高春梅,張中發(fā),張 碩,陳崟瀅

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海州灣表層沉積物磷的吸附容量及潛在釋放風險

高春梅1,2,張中發(fā)1,張 碩3*,陳崟瀅1

(1.上海海洋大學海洋生態(tài)與環(huán)境學院,上海 201306；2.上海海洋大學海洋環(huán)境監(jiān)測與評價中心,上海 201306；3.上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306)

利用磷吸附指數(shù)(PSI)、磷吸附飽和度(DPS)和磷釋放風險指數(shù)(ERI)研究了2016年10月和2017年5月海州灣表層沉積物的磷吸附容量及潛在釋放風險.結果顯示,2016年秋季PSI變化范圍為99.58~199.39[mgP/(100g)]/[μmol/L],DPS變化范圍為23.118%~34.289%;2017年夏季PSI變化范圍是130.29~198.57[mgP/(100g)]/[μmol/L],DPS變化范圍為25.545%~42.135%,兩次調查中PSI和DPS均表現(xiàn)出相反的平面分布趨勢.PSI和Alox、Feox呈顯著正相關,說明Feox和Alox是影響海州灣表層沉積物吸附磷的主要因素,且Feox占主導作用;DPS與Alox和Feox分別表現(xiàn)出了顯著負相關性和極顯著負相關性,說明Alox和Feox含量的增大會降低表層沉積物的磷吸附飽和度.2016年10月磷釋放風險指數(shù)(ERI)的變化范圍為11.59%~34.18%,2017年5月磷釋放風險指數(shù)(ERI)的變化范圍為12.86%~32.34%,從2次調查結果整體來看,海州灣表層沉積物的磷釋放風險為中度風險.

海州灣；表層沉積物；磷吸附指數(shù)；磷吸附飽和度；磷釋放風險指數(shù)

磷是海洋生物進行生命活動的生源要素之一,在維持海洋生態(tài)系統(tǒng)物質和能量循環(huán)以及供給營養(yǎng)等方面起到重要作用,但磷元素過量時,會造成水體富營養(yǎng)化.目前常用來預估沉積物磷的吸附容量、評價其潛在釋放能力的方法主要有2種:一是進行大量的等溫吸附實驗,通過測定磷的吸附指數(shù)、吸附速率等參數(shù),來衡量磷的吸附容量,這種方法相對來說比較費時,而且實驗操作過程麻煩,工作量大[1];二是用磷吸附指數(shù)(PSI)和磷吸附飽和度(DPS)2個指標來評價沉積物中磷的釋放能力[2-3].PSI與沉積物中磷的最大吸附量(max)表現(xiàn)為極顯著相關性, DPS可認為是土壤實際磷吸附量與最大吸附量的百分比值[4].黃清輝等[5]將DPS和PSI的比值定義為磷的釋放風險指數(shù)(ERI),并以此來表征太湖表層沉積物的吸附容量,研究其空間分布變化,評估了太湖表層沉積物磷誘發(fā)的富營養(yǎng)化風險;葉妹等[4]利用PSI和DPS作為評價磷富營養(yǎng)化的2個指標,根據(jù)磷釋放風險指數(shù)ERI劃分的4個等級:較低風險(ERI<10)、中度風險(1025),對珠江河口濕地進行調查,顯示,該調查區(qū)域內源磷負荷較大,磷的潛在釋放風險處于高度風險范圍.

海州灣位于我國黃海中部,是東部沿海重要漁場之一,也是江蘇省重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖地.資料顯示[6-7], 2004~2006年海州灣共發(fā)生了7起記錄在案的赤潮,面積達2000km2;趙建飛等[8]研究表明2009年海州灣海域有超過三分之一的調查站位處于富營養(yǎng)化狀態(tài).本次研究分別于2016年10月和2017年5對海州灣進行了調查,分析了PSI和DPS等指標,評價了該海域表層沉積物磷的吸附容量和釋放風險.

1 材料和方法

1.1 樣品采集與預處理

分別于2016年10月(采樣位置:34°52′52″N~ 35°7′23″N、119°31′12″E~119°43′41″E)和2017年5月(采樣位置:34°50′56″N~35°0′7″N、119°19′48″E~ 119°43′47″N)對海州灣海域進行了調查,每次調查站位均為12個,采樣站位分布如圖1所示.所有站位均用抓斗式采泥器采取表層沉積物,裝入塑封袋中,冷凍保存帶回實驗室.在實驗室中將沉積物進行冷凍干燥,然后取出雜草、貝克等雜物后進行研磨、過100目篩,樣品保存在塑封袋中,待測.

1.2 實驗方法

1.2.1 磷吸附指數(shù)(PSI)實驗[4-5,9]磷吸附指數(shù)的測定:每個樣品準確稱取5份1.000g干燥的沉積物(過100目篩),加入到50mL聚乙烯離心管中,在其中2個離心管中加入20mL 0.01mol/L CaCl2溶液,作為2個平行空白樣品;在其他3個離心管中加入20mL 75mg/L KH2PO4溶液(溶解在0.01mol/L CaCl2中),作為樣品的3個平行樣(為抑制微生物的活動分別往離心管中加入2滴氯仿),然后在20℃、180r/min條件下,連續(xù)振蕩24h,振蕩完畢后取出以3000r/min離心20min,最后用0.45μm孔徑濾膜抽濾.用磷鉬藍分光光度法測定濾液中磷的濃度,求出1.0g沉積物吸附磷的含量,將100g沉積物吸附磷的量記為,以為濾液中溶解磷濃度,則磷吸附指數(shù)為:

式中:PSI為磷的吸附指數(shù),[mgP/(100g)]/[μmol/L];表示100g樣品吸附磷的量,mgP/100g;為濾液中溶解磷的濃度,μmol/L.

1.2.2 磷吸附飽和度(DPS)實驗 磷吸附飽和度的測定:各沉積物分別稱取3份2.500g干樣(過100目篩),加入到清潔干燥的100mL聚乙烯瓶中,作為3個平行樣品.往聚乙烯瓶中各加入50mL 0.2mol/ L草酸銨提取劑(pH=3)并蓋好瓶蓋,在暗室中以20℃、180r/min連續(xù)振蕩2h.振蕩結束后將沉積物提取液轉移至50mL聚乙烯離心管中,以4000r/ min離心5min,再用0.45μm孔徑濾膜過濾.移取10mL沉積物提取液于50mL比色管中,加入40mlL0.01mol/L鹽酸,混合均勻,在1周之內,用ICP-AES測定磷、鐵和鋁的含量.沉積物的DPS可估算為草酸銨提取的磷量(Pox,mmol/kg)與提取的鋁(Alox,mmol/L)和鐵(Feox,mmol/L)總量一半的摩爾百分比值,即:

式中:DPS為磷的吸附飽和度,%;Pox為活性磷, mmol/ kg;Alox為活性鋁,mmol/kg;Feox為活性鐵, mmol/kg.

1.2.3 磷釋放風險評估方法 本文采用黃清輝[5]等提出的以PSI和DPS為基礎的磷釋放風險指數(shù)(ERI)來評估海州灣海域表層沉積物磷的潛在釋放風險,即:

式中:ERI表示磷釋放風險指數(shù),%;DPS表示磷吸附飽和度,%;PSI表示磷吸附指數(shù),[mgP/(100g)]/ [μmol/L].

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用ArcGIS、Excel等進行繪圖和數(shù)據(jù)處理,應用SPSS20.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析,并采用Pearson相關系數(shù)法對各指標之間進行相關性分析.

2 結果與討論

2.1 沉積物中草酸銨提取的鋁、鐵、磷的分布2016年10月采集的表層沉積物中,用草酸銨提取的無定形鋁(Alox)的含量為4.400~12.926mmol/ kg,平均為9.001mmol/kg,在RA2有最小值,最大值出現(xiàn)在CA2;草酸銨提取的無定形鐵(Feox)的含量為9.017~29.530mmol/kg,平均為18.693mmol/kg,最小值出現(xiàn)在RA2,在CA2有最大值;草酸銨提取的無定形磷(Pox)的含量為2.165~5.213mmol/kg,平均為3.964mmol/kg,其中最小值在RA2,在RA5有最大值.

圖2 2016年和2017年2次調查中Alox、Feox和Pox的含量分布

2017年5月采集的表層沉積物中用草酸銨提取的無定形鋁(Alox)的含量為3.955~14.035mmol/kg,平均為8.095mmol/kg,其中在RA5有最小值,最大值在CA2;草酸銨提取的無定形鐵(Feox)的含量為9.004~ 29.839mmol/kg,平均為15.950mmol/kg,在RA6’有最小值,最大值在CA2;草酸銨提取的無定形磷(Pox)含量為2.304~5.838mmol/kg,平均為3.808mmol/kg,最小值在RA5,最大值在CA2.

結合圖1和圖2,從平面分布來看,在2016年10月和2017年5月2次調查中Alox、Feox和Pox基本都表現(xiàn)出由岸及海,先減小后增大的趨勢,即在近岸有最大值,在調查區(qū)域的中心均處于最低值,在離岸較近的采樣點處附近,居民有著頻繁的的日常生活和漁業(yè)活動,人為干擾的影響較大,而在中心區(qū)域有紫菜等人工養(yǎng)殖活動,水生植物可能對鐵和磷有一部分的吸收作用,因此在整體上呈現(xiàn)這種由岸及海,先減小后增大的分布趨勢.從季節(jié)分布來看,秋季的Alox和Pox與夏季相差較小,而Feox則相對比夏季要高出較多.有研究指出,沉積物中無定形的鋁、鐵、磷氧化物的含量會影響其對磷的吸附容量[10];同一區(qū)域的富營養(yǎng)狀況魚表層沉積物中草酸銨提取的Fe和P有同步變化的關系[11].從本次調查結果中也可以看出,秋季的沉積物中活性鐵和活性鋁比夏季高,活性磷的含量也因此要高于夏季,三者之間的變化基本是一致的.

2.2 沉積物中磷吸附指數(shù)(PSI)和磷吸附飽和度(DPS)的分布

圖3 2016年和2017年2次調查中PSI和DPS的平面分布 Fig.3 The plane distributions of PSI and DPS in two surveys in 2016 and 2017

PSI的大小能夠反映沉積物對磷的緩沖效果,其值越小,說明沉積物對磷的緩沖效果較差,反之則緩沖效果較好[10].2016年10月采集的表層沉積物的磷吸附指數(shù)(PSI)的含量為99.58~199.39[mgP/ (100g)]/[μmol/L],平均為152.55[mgP/(100g)]/ [μmol/L],其中最大值出現(xiàn)在CA2,最小值出現(xiàn)在RA5;2017年5月采集的表層沉積物的磷吸附指數(shù)(PSI)的含量為130.29~198.57[mgP/(100g)]/[μmol/L],平均為169.20[mgP/(100g)]/[μmol/L],其中最大值出現(xiàn)在CA1,最小值出現(xiàn)在RA6.兩次調查的結果顯示,從時間分布上來看,夏季PSI值略高于秋季,可能是由于在夏季有足夠的光照時間和溫度,水生植物的生長較快,對磷的需求就較大,所以夏季PSI值相對較高;從空間分布上來看,2次調查結果的分布情況基本均表現(xiàn)出近岸高,遠岸低的趨勢,且最小值出現(xiàn)在調查區(qū)域的中心站位,如圖3所示.

DPS值的大小很大程度上表征了沉積物向水體中釋放磷的量的大小,可以作為沉積物含磷水平和評估沉積物對磷的吸附容量的指標[12-13].DPS越大,說明在沉積物表面絕大部分可以吸附水中磷酸鹽的吸附點位已經(jīng)被占滿,吸附能力有限[10],進一步表明沉積物作為源的可能性較大,即很難從水中吸附磷酸鹽,反而會從沉積物表面向上覆水體中釋放磷酸鹽.2016年10月采集的表層沉積物的磷吸附飽和度(DPS)為23.118%~34.289%,平均為29.307%,最大值在RA6,最小值在CA2;2017年5月采集的表層沉積物的磷吸附飽和度(DPS)為25.545%~42.135%,平均為33.102%,最大值出現(xiàn)在RA6,最小值在CA1.從時間分布上來看,夏季DPS要高于秋季,這是由于在夏季時Pox和Alox與秋季相差不大,但是夏季時的Feox與秋季相比要較低,這說明在夏季有更多的鐵結合態(tài)磷形成.韓雪鵬[14]研究指出,植被能夠起到降低磷吸附飽和度的作用,而在海州灣海域的DPS值較高,這可能與海底植被較少有一定關系.結合圖3,從空間分布來看,2次調查的DPS分布情況基本為離岸近的站位較小,由灣內向外表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢,在調查區(qū)域的中心站位有最大值.本研究發(fā)現(xiàn)DPS值較大,說明海州灣表層沉積物吸附磷酸鹽的能力越趨于飽和狀態(tài),說明該海域的表層沉積物可能是作為“磷源”而存在,這在一定程度上和高春梅等[15]的研究結果一致.同時從圖3中也可以看出,同一年的PSI和ERI的分布變化情況大致呈相反趨勢,這和黃清輝等[5]、宋鵬鵬等[16]的研究結果相似.

2.3 沉積物各指標間的相關性分析

從表1可以看出,沉積物中草酸銨提取的Alox、Feox和Pox之間存在著很好的相關性,均為極顯著正相關性,表明了鋁、鐵、磷三者之間的含量具有同步變化的趨勢,而且鋁和鐵對沉積物吸附磷的作用有著重要意義,這和前人[4-5,9,17]的研究結果一致.磷吸附指數(shù)(PSI)和磷吸附飽和度(DPS)的相關性為極顯著負相關,從2次調查中的PSI和DPS的空間分布情況來看,PSI和DPS均呈現(xiàn)出了相反的變化趨勢,在PSI較大時,DPS就相對較小.其他研究發(fā)現(xiàn)[5,11,17-19], PSI與沉積物中的Feox和Alox呈正相關關系,本次調查結果與之相同,PSI和Alox、Feox呈顯著正相關,即與草酸銨提取的無定形鋁和鐵有共同變化的趨勢,在平面分布中,當Alox和Feox的含量增大時,則磷的可吸附點位增多,說明了Feox和Alox含量的增加能在一定程度上引起磷吸附容量的增大,因此沉積物對磷具有更強的緩沖能力,也說明了無定形的鋁和鐵是影響海州灣表層沉積物吸附磷的主要因素.本次調查數(shù)據(jù)結果顯示出Feox大約是Alox的2倍,進一步說明了在影響磷吸附作用過程中,鐵占據(jù)主導作用,而并未發(fā)現(xiàn)無定形提取的磷與PSI的相關性.Alox、Feox和Pox對磷吸附飽和度的影響較大,DPS與Alox和Feox分別表現(xiàn)出了顯著負相關性和極顯著負相關性,說明鋁和鐵含量的增大會使沉積物中有更多空余的吸附磷的點位,即降低了磷吸附飽和度.

表1 表層沉積物各理化參數(shù)之間的相關性

注:*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關;**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關;=12.

2.4 表層沉積物磷釋放風險評估

從表2可以看出,2016年10月磷釋放風險指數(shù)(ERI)的變化范圍為11.59%~34.18%,其中只有RA5和RA6為高度風險區(qū)域;2017年5月磷釋放風險指數(shù)(ERI)的變化范圍為12.86%~32.34%,其中RA6’和RA7’為高度風險區(qū)域.結合圖4,從空間分布上來看,2次調查結果的ERI平面分布基本均呈現(xiàn)出了灣內高于灣外的趨勢,而且最高值基本上均出現(xiàn)在調查海域的中心區(qū)域;從時間上來看,秋季的ERI值要高于夏季,說明秋季的水體環(huán)境更有利于沉積物中磷的釋放.整體來看,2次調查的研究結果大部分顯示海州灣表層沉積物的磷釋放風險為中度風險,高度風險區(qū)域較少,且超出標準值較少,說明該海域的富營養(yǎng)化程度低,但是仍然存在著誘發(fā)富營養(yǎng)化現(xiàn)象的可能性,同時也指出接下來應該注意采取措施來降低海州灣區(qū)域的ERI值,比如在海底人工種植適量水生植物,以此來提高沉積物對磷的緩沖效果,降低磷的吸附飽和度.

表2 表層沉積物磷釋放風險指數(shù)評價

注:ERI<10%為輕度風險;10%25%為高度風險.

3 結論

3.1 在空間分布上,海州灣表層沉積物秋季和夏季2次調查中Alox、Feox和Pox基本都表現(xiàn)出由岸及海,先減小后增大的趨勢,這可能主要和當?shù)氐暮．a(chǎn)品養(yǎng)殖等活動有關;從季節(jié)上來看,秋季Alox、Feox和Pox濃度值均高于夏季,活性磷的含量也因此高于夏季.

3.2 從時間分布上來看,夏季PSI值略高于秋季,可能是由于在夏季水生植物的生長較快,對磷的需求較大;從空間分布上來看,2次調查結果的分布情況基本均表現(xiàn)出近岸高,遠岸低的趨勢,且最小值出現(xiàn)在調查區(qū)域的中心站位.從時間分布上來看,兩次調查結果均為夏季DPS要高于秋季,從空間分布來看,2次調查的DPS分布情況基本為離岸近的站位較小,由灣內向外表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢,在調查區(qū)域的中心站位有最大值.

3.3 Alox、Feox和Pox之間均為極顯著正相關性,PSI和Alox、Feox呈顯著正相關,DPS與Alox和Feox分別表現(xiàn)出了顯著負相關性和極顯著負相關性,這也印證了PSI和DPS兩者的變化趨勢相反.在磷吸附作用過程中,Fe是主要影響因素.

3.4 2016年10月磷釋放風險指數(shù)(ERI)的變化范圍為11.59%~34.18%;2017年5月磷釋放風險指數(shù)(ERI)的變化范圍為12.86%~32.34%.從空間分布上來看,2次調查結果的平面分布基本均呈現(xiàn)出灣內高于灣外的趨勢,而且最高值均出現(xiàn)在離岸較近的區(qū)域;從時間上來看,秋季的ERI值要高于夏季,說明秋季的水體環(huán)境更有利于沉積物中磷的釋放.2次調查的研究結果大部分顯示海州灣表層沉積物的磷釋放風險為中度風險.

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Adsorption capacity and potential release risk of surface sediments in Haizhou Bay.

GAO Chun-mei1,2, ZHANG Zhong-fa1, ZHANG Shuo3*, CHEN Yin-ying1

(1.College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；2.Marine Environment Monitoring and Evaluation Center, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；3.Collage of marine science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)., 2018,38(8)：3072~3078

Phosphorus adsorption index (PSI), phosphorus adsorption saturation (DPS) and phosphorus release risk index (ERI) were used to study the phosphorus adsorption capacity and potential release risk in surface sediments of Haizhou Bay in 2016 (October) and 2017 (May). The results showed PSI varied from 99.58 to 199.39 [mgP/(100g)]/[μmol/L], DPS varied from 23.118% to 34.289% in 2016, while in 2017 PSI varied from 130.29 to 198.57 [mgP/(100g)]/[μmol/L], DPS varied from 25.545% to 42.135%, which revealed PSI and DPS had opposite plane distribution trend. PSI had evidently positive correlation with Aloxand Feoxthat indicated Alox, Feoxwere the main factors affecting the adsorption of phosphorus in surface sediments, and Feoxplayed the Dominant role. DPS had remarkably negative correlation with Aloxand extremely remarkably negative correlation with Feox,respectively, which illustrated the increasing of Aloxand Feoxcould reduce the phosphorus adsorption saturation of surface sediments. ERI varied from 11.59% to 34.18% in 2016, and from 12.86% to 32.34% in 2017, respectively, that explained the risk of phosphorus release from surface sediments in Haizhou Bay was moderate as a whole.

Haizhou Bay；surface sediments；phosphorus sorption index (PSI)；degree of phosphorus saturation (DPS)；phosphorus release risk index

X55

A

1000-6923(2018)08-3072-07

高春梅(1976-),女,河北正定人,副教授,博士,主要從事水處理和膜生物反應器方面的研究.發(fā)表論文30余篇.

2018-01-08

海州灣海洋牧場示范項目(D-8006-12-0018,D8006-15-8014);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003068,201303047);上海海洋大學環(huán)境科學與工程本研一體化教學團隊資助項目(A1-0201-00-032236);上海海洋大學教學團隊建設項目(A1-0201-00-0322050);上海海洋大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(A1-0201-00-3020).

* 責任作者, 副教授, s-zhang@shou.edu.cn