太湖不同湖區沉積物磷形態變化分析

袁和忠 ,沈 吉 ,劉恩峰 (.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環境國家重點實驗室,江蘇 南京 20008；2.中國科學院研究生院,北京 00049)

污染物蓄積在湖泊沉積物中并導致湖泊富營養化是目前湖泊生態系統面臨的一個重要問題[1-3],其中磷被視為限制湖泊中藻類生長的主要限制性營養因子[4-5],而內源磷的釋放是決定湖泊水體中磷含量的非常重要的因素[6],在外源污染物得到控制的情況下,湖泊水體中營養鹽及生物量恢復到富營養化前的水平需要十年乃至數十年的時間[7].影響沉積物磷釋放的因子眾多(氧化還原電位[8],溫度,N含量[9],生物作用[10-11]及風浪擾動[12-13]等),對沉積物中磷的各種結合形態進行研究有助于磷在沉積物-水系統中遷移轉化的認識[14-16].

太湖位于我國長江三角洲南部,面積2338.1km2,平均水深2.6m左右.西部及南部為主要來水區,東太湖為主要出水區,太湖南部較北部水量交換周期短.西部分布著較厚的軟泥,最深處達5m以上.西部及北部湖區營養鹽超標嚴重,出現不同程度的富營養,已經對飲用水、工農業用水、漁業用水及觀光業等造成不利影響.目前對太湖沉積物中磷的形態變化研究較多[17-20].但主要集中于北部局部湖區或表層沉積物,對太湖全湖不同營養水平湖區磷形態的探討并不多見.本研究通過對太湖全湖典型湖區30cm柱狀沉積物中磷形態的測定,分析太湖各湖區沉積物中不同磷形態含量的變化及賦存特征,試圖在更高分辨率上探討太湖不同營養水平條件下磷形態賦存所揭示的環境意義.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

圖1 太湖采樣點位置示意Fig.1 Locations of the sampling sites in Taihu Lake

2009年11月采用柱狀采樣器(內徑=8cm)于太湖北部梅梁灣(T1),竺山灣(T2),太湖西部(T3),太湖南部(T4),太湖東部(T5)及湖心區(T6)無擾動采集柱狀沉積巖芯(圖1),每站位采得3個平行樣,取上部30cm現場以1cm層距分樣,采得子樣品立即置于密封聚乙烯袋中,混合均勻.并同時采集相應點位上覆湖水,一同放入敷有冰袋的保溫箱中低溫避光保存,水樣帶回實驗室后立即分析.

1.2 理化指標分析

太湖上覆水體指標包括總磷(TP)、總氮(TN)、總溶解性磷( SRP),水樣以0.45μm GF/C玻璃纖維濾膜(Whatman,UK)過濾后測 SRP.沉積物冷凍干燥后以瑪瑙研缽研磨過100目篩后,采用歐洲標準測試委員會框架下發展起來的SMT法[21-22]連續提取磷形態,SMT法將沉積物磷形態分為弱吸附態磷(NH4Cl-P)、堿提取態磷(NaOH-P)、酸提取態磷(HCl-P)、無機磷(IP)、有機磷(OP)及總磷(TP).有機質含量以沉積物分別在105℃及450℃下灼燒所得燒失量(LOI)表示.

2 結果與討論

2.1 上覆水特征及沉積物中磷形態垂向變化

本次采樣點基本上覆蓋了太湖的各個典型營養水平湖區.主要營養鹽指標中,太湖北部及西部的T1、T2點位的TN濃度高于T4、T5和T6點位TP的濃度,而TP表現出T2、T3點位的濃度遠高于其他點位,T2、T3點位的SRP濃度也明顯高于其他點位.太湖水質狀況在空間上表現出明顯的異質性,表明各湖區受到不同程度的污染.太湖水體1981年TN及TP的平均含量分別為0.9mg/L、0.02mg/L[23],可以發現 30年來太湖重污染湖區包括梅梁灣、竺山灣及太湖西北部TN和TP濃度分別升高約2～5倍及2.5～5.8倍,富營養化程度明顯加重,這一結果也從Trolle等[24]的研究中得到證實.太湖北部及西北部為太湖流域河流的主要進水區,據 Kelderman等[25]估算太湖1998-2000年年平均河流輸入太湖 TP含量約1590×103kg,約有1590×103kg累計沉積到湖泊沉積物中,而通過大氣沉降的TN及 TP約為4722kg/a和75kg/a[26],如此高濃度營養鹽進入湖體并沉積到沉積物中,成為湖泊污染的內源,在后期的環境因子變化作用下釋放出來,是太湖水體營養水平增加的重要原因[27].

圖2為太湖各采樣點沉積物 30cm深度NH4Cl-P、NaOH-P、HCl-P、OP及TP的垂向分布.由圖2可見,各采樣點垂向的變化表現出顯著的差異性.T1、T3點位NH4Cl-P、NaOH-P、HCl-P、OP及TP含量從表層至30cm沉積深度并不顯著,而T2點位卻變化劇烈,從表層至約15cm深度急劇降低,15～30cm深度基本保持不變.對于NH4Cl-P含量,T1點位在3.5～67.9mg/kg之間,表現出從表層至下部 16cm 深度呈逐漸升高然后降低的趨勢.T2點位在 11.5～116.9mg/kg之間變化,從表層至 15cm 深度呈降低-升高-降低變化,然后維持不變至 30cm深度,T3則在5.6～49.2mg/kg之間,從表層至7cm深度迅速升高,然后總體降低至17cm深度的10mg/kg左右.對于NaOH-P含量,T1和T3點位在30cm深度內基本維持在 200mg/kg, 而T2則明顯的由近表層約800mg/kg降至約16cm處的200mg/kg左右,并向下保持此濃度無大的變化.對于HCl-P含量,T1、T3點位30cm深度上并不大的變化,T2點位從表層至15cm深度由287.9mg/kg降至168.7mg/kg,然后至30cm變化不顯著.T1、T2、T3的OP及TP變化的大體趨勢類似,即表層至16cm深度逐漸降低然后基本保持無大的變化.

表1 采樣點位置及上覆水體部分理化指標Table 1 Positions of sample sites and physi-chemical indexes in overlying water

圖2 太湖各采樣點磷形態垂向分布Fig.2 Vertical distribution of Phosphorus forms of sample sites in Taihu Lake

2.2 磷形態垂向變化

T4、T5、T6點位的NH4Cl-P含量由表層的約0mg/kg增加到約13cm的最高值(分別為17.9、28.4和36.7mg/kg),然后逐漸下降.NaOH-P表現出小幅度先增加-降低-增加-降低的總體趨勢,T4、T5、T6 分別在 64.7～191.7mg/kg、51.3～127.7mg/kg、87.8～138.1mg/kg之間變化,30cm深度內T6的HCl-P 含量基本無大的變化.T4由近表層240mg/kg升高到約 320mg/kg,向下維持無大的變化.T6則維持在150～200mg/kg之間,T5從表層至11cm深度基本穩定在 200mg/kg,然后迅速增加到約13cm 深度的263.1mg/kg,向下則基本維持穩定.OP含量在T4、T5、T6點位表現出比較一致的變化趨勢,由表層139、150、143mg/kg到13cm深度處迅速降低至約35、25、23mg/kg,然后保持無明顯的變化.就TP而言,T6 由表層至5cm深度輕微升高至520.5mg/kg,然后至9cm深度迅速降低至300mg/kg,并向下保持較穩定的含量.除近表層個別層位,T4大致在450～500mg/kg之間.T5總體也表現出穩定的趨勢,大致在450～525mg/kg之間.

圖3 太湖各采樣點磷形態垂向分布含量占TP的比例Fig.3 The proportions of Phosphorus forms accounting for TP of sample sites in Taihu Lake

太湖6個采樣點的沉積物不同形態P含量占 TP比例表現出不同的特征(圖3),太湖北部竺山灣(T2)整個剖面上變化較大,NH4Cl-P在5～20cm 的含量高于其他層位.事實上,該深度區也是微生物豐度高及活性強、氧化還原電位低的區位.各點位 NH4Cl-P占 TP比例總體為T1、T2 ＞ T3 ＞ T4、T5、T6.深度剖面上 NaOH-P含量的分布與NH4Cl-P含量類似,占TP比例總體為T2 ＞ T1 ＞ T3 ＞ T4、T5、T6.HCl-P 垂直剖面上的含量則明顯不同,占TP比例總體為T4 ＞T5 ＞ T6 ＞ T1、T3 ＞ T2,由表層至 30cm 底部整體逐漸升高,最高值約80%.而OP含量則無較明顯的趨勢,垂直剖面上至約20cm深度以下占TP比例普遍低于12%,這和該層位以下有機質含量較低有關.

2.3 有機質含量與磷形態相關關系

圖4 太湖各采樣點垂向剖面上有機質含量的變化Fig.4 Vertical variation of the organic matter content of sample sites in Taihu Lake

太湖各采樣點位垂向剖面上有機質含量的變化見圖 4.T1點位除次表層略高外,30cm深度上保持在1.0%左右.T2點位則由表層的1.55%降低到底部的0.89%.T3由表層的1.01%降低至底部的0.54%.T4的變化趨勢類似于 T1,整個剖面上在1.0%左右.T5、T6分別由近表層的1.15%、0.97%減至于底部的0.53%、0.61%.約15cm以上北部梅梁灣(T1)及竺山灣(T2) 有機質含量明顯高于其他湖區.由表2可見,除NH4Cl-P與有機質含量表現出明顯的正相關外,有機質含量與其他形式P形態相關性并不一致.NaOH-P與有機質含量之間的相關系數由顯著負相關的-0.50(T1)變化到顯著正相關的0.59(T3),HCl-P與有機質含量之間的相關系數由顯著負相關的-0.89(T5)變化到顯著正相關的0.97(T2),OP與有機質含量由明顯無相關性(T4)變化到極顯著相關的0.94(T2).而T2、T3點位有機質含量與各形態磷皆表現出明顯的正相關性,反映出重污染湖區垂向沉積剖面上有機質是磷形態含量的重要影響因素.

表2 太湖采樣點有機質含量與各形態磷之間相關關系Table2 Correlation between organic matter content and Phosphorus forms of sample sites in Taihu Lake

2.4 磷形態揭示的太湖環境意義

相同沉積深度上,太湖T1、T2及T3點位垂直剖面上 NH4Cl-P含量總體明顯高于 T4、T5及T6點位.上部約10cm的NaOH-P含量總體高于 HCl-P含量,下部則為HCl-P含量高于NaOH-P含量,T4、T5及T6點位30cm垂直剖面上的HCl-P含量總體高于 NaOH-P含量.NaOH-P主要為與 Fe、Mg等結合在一起的磷,HCl-P主要為與Ca等結合在一起的磷.T1、T2及T3采樣點位于太湖北部及西北部,承接太湖的主要入湖水系,沿岸工農業生產發達,從而受納大量的生產及生活污水.T2所在的竺山灣尤其嚴重.作為可為生物直接利用的磷形態,較高的NH4Cl-P含量為水生植物生長提供了內在持續的磷源,從而維持較高的營養水平,這一定程度上導致太湖北部及西北部的藻華現象嚴重于太湖其他湖區.而太湖北部及西北部NaOH-P的含量整體高于南部、東部及湖心采樣點位的含量.一方面NaOH-P和人類干擾相關,具有更強的環境指示意義[22],太湖南部及東部高值反映了這些湖區工業污水及城市污水的輸入量高于其他湖區.另一方面鐵結合態磷的賦存與氧化還原電位等環境條件密切相關,各采樣點 5～20cm 相對低的氧化還原電位利于 NaOH-P向 NH4Cl-P轉化,這一定程度解釋了 5～20cm 沉積物中NH4Cl-P含量的上升.NaOH-P在沉積物中經歷復雜的解析-沉淀后,向上一部分轉化為弱吸附態的磷游離到間隙水中并通過濃度梯度向上覆水遷移,向下一部分以穩定的晶體形態最終埋藏下去,一部分轉化為其他更為穩定形態的磷.而HCl-P則表現出沉積埋藏的特性[28],表現為太湖所有采樣點由表層往下HCl-P含量占TP比例明顯升高.在湖泊水體酸化條件下,HCl-P相比NaOH-P更容易釋放出來[29].太湖南部及湖心T4、T5及T6垂直剖面上的HCl-P含量總體略高于北部及西部的T1、T2及T3點位,這可能和南部及東部湖區具有更高的生物量有關,從而生成更高含量的自生鈣磷(例如生物骨骼碎屑、碳酸鈣結合磷等)[30].而OP太湖全湖表現出明顯的表層高底部低的趨勢,一定程度上和太湖作為大型淺水湖泊,復氧較為充分,有機質礦化作用較強有關.6個采樣點OP的含量整體上表現為北部湖區高于其他湖區.雖然OP占TP的比例低于NaOH-P和HCl-P,但由于 OP的可礦化及降解性,對孔隙水中生物可利用磷的濃度及擴散也起著重要作用.這表現為6個采樣點的有機質含量與OP及NH4Cl-P表現出比較明顯的正相關性(表2).T2、T3采樣點有機質含量與所有磷形態都表現出明顯的正相關性,這和李軍等[31]對太湖北部五里湖的研究結果較一致,這一定程度上可能和這些湖區有機態磷及生物量較高,有機態磷向其他形態磷的轉化有關.

3 結論

3.1 太湖不同湖區沉積物中有機質含量基本由表層向底部逐漸降低. 重污染湖區(竺山灣及太湖西部)有機質含量與各形態磷皆表現出明顯的正相關性, 反映出重污染湖區垂向沉積剖面上有機質是磷形態含量的重要影響因素.

3.2 太湖北部梅梁灣,竺山灣和太湖西部上覆水及沉積物中的TP含量高于其他湖區,而沉積物中可為生物直接利用的NH4Cl-P含量也表現出北部及西北部高于其他湖區的特點.東部及南部湖區比較穩定的HCl-P含量總體高于北部及西北部湖區,而北部湖區的OP含量高于太湖東部及南部湖區.對環境條件比較敏感的NaOH-P,太湖各采樣點垂向剖面上表現為北部及西北湖區的含量整體高于其他湖區,表明太湖北部及西北湖區特別是竺山灣污染狀況較為嚴重,受人為污染源輸入影響明顯,也是這些湖區藻華嚴重的重要原因.

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