农业环境科学学报2008,27(1):0279-0285

Journal of Agro-Environment Science

长江中下游浅水湖沉积物磷形态及其分布特征研究

金相灿,庞燕,王圣瑞,周小宁

(中国环境科学研究院湖泊生态环境研究中心,北京100012)

摘要:对长江中下游7个浅水湖泊的表层沉积物,应用淡水沉积物中磷形态的标准测试程序(SMT)测定了其中的总磷、无机磷、有机磷、铁/铝磷和钙磷等5个部份,分析了各形态磷之间以及各形态磷与沉积物理化性质如总氮、有机质、主要氧化物组成之间的相关性。结果表明,研究区域内,表层沉积物总磷含量在217.8￣3337.2mg・kg-1之间,城市湖泊总磷含量总体上高于太湖等五大淡水湖;表层沉积物中的磷以无机磷为主,有机磷为辅,前者占总磷的比例多数处于60%￣80%之间;从各形态磷含量的变化范围来看,Fe/Al-P>OP>Ca-P,而从百分含量的变化范围来看,则是Fe/Al-P>Ca-P>OP。表层沉积物中TP含量的增加主要来自Fe-P部分,其次来自OP部分;OP含量与Ca-P和Fe/Al-P的含量均有较好的正相关关系,而Ca-P与Fe/Al-P只有很弱的相关性。TN、有机质含量与OP、TP、Ca-P和Fe/Al-P均呈极显著正相关。TFe2O3与Fe/Al-P、TP、OP呈极显著正相关,而与Ca-P的相关性较弱;CaO与Ca-P呈极显著正相关,与OP有一定的正相关,与其他形态的磷则没有或只有微弱的相关性。

关键词:浅水湖;沉积物;磷形态;理化性质;分布特征

中图分类号:X524文献标识码:A文章编号:1672-2043(2008)01-0279-07

Phosphorus Forms and Its Distribution Character in Sediment of Shallow Lakes in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River

JIN Xiang-can,PANG Yan,WANG Sheng-rui,ZHOU Xiao-ning

(Research Center of Lake Environment,Chinese Research Academy of Environment Science,Beijing100012,China)

Abstract:Total phosphorus(TP),inorganic-phosphorus(IP),organic-phosphorus(OP),Fe/Al-bound phosphorus(Fe/Al-P)and Ca-bound phosphorus(Ca-P)in surface sediment of the seven shallow lakes along the middle-lower reaches of the Yangtze River were measured,using the standard measurement and test(SMT)procedure of phosphorus forms in the freshwater sediments.Correlation coefficients between phos phorus forms and sediment geochemical characteristics,such as total nitrogen,organic matter and major components were analyzed.In the study area,the TP content in surface sediment varied from217.8￣3337.2mg・kg-1,and the TP content in urban lake sediment was generally higher than in five-big freshwater lakes sediment,such as Taihu.The IP was the major phosphorus species in surface sediment,and account-ed for60%￣80%of TP.In terms of the range of phosphorus forms content,Fe/Al-P>OP>Ca-P,whereas the range of percent content,Fe/Al-P>Ca-P>OP.The increase of surface sediment TP content was mainly due to Fe/Al-P and secondly to OP.OP was significantly and positively correlated to Fe/Al-P and Ca-P,Fe/Al-P was only weakly related to Ca-P.Total Nitrogen(TN),organic matter content were significantly and positively correlated to OP(r=0.931,0.933),TP(r=0.854,0.862),Ca-P(r=0.817,0.826),and to Fe/Al-P(r=0.697,0.708).TFe2O3was signif-icantly and positively correlated to TP(r=0.867),Fe/Al-P(r=0.856)and to OP(r=0.702),but only weakly related to Ca-P.CaO was signifi-cantly and positively correlated to Ca-P(r=0.734),definitely correlated to OP(r=0.569),but not or only weakly correlated to the other phos-phorus forms.

Keywords:shallow lake;sediment;phosphorus forms;geochemical characteristics;distribution character

收稿日期:2007-03-13

基金项目:国家重点基础研究计划(973)项目(2002CB412301)

作者简介:金相灿(1945—),男,浙江人,研究员,主要从事湖泊富营养化研究。E-mail:[email protected]

联系作者:庞燕E-mail:[email protected]

2008年1月

磷在湖泊生态系统中的循环是人们极为关注的问题,这是因为磷一方面是湖泊生态系统中必不可少的营养元素,另一方面过剩的磷又会导致湖泊的富营养化,从而使湖泊生态平衡遭到破坏[1]。

而通过测定沉积物中磷的不同化学形态及其含量,有助于研究水体中磷的形态、动态循环以及磷在水-沉积物界面的迁移转化过程[2]。

浅水湖泊是我国大部分湖泊的基本特色[3],而沉积物-水界面磷的循环在浅水湖泊富营养化中比在深水湖中扮演了更为重要的角色[10],因而研究浅水湖沉积物中磷的形态及其分布特征,对我国湖泊内源治理及富营养化的防治具有重要的现实意义。因此,本实验以长江中下游几个浅水湖泊的表层沉积物为研究对象,分析了样品的理化性质和磷形态,探讨了表层沉积物中磷形态的分布特征。

1材料与方法

1.1沉积物样品的采集

选择了位于长江中下游的太湖、巢湖、鄱阳湖、洞

庭湖、洪泽湖五大淡水湖以及南京玄武湖、武汉月湖两个城市湖泊的表层沉积物样品共25个作为研究对象。样品具体位置及采样时间详见表1。

研究所用25个样品均为用彼得森采样器采自各湖泊约10cm 的表层沉积物。样品经冷冻干燥处理,分别过18、60、100目筛后,贮存在带塞的玻璃瓶中备用。

1.2实验方法

沉积物主要元素组成用电感耦合等离子体发射光谱仪测定[4],沉积物有机质总量用重铬酸钾法测定[5],总氮用硒粉-硫酸铜-硫酸消化法测定[5]。

沉积物中各形态磷的测定采用Ruban 等

[11、12]

在

表1采样点位置

Table 1The location of sampling sites

注:(1)T :太湖;H :洪泽湖;C :巢湖;B :鄱阳湖;D :洞庭湖;X :玄武湖;Y :月湖;m :梅梁湖;x :西山东太湖;g :贡湖。(2)带*号的样品为底泥已经过疏浚。

金相灿等:长江中下游浅水湖沉积物磷形态及其分布特征研究

280

第27卷第1期农业环境科学学报

图1淡水沉积物磷形态分离SMT法

Figure1SMT protocol for phosphorus forms sequential extraction in freshwater sediment

欧洲标准测试委员会框架下发展的淡水沉积物磷形态分离SMT法,该法将沉积物中的磷分为Fe/Al-P、Ca-P、IP、OP和TP,具体步骤见图1。

2结果与讨论

2.1沉积物的性质

本研究所采沉积物部分样品的理化性质,在本实验室已有专人进行了分析研究,详见文献[6],这里只对其进行简单的描述。

研究样品中TN含量在251.3￣5190.0mg・kg-1之间,其最大值出现在武汉月湖的Y2-20,最小值出现在巢湖的C-H14-2,最大值与最小值相差约50倍;有机质含量在0.24%￣10.66%之间,最大值出现在太湖的T-m1-33,最小值出现在巢湖的C-S18-2,其最大最小值相差也近50倍,与TN变化范围相近;二者变化趋势基本一致,即TN含量高的沉积物,其有机质的含量也相应高,城市湖泊中TN和有机质含量总体上高于太湖等五大淡水湖。

沉积物样品中主要元素组成的大小顺序总体为SiO2>Al2O3>TFe2O3>CaO>TiO2>MnO。其中SiO2的含量在46.74%￣78.92%之间;Al2O3在8.25%￣17.93%之间;TFe2O3在2.53%￣11.52%之间;CaO在0.22%￣5.20%之间;TiO2在0.67%￣0.95%之间,MnO在0.05%￣0.18%之间。其中SiO2与TN等的变化趋势相反,而Al2O3、TFe2O3、CaO则与TN等的变化趋势基本一致。

2.2沉积物中磷的赋存形态

研究区域内,不同沉积物样品中磷形态测定结果见表2,沉积物样品中各形态磷的分布情况见图2。

分析研究结果,在所有研究样品中,总磷含量在217.8￣3337.2mg・kg-1之间,最大值出现在太湖的T-m1-33,最小值在巢湖的C-S4-2,最大最小值相差约15倍。除了太湖的T-m1-33外,五大淡水湖其余样品中TP含量均低于1000mg・kg-1,而来自两个城市湖泊的样品其TP含量均超过1000mg・kg-1,可见城市湖泊沉积物的营养水平总体上要高于太湖等五大淡水湖,这与其受人类活动干扰更大有关。下面对各形态磷分别加以讨论。

(1)无机磷。所有样品中,无机磷含量在144.7￣2912.6mg・kg-1之间,最大值出现在太湖的T-m1-33,最小值出现在巢湖的C-S4-2,最大最小值相差约20倍,含量变化趋势与总磷基本一致。无机磷所占总磷比重范围在54.1%￣89.2%之间,大部分在60%￣80%之间,表明研究区域内沉积物中的磷以无机磷为主。

(2)Fe/Al-P(NaOH-P)。这里所测出的Fe/Al-P 是指被Al、Fe、Mn的氧化物及其水合物所包裹的磷,被认为是可为生物所利用的磷,与人类活动有关,主要来源于生活污水和工业废水[11]。在所有研究样品中, Fe/Al-P含量在34.4￣2470.6mg・kg-1之间,最大值出现在太湖的T-m1-33,最小值出现在太湖的T-x1-4,最大值与最小值相差近80倍,变化范围非常大,表明人类活动对各湖泊以及同一湖泊不同区域的影响程度不同。随着沉积物中TP含量的增加,Fe/Al-P含量总体上也在增加。Fe/Al-P所占TP比重范围在8%￣74%之间,其中在T-m1-33中的比重最大,在T-x1-4中的比重最小,两者相差约9倍,变化幅度较大。

(3)Ca-P。也称为磷灰石磷,来源于碎屑岩或本

提取方法磷形态

20mL NaOH1mol・L-1室温振荡16h 10mL提取液+

4mL HCl3.5mol・L-1室温静置16h

20mL NaOH1mol・L-1室温振荡16h

0.2g样品0.2g样品0.2g样品

提取液

残渣

残渣

450℃煅烧3h

20mL HCl1mol・L-1

室温振荡16h

20mL NaOH1mol・L-1

室温振荡16h

450℃煅烧3h20mL HCl3.5mol・L-1

室温振荡16h

提取液

提取液

提取液

提取液

提取液

NaOH-P(Fe/Al-P)

HCl-P(Ca-P)

IP

OP

TP

281

2008年1月

地自生[11],被认为是生物不可利用的磷。研究区域内,其含量在57.3￣627.8mg ・kg -1之间,最大值出现在武汉月湖的Y2-20,最小值出现在巢湖的C-H14-2,两者相差10倍左右,变化范围比Fe/Al-P 要小的多,表明沉积物中Ca-P 的含量相对较稳定,这与其来源特征相符合。Ca-P 所占TP 比重在11.7%￣79%之间,其中在样品T-x1-4中的比重最大,在T-m1-33中的比重最小,两者相差近7倍,变化幅度较Fe/Al-P 小些。同时发现,五大淡水湖沉积物中Ca-P 含量基本处于100￣300mg ・kg -1之间,这可能是该地区Ca-P 含量的背景值范围。

(4)OP 。被认为部分可为生物所利用,与人类活动有关,主要来源于农业面源[11]。其含量在26.2￣413.2mg ・kg -1之间,最大值出现在武汉月湖的Y1-16,最小值出现在巢湖的C-H14-2,两者相差近16倍,变化范围介于Fe/Al-P 与Ca-P 之间。所有样品中OP 占TP 比重范围在10.2%￣39%之间,其中在样品T-g1-3中的比重最大,在样品T-x1-4中的比重最

小,两者相差约4倍,变化幅度比Fe/Al-P 和Ca-P 都小。

从实验结果还可看出,所有采自航道上的沉积物样品,其中无机磷以Fe/Al-P 为主,其原因可能与人类活动的影响有关,但具体原因还有待深入研究。而位于入湖河口的样品,由于受上游人类活动影响不同,其沉积物中磷形态相对分布没有一定的规律性。比较两个城市湖泊,由于玄武湖已经过疏浚,其无机磷含量以Ca-P 为主,而未疏浚的武汉月湖,其无机磷含量以Fe/Al-P 为主,而疏浚对沉积物中磷形态分布的影响尚需进一步研究。

2.3沉积物中磷形态分布特征

了解沉积物中磷形态的分布特征对于治理湖泊富营养化有着重要的意义,而分析沉积物中各形态磷之间的关系以及它们与沉积物的某些理化性质之间的相关关系,有利于认识磷形态分布特征,从而更好地为湖泊治理及管理服务,这方面的研究前人已做了

大量的工作[7、8、10、13￣16]

。这里我们分析了各形态磷之间

金相灿等:

长江中下游浅水湖沉积物磷形态及其分布特征研究

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第27卷第1期农业环境科学学报

的相关性以及沉积物中TN、有机质含量和主要氧化物组成、与沉积物中各形态磷的相关性,以期更深入地了解长江中下游浅水湖表层沉积物中磷形态的分布特征。

由沉积物中各形态磷含量间的相关性分析结果(见图3)可以看出,湖泊表层沉积物中TP含量与Fe/Al-P的相关性最好,与OP含量也有较好的相关性,两者均达到极显著水平,与Ca-P的相关性相对较差,只达到了显著水平,表明沉积物中TP含量的增加,主要来自Fe/Al-P,其次是OP,这与前人研究结果一致[12],当然也有部分来自Ca-P。在各形态磷中, OP与Fe/Al-P、Ca-P均呈较好的正相关关系,都达到了极显著水平,表明OP含量对Fe/Al-P、Ca-P的含量均有影响。而Ca-P与Fe/Al-P的相关性很小,表明两者的含量相对独立,可能是因为二者来源不同所致。

通过分析沉积物中磷形态与其沉积物的理化性质如有机质含量、主要氧化物组成等之间的关系可以用来推断沉积物中磷的特性[16]。Williams等[17]在研究Erie湖的表层沉积物时发现沉积物性质与其中磷形态具有相关性。Ostrofsky[18]在研究美国东北部湖泊表层沉积物时发现铁与无机磷形态之间、有机质与有机磷之间具有显著的相关性。

本研究分析了沉积物样品各形态磷与总氮含量、有机质含量及TFe2O3和CaO的相关性,结果见表3。

由表3可以清楚地看到,沉积物样品中TN含量与各形态磷之间均呈极显著正相关关系,其中与OP 的相关性最好,与TP和Ca-P的相关性也较好,与Fe/Al-P相关性相对较差;有机质的含量与各形态磷含量均呈极显著正相关关系,其中与OP的相关性最好,与TP和Ca-P的相关性较好,与Fe/Al-P的相关性相对较差,结果与TN相一致。这表明,TN和有机质的输入,影响着沉积物中磷形态的分布。

在主要氧化物组成中,主要是TFe2O3和CaO

与283

2008年1月

(**极显著相关P＜0.01,*显著相关P＜0.05;样品数n=25)

(**excellently correlated P＜0.01,*significantly correlated P＜0.05,samples number n=25)

图3沉积物样品中各形态磷含量之间的相关关系

Figure 3The correlations of various phosphorus forms in sediment samples

各形态磷含量的关系较密切。TFe 2O 3与TP 、Fe/Al-P 和OP 均呈极显著正相关关系,这与前人的研究结果

一致[9、19]

,而与Ca-P 相关性较小。CaO 与Ca-P 有较好

的正相关性,与OP 也有一定的相关性,而与TP 、Fe/

Al-P 的相关性很小或没有。这一结果也表明了各形

态磷的来源的差异。

3结论

通过对所有25个浅水湖表层沉积物样品的研究

分析,可以得出如下结论:

(1)研究区域内,总磷含量在217.8￣3337.2mg

・kg -1之间,城市湖泊总磷含量总体上高于太湖等五大

淡水湖;沉积物中磷以无机磷为主,有机磷为辅,前者占总磷的比例多数处于60%￣80%之间。从各形态磷含量的变化范围来看,Fe/Al-P>OP>Ca-P ,而从百分含量的变化范围来看,则是Fe/Al-P>Ca-P>OP 。

(2)TP 含量的增加主要来自Fe-P 部分,其次来自OP ,当然也有部分来自Ca-P ;OP 与Ca-P 和Fe/

Al-P 均有较好的正相关关系,而Ca-P 与Fe/Al-P 只

有很弱的相关性。

T P /m g ・k g -1

4000

300020001000

00

100020003000y=1.3304x +345.75

R 2=0.9003(**)

T P /m g ・k g -1

4000

300020001000

00

200

4006001000

80060040020000

200

400600

C a -P /m g ・k g -1

Fe/Al-P/mg ・kg -1

OP/mg ・kg -1

OP/mg ・kg

-1

T P /m g ・k g -1

4000300020001000

00

200400

600800

F e /A l -p /m g ・k g -1

3000

20001000

0100200300400500

100080060040020000

1000

2000

3000

C a -P /m g ・k g -1

OP/mg ・kg -1

Ca-P/mg ・kg -1

Fe/Al-P/mg ・kg

-1

y =5.4106x -155.33R 2

=0.7625(**)

y =1.0815x +68.509R 2

=0.5875(**)

y=3.0476x +7.5393R 2=0.4816(**)

y =3.1539x -222.7R 2=0.5094(**)

y =0.1428x +206.73R 2=0.1999

金相灿等:长江中下游浅水湖沉积物磷形态及其分布特征研究

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第27卷第1期农业环境科学学报

(3)研究样品中,TN、有机质与各形态磷均呈极显著正相关关系,比较而言,二者与OP的相关性最好,与Fe/Al-P的相关性最差;在沉积物主要氧化物中,TFe2O3与Fe/Al-P、TP的相关性较好,而CaO则与Ca-P的相关性较好。

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