藍藻暴發對巢湖表層沉積物氮磷及形態分布的影響

孔 明,張 路,尹洪斌*,蔡永久,高俊峰 (.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環境國家重點實驗室, 江蘇,南京 20008；2.中國科學院大學,北京 00049)

藍藻暴發對巢湖表層沉積物氮磷及形態分布的影響

孔 明1,2,張 路1,尹洪斌1*,蔡永久1,高俊峰1(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環境國家重點實驗室, 江蘇,南京 210008；2.中國科學院大學,北京 100049)

以巢湖表層沉積物及上覆水體為對象,于藍藻暴發前(4月)和藍藻暴發期(7月)采集水樣及沉積物樣品,分析了氮磷及其形態賦存特征,并探討了沉積物氮磷及其形態與藍藻暴發的關系.結果發現,藍藻暴發時,巢湖表層沉積物總磷減少,總氮增加,同時削弱了磷在空間上分布的異質性.從氮磷形態來看,藍藻暴發未造成巢湖表層沉積物氮形態(NH4+-N、NO3--N和Org-N)含量和比例的明顯波動,但卻造成了活性磷(弱吸附態磷和鐵鋁結合態磷之和)含量及比例的下降,鈣結合態磷(Ca-P)以及有機磷(OP)含量及比例增加,生物有效性磷(AAP)的含量的減小.相關性分析表明,上覆水中葉綠素 a(Chl-a)的濃度與鐵鋁結合態磷(Fe/Al-P)以及有機磷(OP)的含量顯著相關(P＜0.05),卻與氮形態(銨態氮,硝態氮和有機氮)相關性不顯著.巢湖沉積物磷(Fe/Al-P及AAP)對巢湖水體藍藻暴發具有促進作用,而氮及其形態對藍藻暴發作用較弱.

藍藻暴發；沉積物；氮磷；形態；生物有效性

磷通常被認為是湖泊富營養化的主要限制因子[1-2],而湖泊沉積物中磷的持續釋放被認為是湖泊富營養化問題得不到有效改觀的直接原因.通常,沉積物中的磷形態分為弱吸附態磷、鐵鋁結合態磷、有機磷、鈣結合態磷以及殘渣態磷.湖泊水體中磷的濃度與沉積物磷形態轉化密切相關,因此弄清湖泊藍藻水華與沉積物磷形態之間的關系,對于認識湖泊富營養化的產生機制具有重要的指導作用.與沉積物磷形態相似,沉積物的氮也具有多種形態,其具體可以劃分為銨態氮、硝態氮以及有機氮.湖泊水體中氮也可以季節性交替成為湖泊富營養化的限制因子[3-5],據此很多學者也提出了湖泊氮磷共同控制的策略[6-8].

巢湖是我國第五大淡水湖泊,位于安徽省中部,介于 30°25′28″N～31°43′28″N和 117°16′54″E～117°51′46″E 之間,水域面積 760km2,平均水深約3m,屬于淺水型富營養化湖泊[9].近年來巢湖頻繁暴發嚴重的藍藻水華,尤其是在夏季大量繁殖,西半湖區域內繁殖更加旺盛,覆蓋率可達湖面的60%～80%,邊緣厚度最高可達20～30cm[10].

以往研究主要集中在巢湖沉積物氮磷的賦存形態以及底泥營養鹽釋放的影響因素[11-12].而針對藍藻暴發前后氮磷分布以及生物有效性的研究涉及較少[13],沉積物不同形態氮磷與藍藻水華的關系尚不清楚.因此,本文研究了藍藻暴發前后沉積物氮磷及其形態含量的變化,分析不同氮磷形態與藍藻水華的關系,以便理解巢湖藍藻水華暴發的機制.

1 材料和方法

1.1 研究區域

于2013年巢湖藍藻暴發前(4月)和藍藻暴發期(7月),對巢湖進行 2次現場調查和樣品采集,利用 GPS 全球衛星定位系統在全湖設 33個采樣點位,采樣點分布如圖1所示.

圖1 巢湖采樣點分布Fig.1 Schematic illustration of sampling sites in Lake Chaohu

1.2 采樣及分析方法

1.2.1 上覆水的采集及分析 采用有機玻璃水樣采集器采集上覆水,采集的樣品迅速放置于低溫保溫箱內保存,于 24h內帶回實驗室內 4℃下冷藏.利用水質速測儀(YSI)現場測定水體pH值、溶解氧(DO)等理化指標.水樣于實驗室內用0.45μm過濾,冷藏待分析,濾膜用于葉率素a(Chla)的分析.Chl-a的測定采用熱乙醇提取法[14];上覆水總氮(TN),總磷(TP)采用過硫酸鉀消解法[15];銨態氮(NH-N)的測定采用納氏試劑分光光度法[15].

1.2.2 沉積物的采集及分析 采用彼得森采樣器采集表層沉積物(0～15cm)樣品.各個采樣點的沉積物樣品混勻后置于低溫保溫箱內保存,于24h內帶回實驗室內 4℃下冷藏.于實驗室內,將沉積物樣品風干、研磨,過100目尼龍篩后,裝入樣品袋封口備用.

采用 Psenner的磷連續提取法[16-17],將磷形態分為弱吸附態磷(LP)、鐵鋁結合態磷(Fe/Al-P)、有機磷(OP)、鈣磷(Ca-P)和殘渣態磷(Res-P);生物有效磷(AAP和Olsen-P)采用Zhou等的化學提取法[18],連續提取劑及生物有效磷用鉬藍比色分光光度法測定;總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解法[15];沉積物銨態氮(NH-N)和硝態氮(NO-N)分別采用 KCl浸提-蒸餾法,酚二磺酸比色法測定[19];浸提液中的 NH-N,采用納氏試劑分光光度法測定[15];有機質含量以沉積物干樣在550℃下灼燒6h的燒失量(LOI)表示[20].

2 結果與討論

2.1 表層沉積物及上覆水基本理化性質

表層沉積物及上覆水理化性質如表 1所示,春季(4月份)和夏季(7月份)巢湖上覆水和沉積物的pH值均呈堿性,且夏季 pH值略高于春季,這可能歸咎于夏季藍藻大面積暴發,藻類呼吸產生大量CO2[21].相關研究也表明,巢湖沉積物在堿性條件下更有利于沉積營養鹽磷的釋放[22],為藍藻的暴發提供營養基礎.溶解氧(DO)是影響水-沉積物界面微生物活動的重要因素[23-24],春季巢湖水體中的DO平均含量高于夏季,有利于水-沉積物界面的好氧微生物的代謝活動,進而促使沉積物氮磷釋放.春季和夏季巢湖水體總氮(TN),總磷(TP)平均含量均超過我國地表水環境質量標準(GB 3838-2002)[25]Ⅳ類水質標準,且春季巢湖水體總氮(TN)、總磷(TP)濃度略高于夏季,這可能與夏季巢湖多暴雨以及被藍藻等水生生物吸收利用有關.巢湖夏季水體葉綠素(Chl-a)的濃度大于春季水體中葉綠素(Chl-a)的濃度,這主要歸咎于夏季藍藻水華的大面積暴發.

表1 巢湖表層沉積物及上覆水理化性質Table 1 Physicochemical properties in surface sediments and overlying water

圖2 巢湖表層沉積物TN,TP分布特征Fig.2 Distribution characteristics of Total nitrogen and total phosphorus in surface sediment of Lake Chaohu

2.2 沉積物總氮、總磷時空分布特征

巢湖表層沉積物中 TN,TP含量空間分布如圖 2所示.春季(藍藻暴發前期)總氮(TN)變化范圍 675.4～2951.8mg/kg,平均含量 1909.5mg/kg,東部巢湖湖心區和西部巢湖湖心區 TN濃度比較高,最高值出現在巢湖東部湖區的CH11采樣點.夏季(藍藻暴發期)總氮(TN)變化范圍 736.3～3370.3mg/kg,平均含量 2079.8mg/kg,巢湖北部湖灣區域以及派河入湖口區域 TN濃度較高,最高值出現在中廟鎮附近.這些區域是巢湖藍藻易聚集區,沉積物的氮含量的升高可能源于藍藻死亡殘體的輸入所致.春季(藍藻暴發前期)TP變化范圍 176.4～1911.2mg/kg,平均含量 568.4mg/kg,其中南淝河入湖口處TP濃度達1911mg/kg,顯著高于平均濃度,而夏季(藍藻暴發期)總磷(TP)變化范圍 114.0～1089.7mg/kg,平均含量 417.3mg/kg.比較而言,夏季沉積物 TP的平均含量要顯著低于春季,這可能是由于夏季藍藻暴發期間導致沉積物中鐵鋁結合態磷(Fe/Al-P)以及有機磷(OP)被大量利用,從而引起夏季沉積物磷的含量顯著降低.

2.3 沉積物氮、磷形態及生物可利用性磷時空分布特征

巢湖表層沉積物氮磷形態分布特征如圖 3所示.春季(藍藻暴發前期)巢湖表層沉積物平均含量分別占TN的16%和1.6%;夏季(藍藻暴發期平均含量分別占TN的9.6%和1.7%,而沉積物有機氮(Org-N)占總氮(TN)的比例可達83.9%～97.1%,這表明Org-N是巢湖沉積物的主要氮形態.可交換態氮是沉積物－水界面氮遷移釋放中最主要最活躍的氮形態,是參與氮生物地球化學循環的重要組分,是水體及沉積物中的生物有效氮的主要來源.春季可交換態氮含量為 44.8～776.9mg/kg 和7.12～104.6mg/kg,平均值分別為302.9,25.7mg/kg;夏季可交換態氮含量為 15.0～423.9mg/kg和22.5～40.9mg/kg,平均值 218.3,30.9mg/kg.通過對比發現,夏季的平均含量低于春季,而夏季硝態氮)的含量略高于春季,同時夏季可交換態氮的空間異質性較春季明顯減弱.這可能與夏季藍藻對的利用增強,而對的利用相對較弱有關.春季巢湖表層沉積物不同形態磷含量順序為鐵鋁結合態磷(Fe/Al-P)＞殘渣態磷(Res-P)＞鈣結合態磷(Ca-P)＞有機磷(OP)＞弱吸附態磷(LP).而在藍藻暴發的夏季,不同磷形態含量的次序為:鐵鋁結合態磷＞鈣結合態磷＞有機磷＞殘渣態磷＞弱吸附態磷(LP).通過比對發現,藍藻暴發前后巢湖表層沉積物均以鐵鋁結合態磷為主(52.5%和 57.8%),而藍藻暴發期,鈣結合態磷大幅上升(由 10.8%增加到17.8%).這可能是由于藍藻暴發致使湖泊水土體系 pH值的上升,利于鈣結合態磷的生成.夏季沉積物有機磷(OP)升高(由10.1%增加到12.7%),可是由于藍藻等殘渣碎屑的輸入,致使其含量得到升高.沉積物活性磷(LP和 Fe/Al-P之和)的含量能真正反映沉積物的污染情況及其內源釋放潛力的大小[26].巢湖表層沉積物中活性磷春季含量范圍78.8～1024.6mg/kg,占總磷的26%～92%,平均含量占 53%,且空間差異比較大,最大值出現在CH28,該點位于南淝河入湖口區域.而夏季活性磷含量范圍 174.4～919.5mg/kg,活性磷占總磷的17%～36%,平均值含量占 26%,且空間差異性較小.從春季和夏季巢湖表層沉積物活性磷的含量和分布特征來看,藍藻暴發對巢湖活性磷具有重大的影響.藍藻暴發前(4月份),巢湖表層沉積物活性磷含量較高,且區域分異特征明顯,在適當的環境條件下(溫度以及氧化還原電位等),沉積物磷大量釋放,從而可能會促使藍藻在這些區域優先暴發.由于藍藻對沉積物磷的利用,大大降低了夏季沉積物活性磷的含量,磷濃度高的區域,多為藍藻易堆積區,對可利用性磷的利用較強,導致了磷含量的降低,從而使全湖磷的濃度范圍減小,削弱了其在空間上分布的異質性.

藻類可利用性磷(AAP)含量是沉積物磷的生物可利用性較為直接的表征和度量.如圖 4所示,藻類可利用性磷含量較高區域主要分布在南淝河河口、西部湖心區和北部湖灣區,南部湖區的藻類可利用性磷含量為全湖最低.春季藻類可利用性磷含量的范圍 10.6～1101mg/kg,平均含量121.8mg/kg;夏季藻類可利用性磷含量變化范圍41.5～678.2mg/kg,平均含量 109.38mg/kg.比較而言,春季巢湖沉積物的藻類可利用性磷的空間異質性較大,而大量藍藻暴發對沉積物磷的利用導致夏季沉積物的藻類可利用性磷的空間異質性減小,藍藻對磷的利用也導致其在沉積物中的含量隨之降低.其分布特征與沉積物活性磷的季節性分布趨勢和規律類似.

2.4 沉積物和上覆水中氮磷形態之間的關系

巢湖水體及沉積物氮磷以及形態相關性分析如表2所示.上覆水中TN和分別與沉積物中TN和呈顯著相關(P＜0.05),這與王東紅等[27]對長江中下游湖泊的研究結果一致.這種關系表明巢湖上覆水體中的氮主要來自于沉積物,沉積物的釋放對上覆水中起到重要的補充作用.沉積物和均與沉積物中Org-N顯著相關(P＜0.01).這說明沉積物 Org-N的礦化分解是這兩種氮的重要供給者,同時其間接地為上覆水中提供源源不斷的氮源.

圖3 巢湖表層沉積物氮磷形態分布特征Fig.3 Distribution characteristics of nitrogen and phosphorus forms in surface sediment of Lake Chaohu

由表3可知,上覆水中TP與沉積物TP,AAP與Olsen-P顯著相關(P＜0.05),與Fe/Al-P極顯著相關(P＜0.01),這與孟春紅等[28]對東湖的研究結果類似.這表明沉積物各形態磷對上覆水中總磷具有重要的貢獻,同時也驗證了沉積物內源磷的釋放是導致湖泊水體富營養化的主要原因.沉積物藻可利用性磷與鐵鋁結合態磷和有機磷均呈顯著相關(P＜0.01),這表明巢湖沉積物鐵鋁結合態磷以及有機磷是巢湖生物有效性磷(AAP)的重要來源,應該重點加以關注和管理.

2.5 巢湖藍藻水華與沉積物氮磷形態之間的關系

表2 沉積物和上覆水氮形態之間相關性Table 2 Correlation of nitrogen forms in the sediments and overlying water

表3 上覆水與沉積物磷及其形態相關性Table 3 Correlation of phosphorus forms in the sediments and overlying water

圖5 葉綠素a與氮磷形態相關性Fig.5 Correlation of Chl-a with nitrogen and phophorus forms

從圖 5中可以看出,春季葉綠素 a(Chl-a)與沉積物中氮磷形態沒有相關性.這可能是由于在采樣期間,藍藻水華尚未形成,水體中的其他生物體僅利用上覆水中的營養鹽即可,沉積物中的氮磷形態正在發生轉化,沒有向水體中大量釋放.在夏季藍藻暴發期間,藻生物量大大增加,水體和沉積物理化性質發生變化(pH值,溶解氧等),對沉積物氮磷循環轉化影響較大[29-30].然而,相關性分析表明夏季葉綠素 a與氮形態相關性不顯著,與鐵鋁結合態磷,有機磷顯著相關(P＜0.01).該研究結果表明,鐵鋁結合態磷和有機磷是導致巢湖藍藻水華的主要因素,而氮可能不是巢湖藍藻水華的限制因子.然而,長期的野外跟蹤實驗還需要開展,以進一步驗證本研究的結論.

3 結論

3.1 藍藻暴發有助于巢湖表層沉積物總磷的減少以及總氮的增加,同時削弱了其在空間上分布的異質性.

3.2 藍藻暴對沉積物氮形態(NH4+-N、NO3--N和Org-N)含量及比例影響不顯著.但造成沉積物活性磷(LP和Fe/Al-P)和生物有效性磷( AAP)占總磷比例減少,惰性磷(Ca-P)和有機磷(Org-P)比例增加.

3.3 通過相關性分析發現,上覆水體中葉綠素 a的含量與沉積物鐵鋁結合態磷(Fe/Al-P)以及有機磷(OP)顯著正相關,而與沉積物可交換態氮未發現相關性,表明巢湖沉積物磷及其形態對藍藻暴發具有重要的影響作用,而氮及其形態對藍藻暴發影響較弱.

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Influence of algae bloom on distribution of total and speciation of nitrogen and phosphorus in the surface sediments from Lake Chao

KONG Ming1,2, ZHANG Lu1, YIN Hong-bin1*, CAI Yong-jiu1, GAO Jun-feng1
(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1285～1292

Surface sediment and overlying water from Lake Chaohu were sampled before (in April) and after (in July)algal bloom. Total and speciation of nitrogen and phosphorus in the sediments were analyzed, and their relationship with algal bloom was discussed. Algal bloom could increase the concentrations of nitrogen and decrease the concentrations of phosphorus from surface sediments, and therefore weaken the heterogenicity of sediment phosphorus concentrations. The algal bloom did not cause the obvious fluctuation of concentrations and proportion of nitrogen speciation (NHN,NON, Org-N), but decrease the concentrations and proportion of reactive phosphorus (LP and Fe/Al-P) rather than the proportion and content of Ca-bound P (Ca-P) in surface sediments. Meanwhile, algal boom decrease the concentrations of surface sediment bioavailable phosphorus (AAP) in whole lake. Correlation analysis indicated that the concentration of Chlorophyll-a correlated significantly with Fe/Al-bound P (Fe/Al-P) and organic phosphorus (OP) (P＜0.05) but with the nitrogen formsin surface sediments. These results indicated that phosphorus mainly Fe/Al-P and AAP in surface sediment played an important role in promoting algae bloom in Lake Chaohu and indicated that nitrogen and its fractions in surface sediment contributed less to the algal bloom in Lake Chaohu.

algae bloom；sediment；nitrogen and phosphorus；speciation；bioavailability

X524

A

1000-6923(2014)05-1285-08

2013-09-12

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501-

002-008);國家自然科學基金(41371479,41271468)

* 責任作者, 副研究員, hbyin@niglas.ac.cn

孔 明(1987-),男,山東棗莊人,中國科學院南京地理與湖泊研究所碩士研究生,主要從事湖泊底泥磷污染控制研究.發表論文5篇.