張翠英，徐德蘭* ，萬 蕾，宋新恒，董 瀟

(1.徐州工程學(xué)院/徐州市農(nóng)業(yè)資源質(zhì)量監(jiān)測及產(chǎn)地污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221111;2.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

沉積物是湖泊營養(yǎng)鹽重要的蓄積庫，是湖水氮、磷元素的重要來源之一，在水體缺乏營養(yǎng)時(shí)，水生生物的生長主要是靠底泥釋放的營養(yǎng)物維持調(diào)節(jié)[1]。而堿性磷酸酶在沉積物的生物釋磷過程中具有關(guān)鍵作用。堿性磷酸酶是一種專一性的磷酸酯水解酶，可以催化所有的磷酸酯的水解反應(yīng)和磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，在沉積物的生物釋磷過程中具有關(guān)鍵作用，而且其活性大小也反映湖泊水體磷營養(yǎng)水平[2]，與富營養(yǎng)化之間具有必然的聯(lián)系[3]。國內(nèi)外學(xué)者對太湖、東湖等湖泊沉積物中氮磷形態(tài)和含量及堿性磷酸酶已做過一些研究[4－7]，但對云龍湖沉積物中氮磷含量及堿性磷酸酶的性質(zhì)，卻鮮有報(bào)道。

本文研究了云龍湖沉積物中氮磷含量和堿性磷酸酶活性 (alkaline phosphatase activity，APA)在不同深度的動態(tài)分布，分析了其季節(jié)變化特征，以及酶活性與磷含量的相關(guān)性。以期初步揭示云龍湖沉積物中氮、磷和堿性磷酸酶的分布狀況和變化規(guī)律，為云龍湖的治理與管理提供科學(xué)依據(jù)。研究底泥中氮磷含量和堿性磷酸酶活性的季節(jié)變化規(guī)律，對于控制內(nèi)源磷污染，解決城市生態(tài)系統(tǒng)作用下的湖泊富營養(yǎng)化問題具有重要的意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

云龍湖(N:34°13'～34°15'，E:117°07'～117°10')位于徐州市南郊，屬淺水湖泊，是江蘇省著名省級保護(hù)區(qū)之一。湖區(qū)水域面積為6.76 km2，集水區(qū)面積為6.3 km2，最大水深5.1 m，平均水深2.5 m。集水區(qū)植被覆蓋率70%，植物類型以人工林為主;其集水區(qū)主要為丘陵，土壤為粘土。近年來，隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速增長，云龍湖已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的水體富營養(yǎng)化，且其東區(qū)的污染相對較重，在導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的因素中，城市面源污染負(fù)荷與點(diǎn)源相比，已占有相當(dāng)?shù)谋壤齕8]。云龍湖水體的富營養(yǎng)化與人類活動密切相關(guān)，云龍湖東部、北部的游船、水上世界等娛樂區(qū)域以及西部的餐飲區(qū)域，其水體的富營養(yǎng)化程度較高，而湖中心是人類活動較少的區(qū)域，其水體的富營養(yǎng)化程度較低。

1.2 樣品采集與處理

在云龍湖距岸20 m處沿湖周分東、西兩區(qū)，共設(shè)置了20個(gè)采樣點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)湖采樣，布設(shè)情況如圖1所示。4次采樣時(shí)間分別為:2009年4月11日(春季)、2009年6月13日(夏季)、2009年9月4日(秋季)、2009年12月30日(冬季)。

對云龍湖沉積物的研究，采用柱狀采樣器(?=8 cm)采集沉積物，自上而下分為3層(表層0～3 cm，次表層4～6 cm，第3層7～11 cm)，將采集的沉積物放入塑料袋中帶到實(shí)驗(yàn)室，在40℃烘箱中烘干，經(jīng)碾缽研磨，過100目篩后放入塑料袋中待用。同時(shí)測定各采樣點(diǎn)水體表層的pH值(pH計(jì))、水溫(溫度計(jì))、溶解氧(YSI DO200型溶解氧測量儀)等數(shù)據(jù)。

圖1 云龍湖取樣點(diǎn)位圖Fig.1 Sampling Sits of Yunlong Lake

1.3 樣品分析方法

沉積物中總氮、總磷的測定分別為微量凱氏定氮法和H2SO4-HClO4消解鉬銻抗比色法[9－10]。堿性磷酸酶的測定以PNPP為底物，和Tris反應(yīng)，NaOH中止反應(yīng)，420 nm測定吸光度，堿性磷酸酶活性以每克干土生成的對硝基酚(P-NP)的量表示[11]。數(shù)據(jù)處理采用Excel和SPSS13.0軟件，具體分析方法有配對T檢驗(yàn)、One-Way ANOVA方差分析和Pearson相關(guān)分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣點(diǎn)基本理化指標(biāo)

采樣期間各點(diǎn)的水溫、pH值、DO值等指標(biāo)的變化見表1。從表1中可以看出，云龍湖水體4月中旬水溫在20℃左右，6月中旬在25℃左右，9月初26℃左右，12月底3℃左右。不同季節(jié)pH值在7.08～9.32 變化，平均8.30;除秋季外，其他季節(jié)DO 值含量較高，在2.35 ～9.09 mg/mL 變化，平均 6.27 mg/mL。

表1 采樣點(diǎn)的基本理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of water of sampling sites in Yunlong Lake

2.2 沉積物中氮元素含量季節(jié)變化特征

云龍湖沉積物中各點(diǎn)位的總氮含量變化見圖2。從圖2可以看出，云龍湖各個(gè)季節(jié)不同采樣點(diǎn)不同深度的沉積物中，表層(0～3 cm)總氮含量變幅為0.064～1.62 mg/g，最高值、最低值分別出現(xiàn)在秋季9號點(diǎn)和冬季4號點(diǎn)，次表層(4～6 cm)變幅為0.063～1.40 mg/g，最高值、最低值分別為秋季2號點(diǎn)和冬季13號點(diǎn)，第3層(7～11 cm)變幅為0.064～1.52 mg/g，最高值、最低值分別為秋季17號點(diǎn)和冬季5號點(diǎn)。根據(jù)美國EPA中沉積物TN污染的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，云龍湖取樣點(diǎn)位為清潔和輕污染狀態(tài)。不同季節(jié)沉積物中總氮含量不同，夏季含量高于春季，可能受高溫、微生物以及人類活動等影響;秋季含量最高，可能由于大量繁殖的水生生物死亡后的殘?bào)w沉積于湖底所致;冬季含量最低，可能因?yàn)樗劳龅纳锏V化分解消耗大量的溶解氧，使沉積物處于還原環(huán)境，引起厭氧反硝化反應(yīng)，導(dǎo)致沉積物氮元素的釋放，加之人類活動強(qiáng)度大大降低，整個(gè)湖區(qū)沉積物總氮含量較低，而18號點(diǎn)表層總氮含量較高的原因可能是人類活動造成的偶然性，因?yàn)樵擖c(diǎn)靠近人類活動頻繁的金山公園。在沉積物各層，秋冬季表層總氮含量最高，第3層次之，高于次表層;春夏季表層也最高，次表層次之，高于第3層，但總體趨勢表現(xiàn)為表層總氮含量高于底層，這說明云龍湖沉積物氮負(fù)荷受人為影響較大。方差分析表明，春、夏、秋、冬季3層沉積物氮含量變化差異顯著(P＜0.05)。

圖2 云龍湖春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和春季(d)沉積物中TN含量垂向變化Fig.2 TN content in different depths in Luoma Lake sediment of Spring(a)，Summer(b)，Autumn(c)and Winter(d)

2.3 沉積物中磷元素含量季節(jié)變化特征

云龍湖沉積物中各點(diǎn)位的總磷含量變化見圖3。從圖3可以看出，云龍湖各個(gè)季節(jié)不同采樣點(diǎn)不同深度的沉積物中，表層總磷含量變幅為0.02～0.52 mg/g，最低值、最高值分別為夏季17號點(diǎn)和秋季3號點(diǎn);次表層變幅為0.005～0.50 mg/g，最低值、最高值分別為夏季10號點(diǎn)和秋季的6號點(diǎn);第3層變幅為0.007～0.92 mg/g，最低值、最高值分別為夏季15號點(diǎn)和秋季17號點(diǎn)。不同季節(jié)沉積物中總磷含量不同，秋季含量最高，可能由于水生植物的衰亡、復(fù)雜的水生生物類型和高強(qiáng)度的人類活動等因素引起;夏季含量最低，可能由于解磷細(xì)菌活力增強(qiáng)、藻類大量繁殖有關(guān)[12];冬春季含量較高，可能因?yàn)樗飻?shù)量較少和生長緩慢而減緩了沉積物磷酸鹽釋放的緣故。在沉積物各層，不同季節(jié)表層總磷含量均最高，夏季表現(xiàn)為次表層＞第3層，其他季節(jié)為第3層＞次表層，但總體規(guī)律上與總氮相似，出現(xiàn)“表層富積”現(xiàn)象，主要原因是受到人類活動的影響。方差分析表明，春、夏、秋、冬季三層沉積物磷含量變化差異顯著(P＜0.05)。

圖3 云龍湖春季(a)夏季(b)、秋季(c)和春季(d)沉積物中TP含量垂向變化Fig.3 TP content in different depths in Luoma lake sediment of Spring(a)，Summer(b)，Autumn(c)and Winter(d)

2.4 沉積物中堿性磷酸酶活性季節(jié)變化特征

云龍湖沉積物中各點(diǎn)位的堿性磷酸酶活性變化見圖4。從圖4可以看出，云龍湖各個(gè)季節(jié)不同采樣點(diǎn)不同深度的沉積物中，表層堿性磷酸酶活性變幅為97.99～554.03 mg/(kg·h)，最低值、最高值分別為冬季6號點(diǎn)和夏季8號點(diǎn);次表層變幅為43.90～396.72 mg/(kg·h)，最低值、最高值分別為冬季和夏季6號點(diǎn);第3層變幅為67.45～406.63 mg/(kg·h)，最低值、最高值分別為春季1號點(diǎn)和夏季20號點(diǎn)。不同季節(jié)沉積物中堿性磷酸酶活性不同，總體上表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，究其原因可能與沉積物解磷微生物的種類與活性有關(guān)，解磷微生物的活性夏季最強(qiáng)，種類秋季最多，春冬季種類最少[13]。在沉積物各層，春、秋季堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為表層＞次表層＞第3層，夏、冬季為表層＞第3層＞次表層，總體上表層明顯大于底層，這是因?yàn)楸韺庸┭醭渥?、營養(yǎng)物質(zhì)豐富，微生物生長繁殖旺盛，而在底層，各種營養(yǎng)物質(zhì)含量較低，含氧量也較少，使得各種生物降解活動減少，堿性磷酸酶的活性也較低[14－15]。方差分析表明，春、夏、秋、冬季3層沉積物堿性磷酸酶活性變化差異顯著(P＜0.05)，表層、次表層和第3層的季節(jié)變化也差異顯著(P＜0.05)。

圖4 云龍湖春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和春季(d)沉積物中APA活性垂向變化Fig.4 APA in different depths in Luoma Lake sediment of Spring(a)，Summer(b)，Autumn(c)and Winter(d)

2.5 沉積物中堿性磷酸酶活性與磷元素含量關(guān)系

沉積物中堿性磷酸酶活性與總磷含量的關(guān)系見表2。從表2可以看出，沉積物APA與TP含量均呈正相關(guān)，在沉積物各層，春、秋、冬季節(jié)相關(guān)系數(shù)按表層、次表層、第3層順序遞減，且冬季表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，從3層平均來看，夏、秋季也表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性?？偭缀康亩嗌倥c沉積物營養(yǎng)水平有關(guān)，也與沉積物中生物數(shù)量有關(guān)，而沉積物中堿性磷酸酶活力既然主要來自微生物的貢獻(xiàn)，則必然與二者也密切相關(guān)[2]。

3 結(jié)論與討論

沉積物中氮、磷的含量分布主要受環(huán)境條件影響[16]。水生動植物的殘?bào)w和地表徑流污染物是湖泊沉積物氮、磷含量的主要來源，而溫度、溶解氧濃度、pH值、微生物、水生生物等微環(huán)境對沉積物氮、磷的釋放有重要影響[17]。在沉積物氮的釋放過程中，溶解氧濃度較高時(shí)，各種好氧微生物的活動增加，沉積物中有機(jī)質(zhì)被礦化分解，沉積物開始蓄積銨態(tài)氮;溶解氧濃度較低時(shí)，沉積物中銨態(tài)氮開始大量釋放;同時(shí)溫度和浮游生物也會通過改變?nèi)芙庋鯘舛榷绊懗练e物氮的釋放。云龍湖沉積物總氮含量秋季較高，冬季較低，在秋季，一方面徑流污染物和水生動植物的殘?bào)w等外源氮大量輸入，另一方面由于氣溫較高、溶解氧濃度較高、微生物生長旺盛等抑制了氮的釋放，因而沉積物總氮水平較高;在冬季，外源氮輸入量較少，低溶解氧濃度引發(fā)了沉積物厭氧還原反應(yīng)導(dǎo)致銨態(tài)氮的大量釋放，從而降低了湖區(qū)沉積物總氮水平。

表2 云龍湖各層沉積物APA與TP含量的相關(guān)系數(shù)(n=20)Tab.2 Correlation coefficients between APA and TP in different layers of sediment in Yunlong Lake(n=20)

在沉積物磷的釋放過程中，水溫是控制可溶性磷釋放的直接因素，而且隨著水溫升高，微生物活性增加，單位時(shí)間內(nèi)消耗氧氣較多，在沉積物表層易形成厭氧區(qū)，會加速可溶性磷的釋放;另外，微生物在沉積物中無機(jī)態(tài)磷酸鹽的釋放過程中起重要作用，厭氧環(huán)境下，沉積物中含有的聚磷菌能夠快速釋磷，而好氧環(huán)境主要是沉積物吸磷過程[18]。云龍湖沉積物總磷含量秋季較高，夏季較低，因?yàn)榍锛舅ネ龅乃镏饕杂袡C(jī)磷形式沉積于湖底，加之好氧環(huán)境抑制可溶性磷的釋放，而夏季由于水溫較高、沉積物表層形成厭氧層、微生物活性增強(qiáng)以及水生植物的生長等因素影響，加速了沉積物中磷的釋放、利用和消耗。王曉蓉等[19]研究太湖沉積物磷釋放發(fā)現(xiàn)，在厭氧釋放過程中，存在著有機(jī)磷向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化，鐵磷、鋁磷向鈣磷、閉蓄態(tài)磷轉(zhuǎn)化的趨勢，沉積物中全磷濃度不斷減少。

沉積物中堿性磷酸酶活性大小與水體理化特性和底泥中的微生物有關(guān)，沉積物中堿性磷酸酶的行為和分布受控于多種因素，與沉積物的質(zhì)地、微生物種群、沉積物磷形態(tài)特征等均有關(guān)系[20]。云龍湖沉積物中堿性磷酸酶活性分布主要與溫度、微生物和水生生物等有關(guān)，堿性磷酸酶活性夏季較高，冬季較低，在夏季，由于溫度較高，細(xì)菌藻類大量繁殖導(dǎo)致沉積物中可溶性磷酸鹽濃度下降，解磷微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生大量堿性磷酸酶，促進(jìn)含磷的有機(jī)質(zhì)水解成可被生物直接利用的磷酸根鹽以供微生物生長所需;而在冬季，由于溫度較低，細(xì)菌藻類衰亡導(dǎo)致沉積物中可溶性磷酸鹽濃度上升，堿性磷酸酶活性被抑制。Sabil等[21]研究發(fā)現(xiàn)，Venice礁湖沉積物APA活性隨溫度升高而增強(qiáng)，在夏季(25～30℃)最高，冬季(5～7℃)最低。

沉積物中堿性磷酸酶活性與磷元素含量關(guān)系密切，沉積物中磷酸鹽濃度降低時(shí)，堿性磷酸酶的活性會增加，使得有機(jī)磷的分解速率加快，導(dǎo)致磷酸鹽濃度的增加，沉積物中磷酸鹽濃度的升高又會抑制堿性磷酸酶活性的活性，從而減緩有機(jī)磷的分解速率。在不同季節(jié)，云龍湖沉積物堿性磷酸酶活性與總磷含量均呈正相關(guān)。章婷曦等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在各種磷形態(tài)中，與堿性磷酸酶活力最具相關(guān)性的是總磷(P＜0.05)，其次是無機(jī)磷(P＜0.1)，與有機(jī)磷有關(guān)。堿性磷酸酶活力與有機(jī)磷關(guān)系比較復(fù)雜，若沉積物的有機(jī)磷經(jīng)堿性磷酸酶作用產(chǎn)生的無機(jī)磷為沉積物中生物所利用，則堿性磷酸酶活力與有機(jī)磷含量應(yīng)呈正相關(guān)性;若沉積的有機(jī)磷經(jīng)酶作用后產(chǎn)生的無機(jī)磷被釋放到上覆水中，則堿性磷酸酶活力與有機(jī)磷含量應(yīng)呈負(fù)相關(guān)性。

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