淺談水生植物對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，其磷的釋放對富營養(yǎng)化的影響不可忽視。對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，吸收水體中磷營養(yǎng)物等特點，用于治理水體的富營養(yǎng)化，在國內(nèi)外已得到廣泛共識。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，沉積物中的磷形態(tài)有不同的分類方法，在國內(nèi)外都不一樣。對于富營養(yǎng)化水體沉積物中磷的分類，針對現(xiàn)今研究熱點，較多關(guān)注藻類可利用性磷。伴隨對沉積物中磷的研究逐步加深和提取方法的提高，目前，對各賦存形態(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，會變成可溶性磷并遷移至間隙水，成為容易被生物利用的無機磷，它們都是導致藻類爆發(fā)的重要磷營養(yǎng)物質(zhì);而閉蓄態(tài)磷(Oc-P)、自生鈣磷(ACa-P)、碎屑磷(De-P)、有機磷(Or-P)相對前三種磷形態(tài)要難被分解，對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，磷營養(yǎng)物質(zhì)在沉積物-水界面進行著一系列的遷移轉(zhuǎn)化過程，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，在沉積物中磷營養(yǎng)物質(zhì)還會發(fā)生如生物降解、同化等轉(zhuǎn)化作用�？偟膩碚f，磷從沉積物到上覆水需要經(jīng)過兩個階段，即顆粒態(tài)磷的活化與溶解態(tài)磷的擴散。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)磷活化過程;溶解態(tài)磷的擴散傳輸過程主要包括溶解態(tài)磷和間隙水向上的流動過程、間隙水中溶解磷的擴散過程以及水體與沉積物在界面的混合交換過程。
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的`介質(zhì)形態(tài)存在，即間隙水。對水體生態(tài)系統(tǒng)中磷的傳輸動力學而言，間隙水是一個非常重要的介質(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，為磷的擴散提供驅(qū)動力。
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顯著提高，一方面沉積物中的有機磷可以通過微生物生物解降作用轉(zhuǎn)化為無機磷，使得沉積物中磷的釋放增強;另一方面微生物在泥水界面的活動使沉積物再懸浮，同樣加強了沉積物磷的釋放。
2.2.2 化學影響因素
影響磷釋放的主要化學因素有以下幾個：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烈。Rydin 指出，當表層沉積物Eh 較高時，會使得Fe2+向Fe3+轉(zhuǎn)化，使Fe3+與磷組合變成不易溶解的磷鹽，而當Eh 較低(<200 mv)時，會使得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入間隙水，接著向上覆水中擴散，導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，當處于厭氧條件下時，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入間隙水，接著向上覆水中擴散，導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，顆粒態(tài)磷不易被釋放;當pH 偏離中性時，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：溫度升高時刺激沉積物整體礦化，將有機結(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)當上覆水磷濃度遠遠低于沉積物磷釋放臨界濃度值時，沉積物中的磷才會釋放;(2)由風吹、波浪等物理因素導致表層沉積物再懸浮，顯著地增加沉積物中磷的釋放量。
3 水生植物對沉積物中磷遷移轉(zhuǎn)化的影響研究
對于水體生態(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生境造成影響，同時還影響沉積物中磷的釋放與吸收。因此，越來越多的學者開始關(guān)注水生植物及其根系對沉積物中磷形態(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，吸收易溶性無機磷，如鐵磷、鋁磷等，還對鈣磷的沉積與釋放產(chǎn)生影響;而包先明等研究了苦草、金魚藻、石龍尾等六種沉水植物對五里湖沉積物磷形態(tài)的影響，結(jié)果表明，六種植物的生長明顯削減了沉積物中全磷，同時有效抑制鐵磷、有機磷等形態(tài)磷的釋放;另外，也有研究者就沉水植物對沉積物中有機磷、無機磷及其交換性磷的作用展開了研究。
水生植物對沉積物中磷遷移轉(zhuǎn)化的影響機制非常復(fù)雜，現(xiàn)有研究主要揭示出如下幾種：
3.1 根部釋氧
無論是實驗室還是野外調(diào)查中，水生植物對沉積物性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在對根際沉積物氧化還原電位的改變。水生植物通過光合作用，會釋放出氧氣，同時根部也會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，促進根部微生物活動，豐富的微生物群落使得沉積物中的富營養(yǎng)有機物降解為無機物[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)生有機質(zhì)
一方面有機質(zhì)自身是沉積物中重要磷源之一，另一方面有機質(zhì)會通過吸附磷影響釋磷。沉積物中的有機質(zhì)與植物生物量之間聯(lián)系緊密，水生植物死亡后的有機殘體會增加沉積物中有機質(zhì)含量，而沉積物中的有機質(zhì)與鐵的相互作用可以促進沉積物對磷的吸附作用。
3.3 植物生理生態(tài)結(jié)構(gòu)
Horppila 等研究顯示，對比無植被區(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而異，且在未過濾水中表現(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)速度則明顯高于對照。劉兵欽等的實驗指出，不同時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磷的酶促分解反應(yīng)為菹草維持低營養(yǎng)水平一個重要機制。
4 研究展望
從取得的大量研究成果來看，水生植物對沉積物中磷遷移的影響研究，主要集中于研究短期內(nèi)磷的動態(tài)變化，顯示出水生植物對水體和沉積物間物質(zhì)流動的重要性。這些研究選用的水生植物多數(shù)是沉水植物，對挺水植物的研究相對比較少，而對于沉水植物與挺水植物兩種不同類型的水生植物對比研究就更少了。不同的水生植物對沉積物中不同賦存形態(tài)磷的影響是不同的，因此，不同類型水生植物對沉積物中不同賦存形態(tài)磷的影響效果值得進一步探討。
5 結(jié)束語
水體生態(tài)系統(tǒng)中水生植物一方面通過吸磷作用將系統(tǒng)中的磷同化吸收，另一方面通過其根系及其生長活動可以改變根際沉積物的物理、化學和生物性質(zhì)，例如：氧化還原電位、pH、粘土比例、有機質(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程，影響的程度根據(jù)物種的不同而不同。因此，對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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