河流生態(tài)系統(tǒng)中磷的運移與循環(huán)

張展，張瑜，張巖，楊向輝

（1.黃河水文水資源科學研究院，河南 鄭州 450003；2.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州450002；3.河南省水土保持監(jiān)測總站，河南 鄭州 450008）

0 引言

多數(shù)研究表明通過管理河道中的磷可有效削減富營養(yǎng)化帶來的影響，但河道中磷的滯留-生物化學循環(huán)過程卻存在較大的空間差異性。目前中國相關(guān)研究還處在起步階段，大多集中于估算流域入河磷負荷與識別來源，而對河道內(nèi)磷的循環(huán)過程定量分析涉及較少。因此，如果能夠識別不同環(huán)境條件下河道中磷的循環(huán)/滯留的規(guī)律與特征，進而提高河道對營養(yǎng)鹽的滯留量及轉(zhuǎn)化能力，將為中國河流水質(zhì)及生物棲息地質(zhì)量保護提供重要科技支撐。文章將從以下幾個部分對相關(guān)研究情況進行概述：①不同來源磷的特征；②河道內(nèi)部磷的滯留、釋放物理-化學-生物循環(huán)過程；③環(huán)境因子對磷在河道中傳輸及循環(huán)過程影響。

1 磷的輸入來源

1.1 自然源

主要是指在人類干擾較低或無人類干擾的磷來源，主要包括：土壤母質(zhì)層自然風化、大氣沉降、河岸植被、洄游魚類以及河岸侵蝕。這些來源對于河道中磷的貢獻量通常很低，并且主要以顆粒態(tài)為主（土壤、粉塵、落葉層以及魚類尸體），但是這些極少量的磷仍然能夠為山地、林地以及貧營養(yǎng)水體中的微生物生長提供重要營養(yǎng)。

1.2 人為源

人為源是河道中磷的主要來源，通常可分為“點源”和“非點源”，其中“點源”主排放主要為溶解態(tài)磷，“非點源”污染則主要以顆粒態(tài)（>0.45 μm）為主。雖然通常認為點源是指生活污水或工業(yè)生產(chǎn)的廢水排放，而非點源主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的污染，但是在實際研究中仍然存在一些介于點源和非點源之間的污染源。這些“中間源”主要包括道路或軌道交通所產(chǎn)生的地表徑流與農(nóng)場地表徑流。

1.2.1 廢水排放

生活污水和工業(yè)廢水在經(jīng)過污水處理廠對有毒污染物及磷進行處理后通過管道排放進入地表水體。處理后所排入河道磷的濃度范圍通常為1～20 mg·L-1，在富營養(yǎng)化較為嚴重的流域，通過污水處理廠的三級處理設(shè)備來實現(xiàn)磷的有效去除。

1.2.2 不透水地面地表徑流

不透水地面通常指城市建設(shè)用地和村鎮(zhèn)庭院用地。城市暴雨徑流中磷主要來自大氣沉降、枯枝落葉、工業(yè)殘渣、城市垃圾、人類活動（如：洗車、庭院沉水）、寵物及鳥類排泄物、化肥施用、路邊土壤揚塵沉積等。由于不透水地面的下滲量很小，因此雨季暴雨徑流產(chǎn)生的磷負荷基本能夠代表全年磷負荷總量。

1.2.3 透水地面地表徑流

目前，對于透水地面的地表徑流研究較多，主要集中于林地、耕地和草地。降雨徑流中磷主要來自土壤母質(zhì)、化肥、畜禽糞便、植物殘渣等。降雨頻率和空間分布、傳輸途徑以及土地利用管理方式都會對磷的運移產(chǎn)生影響。因此，透水地表徑流磷的濃度受多種因素的影響。

2 河道中磷的滯留與循環(huán)

研究表明磷的入河量并不等于在流域出口或河道出口所監(jiān)測到的磷負荷量，這主要是由于河流系統(tǒng)對磷的滯留作用造成的，尤其是在流速較低季節(jié)更為明顯。河道中磷的滯留是由生物化學和物理過程共同造成的，在向下游傳輸過程中生物或非生物的同化作用會去除或改變磷的形態(tài)。同時這一過程對于生態(tài)系統(tǒng)功能保持也具有兩方面的作用：①有助于貧營養(yǎng)水體或上游水系保持生物多樣性；②通過對磷的臨時阻滯，緩沖人為造成的磷污染對受納水體的損害。

磷的“螺旋式運動”可定義為磷酸鹽離子從溶解態(tài)轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)進而又轉(zhuǎn)換為溶解態(tài)的過程。磷酸鹽離子被去除前的生物同化、吸附/解吸附為顆粒態(tài)磷的變化過程被稱為“吸收長度”。顆粒態(tài)磷/有機磷轉(zhuǎn)化為磷酸鹽離子前的過程被稱為“周轉(zhuǎn)時間”。磷的吸收長度越短表明磷的滯留率更高且循環(huán)更快。

明確河道中磷循環(huán)和運移關(guān)鍵過程的控制因素，實地監(jiān)測是必要的。但實地監(jiān)測需要耗費大量資源與時間，同時河道或小尺度下的磷循環(huán)過程還存在較大的時空異質(zhì)性。因此對磷傳輸與循環(huán)過程進行“基于過程”的實地監(jiān)測，并在不同空間尺度的應(yīng)用評估結(jié)果是目前磷傳輸與循環(huán)研究的重點與熱點。

3 河道中磷的吸收和釋放機制

3.1 河道中磷的物理化學循環(huán)

3.1.1 吸附/解吸反應(yīng)

溶解態(tài)磷與顆粒態(tài)物質(zhì)間會產(chǎn)生較強的相互作用，如鋁硅酸鹽（黏土）、金屬氧化物、氫氧化物，尤其是鐵、鋁。吸附作用是個兩階段過程：①磷酸鹽離子被固相物質(zhì)表面吸附過程；②從固相物質(zhì)表面擴散或解吸附過程。

3.1.2 礦物質(zhì)沉淀和分解

礦物質(zhì)沉淀作用能夠?qū)Τ练e物中的磷進行固定，同時還能控制孔隙水和沉積物中溶解態(tài)磷的濃度。這些沉淀反應(yīng)包括：①磷酸鹽和方解石的聯(lián)合沉淀，這一過程是典型的動力學反應(yīng)過程，可以在河水，地下水、藻類生物膜以及硬質(zhì)水的泥沙透光區(qū)內(nèi)發(fā)生；②含氧孔隙水中鐵、氫氧化物以及磷酸鹽的聯(lián)合沉淀能夠產(chǎn)生鐵三價氫氧化物和磷酸鹽；③孔隙水中的高濃度溶解態(tài)磷與過量的有機物質(zhì)造成了富營養(yǎng)化水體中的厭氧條件，這也導(dǎo)致含鐵磷酸鹽礦物質(zhì)與藍鐵礦發(fā)生沉淀。

3.1.3 水平對流和擴散過程

磷在河道中的主要傳輸機制為平流與擴散。平流使得顆粒態(tài)磷在沉積物中發(fā)生往復(fù)移動（夾帶、再懸?。殡S孔隙水中溶解態(tài)磷的釋放。流速和湍流度會隨河槽形態(tài)、季節(jié)等因素的差異而變化，這有可能造成地下水或沉積物的水力梯度改變，從而導(dǎo)致溶解態(tài)磷和孔隙水的運移。溶解態(tài)磷的分子擴散主要是由于表層沉積物和河道中上覆水中沉積剖面溶解態(tài)磷濃度與孔隙水溶解態(tài)磷濃度的梯度差造成。

3.2 河道中磷循環(huán)的生物影響

3.2.1 周叢生物和浮游植物

周叢生物和浮游植物對河道中磷循環(huán)的影響主要是通過其對有機磷和無機磷的吸收同化作用產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象在淺流水域更為明顯，河道中10%～15%的磷運移都受到周叢生物和浮游植物影響。

3.2.2 微生物

河道系統(tǒng)中存在大量細菌和真菌，其對磷循環(huán)的影響主要通過兩方面機制來實現(xiàn)。第一，分解來自自源的或他源的溶解態(tài)物質(zhì)、小顆粒物、粗糙有機顆粒物；第二，通過主動攝取與改變氧化還原條件控制沉積物-水界面磷負荷或生成難降解有機磷化合物。

3.2.3 大型水生植物

大型水生植物是中高級河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對河道生態(tài)系統(tǒng)中磷循環(huán)過程具有重要影響：①植物生長過程中對磷的吸收以及腐爛過程中釋放土壤活性磷；②大型植物根部輸氧所帶來的氧化還原條件的改變；③降低岸邊區(qū)域的流速同時增加泥沙沉積量，截留更多顆粒態(tài)有機污染物和懸浮顆粒物；④為水底附生植物提供更大的附著表面積，同時也為無脊椎動物和大型捕食動物提供良好的生長基質(zhì)與棲息場所。

4 環(huán)境因子對河道磷循環(huán)過程的影響

4.1 空間尺度

流域上游河道水量較小導(dǎo)致水量和底泥面積比降低，會增加河底磷素發(fā)生物理化學和生物交換過程的可能。上游河道中的可溶性活性磷（SRP）通過生物同化作用轉(zhuǎn)化為有機磷，并被河床沉積物吸附，因此限制磷下游區(qū)域的供應(yīng)及產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)。在流域主河道中水量和底泥面積比較高，河水與懸浮物的交互作用及浮游植物的吸附作用通常會對磷的循環(huán)產(chǎn)生顯著影響并增加底泥對磷的吸附和底棲生物對磷的同化作用。

4.2 流域地質(zhì)

流域地質(zhì)狀況直接控制了河道中沉積物礦化和地球化學過程并決定了河道基本水化學背景值，因此間接影響了河道中磷被沉積物吸附和無機物的釋放磷的生物利用性及動植物對磷吸收利用。流域中基巖風化成黏土、細粉砂質(zhì)土的區(qū)域，土壤中富含鐵及鋁氧化物的河道中沉積物對磷具有更大的吸收能力。

4.3 河道水文、形態(tài)及變化特征

在河道尺度內(nèi)，河道形態(tài)對于流速、營養(yǎng)物質(zhì)儲存區(qū)及短期水力滯留區(qū)域的分布等會產(chǎn)生一定的影響。營養(yǎng)物質(zhì)儲存區(qū)具有較高的水力停留時間，可以促使磷素與底泥、底棲生物充分接觸，進而形成磷循環(huán)和臨時儲存的生化“熱點區(qū)域”。隨著下游河道寬度增加、河床表面積增大及水力停留時間的延長，河床沉積物中磷的儲存量也隨之加大。

4.4 農(nóng)業(yè)土地利用及其他人類影響

人類活動排放的污染物在不同空間尺度（河段與流域）影響磷循環(huán)和生物響應(yīng)。地表徑流中溶解態(tài)和顆粒態(tài)磷的濃度主要取決于土地利用類型和管理方式，同時還與傳輸途徑、在景觀和河道中的停留時間有關(guān)。通常小尺度農(nóng)業(yè)流域中磷主要以顆粒態(tài)形式輸出，大尺度流域內(nèi)由于其受到下游污水排放和懸浮沉積物輸出增加的影響，磷主要以溶解態(tài)形式輸出。

5 研究展望

今后相關(guān)研究應(yīng)著重于保持、提升河道磷滯留量及調(diào)整補償-脅迫閾值。不同尺度河流磷的循環(huán)存在較大差異，因此對磷限制型水體富營養(yǎng)化進行有效管理，就需對污染物傳輸途徑、輸入時間、存儲轉(zhuǎn)化、生態(tài)敏感性時段進行更好識別、分析。下一步研究中應(yīng)該重點考慮如何采取有效措施降低磷的螺旋式循環(huán)過程長度同時采用“軟”工程的解決方法來提高河流的自然滯留能力。例如：通過設(shè)置木質(zhì)殘體壩和擋板以提高生物棲息地面積，降低流速，提升水力停留時間和磷素臨時儲存量，進而實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)截留效率與生物多樣性的提升。