浅水湖泊沉积物中磷的活化再生与环境响应：基于磷酸盐氧同位素研究

With the continuous development of the economy in China, eutrophication in shallow lakes will become one of the most important problems in water environment in the future. Lake Taihu, a large shallow lake is selected for the present study. With field observation, indoor analysis and stimulated test in laboratory, temporal-spatial distribution characteristics of the contents, forms and composition of phosphorus (P) and phosphate oxygen isotopes in the overlying water, hydrophytes, suspended particles, sediments, interstitial water, main inflow and outflow rivers of Lake Taihu will be investigated, the micromechanism of the migration and transformatiom of interanal P loading will be revealed, and the coupling relationship between its biogeochemical cycle and biological processes (algae bloom) will also be discussed. A tracing model for pollutant sources will be built up on the basis of phosphate oxygen isotopes and bio-chemical analysis, the contribution of internal P release in shallow lakes will be quantitatively estimated, and the response features of the accumulation and regeneration of interanal P loading on ecological environment change will also be elucidated. This research is helpful in further making nutrient management strategy and controlling technology for eutrophic lakes.

随着经济的持续发展，浅水湖泊富营养化将成为我国未来水环境面临的重大问题。本研究选取太湖这一典型浅水湖泊作为研究对象，以不同湖区水体、水生植物、悬浮颗粒物、沉积物、孔隙水及主要入出湖河流等多介质中磷的含量、形态、组成及其磷酸盐氧同位素的时空变化研究为重点，综合野外监测、室内分析和模拟培养实验，揭示沉积物中磷的迁移转化的微观机制，探讨磷的生物地球化学循环与湖泊生物过程(蓝藻水华)之间的耦合关系。在此基础上，构建基于磷酸盐氧同位素结合生物化学分析的污染物来源示踪模型，定量估算浅水湖泊内源磷释放的贡献，阐明内源磷蓄积和再生对生态环境变化的响应特征，为科学制定湖泊营养盐管理策略和确定控制技术方案提供重要指导依据。

本研究选取太湖和滇池两个典型浅水湖泊作为研究对象，揭示了沉积物孔隙水中磷的垂向分布特征与其界面释放的影响，着重比较了沉积物中无机磷和有机磷的生物有效性及其与湖泊藻类水华之间的耦合关系，探讨了沉积物内源磷的释放机制及其关键环境因子，并基于多介质中d18Op数值模型判别了浅水湖泊内源磷的来源及其对生态环境变化的响应特征。结果表明，颗粒态磷（PP）和溶解态有机磷（DOP）是太湖水体中主要的磷形态，占总磷的58%~95%。不同湖区沉积物孔隙水磷的剖面变化可能与生态特征及水动力引起的沉积物-水界面的扰动强度密切相关。孔隙水中各形态磷具有向上覆水体释放的趋势，其中以溶解态活性磷（DRP）的扩散潜力最大，竺山湖沉积物-水界面DRP扩散通量高达11.42 mg•m-2•d-1。HCl-P、Res-P为滇池沉积物中主要的磷形态，占总磷的62.9~86.4%，有机磷均以低活性态为主。Olsen-P与NH4Cl-P、BD-P、NaOH-rP等活性磷形态呈显著正相关，而与 NaOH-nrP、HCl-P、Res-P、TP等相关性不显著，可作为评价湖泊沉积物释磷能力及其潜在环境风险的重要指标。正磷酸盐是所有沉积物提取液中主要的磷化合物，磷酸单酯含量次之，磷酸二酯和焦磷酸盐含量较低。除磷酸单酯外，正磷酸盐、磷酸二酯和焦磷酸盐与上覆水体TP呈显著正相关，表明这些形态磷的释放对上覆水体富营养化的重要贡献。磷酸单酯、二酯和焦磷酸盐等生源性磷的比例为4.4~18.7%，在藻华发生严重的草海和海埂等西北部湖区高达8.1~18.7%，表明内源性正磷酸盐仍然是维持上覆水体富营养化水平的主要因子，而生源性磷的再生主要提供营养盐代偿性功能。湖水溶解氧降低和pH值增加是滇池沉积物释磷的主要机制。夏秋季藻类大面积爆发及死亡后在沉积物表面的耗氧分解，厌氧条件显著促进磷在沉积物中的迁移和释放，提高了湖水的营养水平，又促进了藻类的暴发。两者相互促进，形成了一个长期的恶性循环。磷酸盐氧同位素值可作为示踪浅水湖泊磷酸盐来源的手段。本研究加深了浅水湖泊内源磷生物地球化学循环机理的认识，为今后科学制定湖泊营养盐管控策略方案提供重要参考依据。