湖泊富营养化愈演愈烈，早已成为我国湖泊的主要问题。大量研究表明，磷是影响湖泊富营养化的关键性限制因素之一^{[1, 2]}。水体中的磷按来源可分为外源性磷和内源性磷，有些湖泊95%以上的外源磷负荷被削减之后，蓝藻水华依然肆虐^{[3, 4, 5]}。美国Coeurd Alene湖的研究中证实，全湖内源性磷酸盐的释放量与该湖入湖河流的外源性磷酸盐输入量相当^[6]。Port Phillip湾的营养盐循环研究中发现磷的内源再生量为湖泊溶解性磷酸盐的72%^[7]。因此，控制和削减湖泊“内源性”磷负荷引起了关注^[8]，沉积物磷的迁移转化成为新的研究热点，磷能否与沉积物发生界面交换取决于其形态，不同结合态的磷具有不同的地球化学行为和生物有效性，只有某些形态的磷(如交换态磷(Ex-P)、铝结合磷(Al-P)、铁结合磷(Fe-P))被称为生物可获得磷^{[9, 10, 11]}，在物理化 学及生物学等因素的作用下，通过解吸、溶解、还原 等过程而释放到水中，转化为生物可直接利用的磷，成为影响水域营养状况及诱发富营养化的重要因素^{[12, 13, 14]}。苦草(Vallisneria natans)，俗名面条草、扁担草、水韭菜等，为最常见的沉水植物之一，广泛分布于我国南北各省区，在淡水湖泊、沟渠、池塘、内河航道的静水或流动水体中均能很好地生长^[15]。苦草生态适应性广，能进行克隆生长，再生能力强，群落破坏后恢复时间短，吸附污染物能力强，是减少水体污染，缓解水体富营养化程度的重要沉水植物^[16]和重建水生植被的重点先锋种之一^[17]。本试验运用不同营养盐负荷的沉积物培养苦草，比较沉积物中不同深度中磷的迁移及主要环境因子的垂直变化，试图揭示沉水植物作用下沉积物不同深度底质中磷的迁移规律，为利用沉水植物修复富营养湖泊提供科学基础。

研究所用苦草取自南京师范大学仙林校区水环境生态修复中试平台水道，在水环境生态修复中试平台内驯化培养2个星期，选取生长良好、长势一致的植株做试验材料。

不同磷负荷的沉积物，具有不同的磷迁移转化方式，对外界抗干扰的能力也不同，综合以上因素，本研究主要选择了长江中下游地区常见水体的3种磷负荷的沉积物，相关指标如表 1、2所示。按营养盐负荷的高低排序为低(L)、中(M)、高(H)营养盐负荷的沉积物，分别作底质培养苦草，同时作无植物组对照(LC、MC、HC)，试验设3个实验组(LV、MV、HV)，每种处理3个平行。

实验在玻璃温室内进行，实验容器为下底直径×上口直径×高=45 cm×55 cm×80 cm的塑料桶；每桶装厚10 cm沉积物，栽种30株苦草(鲜重75 g)，用自来水培养，实验水深为55 cm，并每隔30 d补充一定量的蒸馏水，以弥补蒸发和采样带来的水量损耗。

取样间隔时间为30 d，沉积物采用微型柱状采泥器分层采集，从上向下，间隔2 cm，每次每桶采集5个微型柱状样(横切面直径2 cm)，3个重复混合；采集后的样品室温(25℃)风干，对风干前后的样品称重，以计算由采样带来的总体磷和水量的损耗，将风干后沉积物样品与植物根系分离，过100目筛后充分混匀，然后进行沉积物中各形态磷分析；沉积物中总磷(TP)、不同形态的无机磷Ex-P、Al-P、Fe-P含量采用SMT和文献^[18]方法测定。采集沉积物样品的同时采集植物样品，测定生物量及根系分布状况，并测定根长及根直径，根长采用分度值为1 mm的刻度尺测量。

实验所得数据采用Excel、SPSS 13.0统计软件进行方差分析，处理组和对照组之间采用单因素方差分析法，P＜0.05，具有显著差异，实验数据用平均值±标准差表示。

在本研究系统中，苦草均能正常生长。如图 1所示，种植的苦草经过约1周的适应，开始逐渐生长，且生长速度逐渐增加，LV、MV、HV在整个生长期的速度分别为3.43、6.84和6.66 g/d，同时进行了无性繁殖，株数增多，并于试验进行到约80 d时，生物量达到峰值，此后，随温度的降低，苦草趋向于衰亡，生物量开始下降。苦草根系平均长度在20—80 d内迅速增加，LV、MV、HV中苦草根系平均增长速度分别为0.153、0.043和0.035 cm/d，其中，LV组增加的最多较初始值增加了9.20 cm，MV、HV组增加不明显，分别为2.60和2.10 cm；检验发现，LV与MV、HV差异性显著(P＜0.05)。

图 1 苦草生长状况 Fig. 1 Changes of biomass (fresh weight) of Vallisneria natans during the experiment LV: 低营养负荷苦草组; MV: 中营养负荷苦草组; HV: 高营养负荷苦草组

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在植物生长期，沉水植物通过根系直接吸收^[19]和间接影响了沉积物磷的迁移转化，使沉积物中的磷被植物吸收或释放的上覆水中。由图 2可以看出，相对于初始沉积物中的TP，L、M、H中均有不同程度的下降，说明沉积物中的磷被植物吸收或释放到上覆水中；苦草组下降的幅度大于对照组，分别比对照组多下降了11.63、18.50和46.25 mg/kg，说明沉水植物对沉积物磷的迁移变化产生了不同程度的影响，而且不同营养负荷的沉积物影响的程度亦不同，高营养盐负荷的沉积物下降的更多；在垂直方向上均表现出随深度的增加TP呈减小趋势，垂直方向上苦草组的变化幅度小于对照组。在L、M、H，苦草组与对照组差异显著(P＜0.05)。

图 2 沉积物不同深度的总磷变化 Fig. 2 Variability of the total phosphorus in the different sediments administrative levels LC: 低营养盐对照组；MC: 中营养盐对照组；HC:高营养盐对照组

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由图 3—图 5可以看出，生长期的苦草对沉积物不同深度的生物可获得性磷影响复杂。在L、M、H中，Ex-P、Al-P随深度增加总体呈升高的趋势，苦草组小于对照组，但垂直变化的幅度大于对照组。其中，苦草组的Ex-P分别比对照组下降了0.065、0.215和1.483 mg/kg，Al-P分别为1.198、2.040和2.390 mg/kg；L中的Ex-P苦草组与对照组有极显著差异(P＜0.01)，M、H苦草组与对照组无显著差异(P＞0.05)；L、M、H的Al-P苦草组与对照组均无显著差异(P＞0.05)。对于Fe-P，则表现为随深度的增加而降低，苦草组大于对照组，在L、M、H中，苦草组分别比对照组高8.135、16.689和8.598 mg/kg，垂直方向上植物组变化幅度大于对照组。LV中苦草的影响深度可达到10cm的深处，而MV、HV中主要集中在6 cm以内；L、M、H中Fe-P在苦草组与对照组均未达到显著程度(P＞0.05)。

图 5 沉积物不同深度的Fe-P的变化 Fig. 5 Variability of Fe-P in the different sediments administrative levels

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沉水植物占据着浅水水体生态系统的关键界面，以自身的形态特征、群落结构特征及生理活动影响着其周围的环境，对水体生产力及生物地球化学循环具有十分重要的影响。沉水植物在生长发育、衰亡及季相交替过程中，通过光合、呼吸、残体分解等作用，对影响水-沉积物磷的迁移转化的因子温度^[20]、pH值^[21]、溶解氧^[22]、水力扰动^[23]、湖泊的水化学组成^[24]、有机质含量及类型^[25]和沉积物中磷形态^[26]等产生复杂的作用，并通过这些理化因子的变化进而影响到磷的迁移转换。 植物通过吸收降低了沉积物及上覆水中的磷含量，对苦草中磷含量检测发现L、M、H组中分别为309.37、348.35和397.50 mg/m²。 在本实验系统中，处于一个相对封闭的环境，没有外源磷的输入，因此沉水植物体内富集的磷只来自于上覆水和沉积物。沉积物中生物有效磷的监测亦证明了这点(图 3—图 5)。

图 3 沉积物不同深度的Ex-P的变化 Fig. 3 Variability of Ex-P in the different sediments administrative levels

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图 4 沉积物不同深度的Al-P的变化 Fig. 4 Variability of Al-P in the different sediments administrative levels

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沉水植物的快速生长，使上覆水体含氧量和pH值升高，并影响到沉积物的氧化还原条件和酸碱度的变化，影响沉积物中磷的沉积与释放^[27]，在L、M、H组中，上覆水中的含氧量和pH值均有不同程度的升高，其中L组中比对照升高的最大值分别为0.22 mg/L、0.39，M组中比对照升高的最大值分别为0.12 mg/L、0.32，H组中比对照升高的最大值分别为0.11 mg/L、0.43，上覆水中含氧量和pH值的升高还会使沉积物中氧化还原电位升高，并逐渐向沉积物底层扩散(图 6，图 7)，这种变化利于Fe²⁺转化为Fe³⁺，Fe³⁺与磷酸盐结合成难溶的磷酸铁，使好氧状态下底泥对磷的释放作用减弱；可有效控制上覆水中磷含量。此外，在水生植物根际形成特珠的生态环境，能为大量的需氧微生物群生长繁殖提供良好的生境，影响磷的迁移^[28]。

图 6 沉积物不同深度中pH的变化 Fig. 6 Change of pH in different sediments administrative levels

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图 7 沉积物不同深度中Eh的变化 Fig. 7 Change of Eh in different sediments administrative levels

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沉积物中生物可获得磷(Ex-P、Al-P和Fe-P)是沉积物中磷释放及植物利用的主要磷形态。Ex-P是沉积物中最具活性、变化范围较大的一类磷形态。但它的含量在各种磷的形态中是最少的^[29]。较容易受到植物的影响。由于植物的吸收作用，使含量低于对照。pH值的变化将会导致沉积物中结合态的Fe-P、Al-P和Ca-P释放出来，增加沉积磷释放量^[30]。Al-P在底泥中的含量与分布受许多因素影响，苦草的吸收与pH值的影响。pH值升7左右，生成Al(OH)₃，它具有巨大比表面积，强烈吸附正磷酸盐。由于铝的价态不受氧化还原电位的影响，还原也不会增强磷酸铝的溶解性^[31]。由于苦草根系小环境氧化性较对照高，有机质分解释放有机酸，pH值低于对照(图 6)，但属于中性范围。表现为吸附，所以沉积物中Al-P含量高。Fe-P释放较难，有氧环境下被认为是一种永久性的磷汇，而在厌氧环境中被看作是一中暂时性磷汇，它同样也是水体复磷的主要来源，沉积物中铁磷含量也与生物生长量有很大的相关性。如图 7，L组Eh低，M、H组植物组由于根区富氧。导致较对照组高，起到了固定铁磷的作用。

沉积物中TP的下降是多种因素综合作用的结果，沉水植物的影响使之与对照组有了不同的变化规律。沉积物中磷的形态分为无机磷和有机磷，无机磷又被细分为弱吸附态磷、铝结合态磷、铁结合态磷、钙结合态磷、闭蓄态磷。其中，由于沉水植物苦草的作用，能被生物可获得磷如交换态磷(Ex-P)、铝结合磷(Al-P)、铁结合磷(Fe-P))，Ex-P、Al-P相对于对照组均有不同程度的下降，Fe-P有所上升。其变化已讨论。

钙结合态磷监测发现：对照组与苦草组均呈逐渐下降趋势，但植物组的变化幅度大于对照组，均未达到显著影响程度；在垂直剖面上，随沉积物深度增加而增大。钙结合态磷(Ca-P)又被称为酸提取磷。主要指与自生磷灰石、湖泊沉积碳酸钙以及生物骨骼等的含磷矿物有关的沉积磷存在形态，作为一种难溶于水的化合物，它对湖水复磷贡献较小。常被称为不可利用磷，但易受低pH值的影响^[18]。实验中苦草组沉积物中pH值的下降(图 6)是导致降解的主要因素。闭蓄态磷(Oc-P)主要指被Fe₂O₃胶膜包裹在沉积物颗粒表面的磷盐，在没有除去外层胶膜前，很难发挥其有效作用，能长时间存在，被认为是生物不可利用的磷。本研究结果发现，不同培养时间，Oc-P变化不大(表 3)，这与闭蓄态磷的生物稳定性有关。实验期间，实验组、对照组总体呈下降趋势，对照组下降的幅度小于实验组(表 4)。Org-P存在形式主要有三类：核酸类、植素类、磷酯类，普遍存在于动植物的残体内或微生物体内，都必须通过微生物的分解才能释放到水中。沉积物Org-P多数以磷酸酯(包括肌醇六磷酸)、磷脂、核酸等及一些未知的化合物形态出现^[2]，其中肌醇六磷酸是沉积物中Org-P的重要形态，它可以被有效地矿化成IP，其矿化程度和速率与氧化还原条件极为相关(图 7)。L组主要是石英砂，颗粒大小混合均匀，作为沉积物在垂直分布上分布较均匀，而上层与上覆水之间交换频繁使之较下层低；而M、H组是淤泥质的沉积物，在悬浮物沉降过程内，沉降速率为颗粒无机物(PIM)>悬浮物(SS)>颗粒有机物(POM)^[29]。稳定时，下部粒径较大的无机颗粒物相对较多，向上粒径间小，而小颗粒的吸附能力强^[30]，同时有机质也较高，由于有机质中的腐殖质能和铁、铝形成的有机无机复合体^[31]，提供了重要的无机磷吸附位点，从而增强了对磷的吸附。导致沉积物中的磷呈现随深度的增加呈现下降的趋势，由于沉水植物苦草的影响，又使苦草组和对照组出现了不同的变化规律。

(1)L、M、H沉积物中的TP，相对于初始值均有不同程度的下降，在沉水植物苦草吸收和环境因子改变等综合作用下，苦草组下降的幅度大于对照组，分别比对照组多下降了11.63、18.50和46.25 mg/kg；在垂直方向上均表现出随深度的增加TP呈减少趋势，沉水植物苦草对沉积物影响的深度随根系的活动范围变化而变化，L组根系增长最多(比试验初始增加了9.2 cm)，影响深度也最大；M、H根系增加不明显(分别为2.60和2.10 cm)，影响深度主要在6 cm以内；垂直方向上苦草组的变化幅度小于对照组；检验发现，苦草组与对照组差异显著(P＜0.05)。

(2)生长期的苦草对沉积物不同深度的生物可获得性磷影响复杂。在L、M、H中，Ex-P、Al-P随深度增加总体呈升高的趋势，苦草组小于对照组，但垂直变化的幅度大于对照组。其中，苦草组的Ex-P分别比对照组下降了0.065、0.215和1.483 mg/kg，Al-P分别为1.198、2.040和2.390 mg/kg；L中的Ex-P苦草组与对照组有极显著差异(P＜0.01)，M、H苦草组与对照组无显著差异(P＞0.05)；L、M、H的Al-P苦草组与对照组均无显著差异(P＞0.05)。对于Fe-P，则表现为随深度的增加而降低，苦草组大于对照组，在L、M、H中，苦草组分别比对照组高8.135、16.689和8.598 mg/kg，垂直方向上植物组变化幅度大于对照组。LV中苦草的影响深度可达到10cm的深处，而MV、HV中主要集中在6cm以内；L、M、H中Fe-P在苦草组与对照组均未达到显著程度(P＞0.05)。

本文通过室内模拟的方法研究了沉水植物苦草对不同深度沉积物的各形态磷迁移的影响，忽略了风浪扰动、物种竞争、动物干扰等方面的影响，其普适性尚需要进一步探讨。同时，在苦草影响下沉积物各形态磷之间迁移转化过程及机理有待进一步研究。