太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析
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中尉环境科学2010,30(1 1):1522-1528 China Environmental Science 太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析 袁和忠 ,_,沈 吉 ,刘恩峰 (1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京 210008;2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:采用SMT法于2009年11月对太湖北部湖区梅梁湾(T1)、竺山湾(T2)、太湖西部(T3)、太湖南部(T4)、太湖东部(T5)及湖心区(T6) 沉积物30cm深度上不同磷形态进行分析,结果表明,太湖不同营养水平湖区不同磷形态含量变化明显,北部竺iIJ湾及太湖西部富营养化明 显,NaOH—P含量明显高于其他湖区,占TP比例总体为T2>TI>T3>T4、T5、T6.反映太湖北部及西部受人为污染源输入影响严重.HCI—P 则表现为太湖北部及两北部含量总体低于太湖南部\东部,占TP比例总体为T4>T5>T6>T1、T3>T2.OP随深度至约l5cm迅速降低, 和太湖较强的矿化作用有关系.同NaOH P 一样,TP表现出太湖北部及西北部含量高于其他湖区的总体趋势,反映了太湖北部和西北部湖 区特别是竺山湾富营养化高于其他湖区. 关键词:沉积物;SMT法;磷形态;太湖 中图分类号:X524 文献标识码:A 文章编号:1000—6923(2010)11—1522 07 Analysis of phosphorus forms in different regions of Taihu Lake.YUAN He—zhong 一,SHEN Ji ,LIU En.feng (1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment,Nanjing Institute of Geography and Linmology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China:2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China).China Environmental Science,2010,30(11):1522~1528 Abstract:The vertical variations ofphosphorus forms in sediment samples taken from the Meiliang Bay(T1),Zhushan Bay(丁2),West Taihu Lake(T3),South Taihu Lake(T4),East Taihu Lake(T5)and Mid-lake region(T6)were analyzed applying the standard measurement and test(SMT)procedure.The results showed that phosphorus forms of diferent regions varied significantly.The concentrations of NaOH—P in Zhushan Bay and the West Taihu Lake were higher than other regions,and the proportions of NaOH-P accounting for TP decreased in the order:T2>T1>T3>T4,T5,T6.It should be related to excessive anthropogenic input via rivers in the north and northwest of Taihu Lake.Whereas the proportions of HC1一P accounting for TP decreased in the order:T4>T5>T6>T1.T3>T2.OP decreased obviously at the ca.1 5 cm depth,which might be related to the strong mineralization.Similar to NaOH—P,the concentration of TP exhibited the overall trend that the north and northwest of lake regions exceeded other regions,which reflected that eutrophication in the regions of north and northwest of Taihu Lake,especially in Zhushan Bay,was more serious than other regions. Key words:sediments;SMT procedure:phosphorus forms:Taihu Lake 污染物蓄积在湖泊沉积物中并导致湖泊富 风浪扰动 等),对沉积物中磷的各种结合形 营养化是目前湖泊生态系统面临的一个重要问 态进行研究有助于磷在沉积物一水系统中迁移转 题【1 J,其中磷被视为限制湖泊中藻类生长的主 化的认识[14~16]. 太湖位于我国长江三角洲南部,面 ̄2338.1km2, 要限制性营养因子I4 J,而内源磷的释放是决定 湖泊水体中磷含量的非常重要的因素【oJ,在外源 污染物得到控制的情况下,湖泊水体中营养盐及 收稿日期:2010-03—08 基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1一Yw一14-5); 生物量恢复到富营养化前的水平需要十年乃至 围家“973”项目(2008CB418103);gI2苏省自然科学基金资助项日 数十年的时间 J.影响沉积物磷释放的因子众多 (BK2008055) ・ (氧化还原电位【8】,温度,N含量[9j,生物作用[10 11 及 责任作者,研究员,jishen@niglas.ac.cn 11期 袁和忠等:太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析 1523 平均水深2.6m左右.西部及南部为主要来水区, 品立即置于密封聚乙烯袋中,混合均匀.并同时采 东太湖为主要出水区,太湖南部较北部水量交换 集相应点位上覆湖水,一同放入敷有冰袋的保温 周期短.西部分布着较厚的软泥,最深处达5m以 箱中低温避光保存,水样带回实验室后立即分析. 上.西部及北部湖区营养盐超标严重,出现不同程 1.2理化指标分析 度的富营养,已经对饮用水、工农业用水、渔业 太湖上覆水体指标包括总磷(TP)、总氮 用水及观光业等造成不利影响.目前对太湖沉积 (TN)、总溶解性磷(SRP),水样以0.45gm GF/C 物中磷的形态变化研究较多 卜 .但主要集中于 玻璃纤维滤膜(Whatman,UK)过滤后测SRP.沉 北部局部湖区或表层沉积物,对太湖全湖不同营 积物冷冻干燥后以玛瑙研钵研磨过100目筛后, 养水平湖区磷形态的探讨并不多见.本研究通过 采用欧洲标准测试委员会框架下发展起来的 对太湖全湖典型湖区30cm柱状沉积物中磷形态 SMT法【 连续提取磷形态,SMT法将沉积物 的测定,分析太湖各湖区沉积物中不同磷形态含 磷形态分为弱吸附态磷(NH C1一P)、碱提取态 量的变化及赋存特征,试图在更高分辨率上探讨 磷(NaOH—P)、酸提取态磷(HCl—P)、无机磷(IP)、 太湖不同营养水平条件下磷形态赋存所揭示的 有机磷(OP)及总磷(TP).有机质含量以沉积物 环境意义. 分别在105℃及450 ̄C下灼烧所得烧失量(LOI) 1 材料与方法 表示. 1。1样品采集与分析 2结果与讨论 2.1 上覆水特征及沉积物中磷形态垂向变化 本次采样点基本上覆盖了太湖的各个典型 营养水平湖区.主要营养盐指标中,太湖北部及西 部的T1、T2点位的TN浓度高于T4、T5和T6 点位TP的浓度,而TP表现出T2、T3点位的浓 度远高于其他点位,T2、T3点位的SRP浓度也明 显高于其他点位.太湖水质状况在空间上表现出 明显的异质性,表明各湖区受到不同程度的污染. 太湖水体1981年TN及TP的平均含量分别为 0.9mg/L、0.02mg/L[231,可以发现3O年来太湖重 污染湖区包括梅梁湾、竺山湾及太湖西北部TN 和TP浓度分别升高约2~5倍及2.5~5.8倍,富营 养化程度明显加重,这一结果也从Trolle等r2 的 研究中得到证实.太湖北部及西北部为太湖流域 河流的主要进水区,据Kelderman等L2 估算太湖 图1太湖采样点位置示意 1998—2000年年平均河流输入太湖TP含量约 Fig.1 Locations ofthe sampling sites in Taihu Lake 1590x10 kg,约有1590x10 kg累计沉积到湖泊 沉积物中,而通过大气沉降的TN及TP约为 2009年11月采用柱状采样器(内径=8cm)于 4722kg/a和75kg/a[26],如此高浓度营养盐进入湖 太湖北部梅梁湾(T1),竺山湾(T2),太湖西部(T3), 体并沉积到沉积物中,成为湖泊污染的内源,在后 太湖南部(T4),太湖东部(T5)及湖心区(T6)无扰 期的环境因子变化作用下释放出来,是太湖水体 动采集柱状沉积岩芯(图1),每站位采得3个平行 营养水平增加的重要原因【2 . 样,取卜部30cm现场以1cm层距分样,采得子样 图2为太湖各采样点沉积物30cm深度 1524 中国环境科学 3O卷 NH4C1一P、NaOH—P、HCI—P、OP及TP的垂向 5.6-49.2mg&g之间,从表层至7cm深度迅速升高, 分布.由图2可见,各采样点垂向的变化表现出显 然后总体降低至17cm深度的10mg&g左右.对于 著的差异性.T1、T3点位NH4C卜P、NaOH—P、 NaOH—P含量,T1和T3点位在30cm深度内基本 HCI—P、OP及TP含量从表层至30cm沉积深度 维持在200mg/kg,而T2则明显的由近表层约 并不显著,而T2点位却变化剧烈,从表层至约 800mg&g降至约1 6cm处的200mg&g左右,并向 15cm深度急剧降低,15-30cm深度基本保持不变. 下保持此浓度无大的变化.对于HC1-P含量,T1、 对于NH4C1一P含量,T1点位在3.5~67.9mg&g之 T3点位30cm深度上并不大的变化,T2点位从表 间,表现出从表层至下部16cm深度呈逐渐升高 层至15cm深度由287.9mg/kg降至168.7mg/kg. 然后降低的趋势.T2点位在l1.5-116.9mg&g之 然后至30cm变化不显著.T1、T2、T3的OP及 间变化,从表层至15cm深度呈降低一升高一降低 TP变化的大体趋势类似,即表层至1 6cm深度逐 变化,然后维持不变至30cm深度,T3则在 渐降低然后基本保持无大的变化. 表1 采样点位置及上覆水体部分理化指标 Table 1 Positions of sample sites and physi—chemical indexes in overlying water 注:n=3 NaOI I-P(mgkg) 20 80 I4() 200 f)  ̄ICI-I (rT 0 }70 340 510 0 O1’(1T1 g) 70 I4O 210 200 ¨’ring&g) 400 600 S 图2太湖各采样点磷形态垂向分布 Fig.2 Vertical distribution ofphosphorus forms of sample sites in Taihu Lake 11期 袁和忠等:太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析 1525 2.2磷形态垂向变化 1 l cm深度基本稳定在200mg/kg,然后迅速增加到 T4、T5、T6点位的NH4C1一P含量由表层的 约13cm深度的263.1mg/kg,向下则基本维持稳 约0mg/kg增DH ̄tl约13cm的最高值(分别为17.9、 定.OP含量在T4、T5、T6点位表现出比较一致的 50、143mg/kg到13cm深 28.4和36.7mg/kg),然后逐渐下降.NaOH—P表现出 变化趋势’由表层139.1kg,然后保持无 小幅度先增加一降低一增加一降低的总体趋势,T4、 度处迅速降低至约35、25、23mg/T5、T6分别在64.7 ̄191.7mg/kg、51.3-127.7mg/ 明显的变化.就TP而言,T6由表层至5cm深度轻 kg、87.8~138.1mg/kg之间变化,30cm深度内T6的 微升高至520.5mg/kg,然后至9cm深度迅速降低至 kg,并向下保持较稳定的含量.除近表层个 HC1一P含量基本无大的变化.T4由近表层 300mg/240mg/kg升高到约320mg/kg,向下维持无大的变 别层位,T4大致在450 ̄500mg/kg之间.T5总体也表 化.T6则维持在1 50-200mg/kg之间,T5从表层至 现出稳定的趋势,大致在450~525mg/kg之间. 图3太湖各采样点磷形态垂向分布含量占TP的比例 Fig_3 The proportions ofphosphorus forms accounting for TP of sample sites in Taihu Lake ◇T1 口T2 △T3 ▲T4 ■T5 o T6 太湖6个采样点的沉积物不同形态P含量 2.3有机质含量与磷形态相关关系 占TP比例表现出不同的特征(图3),太湖北部 有机质含量(%) 竺山湾(T2)整个剖面上变化较大,NH4C1-P在 5-20cm的含量高于其他层位.事实上。该深度 区也是微生物丰度高及活性强、氧化还原电位 低的区位.各点位NH CI-P占TP比例总体为 T1、T2>T3>T4、T5、T6.深度剖面上NaOH—P 含量的分布与NH4CI—P含量类似,占TP比例总 体为T2>T1>T3>T4、T5、T6.HCI-P垂直剖 面上的含量则明显不同,占TP比例总体为T4> 图4太湖各采样点垂向剖面上有机质含量的变化 T5>T6>T1、T3>T2,由表层至30cm底部整 Fig.4 Vertical variation ofthe organic matter content of 体逐渐升高,最高值约80%.而OP含量则无较 sample sitesinTaihuLake 明显的趋势,垂直剖面上至约20cm深度以下占 TP比例普遍低于12%,这和该层位以下有机质 太湖各采样点位垂向剖面上有机质含量的 含量较低有关. 变化见图4.T1点位除次表层略高外,30cm深度 1526 中因环境科学 30卷 上保持在1.0%左右.T2点位则由表层的1.55%降 含量之间的相关系数由显著负相关的-0.50(T11 低到底部的0.89%.T3由表层的1.01%降低至底 变化到显著正相关的0.59(T3),HC1一P与有机质 部的0.54%.T4的变化趋势类似于Tl。整个剖面 含量之问的相关系数由显著负相关的-0.89(T51 在1.0%左右.T5、T6分别由近表层的1.15%、 变化到显著正相关的0.97(T2),OP与有机质含量 0.97%减至于底部的0.53%、O.61%.约15cm以上 由明显无相关性(T4)变化到极显著相关的 北部梅梁湾(T1)及竺山湾(T2)有机质含量明显 0.94(T2).而T2、T3点位有机质含量与各形态磷 高于其他湖区.由表2可见,除NH4C1一P与有机质 皆表现出明显的正相关性,反映出重污染湖区垂 含量表现出明显的正相关外,有机质含量与其他 向沉积剖面上有机质是磷形态含量的重要影响 形式P形态相关性并不一致.NaOH-P与有机质 因素. 表2太湖采样点有机质含量与各形态磷之间相关关系 Table 2 Correlation between organic matter content and phosphorus forms of sample sites in Taihu Lake 注 +在P<0_(】1水平上显著相关: 在P<O 05水平上疆著相关 2.4磷形态揭示的太湖环境意义 另一方面铁结合态磷的赋存与氧化还原电位等 相同沉积深度上,太湖T1、T2及T3点位垂 环境条件密切相关,各采样点5-20cm相对低的 直剖面 NH4CI—P含量总体明显高于T4、T5 氧化还原电位利于NaOH—P向NH4CI—P转化, 及T6点位 卜部约l0cm的NaOH—P含量总体高 这一定程度解释了5 ̄20cm沉积物中NH4C1一P 于HC1-P含量,下部则为HC卜P含量高于 含量的上升.NaOH—P在沉积物中经历复杂的解 NaOH—P含量,T4、T5及T6点位30cm垂直剖面 析一沉淀后,向上一部分转化为弱吸附态的磷游 上的HC1一P含量总体高于NaOH—P含 离到问隙水中并通过浓度梯度向上覆水迁移,向 量.NaOH—P主要为与Fe、Mg等结合在一起的 下一部分以稳定的晶体形态最终埋藏下去,一部 磷,HC1一P主要为与Ca等结合在一起的磷.T1、 分转化为其他更为稳定形态的磷.而HC1.P则表 281,表现为太湖所有采样点 T2及T3采样点位于太湖北部及西北部,承接太 现出沉积埋藏的特性[湖的主要入湖水系,沿岸工农业生产发达,从而受 由表层往下HCI-P含量占TP比例明显升高.在 纳大量的生产及生活污水.T2所在的竺I¨湾尤其 湖泊水体酸化条件下,HC1一P相比NaOH—P更容 1.太湖南部及湖心T4、T5及T6垂 严重.作为可为生物直接利用的磷形态,较高的 易释放出来lNH C1一P含量为水生植物生长提供了内在持续 直剖面 的HC1-P含量总体略高于北部及西部 这可能和南部及东部湖区 的磷源,从而维持较高的营养水平,这一定程度一t-_ 的T1、T2及T3点位,从而生成更高含量的自 导致太湖北部及西北部的藻华现象严重于太湖 具有更高的生物量有关, 其他湖区.而太湖北部及西北部NaOH—P的含量 生钙磷(例如生物骨骼碎屑、碳酸钙结合磷等)p….整体高于南部、东部及湖心采样点位的含量.一 而OP太湖全湖表现出明显的表层高底部低的趋 一定程度 和太湖作为大型浅水湖泊,复氧较 方面NaOH—P和人类干扰相关,具有更强的环境 势,指示意义[221,太湖南部及东部高值反映了这些湖 为充分,有机质矿化作用较强有关.6个采样点OP 区工业污水及城市污水的输入量高于其他湖区. 的含量整体上表现为北部湖区高于其他湖区.虽 袁和忠等:太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析 l527 然OP占TP的比例低于NaOH—P和HC1一 但由 [5】Sundby B,Gobeil C,SilVerberg N,et a1.The phosphorus cycle in 于OP的可矿化及降解性,对孔隙水中生物可利 coastal marine sediments【J】.Limnology and Oceanography,1 992, 用磷的浓度及扩散也起着重要作用.这表现为6 37(6),1 t29—1145. [6】 孙小静,秦伯强,朱广伟.蓝藻死亡分解过程中胶体态磷、氮、有 个采样点的有机质含量与OP及NH C1一P表现出 机碳的释放[J].中国环境科学,2007,27(3):341—345. 比较明显的正相关性(表2).T2、T3采样点有机 [7】 Sondergaard M,Jensen J P'Jeppesen E.Internal phosphorus 质含量与所有磷形态都表现出明显的正相关性, loading in a shallow eutrophic Danish lake[JJ.Hydrobiologia, 这和李军等【jIJ对太湖北部五里湖的研究结果较 1999.408/409:145 152. 一致,这一定程度上可能和这些湖区有机态磷及 【8】Hupfer M,Lewandowski J.Oxygen controls the phosphorus 生物量较高,有机态磷向其他形态磷的转化有关. release from lkae sediments—a long—lsating paradigm in limnology. Internat[J].International Review of Hydrobiology,2008,93(4/5): 3结论 415—432 【9】Jensen H S,Andersen F O.Importance of temperature,nitrate, 3。1 太湖不同湖区沉积物中有机质含量基本由 and pH for phosphate release from aerobic sediments of four 表层向底部逐渐降低.重污染湖区f竺L 湾及太 shallow,eutrophic lkaes[J].Limnology and Oceanography, 湖西部)有机质含量与各形态磷皆表现出明显的 1 992,37(3):577—589. 正相关性,反映出重污染湖区垂向沉积剖面上 [1 0】Bostrom B.Relations between chemistry,microbial biomass and activity in sediments of a sewage-polluted vs a nonpolluted 有机质是磷形态含量的重要影响因素. eutrophic lkae[J].Internationale Vereinigung lfir hteoretische und 3.2太湖北部梅梁湾,竺山湾和太湖西部上覆 angewandte Limnologie,1988,23(1):451—459. 水及沉积物中的TP含量高于其他湖区,而沉积 [1 1】Beklioglu M,Carvalho L,Moss B.Rapid recovery of a shallow 物中可为生物直接利用的NH4C1一P含量也表现 hypertrophic lake following sewage eflfuent diversion:lack of 出北部及西北部高于其他湖区的特点.东部及南 chemical resilience[J】.Hydrobiologia,1999,412:5—15. 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