鄱陽湖不同高程沉積物中磷形態特征研究

劉 凱，倪兆奎，王圣瑞*，倪才英（1.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；2.中國環境科學研究院，湖泊生態創新基地，國家環境保護湖泊污染控制實驗室，北京 100012；.江西師范大學地理與環境學院，鄱陽湖流域與濕地教育部重點實驗室，江西 南昌 0022）

鄱陽湖不同高程沉積物中磷形態特征研究

劉 凱1，2，3，倪兆奎1，2，王圣瑞1，2*，倪才英3（1.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；2.中國環境科學研究院，湖泊生態創新基地，國家環境保護湖泊污染控制實驗室，北京 100012；3.江西師范大學地理與環境學院，鄱陽湖流域與濕地教育部重點實驗室，江西 南昌 330022）

選取了枯水期鄱陽湖10～13m高程共14個出露表層沉積物樣品，通過研究其總磷（TP）及各形態磷含量與分布特征，試圖揭示江湖關系變化導致的水位下降對鄱陽湖沉積物磷潛在釋放風險的影響.結果表明，鄱陽湖表層沉積物總磷（TP）含量在214.5～736.0mg/kg之間， 平均含量為（428.6±154.3）mg/kg.空間分布呈“五河”入湖尾閭區（444.5mg/kg）≈湖心區（445.4mg/kg）＞北部湖區（387.7mg/kg）.各形態磷在空間上的差異相對較小，不同形態磷含量次序為活性磷（254.6±114.3mg/kg）＞有機磷（105.0±49.2mg/kg）＞非活性磷（69.1±26.3mg/kg）.江湖關系變化引起鄱陽湖枯水期沉積物出露時間提前并且延長，進而導致不同高程沉積物總磷及其各形態磷含量差異明顯，其含量變化趨勢為12～13m＞11～12m＞10～11m，即高程越高，沉積物總磷及其各形態磷含量越高.其中活性磷增幅最大，OP次之，非活性磷最小.而空間增幅表現出“五河”入湖尾閭區最為顯著，湖心區次之，而北部湖區最小.

沉積物；磷形態；分布特征；江湖關系；鄱陽湖

磷是水生生物組成和生長的必需營養元素，也是造成湖泊富營養化的關鍵元素［1-3］.沉積物磷是湖泊水體磷的重要來源，在一定的條件下，表層沉積物磷發生的形態轉化和再遷移［4-5］，尤其是磷“活性”部分的轉化和釋放，將會對湖泊水質產生重要影響［6-8］.水文狀況是影響沉積物磷含量、形態和組成的重要因素，其變化會引起水體溶解氧、溫度、pH值、水體擾動強度、表層沉積物物理、化學和生物作用等的改變，致使表層沉積物磷向上覆水的釋放風險增大，進而對湖泊水質產生威脅［9-10］.因此，研究不同水文狀況下表層沉積物磷含量及形態變化，對于認識水文狀況變化下湖泊表層沉積物磷的釋放風險具有重要指導意義.

鄱陽湖位于江西省北部，長江中下游南岸，是中國第一大淡水湖，贛江、撫河、信江、饒河和修河等“五河”是鄱陽湖的主要入湖河流，河水經鄱陽湖調蓄后在湖口匯入長江，作為一個周期性吞吐型的淺水湖泊，鄱陽湖與長江之間的關系密切［11］.每年汛期， “五河”洪水入湖而上漲、漫灘，湖面擴大，湖水流入長江；冬春季節，湖水落槽，灘地顯露，水面縮小，長江倒灌入湖.年內洪、枯水期間的湖泊形態指標差異懸殊，呈現“洪水一片、枯水一線”的景觀［12-13］.近年來，由于上游水利水電工程的興建及氣候變化等原因，鄱陽湖與長江之間的江湖關系發生了較大變化，即豐水期水位持續偏低，枯水期時間提前且出現頻率增加，致使表層沉積物出露時間提前并延長，表層沉積物氮磷等營養鹽的釋放風險增大［10］.因此，本文通過研究鄱陽湖枯水期不同高程出露沉積物總磷及其磷形態含量和分布特征，討論江湖關系變化導致的水位下降對鄱陽湖沉積物磷潛在釋放風險的影響，以期為保護鄱陽湖“一湖清水”提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

鄱陽湖以松門山為界，北部狹長，南部寬廣，來水量及外源污染輸入主要受“五河”、長江來水影響，據此將鄱陽湖分為北部湖區、湖心區及“五河”入湖尾閭區.為研究江湖關系變化對鄱陽湖表層沉積物總磷及其磷形態含量和分布的影響，結合鄱陽湖2001～2010年最低水位為9.02m，平均水位為13.12m的實際情況［14］.于2012年11月鄱陽湖枯水位期間，利用麥哲倫315型GPS導航定位及高程地圖，選取北部湖區、湖心區及“五河”入湖尾閭區共14個出露點位，采集0～5cm表層沉積物樣品，各采樣點高程見表1，采樣點位如圖1所示.

圖1 鄱陽湖采樣點位置Fig.1 Distribution of sampling sites in Poyang Lake

1.2 實驗方法

采集的樣品置于恒溫箱內，迅速運回實驗室冷藏，經冷凍干燥后碾碎研磨，充分混勻后過100目篩，樣品分為3份，分別檢測磷形態，重金屬和有機質含量.

磷形態的測定按照朱廣偉等改進的七步連續提取法［15-17］，該方法將沉積物磷分為交換態磷（Ex-P）、鋁磷（Al-P）、鐵磷（Fe-P）、閉蓄態磷（Oc-P）、自生鈣磷（ACa-P）、碎屑鈣磷（De-P）和有機磷（OP）.

金屬元素測定采用硝酸微波消解作為前處理，根據本研究的需要，主要測試鐵（Fe）、錳（Mn）、鈣（Ca）、鋁（Al）等4個元素.樣品采用美國Agilent公司生產的電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定其含量.

有機質采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法［18］測定.

表1 鄱陽湖表層沉積物采樣點所處區域及高程Table 1 Location and elevations of Poyang Lake sampling sites

2 結果與討論

2.1 鄱陽湖表層沉積物總磷及磷形態空間分布特征

鄱陽湖表層沉積物總磷（TP）范圍為214.5～736.0mg/kg，平均含量為（428.6±154.3）mg/kg.其中，湖心區和“五河”入湖尾閭區平均含量較為接近，分別為445.4和444.5mg/kg，北部湖區平均含量較低，為387.7mg/kg（圖2），反映了鄱陽湖表層沉積物磷在南部污染較重，而北部污染較輕.

湖泊表層沉積物各形態磷中Ex-P、Al-P和Fe-P是相對較易釋放而為生物所利用的磷形態，被稱為“活性磷”［15］.鄱陽湖全湖表層沉積物活性磷含量范圍為122.8～437.0mg/kg，平均含量為（254.6±114.3）mg/kg，占TP含量的59.4%，為鄱陽湖沉積物磷的組成部分. 其中，“五河”入湖尾閭區和湖心區平均含量相對較高，分別為281.5mg/kg和271.3mg/kg，北部湖區平均含量較低，為200.0mg/kg.

OP經磷酸酶水解、細菌降解或光解等作用后轉化成生物活性磷，通過間隙水向上覆水體遷移釋放出來，是潛在釋放風險磷［19］. 表層沉積物OP的含量范圍為37.2～210.1mg/kg，平均含量為（105.0±49.2）mg/kg，占TP含量的24.4%.北部湖區平均含量為94.4mg/kg ，湖心區平均含量為116.5mg/kg， “五河”入湖尾閭區平均含量為102.0mg/kg.

Oc-P、ACa-P和De-P較難釋放，難以被生物利用，稱為“非活性磷”.鄱陽湖表層沉積物非活性磷的含量范圍為19.5～116.5mg/kg，平均含量為（69.1±26.3）mg/kg，占TP含量的16.1%.北部湖區平均含量為93.3mg/kg ，湖心區平均含量為57.6mg/kg，“五河”入湖尾閭區平均含量為61.1mg/kg.

圖2 鄱陽湖沉積物中總磷及各形態磷的空間分布Fig.2 Distribution of total phosphorus and various forms of phosphorus in sediments of Poyang Lake

2.2 江湖關系變化引起的水位下降對鄱陽湖表層沉積物磷含量及組成的影響

近年來鄱陽湖與長江之間的關系發生了較大的變化，江湖關系的變化導致了鄱陽湖水位的下降，自2003年以來，鄱陽湖星子站9月份以后的水位較以前有較大幅度的降低，11月初平均水位相比降低了3.06m［20］.鄱陽湖水位的下降，使表層沉積物出露時間提前并延長.鄱陽湖北部湖區、湖心區及“五河”入湖尾閭區表層沉積物TP、活性磷、非活性磷及OP含量總體上表現為12～13m＞11～12m＞10～11m（圖3），即隨著高程的增加，表層沉積物各形態磷含量呈增加趨勢.這表明水位降低將會導致沉積物磷含量的增大.潘成榮等［8］對瓦埠湖沉積物磷釋放的研究發現，風干樣品的磷釋放能力和釋放量遠低于濕樣，湖泊濕地的“露灘”與“曬灘”促使沉積物中磷的賦存形態變化和活性生物數量減少，降低沉積物磷的釋放強度，有利于表層沉積物磷的累積.

圖3 不同湖區和高程沉積物總磷及各形態磷含量Fig.3 Contents of total phosphorus and various forms of phosphorus in different areas and elevations

水位下降引起了沉積物表層環境和理化性質發生的改變是導致磷含量增加的重要因素.沉積物從濕變干，表層沉積物含水率下降，DO含量升高，沉積物由缺氧環境轉變為富氧環境， 促使沉積物Fe2+向Fe3+轉化，Fe3+與磷酸根結合形成較穩定的磷酸鹽而難以釋放，導致蓄積的Fe-P和Al-P含量隨之增大［21-26］.同時，水位下降使鄱陽表層沉積物出露形成洲灘，大量植物如苔草、蘆、荻等植物生長速率增快［27］，植物生長過程中根部對營養鹽的吸收，促進了磷在表層沉積物的累積，導致植物對沉積物磷酸鹽吸收量增加，當植物衰敗后，體內的磷以有機結合態進入表層沉積物，導致表層沉積物有機磷含量增加.另外，水位下降使沉積物含水率降低，沉積物由濕變干引起內部收縮，沉積物孔隙度增加、顆粒間的內阻力變小，加上蒸發作用增強，促使沉積物中更多的可溶性磷向表層遷移，從而增加表層沉積物磷的含量.

江湖關系變化引起的水位下降，不僅促使鄱陽湖表層沉積物磷含量的增加，而且使沉積物磷形態發生改變.其中，沉積物中Fe-P和OP受水位下降影響最為明顯.水位下降引起沉積物DO、pH值、溫度、金屬和有機質等因子發生變化，繼而影響沉積物各形態磷的吸附、釋放及轉化. 沉積物膠體表面的正電荷金屬陽離子易與水體中各種磷酸根形成鍵合［28］，其中Fe、Al氧化物及其氫氧化物與磷的吸附、釋放關系密切［29］.水位下降致使沉積物DO含量增高，進而引起Eh增高，促使沉積物金屬與磷結合而形成Fe/Al-P. OM也是沉積物OP含量空間差異的重要控制因素［30］， 鄱陽湖表層沉積物中OP與OM（r=0.623，P＜0.05）呈顯著正相關，則是因為沉積物OM在降解過程中，OP將優先釋放［31］.沉積物TP與Fe-P（r=0.930，P＜0.01， n =14）和OP（r=0.812，P＜0.01， n =14）呈極顯著正相關，表明鄱陽湖TP含量增長主要是由于Fe-P和OP的增長.

2.3 江湖關系變化引起的水位下降對沉積物磷釋放風險的影響

鄱陽湖表層出露沉積物TP、活性磷、非活性磷和OP含量隨著高程的增高而增大（圖4）， 高程從10～11m上升到12～13m，鄱陽湖表層沉積物總磷含量增長了115%，其中活性磷含量增幅最大，增長了135.7%；OP次之，為128.6%；非活性磷增幅最小，增加了71.5%.高程越高的沉積物含水率越低，表層富集的磷含量越高，水位的降低會加劇表層沉積物磷的富集.鄱陽湖江湖關系的變化引起了枯水期水位的不斷下降，表層沉積物出露面積增大時間延長，磷含量增多，釋放風險增大.

圖4 不同高程表層沉積物總磷及各形態磷的含量分布Fig.4 Contents distribution of total phosphorus and various forms of phosphorus in different elevations

活性磷是沉積物較易釋放并被生物吸收利用的有效態磷［15］，是鄱陽湖表層沉積物TP的主要組成，占TP含量的50.9%～65.8%.高程從10～11m上升到12～13m，北部湖區、湖心區和“五河”入湖尾閭區沉積物活性磷分別增長了93.6%、 130.8%和176.1%，說明隨著水位的降低，沉積物磷的直接釋放風險將呈增大趨勢.

非活性磷和OP不易直接被生物利用，但具有潛在釋放風險［32］，高程從10～11m上升到12～13m，鄱陽湖北部湖區、湖心區和“五河”入湖尾閭區表層沉積物非活性磷含量分別增加了16.7%、57.2%和122.7%，OP含量則分別增長了53.5%、126.6%和211.3%.說明隨著水位的降低，沉積物磷的潛在釋放風險也將呈現增大趨勢.

水位的下降使鄱陽湖表層沉積物中TP和各形態磷含量增加，如果江湖關系進一步變化，枯水期水位繼續下降，勢必引起沉積物出露面積的增大及出露時間的延長，最終可能導致來年豐水期沉積物磷的直接和間接釋放風險增大，進而導致水質下降.

3 結論

3.1 鄱陽湖表層沉積物TP含量在214.5～736.0mg/kg之間，平均含量為（428.6±154.3）mg/ kg.空間分布呈“五河”入湖尾閭區（444.5mg/kg）≈湖心區（445.4mg/kg）＞北部湖區（387.7mg/kg）.各形態磷含量差異較明顯，其中活性磷平均含量最高，為（254.6±114.3）mg/kg，有機磷次之，為（105.0± 49.2）mg/kg，非活性磷最小，為（69.1±26.3）mg/kg.

3.2 受江湖關系變化影響，鄱陽湖北部湖區、湖心區及“五河”入湖尾閭區表層沉積物TP及各形態磷含量隨高程變化的趨勢為12～13m＞11～12m＞10～11m，即高程越高，沉積物總磷及其各形態磷含量越高，其中活性磷增幅最大，OP次之，非活性磷最小，而空間增幅表現為：“五河”入湖尾閭區最為顯著，湖心區次之，北部湖區最小.

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Distribution characteristics of phosphorus in sediments at different altitudes of Poyang Lake.

LIU Kai1，2，3， NI Zhao-kui1，2， WANG Sheng-rui1，2*， NI Cai-ying3（1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China；2.State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control， Research Center of Lake Environment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China；3.College of Geography and Environment， Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research， Ministry of Education， Jiangxi Normal University， Nanchang 330022， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：856～861

The total phosphorous （TP） and various forms of phosphorus contents characteristics of Poyang Lake surface exposed sediments were studied， in order to reveal the influence of the water level descended resulted from the relationship between Yangtze River and the Poyang Lake changed on the potential phosphorus-release risk of Poyang Lake sediments. Results showed that： The TP contents of Poyang Lake surface sediments varied from 214.5 to 736.0mg/kg， and the average content of TP was （428.6±154.3）mg/kg， The TP contents in the estuary of “five rivers” and central area of Poyang Lake were closed， were 444.5mg/kg and 445.4mg/kg， the content in the north area was 387.7mg/kg which far less than the estuary of “five rivers” and central area of Poyang Lake. The spatial distribution of various forms of phosphorus of Poyang Lake surface sediments was relatively uniform， the average content of reactive phosphorous from Poyang Lake surface sediments was （254.6±114.3）mg/kg， non-reactive phosphorus was （69.1±26.3）mg/kg， and organic phosphorus was （105.0±49.2）mg/kg， their contents relationship was the reactive phosphorous ＞ organic phosphorus ＞ non-reactive phosphorus. The relationship between Yangtze River and the Poyang Lake changed， resulting in the low water level advanced and the outcropped time prolonged， then caused the TP and various forms of phosphorus contents increased with the elevation rise from 10～11m to 12～13m， and the growth rate of the reactive phosphorous was faster than organic phosphorus and non-reactive phosphorus. The growth in the estuary of “five rivers” was the mostsignificant， the central area comes second， and the north area was the least.

sediment；phosphorus forms；distribution characteristics；river-lake relation；Poyang Lake

X524

A

1000-6923（2015）03-0856-06

劉 凱（1988-），男，江西高安人，江西師范大學地理與環境學院碩士研究生，研究方向為湖泊生態修復.

2014-07-03

國家“973”項目（2012CB417004）；國家自然科學基金（41173118，41061037）；鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室（江西師范大學）主任開放基金資助項目（ZK2013007）

* 責任作者， 研究員， wangsr@craes.org.cn