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973计划课题(共享) 973计划课题xx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xxCB412304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xx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xx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。 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，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xx年10月,xx年1月和xx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(T 1、T 2、T 3、T 4、T 5、T6)、4(C 1、C 2、C 3、C4)、2(L 1、L2)代表性采样点(图1)，先后于xx年1月(枯水期)和xx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0.45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(GB11893-89)。 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253，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，以太湖沉积物原状泥柱和湖水为研究对象，研究溶氧条件对水-沉积物界面磷交换及沉积物中总磷和磷形态变化规律的影响。 研究内容有光条件下,溶解氧含量对水-沉积物界面磷释放和磷吸附过程的影响，分别采用重度和轻度两种营养水平的原状柱状沉积物，每组过程又分为好氧环境和厌氧环境两种情况进行模拟实验。 重要结论 (1)本实验沉积物样品各形态磷含量结果显示，在TP含量小于500mg kg-1的健康沉积物中，Ca-P为主，潜在可释放的Fe-P较少；在TP含量达到1500mg kg-1的富营养化沉积物中，磷主要以潜在可释放的Fe-P为主，而Ca-P只占很少的部分。 (2)好氧环境下界面磷交换过程发生迅速，总的来说偏向于发生吸附过程；而厌氧环境下则交换过程缓慢，偏向于发生释放过程。 好氧环境下达到磷交换反应平衡的时间大大快于厌氧环境。 (3)释放实验中水-沉积物界面磷表现为由固相向液相转化的趋势，这种趋势好氧环境要强于厌氧环境；吸附实验中，水-沉积物界面磷表现为由液相向固相转化的趋势，这种转化趋势在好氧环境下要高于厌氧环境。 (4)释放实验中沉积物中Fe-P含量的变化情况表现为好氧条件下减少，厌氧条件下，略有增加；吸附实验中，好氧组与厌氧组的Fe-P含量都大量增加，这种趋势好氧条件比厌氧条件更强烈。 释放实验中Ca-P含量少量减少且减少量基本相同，溶氧条件对沉积物中Ca-P含量变化没有显著影响；吸附实验中，Ca-P含量有所增加且增加量基本相同，说明溶氧环境对Ca-P含量的变化没有显著影响。 释放实验中，不同溶氧条件下OP都有所减少，且好氧环境要大大高于厌氧环境；吸附实验中，好氧组沉积物中OP含量略有增加，而厌氧环境下OP含量有所减少。 (5)释放实验中两种溶氧环境下磷形态在组分上变化幅度只有1%左右，说明溶氧浓度对沉积物中各类形态磷的组分变化影响并不十分显著。 吸附实验中，好氧环境下健康湖泊沉积物中磷形态组分变化只是在Fe-P和OP之间发生，潜在可释放磷源在组分上没有明显变化；厌氧环境下健康湖泊沉积物中磷形态组分变化主要表现为OP组分减少，较稳定的Ca-P组分增加，潜在可释放的磷源（Fe-P+OP）组分减少。 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2.3.1粒径对湖泊沉积物磷形态和磷酸盐吸附影响研究研究目的粒径组成是沉积物非常重要的特征之一，不同粒径的沉积物颗粒具有不同的比表面积和重量，因而具有不同的特征，对磷营养盐在固液界面上交换的影响也存在差异。 一般来讲，吸附颗粒中粘粒含量高，表面积大，则表面能强，对磷的吸附量就越大。 然而针对不同粒径湖泊沉积物吸附磷的研究并不多见。 因此就不同粒径的湖泊沉积物中磷的赋存形态进行研究，对认识磷在湖泊生态系统中的循环机理具有非常重要的理论和现实意义。 另外通过对不同污染程度的两个湖泊沉积物不同粒径部分各形态磷的含量及其所占比例的分析，来揭示湖泊沉积物粒径组成与其磷赋存形态间关系，为探明湖泊沉积物水界面磷的循环机理提供科学依据。 本文试图通过实验模拟的方法研究不同粒径湖泊沉积物对磷的吸附，探讨湖泊沉积物粒径组成对其吸附磷的影响。 研究内容 (1)粒径对湖泊沉积物磷形态影响研究; (2)粒径对湖泊沉积物磷酸盐吸附影响研究;重要结论 （1）五里湖与贡湖沉积物不同粒径部分磷含量的差异主要在I-P，O-P含量相差不大；各形态磷含量均为五里湖大于贡湖； （2）五里湖沉积TN、TP、有机质以及各形态磷的85以上是分布在细颗粒中，而贡湖沉积物，仅有5060左右分布在细颗粒中，而分布在粗砂粒中的比例均最低。 （3）不同粒级五里湖和贡湖沉积物对磷的吸附动力学曲线和吸附等温线曲线，具有相似的变化趋势； （4）每一粒级的吸附量、吸附速率和吸附效率均为贡湖沉积物高于五里湖沉积物；各粒级的变化趋势均为粘粒级细砂粒级粗纱粒级粉砂粒级； （5）各粒级中粉砂粒级SiO2含量最高可能是其对磷的吸附量、吸附速率和吸附效率在各粒级中最低的原因。 2.3.2DOM对沉积物吸附磷影响研究研究目的长期以来，科学家一直非常重视磷在湖泊水沉积物界面吸附行为的研究，但是，磷的吸附/解析机理并没有被彻底被认识。 80年代以后，国外关于DOM的报道急剧增加，但我国仍然很少开展这方面的研究，特别是关于沉积物中DOM对其吸附磷影响的研究报道更少。 因此，研究沉积物中DOM对其吸附磷的影响具有重要的意义。 拟以湖泊沉积物为研究对象，探讨DOM对其吸附磷酸盐的影响。 重要结论 （1）DOM没有改变沉积物吸附磷的等温线和动力学曲线的基本趋势； （2）DOM促进了沉积物对磷的吸附，提高了沉积物吸附磷的效率； （3）DOM总体上提高了沉积物吸附磷的速率，特别是提高了0-0.5小时内的吸附速率； （4）严重污染的五里湖，DOM对其吸附磷的影响大于中营养水平的东太湖。 2.3.3长江中