973计划项目湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发973计划课题2004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:2002CB412304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2003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2004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整理。
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1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整理，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2002年10月, 2003年1月和2004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(T1、T2、T3、T4、T5、T6)、4(C1、C2、C3、C4)、2(L1、L2)代表性采样点(图1)，2先后于2003年1月(枯水期)和2003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0.45μ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(GB 11893-89)。
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<125μm)。
称量1.0 g 干样，根据SEDEX法对沉积物中不同形态的磷进行分类，连续提取并分析了沉积物中的弱吸附态磷、铁结合态磷、自生磷灰石及残留态磷的含量。
另外，分别称取两份0.5 g干样，对其中一份进行灰化(灰化温度:500?;灰化时间:2小时)，然后利用酸提法(1M HCl，提取时间:16小时)分别对其中的总磷(灰化样品，Ptot)和无机磷(未灰化样品，Pin)进行提取和分析，最后由总磷和无机磷的差值获得有机磷(Porg)的含量。
所有样品各形态磷含量的分析均采用比色法, 分析结果表示为干样的磷含量(mg/g)。
其它元素分析:称取定量干样，利用3 M HCl浸泡24小时除去无机碳，经超纯去离子水清洗去除盐酸后冷冻干燥，最后利用元素分析仪分析沉积物有机碳的含量(w(Corg)/%)和有机碳氮的原子比(n(Corg)/n(Norg))，并通过计算得到有机碳磷的原子比(n(Corg)/n(Porg))。
另外，利用超纯稀HNO酸化(3%，V/V)CDB溶3 液(铁结合态磷提取剂)，并经原子吸收仪测定其中的铁含量(w(FeCDB)/(mg/g))，最后计算出CDB溶液铁磷的原子比(n(FeCDB)/n(PCDB))。
重要结论(1) 不论是枯水期还是丰水期，太湖水体磷的主要组成部分都为颗粒磷;巢湖和龙感湖，枯水期，磷的主要组成部分也为颗粒磷，而丰水期却以溶解性总磷为主。
枯水期溶解有机磷较高，而丰水期可溶性反应磷含量却较高。
初步研究认为:丰水期藻类爆发不仅可能促进水体中其它形态的磷向可溶性反应磷的转化，而且还可能导致沉积物中内源磷向上覆水体的释放。
无论是枯水期还是丰水期，表层和底层水体所测项目的变化不大，受水深变化的影响较小。
浅水湖泊体系的水动力条件较强，水体混合比较均匀，所以水体的各种物化参数一般变化不大。
枯水期，三湖各采样点除太湖T6点TP以TDP为主要组成部分以外(97%)，其余各点TP都是以PP为主(25-85%)。
太湖从西北—东南由藻型湖泊—草型湖泊过渡，同时人为污染的程度也在逐渐减小，而T1-T6正好也是从西北—东南分别分布。
由T1-T6太湖水体中TP的含量都是逐渐降低，这与人类活动影响的程度3和太湖营养类型的分布一致。
T6点为典型草型湖泊，也是太湖重要的淡水水源区。
大型水草有利于悬浮颗粒物的沉淀和吸附，在一定程度上减少了水体悬浮颗粒物的负荷，因此，也降低了水体中PP的含量。
巢湖为典型藻型湖泊，水体较浅，水动力较强，湖底表层沉积物的再悬浮作用显著，所以PP的含量较高。
龙感湖虽然是典型的草型湖泊，由于受气候因素的影响，在采样的过程中，湖面逐渐吹起了大风，风浪的搅动作用导致了湖底表层沉积物的再悬浮，因此，由L1-L2水体PP 的含量显著升高。
丰水期，太湖各点TP都以PP(55-85%)为主，T1-T6的变化趋势与枯水期一致，而巢湖和龙感湖以TDP(35-80%)为主。
由于入湖径流的侵蚀，太湖丰水期TP 和PP的含量较枯水期高，T1-T3点丰水期DTP较高，而T4-T6枯水期和丰水期相差不大，枯水期略高一点，反映了丰水期侵蚀作用的影响。
巢湖和龙感湖的情况与太湖恰恰相反，这可能是与当时的气候因素有关。
2003年夏季，安徽普降大雨，入湖径流流量增大，巢湖最大水位可达7.5 m。
长时间的阴雨天气能够导致大量污染物被淋滤侵蚀，少量营养物质可能也以溶解态的形式迁移入湖，致使巢湖TP以TDP为主。
另外，夏季藻类的大量繁殖生长死亡，这些有机残体的分解可使大量有机磷释放出来，也可导致TP以TDP为主。
龙感湖较高的TDP可能就是由水生植物的降解而造成的。
值得注意的是各湖DOP和SRP的变化，枯水期DOP较丰水期高出许多，而丰水期SRP也较枯水期高出许多。
各湖除太湖T1-T3点丰水期DTP较枯水期高，可能是由于污染所致以外，其余各点枯水期和丰水期相差不大，由此可以排除污染因素。
那么，是什么原因导致枯水期和丰水期各湖DOP和SRP发生如此巨大的变化呢,据周易勇、谢丽强等在武汉东湖的研究证实，在藻类繁茂时，藻类不仅可以促进其它形态的磷向可溶性反应磷的转化，而且还可促使沉积物中磷向水体的释放。
其一，藻类的新陈代谢作用可以释放大量的碱性磷酸酶，碱性磷酸酶可促使其它形态的磷向可溶性反应磷的转化。
其二，藻类强烈的光合作用可导致水体的pH值升高，促使金属化合物胶体沉淀，由此被胶体所吸附的磷便被释放出来。
其三，藻类旺盛的新陈代谢作用可吸收大量的氮，相比之下磷的吸收较少，也使磷的含量相对增加。
太湖、巢湖、东湖等都为长江中下游的浅水湖泊，不同的只是东湖同时还是个城市湖泊，所以东湖发生的藻类促使沉积物中磷释放以及水体中磷转化的现象，在其它类似的湖泊中也会发生。
丰水期采样时太湖和巢湖藻类繁茂，已经出现了严重的“水华”现象，那么藻类的爆发可能是水体中SRP含量增高的主要原因。
同时，夏季也是藻类生物量较大的季节，可以造成大量有机质的积累，而有机质降解可以促使有机磷的降解释放。
另外，大量有机质的降解可以消耗大量氧气，促使水体由好氧转化为厌氧，降低氧化还原电位，导4致铁结合态磷(FeP)的还原释放。
在风平浪静的条件下，太湖全湖水—沉积物界面氧化还原电位值平均为189 mV，处于弱还原状态，而表层沉积物迅速降为-200 mV，处于强还原状态，这些条件都有利于FeP的还原释放。
另据本次水体溶解有机碳的分析，太湖全湖溶解有机碳的含量较高，变化范围为3.87~7.26 mg/l，平均为4.75 mg/l，说明水体有机质发生着比较强烈的降解作用。
FeP是太湖沉积物中磷形态的主要组成部分，夏季太湖有机质大量的积累和降解，可能会引起FeP 的还原释放，从而可能对水体的营养状态有着重要的影响。
而且，夏季湖水温度升高，生物作用旺盛，底栖生物的扰动作用、微生物的新陈代谢作用以及由此产生气体(CH、HS、NH等)的释放作用等都可能对沉积物中磷的内源释放有423 一定的影响。
(2) 磷在沉积物早期成岩作用研究表明, 湖泊内源自生有机质降解时有机磷的优先释放。
无机磷，特别是铁结合态磷，在氧化还原条件变化的情况下，能够通过沉积物—水体界面被再次释放到水体中去，这个过程可能对湖泊的水体质量和营养状况有一定的影响。
太湖五里湖表层沉积物中总磷的含量较高，变化范围为2.05~4.05 mg/g，平均约为2.80 mg/g。
总磷和无机磷之间存在着较好的相关关系(R=0.97)，说明沉积物中总磷的含量主要由无机磷控制。