馬來眼子菜群叢對太湖不同湖區沉積物磷形態的影響

李振國,王國祥,馬久遠,張 佳,歐 媛 (.南京師范大學地理科學學院,江蘇 南京 20023；2.湖南科技大學地理系,湖南 湘潭 420)

馬來眼子菜群叢對太湖不同湖區沉積物磷形態的影響

李振國1,2,王國祥1*,馬久遠1,張 佳1,歐 媛1(1.南京師范大學地理科學學院,江蘇 南京 210023；2.湖南科技大學地理系,湖南 湘潭 411201)

采用磷分級提取的方法對太湖貢湖灣、南部湖區馬來眼子菜(Potamogeton malaianus)群落內外的沉積物樣品進行了采集和分析,調查了沉積物中的不同形態磷的垂直分布狀況,研究馬來眼子菜群落對沉積物磷遷移轉化的影響.結果表明:植物群叢對沉積物鐵鋁磷(Fe/Al-P)的影響在貢湖灣和南太湖表現不同.貢湖灣馬來眼子菜群叢內部沉積物Fe/Al-P高于群落外部的27.6%,差異性顯著(P<0.05);南太湖馬來眼子菜群叢內部沉積物中Fe/Al-P均值低于群叢外部的47.4%,差異性顯著(P<0.05).植物群叢對沉積物有機磷(OP)的影響在貢湖灣和南太湖表現相似,兩湖區植物群叢外部沉積物中OP含量均值高于群落內部.馬來眼子菜群叢對貢湖灣和南太湖沉積物中Ca-P有較明顯的影響,植物的影響主要體現在表層0～15cm范圍內,貢湖灣湖區沉積物Fe/Al-P和OP含量較高,在植物的影響下轉化為Ca-P,因此Ca-P在表層沉積物中呈上升趨勢;南太湖沉積物中Ca-P含量較高,在植物影響下Ca-P有一定量的釋放,因此Ca-P在表層沉積物中呈下降趨勢.

磷形態；沉積物；馬來眼子菜；太湖

沉積物在淺水湖泊營養鹽循環中扮演了重要角色,當外源污染被切斷后,沉積物中的內源磷負荷成為影響水質的重要因子[1].研究發現沉積物磷遷移轉化與溫度、氧化還原狀態、pH值、溶解氧濃度、硫酸鹽、細菌等因素密切相關.沉水植物是淺水湖泊中重要的初級生產者,占據著沉積物-水之間的關鍵界面,通過自身形態和生命活動影響著水體環境因子,進而影響沉積物磷的生物地球化學循環[2-3].沉積物中的磷與鐵、鋁、鈣等元素以不同形式結合成各種形態的化合物,不同結合態的磷具有不同的地球化學行為[4].沉水植物對于不同形態磷的影響受到了越來越多的關注,大量的室內試驗研究表明沉水植物對沉積物中松散結合態磷及鐵、鋁結合態磷(Fe/Al-P)以及活性有機磷有顯著影響,對其他形態的磷影響不顯著[5-8].但針對沉水植物群落對沉積物各形態磷的野外調查實驗并不多見[9].

馬來眼子菜(Potamogeton malaianus Miq.)是眼子菜科多年生沉水草本植物,是許多水生動物的食物和棲息場所[10].馬來眼子菜在太湖水環境持續惡化的情況下,分布面積卻逐年擴張,在不同水域和底質條件下均能存活,在貢湖灣、西山島、南太湖成為優勢種[11-12].

本研究選擇太湖不同湖區的馬來眼子菜群叢,在群叢內外分別采集柱狀沉積物樣品,調查沉水植物群叢內外沉積物中各形態磷的差異,分析沉水植物群叢對各形態磷遷移轉化的影響,為揭示淺水生態系統中沉水植物的環境效應提供野外數據支持.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

太湖是長江中下游流域最典型的大型淺水湖泊,水面面積2338km2,平均水深 1.89m.太湖有藻型湖區、草型湖區,也有草藻過渡型湖區[13].太湖不同湖區沉積物中磷形態含量變化非常明顯[14],北部及西北部湖區總磷(TP)含量高于其他湖區,從各形態磷的分布來看,Fe/Al-P含量北部和西部湖區明顯高于其他湖區,Ca-P含量南部和東部湖區高于北部和西北部湖區[15].

兩個采樣區域內的馬來眼子菜均生長旺盛,南部湖區馬來眼子菜群落斑塊較大,斑塊直徑約100～300m,植物密度較小,夏季平均生物量有192g/m2.貢湖灣灣口采樣區域馬來眼子菜群落斑塊較小,斑塊直徑50～100m,斑塊內植物密度較大,生長茂盛,平均生物量可達到286g/m2[12,16].

1.2 樣品采集及實驗方法

2012年6月在太湖貢湖灣和南部湖區馬來眼子菜(Potamogeton malaianus)群落區和無植被分布區設置采樣點(圖1),采樣點編號及地理坐標分別為 GPO(貢湖灣,無植被分布區,31°22'15.08"N, 120°16'53.62"E),GPI(貢湖灣,馬來眼子菜群落, 31°22'35.14"N,120°16'32.78"E),SPO(南部湖區,無植被分布區,30°59'33.98"N,120°8'7.37"E),SPI(南部湖區,馬來眼子菜群落,30°59'28.57"N,120°8'18.95"E).

圖1 采樣點位分布Fig.1 Schematic graph of sampling sites

使用沉積物柱狀取樣器(HYDRO-BIOS,德國)取樣,現場分層切割,裝入聚乙烯自封袋中,4℃冷藏保存.樣品經冷凍干燥、分散、研磨、過100目篩,置于密封袋中備用.

沉積物中各形態磷的分析方法參考 Ruban等[17-18]的SMT法.該方法分別采用NaOH和HCl提取獲得 5種形態磷,分別是 TP、IP、OP、Fe/Al-P、Ca-P,各形態磷間相互干擾小,是目前普遍應用的淡水沉積物磷形態研究方法.

2 結果與分析

2.1 不同湖區馬來眼子菜群叢內外 TP的變化特征

沉積物中 TP含量的垂直分布顯示,隨著深度的增加,磷含量呈下降趨勢.在表層沉積物(0～15cm)深度范圍內,貢湖灣和南太湖馬來眼子菜群落TP含量均表現為群落內部低于群落外部的現象,群落內部沉積物的 TP含量平均比群落外部的沉積物低14.2%和9.06%(圖2).兩湖區植物群落內部TP含量垂直方向上變化均比群落外部緩和,貢湖灣和南太湖植物群落外部沉積物TP最高值與最低值分別相差 222.91mg/kg和538.23mg/kg,而植物群落內部沉積物 TP最高值與最低值分布相差188.16mg/kg和117.43mg/kg.貢湖灣植物群叢內表層沉積物(0～15cm)中TP濃度呈上升趨勢,上升了 31.7mg/kg;南部湖區植物群叢內表層沉積物(0～15cm)中TP濃度呈明顯下降趨勢,下降75.4mg/kg.

圖2 貢湖灣和南太湖馬來眼子菜群叢內外沉積物TP含量垂直分布Fig.2 Vertical distribution of TP in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

2.2 不同湖區馬來眼子菜群叢內外IP和OP的 變化特征

圖3 貢湖灣和南太湖馬來眼子菜群叢內外沉積物IP和OP含量垂直分布Fig.3 Vertical distribution of IP and OP in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

沉積物中IP含量的垂直分布顯示,貢湖灣植物群叢內外沉積物中IP隨深度的變化趨勢基本一致,植物群叢內表層沉積物(0～15cm)中IP濃度呈小幅上升趨勢,上升了2.1mg/kg.南部湖區植物群叢內外沉積物中IP隨深度的變化趨勢差別較大,群叢外,自表層到底層呈下降趨勢,且波動幅度較大,變幅為 460.8mg/kg;群叢外波動平緩,幅度較小,變幅為144.1mg/kg.南部湖區植物群叢內,表層沉積物(0～15cm)中IP濃度呈明顯下降趨勢,下降144.1mg/kg.

沉積物中 OP含量自表層向下層遞減,垂直變化復雜且劇烈.貢湖灣表層沉積物中 OP含量最高,0～5cm 深度植物群叢外部高于群叢內部44.3%,5～15cm深度植物群叢內沉積物 OP比外部高26.5%.南太湖植物群叢外部沉積物OP垂直變化呈現表層＞中層＞下層的趨勢,植物群叢內部沉積物 OP顯著低于群叢外部(P＜0.05),呈表層＞中層＞下層的趨勢.

2.3 不同湖區馬來眼子菜群叢內外 Fe/Al-P的變化特征

貢湖灣馬來眼子菜群叢內部沉積物中Fe/Al-P均值高于群落外部的27.6%,且差異顯著(P ＜ 0.05);南太湖馬來眼子菜群叢內部沉積物中Fe/Al-P均值低于群落外部的47.4%,且差異顯著(P ＜ 0.05).

沉積物中 Fe/Al-P的垂直分布顯示,貢湖灣沉積物中 Fe/Al-P含量表層＞底層＞中層,表層總磷濃度最高,植物群叢內部比外部高,植物群叢內表層沉積物比外部高 55.2%.南部湖區沉積物Fe/Al-P垂直變化波動較為劇烈,植物群叢外部沉積物中 Fe/Al-P呈現表層＞下層＞中層的趨勢,植物群叢內部沉積物 Fe/Al-P顯著低于群叢外部(P＜0.05),呈下層＞表層＞中層的趨勢.

2.4 不同湖區馬來眼子菜群叢內外 Ca-P的變化特征

圖4 貢湖灣和南太湖馬來眼子菜群叢內外沉積物Fe/Al-P含量垂直分布Fig.4 Vertical distribution of Fe/Al-P in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

圖5 貢湖灣和南太湖馬來眼子菜群叢內外沉積物Ca-P含量垂直分布Fig.5 Vertical distribution of Ca-P in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

沉積物中 Ca-P含量的垂直分布顯示,貢湖灣植物群叢內外沉積物中Ca-P隨深度的變化趨勢基本一致;植物群叢內表層沉積物(0～15cm)中Ca-P濃度呈明顯上升趨勢,上升了62.6mg/kg.南部湖區植物群叢內外沉積物中Ca-P隨深度的變化趨勢差別較大,群叢外,自表層到底層呈下降趨勢,且波動幅度較大,變幅為 400.7mg/kg;群叢外波動平緩,幅度較小,變幅為 131.6mg/kg.南部湖區植物群叢內,表層沉積物(0～15cm)中 Ca-P濃度呈明顯下降趨勢,下降131.6mg/kg.

3 討論

3.1 馬來眼子菜群叢對不同湖區沉積物 Fe/Al-P和OP含量的影響

沉積物中 Fe/Al-P易受氧化還原條件的影響,是沉積物中主要的活性磷成分.沉積物中的OP在厭氧條件下可以部分轉化為 Fe/Al-P,其礦化程度和速率與氧化還原條件極為相關[19-20].貢湖灣植物群叢內部 Fe/Al-P含量高于群叢外部,而南太湖則相反,植物群落外部高于群落內部.貢湖灣位于太湖北部藻型湖區,由于太湖風浪的影響與湖灣效應[21-22],引起藻類和部分有機懸浮物在群落內停留、聚集并沉淀[16].馬來眼子菜植物體內含有抑藻物質[23],能破壞藻類細胞膜的完整性,最終導致藻類死亡.大量藻類在馬來眼菜群落內被滯留,并沉降至底泥中,引起沉積物中Fe/Al-P和OP含量升高.另外,夏季貢湖灣馬來眼子菜群落生長密集,生物量大,可達到286g/m-2[12],植物衰亡后,殘體被截留在群落中,最終沉積到底泥中,也是導致群落內沉積物中的OP和Fe/Al-P含量高于群落外沉積物的原因之一.南部湖區馬來眼子菜群落的分布較零散,植物生物量較貢湖灣少,藻類和植物殘體易隨風浪而轉移到群落之外,很難在群落內部沉積.另外,該區域馬來眼子菜群落是新生群落,植物的衰亡對沉積物中磷素的貢獻較少.而六月份馬來眼子菜生長較旺盛,植物對沉積物中營養鹽的吸收作用較強.另外,藻類的堆積和死亡會導致沉積物中部分磷素的釋放,并且草型湖區沉積物的釋放量較大[24],所以該區域沉積物中OP和Fe/Al-P的釋放量較大,這些因素最終導致南部湖區馬來眼子菜群落內部的OP和Fe/Al-P含量較群落外部的低.

3.2 馬來眼子菜群叢對不同湖區沉積物 IP和Ca-P含量的影響

IP的主要組成為Ca-P,本次調查中貢湖灣沉積物中Ca-P占IP的平均含量為73.3%,南部湖區沉積物中Ca-P占IP的平均含量為80.0%. 與前人的調查結果相吻合[25-27],因此Ca-P對IP的分布起到了關鍵作用.

沉積物中Ca-P是較穩定的磷形態，但在pH值較低的情況下也可以活化，釋放到水體中[28-29].本次調查發現,在貢湖灣馬來眼子菜群落內表層沉積物(0～15cm),Ca-P呈上升趨勢;在南太湖馬來眼子菜群叢內部表層沉積物(0～15cm),Ca-P呈緩慢下降趨勢,0～15cm 是沉水植物根系在沉積物中的主要分布區域,根系的生理活動過程中會分泌氧和有機酸類物質,導致根際Eh升高,pH值降低[3,30],從而引起沉積物 Fe/Al-P的轉化和Ca-P的釋放.貢湖灣沉積物中Fe/Al-P含量較高,在沉水植物影響下經歷復雜的解析-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 Ca-P[14-15].南太湖沉積物中Ca-P含量較高,在植物的持續影響下,沉積物pH降低,造成了Ca-P釋放,因此表層沉積物中Ca-P呈下降趨勢.

4 結論

4.1 馬來眼子菜群叢對沉積物鐵鋁磷(Fe/Al-P)的影響在貢湖灣和南太湖表現不同.貢湖灣馬來眼子菜群叢內部沉積物 Fe/Al-P高于群落外部的 27.6%,差異性顯著(P＜0.05);南太湖馬來眼子菜群叢內部沉積物中 Fe/Al-P均值低于群叢外部的47.4%,差異性顯著(P＜0.05).

4.2 南太湖馬來眼子菜群叢外部沉積物中 OP平均含量高于群落內部(P＜0.05),貢湖灣植物群叢的影響不顯著(P＞0.05).

4.3 馬來眼子菜群從對貢湖灣和南太湖沉積物中 Ca-P有較明顯的影響,植物的影響主要體現在表層 0-15cm范圍內,貢湖灣湖區沉積物Fe/Al-P和OP含量較高,在植物的影響下轉化為Ca-P,因此 Ca-P在表層沉積物中呈上升趨勢;南太湖沉積物中 Ca-P含量較高,在植物影響下Ca-P有一定量的釋放,因此Ca-P在表層沉積物中呈下降趨勢.

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LI Zhen-guo1,2, WANG Guo-xiang1*, MA Jiu-yuan1,2, ZHANG Jia1, OU Yuan1(1.School of Geographical Science,Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China；2.Department of Geography, Science and Technology of Hunan University, Xiangtan 411201, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1872～1877

To understand the effect of the submerged macrophyte Potamogeton malaianus on the sedimentary phosphorus(P) fraction in Lake Taihu, China, various forms of P in P. malaianus vegetated and non-vegetated areas were quantified with the standard measurement and test (SMT) approach in surface sediments (0～40cm)from the northeast (Gonghu bay)and the south lake regions. Results showed that in Gonghu bay, Fe/Al-P in P. malaianus vegetated areas were significantly higher (P＜0.05)in comparison with the non-vegetated areas. However in the south lake, Fe/Al-P in the vegetated areas were significantly lower (P＜0.05)in comparison with the non-vegetated areas. OP in the vegetated areas were greatly decreased in comparison with the non-vegetated area in the south lake (P＜0.05). The effect of P. malaianus on the sedimentary Ca-P in Gonghu bay and the south lake was within 0～15cm. It is concluded that the submerged macrophyte P.malaianus has an clear effect on the retention of P nutrients.

phosphorus fraction；sediment；Potamogeton malaianus；Lake Taihu

X171

A

1000-6923(2014)07-1872-06

2013-10-28

國家自然科學基金項目(40873057);科技部國際合作專項資助(2010DFB33960);江蘇省太湖水環境治理專項基金項目(TH2011207)

* 責任作者, 教授, wangguoxiang@njnu.edu.cn

李振國(1980-),男,山東臨清人,講師,博士研究生,主要從事水環境演變與生態修復相關研究.