人類活動對湖泊沉積物中磷含量與結合形態的影響研究

宋旭燕，彭翠華，吳文佑

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,成都 610072；2.中國電建城市規劃設計研究院，成都 610072)

前 言

湖泊是淡水生態系統的重要組成部分，它們在水資源供給、保持生物多樣性等方面發揮著重要的作用。我國湖泊眾多，面積約占國土面積的0.9%[1]。據統計，我國66%的湖泊水庫處于富營養化狀態[2]，太湖、巢湖、滇池等湖泊富營養化的問題尤為突出[3]。

磷(P)是湖泊富營養化的重要限值因子，人類活動造成大量磷進入湖泊，造成藻類等生物的大量繁殖，引發水華等一系列生態環境問題[4-5]。進入水體的磷，一部分隨水體流出，另一部分被生物利用或沉積到水體的沉積物中。隨著生態保護工作的重視，我們采取很多措施消減湖泊中磷的輸入，并取得階段性成效[6]。沉積物中磷的不斷累積，使得沉積物成為水體的一個內源，在一定的環境條件下從沉積物中釋放出磷，形成了內源磷在水體內的循環過程[7-8]。

磷在沉積物中的結合形態可以反應人類活動對湖泊磷沉積的干擾情況[9-10]。磷形態分級是解析沉積物磷形態及其遷移的一個重要手段，其中化學連續提取法十分有效。它利用不同性質的化學提取劑，依次提取出沉積物中某種形態/相態的磷，達到分離的目的。不同提取劑的提取能力，反映了不同的溶解性、氧化還原特性以及酸堿性等理化特征，故而提取的形態能夠反映沉積物磷的生物地球化學特征[11-12]。

巢湖位于安徽省中部長江與淮河之間(31°25′～31°43′ N, 117°16′～117°5′ E)，流域面積13 486km2，水域面積770km2，是我國第五大淡水湖。從20世紀80年代巢湖水質開始發生惡化，經過治理水質逐步改善，但其富營養化仍維持在較高水平波動[13]。本研究擬選取巢湖沉積物為研究對象，通過開展野外采樣與室內分析，弄清巢湖沉積物中磷(P)的污染特征以及人類活動對沉積物中P結合形態影響作用，為認識巢湖的磷污染與富營養化提供科學依據。

1 研究方法

1.1 樣點布設與樣品的采集

已有研究表明巢湖的污染整體呈現由西北向湖心、向東遞減的趨勢[13]，在西北湖灣區(XW)、西湖心(XH)、中湖心(ZH)、東湖心(DH)分別布設一個采樣點(圖1)，開展現場監測、水樣與沉積物樣品的采集工作。每個點首先利用便攜式溶氧儀(雷磁，JPB-607A)測定水溫與溶解氧(DO)、利用便攜式pH儀(雷磁，PHBJ-260)測定水體pH；然后利用采水器采集表層水樣裝入500mL高密度聚乙烯瓶，放入保溫箱冷藏；最后使用彼得森采泥器(1/16 m2)采取3份沉積物樣品，放入干凈聚乙烯桶，攪拌均勻后倒入白瓷盤，采用四分法獲取適量的沉積物樣品，裝入塑封袋并放置在保溫箱冷藏。采樣結束后樣品迅速帶回實驗室處理。

圖1 巢湖區域樣點布設圖Fig.1 The layout of the Chao Lake area

1.2 樣品處理及測定

1.2.1 水樣

1.2.2 沉積物

結合已有連續提取方法[9,15]，制定出沉積物磷形態連續化學提取法(表1)。主要方法為稱取各個樣點的新鮮沉積物約0.5g于50mL離心管中，每個樣品三個平行，依次用表1中的溶液提取各形態磷，提取液的體積是25mL。每次提取結束后，將離心管放入離心機，25℃、4 000 rpm條件下離心15min，然后將上清液輕輕轉移到離心管中，將殘渣利用去離子水清洗一遍后加入下一步提取液，進入下一步提取。其中第四步提取后需將殘渣烘干，然后在550℃灼燒2h后用于第五步提取。各步所獲提取液經0.45μm醋酸纖維濾膜過濾，經合適倍數稀釋后利用鉬銻抗分光光度法測定各步驟提取液中磷含量，從而得出磷形態的含量。其中第三步所得提取液直接測定結果為NaOH-rP(鋁結合態磷)，將提取液用過硫酸鉀消解后測定、并減去NaOH-rP所得結果為NaOH-nrP(有機磷)。沉積物TP為上述各步所提取磷之和。

表1 沉積物磷形態的連續提取方法Tab.1 Continuous extraction of phosphorus forms from sediments

續表1

沉積物樣品采用重量法測定其含水率(W)。另取適量沉積物樣品冷凍干燥，粉碎并過100目篩，用來測定沉積物中的TN與有機質(OM)，TN測定采用土壤凱氏定氮法，有機質采用重鉻酸鉀消解-滴定法[16]。含水率、有機質、TN的測定采用三平行。

2.3 數據處理與統計分析

W、OM結果均用百分比表示，TN、TP以及磷形態結果均用mg/kg表示。其中OM、TN、TP以沉積物干重為基礎進行換算，數據計算與圖件繪制利用Excel完成。

2 結果與分析

2.1 采樣點水質特征

表2 各采樣點水體理化性質Tab.2 Physical and chemical properties of water body at each sampling point

2.2 沉積物基本性質

4個點位沉積物含水率分布在59.0±2.1%～67.9±2.4%，不同點位之間含水率差異顯著，具體表現XH與DH顯著高于XW與ZH點位(圖2，表3)。有機質含量分布在1.68±0.05%～2.89±0.16%，其中XW點最高，其它三點含量相當。TN含量為1804±156 mg/kg～2402±211 mg/kg，其空間變化與點位差異與有機質一致。TP含量為430±59 mg/kg～1450±93 mg/kg，其中XW點位最高、XH次之、ZH與DH含量較低。

注：各圖中字母(a、b、c)為Tukey-HSD兩兩比較結果，若兩個點位字母相同表示其差異不顯著(p>0.05)，兩個點位字母不同則表示其差異顯著(p<0.05)。圖2 沉積物基本性質與總磷含量Fig.2 Basic properties and total phosphorus content of sediments

表3 4個點位沉積物性質及磷形態方差分析結果Tab.3 Analysis rseult of sediment properties and phosphorus forms at four points

2.3 沉積物磷形態特征

沉積物磷形態分析與統計表明，不同點位的Res-P差異顯著，NaOH-nrP、HCl-P差異不顯著(圖3，表3)。NH4Cl-P與NaOH-rP呈現出相同的空間變化特征：XW顯著高于其它三點，XH顯著高于ZH與DH，ZH與DH之間差異不顯著。對于BD-P，XW顯著高于其它三點。DH沉積物中Res-P顯著高于其它三點，其它三點之間無顯著差異。對比分析不同點位各形態磷所占比例發現，NH4Cl-P占比最低，NaOH-rP占比最高，同ZH與DH相比，XW與XH中不僅NaOH-rP含量顯著升高，其所占比例也大幅升高(圖4)。

注：圖中不同字母表示對應點位之間差異顯著(p<0.05)。圖3 沉積物各形態磷分級結果Fig.3 Classification results of different forms of phosphorus in sediments

圖4 沉積物中各形態磷占比分布圖Fig.4 Distribution map of different forms of phosphorus in sediments

3 討 論

巢湖主要入湖河流有位于西北岸的南淝河、十五里河，位于西部的派河，位于西南部的杭埠河、白石天河、兆河等，南淝河與十五里河流經合肥市區，水質經常處于劣V類，是巢湖的重要污染源。派河流經肥西縣城，也是重要的污染源[17-18]。南部的杭埠河、白石天河、兆河占總入湖水量的50%以上，但入湖水質維持在Ⅲ類及其以上，是巢湖的重要清水河流[17]。鑒于巢湖的外圍入湖情況，造成了巢湖水質污染狀況與營養水平呈現西北湖灣區最高、向湖心、東部遞減的趨勢[13]。本研究的水質數據也很好地說明了這一問題，表明巢湖水質污染的空間格局尚未發生變化。

沉積物污染狀況是水質長時間污染結果的反映。因此關于沉積物中TN、TP、有機質的分析結果的空間變化和水質保持一致：西北湖灣區顯著高于其它區域(圖2)。磷循環具有不完全的特征，更易于在沉積物中表現出來[7]。由于西北湖區南淝河與十五里河入湖TP是南部諸河的4～5倍[18]，而XW點位剛好位于南淝河和十五里河入湖區之間，大量磷隨河流進入湖內，在湖泊內沉積，這是造成西北湖灣區沉積物TP顯著高于其它點位的直接原因。

NH4Cl-P是沉積物間隙水中磷及沉積物顆粒表面弱結合的磷，可以被生物迅速利用，其含量是沉積物間隙水含量的重要反映，并且易受水體氧化還原環境、溫度、生物活動等因素影響[19]。由于西北湖灣區沉積物有機質含量豐富(圖2)，同時藍藻水華頻發給沉積物提供了豐富的易降解有機質[13]，且該區域河流輸入磷酸鹽濃度遠高于其它區域[18]，因此造成了XW與XH所在區域沉積物中NH4Cl-P顯著高于其它區域。BD-P主要是與可還原鐵氧化物結合的磷，還包括少量與錳結合的無機磷。BD-P通常被認為是磷的暫時貯庫，在厭氧的條件下容易釋放或進一步轉化成為其它磷形態[12]。XW與XH兩個點位BD-P顯著高于ZH與DH，表明這里蘊藏了大量的可還原釋放磷。西北湖灣區經常發生大規模藍藻水華[13]，藍藻水華的大規模聚集可能會引發水體發生缺氧等現象[20]，增加了這一區域磷釋放的風險。NaOH-rP部分主要是能與OH-交換或溶于堿的鋁磷、不可還原鐵結合的磷，是沉積物中無機磷的重要組成部分，該部分磷容易受pH變化等環境因素的影響而發生釋放[9, 12]。

NaOH-nrP主要是有機磷，反映沉積物中有機磷的情況，本研究未在4個點位之間發現顯著的NaOH-nrP差異，表明其有機磷沉積情況仍基本一致。HCl-P主要是磷灰石磷，主要反映沉積物的地球化學特征，與周圍環境的地球化學特征相關，本研究HCl-P在4個點位保持相同水平，表明其大的地球化學環境相同。Res-P是殘渣態磷或閉蓄態磷，不能被上述溶液提取的惰性無機磷和難溶性有機磷，本研究中DH的Res-P相對較高。

在上述磷形態結果分析中，NH4Cl-P、BD-P、NaOH-rP三部分易受周圍人類活動影響，在我們所研究的區域表現出了類似的空間變化；同時這三種磷沉積轉化程度比較低，也是比較容易受水體環境變化而發生釋放的磷形態。因此，人類活動不僅增大了巢湖沉積物中磷的含量，并且增大了容易發生轉化、發生釋放的磷含量。

4 結 論

巢湖沉積物中TP含量在西北湖灣區最高，西湖心次之，中湖心最低。沉積物TP含量升高主要是NH4Cl-P、BD-P、NaOH-rP 3種形態磷升高造成，這3種磷在受人類活動影響強烈的西湖區均顯著增大，并且NH4Cl-P、NaOH-rP在TP中所占比例也發生增大。顯著增大的3種磷易受水體環境變化影響，增大了巢湖西湖區磷釋放的風險。