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湖泊富营养化是世界性的严重环境问题之一,沉积物可向水柱持续而有效地补充磷营养,进而长期阻碍富营养化湖泊的恢复,而磷在沉积物中的吸附特征及其影响因素尚未得到充分的研究,因此本文以长江中下游浅水湖泊(太湖、巢湖、月湖、东湖)与松滋池塘为研究对象,修正并完善了沉积物磷吸附特征参数的测定方法,系统描述了浅水湖泊沉积物磷吸附行为在时间和空间上的异质性及其生态学意义,同时进一步分析了有机质(OM)对沉积物磷吸附行为的影响机理,并以此为基础初步探讨了疏浚技术在水体富营养化控制中的应用。主要研究结果如下:
1.用沉积物鲜样测得的吸附能(K)显著高于用风干样测得的相应值,此外,风干样的吸附解吸平衡浓度(EPC0)与OM含量显著正相关,而鲜样的EPC0值则与OM含量显著负相关,风干过程中沉积物有机质在有氧条件下的分解产物将竞争吸附位点,从而减弱磷酸盐的吸附能,并导致其由磷汇向磷源的转换,故测定沉积物磷吸附参数时需用鲜样。
2.低磷浓度条件下,沉积物对磷的吸附Linear方程拟合较好,而在较高磷浓度条件下,沉积物对磷的吸附行为可为Langmuir方程和Freundlich方程加以描述,且后者拟合效果更佳。长江中下游的实验湖泊沉积物EPC0值均高于表层水溶解反应性磷(SRP)浓度,即沉积物均呈现向上覆水释放磷的趋势；且大型浅水湖泊(太湖、巢湖)沉积物尤其是巢湖沉积物EPC0值明显比城市湖泊(月湖、东湖)高,即前者具有更强的磷释放趋势:太湖9个采样点中草型湖区沉积物的最大吸附量(Qmax)最高且EPC0值最低,故其磷吸附能力最强；因此沉积物磷吸附行为的空间异质性可大体反映湖泊(区)污染程度的差异。
3.2009-2010年太湖9个采样点的逐月分析结果表明:沉积物主要在春末夏初向水柱释放磷,而在夏季则倾向于吸附磷,且EPC0值与表层水叶绿素a(Chla)浓度的季节变化趋势相反,即Chla浓度较高时,EPC0浓度较低,因此太湖沉积物可能是水华微囊藻得以复苏的有效磷源。
4.有机质对沉积物磷吸附行为的影响较为复杂,就单个实验湖泊而言,沉积物OM含量与Qmax值显著正相关,OM含量越高,Qmax值随其线性变化的斜率越小:松滋鱼塘沉积物的OM含量与K值显著负相关,巢湖和东湖沉积物的OM含量则与K值显著正相关,而鱼塘的活性有机质以蛋白质为主,巢湖沉积物的活性有机质则以脂类为主。室内模拟实验结果表明,糖类仅影响沉积物磷的吸附能,而氨基酸(甘氨酸)则降低磷的吸附能,增加最大吸附量,因此有机质自身及其降解产物将以不同的方式影响沉积物磷的吸附能力。
5.沉积物磷吸附参数的垂直分布结果表明,太湖藻型湖区沉积物距表层10-15cm处EPC0值最低,故相应疏浚深度宜为10-15cm,而草型湖区EPC0值随深度递增,大型水生植物的存在促使表层沉积物长期维持其作为磷汇的功能。松滋鱼塘的比较研究结果表明,从总体上讲清淤之后沉积物Qmax值明显增加,而EPC0值则无明显变化,从时间尺度上看,清淤约3个月后沉积物EPC0值明显降低,而6个月后则与对照无异,因此,清淤的长效型并不明显,其原因可能在于有机质的迅速沉积。