干濕交替對湖濱帶不同高程沉積物磷釋放的影響研究

宋中奇 姜 霞 王金枝 張彩云 李 炟

（1.哈爾濱商業大學生命科學與環境科學研究中心，黑龍江 哈爾濱150076；2.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京100012）

水位變化引起的湖濱帶土壤干濕交替過程能夠顯著影響磷的遷移轉化[1]，主要是干燥、再濕潤過程通過影響土壤的物理、化學特征（如氧化還原狀態、pH值和礦物結構）及微生物群落結構和活性[2][3]來實現。由于湖水侵蝕時間和地表植被類型等不同，湖濱帶內不同高程的土壤表現出不同的粒徑分布和分形特征[4]，進而表現出不同的比表面積和理化性質，從而影響N、P等營養物質在泥水界面交換的過程[5]。對于水位變化對湖濱帶土壤性質的影響作用，一些學者認為沉積物/土壤干燥顯著增加了其對PO43-的吸附[6]，而另外的研究發現干燥降低了沉積物的吸附性能[7][8]。

為了揭示干濕交替作用對湖濱帶不同高程土壤理化性質及對P的吸附/解吸作用的影響，取貢湖湖濱帶最高水位點的出露土壤、泥水界面沉積物及覆水沉積物，分析不同高程沉積物的粒徑分布特征和磷的吸附解吸能力。并進行淹水實驗，研究湖濱帶不同高程沉積物磷的吸附解吸特性及釋磷量的不同。

1 材料與方法

1.1 研究區域

貢湖位于太湖東北部，水體處于輕度富營養化狀態。本試驗以貢湖湖濱緩沖帶為研究對象，采樣點位于貢湖北部華莊鎮，水位受降雨影響較大，湖濱帶坡度較小，最高水位與最低水位相差20cm左右。采樣點處水質清澈潔凈，植被以草型為主。

1.2 樣品采集與處理

采樣時間為2013年12月，采樣方法參照參考文獻[9]。在垂向岸邊的一條樣帶上縱向取三點，包括最高水位點（A）、取樣時水位點處沉積物（B）、水面下0.5m處淹水沉積物（C）（如圖1）。在落干土壤A點采集表層10cm土樣，B點取表層10cm沉積物，C點用抓泥斗采集水下0.5m處沉積物樣品。樣品采集后撿掉礫石、動植物殘體等，混合均勻裝入密封袋中運回實驗室，置于-20℃冰箱保存待用。

圖1 采樣點剖面示意圖

1.3 實驗方法

1.3.1 磷的吸附熱力學實驗

圖2 A（湖濱帶最高水位點土壤）、B（泥水界面沉積物）、C（覆水沉積物）對磷的等溫吸附曲線

實驗所用沉積物/土壤樣品均經冷凍干燥、研磨、過100目篩。磷的吸附熱力學實驗和分析方法參見參考文獻[10]。

1.3.2 沉積物/土壤淹水實驗

取A、B、C三點干燥沉積物10g加入1L蒸餾水置于具塞容器內震蕩24h，之后置于敞口容器內靜置15天[11]。分析實驗前后沉積物磷形態含量，及試驗后水體磷素濃度。每個處理設置3個重復，實驗結果以平均值表示（3次分析結果的誤差范圍＜5%）。

1.4 分析方法

粒度分析所用樣品為沉積物鮮樣，采用Malvern公司生產的Mastersizer2000激光粒度分析儀，粒徑測量范圍為0.02μm～2000μm，可提供每一粒度組分的百分含量、累積曲線及其他各種粒度參數。

溶解性總磷（DTN）采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法測定；無機磷（DIP）采用磷鉬藍比色法；溶解性有機磷（DOP）采用差值法，DOP=DTP－DIP；沉積物磷形態分析采用SMT法測定[11]。

采用Excel2010、SPSS19.0以及Sigmplot12.0軟件對實驗數據進行處理，進行統計檢驗和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 沉積物粒度分布特征

從表1的粒度分布可以看出，不同采樣點表現出不同的粒度分布特征。A點中位粒徑為30.02μm，顯著高于B點和C點中位粒徑15.59μm和15.78μm，且黏土粒級含量明顯較低，粉砂粒級含量也低于B、C兩點，而細砂粒級和粗砂粒級的含量占27.87%，顯著高于其他兩點。C點組成以粉砂粒級和黏土粒級為主，粒徑主要集中在63μm以下，占比達90.76%，與李青芹[12]等對我國其他湖泊的研究結果一致。

于試驗鵝14、42、70日齡清晨8:00，以重復為單位，空腹稱重。從每個重復中隨機選取2只接近平均體重的試驗鵝，稱重、記錄。

表1 湖濱帶沉積物粒度特征

*d（0.9）表示粒徑在該數值以下的組分占90%。

A為湖濱帶最高水位點土壤，B為泥水界面沉積物，C為覆水沉積物。

2.2 磷的吸附/解吸特征

采樣點A、B、C磷的吸附量與溶液初始濃度C0的線性回歸結果見圖2，C0與磷的吸附量呈很好的線性關系（R2＞0.96）。在初始磷濃度較低時，沉積物表現出解吸磷，隨著溶液磷濃度的增加，沉積物逐漸吸附上覆水體中的DIP。

圖3 實驗后水體磷濃度

采樣點A、B、C的磷的吸附等溫方程見表2，等溫方程中斜率較高的對磷的吸附能力較強。沉積物對磷的吸附能力強弱表現為C＞B＞A，A點吸附性能弱于B和C點。

表2 A（湖濱帶最高水位點土壤）、B（泥水界面沉積物）、C（覆水沉積物）

*y為平均吸附量，g/kg；x為初始溶液濃度，mg/L。

一般來講，吸附顆粒中粘粒級顆粒含量越高，比表面積越大，則表面能越強，對磷的吸附量就越大[13]。結合沉積物粒度分析結果，A、B、C三點中A點的粘粒級顆粒含量最低，其結果與吸附解吸實驗相一致。

2.3 再淹水對上覆水磷濃度的影響

如圖3所示，淹水15天后采樣點A、B、C的上覆水DTP含量無顯著差別，分別為0.013、0.011和0.013mg/L。A點水體IP和OP含量占DTP比例相等，而C點水體以IP為主，占DTP比例達87.2%，OP僅占12.8%。A、B、C三點水體中IP濃度依次升高，OP濃度則依次遞減。Qiu和McComb[14]的研究結果顯示干燥沉積物/土壤再潤濕，會導致生物可利用性磷含量增加，有利于增加微生物的數量和活性。淹水后A點OP含量較高，可能是因為微生物活動較強，繁殖過程中利用環境中較多的磷素合成自身有機物。

2.4 淹水前后沉積物磷變化

圖4 A、B、C各形態磷釋放量

表3為沉積物各形態磷初始含量，實驗前A、B、C三點TP含量無明顯差異。沉積物中磷素以Ca-P為主要賦存形態，其次為OP、Fe/Al-P，平均占比分別為62.5%、22.5%和15.0%。A點Ca-P含量略高于B、C兩點，Fe/Al-P和OP含量稍低。OP含量稍低可能是由于在水位較低時，湖濱土壤長時間暴露于空氣中，在風干過程中土壤的有機磷分解[15]。

表3 A（湖濱帶最高水位點土壤）、B（泥水界面沉積物）、C（覆水沉積物）

圖4所示為實驗前后A、B、C三點各形態磷含量差值，實驗后三點TP含量出現不同程度的降低，降幅為A＞B＞C。TP含量的減少是各形態磷綜合作用的結果，其中OP和Ca-P含量有所下降，Fe/Al-P含量有所升高，各磷形態含量實驗前后差值大小總體為Ca-P＞OP＞Fe/Al-P，Ca-P含量的減少是導致TP含量下降的主要原因。Ca-P包含Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P，馬利民等[16]研究干濕交替對三峽庫區土壤磷釋放的影響，發現Ca2-P在水土界面的釋放活性最大，馬利民的研究支持本實驗結果。

采樣點A、B、C的OP含量在試驗后均出現較小幅度的下降，其中A點降幅極小，而水體中OP含量較高，相應的IP含量降幅顯著高于B、C兩點。這一結果再次印證了A點的生物可利用性磷含量較高，再淹水后微生物活性增強，相比于B、C兩點，A點微生物會利用IP合成更多的OP。

3 結論

3.1湖濱帶高位沉積物與淹水沉積物相比黏土級顆粒含量較低，中位粒徑較大，湖濱帶高位沉積物對磷的吸附能力弱于淹水沉積物。

3.2淹水后沉積物TP降幅A＞B＞C，沉積物釋磷以Ca-P形態為主，Ca-P釋放量A＞B＞C。

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