袁和忠 ,沈 吉 ,劉恩峰 (.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 20008；2.中國科學院研究生院,北京 00049)

污染物蓄積在湖泊沉積物中并導致湖泊富營養(yǎng)化是目前湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨的一個重要問題[1-3],其中磷被視為限制湖泊中藻類生長的主要限制性營養(yǎng)因子[4-5],而內(nèi)源磷的釋放是決定湖泊水體中磷含量的非常重要的因素[6],在外源污染物得到控制的情況下,湖泊水體中營養(yǎng)鹽及生物量恢復(fù)到富營養(yǎng)化前的水平需要十年乃至數(shù)十年的時間[7].影響沉積物磷釋放的因子眾多(氧化還原電位[8],溫度,N含量[9],生物作用[10-11]及風浪擾動[12-13]等),對沉積物中磷的各種結(jié)合形態(tài)進行研究有助于磷在沉積物-水系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的認識[14-16].

太湖位于我國長江三角洲南部,面積2338.1km2,平均水深2.6m左右.西部及南部為主要來水區(qū),東太湖為主要出水區(qū),太湖南部較北部水量交換周期短.西部分布著較厚的軟泥,最深處達5m以上.西部及北部湖區(qū)營養(yǎng)鹽超標嚴重,出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng),已經(jīng)對飲用水、工農(nóng)業(yè)用水、漁業(yè)用水及觀光業(yè)等造成不利影響.目前對太湖沉積物中磷的形態(tài)變化研究較多[17-20].但主要集中于北部局部湖區(qū)或表層沉積物,對太湖全湖不同營養(yǎng)水平湖區(qū)磷形態(tài)的探討并不多見.本研究通過對太湖全湖典型湖區(qū)30cm柱狀沉積物中磷形態(tài)的測定,分析太湖各湖區(qū)沉積物中不同磷形態(tài)含量的變化及賦存特征,試圖在更高分辨率上探討太湖不同營養(yǎng)水平條件下磷形態(tài)賦存所揭示的環(huán)境意義.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

圖1 太湖采樣點位置示意Fig.1 Locations of the sampling sites in Taihu Lake

2009年11月采用柱狀采樣器(內(nèi)徑=8cm)于太湖北部梅梁灣(T1),竺山灣(T2),太湖西部(T3),太湖南部(T4),太湖東部(T5)及湖心區(qū)(T6)無擾動采集柱狀沉積巖芯(圖1),每站位采得3個平行樣,取上部30cm現(xiàn)場以1cm層距分樣,采得子樣品立即置于密封聚乙烯袋中,混合均勻.并同時采集相應(yīng)點位上覆湖水,一同放入敷有冰袋的保溫箱中低溫避光保存,水樣帶回實驗室后立即分析.

1.2 理化指標分析

太湖上覆水體指標包括總磷(TP)、總氮(TN)、總?cè)芙庑粤? SRP),水樣以0.45μm GF/C玻璃纖維濾膜(Whatman,UK)過濾后測 SRP.沉積物冷凍干燥后以瑪瑙研缽研磨過100目篩后,采用歐洲標準測試委員會框架下發(fā)展起來的SMT法[21-22]連續(xù)提取磷形態(tài),SMT法將沉積物磷形態(tài)分為弱吸附態(tài)磷(NH4Cl-P)、堿提取態(tài)磷(NaOH-P)、酸提取態(tài)磷(HCl-P)、無機磷(IP)、有機磷(OP)及總磷(TP).有機質(zhì)含量以沉積物分別在105℃及450℃下灼燒所得燒失量(LOI)表示.

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水特征及沉積物中磷形態(tài)垂向變化

本次采樣點基本上覆蓋了太湖的各個典型營養(yǎng)水平湖區(qū).主要營養(yǎng)鹽指標中,太湖北部及西部的T1、T2點位的TN濃度高于T4、T5和T6點位TP的濃度,而TP表現(xiàn)出T2、T3點位的濃度遠高于其他點位,T2、T3點位的SRP濃度也明顯高于其他點位.太湖水質(zhì)狀況在空間上表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性,表明各湖區(qū)受到不同程度的污染.太湖水體1981年TN及TP的平均含量分別為0.9mg/L、0.02mg/L[23],可以發(fā)現(xiàn) 30年來太湖重污染湖區(qū)包括梅梁灣、竺山灣及太湖西北部TN和TP濃度分別升高約2～5倍及2.5～5.8倍,富營養(yǎng)化程度明顯加重,這一結(jié)果也從Trolle等[24]的研究中得到證實.太湖北部及西北部為太湖流域河流的主要進水區(qū),據(jù) Kelderman等[25]估算太湖1998-2000年年平均河流輸入太湖 TP含量約1590×103kg,約有1590×103kg累計沉積到湖泊沉積物中,而通過大氣沉降的TN及 TP約為4722kg/a和75kg/a[26],如此高濃度營養(yǎng)鹽進入湖體并沉積到沉積物中,成為湖泊污染的內(nèi)源,在后期的環(huán)境因子變化作用下釋放出來,是太湖水體營養(yǎng)水平增加的重要原因[27].

圖2為太湖各采樣點沉積物 30cm深度NH4Cl-P、NaOH-P、HCl-P、OP及TP的垂向分布.由圖2可見,各采樣點垂向的變化表現(xiàn)出顯著的差異性.T1、T3點位NH4Cl-P、NaOH-P、HCl-P、OP及TP含量從表層至30cm沉積深度并不顯著,而T2點位卻變化劇烈,從表層至約15cm深度急劇降低,15～30cm深度基本保持不變.對于NH4Cl-P含量,T1點位在3.5～67.9mg/kg之間,表現(xiàn)出從表層至下部 16cm 深度呈逐漸升高然后降低的趨勢.T2點位在 11.5～116.9mg/kg之間變化,從表層至 15cm 深度呈降低-升高-降低變化,然后維持不變至 30cm深度,T3則在5.6～49.2mg/kg之間,從表層至7cm深度迅速升高,然后總體降低至17cm深度的10mg/kg左右.對于NaOH-P含量,T1和T3點位在30cm深度內(nèi)基本維持在 200mg/kg, 而T2則明顯的由近表層約800mg/kg降至約16cm處的200mg/kg左右,并向下保持此濃度無大的變化.對于HCl-P含量,T1、T3點位30cm深度上并不大的變化,T2點位從表層至15cm深度由287.9mg/kg降至168.7mg/kg,然后至30cm變化不顯著.T1、T2、T3的OP及TP變化的大體趨勢類似,即表層至16cm深度逐漸降低然后基本保持無大的變化.

表1 采樣點位置及上覆水體部分理化指標Table 1 Positions of sample sites and physi-chemical indexes in overlying water

圖2 太湖各采樣點磷形態(tài)垂向分布Fig.2 Vertical distribution of Phosphorus forms of sample sites in Taihu Lake

2.2 磷形態(tài)垂向變化

T4、T5、T6點位的NH4Cl-P含量由表層的約0mg/kg增加到約13cm的最高值(分別為17.9、28.4和36.7mg/kg),然后逐漸下降.NaOH-P表現(xiàn)出小幅度先增加-降低-增加-降低的總體趨勢,T4、T5、T6 分別在 64.7～191.7mg/kg、51.3～127.7mg/kg、87.8～138.1mg/kg之間變化,30cm深度內(nèi)T6的HCl-P 含量基本無大的變化.T4由近表層240mg/kg升高到約 320mg/kg,向下維持無大的變化.T6則維持在150～200mg/kg之間,T5從表層至11cm深度基本穩(wěn)定在 200mg/kg,然后迅速增加到約13cm 深度的263.1mg/kg,向下則基本維持穩(wěn)定.OP含量在T4、T5、T6點位表現(xiàn)出比較一致的變化趨勢,由表層139、150、143mg/kg到13cm深度處迅速降低至約35、25、23mg/kg,然后保持無明顯的變化.就TP而言,T6 由表層至5cm深度輕微升高至520.5mg/kg,然后至9cm深度迅速降低至300mg/kg,并向下保持較穩(wěn)定的含量.除近表層個別層位,T4大致在450～500mg/kg之間.T5總體也表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢,大致在450～525mg/kg之間.

圖3 太湖各采樣點磷形態(tài)垂向分布含量占TP的比例Fig.3 The proportions of Phosphorus forms accounting for TP of sample sites in Taihu Lake

太湖6個采樣點的沉積物不同形態(tài)P含量占 TP比例表現(xiàn)出不同的特征(圖3),太湖北部竺山灣(T2)整個剖面上變化較大,NH4Cl-P在5～20cm 的含量高于其他層位.事實上,該深度區(qū)也是微生物豐度高及活性強、氧化還原電位低的區(qū)位.各點位 NH4Cl-P占 TP比例總體為T1、T2 ＞ T3 ＞ T4、T5、T6.深度剖面上 NaOH-P含量的分布與NH4Cl-P含量類似,占TP比例總體為T2 ＞ T1 ＞ T3 ＞ T4、T5、T6.HCl-P 垂直剖面上的含量則明顯不同,占TP比例總體為T4 ＞T5 ＞ T6 ＞ T1、T3 ＞ T2,由表層至 30cm 底部整體逐漸升高,最高值約80%.而OP含量則無較明顯的趨勢,垂直剖面上至約20cm深度以下占TP比例普遍低于12%,這和該層位以下有機質(zhì)含量較低有關(guān).

2.3 有機質(zhì)含量與磷形態(tài)相關(guān)關(guān)系

圖4 太湖各采樣點垂向剖面上有機質(zhì)含量的變化Fig.4 Vertical variation of the organic matter content of sample sites in Taihu Lake

太湖各采樣點位垂向剖面上有機質(zhì)含量的變化見圖 4.T1點位除次表層略高外,30cm深度上保持在1.0%左右.T2點位則由表層的1.55%降低到底部的0.89%.T3由表層的1.01%降低至底部的0.54%.T4的變化趨勢類似于 T1,整個剖面上在1.0%左右.T5、T6分別由近表層的1.15%、0.97%減至于底部的0.53%、0.61%.約15cm以上北部梅梁灣(T1)及竺山灣(T2) 有機質(zhì)含量明顯高于其他湖區(qū).由表2可見,除NH4Cl-P與有機質(zhì)含量表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)外,有機質(zhì)含量與其他形式P形態(tài)相關(guān)性并不一致.NaOH-P與有機質(zhì)含量之間的相關(guān)系數(shù)由顯著負相關(guān)的-0.50(T1)變化到顯著正相關(guān)的0.59(T3),HCl-P與有機質(zhì)含量之間的相關(guān)系數(shù)由顯著負相關(guān)的-0.89(T5)變化到顯著正相關(guān)的0.97(T2),OP與有機質(zhì)含量由明顯無相關(guān)性(T4)變化到極顯著相關(guān)的0.94(T2).而T2、T3點位有機質(zhì)含量與各形態(tài)磷皆表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性,反映出重污染湖區(qū)垂向沉積剖面上有機質(zhì)是磷形態(tài)含量的重要影響因素.

表2 太湖采樣點有機質(zhì)含量與各形態(tài)磷之間相關(guān)關(guān)系Table2 Correlation between organic matter content and Phosphorus forms of sample sites in Taihu Lake

2.4 磷形態(tài)揭示的太湖環(huán)境意義

相同沉積深度上,太湖T1、T2及T3點位垂直剖面上 NH4Cl-P含量總體明顯高于 T4、T5及T6點位.上部約10cm的NaOH-P含量總體高于 HCl-P含量,下部則為HCl-P含量高于NaOH-P含量,T4、T5及T6點位30cm垂直剖面上的HCl-P含量總體高于 NaOH-P含量.NaOH-P主要為與 Fe、Mg等結(jié)合在一起的磷,HCl-P主要為與Ca等結(jié)合在一起的磷.T1、T2及T3采樣點位于太湖北部及西北部,承接太湖的主要入湖水系,沿岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達,從而受納大量的生產(chǎn)及生活污水.T2所在的竺山灣尤其嚴重.作為可為生物直接利用的磷形態(tài),較高的NH4Cl-P含量為水生植物生長提供了內(nèi)在持續(xù)的磷源,從而維持較高的營養(yǎng)水平,這一定程度上導致太湖北部及西北部的藻華現(xiàn)象嚴重于太湖其他湖區(qū).而太湖北部及西北部NaOH-P的含量整體高于南部、東部及湖心采樣點位的含量.一方面NaOH-P和人類干擾相關(guān),具有更強的環(huán)境指示意義[22],太湖南部及東部高值反映了這些湖區(qū)工業(yè)污水及城市污水的輸入量高于其他湖區(qū).另一方面鐵結(jié)合態(tài)磷的賦存與氧化還原電位等環(huán)境條件密切相關(guān),各采樣點 5～20cm 相對低的氧化還原電位利于 NaOH-P向 NH4Cl-P轉(zhuǎn)化,這一定程度解釋了 5～20cm 沉積物中NH4Cl-P含量的上升.NaOH-P在沉積物中經(jīng)歷復(fù)雜的解析-沉淀后,向上一部分轉(zhuǎn)化為弱吸附態(tài)的磷游離到間隙水中并通過濃度梯度向上覆水遷移,向下一部分以穩(wěn)定的晶體形態(tài)最終埋藏下去,一部分轉(zhuǎn)化為其他更為穩(wěn)定形態(tài)的磷.而HCl-P則表現(xiàn)出沉積埋藏的特性[28],表現(xiàn)為太湖所有采樣點由表層往下HCl-P含量占TP比例明顯升高.在湖泊水體酸化條件下,HCl-P相比NaOH-P更容易釋放出來[29].太湖南部及湖心T4、T5及T6垂直剖面上的HCl-P含量總體略高于北部及西部的T1、T2及T3點位,這可能和南部及東部湖區(qū)具有更高的生物量有關(guān),從而生成更高含量的自生鈣磷(例如生物骨骼碎屑、碳酸鈣結(jié)合磷等)[30].而OP太湖全湖表現(xiàn)出明顯的表層高底部低的趨勢,一定程度上和太湖作為大型淺水湖泊,復(fù)氧較為充分,有機質(zhì)礦化作用較強有關(guān).6個采樣點OP的含量整體上表現(xiàn)為北部湖區(qū)高于其他湖區(qū).雖然OP占TP的比例低于NaOH-P和HCl-P,但由于 OP的可礦化及降解性,對孔隙水中生物可利用磷的濃度及擴散也起著重要作用.這表現(xiàn)為6個采樣點的有機質(zhì)含量與OP及NH4Cl-P表現(xiàn)出比較明顯的正相關(guān)性(表2).T2、T3采樣點有機質(zhì)含量與所有磷形態(tài)都表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性,這和李軍等[31]對太湖北部五里湖的研究結(jié)果較一致,這一定程度上可能和這些湖區(qū)有機態(tài)磷及生物量較高,有機態(tài)磷向其他形態(tài)磷的轉(zhuǎn)化有關(guān).

3 結(jié)論

3.1 太湖不同湖區(qū)沉積物中有機質(zhì)含量基本由表層向底部逐漸降低. 重污染湖區(qū)(竺山灣及太湖西部)有機質(zhì)含量與各形態(tài)磷皆表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性, 反映出重污染湖區(qū)垂向沉積剖面上有機質(zhì)是磷形態(tài)含量的重要影響因素.

3.2 太湖北部梅梁灣,竺山灣和太湖西部上覆水及沉積物中的TP含量高于其他湖區(qū),而沉積物中可為生物直接利用的NH4Cl-P含量也表現(xiàn)出北部及西北部高于其他湖區(qū)的特點.東部及南部湖區(qū)比較穩(wěn)定的HCl-P含量總體高于北部及西北部湖區(qū),而北部湖區(qū)的OP含量高于太湖東部及南部湖區(qū).對環(huán)境條件比較敏感的NaOH-P,太湖各采樣點垂向剖面上表現(xiàn)為北部及西北湖區(qū)的含量整體高于其他湖區(qū),表明太湖北部及西北湖區(qū)特別是竺山灣污染狀況較為嚴重,受人為污染源輸入影響明顯,也是這些湖區(qū)藻華嚴重的重要原因.

[1]Golterman H. L. Fractionation and bioavailability of phosphates in lacustrine sediments: a review [J]. Limnetica, 2001,20(1):15-29.

[2]Eggleton J, Thomas K V. A review of factors affecting the release and bioavailability of contaminants during sediment disturbance events [J]. Environment International, 2004,30:973-980.

[3]金相燦,姜 霞,徐玉慧,等.太湖東北部沉積物可溶性氮、磷的季節(jié)性變化 [J]. 中國環(huán)境科學, 2006,26(4):409-413.

[4]Banaszuk P, Wysocka-Czubaszek A. Phosphorus dynamics and fluxes in a lowland river: The Narew Anastomosing River System,NE Poland [J]. Ecological Engineering, 2005,25:429-441.

[5]Sundby B, Gobeil C, Silverberg N, et al. The Phosphorus cycle in coastal marine sediments [J]. Limnology and Oceanography, 1992,37(6),1129-l145.

[6]孫小靜,秦伯強,朱廣偉.藍藻死亡分解過程中膠體態(tài)磷、氮、有機碳的釋放 [J]. 中國環(huán)境科學, 2007,27(3):341-345.

[7]S?ndergaard M, Jensen J P, Jeppesen E. Internal Phosphorus loading in a shallow eutrophic Danish lake [J]. Hydrobiologia,1999, 408/409: 145-152.

[8]Hupfer M, Lewandowski J. Oxygen controls the Phosphorus release from lake sediments-a long-lasting paradigm in limnology.Internat [J]. International Review of Hydrobiology, 2008,93(4/5):415-432.

[9]Jensen H S, Andersen F O. Importance of temperature, nitrate,and pH for phosphate release from aerobic sediments of four shallow, eutrophic lakes [J]. Limnology and Oceanography,1992,37(3):577-589.

[10]Bostrom B. Relations between chemistry, microbial biomass and activity in sediments of a sewage-polluted vs a nonpolluted eutrophic lake [J]. Internationale Vereinigung für theoretische und angewandte Limnologie, 1988,23(1):451-459.

[11]Beklioglu M, Carvalho L, Moss B. Rapid recovery of a shallow hypertrophic lake following sewage effluent diversion: lack of chemical resilience [J]. Hydrobiologia, 1999,412:5-15.

[12]李大鵬,黃 勇,李偉光.河道底泥再懸浮狀態(tài)對磷平衡濃度的影響 [J]. 中國環(huán)境科學, 2008,28(5):94-98.

[13]S?ndergaard M, Kristensen P, Jeppesen E. Phosphorus release from resuspended sediment in the shallow and windexposed Lake Arres?, Denmark [J]. Hydrobiologia, 1992,228:91-99.

[14]Kassila J, Hasnaoui M, Yahyaoui A. Sequential extractions of inorganic and org-phosphate from fish pond sediments (Deroua station, Beni Mellal, Morocco) by different fractionation methods[J]. Hydrobiologia, 2000,431:51-58.

[15]Pardo P, Rauret G, López-Sánchez J F. Analytical approaches to the determination of Phosphorus partitioning patterns in sediments [J]. Journal of Environmental Monitoring, 2003,5:312-318.

[16]Ruban V, López-Sánchez J F, Pardo P, et al. Selection and evaluation of sequential extraction procedures for the determination of Phosphorus forms in lake sediment [J]. Journal of Environmental Monitoring, 1999,1,51-56.

[17]Jiang X, Jin X C, Yao Y, et al. Effects of biological activity, light,temperature and oxygen on Phosphorus release processes at the sediment and water interface of Taihu Lake, China [J]. Water Research, 2008,42(8-9):2251-2259.

[18]金相燦,王圣瑞,龐 燕.太湖沉積物磷形態(tài)及pH值對磷釋放的影響 [J]. 中國環(huán)境科學, 2004,24(6):707-711.

[19]黃清輝,王東紅,王春霞,等.太湖梅梁灣和五里湖沉積物磷形態(tài)的垂向變化 [J]. 中國環(huán)境科學, 2004,24(2):147-150.

[20]張 路,范成新,秦伯強,等.模擬擾動條件下太湖表層沉積物磷行為的研究 [J]. 湖泊科學, 2001,13(1):35-42.

[21]Ruban V, López-Sánchez J F, Pardo P, et al. Harmonized protocol and certified reference material for the determination of extractable contents of Phosphorus in freshwater sediments-A synthesis of recent works [J]. Fresenius Journal of Analytical Chemistry, 2001, 370:224-228.

[22]Ruban V, Brigault S, Demare D, et al. An investigation of the origin and mobility of Phosphorus in freshwater sediments from Bort-Les-Orgues Reservoir, France [J]. Journal of Environmental Monitoring, 1999,1:403-407.

[23]成小英,李世杰.長江中下游典型湖泊富營養(yǎng)化演變過程及其特征分析 [J]. 科學通報, 2006,51(7):848-855.

[24]Trolle D, Zhu G W, Hamilton D, et al. The influence of water quality and sediment geochemistry on the horizontal and vertical distribution of Phosphorus and nitrogen in sediments of a large,shallow lake [J]. Hydrobiologia, 2009,627:31-44.

[25]Kelderman1P, Wei Z, Maessen M. Water and mass budgets for estimating Phosphorus sediment-water exchange in Lake Taihu(China P. R.) [J]. Hydrobiologia, 2005,544:167-175.

[26]Luo L C, Qin B Q, Song Y Z, et al. Seasonal and regional variations in precipitation chemistry in the Lake Taihu Basin,China [J]. Atmospheric Environment, 2007,41:2674-2679.

[27]Qin B Q, Yang L Y, Chen F Z, et al. Mechanism and control of lake eutrophication [J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(19):2401-2412.

[28]Rydin E. Potentially mobile Phosphorus in Lake Erken sediment[J]. Water Research, 2000,34(7):2037-2042.

[29]Jin X C, Wang S R, Pang Y, et al. Phosphorus fractions and the effect of pH on the Phosphorus release of the sediments from different trophic areas in Taihu Lake, China [J]. Environmental Pollution, 2006,139:288-295.

[30]Ruttenberg K C. Development of a sequential extraction method for different forms of Phosphorus in marine sediments [J].Limnology and Oceanography, 1992,37(7):1460-1482.

[31]李 軍,劉叢強,王仕祿,等.太湖五里湖表層沉積物中不同形態(tài)磷的分布特征 [J]. 礦物學報, 29(4):405-410.