张展，张瑜，张岩，杨向辉

（1.黄河水文水资源科学研究院，河南 郑州 450003；2.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州450002；3.河南省水土保持监测总站，河南 郑州 450008）

0 引言

多数研究表明通过管理河道中的磷可有效削减富营养化带来的影响，但河道中磷的滞留-生物化学循环过程却存在较大的空间差异性。目前中国相关研究还处在起步阶段，大多集中于估算流域入河磷负荷与识别来源，而对河道内磷的循环过程定量分析涉及较少。因此，如果能够识别不同环境条件下河道中磷的循环/滞留的规律与特征，进而提高河道对营养盐的滞留量及转化能力，将为中国河流水质及生物栖息地质量保护提供重要科技支撑。文章将从以下几个部分对相关研究情况进行概述：①不同来源磷的特征；②河道内部磷的滞留、释放物理-化学-生物循环过程；③环境因子对磷在河道中传输及循环过程影响。

1 磷的输入来源

1.1 自然源

主要是指在人类干扰较低或无人类干扰的磷来源，主要包括：土壤母质层自然风化、大气沉降、河岸植被、洄游鱼类以及河岸侵蚀。这些来源对于河道中磷的贡献量通常很低，并且主要以颗粒态为主（土壤、粉尘、落叶层以及鱼类尸体），但是这些极少量的磷仍然能够为山地、林地以及贫营养水体中的微生物生长提供重要营养。

1.2 人为源

人为源是河道中磷的主要来源，通常可分为“点源”和“非点源”，其中“点源”主排放主要为溶解态磷，“非点源”污染则主要以颗粒态（>0.45 μm）为主。虽然通常认为点源是指生活污水或工业生产的废水排放，而非点源主要来自农业生产所产生的污染，但是在实际研究中仍然存在一些介于点源和非点源之间的污染源。这些“中间源”主要包括道路或轨道交通所产生的地表径流与农场地表径流。

1.2.1 废水排放

生活污水和工业废水在经过污水处理厂对有毒污染物及磷进行处理后通过管道排放进入地表水体。处理后所排入河道磷的浓度范围通常为1～20 mg·L-1，在富营养化较为严重的流域，通过污水处理厂的三级处理设备来实现磷的有效去除。

1.2.2 不透水地面地表径流

不透水地面通常指城市建设用地和村镇庭院用地。城市暴雨径流中磷主要来自大气沉降、枯枝落叶、工业残渣、城市垃圾、人类活动（如：洗车、庭院沉水）、宠物及鸟类排泄物、化肥施用、路边土壤扬尘沉积等。由于不透水地面的下渗量很小，因此雨季暴雨径流产生的磷负荷基本能够代表全年磷负荷总量。

1.2.3 透水地面地表径流

目前，对于透水地面的地表径流研究较多，主要集中于林地、耕地和草地。降雨径流中磷主要来自土壤母质、化肥、畜禽粪便、植物残渣等。降雨频率和空间分布、传输途径以及土地利用管理方式都会对磷的运移产生影响。因此，透水地表径流磷的浓度受多种因素的影响。

2 河道中磷的滞留与循环

研究表明磷的入河量并不等于在流域出口或河道出口所监测到的磷负荷量，这主要是由于河流系统对磷的滞留作用造成的，尤其是在流速较低季节更为明显。河道中磷的滞留是由生物化学和物理过程共同造成的，在向下游传输过程中生物或非生物的同化作用会去除或改变磷的形态。同时这一过程对于生态系统功能保持也具有两方面的作用：①有助于贫营养水体或上游水系保持生物多样性；②通过对磷的临时阻滞，缓冲人为造成的磷污染对受纳水体的损害。

磷的“螺旋式运动”可定义为磷酸盐离子从溶解态转化为颗粒态进而又转换为溶解态的过程。磷酸盐离子被去除前的生物同化、吸附/解吸附为颗粒态磷的变化过程被称为“吸收长度”。颗粒态磷/有机磷转化为磷酸盐离子前的过程被称为“周转时间”。磷的吸收长度越短表明磷的滞留率更高且循环更快。

明确河道中磷循环和运移关键过程的控制因素，实地监测是必要的。但实地监测需要耗费大量资源与时间，同时河道或小尺度下的磷循环过程还存在较大的时空异质性。因此对磷传输与循环过程进行“基于过程”的实地监测，并在不同空间尺度的应用评估结果是目前磷传输与循环研究的重点与热点。

3 河道中磷的吸收和释放机制

3.1 河道中磷的物理化学循环

3.1.1 吸附/解吸反应

溶解态磷与颗粒态物质间会产生较强的相互作用，如铝硅酸盐（黏土）、金属氧化物、氢氧化物，尤其是铁、铝。吸附作用是个两阶段过程：①磷酸盐离子被固相物质表面吸附过程；②从固相物质表面扩散或解吸附过程。

3.1.2 矿物质沉淀和分解

矿物质沉淀作用能够对沉积物中的磷进行固定，同时还能控制孔隙水和沉积物中溶解态磷的浓度。这些沉淀反应包括：①磷酸盐和方解石的联合沉淀，这一过程是典型的动力学反应过程，可以在河水，地下水、藻类生物膜以及硬质水的泥沙透光区内发生；②含氧孔隙水中铁、氢氧化物以及磷酸盐的联合沉淀能够产生铁三价氢氧化物和磷酸盐；③孔隙水中的高浓度溶解态磷与过量的有机物质造成了富营养化水体中的厌氧条件，这也导致含铁磷酸盐矿物质与蓝铁矿发生沉淀。

3.1.3 水平对流和扩散过程

磷在河道中的主要传输机制为平流与扩散。平流使得颗粒态磷在沉积物中发生往复移动（夹带、再悬浮），并伴随孔隙水中溶解态磷的释放。流速和湍流度会随河槽形态、季节等因素的差异而变化，这有可能造成地下水或沉积物的水力梯度改变，从而导致溶解态磷和孔隙水的运移。溶解态磷的分子扩散主要是由于表层沉积物和河道中上覆水中沉积剖面溶解态磷浓度与孔隙水溶解态磷浓度的梯度差造成。

3.2 河道中磷循环的生物影响

3.2.1 周丛生物和浮游植物

周丛生物和浮游植物对河道中磷循环的影响主要是通过其对有机磷和无机磷的吸收同化作用产生的，这种现象在浅流水域更为明显，河道中10%～15%的磷运移都受到周丛生物和浮游植物影响。

3.2.2 微生物

河道系统中存在大量细菌和真菌，其对磷循环的影响主要通过两方面机制来实现。第一，分解来自自源的或他源的溶解态物质、小颗粒物、粗糙有机颗粒物；第二，通过主动摄取与改变氧化还原条件控制沉积物-水界面磷负荷或生成难降解有机磷化合物。

3.2.3 大型水生植物

大型水生植物是中高级河流生态系统的重要组成部分，对河道生态系统中磷循环过程具有重要影响：①植物生长过程中对磷的吸收以及腐烂过程中释放土壤活性磷；②大型植物根部输氧所带来的氧化还原条件的改变；③降低岸边区域的流速同时增加泥沙沉积量，截留更多颗粒态有机污染物和悬浮颗粒物；④为水底附生植物提供更大的附着表面积，同时也为无脊椎动物和大型捕食动物提供良好的生长基质与栖息场所。

4 环境因子对河道磷循环过程的影响

4.1 空间尺度

流域上游河道水量较小导致水量和底泥面积比降低，会增加河底磷素发生物理化学和生物交换过程的可能。上游河道中的可溶性活性磷（SRP）通过生物同化作用转化为有机磷，并被河床沉积物吸附，因此限制磷下游区域的供应及产生的生态效应。在流域主河道中水量和底泥面积比较高，河水与悬浮物的交互作用及浮游植物的吸附作用通常会对磷的循环产生显著影响并增加底泥对磷的吸附和底栖生物对磷的同化作用。

4.2 流域地质

流域地质状况直接控制了河道中沉积物矿化和地球化学过程并决定了河道基本水化学背景值，因此间接影响了河道中磷被沉积物吸附和无机物的释放磷的生物利用性及动植物对磷吸收利用。流域中基岩风化成黏土、细粉砂质土的区域，土壤中富含铁及铝氧化物的河道中沉积物对磷具有更大的吸收能力。

4.3 河道水文、形态及变化特征

在河道尺度内，河道形态对于流速、营养物质储存区及短期水力滞留区域的分布等会产生一定的影响。营养物质储存区具有较高的水力停留时间，可以促使磷素与底泥、底栖生物充分接触，进而形成磷循环和临时储存的生化“热点区域”。随着下游河道宽度增加、河床表面积增大及水力停留时间的延长，河床沉积物中磷的储存量也随之加大。

4.4 农业土地利用及其他人类影响

人类活动排放的污染物在不同空间尺度（河段与流域）影响磷循环和生物响应。地表径流中溶解态和颗粒态磷的浓度主要取决于土地利用类型和管理方式，同时还与传输途径、在景观和河道中的停留时间有关。通常小尺度农业流域中磷主要以颗粒态形式输出，大尺度流域内由于其受到下游污水排放和悬浮沉积物输出增加的影响，磷主要以溶解态形式输出。

5 研究展望

今后相关研究应着重于保持、提升河道磷滞留量及调整补偿-胁迫阈值。不同尺度河流磷的循环存在较大差异，因此对磷限制型水体富营养化进行有效管理，就需对污染物传输途径、输入时间、存储转化、生态敏感性时段进行更好识别、分析。下一步研究中应该重点考虑如何采取有效措施降低磷的螺旋式循环过程长度同时采用“软”工程的解决方法来提高河流的自然滞留能力。例如：通过设置木质残体坝和挡板以提高生物栖息地面积，降低流速，提升水力停留时间和磷素临时储存量，进而实现营养物质截留效率与生物多样性的提升。