退化濱海濕地沉積物中磷形態含量特征及影響因素

李學平+鄒美玲+任加云

摘要：研究黃河三角洲退化濱海濕地沉積物中磷形態含量特征及溫度、pH值、上覆水理化性質對濕地沉積物磷形態含量的影響。結果表明，退化濱海濕地沉積物中不同形態磷中鐵結合磷（Fe-P）含量最大，達971.7 mg/kg，閉蓄態磷（O-P）含量最小，為195.6 mg/kg。Fe-P、鋁結合磷（Al-P）、鈣結合磷（Ca-P）、O-P平均含量分別683.7、401.0、331.6、288.0 mg/kg。當溫度<20 ℃時，Fe-P含量隨溫度升高而增大，當溫度>20 ℃時，Fe-P含量隨溫度升高而下降；Al-P含量隨溫度升高逐漸增大；O-P含量隨溫度的升高先下降后增大。Fe-P含量隨著pH值的增大逐漸降低，pH值>9時，pH值對Fe-P含量的影響不大；Al-P、Ca-P含量均隨pH值的升高先減小后增大。另外，有機質與O-P含量存在正相關關系（r=0.895），溶氧量與Al-P含量存在正相關關系（r=0.940）。

關鍵詞：沉積物；磷；含量；退化濱海濕地；形態特征；影響因素

中圖分類號： X171.4；S156.4 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0469-03

濕地的運行由于受污染物負荷、自身內部結構等因素的影響，對磷的攔截去除效果并不穩定[1-2]，而且不同濕地類型沉積物磷形態的分布特征也不同。對南四湖微山湖區沉積物磷形態進行研究發現，閉蓄態磷（O-P，396.79 mg/kg）的含量最高，并隨著土層深度增大逐漸降低；相反，鋁結合磷（Al-P）含量僅有4.08 mg/kg，且隨著土層深度增大而增大[3]。對九龍江口濱海濕地的研究結果表明，生物可利用磷含量占總磷（TP）含量的59.46%[4]。同一濕地（如天鵝湖）不同區域沉積物中總磷和各形態磷的含量差異也較大，外源污染和沉積物顆粒組成是影響其分布的主要因子，其中無機磷含量占總磷含量的42.24%～82.04%[5]。黃河三角洲季節性泛洪濕地在60～80 cm土層，春季TP含量（959.9 g/m2）明顯低于秋季（1 124.6 g/m2），隨著土層增深，TP含量下降，但在土層40～80 cm之間有1～2個磷積累量高峰[6]。影響沉積物中磷釋放的因素包括內在和外在2類因素，內在因素包括磷的含量和組合形態、氧化還原電位、沉積物組成等；外在因素包括pH值、上覆水的性質、磷的濃度、溫度、溶氧量、生物作用、擾動等[7]。

黃河三角洲地區現有鹽堿類濕地15萬hm2，部分濕地土壤退化和鹽堿化嚴重，導致濕地蓄洪防旱和凈化水質功能大大下降。目前，對于退化濱海鹽堿化濕地磷形態特征了解甚少。因此，研究退化濱海鹽堿化濕地沉積物中磷形態含量特征，并分析外在因子對沉積物磷形態的影響，這對退化濕地的修復具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于黃河三角洲腹地的濱州沾化縣北約10 km處的重度退化濱海鹽堿蘆葦濕地（圖1），試驗地面積為1 hm2，水溶性總鹽含量0.9%～2.4%，pH值平均為7.9，該區域屬東亞溫暖帶潮濕大陸季風性氣候，年平均氣溫12.5 ℃，年平均降水量約584 mm，年蒸發量1 800～2 000 mm。目前，該試驗區挺水植物主要為蘆葦。

1.2 樣品的預處理

所研究的濕地位于濱州市，沉積物樣品均取底泥表面5～10 cm部分，裝入塑料袋后帶回實驗室，將采集的泥樣在自然條件下風干，采用四分法取樣研磨并通過100目的尼龍篩，處理后的樣品保存于封口袋中備用。

1.3 方法

1.3.1 沉積物磷形態分析方法 利用SMT法測定沉積物中的鐵結合磷（Fe-P）、Al-P、鈣結合磷（Ca-P）和O-P的含量[8]。

1.3.2 溫度控制試驗 將樣品放入恒溫培養箱中，分別設置8、15、20、25 ℃ 等4種溫度，按照前面的方法測定磷含量。

1.3.3 pH值控制試驗 使用0.1 mol/L硫酸和氫氧化鈉溶液控制pH值，分別將土樣置于pH值為3.0、5.0、7.0、9.0、11.0中模擬pH值的影響。

1.3.4 其他指標的測定方法 使用碘量法測定上覆水中的溶氧量，使用比色法測定有機質含量。

2 結果與分析

2.1 沉積物中磷形態含量特征

該濕地沉積物中總磷含量較大，采樣點3水藻較多，總磷含量最大，為2010.5 mg/kg（表1）。從平均值來看，鐵結合磷含量占總磷含量的絕大部分，約為34.1%，鈣結合磷、鋁結合磷、閉蓄態磷分別占總磷含量的16.5%、20.0%、14.4%。鐵結合磷在采樣點3達到最大值，為971.7 mg/kg；采樣點2閉蓄態磷含量最小，為195.6 mg/kg。Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P平均含量分別683.7、401.0、331.6、288.0 mg/kg，各磷形態含量從大到小依次為Fe-P>Al-P>Ca-P>O-P。

2.2 沉積物中Fe-P含量特征

Fe-P含量的變化范圍為201.2～971.7 mg/kg（表1），變化范圍較大，這與各采樣點的環境和理化性質有關。Fe-P含量的最小值出現在采樣點6，為201.2 mg/kg，因為采樣點6底泥為黃色，經常受到水流沖擊，導致磷不易積累。最大值出現在采樣點3，為971.7 mg/kg，因為采樣點3水藻較多，使得溶氧量非常小，Fe-P的吸附積累就多。采樣點2、4等2點含量相對少于采樣點1，因為采樣點1、3、5上覆水波動小，水動力作用較小，較有利于Fe-P的積累。

2.3 沉積物中Al-P含量特征

Al-P含量的變化范圍是285.4～586.4 mg/kg，起伏較大（表1）。采樣點5的Al-P含量達到最大值，為586.4 mg/kg，因為采樣點5底泥酸性較大，微生物的代謝作用產生的CO2較少，有利于其積累。采樣點2含量最小，為285.4 mg/kg，因為采樣點2底泥偏中性，不利于Al-P的積累。采樣點1、3、4、6的Al-P含量分別為401.2、478.6、349.7、304.4 mg/kg，采樣點1、3的Al-P含量比較大，因為采樣點1、3本身水藻較多，磷濃度基數比較大；其余2點理化性質較穩定，Al-P含量較穩定。

2.4 沉積物中Ca-P含量特征

沉積物中Ca-P含量相對較少，范圍是231.4～416.2 mg/kg（表1）。Ca-P含量最小值出現在采樣點6，為231.4 mg/kg，因為采樣點6底泥偏中性，不利于沉積物中Ca-P 積累；最大值出現在采樣點5，為416.2 mg/kg，因為采樣點5底泥酸性較大，其中微生物代謝產生的CO2少，有利于Ca-P的積累。采樣點3的Ca-P含量為412.1 mg/kg，比較大是因為采樣點3沉積物表層水藻多，磷濃度基數大。

2.5 沉積物中O-P含量特征

采樣點1的O-P含量達到最大值（表1），為348.5 mg/kg，因為采樣點1底泥成黑色，受污染較多，O-P含量相對較多；采樣點2的O-P含量最小，為195.6 mg/kg，因為采樣點2受風力擾動和水的攪動作用較大，不利于O-P的積累；其余各點的O-P含量相當，受多種因素影響較小。

2.6 沉積物磷形態含量的影響因素

2.6.1 溫度對磷形態含量的影響

Fe-P含量隨溫度的增大而先增大后下降，且變化趨勢較大（圖2）。當溫度為8、15、20、25 ℃時，其含量分別為568.5、689.3、925.4、635.4 mg/kg。溫度<20 ℃時，Fe-P含量隨溫度升高而增大，溫度升高有利于Fe-P在沉積物中的積累；當溫度為20 ℃ 時，Fe-P含量為925.4 mg/kg，達到最大值；溫度>20 ℃ 時，Fe-P含量隨溫度升高而下降。Al-P含量隨溫度增大逐漸增大，因為溫度引起溶氧量變化增大其積累，但變化趨勢較小，變化范圍為320.3～423.5 mg/kg。當溫度為20 ℃時，Al-P含量為423.5 mg/kg；而后溫度>20 ℃時，Al-P 含量變化趨于緩和，此時底泥中的光合細菌使得CO2增多，減緩Al-P的釋放。Ca-P含量的變化曲線趨于平穩，波動很小，說明溫度變化對兩者含量的變化影響較小。O-P含量隨溫度的增大而先下降后增大，這是因為Fe-P、Al-P與O-P之間相互轉化，Fe-P、Al-P含量增大，則O-P含量降低；Fe-P、Al-P含量下降，則O-P含量增大。

2.6.2 pH值對磷形態含量的影響

Fe-P含量隨著pH值的增大逐漸降低，最終趨于平衡（圖3），變化范圍在755.4～880.0 mg/kg之間。當pH值=3時，Fe-P含量達到最大值，為880 mg/kg；當pH值3～9時，Fe-P含量隨pH值的增大而下降，且趨勢較大，因為pH值鐵絡合膠體與非晶體磷交換作用增大，Fe-P積累較少；當pH值=9時，Fe-P含量為756.9 mg/kg；當pH值>9時，Fe-P含量隨著pH值的增大而趨于緩和，波動不大，說明pH值>9時pH值對Fe-P含量的影響不大。Al-P、Ca-P含量隨pH值的增大先下降后增大，當pH值<7時，兩者含量均下降，因為在酸性條件下，微生物代謝產生的CO2減少了Al-P和Ca-P的積累；當pH值=7時，Al-P、Ca-P含量分別為285.4、270.6 mg/kg；當pH值>7時，兩者含量又逐漸增大，因為在堿性條件下，水中的OH-與沉積物膠體中的陰離子相互競爭吸附位，增加Al-P 和Ca-P的積累。O-P含量隨pH值的增大逐漸增大，但趨勢較小，因為Fe-P、Al-P、Ca-P要轉化為O-P。

2.6.3 沉積物上覆水的理化性質對磷形態的影響

沉積物中4種磷形態和上覆水的有機質含量與溶氧量有一定的相關性（表2）。其中，有機質含量和O-P含量存在顯著正相關關系（r=0.895），因為O-P必須依靠有機質才能存在，所以有機質含量決定了O-P的含量。溶氧量與Al-P含量存在顯著正相關的關系（r=0.940），這是因為溶氧量使得OH-與鋁中的PO3-4發生交換，使得Al-P含量逐漸得到積累。

3 結論

沉積物中總磷含量較大，最大值為2 119.1 mg/kg，平均值為2 005.2 mg/kg。Fe-P含量的平均值為683.7 mg/kg，Ca-P 含量的平均值為331.6 mg/kg，Al-P含量的平均值為401.0 mg/kg，無機磷含量的平均值為426.1 mg/kg，鐵結合磷占總磷的34.1%。Fe-P含量隨pH值的增大而減少，Al-P、Ca-P含量隨pH值的增大先下降，當pH值>7后再增加，O-P含量隨著pH值的增大而逐漸增加。Fe-P含量隨溫度的增加而先增加后下降，Al-P含量隨溫度增加逐漸增加，溫度變化對Ca-P含量影響不大，O-P含量隨溫度的升高先下降后增加。上覆水的理化性質對磷形態含量有影響，有機質含量和O-P含量存在顯著的正相關關系（r=0.895），溶氧量與Al-P含量存在顯著的正相關關系（r=0.940）。

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