浅谈水生植物对沉积物中各赋存形态磷的影响研究论文
时间：2021-08-31浅谈水生植物对沉积物中各赋存形态磷的影响研究论文
沉积物中的磷是水体重要的内源污染物，其磷的释放对富营养化的影响不可忽视。对于抑制磷释放的措施很多，其中水生植物以其高效、低耗、低投资及有利于修复水生态环境，吸收水体中磷营养物等特点，用于治理水体的富营养化，在国内外已得到广泛共识。因此，研究沉积物中各赋存形态磷的释放规律、水生植物对沉积物中各赋存磷的影响是非常重要的。
1 沉积物中磷的赋存形态
磷在沉积物中有多种赋存形态，由于不同研究领域的特点，沉积物中的磷形态有不同的分类方法，在国内外都不一样。对于富营养化水体沉积物中磷的分类，针对现今研究热点，较多关注藻类可利用性磷。伴随对沉积物中磷的研究逐步加深和提取方法的提高，目前，对各赋存形态磷的分析采用改良的Ruttenbery 法，磷分为交换态磷(Ex-P)、铝磷(Al-P)、铁磷(Fe-P)、闭蓄态磷(Oc-P)、自生钙磷(ACa-P)、碎屑磷(De-P)、有机磷(Or-P)。其中交换态磷(Ex-P)、铝磷(Al-P)和铁磷(Fe-P)属于不稳态磷(labile phosphorus，LP)，这种磷在氧化还原等沉积物环境因素变化时，会变成可溶性磷并迁移至间隙水，成为容易被生物利用的无机磷，它们都是导致藻类爆发的重要磷营养物质;而闭蓄态磷(Oc-P)、自生钙磷(ACa-P)、碎屑磷(De-P)、有机磷(Or-P)相对前三种磷形态要难被分解，对间隙水和上覆水的影响较小。研究表明，大多数湖泊沉积物中不稳态磷占赋存形态磷总量的10 %左右，该种形态磷占有的比例是比较小的，但在富营养化湖泊中，沉积物中所有不稳态磷的量占全磷比例可达到35 %以上。
2 磷在沉积物-水界面的迁移转化及其影响因素
2.1 磷在沉积物—水界面的迁移转化
泥水界面是上覆水和沉积物之间至关重要的物质交换区，各形态磷在泥水界面的交换过程是水体生态系统物质循环中必不可少的部分。研究表明，磷营养物质在沉积物-水界面进行着一系列的迁移转化过程，如吸附-解吸作用，络合-解络作用，分配-溶解作用，沉淀-溶解作用，离子交换作用以及氧化还原作用等，在沉积物中磷营养物质还会发生如生物降解、同化等转化作用。总的来说，磷从沉积物到上覆水需要经过两个阶段，即颗粒态磷的活化与溶解态磷的扩散。沉积物再悬浮、解吸、含磷沉淀的溶解、配位体的交换、矿化和生物体分解等就是颗粒态磷活化过程;溶解态磷的扩散传输过程主要包括溶解态磷和间隙水向上的流动过程、间隙水中溶解磷的扩散过程以及水体与沉积物在界面的混合交换过程。
在淡水生态系统中沉积物的表面通常含有95 %到99 %的水，这些水中只有小部分与其他组分结合成水合物，大部分是以自由移动的介质形态存在，即间隙水。对水体生态系统中磷的传输动力学而言，间隙水是一个非常重要的介质。在绝大多数水体中上覆水和间隙水之间有很大的浓度梯度，间隙水中磷浓度大约比上覆水高5 到20 倍，为磷的扩散提供驱动力。
2.2 磷在沉积物—水界面的迁移转化的影响因素
泥水界面的微环境中，其条件变化与沉积物中各赋存形态磷释放有密切的关系。
2.2.1 微生物影响因素
若水体生态系统中微生物比较丰富，则沉积物中磷的释放量会显著提高，一方面沉积物中的有机磷可以通过微生物生物解降作用转化为无机磷，使得沉积物中磷的释放增强;另一方面微生物在泥水界面的活动使沉积物再悬浮，同样加强了沉积物磷的释放。
2.2.2 化学影响因素
影响磷释放的主要化学因素有以下几个：氧化还原电位、溶解氧、pH、温度。氧化还原电位：沉积物中磷的释放与磷的存在形态紧密联系，而对磷释放量大小产生影响的主要是不稳态磷，包括交换态磷、铝磷、铁磷，这几种形态磷中铁磷所占比例较高，所以沉积物中释磷量受铁磷的影响较强烈。Rydin 指出，当表层沉积物Eh 较高时，会使得Fe2+向Fe3+转化，使Fe3+与磷组合变成不易溶解的磷盐，而当Eh 较低(<200 mv)时，会使得Fe3+向Fe2+的转化，不易溶解的Fe(OH)3 与磷结合物变为可溶性Fe(OH)2，使PO43-从沉积物中溶解并进入间隙水，接着向上覆水中扩散，导致上覆水中磷浓度提高。溶解氧：由于泥水界面的'氧化还原状态主要受溶解氧影响，所以泥水界面的含氧量与铁磷的吸附和释放有密切关系，当处于厌氧条件下时，Eh 较低，提高Fe3+向Fe2+的转化量，使PO43-从表层沉积物中溶解并进入间隙水，接着向上覆水中扩散，导致上覆水中磷浓度提高。
pH：研究表明，pH 是表层沉积物中磷释放的重要影响因素，中性范围时，颗粒态磷不易被释放;当pH 偏离中性时，使颗粒态磷失稳，变为活化磷，释磷量显著增大，溶解性磷的释放量与pH 呈“U”型相关。温度：温度升高时刺激沉积物整体矿化，将有机结合态磷从沉积物中释放到间隙水，除了这种直接效果，还能提高微生物活性，降低表层沉积物的氧化还原电位，这些都可能促使Fe3+还原为Fe2+，导致铁结合态磷的释放。
2.2.3 物理影响因素受物理因素
影响可以总结为：(1)当上覆水磷浓度远远低于沉积物磷释放临界浓度值时，沉积物中的磷才会释放;(2)由风吹、波浪等物理因素导致表层沉积物再悬浮，显著地增加沉积物中磷的释放量。
3 水生植物对沉积物中磷迁移转化的影响研究
对于水体生态系统，水生植物占据着生态系统的关键界面，不仅以自身的形态特性、种群构成特性及生理活性对生境造成影响，同时还影响沉积物中磷的释放与吸收。因此，越来越多的学者开始关注水生植物及其根系对沉积物中磷形态的影响，如有利用沉水植物黑藻，研究其对湖泊不同深度沉积物及其间隙水中各赋存形态磷含量的影响，研究发现黑藻主要影响根系所在层的磷含量，吸收易溶性无机磷，如铁磷、铝磷等，还对钙磷的沉积与释放产生影响;而包先明等研究了苦草、金鱼藻、石龙尾等六种沉水植物对五里湖沉积物磷形态的影响，结果表明，六种植物的生长明显削减了沉积物中全磷，同时有效抑制铁磷、有机磷等形态磷的释放;另外，也有研究者就沉水植物对沉积物中有机磷、无机磷及其交换性磷的作用展开了研究。
水生植物对沉积物中磷迁移转化的影响机制非常复杂，现有研究主要揭示出如下几种：
3.1 根部释氧
无论是实验室还是野外调查中，水生植物对沉积物性质的影响主要体现在对根际沉积物氧化还原电位的改变。水生植物通过光合作用，会释放出氧气，同时根部也会向根际沉积物释放出氧气，使得根际沉积物和间隙水的氧化还原电位升高，pH 降低，并改变沉积物中的金属离子状况，以至影响到沉积物对磷的吸附和释放的能力。根区沉积物的氧化还原电位升高，有助于Fe2+向Fe3+的转换，并使Fe3+与磷酸盐络合成难溶的磷酸铁保存在沉积物中。
根部呼吸释放氧气还可以给某些微生物提供所需要的微环境，促进根部微生物活动，丰富的微生物群落使得沉积物中的富营养有机物降解为无机物[7]。水生植物使得根际沉积物形成有氧和缺氧的不同区域，给微生物提供所需要的不同生境，比如吸磷菌和解磷菌。
3.2 产生有机质
一方面有机质自身是沉积物中重要磷源之一，另一方面有机质会通过吸附磷影响释磷。沉积物中的有机质与植物生物量之间联系紧密，水生植物死亡后的有机残体会增加沉积物中有机质含量，而沉积物中的有机质与铁的相互作用可以促进沉积物对磷的吸附作用。
3.3 植物生理生态结构
Horppila 等研究显示，对比无植被区域，浮叶植物、沉水植物与挺水植物能够将内源磷负荷平均降低了21、12 与26mg/(m2·d)。影响原因是水生植物在沉积物与上覆水界面间形成一道保护屏障，减少了沉积物中的磷向上覆水释放。
3.4 降低碱性磷酸酶活性
水生植被能降低水样和表层沉积物酶的催化效率，抑止作用因植物种类而异，且在未过滤水中表现的尤为突出。水生植物种植区表面沉积物的低酶活性是其中有机磷不易矿化故得以保持从而改善水质的可能原因，而深层沉积物酶的反应速度则明显高于对照。刘兵钦等的实验指出，不同时期菹草生物量较高的沉积物表现较低的碱性磷酸酶活性与最大反应速度，推断出延缓沉积物有机磷的酶促分解反应为菹草维持低营养水平一个重要机制。
4 研究展望
从取得的大量研究成果来看，水生植物对沉积物中磷迁移的影响研究，主要集中于研究短期内磷的动态变化，显示出水生植物对水体和沉积物间物质流动的重要性。这些研究选用的水生植物多数是沉水植物，对挺水植物的研究相对比较少，而对于沉水植物与挺水植物两种不同类型的水生植物对比研究就更少了。不同的水生植物对沉积物中不同赋存形态磷的影响是不同的，因此，不同类型水生植物对沉积物中不同赋存形态磷的影响效果值得进一步探讨。
5 结束语
水体生态系统中水生植物一方面通过吸磷作用将系统中的磷同化吸收，另一方面通过其根系及其生长活动可以改变根际沉积物的物理、化学和生物性质，例如：氧化还原电位、pH、粘土比例、有机质含量、金属离子的数量和形式及磷的吸附能力等，由此影响磷在沉积物和上覆水之间的迁移过程，影响的程度根据物种的不同而不同。因此，对水生植物根际沉积物的研究具有重要的环境意义。
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