及有機(jī)態(tài)氮等多種形態(tài)進(jìn)行。各種形態(tài)之間通過硝化作用、反硝化作用、氨化作用、礦化作用等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時也通過溶解和擴(kuò)散這種簡單的物理過程在界面之間進(jìn)行遷移。在沉積物-水界面上，硝化作用和反硝化作用是主要的作用形式[24]，二者通常主要發(fā)生在沉積物表面幾厘米的厚度上[25]。沉積物中的有機(jī)態(tài)氮在礦化作用下轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮直接進(jìn)入水體，或者被進(jìn)一步氧化成硝態(tài)氮再進(jìn)入水體，同時水體中的硝態(tài)氮等也能反向進(jìn)入沉積物中。在沉積物的厭氧層中，在反硝化作用下硝態(tài)氮會被還原成氮氣而從水體逸出。沉積物對不同形態(tài)的氮釋放量并不相同，相對而言硝態(tài)氮(NO3-N)和氨態(tài)氮(NH4-N)容易從沉積物中溶解和擴(kuò)散進(jìn)入水體。沉積物-水界面上氮的遷移轉(zhuǎn)化過程見圖1[26-27]。

圖1 沉積物-水界面氮的遷移轉(zhuǎn)化過程Fig.1 Migration and transformation of nitrogen at sediment-water interface

沉積物的再懸浮過程帶來的環(huán)境條件變化會顯著影響上述作用過程。研究顯示，再懸浮過程產(chǎn)生的有氧環(huán)境將促進(jìn)氨態(tài)氮(NH4-N)向硝態(tài)氮(NO3-N)的轉(zhuǎn)化[28]。Richey等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，沉積物再懸浮產(chǎn)生的大量顆粒物為硝化反應(yīng)提供了活性位點，進(jìn)而引起硝酸鹽的大量釋放。余暉等[30]的研究也支持了上述結(jié)果，其實驗結(jié)果顯示1.9 g/L顆粒物含量的水體的硝化速率是0.35 g/L顆粒物含量水體硝化速率的2倍左右。沉積物間隙水中的氮中以氨態(tài)氮(NH4-N)為主要的存在形式。一般來講，間隙水中硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮垂向上隨深度的增加而降低，但氨態(tài)氮則隨深度的增加逐漸升高。靜止?fàn)顟B(tài)下間隙水中的氮向上覆水體的釋放主要取決于擴(kuò)散過程，外力引起的沉積物再懸浮過程將會改變間隙水和上覆水之間的壓力差，促進(jìn)間隙水中各種形態(tài)氮的直接釋放[31]。

2.2 沉積物磷的遷移釋放機(jī)制

圖2 沉積物-水界面磷的遷移轉(zhuǎn)化過程Fig.2 Migration and transformation of phosphorus at sediment-water interface

沉積物中的有機(jī)態(tài)磷在微生物的礦化作用下可轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)磷，并且再懸浮引起的氧化還原條件更為有利而加速有機(jī)態(tài)磷的生物礦化過程，從而使再懸浮顆粒物中礦化釋放的磷成為上覆水體磷的重要來源。St?hlberg等[37]的室內(nèi)模擬實驗研究表明，在懸浮/靜止(12 h/12 h)交替條件下，沉積物的礦化速率是完全靜止條件的2倍，而若每隔1～2 d進(jìn)行一次5 s的短時間再懸浮，礦化速率可提升至5倍。另外，最新研究結(jié)果表明再懸浮后的沉積物顆粒還可以通過光化學(xué)分解作用釋放無機(jī)態(tài)的磷酸鹽，這意味著再懸浮至表層水體的細(xì)粒徑沉積物因其長時間受光照影響，有機(jī)態(tài)磷會發(fā)生光化學(xué)分解而釋放更多的磷酸鹽[38]。

3 沉積物再懸浮氮磷釋放的影響因素

沉積物再懸浮過程中，水體的理化性質(zhì)[如pH、鹽度、溫度、溶解氧(DO)和氧化還原電位等]、沉積物的理化性質(zhì)(如粒徑、氮磷賦存形態(tài)等)、沉積物再懸浮強(qiáng)度(擾動時間和強(qiáng)度)等均會影響到氮磷的釋放。沉積物中氮磷釋放進(jìn)入上覆水體的機(jī)制和影響因素示意圖見圖3。

圖3 沉積物氮磷釋放的影響因素Fig.3 Factors affecting the release of nitrogen and phosphorus from sediment

3.1 水體的理化性質(zhì)

3.1.1 pH

pH是影響沉積物-水界面化學(xué)平衡和氧化還原環(huán)境的重要因素，pH的改變有利于某些礦物的溶解和組分的轉(zhuǎn)化。付春平等[39]發(fā)現(xiàn)，三峽庫區(qū)沉積物總氮的釋放量隨pH的增大而減小。低pH能抑制硝化作用，促進(jìn)沉積物-水界面氨氮(NH4-N)交換，從而使氨氮(NH4-N)的釋放更為迅速[40]。相對于氮來說，pH對沉積物中磷的釋放影響更為明顯。沉積物中磷的釋放與pH呈現(xiàn)出拋物線型的相關(guān)性，中性pH環(huán)境下磷容易與沉積物中的金屬離子結(jié)合從而固定在沉積物中，因此中性pH條件下磷的釋放量最小，而在低pH或高pH的情況下沉積物磷的釋放量均增大[41]。

3.1.2 鹽度

鹽度代表了水體中的電解質(zhì)濃度，其也是影響沉積物-水界面氮磷交換的重要因素，各種鹽離子如Na+、Ca2+、Mg2+等與氮磷形成對沉積物的競爭吸附關(guān)系。Rysgaard等[42]指出，在低鹽度條件下，沉積物對氨氮(NH4-N)的吸附能力與鹽度成反比。鹽度通過影響磷與陰離子在沉積物吸附點位上的競爭吸附而影響磷在沉積物-水界面的吸附釋放特性[43]，從而低鹽度的淡水區(qū)域沉積物對磷(PO4-P)的吸附能力較強(qiáng)[44]。

3.1.3 溫度

溫度對沉積物中氮磷的釋放影響是多方面的，它能夠影響硝化、反硝化、氨化等反應(yīng)的速率，也影響有機(jī)質(zhì)的分解和礦化速率，從而影響沉積物-水界面氮磷的釋放與吸附。通常來說，在一定范圍內(nèi)溫度越高，反應(yīng)的速率越快。如研究表明，水體溫度在40 ℃時，沉積物中氨氮的釋放速率是30 ℃的7倍之多[45]，這說明溫度升高可以加快氨化作用，從而促進(jìn)銨態(tài)氮的釋放。胡國山等[46]探討了10、25、30 ℃時的反硝化過程，結(jié)果顯示溫度在25、 30 ℃時的反硝化速率要遠(yuǎn)高于10 ℃時的速率。而溫度每升高1～3 ℃，沉積物中磷的釋放量也將會增加9%～57%之多[47]。溫度的升高也會影響沉積物中微生物的生理活性，增加微生物的生長繁殖速度，使沉積物中的有機(jī)質(zhì)更容易分解釋放。微生物活性增加的同時氧氣消耗量增大，溶解氧減小，降低氧化還原電位，也會進(jìn)一步改變氮磷的釋放量。

3.1.4 溶解氧(DO)和氧化還原電位

氧化還原電位與溶解氧(DO)密切相關(guān)，高溶解氧狀態(tài)下為氧化狀態(tài)，反之則呈還原狀態(tài)。二者影響著有機(jī)質(zhì)的分解和營養(yǎng)鹽的賦存形態(tài)，成為控制沉積物-水界面氮磷遷移的關(guān)鍵因素[48]。沉積物中的有機(jī)質(zhì)礦化分解后釋放進(jìn)入間隙水，進(jìn)而釋放進(jìn)入上覆水中。Kim等[49]指出，上覆水中氧濃度的變化控制沉積物中的硝化和反硝化過程。代政等[50]通過模擬實驗得出，好氧條件下釋放到水體中的硝態(tài)氮(NO3-N)增加。低溶解氧環(huán)境則有利于沉積物中磷的釋放，當(dāng)沉積物再懸浮于溶解氧低的水體中時，沉積物-水界面的活性磷釋放活躍，并有可能形成缺氧環(huán)境和沉積物釋磷之間的正反饋機(jī)制，從而加劇磷的釋放[51]。與之相反，氨氮則在好氧條件下更容易釋放[52]。

3.2 沉積物性質(zhì)

3.2.1 粒徑

沉積物粒徑直接影響到沉積物的再懸浮程度，從而影響再懸浮過程中氮磷在沉積物和水界面上的再分配，粒徑小的細(xì)顆粒沉積物很容易在外力擾動下發(fā)生再懸浮。沉積物粒徑越小，其比表面積越大，沉積物中的氮磷釋放速率越高，但同時也會造成對水體中氮磷的吸附效應(yīng)增強(qiáng)。Wang等[53]的研究表明，沉積物在再懸浮過程中細(xì)粒徑沉積物對上層水體氨氮(NH4-N)的貢獻(xiàn)最大，粒徑越大對氨氮的貢獻(xiàn)越小，而硝態(tài)氮(NO3-N)以中粒徑的貢獻(xiàn)為最大。沉積物中磷的釋放也有著類似的結(jié)果，孫士權(quán)等[54]的研究結(jié)果指出即便在不同的上覆水流速度下，35 μm 粒徑的沉積物磷的釋放量均要大于130 μm粒徑的釋放量。但必須注意到的是，細(xì)粒徑的沉積物在釋放較多氮磷的同時也會對氮磷有較大的吸附量。李旺等[55]通過實驗分析了三峽庫區(qū)長壽、忠縣、奉節(jié)三個地區(qū)泥沙對磷的吸附情況，結(jié)果顯示顆粒粒徑越細(xì)，磷的最大平衡吸附量就越大。

3.2.2 沉積物氮磷賦存形態(tài)

沉積物中氮磷的賦存形態(tài)對再懸浮時沉積物內(nèi)源氮磷的釋放起著重要的作用。沉積物中一部分氮磷結(jié)合固定在沉積物的晶格中，另一部分以各種形式參與相應(yīng)的生物地球化學(xué)過程。如沉積物中氮通?？梢苑譃榭赊D(zhuǎn)化態(tài)及非轉(zhuǎn)化態(tài)兩種，而可轉(zhuǎn)化態(tài)又可繼續(xù)細(xì)分，包括離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)態(tài)和硫化物結(jié)合態(tài)幾種形態(tài)[56]。沉積物中磷通?？梢苑譃槿跷綉B(tài)、鐵結(jié)合態(tài)磷、鋁結(jié)合態(tài)磷及鈣結(jié)合態(tài)磷等[57]。不同賦存形態(tài)的氮磷生物地球化學(xué)差異較大，當(dāng)沉積物再懸浮時，離子交換態(tài)氮和弱吸附態(tài)磷與沉積物結(jié)合最弱，會最先釋放到水體中，隨后其他各種形態(tài)的氮磷依次釋放。這些可以釋放的氮磷也稱為生物可利用性氮磷，當(dāng)沉積物受到擾動引發(fā)再懸浮時，會將這部分氮磷逐漸釋放至水體。研究顯示，從時間尺度上來看，一年以內(nèi)沉積物釋放的氮均由離子交換態(tài)提供[4]。非轉(zhuǎn)化態(tài)氮磷以礦物晶格等形式固定，難以從沉積物中釋放入水體[58]。

3.3 擾動時間與強(qiáng)度的影響

當(dāng)再懸浮發(fā)生時，大量沉積物分布于上覆水中，一次再懸浮擾動引起的上覆水磷濃度增加比自由擴(kuò)散產(chǎn)生的高出數(shù)十倍[59]。在自然條件下，大風(fēng)浪的頻繁擾動成為水體內(nèi)源氮磷釋放的主要方式之一，對水中藻類爆發(fā)前氮磷營養(yǎng)鹽的供給有著重要作用。擾動時間和擾動強(qiáng)度是決定沉積物再懸浮程度的關(guān)鍵因素。李大鵬等[60]通過模擬研究顯示，擾動時間越長，上覆水中溶解性總磷的濃度越高，并且擾動會促進(jìn)沉積物中易釋放態(tài)磷向難釋放態(tài)磷的轉(zhuǎn)化。但隨著擾動時間的增加，水中磷的增加速率會逐漸減慢。Wang等[53]在不同震蕩速率下對沉積物無機(jī)氮的釋放進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示較高震蕩速率下(120 r/min)水體中氨氮(NH4-N)的濃度最高，震蕩速率較低的情況下(60 r/min)氨氮(NH4-N)的釋放量較小，對于硝態(tài)氮(NO3-N)而言，震蕩速率與水體中濃度卻負(fù)相關(guān)。波浪水槽實驗可以用于研究沉積物再懸浮氮磷釋放對水體的影響，孫振紅等[61]的研究結(jié)果指出沉積物加波液化后上覆水中總磷的濃度是沉積物靜止階段上覆水中的59倍，水中總氮濃度也提高了數(shù)倍，并且隨著波高的增加水中氮磷濃度逐漸增加，說明再懸浮強(qiáng)度顯著影響沉積物中氮磷的釋放。

4 結(jié)論

再懸浮沉積物氮磷的釋放是水體內(nèi)源氮磷來源研究的熱點問題，沉積物再懸浮釋放氮磷會對水環(huán)境質(zhì)量和水生生物產(chǎn)生重要影響。學(xué)者們對沉積物再懸浮的動力來源與發(fā)生機(jī)制、沉積物-水界面氮磷釋放的機(jī)制、沉積物再懸浮氮磷釋放的影響因素等方面進(jìn)行了許多有益的探索?？偨Y(jié)分析了近些年來沉積物再懸浮氮磷釋放的研究進(jìn)展，目前該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和主要研究結(jié)論歸納如下：①波浪與水流、人類活動、生物擾動是沉積物再懸浮的主要誘因；②各形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化、溶解與遷移為氮磷在沉積物-水界面的釋放機(jī)制; ③沉積物再懸浮釋放氮磷的關(guān)鍵因素包括上覆水體pH、鹽度、溫度、溶解氧與氧化還原電位等理化性質(zhì)，沉積物的粒徑及賦含氮磷的形態(tài)，擾動時間與強(qiáng)度等，各因素單獨或通過相互作用影響氮磷從再懸浮沉積物中的釋放過程。

到目前為止，盡管關(guān)于沉積物再懸浮過程氮磷釋放進(jìn)行了不少研究，但再懸浮氮磷釋放的過程、機(jī)制及效應(yīng)等仍有很多問題尚未闡明，存在的問題和下一步研究重點如下。

(1)再懸浮過程沉積物釋放氮磷釋放的動力學(xué)過程尚不清晰。以往研究主要局限在研究某一特定因子如水體理化性質(zhì)、沉積物性質(zhì)對氮磷釋放的影響程度方面，但對于釋放后氮磷隨水體的流動、擴(kuò)散、形態(tài)轉(zhuǎn)化及受環(huán)境因素的影響方面尚很少深入。因此應(yīng)在上述環(huán)境因子影響研究的基礎(chǔ)上，建立氮磷釋放的動力學(xué)預(yù)測模型，從時間尺度和空間尺度上評估沉積物再懸浮后氮磷釋放對水體環(huán)境的影響。

(2)再懸浮沉積物釋放后氮磷的生物影響程度仍不明確。以往研究主要集中于再懸浮后水體氮磷濃度的變化。而氮磷釋放后究竟有多少被生物所利用，有多少重新被吸附沉淀回到沉積物中，對水體中生物生長繁殖的影響程度究竟多大，這些問題尚待進(jìn)一步探究。