鄱陽湖沉積物間隙水中磷的含量及其分布特征*

向速林，周文斌，聶發輝

(1:南昌大學教育部鄱陽湖湖泊生態與生物資源利用重點實驗室，南昌330047)

(2:華東交通大學環境工程系，南昌330013)

鄱陽湖沉積物間隙水中磷的含量及其分布特征*

向速林1，2，周文斌1，聶發輝2

(1:南昌大學教育部鄱陽湖湖泊生態與生物資源利用重點實驗室，南昌330047)

(2:華東交通大學環境工程系，南昌330013)

根據2010年1月對鄱陽湖各站點沉積物的采樣分析，研究了鄱陽湖沉積物間隙水中總溶解性磷(DTP)與可溶性正磷酸鹽(DIP)的含量及其分布特征，并對各站點表層沉積物間隙水中DTP和DIP的含量及其沉積物中TP與IP的含量進行了相關性分析.結果表明，鄱陽湖各站點表層沉積物(0-2 cm)間隙水中DTP的平均含量為0.134 mg/L，DIP平均含量為0.082 mg/L.表層沉積物間隙水中DTP與DIP含量在空間分布上差異不顯著;而柱狀沉積物(0-28 cm)間隙水中DTP與DIP含量開始隨深度的增加呈明顯增加趨勢，而后隨深度增加而減少.相關性分析表明，表層沉積物間隙水中DIP與表層沉積物中IP相關性不明顯，而表層沉積物中TP與其間隙水中DTP則具有較好的相關性，說明沉積物中TP可能是間隙水中DTP的重要決定因素.

鄱陽湖;沉積物;間隙水;磷;分布特征

湖泊沉積物是氮、磷等營養物質的重要儲存庫，同時也是湖泊水體中營養鹽的重要內源.在沉積物氮、磷等營養鹽的內源釋放過程中，沉積物間隙水扮演著重要角色，是沉積物與水界面營養鹽交換的重要介質［1-4］.沉積物間隙水中氮、磷含量對上覆水中營養鹽供給非常重要，當間隙水中氮、磷含量超過上覆水中氮、磷含量時，溶解的氮、磷就可以釋放到上覆水體［5-6］，從而成為影響湖泊水質的重要因素.沉積物間隙水中氮、磷提供了沉積物中生物生長所必須的營養物質，且間隙水中氮、磷剖面分布是沉積物中有機物質降解過程的一個敏感指示［7-8］，其氮、磷含量水平也可直接反映出沉積物環境的優劣，并在一定程度上影響到底棲生物的生存、發育和組成［9-10］.因此，研究湖泊沉積物間隙水中磷含量及分布有助于了解營養鹽在沉積物與水界面的交換過程，是掌握營養鹽生物地球化學循環的重要手段之一［1，10-11］，并有利于把握磷在沉積物中所發生的各種過程.

鄱陽湖(28°24'-29°46'N，115°49'-116°46'E)位于江西省北部，長江中下游南岸，是中國第一大淡水湖，是一個過水性、吞吐型、季節性淺水湖泊.隨著鄱陽湖區域經濟的迅速發展，農藥和化肥大量施用，城鎮排污量和人口的增加使大量營養物質不斷流入湖泊，鄱陽湖富營養化程度日漸增加，嚴重制約了區域經濟的可持續發展，而研究鄱陽湖沉積物間隙水中磷的含量及其分布特征對于認識鄱陽湖富營養化進程具有重要意義.國內外學者對湖泊沉積物間隙水中氮、磷分布特征進行了相關的研究［1，3，6，8，10，12］，對于本研究的開展具有重要的指示意義.但由于鄱陽湖是一個過水性、季節性淺水湖泊，湖泊豐枯水期水位相差極大，且湖流特征明顯，具有獨特的湖泊水環境特征，從而導致其沉積環境的獨特性.此外，鄱陽湖接納了來自上游五大河流的來水，各河口區由于上游河水的沖刷等作用導致了鄱陽湖各河口區的水環境特征的動態變化，這些獨特的區域環境特征也決定了鄱陽湖與其它湖泊的差異性.因此，對于鄱陽湖這種過水性、季節性淺水湖泊沉積物間隙水中磷含量與分布特征研究具有重要意義，對其它過水性、季節性湖泊沉積物間隙水中營養鹽分布特征的研究具有重要的借鑒意義.目前，有關鄱陽湖磷的研究主要集中在湖泊水體中磷含量及時空分布特征，而有關鄱陽湖沉積物間隙水中磷的含量及其分布特征的系統性研究則鮮見報道，而對其它湖泊沉積物間隙水中營養鹽的研究成果中所發現的分布規律也各有不同，因此有必要對鄱陽湖沉積物間隙水中磷的分布特征進行系統研究和探索.本文根據鄱陽湖表層及柱狀沉積物間隙水樣品中磷的分析結果，探討了沉積物間隙水中的總溶解性磷(DTP)與可溶性正磷酸鹽(DIP)含量的空間和垂向分布特征，并分析了表層沉積物及其間隙水中磷含量的相關性.本研究的開展對于掌握鄱陽湖營養鹽的內源污染機理具有重要意義，并可為鄱陽湖水體富營養化的控制與治理提供重要的參考依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在枯水季節(2010年1月)，即河口或湖泊水面顯著下降時，在鄱陽湖各入湖河口處或湖灘近岸點水位較淺處設置10個站點(圖1)，利用柱狀采樣器(直徑為50 mm)采集厚度約為28-30 cm的沉積物柱狀樣品，在現場按照2 cm間隔進行切割分裝，并且在4 h之內以4000 r/min的轉速離心30 min，吸出上清液，用孔徑為0.45 μm的尼龍膜過濾后加入HgCl2固定，在4℃下保存備測.其中，用2 cm間隔分層后的沉積物分別進行離心獲取離心液，用于研究間隙水營養鹽垂直分布，采用表層0-2 cm的沉積物進行離心獲取離心液，用于研究間隙水營養鹽空間分布.

1.2 實驗方法

沉積物間隙水中磷的物理狀態一般可分為溶解態、懸浮態及膠體態.無論是懸浮態或溶解態，又可分為正磷酸鹽磷、聚合磷酸鹽磷和有機磷三種主要形態，其中溶解態正磷酸鹽是能夠被植物吸收的主要形式.因此，本研究中主要探討沉積物間隙水中總溶解性磷(DTP)與可溶性正磷酸鹽磷(DIP).鄱陽湖沉積物中形態磷含量及其間隙水中DTP測定采用過硫酸鉀消解法;DIP測定采用鉬-銻-抗分光光度法［13］.

圖1 鄱陽湖沉積物間隙水的采樣點分布Fig.1 Sampling locations in Lake Poyang sediment interstitial water

2 結果與討論

2.1 表層沉積物間隙水中磷含量和分布特征

沉積物間隙水中的營養鹽含量水平是沉積物中有機物含量及其分解速率、界面的水動力因素以及底棲生物的數量等多種因素綜合作用的結果［11］，一般認為，沉積物間隙水中氮、磷等營養鹽含量主要來源于生物死亡后的一部分碎屑、殼體的分解和陸源物質的溶解，而且沉積物間隙水中氮、磷含量的高低，直接影響著沉積物與上覆水之間營養鹽的交換［6］.鄱陽湖各站點表層沉積物(0-2 cm)間隙水中DTP的含量在0.101-0.163 mg/L之間變動，平均含量為 0.134 mg/L，DIP 的含量范圍為 0.057-0.098 mg/L，平均含量為 0.082 mg/L.

圖2 表層沉積物間隙水中DTP與DIP含量分布Fig.2 Contents of DTP and DIP in sediment interstitial water of Lake Poyang

鄱陽湖各站點表層沉積物間隙水中DTP與DIP含量的空間分布差異不顯著，其中贛江等河口站點(L1、L2、L3與L4)中DTP與DIP含量略低于主湖區及湖口站點(L5、L6、L7、L8、L9 與 L10)(圖2)，其主要原因可能是河口地區站點湖流運動強烈，水力沖刷作用明顯，加速了沉積物間隙水中的磷向上覆水的釋放，減少了這些站點沉積物中磷的蓄積量，從而降低了沉積物間隙水中DTP與DIP含量;而L5、L6等站點則位于小島嶼附近，受風浪影響相對較小，水動力作用較弱，沉積物間隙水中磷的釋放作用較弱，且這些站點也在一定程度上受到周圍陸地污染物排放的影響，從而導致這些站點表層沉積物間隙水中DTP與DIP含量略高于河口地區;此外，L7站點位于人口相對密集區域以及排污口附近，上游含磷工業、農業和生活污水的直接排放導致了該監測點上覆水體中磷含量增加，從而使得該站點沉積物中磷的積累量相對較高;其它站點(L8、L9、L10)位于湖區的北部水道區，湖水較深，沉積物與水界面間的水動力等作用相對較弱，有利于磷等物質的沉積，從而使得這些站點沉積物間隙水中磷的含量相對更高.此外，鄱陽湖表層沉積物間隙水中DTP與DIP含量的空間差異也可能與各監測點水生高等植物的分布以及沉積環境有關.沉積物中磷的釋放與沉積物氧化還原條件密切相關，一般而言，沉積物氧化環境會促進沉積物對上覆水體中磷的吸附過程，而厭氧環境則加速了沉積物中磷的釋放過程，因此影響了表層沉積物間隙水中磷的含量.站點L1、L2與L3的表層沉積物間隙水中DTP與DIP濃度最低，可能是由于這些站點附近區域大量生長的浮游植物消耗了上覆水體中的磷，引起了上覆水體與間隙水較大的濃度差，從而使得沉積物間隙水中磷的釋放速率增加，并且這些站點沉積物與水界面的還原環境也加速了表層沉積物間隙水中磷向上覆水的轉移，因而降低了這些站點表層沉積物間隙水中DTP與DIP濃度;站點L8、L9與L10的表層沉積物間隙水中DTP與DIP的高含量可能與這些站點沉積物所處的氧化環境及沉積物自身特性有關，通過對獲取的沉積物樣品的定性比較可知，相對其它站點，這些站點沉積物顆粒的粒徑相對較細，有利于其對上覆水體中磷的吸附，從而也使得這些站點表層沉積物間隙水中磷含量相對其它站點較高.

2.2 柱狀沉積物間隙水中磷的垂向分布特征

沉積物間隙水中營養鹽的剖面分布趨勢是沉積物中有機物質降解過程與生源要素生物地球化學循環過程的一個敏感指示，了解沉積物間隙水中營養鹽的分布剖面有助于掌握沉積物中有機物礦化作用及測定沉積物與水界面營養鹽交換通量［7-8］.鄱陽湖各個監測點柱狀沉積物(0-28 cm)間隙水中DTP平均含量范圍為 0.120-0.174 mg/L，DIP 平均含量范圍為 0.067-0.111 mg/L.

鄱陽湖各監測點柱狀沉積物間隙水中DTP與DIP的含量隨深度的變化趨勢基本一致，在表層沉積物與水界面附近，其濃度較低，與上覆水中磷的濃度相差不大(圖3).隨著深度的增加，其含量開始逐步增加，但在達到一定深度后又開始隨著深度的增加呈減小的趨勢.沉積物間隙水中的DTP與DIP可以滯留在沉積物中，也可轉移到上覆水體中而被浮游植物吸收利用，其濃度的垂向分布可能受到有機物的分解、鐵氧化物濃度以及微生物活動等各種因素的影響.鄱陽湖柱狀沉積物間隙水中磷的剖面變化特征與Williams等研究結果基本一致［14］，產生這種變化特征的主要原因是在沉積物與水界面以下的氧化帶中，有一層沒有完全結晶的對磷具有較強吸附能力的鐵的氫氧化物，由于鐵的氫氧化物的吸附作用，導致表層沉積物間隙水中磷的含量降低.而隨著深度的增加，鐵的氫氧化物的還原作用則逐步加強，降低了其對磷的吸附作用，從而引起磷的含量增加.而在到達一定深度后，深層沉積物中磷的濃度越來越低，從而導致可溶入間隙水中磷的濃度也逐漸降低，因此間隙水中磷濃度隨沉積深度增加而降低［14-15］.此外，湖泊底層沉積物相對比較密實，受到上覆水動力擾動及其他擾動作用相對較小，存在活性的有機碎屑減少，有機質含量降低，沉積物中微生物活動亦減少，所以湖泊底層沉積物間隙水中磷含量也相應降低［12］.沉積物間隙水中營養鹽的垂向分布差異表明了沉積物間隙水中磷具有向上覆水體釋放的趨勢.

圖3 沉積物間隙水中DTP與DIP含量的垂向分布Fig.3 Profile distributions of DTP and DIP in sediment interstitial water of Lake Poyang

2.3 表層沉積物及間隙水中磷的相關性分析

鄱陽湖各監測點表層沉積物中TP的含量與其間隙水中DTP含量具有較好的相關性，而各監測點表層沉積物中IP含量與其間隙水中DIP含量相關性不明顯(圖4)，說明沉積物中TP可能是間隙水中DTP的重要決定因素.

圖4 鄱陽湖各監測點表層沉積物TP和IP含量與間隙水中DTP與DIP含量的相關關系Fig.4 The corrections of TP and IP in surface sediments and DTP and DIP in interstitial water of Lake Poyang

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Phosphorus concentrations and distributions in lacustrine interstitial water of Lake Poyang

XIANG Sulin1，2，ZHOU Wenbin1＆ NIE Fahui2
(1:Key Laboratory of Lake Poyang Ecology and Bioresource Utilization of MOE，Nanchang University，Nanchang 330047，P.R.China)
(2:Department of Environment Engineering，East China JiaoTong University，Nanchang 330013，P.R.China)

The concentrations and distribution of dissolved total phosphorus(DTP)and dissolved inorganic phosphorus(DIP)in the sediment interstitial water from Lake Poyang were determined based on the sampling in January 2010.The results showed that the average DTP and DIP concentrations in the overlying interstitial water of Lake Poyang(0-2 cm)were 0.134 mg/L and 0.082 mg/L，respectively，which showed no significant spatial variation between sampling sites.The profiles of DTP and DIP contents in the core sediment interstitial water increased with depth at 0-18 cm and then decreased with depth at 18-28 cm.For the DIP，no significant correlation was found between interstitial water and sediment.But for the DTP，a certain correlation existed between the surface interstitial water and sediment，indicating that the concentration of TP in the surface sediment can influence the DTP content in the interstitial water.

Lake Poyang;sediment;interstitial water;phosphorus;distribution characteristics

* 國家自然科學基金項目(40672159)、江西省科技支撐重點項目(2010BNA09600)和江西省自然科學基金項目(2009GZH0023)聯合資助.2011-02-28收稿;2011-04-12收修改稿.向速林，男，1978年生，博士研究生，講師;E-mail:slxiang2001@163.com.