孔 明,張 路,尹洪斌*,蔡永久,高俊峰 (.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇,南京 20008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 00049)

藍(lán)藻暴發(fā)對(duì)巢湖表層沉積物氮磷及形態(tài)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(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇,南京 210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

以巢湖表層沉積物及上覆水體為對(duì)象,于藍(lán)藻暴發(fā)前(4月)和藍(lán)藻暴發(fā)期(7月)采集水樣及沉積物樣品,分析了氮磷及其形態(tài)賦存特征,并探討了沉積物氮磷及其形態(tài)與藍(lán)藻暴發(fā)的關(guān)系.結(jié)果發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻暴發(fā)時(shí),巢湖表層沉積物總磷減少,總氮增加,同時(shí)削弱了磷在空間上分布的異質(zhì)性.從氮磷形態(tài)來看,藍(lán)藻暴發(fā)未造成巢湖表層沉積物氮形態(tài)(NH4+-N、NO3--N和Org-N)含量和比例的明顯波動(dòng),但卻造成了活性磷(弱吸附態(tài)磷和鐵鋁結(jié)合態(tài)磷之和)含量及比例的下降,鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)以及有機(jī)磷(OP)含量及比例增加,生物有效性磷(AAP)的含量的減小.相關(guān)性分析表明,上覆水中葉綠素 a(Chl-a)的濃度與鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)以及有機(jī)磷(OP)的含量顯著相關(guān)(P＜0.05),卻與氮形態(tài)(銨態(tài)氮,硝態(tài)氮和有機(jī)氮)相關(guān)性不顯著.巢湖沉積物磷(Fe/Al-P及AAP)對(duì)巢湖水體藍(lán)藻暴發(fā)具有促進(jìn)作用,而氮及其形態(tài)對(duì)藍(lán)藻暴發(fā)作用較弱.

藍(lán)藻暴發(fā)；沉積物；氮磷；形態(tài)；生物有效性

磷通常被認(rèn)為是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子[1-2],而湖泊沉積物中磷的持續(xù)釋放被認(rèn)為是湖泊富營(yíng)養(yǎng)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(tài)分為弱吸附態(tài)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷、有機(jī)磷、鈣結(jié)合態(tài)磷以及殘?jiān)鼞B(tài)磷.湖泊水體中磷的濃度與沉積物磷形態(tài)轉(zhuǎn)化密切相關(guān),因此弄清湖泊藍(lán)藻水華與沉積物磷形態(tài)之間的關(guān)系,對(duì)于認(rèn)識(shí)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的產(chǎn)生機(jī)制具有重要的指導(dǎo)作用.與沉積物磷形態(tài)相似,沉積物的氮也具有多種形態(tài),其具體可以劃分為銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及有機(jī)氮.湖泊水體中氮也可以季節(jié)性交替成為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子[3-5],據(jù)此很多學(xué)者也提出了湖泊氮磷共同控制的策略[6-8].

巢湖是我國(guó)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(yíng)養(yǎng)化湖泊[9].近年來巢湖頻繁暴發(fā)嚴(yán)重的藍(lán)藻水華,尤其是在夏季大量繁殖,西半湖區(qū)域內(nèi)繁殖更加旺盛,覆蓋率可達(dá)湖面的60%～80%,邊緣厚度最高可達(dá)20～30cm[10].

以往研究主要集中在巢湖沉積物氮磷的賦存形態(tài)以及底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的影響因素[11-12].而針對(duì)藍(lán)藻暴發(fā)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(tài)氮磷與藍(lán)藻水華的關(guān)系尚不清楚.因此,本文研究了藍(lán)藻暴發(fā)前后沉積物氮磷及其形態(tài)含量的變化,分析不同氮磷形態(tài)與藍(lán)藻水華的關(guān)系,以便理解巢湖藍(lán)藻水華暴發(fā)的機(jī)制.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

于2013年巢湖藍(lán)藻暴發(fā)前(4月)和藍(lán)藻暴發(fā)期(7月),對(duì)巢湖進(jìn)行 2次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和樣品采集,利用 GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在全湖設(shè) 33個(gè)采樣點(diǎn)位,采樣點(diǎn)分布如圖1所示.

圖1 巢湖采樣點(diǎn)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(jī)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(nèi)保存,于 24h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 4℃下冷藏.利用水質(zhì)速測(cè)儀(YSI)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體pH值、溶解氧(DO)等理化指標(biāo).水樣于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)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(cè)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(tài)氮(NH-N)的測(cè)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(gè)采樣點(diǎn)的沉積物樣品混勻后置于低溫保溫箱內(nèi)保存,于24h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 4℃下冷藏.于實(shí)驗(yàn)室內(nèi),將沉積物樣品風(fēng)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(xù)提取法[16-17],將磷形態(tài)分為弱吸附態(tài)磷(LP)、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)、有機(jī)磷(OP)、鈣磷(Ca-P)和殘?jiān)鼞B(tài)磷(Res-P);生物有效磷(AAP和Olsen-P)采用Zhou等的化學(xué)提取法[18],連續(xù)提取劑及生物有效磷用鉬藍(lán)比色分光光度法測(cè)定;總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解法[15];沉積物銨態(tài)氮(NH-N)和硝態(tài)氮(NO-N)分別采用 KCl浸提-蒸餾法,酚二磺酸比色法測(cè)定[19];浸提液中的 NH-N,采用納氏試劑分光光度法測(cè)定[15];有機(jī)質(zhì)含量以沉積物干樣在550℃下灼燒6h的燒失量(LOI)表示[20].

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物及上覆水基本理化性質(zhì)

表層沉積物及上覆水理化性質(zhì)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(lán)藻大面積暴發(fā),藻類呼吸產(chǎn)生大量CO2[21].相關(guān)研究也表明,巢湖沉積物在堿性條件下更有利于沉積營(yíng)養(yǎng)鹽磷的釋放[22],為藍(lán)藻的暴發(fā)提供營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ).溶解氧(DO)是影響水-沉積物界面微生物活動(dòng)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(dòng),進(jìn)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(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)[25]Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),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(lán)藻等水生生物吸收利用有關(guān).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?dú)w咎于夏季藍(lán)藻水華的大面積暴發(fā).

表1 巢湖表層沉積物及上覆水理化性質(zhì)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(shí)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(lán)藻暴發(fā)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(qū)和西部巢湖湖心區(qū) TN濃度比較高,最高值出現(xiàn)在巢湖東部湖區(qū)的CH11采樣點(diǎn).夏季(藍(lán)藻暴發(fā)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(qū)域以及派河入湖口區(qū)域 TN濃度較高,最高值出現(xiàn)在中廟鎮(zhèn)附近.這些區(qū)域是巢湖藍(lán)藻易聚集區(qū),沉積物的氮含量的升高可能源于藍(lán)藻死亡殘?bào)w的輸入所致.春季(藍(lán)藻暴發(fā)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(dá)1911mg/kg,顯著高于平均濃度,而夏季(藍(lán)藻暴發(fā)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(lán)藻暴發(fā)期間導(dǎo)致沉積物中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)以及有機(jī)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(tài)及生物可利用性磷時(shí)空分布特征

巢湖表層沉積物氮磷形態(tài)分布特征如圖 3所示.春季(藍(lán)藻暴發(fā)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(lán)藻暴發(fā)期平均含量分別占TN的9.6%和1.7%,而沉積物有機(jī)氮(Org-N)占總氮(TN)的比例可達(dá)83.9%～97.1%,這表明Org-N是巢湖沉積物的主要氮形態(tài).可交換態(tài)氮是沉積物－水界面氮遷移釋放中最主要最活躍的氮形態(tài),是參與氮生物地球化學(xué)循環(huán)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(tài)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(tài)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(duì)比發(fā)現(xiàn),夏季的平均含量低于春季,而夏季硝態(tài)氮)的含量略高于春季,同時(shí)夏季可交換態(tài)氮的空間異質(zhì)性較春季明顯減弱.這可能與夏季藍(lán)藻對(duì)的利用增強(qiáng),而對(duì)的利用相對(duì)較弱有關(guān).春季巢湖表層沉積物不同形態(tài)磷含量順序?yàn)殍F鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)＞殘?jiān)鼞B(tài)磷(Res-P)＞鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)＞有機(jī)磷(OP)＞弱吸附態(tài)磷(LP).而在藍(lán)藻暴發(fā)的夏季,不同磷形態(tài)含量的次序?yàn)?鐵鋁結(jié)合態(tài)磷＞鈣結(jié)合態(tài)磷＞有機(jī)磷＞殘?jiān)鼞B(tài)磷＞弱吸附態(tài)磷(LP).通過比對(duì)發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻暴發(fā)前后巢湖表層沉積物均以鐵鋁結(jié)合態(tài)磷為主(52.5%和 57.8%),而藍(lán)藻暴發(fā)期,鈣結(jié)合態(tài)磷大幅上升(由 10.8%增加到17.8%).這可能是由于藍(lán)藻暴發(fā)致使湖泊水土體系 pH值的上升,利于鈣結(jié)合態(tài)磷的生成.夏季沉積物有機(jī)磷(OP)升高(由10.1%增加到12.7%),可是由于藍(lán)藻等殘?jiān)樾嫉妮斎?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(nèi)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(xiàn)在CH28,該點(diǎn)位于南淝河入湖口區(qū)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(lán)藻暴發(fā)對(duì)巢湖活性磷具有重大的影響.藍(lán)藻暴發(fā)前(4月份),巢湖表層沉積物活性磷含量較高,且區(qū)域分異特征明顯,在適當(dāng)?shù)沫h(huán)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(huì)促使藍(lán)藻在這些區(qū)域優(yōu)先暴發(fā).由于藍(lán)藻對(duì)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(qū)域,多為藍(lán)藻易堆積區(qū),對(duì)可利用性磷的利用較強(qiáng),導(dǎo)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(zhì)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(qū)域主要分布在南淝河河口、西部湖心區(qū)和北部湖灣區(qū),南部湖區(qū)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(zhì)性較大,而大量藍(lán)藻暴發(fā)對(duì)沉積物磷的利用導(dǎo)致夏季沉積物的藻類可利用性磷的空間異質(zhì)性減小,藍(lán)藻對(duì)磷的利用也導(dǎo)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(jié)性分布趨勢(shì)和規(guī)律類似.

2.4 沉積物和上覆水中氮磷形態(tài)之間的關(guān)系

巢湖水體及沉積物氮磷以及形態(tài)相關(guān)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(guān)(P＜0.05),這與王東紅等[27]對(duì)長(zhǎng)江中下游湖泊的研究結(jié)果一致.這種關(guān)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(duì)上覆水中起到重要的補(bǔ)充作用.沉積物和均與沉積物中Org-N顯著相關(guān)(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(shí)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(tài)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(guān)(P＜0.05),與Fe/Al-P極顯著相關(guān)(P＜0.01),這與孟春紅等[28]對(duì)東湖的研究結(jié)果類似.這表明沉積物各形態(tài)磷對(duì)上覆水中總磷具有重要的貢獻(xiàn),同時(shí)也驗(yàn)證了沉積物內(nèi)源磷的釋放是導(dǎo)致湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因.沉積物藻可利用性磷與鐵鋁結(jié)合態(tài)磷和有機(jī)磷均呈顯著相關(guān)(P＜0.01),這表明巢湖沉積物鐵鋁結(jié)合態(tài)磷以及有機(jī)磷是巢湖生物有效性磷(AAP)的重要來源,應(yīng)該重點(diǎn)加以關(guān)注和管理.

2.5 巢湖藍(lán)藻水華與沉積物氮磷形態(tài)之間的關(guān)系

表2 沉積物和上覆水氮形態(tài)之間相關(guān)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(tài)相關(guān)性Table 3 Correlation of phosphorus forms in the sediments and overlying water

圖5 葉綠素a與氮磷形態(tài)相關(guān)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(tài)沒有相關(guān)性.這可能是由于在采樣期間,藍(lán)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(yíng)養(yǎng)鹽即可,沉積物中的氮磷形態(tài)正在發(fā)生轉(zhuǎn)化,沒有向水體中大量釋放.在夏季藍(lán)藻暴發(fā)期間,藻生物量大大增加,水體和沉積物理化性質(zhì)發(fā)生變化(pH值,溶解氧等),對(duì)沉積物氮磷循環(huán)轉(zhuǎn)化影響較大[29-30].然而,相關(guān)性分析表明夏季葉綠素 a與氮形態(tài)相關(guān)性不顯著,與鐵鋁結(jié)合態(tài)磷,有機(jī)磷顯著相關(guān)(P＜0.01).該研究結(jié)果表明,鐵鋁結(jié)合態(tài)磷和有機(jī)磷是導(dǎo)致巢湖藍(lán)藻水華的主要因素,而氮可能不是巢湖藍(lán)藻水華的限制因子.然而,長(zhǎng)期的野外跟蹤實(shí)驗(yàn)還需要開展,以進(jìn)一步驗(yàn)證本研究的結(jié)論.

3 結(jié)論

3.1 藍(lán)藻暴發(fā)有助于巢湖表層沉積物總磷的減少以及總氮的增加,同時(shí)削弱了其在空間上分布的異質(zhì)性.

3.2 藍(lán)藻暴對(duì)沉積物氮形態(tài)(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(jī)磷(Org-P)比例增加.

3.3 通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),上覆水體中葉綠素 a的含量與沉積物鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)以及有機(jī)磷(OP)顯著正相關(guān),而與沉積物可交換態(tài)氮未發(fā)現(xiàn)相關(guān)性,表明巢湖沉積物磷及其形態(tài)對(duì)藍(lán)藻暴發(fā)具有重要的影響作用,而氮及其形態(tài)對(duì)藍(lán)藻暴發(fā)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(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07501-

002-008);國(guó)家自然科學(xué)基金(41371479,41271468)

* 責(zé)任作者, 副研究員, hbyin@niglas.ac.cn

孔 明(1987-),男,山東棗莊人,中國(guó)科學(xué)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(fā)表論文5篇.