水体富营养化及有害藻类“水华”是一个全球性的水环境问题。水体中过高氮、磷浓度是引起水体富营养化和有害藻类“水华”的主要原因^[1-3]。磷被公认为是水体中藻类种群和密度的第一限制性营养元素^[4]。不同形态磷源的生物可利用度是不同的，无机磷因为能被藻类所直接吸收利用，被认为是藻类最重要的磷源。然而藻类在缺乏无机磷的情况下也能通过碱性磷酸酶的作用利用有机磷来促进藻类的生长^[5-7]。大量研究表明，水体磷浓度与藻类生物量之间呈显著正相关^[8]。

沉积物具有很强的磷滞留能力，大量磷输入水体后很多会被截留在沉积物中，沉积物即成为水体的磷库。即使外源污染得到有效控制后，沉积物中释放的磷也可以延长富营养化进程，甚至加剧富营养化程度^[9]。因此，沉积物中磷的释放对水体富营养化及藻类爆发具有重要作用。

内源磷有多种赋存形态，不同形态的磷其释放特性、生物有效性和对湖泊富营养化的影响有很大差别。影响沉积物内源磷释放的因素有物理、化学和生物因素^[10]，如水体温度、pH、溶解氧、扰动等。滇池沉积物具有较强的磷释放能力，沉积物磷释放是滇池水体中磷负荷的重要来源，尤其是在外源得到控制后，沉积物内源磷的释放问题更为突出^[11]。目前对滇池沉积物的研究主要集中在沉积物磷的水平分布特征^[12-14]、沉积物磷的形态^[15-16]、沉积物的释放通量^[17]、影响沉积物磷释放的因素^[18]等，而有关沉积物磷释放过程与有害藻类“水华”之间的关系研究鲜有报道。

本文通过研究滇池上覆水和沉积物中不同形态磷含量及其与水中叶绿素a含量的关系，分析了滇池水体和沉积物中各形态磷与藻类生长的关系，探讨水体和沉积物各形态磷对藻类生长的影响，理清了滇池磷在沉积物与上覆水之间的迁移转化特征并查明其与有害藻类“水华”的关系。

1 材料与方法 1.1 供试材料

上覆水和沉积物采用2017年6月30日在滇池龙门生态公园码头（24°57′ N，102°38′ E）采集的样品。利用采水器舀入塑料桶中，立即带回实验室备用。沉积物用沉积物采集器（wi24605）采集表层沉积物（0~30 cm），搅匀后用于试验。

1.2 模拟试验

模型装置为长×宽×高=20 cm×30 cm×50 cm的玻璃缸。将沉积物放于玻璃缸内（沉积物厚度10 cm），用滇池原覆水作为上覆水（上覆水厚度30 cm），上覆水中0~15 cm为上层水，15~30 cm为下层水。将整套装置放于室外，且保证6个玻璃缸受到相同强度的光照。每日观察玻璃缸中藻类的生长情况，并对蒸发水进行及时补给。每周同一时间采水样进行各种形态磷和叶绿素a的测定，总测定时间为7周。每次采样之后，放入相同体积的蒸馏水。每15 d采集沉积物样品，风干并对其不同形态的磷含量进行测定，总测定时间为90 d。

1.3 分析项目与方法

水样由0.45 μm滤膜过滤后用90%乙醇萃取，萃取液用紫外分光光度计进行比色测定细胞叶绿素a含量。经过0.45 μm滤膜过滤后的滤液消解后，用钼锑0抗分光光度法测定可溶性磷（DP）；正磷酸盐用钼锑抗分光光度法直接测定。

可交换态磷、铁铝结合态磷、钙结合态磷用欧洲标准测试委员会制定的SMT法（标准测试方法）对沉积物中各种形态磷进行分级提取和测定。

（1）可交换态磷（Ex-P）：准确称取沉积物样0.5 g于50 mL离心管中，加入1.0 mol·L^-1 MgCl₂溶液20 mL，置于恒温水浴振荡器中振荡2 h，离心提取可交换态磷。

（2）铁铝结合态磷（Fe/Al-P）：浸提过Ex-P的剩余残渣中加入20 mL 1 mol·L^-1的NaOH溶液，加盖摇匀，振荡12 h，离心提取铁铝结合态磷。

（3）钙结合态磷（Ca-P）：浸提过铁铝结合态磷的残渣用饱和NaCl溶液洗涤2次，每次离心5 min，弃上清液，加入20 mL 1 mol·L^-1盐酸，加盖摇匀，振荡12 h，离心提取钙结合态磷。

（4）总磷（TP）：分别准确称取不同目数的沉积物土样0.5 g于干燥的坩埚中，放入马弗炉中，450 ℃煅烧3 h；冷却后，移至离心管，加入20 mL 3.5 mol·L^-1盐酸，加盖摇匀，振荡16 h，离心提取总磷。总磷的测定采用钼锑抗分光光度法^[18]。

2 结果与讨论 2.1 上覆水中磷形态及变化特征 2.1.1 上覆水中磷形态特征

天然水体中磷的物理状态主要分为溶解态、悬浮态及胶体三种状态^[19]，为了调查生物可利用的磷含量，主要分析了总磷、可溶性磷和正磷酸盐含量（表 1）。结果显示：上层水中总磷含量为0.158 mg·L^-1，下层水中总磷含量为0.193 mg·L^-1；水体中可溶性磷所占的比例较大，上层水中的含量为总磷的72.2%，下层水中的含量为总磷的76.2%；水中正磷酸盐含量较少，其在上层水中的含量为总磷的22.8%，下层水中的含量为总磷的32.6%。下层水中不同形态磷含量均比上层水高，一是由于附着在悬浮颗粒物上的磷随着颗粒物的沉积而下沉，二是由于沉积物磷释放过程是一个从高浓度扩散到低浓度的过程，导致距离沉积物近的下层水中磷含量明显比上层水高^[20-22]。

2.1.2 上覆水中不同形态磷动态变化

由于浮游植物的趋光性，藻类等一般生长在水体表层，因此上覆水中一部分的磷会被藻类等浮游植物直接利用。上覆水中磷浓度的减少，加剧了上覆水与沉积物间隙水之间磷浓度的梯度差，从而加速了沉积物磷向上覆水释放^[23]。与此同时，温度、pH、溶解氧等条件的变化也会影响沉积物磷向上覆水释放的强度和频度^[24]。因此，研究上覆水中不同形态磷动态变化可以很好地反映磷从沉积物到上覆水之后的行为过程。如图 1A显示，下层水中的总磷含量在0.14~0.32 mg·L^-1之间，上层水的总磷含量在0.11~0.28 mg·L^-1之间。总磷含量在0~7 d明显增加、7~14 d明显下降。在14~35 d基本不变化，处于较低值（0.14 mg·L^-1）。35~42 d又明显上升，42~49 d明显下降至0.13 mg·L^-1。

如图 1B所示上下两层水中可溶性磷的变化趋势基本相同，即在0~7 d明显增加，含量分别从0.11 mg·L^-1和0.12 mg·L^-1增加至0.19 mg·L^-1和0.26 mg·L^-1，7~14 d明显下降，含量分别降至0.09 mg·L^-1和0.14 mg·L^-1。在14~35 d保持平稳，而在试验35 d以后又有一个略微上升的过程，在试验第42 d时又有所下降，49 d时分别降至0.08 mg·L^-1和0.10 mg·L^-1。总体而言，上层水的可溶性磷值在0.08~0.19 mg·L^-1之间，下层水中的可溶性磷值在0.10~0.26 mg·L^-1之间。

以上数据分析发现，水中总磷和可溶性磷的变化趋势基本一致。在试验初期，由于人为扰动使沉积物中的磷大量释放出来，促使水体中磷浓度增加。后期由于藻类生长消耗了水中的生物可利用态磷，导致水体中磷浓度略微减小。到后期沉积物中的磷从间隙水扩散到上覆水中使总磷和可溶性磷又有所升高。内源磷的释放是先通过泥水临界表面再释放到水里，间隙水中溶解磷的浓度约是上覆水的103倍，扩散作用导致磷酸盐从高浓度到低浓度^[25]。因此下层水中总磷比上层水中高。水中的正磷酸盐可直接被生物利用，有研究结果显示其含量往往不足湖水总磷的5%^[26]，因此正磷酸盐在水中的含量较低。

如图 1C所示，上层水的正磷酸盐含量在0.01~0.07 mg·L^-1之间，下层水中的正磷酸盐的含量在0.02~0.08 mg·L^-1之间。在试验的第0~7 d上下两层正磷酸盐浓度下降，分别从0.05 mg·L^-1和0.08 mg·L^-1降至0.01 mg·L^-1和0.05 mg·L^-1，随后上升，14 d时升至0.07 mg·L^-1和0.07 mg·L^-1。之后又开始下降，至35 d时均降到0.02 mg·L^-1，后期下层水中的正磷酸盐上升至0.06 mg·L^-1。试验初期由于藻类的生长，水体变绿，导致正磷酸盐含量减少，后期下层的正磷酸盐略微升高，因为在高磷条件下，藻类可以吸收过量的磷，以聚磷酸盐的形式积蓄在体内，帮助藻类在磷缺乏时期生长^[27-28]。之后，由于部分藻类的凋亡，水体变混浊，藻类残体又向水体释放磷。

2.2 沉积物中磷形态及变化特征 2.2.1 沉积物中磷形态特征

沉积物内源磷有多种赋存形态，总体分为有机磷和无机磷。本研究测定了沉积物中可交换态磷、铁铝结合态磷、钙结合态磷、有机磷以及总磷。由图 2可知，在滇池沉积物中，磷以钙结合态磷为主，达到了总磷含量的49.7%~53.3%；其次是有机磷，达到了总磷含量的28.5%~32.1%；铁铝结合态磷的含量占总磷含量的14.2%~16.4%；可交换态磷含量最少，只占总磷含量的2.0%~2.7%。

2.2.2 沉积物中不同形态磷动态变化

图 3A显示，沉积物中总磷含量在1625~1765 μg·g^-1。试验过程中沉积物中总磷呈下降趋势，结束时比试验初期的总磷含量减少了8%。不同形态磷的变化特征如下。

（1）可交换态磷主要是那些通过物理吸附作用吸附到沉积物固体表面的磷，沉积物中可交换态磷是进入水体中磷的主要形式。图 3B显示可交换态磷含量较少，为32.4~44.9 μg·g^-1。试验过程中可交换态磷变化不大，多数时间保持在35 μg·g^-1左右，但在试验进行到30 d时达到了一个较高的异常值，为44.9 μg·g^-1。可交换态磷主要通过物理吸附将磷吸附到沉积物固体表面，因此外界的环境变化容易影响其含量。试验初期的搅动作用，导致沉积物与水的临界表面不稳定，使沉积物间隙水与上覆水之间的可交换态磷有所增加。后期由于扩散作用磷进入水中，可交换态磷的量处于平衡的状态。

（2）铁铝结合态磷（Al/Fe-P）受外界条件影响较大，当氧化还原电位或pH值发生改变时，均可能由沉积物转移至上覆水，增加水体中的磷浓度，为藻类的生长提供磷源，因此具有向上覆水释放的潜能^[13]。由图 3C可知，铁铝结合态磷含量为236~285 μg·g^-1。随着试验时间的推移，铁铝结合态磷含量呈下降趋势，从试验初期的最高值285 μg·g^-1到试验75 d的最低值236 μg·g^-1，减少了18.2%。浅水湖泊沉积物中，不稳定态磷、铝磷和铁磷是最主要、最容易释放的磷形态^[29]。说明试验期间沉积物中有很大一部分铁铝结合态磷释放到了水中，铁铝结合态磷是沉积物与上覆水磷交换的主要形式之一。

（3）钙结合态磷（Ca-P）是沉积物中较惰性的磷组分，被认为是生物难利用磷，通常被看作是永久性磷汇，在弱酸性条件下会有少量的释放。由图 3D可知钙结合态磷含量最多，在868~878 μg·g^-1之间。随着试验时间的推移，钙结合态磷含量有下降趋势，从试验初期的最高值878 μg·g^-1到试验45 d时的最低值868 μg·g^-1，减少了1.1%。由于钙结合态磷难溶于水，且滇池沉积物呈弱碱性，因此在试验过程中钙结合态磷的释放非常少。

（4）有机磷即有机物中含有的磷，部分有机磷可被生物利用。由图 3E可知，有机磷含量为463~567 μg·g^-1。随着试验时间的推移，有机磷含量有明显的下降趋势，45 d时相对于试验开始时减少了18%。由于沉积物有机磷源自沉积物中各种动植物残体、腐殖质类有机物，因此可以推断，在试验期间有机磷正在矿化，矿化作用导致有机磷向无机磷转化，可能部分源自矿化作用的无机磷实现了向上覆水体释放。

2.3 水中正磷酸盐与藻类之间的关系

叶绿素a浓度和藻类密度在藻类爆发期间存在显著相关，且叶绿素a浓度和藻类密度的自然对数比值也与藻类发生和兴衰存在着规律性联系^[30]。如图 4所示，浮游植物的生长（叶绿素a水平）与上层水中的正磷酸盐含量呈正相关关系，在一定浓度范围内营养盐对浮游植物的生长有促进作用，过低的营养盐会限制浮游植物的数量^[31]，过高的营养盐不仅能导致赤潮，还会使浮游植物种类组成发生变化，使优势种明显减少^[32]。

2.4 沉积物磷与水体磷和叶绿素a的相关分析

沉积物是水体的磷库，对水体富营养化起着重要的作用。沉积物中磷释放到水中供给藻类生长，藻类就会大量爆发。由表 2可见，水中叶绿素a与沉积物中可交换态磷呈极显著的正相关性。可交换态磷容易进入水中，并容易被浮游植物利用，促进水中浮游植物的生长。因此，当水中的磷浓度处于一定范围时，沉积物中的可交换态磷含量与浮游植物的数量呈正相关，即沉积物中可交换态磷增加时，水中浮游植物的量随之增加。沉积物中可交换态磷与水体可溶性磷呈极显著正相关，相关系数为0.92。

3 结论

（1）滇池水中总磷的含量为：上层水0.11~0.28 mg·L^-1，以可溶性磷为主，下层水0.14~0.32 mg·L^-1，下层水磷素各形态含量均高于上层水。

（2）滇池沉积物的总磷含量为1625~1765 μg·g^-1，以钙结合态磷为主，约占总磷的50%，其次是有机磷，约占总磷的30%，余下为铁铝结合态磷和可交换态磷。

（3）水中正磷酸盐与水中叶绿素a呈正相关，水中正磷酸盐含量的升高会导致水体富营化的加剧。沉积物中可交换态磷与水体叶绿素a呈极显著正相关。