鄱陽湖沉積物中磷的賦存形態(tài)及分布特征

1、J.Lake Sci.(湖泊科學(xué),2010,22(5:649-6542010by J ournal of Lake Sciences鄱陽湖沉積物中磷的賦存形態(tài)及分布特征*向速林1,2,周文斌1(1:南昌大學(xué)教育部鄱陽湖湖泊生態(tài)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌330047(2:華東交通大學(xué)環(huán)境工程系,南昌330013摘 要:利用分級提取法對鄱陽湖沉積物進(jìn)行了磷形態(tài)的分級提取和測定,系統(tǒng)研究了沉積物中磷的賦存形態(tài)及分布特征.結(jié)果表明,鄱陽湖表層沉積物中磷的賦存形態(tài)主要包括鐵磷(Fe-P、鈣磷(C a-P、鋁磷(A-l P、可溶性磷(DP等無機(jī)磷(IP及有機(jī)磷(OP,各形態(tài)磷的空間分布基本具有從河口地

2、區(qū)監(jiān)測點(diǎn)向湖區(qū)監(jiān)測點(diǎn)方向升高的趨勢,垂向分布上總磷及各形態(tài)磷含量隨深度增加而降低.表層沉積物(0-2c m中總磷含量為578.36-813.55m g/kg,主要由無機(jī)磷組成,無機(jī)磷中以Fe-P含量最高,最大值達(dá)350.24mg/kg,占總磷的40%以上,Ca-P、A-l P含量相當(dāng),約占總磷含量的20%左右,而以DP的含量最低,含量在5%以下.有機(jī)磷含量約占總磷含量的15%左右.另外,沉積物中TP含量與Fe-P、A-l P、C a-P及OP 均具有較好的相關(guān)性,且OP含量與Fe-P、A-l P也具有較好的正相關(guān)關(guān)系,而與C a-P的相關(guān)性較弱.關(guān)鍵詞:沉積物;磷;賦存形態(tài);分布特征;鄱陽湖P

3、hosphorus existi n g for m s and distributi o n characteristic in Lake Poyang sedi m entsX IANG Sulin1,2&ZHOU W enbin1湖泊作為流域物質(zhì)輸移的歸宿地,接納了大量來自工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活所排放的磷營養(yǎng)鹽等物質(zhì),使湖泊營養(yǎng)負(fù)荷不斷加重,湖泊富營養(yǎng)化問題日益突出,但進(jìn)入湖泊的營養(yǎng)鹽磷經(jīng)過各種作用最終有大部分以顆粒態(tài)儲存于湖泊沉積物1-4.湖泊沉積物中的磷,對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力和營養(yǎng)狀況有重要的影響,尤其在外源污染得到控制時,沉積物作為內(nèi)源將成為上覆水體營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源,但沉積物中能

4、參與界面交換及生物可利用的磷含量取決于沉積物中磷的形態(tài),其地球化學(xué)形態(tài)是判別沉積物中磷的遷移能力、生態(tài)效應(yīng)的重要參數(shù)5-7.研究顯示,沉積物在一定程度上能夠充當(dāng)營養(yǎng)源的作用,被吸附在沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)能通過解吸、溶解等作用返回上覆水體,形成湖泊營養(yǎng)鹽的內(nèi)負(fù)荷,進(jìn)而對湖泊富營養(yǎng)化產(chǎn)生重要*國際科技合作項(xiàng)目(2006DFB91920和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40672159聯(lián)合資助.2009-12-08收稿;2010-03-30收修改稿.向速林,男,1978年生,博士研究生,講師;E-m ai:l sl x i ang2001163.co m.J.L ake Sci.(湖泊科學(xué),2010,22(5

5、650影響8-9.沉積物中磷的生物有效性及對上覆水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)與其賦存形態(tài)密切相關(guān)10,但沉積物總磷含量不能有效預(yù)測湖泊內(nèi)源磷負(fù)荷的大小,而可還原態(tài)和金屬氧化物結(jié)合態(tài)磷在沉積物中的溶解、遷移是沉積物釋放磷的重要機(jī)制11.沉積物中磷的分布特征已被證實(shí)與湖泊內(nèi)源負(fù)荷有直接關(guān)系,且沉積物中磷的不同賦存形態(tài)與含量對湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化所起的作用不同12,通過測定湖泊沉積物中磷的不同形態(tài)及其含量,對研究沉積物磷的行為特征和在沉積物與水界面的遷移以及湖泊富營養(yǎng)化狀況具有重要意義13.鄱陽湖位于江西省北部,長江中下游南岸,是中國的第一大淡水湖,是一個過水性、吞吐型、季節(jié)性的淺水湖泊.隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,農(nóng)藥

6、和化肥的大量施用,城鎮(zhèn)排污量和人口增加使大量的營養(yǎng)物質(zhì)不斷流入湖泊,鄱陽湖富營養(yǎng)化程度日漸增加.因此,研究鄱陽湖沉積物中磷的不同賦存形態(tài)及含量對認(rèn)識鄱陽湖富營養(yǎng)化進(jìn)程具有重要的環(huán)境意義.目前有關(guān)鄱陽湖磷的研究主要是集中在湖水中磷的含量及其時空分布特征,而關(guān)于鄱陽湖沉積物中不同形態(tài)磷的剖面分布特征研究則未見報道.本研究較為系統(tǒng)地開展了鄱陽湖沉積物中磷的賦存形態(tài)分析及剖面分布特征研究,為掌握鄱陽湖沉積物中磷的生物地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律、研究沉積物作為內(nèi)源向上覆水體釋放磷營養(yǎng)鹽及湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制提供依據(jù),同時為防治湖泊富營養(yǎng)化及合理開發(fā)利用鄱陽湖水資源提供理論依據(jù).1材料與方法1.1樣品采集鄱陽湖沉積

7、物樣品分別采集于河口區(qū)的龍口(S1、康山(S2、吳城(S5站點(diǎn),以及湖區(qū)的蛇山(S3、棠蔭(S4和都昌(S6站點(diǎn)(圖1.采集時用柱狀采樣器采集厚度約為25-30c m的沉積物柱狀樣品,其中表層沉積物樣品取每個柱狀采樣器的頂部0-2c m厚度,同時在現(xiàn)場將柱狀沉積物樣品以2c m間隔分層,裝入聚乙烯塑料袋后冷藏保存,帶回實(shí)驗(yàn)室保存在冰箱中待進(jìn)行磷的形態(tài)組成分析. 圖1鄱陽湖沉積物采樣點(diǎn)分布示意F ig.1Lo ca ti on o f samp li ng s i tes i n L ake Poyang向速林等:鄱陽湖沉積物中磷的賦存形態(tài)及分布特征6511.2實(shí)驗(yàn)方法沉積物中磷的形態(tài)分布研究起

8、始于對土壤中磷的各種形態(tài)及有效性探討,并總結(jié)了較為成熟的分步提取和分析方法14.近年來,開始將土壤磷的分析方法引入沉積物中磷的研究并加以改進(jìn).湖泊沉積物中磷的賦存形態(tài)一般分為無機(jī)磷(IP和有機(jī)磷(OP,但由于研究方法及目的不同,在沉積物無機(jī)磷形態(tài)的劃分上存在較大差異,因此沉積物中各形態(tài)磷的提取方法主要針對無機(jī)磷,眾多學(xué)者對沉積物中無機(jī)磷的提取進(jìn)行了相關(guān)研究6,14-15.本研究主要根據(jù) 湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范 (第二版15中的有關(guān)規(guī)定,將沉積物中磷的賦存形態(tài)分為鐵磷(Fe-P、鈣磷(C a-P、鋁磷(A-l P、可溶性磷(DP及有機(jī)磷(OP,進(jìn)行磷的分級提取.沉積物中磷的分級提取采用 湖泊富營養(yǎng)

9、化調(diào)查規(guī)范 中規(guī)定的分級提取方法,用鉬銻抗分光光度法測定溶液中的磷.2結(jié)果與討論2.1表層沉積物中磷的形態(tài)含量及空間分布特征沉積物中磷的形態(tài)一般分為無機(jī)和有機(jī)兩種,其中無機(jī)磷又包括Fe-P、Ca-P、A-l P、DP.由于沉積環(huán)境、人為因素、水動力條件及污染狀況等的差異,致使不同區(qū)域總磷及各形態(tài)磷含量存在差異9.鄱陽湖各采樣點(diǎn)表層沉積物(0-2c m中總磷及各形態(tài)磷的含量表明,鄱陽湖表層沉積物(0-2c m中總磷含量范圍為578.36-813.55m g/kg,平均含量為689.34m g/kg,其最大值出現(xiàn)在都昌(S6監(jiān)測點(diǎn),最小值出現(xiàn)在吳城(S5監(jiān)測點(diǎn)(圖2.TP主要由IP組成,含量在49

10、0.48-732.12m g/kg之間,其所占TP的比重范圍在81.68%-89. 99%之間,而各監(jiān)測點(diǎn)有機(jī)磷含量約占TP含量的比重范圍為10.01%-18.32%.IP中又以Fe-P含量最高,占TP含量比重范圍為42.43%-47.56%,Fe-P最大值出現(xiàn)在S6監(jiān)測點(diǎn),其值為350.24m g/kg,各監(jiān)測點(diǎn)Fe-P含量都占TP的40%以上(圖3.沉積物中Fe-P是與磷在湖泊中遷移轉(zhuǎn)化聯(lián)系最密切的一種形態(tài),其含量受沉積物的粒度特征及沉積環(huán)境的氧化還原特征的影響,在氧化條件下趨于向沉積物沉降,在還原條件下則容易釋放到上覆水體中.沉積物C a-P最大值出現(xiàn)在S6監(jiān)測點(diǎn),含量范圍為70.30-

11、150.39m g/kg,占TP含量的比重范圍為11.95%-18.49%.C a-P通常被認(rèn)為是生物難利用磷,主要來源于碎屑巖并有自生源.A-l P最大值出現(xiàn)也在S6監(jiān)測點(diǎn),含量范圍為118.98-193.38mg/kg,占TP含量的比重為19.14%-23.77%.A-l P主要受人為活動和陸源輸入的影響,其可以作為沉積環(huán)境質(zhì)量的判別標(biāo)志16.DP含量最低,各監(jiān)測點(diǎn)DP含量都在5%以下,最小值出現(xiàn)在S5監(jiān)測點(diǎn),其值為21.56m g/kg.有機(jī)磷主要來源于陸源輸入和食物鏈等生物過程,是一種優(yōu)于總磷的可指示富營養(yǎng)化程度的指標(biāo)17.相關(guān)研究顯示,安徽巢湖表層沉積物中TP的含量范圍為476-69

12、0m g/kg12,太湖不同湖區(qū)沉積物中TP的平均含量變化為606.6-1691.8mg/kg18.相比而言,鄱陽湖表層沉積物中磷的含量已屬較高水平. 圖2表層沉積物中總磷、無機(jī)磷及有機(jī)磷含量與空間分布F i g.2Concentrations and spa tia l d i str i bu ti on o f TP,IP and OP i n surface sed i m ents鄱陽湖各監(jiān)測點(diǎn)表層沉積物(0-2c m中總磷及各形態(tài)磷的空間分布特征基本相似,其含量在空間分布上具有一定的差異性,并且基本具有由河口監(jiān)測點(diǎn)(S1、S2、S5向鄱陽湖主湖區(qū)監(jiān)測點(diǎn)(S3、S4方向逐漸升高的規(guī)律

13、,表明總磷及各形態(tài)磷的含量分布受環(huán)境條件的變化較為敏感(圖2,圖3.此外,總磷與各形態(tài)磷空間分布的相似特征在一定程度上反映了各形態(tài)磷與總磷具有較好的相關(guān)性,表明鄱陽湖的沉積環(huán)境及水652J.L ake Sci.(湖泊科學(xué),2010,22(5 圖3表層沉積物中不同形態(tài)無機(jī)磷含量與空間分布F i g.3Concen trati ons and spati a l distributi on of va ri ous for m s o f i norgan i cphospho rus i n surface sed i m ents動力條件的變化對各形態(tài)磷在沉積物中的積累與分布具有一定的影響19

14、.鄱陽湖表層沉積物中磷含量表現(xiàn)出的空間分布特征,可能是由于河口地區(qū)(S1、S2和S5湖流較為強(qiáng)烈,水動力作用比較明顯,對沉積物的擾動劇烈,加劇了沉積物與水界面之間的各形態(tài)磷交換與擴(kuò)散作用,從而導(dǎo)致該地區(qū)沉積物中磷含量略低.監(jiān)測點(diǎn)S3與S4位于島嶼附近,受水流和風(fēng)力擾動作用不強(qiáng),湖泊上覆水體對沉積物的擾動相對河口地區(qū)不明顯,從而增加了上覆水體中磷的沉積量,而S6監(jiān)測點(diǎn)則位于排污口附近,上游排污中磷含量較高,導(dǎo)致該監(jiān)測點(diǎn)上覆水體中磷含量顯著增加,從而使得該點(diǎn)沉積物中磷的積累量相對最高.另外沉積物中磷的分布差異也可能和各監(jiān)測點(diǎn)沉積物的特性有關(guān),一般而言,沉積物顆粒越細(xì),其對磷的吸附能力越強(qiáng),磷的含量

15、越高.相關(guān)性分析結(jié)果顯示,鄱陽湖沉積物中TP含量與Fe-P、A-l P、Ca-P及OP含量均具有較好的正相關(guān)關(guān)系,而OP含量與Fe-P、A-l P含量亦具有較好的正相關(guān)關(guān)系,但與Ca-P的相關(guān)性較弱.一般來說,湖泊沉積物中Fe-P、A-l P、DP及OP被認(rèn)為是潛在的可釋放的磷,即生物可利用磷,是在一定條件下能夠被藻類直接或間接利用的潛在活性磷.沉積物中生物可利用磷的含量能真正反映沉積物的污染狀況及其內(nèi)源釋放能力的大小18,可通過化學(xué)和生物作用轉(zhuǎn)化為活性磷進(jìn)入上覆水體,從而影響上覆水水質(zhì).已有研究表明,沉積物中生物可利用磷的含量越大,則具有更大的潛在釋放量,與水體富營養(yǎng)化程度有密切關(guān)系20,可

16、能成為水體營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源.此外,沉積物中總磷及各形態(tài)磷的含量分布主要受到環(huán)境條件的控制,生物可利用磷中Fe-P、A-l P及OP含量都與人類活動有關(guān),其中Fe-P、A-l P主要來源于工業(yè)廢水和生活污水,而OP主要來源于農(nóng)業(yè)面源污染21-22.鄱陽湖沉積物中各采樣點(diǎn)不同形態(tài)磷含量差異較大,表明人類活動對湖泊不同區(qū)域的影響程度不同.Ca-P主要來源于碎屑巖或本地自生,受人類活動影響較小,被認(rèn)為是生物不可利用的磷,它對湖泊水體磷含量的貢獻(xiàn)也較小.2.2柱狀沉積物中總磷及各形態(tài)磷的垂向分布特征湖泊沉積物中不同化學(xué)形態(tài)磷的含量剖面分布特征可能反映了沉積化學(xué)過程不同形態(tài)磷之間的遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系23,在沉

17、積物磷的厭氧釋放過程中,存在著有機(jī)磷向無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化,Fe-P、A-l P向C a-P轉(zhuǎn)化的趨勢24.鄱陽湖各監(jiān)測點(diǎn)柱狀沉積物總磷平均含量隨深度的變化范圍為689.34-233.32mg/kg,深度方向的平均值為446.92m g/kg.另外,各監(jiān)測點(diǎn)柱狀沉積物OP、DP、A-l P、Fe-P、Ca-P的平均含量隨深度的變化范圍分別為110.99-28.43m g/kg、30.15-10.55m g/kg、147.62-70.82m g/kg,305.22-138.24m g/kg及150.39-42.65mg/ kg.柱狀沉積物中TP及各形態(tài)磷的平均含量垂向分布表明,鄱陽湖各監(jiān)測點(diǎn)柱狀沉積物中

18、TP及各形態(tài)磷的平均含量在垂向分布上隨沉積深度的增加而逐漸下降,但達(dá)到一定沉積深度以后,其平均含量的下降趨勢減緩,表層平均含量明顯高于底部平均含量,表現(xiàn)出明顯的表層富積(圖4,這種分布特征說明近年來鄱陽湖沉積物中TP及各形態(tài)磷含量有明顯增加的趨勢,可能原因是近年來鄱陽湖的污染加重,致使大量含磷物質(zhì)的輸入并轉(zhuǎn)移至沉積物,從而導(dǎo)致表層沉積物TP及各形態(tài)磷含量增加明顯.鄱陽湖柱狀沉積物各形態(tài)磷中DP在TP中含量較小,在垂向分布上變化相對比較穩(wěn)定.其他形態(tài)磷中, Fe-P在沉積物TP中所占比例最大,且其含量隨沉積深度增加表現(xiàn)出明顯減少的趨勢,其垂向分布特征與TP的分布特征類似.Ca-P與A-l P在沉

19、積物TP中所占比例相當(dāng),且低于Fe-P含量,但大于OP的含量,其在向速林等:鄱陽湖沉積物中磷的賦存形態(tài)及分布特征653垂向分布特征與TP相似.沉積物中OP含量比Fe-P、Ca-P與A-l P都低,但較DP含量高,同樣表現(xiàn)出其含量隨沉積深度增加逐漸下降的趨勢,也與TP的垂向分布特征相似. 圖4各監(jiān)測點(diǎn)柱狀沉積物中總磷及各形態(tài)磷的平均含量垂向分布F i g.4V e rti ca l d i str i bu ti on o f the average content of TP and var i ous pho spho rus for m s in sedi m en ts3結(jié)論鄱陽湖沉積物

20、中TP含量范圍為578.36-813.55mg/kg,TP主要由I P組成,其所占TP的比重范圍在81. 68%-89.99%之間,而OP含量約占TP含量的比重范圍為10.01%-18.32%.I P中又以Fe-P含量最高,Ca-P 與A-l P含量次之,而DP含量最低,各監(jiān)測點(diǎn)DP含量都在5%以下.相關(guān)分析顯示,TP含量與Fe-P、A-l P、Ca-P及OP均具有較好的相關(guān)性,且OP含量與Fe-P、A-l P含量也具有較好的正相關(guān)關(guān)系,而與Ca-P的相關(guān)性較弱.鄱陽湖各監(jiān)測點(diǎn)表層沉積物(0-2c m中TP及各形態(tài)磷的空間分布特征基本相似,其含量在空間分布上654 J. L ake Sci (

21、湖泊科學(xué) , 2010, 22( 5 . 具有一定的差異性, 并且基本具有由河口監(jiān)測點(diǎn) ( S1、 、 S2 S5向 鄱陽湖主湖區(qū)監(jiān)測 點(diǎn) ( S3、 S4方向逐 漸升高 的規(guī)律, 表明 TP及各形態(tài)磷的含量分布受環(huán)境條件 變化較為 敏感. 鄱 陽湖各監(jiān) 測點(diǎn)柱狀沉 積物中 TP 及各 形態(tài)磷的平均含量在垂向分布上隨沉積深度 的增加而逐 漸下降, 但在達(dá) 到一定沉積 深度以后, 其平 均含量 的下降趨勢減緩, 表層平均含量明顯高于底部平均含量, 表現(xiàn)出明顯的表層富積. 4 參考文獻(xiàn) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

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