2.2水体中溶解氧随时间的变化


研究表明，当水体中骨条藻密度>5×103cells/mL时即可形成赤潮，故实验选取了高于该值的三个初始藻密度进行了48 h内溶解氧的定时测定。其中，0～12、24～36 h为光照时段，其他为黑暗时段。以藻体单独存在的中藻密度体系为例，由图3可发现DO含量具有在光照时段上升，黑暗时段下降的明显趋势，这与我们的预测是一致的：藻类在光照条件下发生光合作用产生的O2使体系中DO上升，而黑暗条件下藻类则会通过呼吸作用消耗氧气导致DO下降。低、中、高藻密度藻体与沉积物共存体系下的DO的测定结果表明，实验初期各实验体系溶解氧波动明显，规律不一，原因是沉积物存在导致了对水体中磷的竞争性吸附，而沉积物上的磷的吸附解吸动态过程又直接影响着藻的对营养盐的摄入。


当体系中藻密度比较低(如本文的低藻密度体系)时，该影响并不明显，随着时间的增长，仍会呈现在光照时段DO上升，黑暗时段DO下降的趋势，光合作用产O2和呼吸作用耗氧过程较为稳定。中藻密度体系在实验过程中的DO含量变化也不大。但随藻密度增至1.0×105cell/mL，过量的藻体通过对营养盐的摄取大量生长繁殖，并在0～12 h光照时段通过光合作用释放大量O2而使水体中DO含量激增；同时随着体系中磷的减少，藻类又因新陈代谢、死亡分解后消耗大量氧气，导致实验后期DO含量又有明显下降。


且已有研究发现，含藻水体中76.9%的溶解氧源于藻类的光合作用，其中的57.5%又被藻类自身呼吸作用所利用消耗，期间还伴随着藻类消亡过程中的耗氧，大气压强作用下水-气界面的空气扩散等，以致使得以上整个过程DO随时间变化发生着一定的波动。

图3水体中溶解氧随时间的变化


2.3体系耗磷速率与溶解氧含量的相关性分析


体系对磷的消耗速率可认为是某时刻下单位时间内P的浓度减少量(μmol·L-1·s-1或μmol·L-1·min-1、μmol·L-1·h-1)。利用各实验体系对P的消耗随时间的变化曲线，在特定时刻下将磷的浓度对时间t求导，以获得该时刻下体系消耗P的速率，如表2所示。

表2体系不同时刻的耗磷速率及其与溶解氧含量的相关性分析结果

注：表中“-”号表示负相关；“*”表示显著相关(p<0.05)；


各实验体系对磷的消耗速率几乎均随时间变化而逐渐降低，甚至有出现负值情况，可能有藻体死亡导致了磷的释放发生。对不同体系各取样点消耗P的速率(rP)和该时刻下的溶解氧浓度(CDO)进行相关性分析表明，两者通常并无明显相关性，仅在高藻密度藻与沉积物共存体系中，耗磷速率与溶解氧含量呈显著负相关(p<0.05)，可能是由于高藻密度的藻体当与沉积物共存时，藻体对磷的吸收因沉积物吸附磷的竞争影响显得更为显著，新陈代谢较为缓慢，但此时因光合作用仍较强，所产生的氧使水体中DO明显上升而导致该现象。


2.4溶解氧对沉积物中各形态磷分布的影响


研究表明，海洋沉积物对磷的吸附会对其中磷的形态分布产生不同程度的影响，为进一步验证藻类存在时，DO的改变对沉积物中各形态磷迁移转化的影响规律，选取了吸附平衡的48 h进行沉积物中磷形态的测定分析。由于吸附到沉积物中的磷最终主要以可交换态磷(Ex-P)和铁结合态磷(Fe-P)的形式呈现，并考虑藻体吸收对有机磷可能产生的影响，本实验仅讨论各体系下沉积物中的有机磷(OP)，Ex-P和Fe-P。

图4 48 h时刻各沉积物样品中磷的形态分布


由表3可见，藻的加入会显著影响沉积物吸附磷后的形态分布情况。相较沉积物原样，各形态磷均有不同程度的减少。吸附48 h后，低藻密度共存体系中沉积物样品的Fe-P含量略有增加，表明少量的藻体对P的吸收作用未表现出很强的竞争性。在高密度藻量的情况下，藻类在光照时间段光合作用产O2与黑暗时间段呼吸作用耗O2使水体中DO波动较为明显，藻类因生长和繁殖所需而对P的吸收作用增强，使共存体系沉积物中的Ex-P，OP和Fe-P均呈现下降趋势，且OP和Fe-P的减少最为显著。


研究表明，Ex-P通过物理结合吸附于沉积物表面，当环境中磷酸盐的含量不足以提供藻体生长繁殖时，Ex-P是比较容易能从沉积物中释放的磷形态，而OP和Fe-P是藻类存在时优先释放的形态，具有很好的生物可利用性。其中，Fe-P含量的降低主要包括两方面：中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)属硅藻属细胞，其分解后释放出的Si可与P抢占铁、铝氧化物表面的吸附位点而致使沉积物上P吸附量下降，体系中藻密度越高该情况越显著；体系中DO含量在中藻密度0～48 h与高藻密度12～48 h期间降低明显,与Fe-P降低的趋势一致。不同的氧浓度使金属元素以不同的价态存在于沉积物中，继而改变与磷的吸附紧密程度：厌氧条件促使沉积物中Fe-P的释放，而好氧条件则大多会抑制Fe-P的释放。


这是由于厌氧状态下容易发生Fe3+-Fe2+的还原反应，从而致使Fe-P表面的氢氧化铁保护层转变为氢氧化亚铁，然后溶解释放至上覆水中，导致沉积物中Fe-P含量的减少。

表3溶解氧浓度与沉积物样品中的Ex-P，OP和Fe-P含量


3结论


(1)中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)的存在显著影响了沉积物对水体中磷的吸附作用甚至促进了其向水体中的释磷行为，初始藻密度越大该现象越明显。


(2)采用Au/Hg微电极可实现藻类生长过程中溶解氧的实时监测，高藻密度藻与沉积物共存体系的耗磷速率与体系DO含量呈显著负相关(p<0.05)。


(3)水体中的DO含量一定程度上影响着沉积物对Fe-P的释放行为：DO浓度降低后促进沉积物中Fe-P向水体中释放，使得沉积物中Fe-P含量降低；Ex-P、OP和Fe-P是藻类存在时沉积物向水体中较易释放的形态。