衡水湖沉積物磷形態特征分析

摘要在淡水湖泊系統中，磷是造成地表水體富營養化的主要限制性因子。因此，研究沉積物中磷含量及其形態分布對于了解天然水域富營養化進程具有重要意義。對衡水湖6個采樣點的表層沉積物及柱狀沉積物中的磷含量及其形態分布進行了研究。結果表明：表層沉積物中總磷（TP）平均含量為393.67～838.10 mg/kg；無機磷（IP）是表層沉積物中磷的主要形態，約占總磷的94%以上，有機磷（OP）只占很小的比例；閉蓄態磷（Oc-P）是無機磷的主要組成部分，約占無機磷（IP）含量的30%～65%；柱狀沉積物中總磷含量變化復雜；人類活動對水體及沉積物中磷含量及其形態分布有重要的影響。

關鍵詞沉積物；磷；衡水湖

中圖分類號S181.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-215-03

作者簡介劉芳（1989- ），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：環境污染與控制。*通訊作者，教授，碩士，從事環境污染與控制研究。

收稿日期2014-12-25

磷是湖泊生態系統中影響初級生產力的主要因素之一，是水體藻類異常增殖并造成水體富營養化的重要控制因子[1]。由于湖泊生態系統各種物化及生物因子的影響，湖泊沉積物既可以作為庫吸收水體中的可溶性磷，也可能會作為源向水體中釋放可溶性磷[2-3]。當外源性營養鹽輸入受到控制后，這種由沉積物的內源磷釋放而導致的水體污染顯得更為重要[4]。尤其是淺水湖泊，由于較高的沉積物表面與水體體積比，使得內源沉積物釋放對水體磷濃度的潛在影響要遠遠大于深水水體[5]。

衡水湖位于京津冀都市圈南緣、華北平原東南部，是華北單體最大的淡水湖泊，湖泊面積為75 km2，平均水深3～4 m，蓄水量近2億m3。作為國家級自然保護區、國家水利風景區，具有涵養水源、凈化空氣、降解污染、維護生物多樣性等重要生態服務功能，對于調節京津冀氣候及生態質量具有直接影響，是極具稀缺性和典型性的國家重要濕地。衡水湖屬于藍藻型溫帶性平地湖，水深較淺，水體交換不暢，是典型的易富營養化型湖泊。

磷在湖泊水-沉積物界面上的吸附-解吸作用是影響其在上覆水中濃度、 遷移、 轉化和生物可利用性的重要過程[6]。因此，研究沉積物磷的形態特征，從而有效控制內源磷的釋放，是湖泊富營養化治理的關鍵技術之一。

1材料與方法

1.1采樣點的設置

采樣點重點布設于衡水湖自然保護區的污染排放區、近湖岸水域及湖區中心，以湖區水體污染特征調查為基礎，合理確定相應采樣點。6個采樣點為：大湖心、小湖心、大趙閘、王口閘、順民莊、挖泥點。

1.2樣品的采集及前處理

表層沉積物樣品的采集與制備：采用蚌式采樣器采集表層0～5 cm樣品，密封避光帶回實驗室，放陰涼處室溫下自然風干。研磨，過100目篩，裝入自封袋保存備用。測定前在100～105 ℃下將樣品烘干至恒重，以供分析。

柱狀沉積物樣品的采集與制備：采用有機玻璃柱狀采泥器采集厚度約為20 cm的沉積物，在采樣時盡量保證沉積物表面和界面水不受擾動，沉積物層次不受破壞。現場將采集的柱狀樣品分層，0～10 cm每2 cm一層，10～20 cm每5 cm一層進行切割。沉積物樣品用聚乙烯袋分裝密封，其他同表層沉積物，帶回實驗室干燥保存并進行分析。

1.3測定方法

磷形態分析方法：對衡水湖不同采樣點的沉積物中磷形態的變化進行了研究。湖泊沉積物中成分復雜，完全區分底質中磷的存在形式較為困難，目前大多采用化學連續提取法。化學連續提取法的基本原理是采用不同類型的選擇性提取劑連續地對沉積物樣品進行提取，根據各級提取劑提出的磷的量間接反映出沉積物磷的釋放潛力，化學連續提取法方法很多，該研究采用經李悅等改進的Ruttenberg 1992年提出的6步提取法。各步驟提取液均采用國家標準方法“鉬銻抗比色法”測定磷含量。總磷含量采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測定。

2結果與分析

2.1表層沉積物磷形態分析

采用化學連續提取法測定樣品磷形態，各采樣點磷形態測定結果見表1。

6個采樣點表層沉積物中Ex-P分別占TP的10.29%～18.20%，絕對含量為23.01～39.23 mg/kg。Fe-P分別占TP的4.92%～15.21%，絕對含量為10.61～34.03 mg/kg。采樣點除王口閘外，Oc-P占TP的百分含量比較接近，約為41.11%～58.47%，絕對含量為93.88～128.73 mg/kg。采樣點除大湖心外，Ca-P占TP的百分含量比較接近，約為21.05%～43.57%，絕對含量為49.47～95.60 mg/kg。OP分別占TP的1.02%～5.98%，絕對含量為2.19～13.75 mg/kg。

根據以上的測定計算結果，得到的各采樣點各形態磷組成如圖1所示。

易交換態磷或弱吸附態磷（Ex-P）主要指的是被沉積物中活性的Fe/Mn氧化物，氫氧化物以及黏土礦物等顆粒表面吸附或共沉淀的磷。Ex-P易進入水體，從而被生物吸附、利用，是最容易被生物利用的部分，但含量通常不高。其含量大小受到溫度、pH、生物干擾及水動力條件等因素的影響。各采樣點表層樣品測定數據表明，衡水湖表層沉積物中Ex-P含量相對較低，其對衡水湖水質影響程度不大。

鐵/鋁結合態磷（Fe/Al-P）是潛在的活性磷，與水體富營養化程度具有極其密切的關系，主要是指通過物理和化學作用吸附在鐵鋁氧化物和氫氧化物膠體表面上的磷，是沉積物中主要的活性磷組分。Fe/Al-P的含量受沉積物中氧化還原條件變化的影響。在富氧環境下，鐵易以Fe3+存在，Fe3+容易與P結合，以磷酸鹽的形式形成沉淀；在厭氧或缺氧環境中，難溶性的Fe（OH）3變成可溶性的Fe（OH）2，使Fe結合磷大量進入水體[7]。Fe/Al-P在6個采樣點表層沉積物中的測定結果表明，在水質污染最為嚴重的小湖心（2#）區域沉積物中Fe/Al-P含量也高，這與很多相關的研究結果相符。

閉蓄態磷（Oc-P）能夠長時間存在，從而不可被生物所利用。主要是指一層Fe2O3膠膜所包裹的磷鹽，這種磷鹽包括一部分Al-P和Ca-P，被沉積物吸附后，被一層Fe2O3包裹在顆粒表面上。各采樣點表層沉積物中磷形態測定結果表明，Oc-P是衡水湖水域表層沉積物中磷的主要存在形態，雖然各采樣點表層沉積物中Oc-P的含量很高，但是由于其生物不可利用性，對湖泊的富營養化影響較小。

鈣結合態磷（Ca-P）主要指與自生磷灰石，湖泊沉積碳酸鈣以及生物骨骼等的含磷礦物有關的沉積磷存在形態[8]。主要以鈣的磷酸鹽形式存在。Ca-P是一種難溶性的物質，同閉蓄態磷一樣很難被生物利用。當水體中CO2的量足夠大時，會增加Ca-P的溶解性，但其對上覆水和間隙水的磷含量影響很小。各采樣點表層沉積物磷形態分析結果表明，Ca-P是僅次于Oc-P的表層沉積物中磷的存在形態，但因其生物不可利用性，因此，對研究水域水體富營養化影響較小。

有機磷（OP）包括糖類磷酸鹽、核苷酸、腐殖質和富里酸部分、磷酸酯、膦酸鹽。OP需經過高溫灰化將有機磷轉化為無機磷來進行提取。有機磷是部分具有活性的磷形態，在瑞典Erken湖沉積物形態研究中發現約有50%的OP可以經過降解成為生物可利用性磷[9]。試驗結果表明，衡水湖各采樣區域有機磷所占比例很小，其中污染嚴重的小湖心區域，有機磷含量最高。

2.2柱狀沉積物磷營養鹽測定結果及分析

各采樣點不同深度柱狀沉積物中總磷含量測定結果如圖2所示。

由圖2可知，各采樣點柱狀沉積物中TP含量隨著深度的增加變化復雜，呈現出不同的變化規律，且不同采樣點TP含量的最高值出現在不同深度。各采樣點柱狀沉積物中TP含量在0～8 cm的部分基本呈現出隨深度的增加而增大的趨勢。大趙閘柱狀沉積物中TP含量在8 cm以下隨著深度的增加而增大；挖泥點柱狀沉積物中TP的含量隨著深度的增加呈現出遞增的趨勢。

對衡水湖柱狀沉積物監測結果發現，沉積物柱狀樣的pH在7.12～9.31之間，呈現中性至弱堿性；氧化還原電位較低，從總體來講處于還原環境；有機質含量為1.94%±1.39%，與國內其他湖泊相比處于中等水平，有機質含量隨深度增加會逐漸降低。

43卷5期劉 芳等衡水湖沉積物磷形態特征分析

3結論

通過對衡水湖濕地沉積物的監測，分析了衡水湖沉積物環境現狀，6個監測點測定結果表明：①衡水湖表層沉積物處于中性-弱堿性弱還原環境，磷主要以閉蓄態、鈣結合態存在，活性較低。與國內其他湖泊相比，磷負荷處于較低水平。② 對柱狀沉積物監測結果表明，多年來pH、氧化還原電位基本保持穩定；各監測點位磷營養鹽有一定波動，但變化規律不同，總體上看，近年來未出現營養鹽加重或好轉趨勢。

總體來看，與國內其他湖泊相比，衡水湖沉積物磷污染水平較低，說明歷史上衡水湖污染不嚴重，但小湖心磷負荷相對明顯最高，對其污染應加以特殊關注。

衡水湖屬于內陸湖泊，尤其是通過涵閘人為控制，很難與外界的水系進行循環，一旦污染，治理的代價將非常昂貴。為確保衡水湖濕地保持良好的水環境，充分發揮濕地功能，應以控源為主，積極采取生態防治和綜合防治措施。

參考文獻

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責任編輯張彩麗責任校對李巖