鐘馨，田永蘭，鐘美芳，張化永

華北電力大學(xué)工程生態(tài)學(xué)與非線性科學(xué)研究中心，北京 102206

七星湖濕地磷素分布特征及擴(kuò)散通量估算

鐘馨，田永蘭，鐘美芳，張化永*

華北電力大學(xué)工程生態(tài)學(xué)與非線性科學(xué)研究中心，北京 102206

為研究山東省滕州市七星湖濕地磷素的分布特征及其遷移規(guī)律，植被在磷的遷移轉(zhuǎn)化中的作用，采集秋季七星湖表層沉積物及其上覆水體樣品，分析總磷(TP)、總?cè)芙庑粤?TDP)、溶解性活性反應(yīng)磷(SRP)、顆粒態(tài)磷(PP)的分布特征和相關(guān)性，計(jì)算沉積物-上覆水體界面的擴(kuò)散通量。結(jié)果表明：TP濃度在上覆水體明水區(qū)域沿途總體變化不大(0.05～0.06 mg/L)，在蘆葦群落沿程降低(0.04～0.09 mg/L)，香蒲群落中有波動(dòng)變化(0.02～0.09 mg/L)。上、中、下游3個(gè)斷面明水區(qū)域沉積物間隙水中各形態(tài)磷素濃度均比植物區(qū)域高，說(shuō)明植物對(duì)沉積物中磷素的截留吸收轉(zhuǎn)化有重要作用。上、中、下游大型挺水植物各器官磷素所占比例有明顯差異，且地上部分高于地下部分。七星湖濕地經(jīng)過(guò)3年的磷素沉降，沉積物TP濃度增加42.2%。沉積物-上覆水體間TDP和SRP的擴(kuò)散通量均為正通量，表明磷素從沉積物向上覆水體擴(kuò)散，且明水區(qū)域擴(kuò)散通量均高于植物區(qū)域。表層沉積物間隙水和上覆水體各形態(tài)磷的相關(guān)性表明，間隙水中的磷主要以TDP和SRP的形態(tài)向上覆水體擴(kuò)散。

間隙水；濕地；水生植物；磷形態(tài)；擴(kuò)散通量

濕地科學(xué)研究受到越來(lái)越多的關(guān)注,已成為重點(diǎn)學(xué)科和重要的研究領(lǐng)域。天然濕地常由于自身的演變，以及人類活動(dòng)的干預(yù)，發(fā)生了結(jié)構(gòu)和功能的退化，逐漸失去作為濕地的特征或直接轉(zhuǎn)變成其他類型用地。人工濕地污水處理系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中存在著彈性小、抗沖擊能力差、水質(zhì)凈化效果不穩(wěn)定、壽命短等現(xiàn)象[1]。因此一些研究者提出了近自然濕地的工程手段，即根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，結(jié)合具體地形地貌、水文和植被情況，模仿、接近自然濕地的一種可持續(xù)的、具有生物多樣性的生態(tài)工程技術(shù)。

濕地中磷素的存在形態(tài)主要包括有機(jī)磷(生物態(tài)和非生物態(tài)的)、磷酸、可溶性磷酸鹽和不溶性磷酸鹽，磷素的主要去除機(jī)理包括化學(xué)作用(如沉淀作用和吸附作用)、生物作用(如植物吸收作用和微生物吸收與積累作用)和物理作用(如沉積作用)[2]。沉積物-上覆水體界面是水環(huán)境的一個(gè)特殊而重要的區(qū)域。磷素在沉積物-上覆水體界面的釋放和擴(kuò)散量是營(yíng)養(yǎng)鹽在濕地中循環(huán)的重要研究?jī)?nèi)容。沉積物中的磷素主要以間隙水作為介質(zhì)，通過(guò)表面擴(kuò)散層向上覆水體擴(kuò)散遷移，從而影響上覆水體的磷濃度。在水生植物群落，植物通過(guò)吸收上覆水中的磷[3]，或者通過(guò)根系吸收沉積物中的生物有效磷[4]，或者通過(guò)莖葉截留吸收部分磷[5]，或者通過(guò)自身生長(zhǎng)變化改變水體理化性質(zhì)等方式影響磷的遷移轉(zhuǎn)化[6]。

近年來(lái)對(duì)于海灣、河流和湖泊等區(qū)域沉積物間隙水和上覆水磷素分布特征的研究較多：如宋金明[7]對(duì)南沙群島沉積物間隙水中N、P、Si在沉積物-海水界面間的擴(kuò)散通量進(jìn)行研究；張彥等[8]對(duì)太湖沉積物及其間隙水中氮的時(shí)空分布以及垂向和水平方向的變化進(jìn)行了研究；楊楠等[9]通過(guò)研究白塔堡河干流平水期上覆水和沉積物間隙水N、P的分布特征，揭示其營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移規(guī)律。目前對(duì)濕地，尤其是近自然濕地，沉積物間隙水和上覆水磷素分布特征的研究較少，而近自然濕地作為具有巨大的環(huán)境功能與效益的生態(tài)系統(tǒng)，探索其沉積物-上覆水磷素遷移轉(zhuǎn)化對(duì)于揭示濕地凈化機(jī)理方面意義重大。為全面了解近自然濕地磷素分布特征及其遷移規(guī)律，在山東省滕州市七星湖，在上、中、下游斷面分別設(shè)明水區(qū)域、香蒲群落、蘆葦群落，采集秋季表層沉積物及其上覆水體樣品，考察各形態(tài)磷的分布特征，計(jì)算沉積物-上覆水體界面的擴(kuò)散通量，及間隙水和上覆水體中各形態(tài)磷之間的相關(guān)性，分析近自然濕地磷素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期為近自然濕地的管理和機(jī)制研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域

七星湖濕地位于山東省滕州市城河南岸，地處暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)南部，季風(fēng)型大陸性氣候明顯，四季分明，雨量充沛，光照充足。濕地由煤礦塌陷區(qū)改造而成，包括5個(gè)子庫(kù)塘，通過(guò)涵管連通，總規(guī)模約80 hm2?？傮w上，七星湖濕地地形多變、景觀結(jié)構(gòu)多樣、水流復(fù)雜。濕地是南四湖流域“截蓄導(dǎo)”生態(tài)工程的一部分，2009年后通過(guò)涵管將城河水引入濕地進(jìn)行水質(zhì)凈化。從2009年起，在城河上建造橡膠壩，抬升水位，開始向濕地引入城河河水，濕地中還建有生態(tài)過(guò)水堰、人工浮島等多項(xiàng)生態(tài)技術(shù)，保證凈化城河入水的同時(shí)也能保障濕地的生態(tài)安全，強(qiáng)化濕地水體凈化效果。

研究區(qū)域選取七星湖濕地北段，東西寬約1 200 m，南北長(zhǎng)約680 m，面積為0.2 km2，水流方向自東向西，經(jīng)末端涵洞向南流出。該庫(kù)塘主要挺水植物有蘆葦、香蒲、荷花等；浮葉植物有水花生、菱角、槐葉萍、荇菜等；沉水植物有狐尾藻、苦草、菹草等。濕地進(jìn)水口水質(zhì)如表1所示。

表1 濕地進(jìn)水口水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)布點(diǎn)及方法

沿濕地內(nèi)水流方向?qū)竦胤譃樯嫌巍⒅杏?、下?個(gè)斷面，每個(gè)斷面分別布設(shè)香蒲、蘆葦、明水(無(wú)植物)3個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。上游斷面水域面積較大，且水較深，水體的流速最小；中游斷面由于地形及植物群落的生長(zhǎng)，使得河道較狹窄，采樣點(diǎn)離植物群落較近，水流速度相對(duì)較快；下游斷面周圍有大量的植物，水流較湍急。

圖1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sample sites in the near natural wetland

于2015年10月底分別在明水區(qū)域、香蒲群落和蘆葦群落中采集水樣(水面下30 cm)和對(duì)應(yīng)位置的底泥，將樣品放于低溫箱中保存，并盡快帶至實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試。水樣pH、溫度、DO濃度等指標(biāo)利用多功能水質(zhì)儀(YSI professional plus)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。水深用帶有重錘的皮尺測(cè)定。表層水的DO濃度在水面下30 cm處測(cè)定。水樣磷素指標(biāo)按照《水和廢水檢測(cè)分析方法(4版)》測(cè)定。水體中SRP為溶解性活性反應(yīng)磷(solubility reactive phosphorus)，即為溶解性正磷酸鹽；顆粒態(tài)磷(particulate phosphrous，PP)濃度由水體中TP與總?cè)芙庑粤?total dissolved phosphorous，TDP)差值計(jì)算得來(lái)。采集的底泥樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行恒溫離心(4 000 r/min，20 min)得到間隙水樣，測(cè)定方法與上覆水體相同。每個(gè)樣品分別取2個(gè)平行樣。底泥自然風(fēng)干后，過(guò)100目(0.15 mm)篩用密封袋封裝以供測(cè)定。底泥的測(cè)定采用SMT(標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量和測(cè)試)分級(jí)提取NaOH-P、HCl-P、無(wú)機(jī)磷(IP)、有機(jī)磷(OP)和TP。TP主要由IP和OP組成，其中IP占主要部分；NaOH-P主要包括Fe、Mn、Al等金屬氧化物上吸附包裹的磷，pH、氧化還原電位等環(huán)境因素的改變?nèi)菀讓?dǎo)致這部分磷釋放到水體中，從而被生物利用；HCl-P主要包括被離子結(jié)合的磷，一般不易釋放到水體。每個(gè)底泥樣品分別取3個(gè)平行樣。

在每個(gè)采樣點(diǎn)分別選取3株長(zhǎng)勢(shì)相近的典型挺水植物，用水小心洗掉根部泥土，統(tǒng)計(jì)鮮重后用密封袋封裝。帶回實(shí)驗(yàn)室后將每種植物分為根、莖、葉3個(gè)部分，迅速置于105 ℃下殺青10～15 min，然后置于80 ℃烘箱中烘至恒重，測(cè)定干重。將烘干后的植物樣品各器官分別用碾磨機(jī)粉碎，過(guò)0.25 mm篩后保存。處理后的植物樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，用鉬銻抗比色法(GB 9837—88)測(cè)全磷濃度。每個(gè)植物樣品的根、莖、葉分別測(cè)3個(gè)平行樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水體磷素分布特征

上覆水體理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 上覆水體理化性質(zhì)

由表2可以看出，明水區(qū)域的水深遠(yuǎn)大于植物區(qū)域，因此植物群落的水力因素以及擾動(dòng)對(duì)上覆水體和間隙水的磷素分布影響較大。明水區(qū)域DO濃度較挺水植物區(qū)域偏高，其可能的原因：1)明水區(qū)域浮水植物生物量比挺水植物區(qū)域大，光合作用明顯，導(dǎo)致明水區(qū)域DO濃度偏高；2)挺水植物區(qū)域枝葉較為茂密，擋住了部分陽(yáng)光，影響了植物的光合作用。有研究表明[10]，DO濃度與pH呈極顯著正相關(guān)，明水區(qū)域的pH也明顯高于植物區(qū)域，光合作用強(qiáng)導(dǎo)致CO2消耗大，所以明水區(qū)域pH偏高。由表2可以看出，所有采樣點(diǎn)的pH均高于7，呈弱堿性。水體中H+濃度不宜過(guò)高，當(dāng)其超過(guò)一定濃度時(shí)，便會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生直接的毒害作用，一般對(duì)根的影響最大。但水體中OH-濃度也不宜過(guò)高，高pH不利于水生植物的生長(zhǎng)，其是菹草在夏季死亡的原因之一[11]。

上覆水體各形態(tài)磷素的濃度變化如圖2所示。由圖2可以看出，明水區(qū)域TP濃度沿途總體變化不大，而TDP和SRP濃度在中游斷面突然降低，在下游斷面又大幅增加。蘆葦群落各形態(tài)磷濃度的普遍變化趨勢(shì)是沿程降低，而香蒲群落各形態(tài)磷濃度變化較大，TDP和SRP濃度在入水時(shí)均不高，但在中游斷面大幅增加?？赡苁侵杏嗡蛎娣e較小，人為擾動(dòng)較大，因此導(dǎo)致各形態(tài)磷濃度的大幅增加或降低。在上游斷面，植物區(qū)域的各形態(tài)磷濃度明顯高于明水區(qū)域；在下游斷面，植物區(qū)域的各形態(tài)磷濃度低于明水區(qū)域。其中TDP和SRP在沿程去除效果尤為明顯，這表明植物對(duì)磷的去除作用主要表現(xiàn)在TDP和SRP 2種形態(tài)上。

圖2 上覆水體各形態(tài)磷素濃度 Fig.2 Concentration of different forms of phosphorus in the overlying water

SRP主要來(lái)源于外源輸入和內(nèi)源釋放。水中SRP濃度很小的原因：1)磷化物不易溶于水；2)其易與鈣、鐵及鋁等離子發(fā)生反應(yīng)，生成難溶性的沉積物。活性磷是能夠直接被生物利用的溶解態(tài)磷，其易被生物吸收同化而進(jìn)入生物循環(huán)，難溶性的磷酸鹽和有機(jī)磷必須經(jīng)微生物作用，轉(zhuǎn)化為溶解性的磷酸鹽，才能被生物體直接吸收利用[12]。水體中的磷主要通過(guò)基質(zhì)吸附、沉降、植物吸收、微生物轉(zhuǎn)換利用等方式去除，影響因素包括水體中的磷濃度、水力擾動(dòng)、濁度、DO濃度、pH、Eh、溫度、水生植物等[13]。在下游斷面明水區(qū)域TDP濃度的突然增加可能是由于采樣點(diǎn)的流域面積大、流速過(guò)慢引起的，由于采樣時(shí)正值秋季，大量浮水植物衰敗腐爛，向水體釋放部分可溶解態(tài)磷，而流速過(guò)慢不利于磷素的沿程遷移擴(kuò)散。在上游斷面，植物區(qū)域的各形態(tài)磷濃度明顯高于明水區(qū)域，其原因可能是大型挺水植物群落對(duì)上覆水體中的磷素不僅有一定截留作用，同時(shí)對(duì)流速也有一定的減緩作用，而明水區(qū)域流速較高，所以上游斷面植物群落各形態(tài)磷濃度較高。

Zhang等[14]在2012年10月對(duì)七星湖濕地的采樣分析中發(fā)現(xiàn)，水體TP濃度沿水流方向從入水口的1.16 mg/L逐漸降至出水口的0.45 mg/L，SRP為水體TP的主要成分。而在本次采樣分析中，各采樣點(diǎn)的TP濃度均低于0.10 mg/L，PP為水體TP的主要成分，占TP比例為38%～95%。在這3年人為影響和環(huán)境影響的共同作用下，七星湖濕地采樣區(qū)域的TP濃度得到了明顯的控制，其主要成分由SRP變?yōu)镻P，其中很重要的原因是七星湖濕地在無(wú)系統(tǒng)收割的情況下水生植物繁多，增加了對(duì)水體TP的吸收和截留，且水生植物在水體中截留的磷形態(tài)主要是SRP。隨著季節(jié)的變化，大多數(shù)植物在秋冬季逐漸衰敗腐爛而繼續(xù)留在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，但植物的殘?bào)w會(huì)向水體排放顆粒態(tài)磷，因此濕地水體的主要成分由SRP變成PP。

2.2 植物體內(nèi)磷素的分布特征

植物在一定條件下可以吸收極少部分水中的溶解磷，而植物體內(nèi)的磷大多是通過(guò)根系微生物的分解作用，吸收沉積物中的部分形態(tài)磷。由圖3(a)可以看出，蘆葦各器官磷素所占比例沿程變化不大，始終是根和葉所占比例較大，而沿程各株蘆葦莖部的磷素所占比例為16.0%～24.3%，且下游斷面蘆葦莖部磷素所占比例明顯低于上游和中游斷面，而葉部比例較高。下游水域開闊，植物生長(zhǎng)環(huán)境較好，因此蘆葦群落葉落期比上游和中游稍緩，這可能是影響下游段蘆葦根莖葉磷含量分布的因素之一。由圖3(b)可以看出，上游斷面香蒲根、莖、葉磷素所占比相差不大，但在中游和下游斷面根部所占比例明顯大于莖部和葉部，且中游和下游各器官磷素所占比例變化不大。在同一斷面上的蘆葦和香蒲各器官磷素所占比例也有一定的區(qū)別，蘆葦莖部磷素所占比例均比香蒲低。

圖3 植物根、莖、葉中磷素所占比例 Fig.3 Concentration of phosphorus in all organs of plan

圖4 間隙水各形態(tài)磷素的濃度Fig.4 Concentration of different forms of phosphorus in the pore water of sediment

蘆葦和香蒲均屬于大型挺水植物，根系發(fā)達(dá)，但蘆葦?shù)那o部中空，可能是導(dǎo)致其磷素所占比例較低的原因之一。此次采樣是在秋季，濕地大型挺水植物正處于由旺盛到衰敗的過(guò)渡期。目前植物地上部分的磷含量高于地下部分，因?yàn)樵谥参锼ネ銎跔I(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)從地上部分轉(zhuǎn)移到地下部分，因此在植物衰亡期到來(lái)之前收割比在生長(zhǎng)期收割能增加因收割而帶出系統(tǒng)的磷量，在夏季初期收割植物可能會(huì)導(dǎo)致以后幾年里該植物的長(zhǎng)期活力[4]。

2.3 間隙水-沉積物的磷素分布特征

2.3.1 間隙水磷素分布特征

在內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)鹽釋放吸附過(guò)程中，沉積物-間隙水-上覆水三者之間的關(guān)系異常密切，間隙水是水土界面交換的重要介質(zhì)[15]。由圖4可以看出，在上、中、下游3個(gè)斷面間隙水中明水區(qū)域各形態(tài)磷素濃度均比植物區(qū)域高，可能是大型挺水植物對(duì)磷素的截留吸收轉(zhuǎn)化起到了關(guān)鍵作用。而在水流沿途中，中游斷面營(yíng)養(yǎng)鹽濃度稍微下降，但下降趨勢(shì)不大，這可能是中游水域面積小，水力擾動(dòng)較大而加速了沉積物-上覆水體界面的磷素?cái)U(kuò)散，導(dǎo)致間隙水中磷素濃度降低。而在中游斷面植物區(qū)域，香蒲群落各形態(tài)磷濃度均高于蘆葦群落。雖然蘆葦和香蒲都屬于根系發(fā)達(dá)的大型挺水植物，但香蒲的根系比蘆葦旁支更多，因此根系的吸收轉(zhuǎn)化作用更強(qiáng)。

在與本試驗(yàn)同一季節(jié)開展的室內(nèi)試驗(yàn)中，對(duì)比沉水植物對(duì)水體磷素的影響，測(cè)得黑藻組間隙水SRP濃度明顯高于對(duì)照組(無(wú)植物組)，SRP濃度最大值為0.61 mg/L[16]。七星湖濕地明水區(qū)域沉積物間隙水SRP濃度明顯高于植物區(qū)域，SRP濃度最大值為1.51 mg/L。由此可見(jiàn)，室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)得出的結(jié)果具有明顯的差異性，甚至可能會(huì)是完全相反的結(jié)論。在同樣是室外試驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)，白塔河沉積物間隙水中TP濃度在農(nóng)村帶河段最低，城鎮(zhèn)帶和城市帶河段較高[9]。農(nóng)村帶河段植被較豐富，而城鎮(zhèn)帶和城市帶河段水域較為開闊，這與本研究得出的結(jié)論相近。

2.3.2 沉積物中磷素的組成

七星湖濕地各采樣點(diǎn)的沉積物TP濃度為511.976～1 292.098 mg/kg，平均值為954.901 mg/kg。根據(jù)崔松波[17]在2012年10月對(duì)七星湖沉積物各形態(tài)磷的研究可知，當(dāng)時(shí)TP濃度平均值為671.500 mg/kg。七星湖近自然濕地經(jīng)過(guò)3年的磷素沉降，沉積物TP濃度增加了42.2%。目前國(guó)內(nèi)對(duì)濕地沉積物的研究較多，不同濕地沉積物的TP濃度差異也非常大。邵學(xué)新[20]以我國(guó)杭州灣南岸典型潮灘濕地為研究區(qū)，得到其0～5 cm沉積物的TP濃度為560～680 mg/kg；謝凱[21]在對(duì)淮南潘謝采煤沉陷區(qū)的研究中指出，其表層沉積物的TP濃度為311.2～388.4 mg/kg；張巖[22]的研究表明，人工濕地基質(zhì)中TP濃度為139.73～242.03 mg/kg。與已有的研究相比，七星湖沉積物TP濃度偏高，有更大的內(nèi)源污染的危機(jī)，對(duì)水體造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)較大，加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化。而七星湖濕地沉積物TP濃度偏高的一個(gè)原因可能是在濕地建立初期曾人為地向濕地中增加燒結(jié)法赤泥以達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣，燒結(jié)法赤泥具有高鈣、高硅而低鐵的特點(diǎn)，高濃度鈣離子容易與磷素結(jié)合生成鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)，沉降在濕地沉積物中，從而增加了七星湖濕地沉積物TP濃度。

采用SMT分級(jí)方法分析得到濕地土壤磷組成，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，IP占沉積物TP的69%以上，其中，HCl-P占36%～68%，NaOH-P占11%～38%，OP占11%～31%?？傮w而言，七星湖濕地沉積物中的磷以IP為主，而IP又多以HCl-P為主。上游和中游的明水區(qū)域沉積物IP濃度明顯低于植物區(qū)域，其中一個(gè)重要原因就是大型挺水植物的截留作用。生活在淺水區(qū)的挺水植物，一方面具有較大的生物量，相對(duì)較長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期；另一方面與濕地水體有較多的直接接觸，因此大型挺水植物是濕地磷素遷移轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)。而下游的植物群落OP濃度高于明水區(qū)域，OP主要來(lái)源于外源輸入，在試驗(yàn)區(qū)域的下游附近有家禽養(yǎng)殖，家禽平時(shí)活動(dòng)區(qū)域主要在淺水區(qū)的植物群落中，這可能是導(dǎo)致下游植物群落OP濃度偏高的主要原因。同時(shí)，在植物衰亡期，不同的植物葉落速度不同，腐敗的葉富含大量的磷，葉落后經(jīng)過(guò)微生物的分解會(huì)增加沉積物IP濃度，這也是導(dǎo)致各采樣點(diǎn)不同形態(tài)磷濃度有明顯差距的原因之一。

2.4 沉積物-上覆水體擴(kuò)散通量估算

間隙水中的營(yíng)養(yǎng)鹽向沉積物表層擴(kuò)散進(jìn)而向上覆水混合擴(kuò)散的過(guò)程，主要是由濃度差支配的。由于間隙水與上覆水中營(yíng)養(yǎng)鹽存在濃度差異，必然存在由高濃度向低濃度進(jìn)行的分子擴(kuò)散作用，因此，研究沉積物-上覆水體界面間營(yíng)養(yǎng)鹽的擴(kuò)散通量具有重要的環(huán)境意義[9]。根據(jù)二者之間的濃度梯度及其物理化學(xué)性質(zhì)可以估算沉積物-上覆水體界面處營(yíng)養(yǎng)鹽的擴(kuò)散通量。根據(jù)Fick第一擴(kuò)散定律及文獻(xiàn)[21]，其改進(jìn)公式為：

F=φ·Ds·αc/αx

(1)

式中：F為分子擴(kuò)散通量，mg/(m2·d)；φ為表層沉積物的孔隙度，%；Ds為表層沉積物中物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；αc/αx為界面濃度梯度，mg/(L·cm)。

當(dāng)φ≤70%時(shí)，Ds=φ·D0；當(dāng)φ≥70%時(shí)，Ds=φ2·D0[22]。D0為無(wú)限稀釋溶液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，6.12×10-6cm2/s[23-25]。根據(jù)文獻(xiàn)[26]估計(jì)，φ平均值為65%。αc/αx用表層沉積物(0～5 cm)間隙水與上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度差估算求得。目前，磷從沉積物向水體釋放可分為2個(gè)過(guò)程：微粒態(tài)磷的活化和沉積物中可溶態(tài)磷的擴(kuò)散作用，其中微粒態(tài)磷的活化主要是跟沉積物中鐵、鋁等結(jié)合，而這種擴(kuò)散作用主要發(fā)生在沉積物表層的間隙水與上覆水之間直接的交換作用。本文主要研究沉積物-上覆水體界面的TDP和SRP擴(kuò)散作用。

圖5 各采樣點(diǎn)SMT分級(jí)所得不同結(jié)合態(tài)磷所占比例Fig.5 Proportion of various phosphorus fractions in soils by SMT protocol

圖6 間隙水-上覆水體界面TDP和SRP的擴(kuò)散通量Fig.6 Diffusion fluxes of SRP and TDP across the sediment-water interface

由圖6可以看出，在間隙水-上覆水界面TDP和SRP濃度的擴(kuò)散通量變化趨勢(shì)基本相同，且均為正值，說(shuō)明3個(gè)區(qū)域各采樣點(diǎn)磷素都是由沉積物向上覆水體擴(kuò)散。在上、中、下游斷面，明水區(qū)域擴(kuò)散通量都高于植物區(qū)域，其原因：1)明水區(qū)域上覆水體pH均高于植物區(qū)域，pH在一定范圍內(nèi)越大磷釋放量也越大；2)植物群落會(huì)通過(guò)根系以及植物腐爛形成的有機(jī)質(zhì)吸收部分磷素，導(dǎo)致擴(kuò)散到上覆水體中的磷素減少。沉積物中磷的釋放與沉積物氧化還原條件密切相關(guān)，好氧條件會(huì)促進(jìn)沉積物對(duì)磷的吸附，厭氧條件會(huì)促進(jìn)沉積物對(duì)磷的釋放。在中游斷面，香蒲群落TDP和SRP的擴(kuò)散通量陡然升高，由表2可以看出，該采樣點(diǎn)的DO濃度為6.06 mg/L，是所有采樣點(diǎn)中最低值，同時(shí)水力擾動(dòng)較大也會(huì)促進(jìn)磷素在沉積物-上覆水體中的擴(kuò)散。

此外，沉積物-上覆水體水界面間營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移并不是單純由濃度梯度擴(kuò)散來(lái)控制的，同時(shí)還受到來(lái)水、水動(dòng)力等因素(如生物的擾動(dòng)作用、營(yíng)養(yǎng)鹽在水體中的水平遷移擴(kuò)散、風(fēng)浪作用造成的紊流擴(kuò)散等)的影響。由表3可以看出：各形態(tài)磷在間隙水與上覆水體之間具有較好的顯著相關(guān)性；上覆水體與間隙水中的TDP相關(guān)系數(shù)為0.693(P<0.05)，SRP相關(guān)系數(shù)為0.692(P<0.05)；上覆水體中的TDP與間隙水中的SRP相關(guān)系數(shù)為0.677(P<0.05)；上覆水體中的SRP與間隙水中的TDP相關(guān)系數(shù)為0.726(P<0.05)。由此也證明了在間隙水和上覆水體中擴(kuò)散的主要磷形態(tài)是TDP和SRP。

表3 上覆水體和間隙水各形態(tài)磷之間的相關(guān)性

注：*在0.05水平上顯著相關(guān)，**在0.01水平上顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn))；樣本數(shù)為9。

3 結(jié)論

(1) 明水區(qū)域水深以及上覆水體的pH和DO濃度均高于植物區(qū)域，其可能原因：1)明水區(qū)域浮水植物多，光合作用強(qiáng)；2)大型挺水植物枝葉茂密，影響了植物光合作用。

(2)明水區(qū)域上覆水體中各形態(tài)磷沿程波動(dòng)較大，蘆葦群落沿程降低，而香蒲群落各形態(tài)磷濃度在中游變化較大，可能是中游水域面積較小，人為擾動(dòng)較大。明水區(qū)域與植物區(qū)域相比，TDP和SRP在沿程去除效果尤為明顯，表明植物吸收轉(zhuǎn)化的主要磷形態(tài)是TDP和SRP。

(3)上、中、下游斷面大型挺水植物各器官磷素所占比例有明顯差異，且地上部分高于地下部分。這與采樣季節(jié)有直接關(guān)系，秋季是植物衰亡期，營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)從地上部分轉(zhuǎn)移到地下部分，因此在植物衰亡期到來(lái)之前收割比在生長(zhǎng)期收割能增加因收割而帶出系統(tǒng)的磷量。

(4)上、中、下游3個(gè)斷面間隙水中明水區(qū)域各形態(tài)磷素濃度均比植物區(qū)域高，說(shuō)明植物對(duì)沉積物中磷素的截留吸收轉(zhuǎn)化起到了重要作用。中游水域面積小，水力擾動(dòng)強(qiáng)，導(dǎo)致間隙水中各形態(tài)磷濃度降低。七星湖近自然濕地經(jīng)過(guò)3年的磷素沉降，沉積物TP濃度增加了42.2%，七星湖沉積物TP濃度偏高，有更大的內(nèi)源污染危機(jī)，對(duì)水體造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)較大，加劇了水體富營(yíng)養(yǎng)化。

(5)七星湖沉積物-上覆水體間TP、TDP、SRP、PP的擴(kuò)散通量均為正通量，表明磷素從沉積物向上覆水體擴(kuò)散，且明水區(qū)域擴(kuò)散通量都高于植物區(qū)域。由表層沉積物間隙水和上覆水體各形態(tài)磷的相關(guān)性表明，間隙水中的磷主要以TDP和SRP的形態(tài)向上覆水體擴(kuò)散。

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Distribution of phosphorus and estimation of diffusion flux in the Qixinghu wetland

ZHONG Xin, TIAN Yonglan, ZHONG Meifang, ZHANG Huayong

Research Center for Engineering Ecology and Nonlinear Science, North China Electric Power University, Beijing 102206, China

To study the distribution and migration of phosphorus in the Qixinghu wetland in Tengzhou City of Shangdong Province, the samples of overlying water and sediment of Qixinghu wetland were collected, the distribution characteristics of total phosphorus(TP), total dissolved phosphorus(TDP), solubility reactive phosphorus(SRP) and particulate phosphorus(PP) analyzed, and the relationship of P in overlying water and pore water of sediment studied. The results showed that, TP concentrations in overlying water of open water area were stable along with the flow direction (0.05-0.06 mg/L), declined in overlying water of reed community area (0.04-0.09 mg/L) and fluctuated in overlying water of cattail community area (0.02-0.09 mg/L). All measured phosphorus fractionations (TP, TDP, SRP and PP) in pore water of sediment of open water area were higher than those of plant communities, indicating that plants played an important role in the absorption and transformation of phosphorus in sediments. Phosphorus contents in aerial organs of macrophytes were significantly higher than the underground part. After settlement of phosphorus in three years, the content of TP in sediments increased by 42.2% in the wetland. The diffusion flux across sediment-water interface of TDP and SRP were positive, suggesting that phosphorus diffuses from sediment to overlying water. Moreover, diffusion fluxes of open water were higher than those of the plant communities. As indicated by the various forms of phosphorus correlation of pore water and overlying water, the phosphorus of pore water mainly diffuses into the overlying water by TDP and SRP.

pore water of sediment; wetland; macrophytes; phosphorus fractionations; diffusion flux

2016-09-09

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07210-009，2015ZX07203-011，2015ZX07204-007)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(39560023)

鐘馨(1992—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗廴究刂婆c生態(tài)修復(fù)，zhongxin0531@126.com

*責(zé)任作者：張化永(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榛謴?fù)生態(tài)學(xué)，rceens@ncepu.edu.cn

文章編號(hào):1674-991X(2017)02-0152-09 doi:10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.023

鐘馨，田永蘭，鐘美芳,等.七星湖濕地磷素分布特征及擴(kuò)散通量估算[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(2):152-160.

ZHONG X,TIAN Y L,ZHONG M F,et al.Distribution of phosphorus and estimation of diffusion flux in the Qixinghu wetland[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):152-160.