向速林，周文斌，聶發(fā)輝

(1:南昌大學(xué)教育部鄱陽湖湖泊生態(tài)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330047)

(2:華東交通大學(xué)環(huán)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(fā)輝2

(1:南昌大學(xué)教育部鄱陽湖湖泊生態(tài)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330047)

(2:華東交通大學(xué)環(huán)境工程系，南昌330013)

根據(jù)2010年1月對鄱陽湖各站點(diǎn)沉積物的采樣分析，研究了鄱陽湖沉積物間隙水中總?cè)芙庑粤?DTP)與可溶性正磷酸鹽(DIP)的含量及其分布特征，并對各站點(diǎn)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(jìn)行了相關(guān)性分析.結(jié)果表明，鄱陽湖各站點(diǎn)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(guān)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(guān)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(guān)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(yǎng)物質(zhì)的重要儲存庫，同時也是湖泊水體中營養(yǎng)鹽的重要內(nèi)源.在沉積物氮、磷等營養(yǎng)鹽的內(nèi)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(yǎng)鹽交換的重要介質(zhì)［1-4］.沉積物間隙水中氮、磷含量對上覆水中營養(yǎng)鹽供給非常重要，當(dāng)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(zhì)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(yǎng)物質(zhì)，且間隙水中氮、磷剖面分布是沉積物中有機(jī)物質(zhì)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(huán)境的優(yōu)劣，并在一定程度上影響到底棲生物的生存、發(fā)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(yǎng)鹽在沉積物與水界面的交換過程，是掌握營養(yǎng)鹽生物地球化學(xué)循環(huán)的重要手段之一［1，10-11］，并有利于把握磷在沉積物中所發(fā)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(jié)性淺水湖泊.隨著鄱陽湖區(qū)域經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，農(nóng)藥和化肥大量施用，城鎮(zhèn)排污量和人口的增加使大量營養(yǎng)物質(zhì)不斷流入湖泊，鄱陽湖富營養(yǎng)化程度日漸增加，嚴(yán)重制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)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(rèn)識鄱陽湖富營養(yǎng)化進(jìn)程具有重要意義.國內(nèi)外學(xué)者對湖泊沉積物間隙水中氮、磷分布特征進(jìn)行了相關(guān)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(jié)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(dú)特的湖泊水環(huán)境特征，從而導(dǎo)致其沉積環(huán)境的獨(dú)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(qū)由于上游河水的沖刷等作用導(dǎo)致了鄱陽湖各河口區(qū)的水環(huán)境特征的動態(tài)變化，這些獨(dú)特的區(qū)域環(huán)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(jié)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(jié)性湖泊沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽分布特征的研究具有重要的借鑒意義.目前，有關(guān)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(guān)鄱陽湖沉積物間隙水中磷的含量及其分布特征的系統(tǒng)性研究則鮮見報道，而對其它湖泊沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽的研究成果中所發(fā)現(xiàn)的分布規(guī)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(jìn)行系統(tǒng)研究和探索.本文根據(jù)鄱陽湖表層及柱狀沉積物間隙水樣品中磷的分析結(jié)果，探討了沉積物間隙水中的總?cè)芙庑粤?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(guān)性.本研究的開展對于掌握鄱陽湖營養(yǎng)鹽的內(nèi)源污染機(jī)理具有重要意義，并可為鄱陽湖水體富營養(yǎng)化的控制與治理提供重要的參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在枯水季節(jié)(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(diǎn)水位較淺處設(shè)置10個站點(diǎn)(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(xiàn)場按照2 cm間隔進(jìn)行切割分裝，并且在4 h之內(nèi)以4000 r/min的轉(zhuǎn)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?zhèn)錅y.其中，用2 cm間隔分層后的沉積物分別進(jìn)行離心獲取離心液，用于研究間隙水營養(yǎng)鹽垂直分布，采用表層0-2 cm的沉積物進(jìn)行離心獲取離心液，用于研究間隙水營養(yǎng)鹽空間分布.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

沉積物間隙水中磷的物理狀態(tài)一般可分為溶解態(tài)、懸浮態(tài)及膠體態(tài).無論是懸浮態(tài)或溶解態(tài)，又可分為正磷酸鹽磷、聚合磷酸鹽磷和有機(jī)磷三種主要形態(tài)，其中溶解態(tài)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?cè)芙庑粤?DTP)與可溶性正磷酸鹽磷(DIP).鄱陽湖沉積物中形態(tài)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(diǎn)分布Fig.1 Sampling locations in Lake Poyang sediment interstitial water

2 結(jié)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(yǎng)鹽含量水平是沉積物中有機(jī)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(shù)量等多種因素綜合作用的結(jié)果［11］，一般認(rèn)為，沉積物間隙水中氮、磷等營養(yǎng)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(zhì)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(yǎng)鹽的交換［6］.鄱陽湖各站點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)(L1、L2、L3與L4)中DTP與DIP含量略低于主湖區(qū)及湖口站點(diǎn)(L5、L6、L7、L8、L9 與 L10)(圖2)，其主要原因可能是河口地區(qū)站點(diǎn)湖流運(yùn)動強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)則位于小島嶼附近，受風(fēng)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(diǎn)也在一定程度上受到周圍陸地污染物排放的影響，從而導(dǎo)致這些站點(diǎn)表層沉積物間隙水中DTP與DIP含量略高于河口地區(qū);此外，L7站點(diǎn)位于人口相對密集區(qū)域以及排污口附近，上游含磷工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的直接排放導(dǎo)致了該監(jiān)測點(diǎn)上覆水體中磷含量增加，從而使得該站點(diǎn)沉積物中磷的積累量相對較高;其它站點(diǎn)(L8、L9、L10)位于湖區(qū)的北部水道區(qū)，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(zhì)的沉積，從而使得這些站點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)水生高等植物的分布以及沉積環(huán)境有關(guān).沉積物中磷的釋放與沉積物氧化還原條件密切相關(guān)，一般而言，沉積物氧化環(huán)境會促進(jìn)沉積物對上覆水體中磷的吸附過程，而厭氧環(huán)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(diǎn)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(diǎn)附近區(qū)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(diǎn)沉積物與水界面的還原環(huán)境也加速了表層沉積物間隙水中磷向上覆水的轉(zhuǎn)移，因而降低了這些站點(diǎn)表層沉積物間隙水中DTP與DIP濃度;站點(diǎn)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(diǎn)沉積物所處的氧化環(huán)境及沉積物自身特性有關(guān)，通過對獲取的沉積物樣品的定性比較可知，相對其它站點(diǎn)，這些站點(diǎn)沉積物顆粒的粒徑相對較細(xì)，有利于其對上覆水體中磷的吸附，從而也使得這些站點(diǎn)表層沉積物間隙水中磷含量相對其它站點(diǎn)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(yǎng)鹽的剖面分布趨勢是沉積物中有機(jī)物質(zhì)降解過程與生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)過程的一個敏感指示，了解沉積物間隙水中營養(yǎng)鹽的分布剖面有助于掌握沉積物中有機(jī)物礦化作用及測定沉積物與水界面營養(yǎng)鹽交換通量［7-8］.鄱陽湖各個監(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn)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(dá)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(zhuǎn)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(jī)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(jié)果基本一致［14］，產(chǎn)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(jié)晶的對磷具有較強(qiáng)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(dǎo)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(qiáng)，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(dá)一定深度后，深層沉積物中磷的濃度越來越低，從而導(dǎo)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(shí)，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(jī)碎屑減少，有機(jī)質(zhì)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(yīng)降低［12］.沉積物間隙水中營養(yǎng)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(guān)性分析

鄱陽湖各監(jiān)測點(diǎn)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(guān)性，而各監(jiān)測點(diǎn)表層沉積物中IP含量與其間隙水中DIP含量相關(guān)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(jiān)測點(diǎn)表層沉積物TP和IP含量與間隙水中DTP與DIP含量的相關(guān)關(guān)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(xué)基金項(xiàng)目(40672159)、江西省科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(2010BNA09600)和江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2009GZH0023)聯(lián)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.