沉积物短期扰动下BAPP再生和转化机制

以太湖梅梁湾的沉积物和上覆水为材料,研究了沉积物不同扰动方式条件下,悬浮物中不同形态磷数量分布的变化特征,并且探讨了其对悬浮物中可被生物利用颗粒态磷(BAPP)的影响.结果表明,扰动使得上覆水中溶解性磷酸盐(DIP)的含量有所降低,与反复扰动相比,持续扰动作用下的下降幅度略大.试验期间,悬浮物中弱吸附态磷(NH4Cl-P)、钙结合态磷(Ca-P)与残余磷(Res-P)占总磷(Tot-P)的百分比平均值分别增加了2.97%、12.23%、4.09%(持续扰动)和3.53%、10.35%、2.07%(反复扰动),非闭蓄态铁铝结合态磷(Fe/Al-P)则分别下降了5.55%(持续扰动)、1.78%(反复扰动),说明扰动促进了易释放态磷向难释放态磷的转化.然而,悬浮物上BAPP含量却未相应降低,反而升高,分别从20.68%(初始状态)升高至49.27%(平均值,持续扰动)和57.92%(平均值,反复扰动).这表明单纯地以悬浮物中的NH4Cl-P、非闭蓄态Fe/Al-P等易释放态磷来估算BAPP是不合理的.     

不同扰动强度下城市重污染河道底泥对磷吸收和固定的影响

以重污染河道底泥和上覆水为材料,研究了周期性加入外源磷条件下,不同扰动强度下底泥吸附和固定磷的作用机制.结果表明,扰动可以增加底泥对外源磷的吸附,而且扰动强度越大,底泥对外源磷吸附效率越高.另外,尽管加入的磷以溶解性磷酸盐(DIP)形态存在,但扰动强化了DIP向颗粒态磷(PP)的转化,从而降低了水体中生物可利用磷含量.内源磷形态分析表明,弱吸附态磷(NH4Cl-P)呈降低趋势,而铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷(HCl-P)和残渣磷(Res-P)均呈增加趋势,但以Fe/Al-P增加幅度最大(占总磷的百分比超过80%,以3种扰动强度下平均值计).结合到非闭蓄态Fe/Al-P中的外源磷逐渐增加占Fe/Al-P净增加量的百分比分别为37.49%(100 r·min-1)、42.32%(200 r·min-1)、54.24%(300r·min-1),导致闭蓄态铁铝结合态磷净增加量占总磷净增加量的百分比随扰动强度增加有所降低,同样,钙结合态磷的变化趋势也基本一致.说明在较短的时间尺度上和较大的扰动强度下,连续加入的外源磷主要以易释放态磷形式存在,即底泥对外源磷的吸附以暂时性的持留为主.     

湖泊沉积物短时间反复扰动下悬浮物上生物有效磷的动态变化

以太湖梅梁湾、月亮湾的沉积物和上覆水为材料,研究了较短时间尺度和沉积物反复扰动条件下,悬浮物中不同形态生物有效磷数量分布的变化特征.结果表明,随着扰动次数的增加,上覆水中藻类可利用磷(AAP)占溶解态总磷(DTP)的百分比均有所降低.试验期间,悬浮物中弱吸附态磷(NH4Cl-P)、可被生物利用颗粒态磷(BAPP)占总磷(Tot-P)的百分比平均值分别增加了3.5%、37.3%(梅梁湾)和2.0%、50.7%(月亮湾).梅梁湾悬浮物上AAP含量及其占Tot-P的百分比随扰动次数增加而增加,月亮湾则恰好相反.扰动期间,悬浮物上BAPP含量始终大于NH4Cl-P和AAP之和,表明BAPP的80%是由NH4Cl-P和AAP组成的.这也暗示了,仅仅以悬浮物中NH4Cl-P、AAP来估算BAPP存在一定的不合理性.     

反复扰动下加藻对不同形态磷相互转化的影响

以太湖梅梁湾沉积物和上覆水为材料,研究了反复扰动下加藻与否对沉积物中不同形态磷数量分布的影响.试验结束时,对照试验、单纯反复扰动、加藻反复扰动其上覆水中溶解性总磷(DTP)含量依次增加了75%、62.5%和18.8%,单纯反复扰动和加藻反复扰动试验上覆水中溶解性无机磷(DIP)浓度分别增加了300%和100%.加藻反复扰动和单纯反复扰动下,沉积物中钙磷(Ca-P)的净减少量分别为31mg/kg DW和 9mg/kg DW.表明, DTP和DIP的释放主要取决于沉积物中铁铝结合态磷(Fe/Al-P)和Ca-P的减少量.沉积物中Fe/Al-P和 Ca-P的含量有所降低,主要归因于反复扰动和藻类的同化吸收作用.然而,加藻反复扰动和单纯反复扰动下,藻类可利用磷(AAP)却有所增加.这表明藻类浓度较低时,其对磷的吸附同化量明显低于沉积物中Fe、黏土颗粒以及CaCO3的吸附量.尽管AAP的形成与还原速率很难测定,但其却可以很好地表征沉积物中内源磷的生物有效性.加藻反复扰动下,Ca-P的含量持续降低,这表明藻类吸附同化了部分Ca-P.因此,在一定藻浓度条件下,可用沉积物中NH4Cl-P, AAP, %Ca-P的和来表征生物有效磷(BAP)含量.     

太湖梅梁湾和月亮湾春夏两季沉积物扰动下BAPP的转化规律

采用室内模拟试验研究了沉积物扰动下上覆水中可被生物利用颗粒态磷(BAPP)的变化规律,并分析了BAPP与悬浮物中内源磷间的内在联系.试验用沉积物分别于春季和夏季采自太湖梅梁湾和月亮湾.结果表明,沉积物扰动降低了上覆水中生物有效磷(BAP)含量,降至初始状态的40%左右.BAPP也明显降低,其占BAP的百分比稳定在50%左右,梅梁湾春季除外.扰动状态下颗粒态磷(PP)生物有效性显著降低,第12h时,BAPP占PP的百分比仅为10%左右;这与悬浮物中NH₄Cl-P和Fe/Al-P的降低明显相关,但其与 (AAP+NH₄Cl-P)占Tot-P的百分比相关性更好[r=0.565(n=48)].这暗示,沉积物扰动可能延缓了水体富营养化发展进程.     

扰动状态下pH值对内源磷生物有效性的影响

为了阐明底泥扰动状态下pH值对内源磷生物有效性的影响机制,以富营养化河流的底泥和上覆水为材料,通过实验室试验模拟了不同初始pH值条件下,底泥扰动对上覆水中溶解性磷酸盐(SRP)和底泥中生物有效磷(BAP)含量的影响。结果表明,底泥扰动显著降低了上覆水中SRP含量,其去除率随着初始pH值升高而降低。去除率从大到小依次排序为,pH5>pH7>pH9.5.SRP的去除与较低初始pH值条件下生成的非晶型铁氧化物有关。基于不同形态磷的迁移活性,采用NH4Cl-P+%BD-P(非闭蓄态Fe-P)+NaOH-nrP估算BAP是合理的.由此计算可知,BAP占总磷(Tot-P)的百分比随着初始pH值升高而降低。不同初始pH值条件下,BAP占Tot-P的百分比为33.36%(3种初始pH值条件下的平均值),该值远小于通过传统方法计算的BAP含量占Tot-P的百分比(平均为85.04%)。但由于2种方法中计算的BAP占Tot-P的百分比的变化趋势恰好相反,其与藻类可利用磷的变化密切相关。     

扰动和加藻共同作用下太湖沉积物中形态磷变化规律

为了阐明反复扰动下,不同初始浓度藻对沉积物中各形态磷释放的影响.以太湖梅梁湾沉积物和上覆水作为研究材料,探讨了扰动和藻类共同作用下沉积物中各形态磷的变化规律.结果表明,无扰动状态下,NH4Cl-P和Res-P均有所降低,而Fe/Al-P和Ca-P则有所增加.其中,Ca-P随藻类初始浓度增加而增加,分别增加48%、66%、74%.但是,扰动状态下,NH4Cl-P和Res-P也明显降低.Fe/Al-P明显增加,其占总磷的百分比为66.2%(3组试验的平均值)高于不扰动状态(53.4%,3组试验的平均值);此外,Ca-P占总磷的百分比为24.1%(3组扰动试验的平均值)明显低于不扰动状态(33.0%,3组试验的平均值).这暗示了扰动和藻类共同作用下促进了Fe/Al-P的形成,而无扰动下藻类却促进了Ca-P的形成.     

底泥不同悬浮方式对水体生物有效磷的影响

以太湖月亮湾底泥为材料,通过室内模拟实验研究了底泥不同悬浮方式(底泥扰动、底泥曝气)对水体中生物有效磷的影响。结果表明:底泥再悬浮导致颗粒态磷生物有效性呈下降趋势,10 d时,藻类可利用磷(AAP)占总磷(TP)的百分比仅为初始状态(39.86%)时的34.75%(底泥扰动)和17.03%(底泥曝气)。内源磷形态分析表明,悬浮物中Fe/Al-P含量、非闭蓄态Fe/Al-P(AAP)占Fe/Al-P的比重均有下降的趋势。这主要与底泥再悬浮导致溶解氧融入(溶解氧从2.59 mg/L(初始状态)分别增加至5 mg/L(底泥扰动)和6 mg/L(底泥曝气)左右)和pH改变(pH值从8.07(初始状态)分别降至7.4(底泥扰动)和7.3(底泥曝气))有关。实验结束时颗粒态磷生物有效性突然升高,出现这种现象的原因较复杂,可能与底泥再悬浮状态下底泥的物理化学变化和水中微生物的作用有关,还需要进一步探究。底泥再悬浮导致水体中可被利用颗粒态磷(BAPP)和溶解态磷(DTP)含量降低,从而导致上覆水中生物有效磷(BAP)含量降低。     

藻类与扰动共存下水体中不同形态磷的数量分布规律

以太湖梅梁湾的沉积物和上覆水为研究材料,研究了铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)与扰动共存下,水体中不同形态磷的数量分布以及不同藻类对水体中形态磷分布的贡献.结果表明,无论扰动与否,上覆水中总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)、溶解性磷酸盐(DIP)、生物有效磷(BAP)均呈降低趋势.但是,在扰动和无扰动条件下,铜绿微囊藻和羊角月牙藻对DTP和DIP的吸收能力恰好相反.水体中磷的消失主要归于颗粒物质的物理化学吸附和藻类的生物利用作用,但扰动与否两者对磷消失的贡献率明显不同.无扰动状态下,铜绿微囊藻和羊角月牙藻对DTP和DIP的吸收能力均在60%左右;而扰动状态下,两者对DTP和DIP的吸收能力分别下降至40%和25%.磷在沉积物不同形态磷间的数量分布也发生明显变化.无论扰动与否,NH_4Cl-P与钙磷(Ca-P)均有所降低,Fe/Al-P则增加,但扰动下NH_4Cl-P与Ca-P下降幅度与Fe/Al-P升高幅度均更大.与铜绿微囊藻相比,羊角月牙藻更有利于Ca-P的释放和Fe/Al-P的形成.     

不同扰动下外源磷在形态磷间的分布规律

研究了3种扰动方式对外源磷在上覆水、间隙水、底泥中的数量分布的影响,并分析了内源磷形态间的转化过程.结果表明,与对照实验相比,物理扰动能促进上覆水中磷向底泥迁移,并高于生物扰动和组合扰动的促进作用,并且,三者均高于对照实验.这可归因于溶解氧的渗入.物理扰动能降低间隙水中DIP的平均含量,相比对照实验降低了12.13%(第6 d和第10 d平均值),但降低程度不如生物扰动(38.63%)和组合扰动(50.79%).3种扰动均能促进Fe/Al-P和Ca-P的形成,其中,物理扰动下Fe/Al-P和Ca-P平均形成量最大,物理扰动下AAP含量一直在减小,暗示物理扰动明显促进了AAP向闭蓄态的Fe/Al-P或者Ca-P转化.     

底泥扰动对上覆水中磷形态分布的影响

通过室内试验模拟底泥受持续和间歇扰动的过程.探讨了扰动作用对上覆水中不同形态磷分布的影响.结果表明,持续扰动和间歇扰动显著促进了上覆水中的溶解态磷向底泥迁移.持续扰动与间歇扰动作用下,上覆水中溶解性无机磷(DIP)分别在第6h和第24h达到平衡状态,为0.014mg.L-1和0.015mg.L-1.显著低于对照试验(0.04mg.L-1);而溶解性总磷(DTP)则在第6h和第48h达到平衡状态,为0.047mg·L-1和0.045mg.L-1,显著低于对照试验(0.065mg.L-1).持续扰动促进了颗粒态磷(PC)的释放,扰动6h后,PP达到最大值(9.18mg·L-1).随后下降.第24h后,PP稳定在2.18mg·L-1左右;而间歇扰动作用下,第2h,PP达到最大值(2mg·L-1),随后下降,第96h后,PP稳定在0.093mg·L-1左右.扰动作用下,TP的变化规律与PP一致.与初始状态相比,持续扰动和间歇扰动作用下,DIP/DTP、DIP/TP、DTP/TP显著下降,而上述该值在对照试验中则基本保持不变,说明扰动导致的底泥再悬浮有利于降低上覆水中溶解态磷的含量.     

太湖梅梁湾不同形态磷周年变化规律及藻类响应研究

以太湖梅梁湾为研究对象,2013年对水体中不同形态磷和藻类进行了逐月观测,探讨了风浪扰动和藻类生长双重影响条件下不同形态磷间转化规律以及藻类生长和不同形态磷含量间的内在联系.结果表明,梅梁湾水体中总磷(TP)、颗粒态磷(PP)、溶解性总磷(DTP)、溶解性磷酸盐(DIP)和生物有效磷(BAP)均呈现出"夏秋高"、"冬春低"的周年变化规律,藻类生长也呈现了类似规律,而溶解性有机磷(DOP)和可被生物利用颗粒态磷(BAPP)的变化规律并不规则.颗粒态磷生物有效性(BAPP/PP)在6~10月期间仅为12.75%,显著低于年度平均值37.14%.这可归因于沉积物频繁扰动下内源磷固定效应以及藻类生物吸收作用加快了颗粒态磷向溶解态磷的转化.在此期间,DTP占BAP的质量分数高达69.33%(平均值),明显高于BAPP(30.67%,平均值),也高于DTP的周年平均值(56.63%),其也是藻类生长旺盛季节.     

河蚬或藻存在下组合扰动对内源磷迁移的影响

为阐明河蚬(Corbicula fluminea)或铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)存在下,物理和摇蚊幼虫组合扰动对内源磷再生和迁移转化的影响,以太湖梅梁湾上覆水和沉积物为研究对象,分析了上覆水、间隙水、沉积物中不同形态磷的变化规律.结果表明,与摇蚊幼虫扰动和组合扰动相比,河蚬或藻类的出现都会使得上覆水中不同形态磷(总磷、溶解性总磷、溶解性磷酸盐、颗粒态磷)显著增加.河蚬或藻类均导致间隙水DIP明显降低,并致使DIP峰值区域向更深处迁移(3~4cm变为4~5cm),而对照试验则相反.与对照试验相比,河蚬或藻存在下组合扰动均导致0~4cm沉积物NH₄Cl-P含量及其占总磷百分比降低,Fe/Al-P含量及其占总磷百分比增加,并且河蚬或藻对NH₄Cl-P降低和Fe/Al-P增加的影响基本一致.在多种扰动因素存下,摇蚊幼虫对上覆水中DTP和DIP贡献最大,后者可能源于摇蚊幼虫显著降低了间隙水中DIP含量及沉积物中NH₄Cl-P含量.这暗示了在组合扰动基础上叠加河蚬或者藻类,均进一步促进了内源磷再生和迁移.     

底泥扰动下藻类对不同形态磷在水体中分布的影响

研究了反复扰动与藻类共存条件下,水体中溶解性磷、颗粒态磷、生物有效磷的分布规律,并分析了颗粒物质物理化学吸附与藻类生物利用对水体中磷消失的贡献率.结果表明,扰动抑制了水体中藻类生长,叶绿素a增加量仅为3.53μg/L(初始30μg/L)和4.80μg/L(初始120μg/L),而无扰动下该值分别为21.36μg/L (初始30μg/L)和14.49μg/L (初始120μg/L).并且,溶解氧水平和pH值均低于无扰动状态.扰动导致水体中总磷和颗粒态磷显著增加,但溶解性总磷(DTP)和溶解性磷酸盐(DIP)均有所降低.对于DTP而言,扰动状态下,颗粒物质吸附占90%,而无扰动下,则降低至60%,相应地,藻类生物利用则增加至40%.无论扰动与否,BAP基本处于稳定状态,而BAPP占BAP的百分比则有所增加.扰动状态下BAPP占PP的百分比明显低于无扰动状态.这暗示了扰动对水体中磷迁移和转化的作用大于藻.     

反复扰动下磷在沉积物和悬浮物以及上覆水间的交换

以太湖梅梁湾和月亮湾沉积物为研究对象,分析了沉积物反复扰动下磷在沉积物、悬浮物、上覆水间的交换规律.结果表明,反复扰动下,上覆水中TP和PP浓度降低;DTP则是在第8 d达到平衡浓度,分别稳定在0.019 mg·L-1(梅梁湾)和0.039 mg·L-1(月亮湾);DIP则发生了释放,随后降低,DIP的释放主要与沉积物中NH4Cl-P含量最大有关.第8 d达到平衡浓度,分别稳定在0.013 mg·L-1(梅梁湾)和0.028 mg·L-1(月亮湾).与上覆水中溶解氧的变化规律吻合.另外,扰动过程中梅梁湾上覆水DTP和DIP均明显高于月亮湾.由于扰动作用,悬浮物和沉积物上不同形态磷(NH4Cl-P、Fe/Al-P、HCl-P)数量分布发生明显变化.扰动过程中,梅梁湾悬浮物上NH4Cl-P、Fe/Al-P、HCl-P含量逐渐降低,而同一时间段上覆水中不同形态磷含量同样降低,但沉积物上NH4Cl-P、Fe/Al-P、HCl-P含量逐渐增加.尽管月亮湾的趋势不如梅梁湾显著,但总体趋势一致,暗示悬浮物在磷交换过程中所起的媒介作用.     

扰动强度对太湖沉积物中磷释放及其形态转化的影响

通过室内试验模拟了太湖沉积物在不同扰动强度下的悬浮过程,研究了沉积物扰动强度对磷释放及其形态转化的影响.结果表明,较高扰动强度下(相当于太湖风速12 m.s-1),水体中不同形态磷(总磷、颗粒态磷、溶解性总磷)含量均高于较低扰动强度(相当于太湖风速8 m.s-1).其中,两者分别扰动1h后,总磷和颗粒态磷分别达到0.950 mg.L-1、0.384 mg.L-1和0.882 mg.L-1、0.328 mg.L-1,该水平保持到试验结束.然而,溶解性总磷则呈逐渐降低的趋势.这主要归因于悬浮物的吸附和微生物的快速利用.较高和较低扰动强度下,悬浮物上总磷(Tot-P)分别增加了10 mg.kg-1(平均值)和60 mg.kg-1(平均值).较高扰动强度下铁铝结合态磷的变化恰好说明了形态磷间存在转化趋势.因为铁铝结合态磷增加了85.7 mg.kg-1(平均值),明显高于Tot-P的实测值(10 mg.kg-1,平均值)和理论值(27 mg.kg-1,平均值),说明有其它形态磷转化成铁铝结合态磷.弱吸附态磷和钙结合态磷含量的降低正说明这一点.这显示在扰动状态下,不同形态磷之间至少发生了以水为媒介的间接性转化.