对于水生生物而言，氮和磷都是非常重要的营养物质，但是氮的来源更复杂，且水体中的蓝藻和绿藻等可以通过固氮作用来补充氮元素的缺乏；磷的循环是沉积型循环，大量的磷汇入海洋后，被海洋沉积物吸附和固定，重新返回淡水水域的磷不足以补偿磷的损失；水体中过量的磷可能会诱发富营养化的发生，进而导致水质的恶化。因此，磷既是限制水生生态系统初级生产力的关键因素，同时又是水体富营养化的主要控制因素^[2]。

水体中磷的来源可分为外源性磷输入和内源性磷释放2个部分。外源性磷输入主要包括3个方面：一是基岩的风化作用，这一来源的磷以磷灰石为主，它与天然的大气沉降一起构成磷的背景输入；二是面源污染的输入，这一输入主要受农田退水及表层土壤流失控制；三是点源污染，这在城市区域尤其明显，来自城市生活与工业生产的点源排放对水体中磷的积累起着重要作用^[3]。内源性磷释放主要包括沉积物中磷释放和生物有机碎屑的分解，其中沉积物释放的磷主要来源于外源输入的磷在沉积物中的积累富集^[4]。

外源性磷输入至水体后，水体中的营养盐和有机质含量增加，水体生物有效性增加，这个过程可以视为富营养化发生的信号。受到此信号的刺激，浮游植物开始增殖，在初期会表现出藻类和鱼类产量的增加，随着浮游植物的持续异常增殖，一方面使水体表层溶解氧和pH值升高，近底层由于受到表层藻类对光照的吸收和遮挡，沉水植物光合作用减弱，溶解氧含量下降，同时水体中营养盐匮乏，进而引起藻类等水生生物的死亡，释放藻毒素，威胁动植物和人类的健康，死亡的水生生物在分解时又会进一步消耗近底层水体中的溶解氧，并促进内源性磷的释放以及有机质的自生。另一方面浮游植物新陈代谢活动产生的氮、磷和有机质会以内源形式参与再循环过程，加剧水体中营养盐和有机质含量的负荷。整个过程可视为对水体接受磷输入信号刺激后产生的响应阶段。

水体中大量的磷导致水体发生富营养化并产生以下危害：水体透明度降低，并伴有腥臭的气味，同时由于水体中溶解氧的大量消耗，造成了沉水植物、鱼类和底栖生物的死亡，水体景观受到破坏，水生生态系统受到严重影响。藻类死亡后释放的藻毒素会抑制植物的生长，减少底栖动物的存活个体数，影响其摄食能力和生长繁殖，造成动物行为的异常，并对人体皮肤有刺激性反应，易诱发肝脏疾病、胃肠炎及其他器官疾病^[5]。用富营养化的水灌溉农田，水中含有过多的有机质会导致土壤的还原性过强，产生大量有机酸、硫化氢和甲烷，造成作物生理障碍，影响其养分吸收和生长；若用于水稻的灌溉，会对水稻苗期根生长起到抑制作用，造成作物出现中后期陡长、倒伏、病虫害多以及成熟不良等症状。对于已经发生富营养化的水体，通过处理以达到人类使用的相应标准的过程也将耗费大量的财力和物力。

我国对于水体中营养元素的控制管理已经超过30年，并且建立实施了“水污染防治行动计划”和“水体污染控制与治理科技重大专项”等国家政策^[6]。随着大众环境保护意识的不断提高以及对于外源磷输入引起水体富营养化发生的深刻认识，近年来，外源磷输入对于水体影响得到了一定程度的控制和缓解，但是发现已经发生富营养化的水体水质未见明显好转，例如：南京玄武湖在采取截污措施后及太湖流域全面禁用含磷洗涤剂之后，湖泊的富营养化发展趋势依然没有得到有效遏制^[7]；南四湖流域内经过大力治理，外部污染源得到了有效的控制，但水体水质并未得到有效改善，特别是水体富营养化现象依然较严重^[8]；广州流花湖在全面放干，水质出现暂时的好转后，藻类再次爆发生长，水体浑浊，富营养化现象重新出现^[9]；浙江三垟湿地在切断外援污染，通过引水的方式依然无法有效解决水体的富营养化现象^[10]。不仅在国内，国外的富营养化水体也出现了同样的问题：芬兰Vesijarvi湖的外源磷负荷削减了93%，湖水中磷含量降至0.05 mg/L，蓝藻水华依然肆虐了数10年；芬兰东部海湾外源磷输入减少了30%，水体中的磷酸盐含量仍呈现出增加趋势；荷兰Loosdrecht湖的外源磷输入降到了历史最低水平，湖水富营养化程度未见明显缓解；英格兰Rostheme湖实施截污后，水体中营养盐浓度明显降低，水体中叶绿素的浓度依然未能降低^[7]。综合以上研究结论可知：当控制进入水体的外源性磷含量后，水体的富营养化现象依然没有得到有效的缓解，内源性磷释放对水体的水质同样有着较大的影响，延缓了富营养化水体水质恢复的时间。姜建国等^[11]对武汉东湖的研究表明，在不考虑内源营养物质释放的情况下，截污工程完成后，水质的恢复需要3年，但是受到内源营养物质释放的影响，水质的恢复则需要35年以上。

内源性磷释放包括生物有机碎屑的分解和沉积物磷释放2个部分。秦先燕^[12]在对南极无冰区和近海磷的生物地球化学循环的研究中指出，水生生态系统中，尤其是河流和湖泊中，死亡有机体和分解者系统包含的磷在磷的地球化学循环中贡献量较小。王立鹏^[4]在对山东省微山湖入湖河流磷污染特征的研究中指出，沉积物是水体营养物质的重要蓄积库，营养物质在沉积物中不断累积，成为水体内源磷释放的主要来源。赵海超^[13]通过对磷在沉积物-植物-水体系内的迁移过程中发现，沉水植物吸收磷的含量较小，仅占总磷含量的1%左右。通过以上研究可知，沉积物是内源性磷释放的主要来源。

MATISOFF et al^[14]通过对加拿大Winnipeg湖沉积物内源磷负荷的研究发现，外源营养物质得到控制后，内源营养物质在数十年内仍将起磷源作用。SØNDERGAARD et al^[15]对丹麦富营养化湖泊内源磷负荷的研究表明，即便是外源磷输入得到极大控制的情况下，湖泊内源磷的释放可以维持富营养化湖泊20年。RYDIN et al^[16]发现，瑞典Erken湖夏季多达99%的营养物质来自于沉积物。NÜRNBERG^[17]对安大略湖西北部的23个分层湖的研究表明，沉积物释放的内源磷占总输入磷的29%，有时甚至高达90%。CARVALHO et al^[18]指出，苏格兰和英格兰有18%～88%的湖泊营养物来源于沉积物释放。BERELSON et al^[19]研究发现，澳大利亚Port Phillip湾沉积物中磷的再生量占溶解磷总负荷的72%。ÖZKUNDAKCI et al^[20]指出，新西兰Okaro湖水体中50%的磷来源于沉积物释放。BOYNTON et al^[21]的研究表明，美国Chesapeak湾沉积物中营养盐的释放占总负荷的10%～40%。MAASSEN et al^[22]指出，德国Quitzdorf水库沉积物在夏季释放的磷是外源输入的3倍。PETTERSON^[23]的研究结果表明，沉积物中磷的含量远远高于水体中磷的蓄积量，沉积物中极少量磷的释放就会明显增加水体中磷的浓度；在受纳水体的外源磷逐渐减少的情况下，由于长期输入而聚集在沉积物中的磷会随着环境条件的改变而释放出来，继而成为水体富营养化的物质来源；沉积物随着环境条件的不同，进行源和汇角色的转变。JENSEN et al^[24]通过研究发现，表层沉积物是磷的主要来源。龚春生等^[25]对玄武湖的研究表明，在不考虑外源输入的情况下，沉积物释放的磷可以使水体磷浓度稳定在0.101 mg/L，是水体富营养化参照标准的5倍。陈敬安等^[26]通过红枫湖沉积物中磷空间分布特征研究得出，在水和沉积物体系中，98％以上的磷赋存于沉积物中，约20%的磷可通过孔隙水从沉积物中迁移至上覆水体。秦伯强等^[27]利用估算得出，太湖沉积物全年释放总磷2.1万t，是外源磷年输入的2～6倍。张丽萍等^[28]发现，云南滇池90%的磷分布在沉积物中；安徽巢湖和杭州西湖的内源污染负荷已分别达到外源污染负荷的21%和41%。通过以上研究可知，沉积物中磷的含量对于上覆水水质的优劣具有极大的影响，而其中又以表层沉积物中磷的含量最为关键。

表层沉积物沉积年代新，沉积速率快，并且直接和上覆水接触，是物质和能量交换最频繁的区域，通常表层沉积物中磷的含量要高于深层，表现出表层富集的现象。林悦涓^[29]以武汉东湖沉积物为研究材料，探究沉积物中总磷在垂直剖面上的变化趋势，结果表明，沉积物中总磷含量在由表层向下0～10 cm区段内迅速下降，直至到达一定深度后总磷含量趋于稳定。向速林等^[30]对鄱阳湖沉积物中磷的赋存形态和分布特征进行分析后发现，各形态磷在表层沉积物中的含量均高于底层沉积物。王忍等^[31]指出，沉积物表层在有氧-厌氧环境的交替作用下，促进了Fe²⁺、Fe³⁺及铁氧化物的相互转化，同时促进了内源磷形态转化的发生。王书锦等^[32]对罗时江河口沉积物中总磷含量的研究表明，总磷含量分布在表层高于底层的现象可能是由于当地近年来旅游业发展引起的外源磷的输入量增加所致。范成新等^[3]指出，沉积物对磷的持留主要发生在沉积物的表层。TROLLE et al^[33]发现，太湖北部沉积物中总磷和有机磷含量在表层最高，随着深度的下降磷含量呈指数式降低，并指出造成这种现象的原因可能与太湖北部工业及城市生活废水等外源磷污染的输入有关。SØNDERGAARD et al^[34]发现，在受外源磷影响较小的水体表层沉积物中磷也出现了富集现象，这种现象可能是由位于沉积物底层的磷向表层迁移扩散所致。DOIG et al^[35]在实验室条件下模拟了为期64 d的柱状沉积物磷释放过程后指出，沉积物最表层的几厘米是短期内影响水环境的核心区域，其中与铁、铝和锰等金属氧化物结合的磷是沉积物中磷释放的主要来源。沉积物在垂向上反映的是沉积物的历史累积和矿化作用的叠加结果，磷在沉积物的表层富集现象可能是由于^[3]：①受人类活动的影响，工业源、农业源及生活源废水的汇入，新沉降形成的沉积物具有更高的磷含量；②表层沉积物的形成时间较短，有机物等还未发生矿化作用；③底层沉积物在厌氧环境下产生的磷酸盐受到浓度梯度的影响，自下而上进行迁移，并在氧化还原电位较高的表层沉积物中被金属离子及其氧化物和氢氧化物吸附固定。

对于水体富营养化的研究，多数学者更倾向于选择流速较缓慢且区域范围相对较小的湖泊、水库和湿地。河流因其较好的流动性，能够将水体中的磷传递输入至湖泊、水库和海洋，降低自身富营养化发生的概率。但是随着人类活动干扰的加剧，如闸坝水库的大量修建、沉积物的疏浚和河道渠道化等，强烈改变着河流沉积环境和河流生态系统磷的生物地球化学循环，增加了河流水体发生富营养化的机率。

闸坝水库的修建，一方面通过拦截使水体流速减慢，甚至长期滞留，增加了沉积物释放磷的机率。JIN et al^[36]发现受到青草沙水库的影响，长江河口闸坝内的表层沉积物磷含量较高，水体发生富营养化的风险增强。ZHANG et al^[6]指出海河水系内大量闸坝的修建加剧了表层沉积物中磷的累积量，其中北运河是海河水系中一条重要支流，在北运河一段长度约100 km的河段区间内筑有18座闸坝，平均每2.28 km即筑有一座闸坝。THOMPSON et al^[37]发现闸坝的拦截作用导致河水滞留，沉积物中磷的大量释放是澳大利亚Canning河在1997～1998年夏季蓝藻爆发的主要原因。DAUTA et al^[38]指出，法国的Lot河由于受到一系列闸坝的控制，沉积物中磷的释放是导致水体富营养化发生的主要原因。VO et al^[39]对韩国Han河支流Tanchun的研究表明，闸坝拦截显著提高了沉积物中的磷蓄积量，同时增大了沉积物–水界面磷的吸附-解吸平衡浓度。周建军等^[40]对长江干流磷通量宏观变化的研究表明，宜昌断面全年的溶解磷通量增加到1.78（1.32～2.31）万t，比未受到三峡和上游水库影响的1990年前升高了46.2%，长江上游大量水库对泥沙的拦截，改变了河流的磷循环路径和生物有效磷释放机制，破坏了河流通过泥沙封存和调节磷的机制，进而改变了下游磷的通量及节律和营养结构，增加了水域环境脆弱性和水库污染风险。另一方面，当相应河段的水动力增加时，比如泄流和洪水爆发，沉积物被冲刷、再悬浮，可能会造成磷的大量释放，对水体水质产生危害。总体而言，河流闸坝水库的修建，虽然能够拦截大量沉积物并增加对磷的吸附量，但同时也增大了内源沉积物磷的释放量，具有较高的生态风险。沉积物疏浚后，新形成的表层沉积物同样存在释放磷的风险，同时疏浚的过程可能会破坏原有水生生态系统的平衡。河流的渠道化过度简化了河流的地貌形态，不利于沉积物对磷的吸附固定。总之，由于受到人为的调控，河流系统的生态功能和自净能力可能会被削弱，提高了水体富营养化发生的风险。

本研究对国内外学者开展的不同水体类型表层沉积物总磷(TP)含量的研究结果^{[6, 14, 41-63]}进行了梳理，见表1。

表1可知，受人文活动冲击较严重的湖泊和水库表层沉积物中TP含量相对较高，而部分河流表层沉积物中的TP含量水平也应引起重视，如海河、扬子江、黄河甘宁蒙段和松花江表层沉积物中TP含量的平均值均超过了我国的环保疏浚标准规定的500 μg/g的阈值。以黄河甘宁蒙段为例进行分析，黄河干流布有大中型水利工程30座，由于上游整体比降较大，水利枢纽主要分布在黄河上游，较为密集的闸坝数量增大了黄河上游表层沉积物中磷的释放风险。黄河兰州段以保证防汛安全、维护水文特征和改善黄河风情线整体景观为出发点，开展过多次的河道清淤疏浚工程，然而新形成的表层沉积物同时也增大了表层沉积物中磷的释放风险。黄河干流水量年内分配不均匀，丰水期和枯水期流量差别较大，这种现象将导致流域内沿岸漫滩沉积物的周期性淹水。文献[64]研究表明，相比于永久性淹水，周期性干燥与湿润交替将增大沉积物的磷释放能力：受淹的沉积物在最初暴露时，微生物快速生长，有机质分解加速，进一步的干燥加剧了微生物的脱水死亡；当再次淹水时，微生物细胞中的磷从沉积物释放至上覆水，上覆水中磷含量急剧增长。受制于气候及地理因素，黄河甘宁蒙段工农业的发展对黄河水的依赖程度较高，区域沿程各种人文活动强烈地冲击着黄河原有的生物地球化学过程^[65]，增加了水体发生富营养化的机率。黄河干流主要水利工程分布情况见图1。

表层沉积物作为内源磷污染的主体，直接与上覆水接触并进行物质能量交换，对水体水质具有重要的冲击和影响；随着人类活动干扰的加剧，沉积环境和磷的生物地球化学循环被强烈地改变，表层沉积物中磷的释放对水体水质的影响，不仅体现在流速较缓慢且区域范围相对较小的湖泊、水库和湿地，也增加了河流水体发生富营养化的机率。黄河甘宁蒙段较为密集的闸坝数量、频繁的河道清淤疏浚工程以及水量在年内的不均匀分配，增大了区域内表层沉积物中磷的释放风险。因此，研究表层沉积物中磷的形态和沉积物-水界面磷的吸附-解吸规律及环境因素的影响对水环境的治理和磷负荷的调控具有十分重要的意义。