再懸浮過程對磷在顆粒物上的分配過程的影響及生態環境效應

張思亮

摘 ?要：磷（P）是重要的生源要素，磷循環屬于沉積型循環，顆粒物是沉積物最基本的組成單位和物質載體。同時，磷在顆粒物-水界面的分配和轉化過程最為活躍，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，對了解磷在水生態系統中的遷移轉化，以及進一步管理和調控流域富營養化和漁業生產具有重要參考意義。

關鍵詞：再懸浮;磷;富營養化

中圖分類號 X52文獻標識碼 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

再懸浮作用廣泛發生在河流、淺水湖泊和入海河口中，其引起的污染物質交換、遷移和轉化以及對環境的生態效應受到了相關學者的廣泛關注。而磷是水體富營養化的重要限制性元素，導致水體中藻類的暴發生長死亡，影響水質。同時磷也是沉積性內循環，水生態系統絕大多數磷富集在沉積物中的顆粒物上。本文結合國內外研究，從再懸浮過程，磷在沉積物中的形態分布，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效應。

1 再懸浮過程的發生機理和產生因素

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

1.1 沉積物再懸浮的機制 沉積物再懸浮機制是由于外部擾動的力量高于沉積物再懸浮的臨界切應力，而臨界切應力主要受沉積物的粒徑分布、礦物的結構組成以及內部底棲生物的活動影響[1]。沉積物再懸浮量與切應力間的關系可用如下關系式表達：

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生的切應力;τc（N·m-2）為顆粒物發生懸浮的臨界切應力;M（kg·m-2·s-1）為沉積物再懸浮系數。M值的大小取決沉積物粒度組成、密度及厚度以及環境因素[2]。當τ<τc時，沉積物顆粒不會發生再懸浮;τ>τc時，沉積物顆粒發生再懸浮，且進入水體的顆粒物量隨著切應力的增加而線性增加。

1.2 沉積物再懸浮的產生因素

1.2.1 風浪擾動 風浪擾動是導致沉積物懸浮的重要自然因素之一，是由于空氣流動產生的風作用于水體，產生波動能量向下傳遞到沉積物表面產生切應力，擾動底部的沉積物，這些現象多見于淺水湖泊中。Qian等通過模擬自然條件下的不同風速，測量產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，構建太湖沉積物在風浪擾動下產生的懸浮物濃度的關系式：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，沉積物再懸浮發生頻率與風速呈正相關。

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構的改變[5]。研究表明，99%的底棲動物活動在近表層12cm沉積物的區域，這一區域通常會形成底棲生物區系[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，改變了沉積物內部還原態的沉積環境，提高沉積物的氧化還原電位，改變顆粒物上結合的鐵、磷和重金屬的穩定性，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、拖網捕魚、采砂挖掘、水體底部管道架設等人為活動是導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磷的內源釋放，從而削弱了疏浚工程內源控制的效果[8]。船舶的擾動是運河地區顆粒物懸浮的重要因素。運河河道由于較淺，兩邊河岸距離近，底部沉積物容易受到船舶葉輪擾動產生的螺旋槳射流的影響。相關統計數據表明，蘇南運河無錫段2014年5月船舶通過量平均達到17.6艘/h[9]，頻繁的船舶行駛導致河道底部的沉積物懸浮。除了航運擾動，漁業捕撈也會導致沉積物再懸浮。拖網捕魚主要影響近海漁場區域，一般漁業資源較為豐富區域的沉積物每年會被拖網多次掃過。因捕魚拖網要穿透表層沉積物至一定深度，往往在船后幾百米出現面積約為500m2的高濃度懸浮云團[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、活動的持續時間和區域范圍，對環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和調控因素

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，埋藏在地殼內部的磷礦石被大量開采出來，導致P元素從巖石圈向水生態環境遷移，擾亂了其自然狀態下的循環過程，引起顯著的生態環境效應[11]。P循環屬于沉積型循環，其生物地化過程與顆粒物密切相關，其在沉積物-孔隙水界面、沉積物—上覆水界面、懸浮顆粒（有機和無機）—水界面的遷移轉化過程最為活躍。

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

反應生成的Fe3+可與DIP結合生成不溶復合物（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。然而當擾動懸浮結束時，沉積物沉降到底部，由于富含有機物質，在微生物活動下開始被逐漸還原，使得沉積物環境處于1個相對厭氧的狀態，使得之前結合的不溶復合物（FeOOH-P）被還原，使得結合在上面的磷被釋放出來。一方面可能通過擴散作用向上覆水釋放;另一方面也可能向其他形態磷，如鋁磷轉化。

2.2 鋁氧化物的調控 鋁磷主要結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值非鈣質湖庫中P遷移轉化受還原條件影響較小，但在pH較高條件下，鋁結合態P易于釋放[13]。但鋁氧化物對磷具有很大的吸附容量，一些湖泊富營養化華的內源修復采用投加Al2（SO4）3來治理。在細顆粒中，由于主要是黏土成分，鋁氧化物含量遠高于以二氧化硅為主要成分的砂質粗顆粒，導致細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，會導致細顆粒上鋁磷的釋放，造成水體富營養化。

2.3 鈣化合物的調控 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，同時富集較為穩定形態的磷。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、礦物溶解與沉淀均可能對生源物質遷移轉化和沉淀有重要影響。在堿性較高的湖泊中，藻類生長會導致水體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]。沉積物中各個形態的磷目前已有大量的研究，但不同形態的磷的轉化過程目前仍需進一步研究，一方面由于沉積物體系相比較于磷的龐大，磷在不同形態上的轉化難以觀測到;另一方面由于不同形態磷對環境條件如溶解氧、pH和氧化還原電位的敏感，導致實驗操作的困難，并且沉積物本身礦物種類的繁雜，異質性也導致沉積物磷研究的困難和復雜性。

3 磷在顆粒物上分配的生態效應

在自然水動力的影響下，粗細顆粒物被一同懸浮起來，但細顆粒由于粒徑較小，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，對磷的富集能力遠遠高于粗顆粒，具有更高的生態風險。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制[15]，研究過程中基本都將顆粒物勻質化處理，不同粒徑顆粒物異質性考慮較少。實際上再懸浮顆粒物粒徑分布廣泛，其水力學遷移性、礦物組成、復合結構及元素賦存形態等均存在顯著差別，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境生態效應。

3.1 對水庫的生態分區以及對下游生境的影響 目前國內水利工程不斷興建，一方面是清潔能源，減少了火力發電對環境損害，另一方面也有利于減少下游的洪澇災害。但是水庫的修建攔截了大量從上游輸入的泥沙，部分學者認為上游的水利閘壩建造攔截了泥沙上富集的磷等營養元素，導致下游漁業生產受到影響;另一部分學者認為，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 對湖泊富營養化的影響 湖泊富營養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源輸入。一般湖泊輸入河流都具有強烈的水動力擾動條件和工業，農業等點、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顆粒，由于湖泊相比較河流較為穩定的水動力環境，細顆粒沉降到底部，在微生物的作用下被釋放出來，造成嚴重內源污染，影響湖泊水生態環境。

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，當前對沉積物的研究應該著眼于具有更高生態風險的細顆粒上，而不是將沉積物作為一個整體進行研究，應該進一步細化到顆粒物篩選上，才可以進一步合理、準確的研究磷在生態形態中的遷移和轉化。

參考文獻

[1]俞慎，歷紅波.沉積物再懸浮-重金屬釋放機制研究進展[J].生態環境學報，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.桑溝灣貝類養殖水域沉積物再懸浮的動力機制及其對水體中營養鹽的影響[J].海洋水產研究，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].地球科學進展，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.京杭運河船舶交通流特性研究[D].南京：東南大學，2016：28-31.

[10]Durrieu D M，Ferre 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[M].北京：科學出版社，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，Fang H W，Fazeli 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.

（責編：張宏民）