磷不仅是引起湖泊水体富营养化的主要营养物，也是水体富营养化现象能否发生的主要限制因子之一^{[1, 2]}，因此有效降低磷浓度是防治湖泊水体富营养化的关键。早期的富营养化防治多以控制磷输入为重点，注重减少外源磷负荷。研究表明随着监管力度的增大，来自工业、农业、养殖业等排放的外源磷输入得到控制，内源磷释放所造成的二次污染成为湖泊富营养化的重要来源之一，对内源磷释放规律的研究逐渐进入人们的视线^{[3, 4, 5, 6]}。

凤眼莲（Eichhirnia crasslpes）是公认的去除氮、磷效果最佳的水生植物之一，如何合理利用凤眼莲成为水体生态修复关注的课题之一^{[7, 8]}。目前针对凤眼莲和湖泊富营养化磷治理的研究主要可以分为3 类：（1）在开放性水体大面积种植水生植物，仅从植物生物量增加和水质变化讨论植物的净化效果^{[9, 10, 11]}，这类研究主要侧重于水体表观效果，而并未将植物-水体-底泥结合起来，也未联系pH 值、氧化还原电位、温度等外界条件，从去除机理和去除贡献的角度对底泥磷释放进行研究，实验中磷的来源并不明确；（2）以底泥为主要研究对象，研究其内源性磷在多种非植物环境因子变化条件下（如内源磷的组成含量、温度、上覆水、溶解氧、水体扰动等因素）对其释放的直接影响或环境因子通过对微生物和藻类生长对底泥磷释放的间接影响^{[12, 13, 14, 15, 16, 17]}，这类研究更注重研究影响底泥磷的释放的外部条件，而并未与植物生长结合起来，对磷的去向和下一步净化手段并未进行研究；（3）以室内培养箱中底泥- 水体-植物为研究对象^[18]，从磷平衡和总量的角度讨论系统中磷的去向，这类实验设置的实验条件往往从水体营养盐浓度入手，更注重植物种类的筛选，而并未针对一些对底泥释放有重要影响的外部限制因素进行研究。

本实验结合上述几类实验的不足和优势，以国内鄱阳湖、太湖和滇池等湖体^{[13, 19, 20, 21]}实际情况为依据，选取不同pH 值为控制沉积物磷生物有效性和磷释放的不同处理^{[15, 22]}，以凤眼莲为系统植物因子，与水体和一定质量的底泥一同组成富营养化水体生态修复系统，研究系统可转移TP 在不同pH 值条件下的释放及转化和吸收吸附的变化趋势，对于有效控制沉积磷向水体的释放、一定程度上缓解因内源污染导致的水体富营养化问题具有重要意义，并为凤眼莲生态修复技术在更大范围内的推广应用提供理论参考与实践依据。

实验地点设在江苏省南京市江苏省农业科学院内温室，地属亚热带季风湿润气候区，具有气候温和、四季分明、冬冷夏热、雨量充沛、光照充足、热量丰富、雨热同季的特点。

实验植物选择植株较小生长健壮的凤眼莲幼苗，底泥来自太湖竺山湾凤眼莲种养区（北纬31°27'17''，东经120°04'40''），实验用水来自江苏省农业科学院2号塘（北纬32°02'14.82''，东经118°51'56.88''）。以200L 塑料箱（73 cm×52 cm×56 cm）为实验容器，加入干泥30 kg（平均初始含磷量为1.101 8 mg·g^-1），沿壁缓慢加入实验用水180 L（平均初始含磷量为0.387 mg·L^-1，叶绿素含量为1.365 mg·m^-3）并与桶壁做标记，待泥水平衡3 d后正式开始实验，放入1 kg 洗净的凤眼莲幼苗（平均初始含磷量为0.44%），每日用实验室纯净水补充以弥补蒸发损失的水分。实验共24 个塑料箱（图 1），分为4 组，用NaOH 溶液或HCl 溶液在尽量不扰动底泥的情况下，将水体pH值调节到6.0、7.5、9.0和10.5，分别命名为T1、T2、T3 和T4，每组处理中有3个放入凤眼莲苗，3 个不放苗作为对照（CK），按pH 值从低到高分别命名为CKT1、CKT2、CKT3 和CKT4，如图 1所示。实验从2013 年6月28 日开始至9 月19日结束，为期84 d。

图 1 实验设置说明 Figure 1 Experiments settings

图选项

塑料桶初始底泥厚度约13 cm，水深约35 cm。每隔7 d于水面下约10 cm 处采集100 mL 水样1 瓶，采样后将pH 值调节为处理要求的pH 值，并以纯净水补充蒸腾、蒸发损失；于实验开始和结束当天用柱状采泥器采集随机于对角两点底泥0.3~0.5 kg，采样时尽量减少水体扰动；实验开始和结束时采集水样测定叶绿素含量，并称取凤眼莲生物量并采集植物样品，简单清洗后控水后烘干。

水样测定总磷（TP）和pH 值：TP 采用SKALARSAN⁺⁺型流动分析仪（荷兰）测定，pH 值用便携式笔试pH 计测定；底泥测定含水量和干泥TP 含量：含水量采用经典烘干法（（105±2）℃，24 h），干泥TP 含量采用硫酸-高氯酸消解、钼锑抗比色法；植物测定含水量和干物质TP 含量：含水量采用烘干法（（105±2）℃杀青2 h，75 ℃烘干72 h），干物质TP 含量采用硫酸-双氧水消解、钼锑抗比色法。

通过单位计算换算出凤眼莲吸收TP 总量、水中TP含量变化总量和底泥TP释放总量，计算公式如下：

（1）凤眼莲吸收TP 总量（mg）=最终凤眼莲全株TP含量（mg·kg^-1）×植物最终干重（kg）-初始凤眼莲全株TP 含量（mg·kg^-1）×植物初始干重（kg）；

（2）水中TP增加总量（mg）=水中TP 浓度增加量（mg·L^-1）×水样体积（L）；

（3）底泥TP 释放总量（mg）=底泥TP变化量（mg·kg^-1）×底泥干重（kg）。

水样测定叶绿素含量（Chla）：取0.1 L水样用GF/C玻璃纤维滤膜（直径47 mm）过滤，滤膜保存于10mL 离心管中，然后往离心管中加入5 mL 90%的乙醇，水浴加热80~85 ℃5 min，取出后避光保存4~6 h，在紫外分光光度计上于665 nm 和750 nm 处测定吸光度，分别记为E665和E750，然后在样品中加入1 滴盐酸（1:10）溶液进行酸化，1 min 后重新在665 nm 和750 nm 波长下测定吸光度，分别记为A665和A750。叶绿素计算公式为：

点击浏览公式

采用Excel 2003 和SPSS 10.0 软件进行数据处理，处理间多重比较用LSD 法。

底泥磷初始含量范围为1.080~1.124 mg·g^-1，实验终止时底泥磷含量范围为1.050~1.111 mg·g^-1，总体呈下降趋势。如图 2a所示，pH 值为10.5 极端条件下，种养凤眼莲与否的实验起始与终止时底泥磷含量间均存在显著性（P<0.05）差异，而pH 值在6~9 之间的各处理均未出现显著性（P<0.05）差异。

不同字母表示不同处理初始、终止磷显著性差异（P<0.05） 图 2 系统底泥TP含量（a）和磷释放量（b）的变化 Figure 2 Changes in the content of total phosphorus（a）andrelease of total phosphorus（b）in the sedimentduring the experiment

图选项

由图 2b 可以看出，在4 个空白对照处理中，底泥TP 释放量的变化规律为：近中性条件下最小，随pH值增加，底泥释放量增加，其释放总量依次为125、177、363 mg 和1 110 mg。此规律与前人的研究结果基本一致^{[22, 23, 24]}，即中性条件下磷释放量最小，偏碱条件下磷释放会增加。统计分析结果表明，CKT4处理的底泥TP 释放量显著（P<0.05）高于CKT3，CKT3、CKT4 均显著（P<0.05）高于CKT1 和CKT2 处理，而CKT1 和CKT2 处理间差异不显著。不同pH 值主要是通过影响磷在水体中的赋存形式而影响底泥中P的释放，沉积物中的无机磷主要分为易交换态磷或弱吸附态磷、铁结合磷（Fe-P）和铝结合磷（Al-P）、钙结合磷（Ca-P）以及闭蓄态磷（Oc-P）。当pH 值在近中性条件下，上覆水中的磷主要以H2PO4-和HPO42-形态存在，最易被沉积物中金属元素相结合而被沉积物吸附，因此此时释放量最小；而碱性条件下pH=9~10.5 时，沉积磷的释放以离子交换作用为主，大量OH-的存在，与铁、铝磷酸盐结合体中的磷酸盐相互竞争吸附位置，加剧了磷酸盐的解吸过程，使沉积物中的NaOH-P 释放出来^{[20, 21, 24]}。

4 个种养水葫芦的处理不仅表现出类似的变化趋势，且释放量均分别大于相同pH 值下未种植凤眼莲的处理，即随pH 值增加，其TP 释放总量分别为347、379、583 mg 和1 144 mg，较空白对照处理底泥中TP 释放量分别增加了222、202、220 mg 和34 mg，即底泥释放磷含量分别增加了7.40、6.73、7.33 mg·kg^-1和1.13 mg·kg^-1。这可能是由于在实验过程中，凤眼莲吸收水中磷元素进行生长，上覆水中磷素的迁移和减少促进底泥中的磷素通过间隙水向上覆水中扩散。统计分析结果表明：T4 处理的底泥TP 释放量显著（P<0.05）高于其他3 个处理，而T1、T2、T3 处理间的差异不显著。可见，在pH值为6~9的范围内，种养凤眼莲对底泥TP 释放的影响不可忽视，而在高pH 值下（pH=10.5），凤眼莲吸收对底泥TP 释放的影响不再明显，pH 值对底泥TP 释放的影响更加显著。

由图 3 可知，实验结束时，空白对照处理水体TP变化量呈现随pH 值增加而增加的变化趋势，与初始值相比CKT1、CKT2、CKT3、CKT4 的TP 变化量分别为-24.12、-4.32、136.88 mg 和547.92 mg。CKT1 处理在整个实验过程中水体TP 含量呈缓慢下降趋势，CKT2变化趋势为围绕初始值上下小幅波动，其最终TP含量均低于初始TP 含量，同时，CKT1、CKT2 叶绿素含量由最初的1.365 mg·m^-3分别增加到结束时的17.745 mg·m^-3和47.775 mg·m^-3，分析系统中的磷去向可能是8 月中旬水中后来自发生长的浮萍和藻类的吸收吸附；CKT3 在实验开始就表现出明显的增加，从初始的70.68 mg 增加到7月18 日的132.12 mg，之后波动性继续增加至8 月22 日达到顶值359.28 mg，此后渐渐降低，实验结束时叶绿素含量增加到184.275 mg·m^-3，水中TP 总量为207.56 mg，这一结果与郭志勇等^[20]的研究结果一致，即碱性pH 值下水体TP会有明显的持续性的增加，8 月中下旬可能由于浮萍等生物吸收吸附的原因，水中TP 含量略有降低；CKT4处理于实验前期呈现阶段性剧烈增加，至8 月中旬增长至576.72 mg，之后基本保持这一总量，此时水体溶解和底泥释放基本达到平衡，实验结束时的TP 总量为613.80 mg，叶绿素含量达到208.845 mg·m^-3，藻类的吸收可能是系统TP的主要去向^[25]。

图 3 各处理水体磷总量的变化 Figure 3 Changes in the summation of total phosphorusin the water during the experiment

图选项

种养凤眼莲处理也呈现类似的变化规律，实验结束时TP 变化量按pH 值由低到高依次为-43.20、-9.12、88.80 mg 和558.48 mg，较空白对照水体的最终磷含量分别减少了0.11、0.03、0.27 mg·L^-1 和-0.06mg·L^-1。具体来看，T1 处理在整个实验期间水体磷总量并未出现剧烈的变化，整体减少趋势比较平缓，对水体的净化量高于其对照试验CKT1；T2 处理在前40 d TP 含量略有降低，在8 月下旬出现短暂上升后含磷总量渐渐降至初始水平，分析可能是由于当时实验箱出现质量问题，后经修补后重新补加水对体系的底泥产生扰动的缘故，实验结束时，水中TP含量平均值为70.56 mg，略低于本处理初始TP 总量79.68 mg，净化效果略优于其对照实验；T3 处理的水体磷总量在实验开始的时候出现短暂的降低，然后在8 月2日—8月30 日期间有所升高，峰值出现的日期晚于其对照CKT3 且数值（234.24 mg）也低于CKT3，之后TP 浓度略有降低，结束时处理的平均总含量为158.64 mg，这可能是由于实验前期凤眼莲快速生长，从水体吸收大量营养元素，进一步促进底泥中的磷向水中释放，而到实验中期时植物生长速度减缓除磷速率降低，TP 含量曲线表现为升高，此时系统中主要以底泥释放作用为主，当凤眼莲吸收和底泥释放达到动态平衡时TP曲线表现为最终的平缓区；T4 处理的含磷总量表现为从实验开始至8 月8 日有迅速且明显升高，之后一直到实验结束保持基本不变的趋势，结束时水中磷总量633.96 mg，明显高于实验初始P 含量75.48 mg，净化量低于CKT4，可能是由于pH 值过高底泥磷释放量最大，且高pH 值导致凤眼莲生长状态不好，从实验开始时就有部分植物陆续死亡腐烂，加重对水体TP 的释放，所以在图 3 中只出现的快速增长区（底泥释放为主）和稳定区（吸附吸收和释放达到平衡），前期水中TP 的增加速度也快于空白CKT4。

根据初始和结束时的凤眼莲生物量与含磷量，计算整个实验过程中凤眼莲吸收的磷总量（表 1）。4 个处理的凤眼莲生物量按pH 值由低到高依次为4.386、3.162、2.766 kg 和1.982 kg。从凤眼莲长势上看，T1 处理的凤眼莲长势最好；T2 长势次之；T3 处理在实验期间凤眼莲叶片上出现斑点，导致最终长势不如前2个处理；T4处理的凤眼莲长势最差，从实验开始时就有植株死亡，至实验结束时已经大量死亡，收集到少量活植株，部分样品因腐烂脱落或在清洗时有部分损失而未能全部收集。就凤眼莲吸收磷总量而言，按pH 值由低到高依次分别为285.3、307.0、446.9mg和-53.7 mg（表 2）。就凤眼莲的生物量和干物质含磷量来看，pH 值范围在6.0~9.0 之间时，随着pH 值增加凤眼莲生物量虽有降低，但干物质含磷量增加显著，故凤眼莲吸收磷总量呈增加趋势，而pH 值为10.5 的极端条件下呈现凤眼莲植株磷释放现象，主要是由于本实验条件下该pH 值已严重影响凤眼莲生长的缘故。

表 1 各处理凤眼莲吸磷量 Table 1 The uptake of total phosphorus of Eichhirnia crasslpes under the different treatments

表选项

表 2 不同pH值下底泥-水体-凤眼莲系统的TP释放与迁移量 Table 2 The migration and release amount of TP in sediment-water-Eichhirnia crasslpes system under different pH value

表选项

本实验条件下，不同pH 值处理底泥-水体-凤眼莲系统中磷的源和汇存在差异（表 2）。具体来看，T1和T2 处理中，底泥和水体中的TP 均表现为释放和减少的趋势，其中底泥释放是系统可转移TP 主要来源，凤眼莲吸收吸附的TP 量表现为增加，分别占系统可转移TP 来源的73.12%和79.06%，是系统可转移TP 的主要去向；而T3 处理中，底泥的TP 表现为释放，其释放量高于前两个处理，为系统TP的唯一来源，水体TP 变化量和凤眼莲TP 吸收量均表现为正值，分别占底泥释放量的百分比分别为15.23%和76.67%，其中植物吸收依然是系统TP 的主要去向，另外其他途径净化比例占8.1%；分析T1、T2 和T3 处理均有少部分TP 不知去向，可能由水体中生长的漂浮植物（如凤眼莲、浮萍）或藻类的吸收吸附作用或者是以悬浮物和有机磷的形式存在引起的。另外，T4 处理中，底泥和植物分别表现为释放和负吸收，分别占总量的95.5%和4.5%，其中底泥释放为系统可转移TP 的主要来源，植物由于生长状态不好腐烂分解也向系统中释放TP，加剧水质恶化，导致水体TP增加，另外由于腐烂的植物不能完全打捞出来，并且在采样清洗时也有部分损失，因而可能有将近46.6%的磷以颗粒态形式存在于体系中或损失于采样过程中。

在自然环境里，pH值为不可控条件，各地由于地理位置、气候条件等原因，天然水体中的pH 值有一定差异，往往在一定范围内波动，例如云南滇池水体pH值为7.99~8.97^[13]，太湖梅梁湾水体pH值为7.55~10.10^[26]，pH 值虽然无法人为控制，但却是影响底泥TP释放的重要因素，它可以通过影响底泥中金属的固定和溶解、以及生物的吸收与转化来影响底泥中磷的固化与释放，也有研究指出底泥中的有机态磷在碱性条件下也更容易被释放出来^[27]。因此在更广pH 值范围内研究底泥TP 释放规律和TP 去向问题显得尤为重要，对凤眼莲净化技术在更广范围内推广也有指导意义。

本实验过程中底泥均呈现磷释放，但不同pH 值下底泥中磷的释放程度不同。即碱性条件下TP释放最多，中性条件下TP 释放最少，这与金相灿等^[28]、郭志勇等^[20]的研究结果相似，且种养凤眼莲时均比空白对照底泥释放的磷更多。这主要是由于未种养凤眼莲处理仅有有限的自然生长藻类和微生物等对磷进行生物利用，这对上覆水和间隙水中磷吸收有限，对底泥磷释放的促进作用也不及种养凤眼莲对系统中磷的吸收作用明显；而种养凤眼莲时，凤眼莲会从水中或悬浮颗粒物中吸收吸附磷养分供自己生长，通过扩散作用进一步促进底泥中磷的释放。另有研究^[29]表明高光照条件下沉积物上方形成的藻膜会在一定程度上阻挡沉积物中的磷进入上覆水，进而抑制底泥中磷的释放，但凤眼莲的存在还会通过营养竞争、根基分泌物和遮光等因素影响藻类的生长和藻膜的形成^{[27, 30]}，进一步促进底泥中TP释放。

在本实验条件下，水体TP 含量的增减并不单独取决于凤眼莲TP 吸收量或者底泥TP 释放量，而是他们之间相互平衡后的外观体现。当凤眼莲对TP 吸收吸附能力大于底泥TP 的释放能力时，水体表现为水质变好（TP 含量降低），变好和降低的程度均优于空白对照，这种情况在T1 和T2 及其对照处理就可以看出；当凤眼莲吸收吸附能力小于底泥TP 的释放能力时，水体表现为水质渐渐变差（TP 含量升高），但TP 升高程度和速度均小于空白对照，这种情况在T3处理中可以看到；当凤眼莲吸收吸附能力远远小于该pH值下底泥TP的释放能力时，水体水质会迅速变差，植物死亡腐烂分解，某些藻类在碱性条件下（pH=9~10）释放的碱性磷酸酶将颗粒态和溶解态的物质作为底物，或从死亡的有机物中分解释放出正磷酸盐^{[31, 32, 33]}，从而使水中TP 含量高于空白对照，这种情况在T4处理中表现的比较明显。

不同pH 值下，凤眼莲-水体-底泥系统TP 的各迁移转化途径和比例均不相同。在本实验条件下，各处理系统中可转移TP 主要来源于底泥释放，且pH值越高释放量越大。在凤眼莲正常生长的前提下（如T1、T2、T3 处理），凤眼莲吸收吸附是系统TP的主要去向，分别占本系统可转移TP 的73.12%、79.06%和76.67%；当凤眼莲无法正常生长时（T4 处理），凤眼莲植株腐烂分解也成为系统TP的来源之一。当植物吸收量大于底泥释放量时，水体TP 可能是系统可移动TP 的来源之一；当植物吸收量小于或远远小于底泥释放量时，水体TP 也是系统可移动TP 的重要去向之一。整个实验中仍有部分TP 去向不明，这些TP可能是通过浮游植物（如凤眼莲、浮萍）、藻类或微生物等的生化利用或以悬浮物和有机磷的形式^{[25, 33, 34]}存在于系统中。

底泥TP的释放受pH 值影响较大，即碱性条件下磷释放量大，近中性条件下磷释放量较小。在pH值为6.0~9.0 时，种养凤眼莲较空白对照处理有利于促进底泥中磷释放，其增加释放磷含量在6.73~7.40mg·kg^-1之间，有利于增大水体磷降低幅度，其降低范围在0.03~0.27 mg·L^-1之间；且凤眼莲吸收吸附磷是系统可移动磷的主要去向，占系统可移动磷的73.12%~79.06%。另外，实验中pH 值为10.5 极端条件下，不利于凤眼莲生长，随着时间推移，凤眼莲逐渐死亡腐烂产生的磷也是系统可移动磷的来源之一。水体TP变化是底泥释放和凤眼莲吸收作用平衡后的外观表现，并不单独决定于某一因素。