973计划项目湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发

973计划项目湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发973计划课题

2004年度总结报告

项目名称:湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究

课题名称:湖泊水,沉积物界面过程对营养物迁移转化影响研究

课题编号:2002CB412304

课题负责人:金相灿刘建彤

课题依托单位:中国环境科学研究院

中国科学院水生生物研究所

二零零四年十二月十五日

本课题自2003年启动以来，紧紧围绕国家需求、课题任务书的任务要求和目前国际、国内的研究进展，开展了大量的野外调查检测、室内分析和模拟试验研究工作。下面从以下几个方面，对整个第四课题在2004年度的研究工作做一概括性总结。

一、年度计划执行情况

1(年度计划完成情况

1.1课题拟完成的研究内容和预期目标

根据课题任务书的要求，本课题第二年度应完成下列研究内容。

1.1.1 掌握水体理化因素和生物因素对生源要素在水-沉积物界面形态转化的影

响;

1.1.2 研究富营养化条件下，水-沉积物界面微生态结构的维持机理;

1.1.3 确定污染湖区主要生源要素的形态与生物可利用性之间的关系;

1.1.4 掌握跨介质间营养物的动态赋存以及热力学平衡与营养状态的关系;

1.1.5 在国内外核心刊物上发表文章4篇，其中中国环境科学研究院和中科院水

生生物研究所分别发表2篇。

1.2 课题完成的研究内容和目标

1.2.1浅水湖泊水-沉积物界面物质交换过程及其水动力影响机制

现场调查采样，分析，完成冬、夏两季样品采集工作，进行实验室内外分析数据的初步整理。初步总结完成沉积物-水界面氧化还原条件的控制机理研究。

1.2.2 湖泊营养物的微生态转化及生化动力学

1

针对长江中下游的五大浅水湖泊(滇池、洪泽湖、洞庭湖、巢湖和太湖)和两个城市湖泊(武汉月湖和南京玄武湖) 进行现场调查采样、分析，进行实验室内外分析数据的整理，总结长江中下游湖泊的基本理化特征和营养状况;同时重点研究太湖不同富营养水平湖区，分春夏秋冬四季对太湖流域的梅梁湖鼋头渚、梅梁湾小丁湾、梅梁湖蠡园、贡湖、东太湖等湖区进行野外调查，分析上覆水、沉积物样品中各种理化性质。并从底栖动物、着生藻类和微生物三方面进行水,沉积物界面的微生态结构的调查;开展实验室内的模拟研究，研究环境因子对湖泊水,沉积物界面磷交换的影响。

1.2.3 湖泊水,沉积物界面地球化学过程对湖泊富营养化的影响

水体理化因素对生源要素在水,沉积物界面形态转化的影响;跨介质间营养物的动态赋存以及热力学平衡与营养状态的关系;系统研究生源要素在浅水湖泊水,沉积物界面的形态转换机理;模拟研究确定不同形态P的存在形式对其生物有效性的影响。

1.2.4重污染湖区营养元素生物可利用性的限制因素和转化作用

模拟研究确定不同形态N、P的存在形式对其生物有效性的影响。确定污染湖区主要生源要素的形态与生物可利用性之间的关系。

2、工作进展

2.1浅水湖泊水-沉积物界面物质交换过程及其水动力影响机制

样品采样和工作量

2002年10月, 2003年1月和2004年3月在太湖，巢湖和龙感湖完成了三次采样，共采集湖水样品近100个，孔隙水样品200多个，沉积物柱13个。采集了太湖周围河水样品36个，在太湖生态站还收集雨水样品。

主要完成的实验有:N、P的形态分析，铁锰形态分析, 溶解有机质(TOC)及C、N的同位素分析。

实验方法

根据各湖的水文特点和富营养化程度，分别在太湖、巢湖、龙感湖选取(T1、T2、T3、T4、T5、T6)、4(C1、C2、C3、C4)、2(L1、L2)代表性采样点(图1)，

2

先后于2003年1月(枯水期)和2003年7月(丰水期)利用全球定位系统(GPS)分别对以上三湖表层和底层水样进行采集，样品滴加数滴氯化亚汞保存(4?)。采集到的水样一部分直接用于测定总磷(TP)，另一部分经0.45μ醋酸纤维滤膜过滤后测定可溶性反应磷(SRP)、溶解性总磷(TDP)等项目。SRP用钼锑抗分光光度法测定，TP和TDP用过硫酸钾消解法测定(GB 11893-89)。颗粒磷(PP)为TP和TDP的差值，溶解有机磷(DOP)为TDP和SRP的差值。利用高温催化氧化方法分析了水中的溶解有机碳(DOC)的含量。

沉积物样品在室内利用冷冻干燥仪干燥，干燥后的样品利用玛瑙研钵研细待用(粒径<125μm)。称量1.0 g 干样，根据SEDEX法对沉积物中不同形态的磷进行分类，连续提取并分析了沉积物中的弱吸附态磷、铁结合态磷、自生磷灰石及残留态

磷的含量。另外，分别称取两份0.5 g干样，对其中一份进行灰化(灰化温度:500?;灰化时间:2小时)，然后利用酸提法(1M HCl，提取时间:16小时)分别对其中的总磷(灰化样品，Ptot)和无机磷(未灰化样品，Pin)进行提取和分析，最后由总磷和无机磷的差值获得有机磷(Porg)的含量。所有样品各形态磷含量的分析均采用比色法, 分析结果表示为干样的磷含量(mg/g)。

其它元素分析:称取定量干样，利用3 M HCl浸泡24小时除去无机碳，经超纯去离子水清洗去除盐酸后冷冻干燥，最后利用元素分析仪分析沉积物有机碳的含量(w(Corg)/%)和有机碳氮的原子比(n(Corg)/n(Norg))，并通过计算得到有机碳磷的原子比(n(Corg)/n(Porg))。另外，利用超纯稀HNO酸化(3%，V/V)CDB溶3 液(铁结合态磷提取剂)，并经原子吸收仪测定其中的铁含量

(w(FeCDB)/(mg/g))，最后计算出CDB溶液铁磷的原子比(n(FeCDB)/n(PCDB))。重要结论

(1) 不论是枯水期还是丰水期，太湖水体磷的主要组成部分都为颗粒磷;巢湖

和龙感湖，枯水期，磷的主要组成部分也为颗粒磷，而丰水期却以溶解性总磷为主。枯水期溶解有机磷较高，而丰水期可溶性反应磷含量却较高。初步研究认为:丰水期藻类爆发不仅可能促进水体中其它形态的磷向可溶性反应磷的转化，而且还可能导致沉积物中内源磷向上覆水体的释放。

无论是枯水期还是丰水期，表层和底层水体所测项目的变化不大，受水深变化的影响较小。浅水湖泊体系的水动力条件较强，水体混合比较均匀，所以水体的各种物化参数一般变化不大。

枯水期，三湖各采样点除太湖T6点TP以TDP为主要组成部分以外(97%)，其

余各点TP都是以PP为主(25-85%)。太湖从西北—东南由藻型湖泊—草型湖泊过渡，同时人为污染的程度也在逐渐减小，而T1-T6正好也是从西北—东南分别分布。由T1-T6太湖水体中TP的含量都是逐渐降低，这与人类活动影响的程度

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和太湖营养类型的分布一致。T6点为典型草型湖泊，也是太湖重要的淡水水源区。大型水草有利于悬浮颗粒物的沉淀和吸附，在一定程度上减少了水体悬浮颗粒物的负荷，因此，也降低了水体中PP的含量。巢湖为典型藻型湖泊，水体较浅，水动力较强，湖底表层沉积物的再悬浮作用显著，所以PP的含量较高。龙感湖虽然是典型的草型湖泊，由于受气候因素的影响，在采样的过程中，湖面逐渐吹起了大风，风浪的搅动作用导致了湖底表层沉积物的再悬浮，因此，由L1-L2水体PP 的含量显著升高。

丰水期，太湖各点TP都以PP(55-85%)为主，T1-T6的变化趋势与枯水期一致，而巢湖和龙感湖以TDP(35-80%)为主。由于入湖径流的侵蚀，太湖丰水期TP 和PP的含量较枯水期高，T1-T3点丰水期DTP较高，而T4-T6枯水期和丰水期相差不大，枯水期略高一点，反映了丰水期侵蚀作用的影响。巢湖和龙感湖的情况与太湖恰恰相反，这可能是与当时的气候因素有关。2003年夏季，安徽普降大雨，入湖径流流量增大，巢湖最大水位可达7.5 m。长时间的阴雨天气能够导致大量污染物被淋滤侵蚀，少量营养物质可能也以溶解态的形式迁移入湖，致使巢湖TP以TDP为主。另外，夏季藻类的大量繁殖生长死亡，这些有机残体的分解可使大量有机磷释放出来，也可导致TP以TDP为主。龙感湖较高的TDP可能就是由水生植物的降解而造成的。

值得注意的是各湖DOP和SRP的变化，枯水期DOP较丰水期高出许多，而丰水期SRP也较枯水期高出许多。各湖除太湖T1-T3点丰水期DTP较枯水期高，可能是由于污染所致以外，其余各点枯水期和丰水期相差不大，由此可以排除污染因素。那么，是什么原因导致枯水期和丰水期各湖DOP和SRP发生如此巨大的变化呢,据周易勇、谢丽强等在武汉东湖的研究证实，在藻类繁茂时，藻类不仅可以促进其它形态的磷向可溶性反应磷的转化，而且还可促使沉积物中磷向水体的释放。其一，

藻类的新陈代谢作用可以释放大量的碱性磷酸酶，碱性磷酸酶可促使其它形态的磷向可溶性反应磷的转化。其二，藻类强烈的光合作用可导致水体的pH值升高，促使金属化合物胶体沉淀，由此被胶体所吸附的磷便被释放出来。其三，藻类旺盛的新陈代谢作用可吸收大量的氮，相比之下磷的吸收较少，也使磷的含量相对增加。太湖、巢湖、东湖等都为长江中下游的浅水湖泊，不同的只是东湖同时还是个城市湖泊，所以东湖发生的藻类促使沉积物中磷释放以及水体中磷转化的现象，在其它类似的湖泊中也会发生。丰水期采样时太湖和巢湖藻类繁茂，已经出现了严重的“水华”现象，那么藻类的爆发可能是水体中SRP含量增高的主要原因。同时，夏季也是藻类生物量较大的季节，可以造成大量有机质的积累，而有机质降解可以促使有机磷的降解释放。另外，大量有机质的降解可以消耗大量氧气，促使水体由好氧转化为厌氧，降低氧化还原电位，导

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致铁结合态磷(FeP)的还原释放。在风平浪静的条件下，太湖全湖水—沉积物界面氧化还原电位值平均为189 mV，处于弱还原状态，而表层沉积物迅速降为-200 mV，处于强还原状态，这些条件都有利于FeP的还原释放。另据本次水体溶解有机碳的分析，太湖全湖溶解有机碳的含量较高，变化范围为3.87~7.26 mg/l，平均为4.75 mg/l，说明水体有机质发生着比较强烈的降解作用。FeP是太湖沉积物中磷形态的主要组成部分，夏季太湖有机质大量的积累和降解，可能会引起FeP 的还原释放，从而可能对水体的营养状态有着重要的影响。而且，夏季湖水温度升高，生物作用旺盛，底栖生物的扰动作用、微生物的新陈代谢作用以及由此产生气体(CH、HS、NH等)的释放作用等都可能对沉积物中磷的内源释放有423 一定的影响。

(2) 磷在沉积物早期成岩作用研究表明, 湖泊内源自生有机质降解时有机磷的优先释放。无机磷，特别是铁结合态磷，在氧化还原条件变化的情况下，能够通过

沉积物—水体界面被再次释放到水体中去，这个过程可能对湖泊的水体质量和营养状况有一定的影响。

太湖五里湖表层沉积物中总磷的含量较高，变化范围为2.05~4.05 mg/g，平均约为2.80 mg/g。总磷和无机磷之间存在着较好的相关关系(R=0.97)，说明沉积物中总磷的含量主要由无机磷控制。总磷和无机磷的垂直空间上变化一致，由底部向上含量先降低后逐渐升高，在9cm处升至最高4.02 mg/g，向上逐渐降低，在顶部降至最低2.72 mg/g。有机磷的含量相对较低(10~30%)，由底部向上逐渐升高，中部有波动，反映了有机质降解程度逐渐减弱的趋势。在浅水湖泊体系中，顶部

0~10 cm沉积物中的磷能够参加整个湖泊的新陈代谢作用，这部分沉积物中的磷可以随时间的变化而逐渐释放，最终导致这部分沉积物中磷的含量逐渐降低。总磷和无机磷几乎都是在9cm处为峰值，说明这部分沉积物中的磷可能已经有了较大的释放。太湖水体浅，风浪大，水动力强，沉积物的再悬浮作用显著，可以促进有机质的降解和悬浮颗粒物的水解，而在这些过程中必然伴随着有机磷和无机磷的释放。虽然如此，但是9cm以上沉积物中磷的总体含量还是比9cm以下的高些，说明了磷的积累以及输入的增大。 I无机磷的形态与垂直分布

根据SEDEX法对磷形态的分类，太湖五里湖湖区沉积物的无机磷主要由弱吸附态磷、铁结合态磷、自生磷灰石及残留态磷等组成。弱吸附态磷(Loosely sorbed or exchangeable P，Pex)主要指被沉积物中的氧化物、氢氧化物以及粘土矿物颗粒表面等吸附的磷。物化条件如温度、pH值、水动力条件及生物扰动作用等因素，都可导致这种形态的磷向上覆水体的扩散，从而对水体的营养状况有着

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一定的影响。有机磷的降解释放，铁结合态磷的还原释放等作用，都可导致弱吸附态磷含量的增高。剖面弱吸附态磷含量较低，由底部向上逐渐升高，至4cm处升至最高(0.14 mg/g)，随后随着剖面含水率的增大由于孔隙水的稀释作用而减

小。自生磷灰石(Authigenic or biogenic apatite P，Paut)主要指自生成因或生物成因的自生磷灰石，以及与自生碳酸钙共同沉淀的磷。一般被看作是永久性的磷汇，但在弱酸条件下可以产生一定的释放。形成自生磷灰石必须具备很高的磷酸盐浓度，促使磷灰石晶核形成和晶体沉淀，而有机磷的降解释放和铁结合态磷的还原释放等都可促使自生磷灰石的形成。剖面自生磷灰石含量较高，变化趋势和铁结合态磷十分相似，说明铁结合态磷的还原释放可能对自生磷灰石的形成具有一定的影响。残留态磷(Detrital apatite P，Pdet)主要指外源输入的变质岩或火成岩岩石中的磷灰石，以及与粘土矿物结合或存在与其它矿物相中且不溶于弱酸的磷，可以反映流域侵蚀速率的大小和侵蚀程度的强弱。剖面残留态磷含量极低且比较稳定，由底部至顶部变化不大，反映流域的侵蚀变化相对较小。铁结合态磷(Fe-bound-P，Fe-P)主要指易与铁的氧化物或氢氧化物结合的磷，在有氧环境下被认为是一种永久性的磷汇，而在厌氧环境中被看作是一种暂时性的磷汇。剖面铁结合态磷含量较高，是无机磷的主要组成部分(75~85%)，也是总磷的主要组成部分(55~75%)。铁结合态磷与总磷和无机磷之间具有较好的相关关系(R=0.97，0.99)，变化趋势与总磷和无机磷的变化趋势一致。CDB溶液提取的铁主要为铁的氧化物和氢氧化物，可能含少量铁的硫化物和被黏土矿物颗粒所吸附的铁。CDB溶液中铁的含量较高，一般都在10 mg/g附近变化，最高可达16.3 mg/g，说明CDB溶液对铁的氧化物和氢氧化物提取效率较高。在顶部1-3 cm，向上扩散的Fe(?)可能被氧化为Fe(?)而固定下来，导致顶部沉积物铁含量的升高，往下铁含量逐渐趋于稳定。铁的氧化物和氢氧化物对磷酸盐具有较强的吸附性，对于氧化层向上扩散的磷酸盐来说，铁是作为一种捕获陷阱而存在的，可以吸附并固定迁移的磷酸盐。与结晶态铁相比，无定形态铁具有更大的表面面积，所以对磷具有更大的吸附能力，这可反映在铁磷原子比的变化上。所有CDB溶液铁磷的原子比值都较小，介于2.0-5.3之间，说明被CDB溶液提取的铁主要是以无定形态存在的，而不是以结晶态存在的，并且铁的氧

化物和氢氧化物与磷酸盐之间的吸附可能已经达到了平衡状态。铁结合态磷为太湖五里湖表层沉积物中磷存在的主要形式，如果氧化还原条件发生变化，这部分磷可能由于铁的还原溶解而被释放到孔隙水中，并且能够通过扩散作用等方式经由沉积物—水体界面再次被释放到水体中去，这个过程可能对湖泊的营养状况和水体质量有着重要的影响。

II有机磷的垂直变化

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有机碳、有机碳氮和碳磷原子比可以用来反映沉积物中有机质的特征，有机质降解程度的大小以及有机磷的地球化学行为。有机碳的含量变化较小，相对比较稳定(2.8-4.0%)。顶部至12 cm有机碳含量总体比较稳定，中间偶有波动，可能反映了有机质的堆积过程;12-14 cm有机碳含量迅速降低，可能反映了有机质的迅速降解过程;14 cm至底部有机碳含量趋于稳定，可能反映了沉积环境逐渐趋于稳定的特点。除底部个别点可能受陆地外源输入影响较大，或是藻类降解过程中含氮蛋白质优先释放氮，致使有机C/N原子比值较高以外，整个剖面有机C/N原子比值介于8.8-10.6之间，并且变化较小，说明沉积物中的有机质主要以湖泊内源自生为主，受陆地外源输入的影响较小，以及在早期成岩作用过程中没有发生明显的有机质的选择性降解。淡水湖泊生物有机微粒的C/P原子比值一般为100左右，而剖面有机C/P原子比值都大于100，介于135-320之间。由顶部至底部比值大小变化频繁，但总体趋势为比值逐渐增大，可能反映了早期成岩作用过程中有机质降解程度的逐渐增大，以及在此过程中有机磷的优先释放。较高的有机C/P原子比显示了较高的湖泊初级生产力，同时也反映了人为营养物质输入的增加。另外，顶部沉积物的有机C/P原子比值也较大，可能反映了有机质由水体向沉积物沉降的过程中已经由部分有机质发生降解，并且在此过程中也伴随着有机磷的释放。

有机碳与总磷和无机磷具有显著的正相关关系(R=0.88，0.84)，说明有机质可能对总磷和无机磷起到了一定的控制作用。同时，有机碳与有机磷也存在着较好的正相关关系(R=0.62)，说明有机质可能是有机磷的主要来源。在总磷轴上存在较大的正截距 (1.8 mg/g)，说明沉积物中存在一定数量不明来源的无机磷，这可能也意味着人为营养物质的输入。另外，还可以发现无机磷和有机磷与有机碳的关系图上，有机碳轴上分别具有一段较小的正截距，即沉积物中没有无机磷和有机磷时，还可发现少量有机碳存在(分别为1.2%，1.6%)，说明有机质降解时有机磷的优先释放，并且这种释放主要是以无机磷形态进行的。同时也说明利用酸提法提取无机磷时，部分有机磷确实由于水解而被提取。另外，沉积物中的一些细菌在有氧条件下可以吸收过多的磷，这些磷以有机聚磷酸盐形态被储存起来。在厌氧条件下，细菌可以以这些有机磷为能量进行新陈代谢作用。这样，这些有机磷便以无机磷形态再次被释放出来，这个过程可能促进了沉积物中不同形态磷之间的迁移和转化。

2. 2湖泊营养物的微生态转换过程及生化动力学(中国环科院)

2.2.1长江中下游浅水湖泊理化特征研究

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研究目的

长江中下游地区是我国湖泊最为集中、人类活动与湖泊关系最为密切的地

2区，我国的5 大淡水湖有4个分布于此，1 km 以上的湖泊有651个。目前长江中下游地区湖泊面临的最主要的问题之一是富营养化和蓝藻水华暴发。长江中下游地区的湖泊主要为浅水湖泊。与深水湖泊相比，浅水湖泊单位水体具有更大的沉积物-水接触面积比例，具有更高的透光层深度/水深比例，更强烈和频繁的水土界面物质交换，更复杂的生态类型，众多研究表明，在外源逐步得到控制的情况下，沉积物作为内源对上覆水体释放氮和磷的作用会渐显重要，成为维持上覆水营养状态的重要来源。沉积物的理化性质既是人类活动对湖泊影响的历史记录指标，

也是研究氮、磷水—沉积物界面与间隙水的迁移转化以及磷的赋存形态等的基础信息，因此加强湖泊沉积物理化性质的研究对把握湖泊水污染发生机制，控制湖泊富营养化具有重要意义。

研究内容

对长江中下游的洞庭湖、鄱阳湖、巢湖和太湖四个重要的浅水湖泊和两个城市湖泊，南京的玄武湖和武汉的月湖为研究对象，详细分析了各湖泊沉积物的理化性质，并讨论了湖泊沉积物理化性质与所处地区土壤的关系及其流域特点。同时分析了理化性质与磷形态之间的关系。

研究方法

2004年3月在洞庭湖、鄱阳湖、巢湖、太湖、玄武湖和月湖进行了采样。用彼得森采泥器采集表层10cm的沉积物样品。从每个样点采集后装入封口塑料袋中，放入装有冰袋的保温箱暂存。样品运回实验室后，放入FD-1冷冻干燥机中真空干燥，用木棒分散、过筛(60目和100目两种)，保存在磨口玻璃瓶中备用。为了保证采样点的准确性，所有采样点均使用全球卫星定位系统(GPS)进行采集定位，同时结合1:50000地形图进行校正。

沉积物有机质总量的测定采用经典的重铬酸钾法;阳离子代换量采用EDTA?铵盐快速法;颗粒组成的测定方法参照金相灿等《湖泊富营养化调查规范》;粘土矿物组成采用X射线衍射法，测试参照标准为:SY/T 5163-1995;沉积物化学组成的测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP–AES PS—950)，依据地矿部:DZG 20.01–90方法;沉积物中总磷的测定采用欧盟推荐的SMT方法。

重要结论

(1) 研究区内长江中下游湖泊沉积物的理化特征为:总磷含量为307.43,

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1454.39mg/kg，阳离子交换量为8.61,25.28 meq/100g土，有机质总量为

0.25%,7.38%，其组分以胡敏素为主;沉积物的颗粒组成以粉砂级和粘粒级为主，占到64,98%，粉砂级占到50,70%;粘土矿物以伊利石/蒙脱石混层为主，其次是伊利石、绿泥石和高岭石;沉积物中主要的氧化物为SiO、AlO和TFeO，变化22323 O，MnO和CaO变化不大，TiO基本没有变化。较大的成分为SiO、AlO和

TFe223232

(2) 在长江中下游地区不同湖泊中沉积物的理化性质存在较大差异，且与污染程度密切相关。按污染程度由高到低，从月湖、玄武湖、太湖、洞庭湖、鄱阳湖到巢湖，沉积物中的总磷、阳离子交换量、有机质总量、AlO和TFeO含量2323都呈现出逐渐降低的趋势，沉积物的颗粒组成则由细变粗。

(3) 沉积物中细颗粒越多，有机质含量越高，阳离子交换量越大，铁铝氧化物含量越高的湖泊，其总磷含量也就越高，湖泊污染越重。 2.2.2 太湖东北部沉积物理化特征及其与磷形态关系研究

研究目的

太湖是我国第三大淡水湖，流域人口密集、经济发达，人类活动对于太湖的干扰较为严重，其中富营养化问题尤为突出。为了保护与治理太湖的生态环境，已开展了大量的研究。但从研究内容看，多集中于水体中的营养元素对水体富营养化的影响，对沉积物理化性质与富营养化之间关系的研究相对较少。

众多研究表明，在外源逐步得到控制的情况下，沉积物作为内源对上覆水体释放氮和磷的作用会渐显重要，成为维持上覆水营养状态的重要来源。沉积物的理化性质既是人类活动对湖泊影响的历史记录指标，也是研究氮、磷水—沉积物界面与间隙水的迁移转化以及磷的赋存形态等的基础信息，因此加强这方面的研究对把握湖泊水污染发生机制，控制湖泊富营养化具有重要意义。

研究内容

针对太湖东北部五里湖、梅梁湾、西山和贡湖四个湖区的沉积物进行了以理化性质分析为主的研究，同时与不同形态磷含量、分布结果相联系来分析沉积物理化性质与富营养化之间的关系。

研究方法

2004年3月在太湖的梅梁湾、五里湖、西山和贡湖四个湖区的八个点进行了

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采样。沉积物样品的采集和处理，以及沉积物理化性质分析同2.2.1。

重要结论

(1) 研究区内太湖沉积物的理化特征为:总磷含量为307.43,1454.39mg/kg，阳离子交换量为15.18,22.68 meq/100g土，有机质总量为1.66%,3.45%，其组分以胡敏素为主;沉积物的颗粒组成以粉砂级和粘粒级为主，占到54.39,76.83%;粘土矿物以伊利石/蒙脱石混层为主，其次是伊利石、绿泥石和高岭石;沉积物中主要的氧化物为SiO、AlO和FeO，变化较大的成分为SiO、AlO22323223和FeO，MnO和CaO变化不大，TiO基本没有变化。 232

(2) 在太湖不同湖区中沉积物的理化性质存在较大差异，随着沉积物中总磷含量的降低，沉积物中的阳离子交换量、有机质总量、AlO和FeO含量都呈2323现出逐渐降低的趋势，而沉积物的颗粒组成则由细变粗。

(3) 磷的形态以无机磷为主;在污染沉积物中Fe/Al-P的含量和所占百分比都明显升高，有机磷的含量升高但所占百分比降低，Ca-P变化不大;在相对清洁的沉积物中Ca-P与有机磷所占比例相对高(实际上Ca-P变化也不大)，Fe/Al-P比例较低;沉积物中污染增加主要造成Fe/Al-P升高。沉积物的理化特征与磷的赋存形态之间关系密切，CEC、OM、TP、Fe/Al-P和IP之间都呈较好的正相关关系。沉积物中细颗粒越多，有机质含量越高，阳离子交换量越大，铁铝氧化物含量越高的湖

泊，其总磷含量也就越高，湖泊污染越重。 2.2.3 典型浅水湖泊水-沉积物界面的微生态结构调查研究目的

泥水界面的生物群落对营养物质的迁移和转化起重要的作用，同时又受到水体营养水平和底泥理化性质的影响。本项研究希望通过对水-沉积物界面微生态结构的调查，找到表征湖泊富营养化的生物指标;同时探讨水-沉积物界面不同营养水平下微生态结构的差异性。

研究内容

本研究内容的重点放在太湖流域。依据太湖不同的富营养化程度，采集太湖柱状沉积物样和表层沉积物样，分析太湖沉积物中吸附态磷化氢的时空变化及垂直分布特征;测定表层沉积物中代表性微生物的时空变化特点;探讨磷化氢与微生物的相关关系;同时分析太湖中不同富营养化区域中固着藻类的分布情况，通过研究固着藻类的分布情况，考察太湖中固着藻类的种群分布与富营养化程度之间的关系。

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研究方法

界面微生态调查主要针对微生物、固着藻类和底栖生物进行分类鉴别。太湖沉积物中痕量磷化氢的监测及自然界磷化氢生成机理的探索。采用柱前两次低温冷阱富集及硫酸消解法测定了沉积物中的痕量磷化氢，解决了痕量磷化氢定量困难的问题。探讨了磷化氢与微生物之间的相关关系，探讨了磷化氢生成的机制。

重要结论

总体来看，水,沉积物界面生物的种类和数量与季节和环境因子的关系很大;同时富营养化程度越高的湖泊，沉积物样品中微生物的数量越多，寡毛类生物(如耐污种颤蚓)越多，而大型底栖动物和底栖藻类越少。

调查了太湖沉积物中3、6、9月份中磷化氢和代表性微生物(好氧菌、厌氧菌、放线菌、有机磷细菌、无机磷细菌、硝化细菌、反硝化细菌、亚硝化细菌)的

分布状况。测定了太湖柱状沉积物中的磷化氢，结果表明磷化氢在太湖柱状沉积物中普遍存在，其含量随沉积物取样深度和点位的不同而变化。分析了表层沉积物中的代表性微生物，发现微生物在不同点位的分布差异较大，微生物的数量和分布与沉积物污染程度、营养盐状况有关。沉积物中磷化氢与微生物的相关性分析表明磷化氢与磷细菌及厌氧微生物之间呈较好的线性相关性，为进一步探讨磷化氢的生成机制提供了较好的前提。

2.2.4光照对界面生物结构和磷释放以及底泥中磷的形态转化的影响

研究目的

蓝藻水华暴发有明显的季节性，环境因子(如光照、温度、风浪扰动等)对该过程影响很大。本研究的目的就是要研究温度和光照条件对水,沉积物界面P释放的影响，对界面微生物、固着藻类和水体中着生藻类结构、数量的影响，对界面氧化还原电位的影响，对水体中溶解氧和pH的影响等。研究内容

本实验设计光照强度分别为0、2800、3800、4800、5800lux，温度分别为0025C和28C。本研究的实验用泥采自梅梁湖。实验开始时，对实验用泥的理化性质、有机质组成、金属氧化物的含量以及底泥的表层结构(扫描电镜)进行了分析，同时还对底泥中总磷及各形态磷的含量进行分析;实验用水采用去离子水。

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实验过程中每天检测上覆水体中溶解性总磷的含量，同时测量上覆水体中Eh

和pH。实验结束后，对底泥中总磷和各形态磷以及水体中Do含量进行了测定;对上覆水体、沉积物表面的着生藻类进行计数，对沉积物表面的细菌进行计数，同时对着生藻类和细菌进行尽可能的鉴别分类。实验进行27天，直至水体中溶解性总磷的含量达到平衡为止。

重要结论

(1) 在浅水湖泊中，沉积物释放量的变化趋势与光照强度呈负相关，而与底栖藻类的生长量呈正相关。考虑到底栖藻类对沉积物中磷具有吸收同化的作用，认为底栖藻类成为了阻挡磷从沉积物向上覆水释放的一个生物“屏障”，光照强度通过底栖藻类的生物作用，间接地限制了沉积物中的磷向上覆水中释放，这是本研究提出的一个对浅水湖泊磷释放动力学和富营养化的新认识。

(2) 通过光照强度对上覆水中pH值变化的研究，pH值变化总的规律是水体偏碱性，升高趋势顺序为:高光强组>低光强组>无光组。

(3) 沉积物总磷和磷形态变化的结果表明，在浅水湖泊沉积物磷释放的过程中，无机态磷通过藻类同化作用转化为有机态磷的过程要大大强于有机态的磷通过物理化学和微生物作用转化为无机态磷的过程。旺盛的生物作用相对更有利于钙结合态磷的释放，而铁铝等结合态的磷酸根离子的释放能力则相对较弱。

2.2.5 光照对水-沉积物界面吸磷过程和上覆水质的影响研究目的

湖泊沉积物是湖泊营养的内负荷，我国绝大多数湖泊属于磷限制。外源营养物的不断输入是导致沉积物中磷大量累积的主要原因，而在外来营养源得到控制后,沉积物中磷的释放又成为湖泊水体中磷的重要来源之一，对水体的营养水平有着不容忽视的影响。因此，研究磷在水-沉积物界面吸收和释放，以及影响该过程的生物和环境因素非常重要。

溶解氧含量是影响磷在水-沉积物界面交换过程的重要因素。目前研究很多，特别是对含磷废水去除工艺的研究中。但将上覆水体中溶解氧含量与光照强度两者结合起来，研究有光和黑暗条件下，富氧和缺氧环境对磷在该界面的吸收过程的影响则很少。我国长江中下游地区主要以浅水湖泊为主，夏季是水华暴发的多发季节，光照强度强，即使沉积物表层在水华暴发期间处于厌氧状态，光照仍然

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可能穿过水体到达沉积物表层。因此针对我国浅水湖泊的特征，通过室内模拟试验，研究富氧和缺氧环境对有光和黑暗条件下,上覆水质的变化和沉积物对磷吸收的影响是本篇文章的重点。

研究内容

通过室内模拟试验，研究富氧和缺氧环境对有光和黑暗条件下,上覆水质的变化和沉积物对磷吸收的影响。

研究方法

将经预处理的实验用上覆水沿壁缓慢加入到采集的柱状沉积物中，以避免表层沉积物的再悬浮，加入的水柱高度为30cm，并标记刻度。放入充气管于上层水中，有六组实验泥柱通入纯度为99%的氮气，维持试验系统的缺氧状态，其中三根置于一定的光照强度下，另外三组置于黑暗培养;另外六组实验泥柱通入空气，维持系统的好氧状态，也分为有光和无光两组实验设置。通空气组实验装置除采样外一直开动充气泵，通氮气组每天早、午、晚各通气一次，通气时间为1小时。同时取原水样分析起始DO、TP、溶解性总磷(DTP)、溶解性无机磷(DIP)和总氮(TN)。此后每天定时采集上覆水30ml用于测量上覆水TP和DIP变化，用人工配制的高浓度磷酸盐湖水补充至水面刻度。每两天测量上覆水体pH和DO含量。实验温度维持在25?3?，有光组的光强为2400-2600lux，光暗比为12:12。

实验结束后，将各处理组中的沉积物按每2cm分层，并参照《湖泊富营养化规范》进行预处理，用SMT方法分析各层沉积物中总磷及各种磷形态的含量。

重要结论

(1) 实验用沉积物中的磷形态以Ca-P为主，占总磷量的58.27%，Fe/Al-P和OP则分别占总量的20.71%和21.02%;

(2) 当人为持续不断地加入高浓度的溶解性无机磷酸盐时，不论是富氧、缺氧，还是有光、无光，上覆水体中的磷酸盐都能够被沉积物吸收，但吸收量和吸收速度各不相同;

(3) 光照对缺氧环境的上覆水体中pH和DO含量有影响，光照使上覆水体中的pH升高，同时还能够使缺氧实验系统内的DO含量增加;光照对上覆水体中溶解性磷酸盐的含量变化影响显著。当人为不断地加入高浓度的DIP时，无论富氧还是缺氧实验系统在有光环境下都可以使上覆水中的DIP含量维持相对较

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低的水平。

(4) 光照对沉积物吸收上覆水中DIP的影响受缺氧和富氧环境的限制。在富氧环境下，有光条件下沉积物中TP的增加量低于无光条件，其中光照对Fe/Al-P和OP的增加量影响不大，对Ca-P的增加量影响较大;缺氧环境下，有光条件明显增加了沉积物中TP含量，在各形态磷的增加量来看，光照对Ca-P增加量的影响最为显著，其次是Fe/Al-P，有光条件下沉积物中OP含量明显下降。

2.2.6 好氧和缺氧条件对有光条件下水-沉积物界面释磷过程的影响

研究目的

以往众多研究表明，溶解氧条件对水土界面营养物质交换的影响是非常重要的，所得的结论也存在一定差异。以前的研究认为，水土界面的溶解氧条件可决定界面磷交换的方向。好氧条件下沉积物处于氧化状态，三价铁离子与磷结合，形成易沉积得磷酸铁，界面的磷释放受到抑制;而厌氧条件下不溶性的Fe(OH)3还原为可溶的二价铁离子，使铁结合态磷大量释放进入水体。近年来研究认为除厌氧条件释放磷外，好氧条件也可以少量的释放磷。总得来说，溶解氧浓度通过改变界面氧化还原状态对铁离子价位变化产生决定性的影响，并进一步影响潜在可释放的铁结合态磷的界面交换作用。

太湖平均水深1.9m，最大水深2.6m，属于典型的大型浅水湖泊。风浪扰动作用强烈，复氧程度高，不仅表层甚至水体底部溶解氧含量也常年处于充足状态。近20年来，太湖沿湖地区工农业迅猛发展，太湖接纳的废、污水量逐年增加，营养严寒量逐年上升，富营养化现象日益严重，甚至时有发生大面积的“水华”暴发。据2000年统计结果，太湖有85%的水域为富营养水平。梅梁湾湖区位于太湖北部沿岸区，是太湖著名的风景名胜区，周边人类活动剧烈，工农业、航运、渔业、旅游等行业交叉，因此带入湖水大量污染物，近十年来水质基本保持在劣V类水平，水体富营养化现象严重，夏季几乎全湖都能看到有水华现象发生。在水化暴发时，大量藻类聚集于一个水域内，进行剧烈的呼吸作用，水体会迅速变为缺氧状态。因此，研究溶解氧条件对太湖沉积物-水界面磷交换的影响可以进一步揭示太湖内源营养物质释放机理。

研究内容

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通常的溶解氧研究避光条件下完成，但是在实际情况中，水华通常发生在光照条件较好的日间，更由于太湖水浅，光照条件对底层水土界面也存在一定影响。为了更接近自然的水土界面释放环境，本文通过室内模拟实验，以太湖沉积物原状泥柱和湖水为研究对象，研究了在光照下，不同溶解氧条件对沉积物-水界面磷交换量的变化及差异的影响。

研究方法

研究方法同2.2.6。

重要结论

磷能够在缺氧环境下从沉积物释放到上覆水体，但在好氧环境很难释放。沉积物中有机质的分解可以释放CO2，并且通过试验结束后沉积物的分层理化性质分析发现，不论好氧还是缺氧，沉积物中的有机质含量都有不同程度的降低。因此，在

有光条件下，一些藻类能够适应缺氧环境，并利用沉积物中释放的可溶性磷和CO2进行光合作用，而好氧状态由于上覆水中可利用的溶解性磷的含量很少，导致藻类数量很少。根据实验结束后对上覆水体和沉积物表层沉积物样品进行电镜监测，缺氧环境中藻类的数量远高于好氧环境。因此缺氧环境中可溶性磷的含量较好氧环境少，但总磷含量较好氧环境多。由于藻类的光合作用，导致缺氧状态下上覆水体的pH值和DO含量在实验开始20天后略有增加。同时由于沉积物中有机物的分解导致沉积物pH值的降低，促进了Ca-P 和Fe-P 向沉积物表层的流动，当沉积物表层处于富氧状态时，Fe-P富集在表层，引起沉积物表层Fe-P含量的增加;当沉积物表层处于缺氧状态时Ca-P 和Fe-P 可以穿过沉积物-水界面进入上覆水体。因此当水体处于缺氧状态时，光照将进一步促进湖泊上覆水体水华的暴发。

2.2.7 溶解氧含量对有光条件下水-沉积物界面磷交换过程的影响

研究目的

众多研究表明，磷是导致水体浮游藻类异常增殖并造成湖泊水体富营养化的重要控制因子。在富营养化的进程中，外源磷会不断沉积在沉积物中，此时沉积物作为磷的“汇”，水-沉积物界面主要发生磷的吸附过程;在一定条件下沉积物中的磷又会释放到上覆水中，沉积物便成为磷的“源”，这时水-沉积物界面主要发生磷的释放过程，甚至导致水华现象的发生。磷在水-沉积物界面交换规律对

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于揭示其对富营养化和蓝藻水华暴发的影响非常重要，可以为湖泊内源污染治理提供科学依据。

环境因子的变化，对湖泊尤其是浅水湖泊水-沉积物界面磷交换具有重要的影响作用，水体中的溶解氧浓度是环境因子中比较易发生变化的一个。以往研究表明，溶解氧浓度通过改变界面氧化还原状态对铁离子价位变化产生决定性的影响，并进一步影响潜在可释放的铁结合态磷的界面交换作用。本文通过室内模拟实验，