小型淺水湖泊沉積物磷的賦存形態(tài)及其相關(guān)性分析

向速林, 李松貴, 張旭, 付成鋼, 吳蓓

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小型淺水湖泊沉積物磷的賦存形態(tài)及其相關(guān)性分析

向速林, 李松貴*, 張旭, 付成鋼, 吳蓓

華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330013

以孔目湖沉積物為研究對象, 應(yīng)用七步連續(xù)提取法測定其中的不同形態(tài)磷, 探討了該湖泊沉積物中各賦存形態(tài)磷的分布特征, 并對其進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明: 該湖泊遭受的磷內(nèi)源負(fù)荷比較大, 磷污染嚴(yán)重; 沉積物中TP含量在2338.63-2954.98 mg·kg-1, 平均為2671.37 mg·kg-1; 沉積物中各形態(tài)磷含量從高到低依次為: Fe-P>De-P>Ca-P> OP>Al-P>Oc-P>Ex-P, 分別占TP的53.9%、28.7%、8.8%、6.2%、1.2%、0.9%、0.3%; 生物有效磷含量為1583.59 mg·kg-1, 占TP的59.28%; 沉積物中TP與Fe-P極顯著相關(guān), Oc-P與Ca-P和OP與Ca-P均相關(guān), 而TP與Ex-P、Al-P、Ca-P和OP相關(guān)性較差, 說明沉積物中TP含量主要來自于Fe-P。這一研究結(jié)果為揭示小型湖泊富營養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制提供了數(shù)據(jù)及理論支撐。

磷形態(tài); 沉積物; 分布特征; 相關(guān)性; 孔目湖

1 前言

磷是湖泊的限制性營養(yǎng)元素之一[1], 過剩的磷會導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力升高, 進(jìn)而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化, 破壞湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)平衡。磷通過一定的物化、生物作用積累在湖泊沉積物中, 沉積物逐漸成為營養(yǎng)鹽的重要儲存庫[2-3]。在外源污染得到有效控制的同時(shí), 內(nèi)源磷釋放成為主要的污染因子。當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí), 通過再懸浮、吸附解吸、化學(xué)擴(kuò)散及有機(jī)質(zhì)降解等過程, 沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)會再次釋放到上覆水中[4-5]。而內(nèi)源磷負(fù)荷主要來自沉積物的釋放, 是淺水湖泊形成藍(lán)藻水華的重要因素[6]。其沉積物中不同賦存形態(tài)的磷, 呈現(xiàn)不同的地球化學(xué)特征, 對磷在沉積物與上覆水界面的遷移轉(zhuǎn)化過程中所起的作用也有所不同[7]。因此, 研究沉積物中磷的不同賦存形態(tài)及其分布特征不僅可以反映不同區(qū)域沉積物的釋磷潛力, 還有助于認(rèn)識湖泊沉積物磷的生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制, 對湖泊富營養(yǎng)化的深入研究具有非常重要的意義。

當(dāng)前, 國內(nèi)外針對湖泊沉積物磷形態(tài)或分布特征主要集中在大型深水湖泊[8-15], 但針對城市小型淺水湖泊的研究則相對較少。城市小型淺水湖泊相對于深水湖泊來說沉積物磷的吸附、釋放等地球化學(xué)特征更為復(fù)雜, 主要體現(xiàn)在水位淺、淤泥厚、相對封閉、易受人類活動(dòng)影響等。其風(fēng)浪作用干擾明顯, 表層沉積物氧化更為充分, 單位體積水體與沉積物的接觸機(jī)會更大, 沉積物與上覆水界面磷的交換也更為頻繁[16]。因此, 對城市小型淺水湖泊的研究則更具有現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)值。本文主要研究孔目湖沉積物磷的賦存形態(tài)、含量的變化規(guī)律, 并對沉積物不同賦存形態(tài)磷的空間分布特征及其相關(guān)性進(jìn)行了分析, 以期了解近年來人為干擾活動(dòng)對湖泊沉積物磷的累積效應(yīng)和分布特征的影響, 進(jìn)而為深入研究城市小型淺水湖泊富營養(yǎng)化內(nèi)源磷釋放機(jī)制及水環(huán)境修復(fù)提供參考依據(jù)和理論支撐。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

孔目湖(115°88′13.6″—115°88′54.9″E, 28°73′69.8″—28°74′41.7″N)是位于江西省南昌市華東交通大學(xué)南區(qū)的一個(gè)校內(nèi)湖, 湖泊呈爪形, 其水面總面積約0.27 km2, 平均水深約1.2 m, 最深處達(dá)2 m, 是集景觀、養(yǎng)殖于一體的封閉式城市小型淺水湖泊。由于大量的生活污水未經(jīng)處理直排、上游水葫蘆和魚類等動(dòng)植物殘骸及常年的雨水徑流等經(jīng)過物化、生物作用后含有相當(dāng)水平的磷元素進(jìn)入湖中, 導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化程度加劇, 雖然進(jìn)行了清淤、修復(fù)等工程, 但水質(zhì)依然沒有得到改善, 湖內(nèi)每年仍發(fā)生大量魚類死亡現(xiàn)象, 水體顏色可見度高、有臭味, 嚴(yán)重影響人們的生活環(huán)境且加劇水環(huán)境的污染。

結(jié)合該湖泊地理位置、排污口具體位置信息及水生植物分布等, 并盡量避開水草茂盛、表層沉積物易受擾動(dòng)的區(qū)域, 確定了9個(gè)采樣點(diǎn)(如圖1), 于2017年9月19日, 利用自制的柱狀采樣器采集厚度約為10—15 cm的9個(gè)沉積物柱狀樣品, 采樣點(diǎn)特征如表1所示, 現(xiàn)場裝入聚乙烯塑料袋后冷藏保存, 帶回實(shí)驗(yàn)室保存在冰箱中冷凍干燥后備用。其中, 取表層0—2 cm沉積物樣品進(jìn)行磷賦存形態(tài)及其水平分布的研究。同時(shí), 將L4、L5、L6三個(gè)點(diǎn)的沉積物柱狀樣品以2 cm為單位間隔分層, 用于磷賦存形態(tài)垂直分布的研究。

表1 采樣點(diǎn)具體特征匯總

圖1 沉積物采樣點(diǎn)分布圖

Figure 1 Sketch map of studied area and sampling points

2.2 研究方法

沉積物TP的測定采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法[17]; 沉積物各磷形態(tài)采取七步連續(xù)提取法[18]測定, 即: 易交換態(tài)磷(Ex-P)、鐵磷(Fe-P)、鋁磷(Al- P)、閉蓄態(tài)磷(Oc-P)、自生磷(De-P)、碎屑磷(Ca-P) 和有機(jī)磷(OP); 生物有效磷(BAP)的含量估算公式[19], 即: BAP=Ex-P+Fe-P+Al-P+0.6′OP。本研究采用SPSS20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 用Origin8.6軟件繪制圖形。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉積物中磷賦存形態(tài)的水平分布

3.1.1 總磷及不同形態(tài)磷的水平分布

各采樣點(diǎn)表層沉積物總磷及不同賦存形態(tài)磷的含量, 見圖2。由圖2可知, 各采樣點(diǎn)TP的含量的高低排序?yàn)? L8>L2>L1>L5>L7>L3>L4>L6> L9。表層沉積物(0—2 cm)總磷含量范圍為2338.63—2954.98 mg·kg-1, 平均含量為2671.37 mg·kg-1, 顯著高于國內(nèi)其他湖泊[20-22]。其中, 總磷含量最大值出現(xiàn)在L8監(jiān)測點(diǎn), 最小值出現(xiàn)在L9監(jiān)測點(diǎn), 主要原因一方面可能是在水力沖刷的作用下, 大量的外源磷涌入周邊, 有的被湖中懸浮物吸附直接沉淀下來, 有的未能被水生植物來得及所吸收的磷吸附在沉積物表層, 導(dǎo)致L8監(jiān)測點(diǎn)表層沉積物總磷的含量異常偏高, 與其他監(jiān)測點(diǎn)總磷含量有所差異; 另一方面可能是該湖泊兼水產(chǎn)養(yǎng)殖功能, 因大量的投餌養(yǎng)殖, 使得餌料殘?jiān)汪~類糞便直接或間接沉降到沉積物表層, 不同賦存形態(tài)的磷酸鹽與碳酸鈣形成共沉淀或被氧化鐵膠體吸附[23], 導(dǎo)致湖泊水體磷污染嚴(yán)重, 進(jìn)而使得該湖泊整體總磷含量較高。

從圖2可以看出, 同一監(jiān)測點(diǎn)不同形態(tài)磷Fe-P、De-P、Ca-P及OP的含量變化具有相同變化規(guī)律, 其含量大小均為Fe-P>De-P>Ca-P>OP; 不同監(jiān)測點(diǎn)同一形態(tài)磷的含量變化存在一定差異性, Ex-P、Al-P、OP含量的最小值分別出現(xiàn)在L4和L9監(jiān)測點(diǎn), 而De-P、Ca-P含量的最大值出現(xiàn)在L7監(jiān)測點(diǎn), 這可能是由于沉積物中不同形態(tài)磷的釋放能力不同, 在一定物理化學(xué)條件下, 不同形態(tài)磷之間可以相互轉(zhuǎn)化, 導(dǎo)致各形態(tài)磷之間含量也有所差異。

同時(shí), 由圖2可知, 沉積物的各形態(tài)磷含量由高到低的排序?yàn)? Fe-P>De-P>Ca-P>OP>Al-P>Oc- P>Ex-P。通常, 生物有效性磷(BAP)是指能被藻類可直接利用的潛在活性磷, 包括沉積物直接或間接向上覆水水體釋放的并參與上覆水水體中磷在循環(huán)的可直接吸收態(tài)的磷[19], 其中Ex-P、Al-P、Fe-P和部分OP都可以通過生物礦化作用間接轉(zhuǎn)化為可供生物利用的無機(jī)形態(tài)磷。因此, 可利用公式估算生物有效磷(BAP)的含量: BAP=Ex-P+Fe-P+Al-P+0.6′OP。BAP的含量能真正反映沉積物污染狀況及其內(nèi)源釋放能力的大小[24], 可通過生物或化學(xué)作用轉(zhuǎn)化成活性磷被生物所利用或進(jìn)入上覆水水體, 從而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。分析可知, 該湖泊BAP含量范圍為1188.16—1899.84 mg·kg-1, 平均含量為1583.59 mg·kg-1, 平均比重占TP的59.28%, 與廣州流花湖(58.57%)[25]生物有效磷占TP比重相似, 比湖北喻家湖(32.42%)[22]、南京玄武湖(36.2%)[26]略高。由此可知, 該湖泊過高的生物有效磷含量, 反映了沉積物污染較為嚴(yán)重, 其釋放風(fēng)險(xiǎn)也較大, 不但加劇了水體富營養(yǎng)化, 同時(shí)也加大了該湖泊富營養(yǎng)化控制的難度。

Ex-P易通過解吸作用被水生植物直接吸收利用, 是造成水體富營養(yǎng)化的重要形態(tài)磷。溫度、pH、溶解氧(DO)及擾動(dòng)等環(huán)境因子改變都可能導(dǎo)致Ex-P向上覆水體擴(kuò)散, 從而影響湖泊水體的營養(yǎng)狀況[27]?？傮w上, 9個(gè)采樣點(diǎn)Ex-P含量都相對較少, 其含量占TP比重不到0.5%, 但在沉積物內(nèi)源磷的釋放時(shí), 該部分磷會首先得到釋放, 因而不容忽視。沉積物中Al-P含量一般處于較低水平, 其分布與酸堿度、沉積物粒度、黏度和形成時(shí)間等有關(guān)[28]。在過酸或過堿的條件下, 都會加速其溶解。其含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在L4監(jiān)測點(diǎn), 最低點(diǎn)出現(xiàn)在L1監(jiān)測點(diǎn), 平均含量為32.11 mg·kg-1, 所占TP的比為1%—1.4%, 表明該湖泊沉積物中Al-P含量整體水平較低。Fe-P同Al-P一樣, 通常被認(rèn)為是生物可利用性磷, 其含量與外源磷輸入有關(guān), 主要來源于生活污水、工業(yè)廢水和部分農(nóng)業(yè)面源流失的磷[29]。Fe-P的含量范圍在1012.15—1753.27 mg·kg-1之間, 所占TP的比為43.3%—58.5%, 其主要磷形態(tài)為Fe-P, 遠(yuǎn)高于其他形態(tài)磷的含量, 與宋鵬鵬等[30]的研究結(jié)果相反, 這可能與沉積物特性、環(huán)境條件等有關(guān), 反映了不同區(qū)域、不同水生態(tài)系統(tǒng)其沉積物Fe-P含量的差異性較為明顯。

圖2 各采樣點(diǎn)表層沉積物中不同磷形態(tài)的含量

Figure 2 Concentrations of different phosphorus forms for different sampling points in surface sediments

Oc-P主要來自鐵鋁氧化物覆蓋的結(jié)合態(tài)磷及自然巖石狀態(tài)磷[31], 具有穩(wěn)定、不易釋放等特點(diǎn)。Oc-P的形成與沉積物的物理化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度有關(guān), 其地質(zhì)意義明顯, 但很難被生物所利用[32]。該湖泊沉積物中Oc-P含量范圍為18.38—30.22 mg·kg-1, 平均含量為24.56 mg·kg-1, 其含量高于Ex-P含量, 僅次于Al-P含量。同樣, De-P和Ca-P也較難被分解, 屬于較穩(wěn)定態(tài)磷。De-P是一種生物作用而沉積的顆粒態(tài)磷, 主要來源于沉積物中動(dòng)植物死亡殘?bào)w引入的鈣磷, 一般難以被生物所利用[32]。De-P含量具體表現(xiàn)為689.41—878.50 mg·kg-1, 平均含量為764.18 mg·kg-1,其含量僅次于Fe-P。這可能與該湖泊長期養(yǎng)魚有關(guān), 由于水質(zhì)惡化, 水中溶解氧降低, 死魚事件頻發(fā), 大量死魚殘?bào)w留在湖中, 從而導(dǎo)致湖泊De-P的含量偏高。Ca-P主要包含于沉積物中的原生礦物顆粒中的部分鈣磷, 其來源于各種難溶性的磷酸鈣礦物, 穩(wěn)定性高, 在非強(qiáng)烈的還原條件下很難釋放, 難以被生物利用。其含量與溫度、水動(dòng)力條件、微生物活性及酸堿性等因素密切相關(guān)[33]。研究表明, 人為排放的生活污水會導(dǎo)致上覆水水體較高濃度的Ca2+和溶解性磷酸鹽形成難溶性的鈣磷酸鹽沉淀, 在該湖泊的Ca-P平均含量為233.97 mg·kg-1, 比De-P含量較低, 表明生活污水是導(dǎo)致該湖泊水體富營養(yǎng)化的重要來源之一[34]。

OP的含量與沉積物沉積特性、外源輸入、早期成巖過程、生物作用及有機(jī)質(zhì)等因素有關(guān)[16]。從圖2中可以看出, 該城市淺水湖泊沉積物OP的含量相對較低, 其范圍為109.81—224.30 mg·kg-1, 平均含量為162.67 mg·kg-1, 由于浮游動(dòng)植物、微生物在新陳代謝過程中產(chǎn)生的磷酸酶的生物作用, 在其催化水解下, OP可以轉(zhuǎn)化其他可被生物所利用的形態(tài)磷, 具體表現(xiàn)為沉積物中OP的含量偏低, 向上覆水釋放的磷含量偏高, 從而導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的歷程加快。

3.1.2 各形態(tài)磷平均值所占TP的百分比

由圖3可知, 無機(jī)磷中易交換態(tài)磷(Ex-P)平均含量為8.21 mg·kg-1, 占TP的0.3%。鐵結(jié)合態(tài)磷(Fe-P)含量最高, 范圍在1012.15—1753.27 mg·kg-1, 且L8采樣點(diǎn)含量最高, 平均含量為1445.46 mg·kg-1, 占TP的53.9%。鋁結(jié)合態(tài)磷(Al-P)含量很低, 平均值為32.11 mg·kg-1, 占TP的1.2%。閉蓄態(tài)磷(Oc-P)含量較低, 平均含量為24.56 mg·kg-1, 占TP的0.9%。自生鈣磷(Ca-P)含量平均值為233.97 mg·kg-1, 占TP的8.8%。碎屑態(tài)磷(De-P)含量較高, 僅次于Fe-P, 平均值為764.18 mg·kg-1, 占TP的28.7%。有機(jī)磷(OP)平均含量為162.67 mg·kg-1, 占TP的6.2%, 較Ex- P、Oc-P及Al-P平均含量所占TP的比重多。

圖3 各監(jiān)測點(diǎn)不同形態(tài)磷平均值所占TP的百分比

Figure 3 The percentage of TP with different forms of phosphorus in different monitoring sites

該淺水湖泊各采樣點(diǎn)不同形態(tài)磷含量差異性較大, 說明外源磷輸入對湖泊不同區(qū)域的影響程度不同。由圖3可知, 各形態(tài)磷所占TP比的高低排序?yàn)?Fe-P>De-P>Ca-P>OP>Al-P>Oc-P>Ex-P。沉積物不同賦存形態(tài)磷的含量反映了沉積物磷的釋放潛能和湖泊受污染程度, 其中Fe-P的占比在50%以上, 說明該湖泊受生活源的影響明顯, 其污染較為嚴(yán)重。由于Fe-P的遷移轉(zhuǎn)化可以在短時(shí)間內(nèi)使上覆水水體磷的形成快速循環(huán)[35], 其含量表明該湖泊沉積物Fe-P的釋放潛能很大, 對水體富營養(yǎng)化作用貢獻(xiàn)也較大。

3.2 沉積物中磷賦存形態(tài)的垂直分布

3.2.1 總磷及不同形態(tài)磷的垂向分布

因篇幅及工作量限制, 以下選三個(gè)點(diǎn)分析垂直分布, 如圖4。三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的柱狀沉積物TP平均濃度分別為2738.18 mg·kg-1、2596.24 mg·kg-1和2519.08 mg·kg-1(L4>L5>L6)。L4、L5、L6 三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)柱狀沉積物總磷的含量從下到上變化范圍分別為2564.19—3210.69 mg·kg-1、2337.24—3016.71 mg·kg-1及2333.81—2657.28 mg·kg-1。由圖4可知, L4、L5、L6三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)沉積物TP都隨深度的增加而減少。在7 cm以下的TP濃度變化不大, 其TP平均含量下降緩慢。表層含量明顯高于底部含量, 具體表現(xiàn)為“表層富積現(xiàn)象”, 這種分布特征說明近年來該湖泊沉積物的TP含量有明顯增加的趨勢, 可能是大量的外源含磷物質(zhì)輸入并轉(zhuǎn)移到沉積物表層[36]; 也可能是沉積物中磷的地球生物化學(xué)作用而向表層遷移所導(dǎo)致的[37]。

由圖4可以看出, 該湖泊柱狀沉積物各形態(tài)磷中Ex-P在TP中所占比例最小, 在垂直分布上變化相對較穩(wěn)定, 整體呈現(xiàn)下降趨勢, 這可能與表層沉積物中有機(jī)質(zhì)礦化作用和微生物分解作用等有關(guān)[36], 表層沉積物向上覆水中釋放較多的正磷酸鹽, 而為了維持沉積物與上覆水間的磷平衡狀態(tài), 較多的溶解性磷酸鹽會被沉積物吸附成為顆粒態(tài)磷酸鹽, 因此表層沉積物Ex-P的含量較高。隨著深度的增加, 環(huán)境條件處于相對還原狀態(tài), 更有助于解吸磷, 因此隨著深度的增加, Ex-P的含量呈現(xiàn)逐級遞減趨勢。

Fe-P相對含量是最多的, 所占比例也是最大的, 同時(shí)也是被認(rèn)為可被生物所利用的一種形態(tài)磷, 在一定的條件下易釋放到水體中。由圖4可以看出, L4、L5監(jiān)測點(diǎn)沉積物Fe-P含量在垂直方向表現(xiàn)為隨著深度的增加先減少后增加而后再減少, L6監(jiān)測點(diǎn)沉積物Fe-P含量在垂直方向則表現(xiàn)為隨著深度的增加而一直減少, L4、L5、L6三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)沉積物Fe-P總體上呈現(xiàn)隨著深度的增加而減少趨勢?？赡苁请S著深度的增加, 溶解氧不斷降低, 環(huán)境條件變得相對還原, 沉積物Fe-P易被釋放進(jìn)入上覆水中, 但在氧化還原電位相對較高的環(huán)境條件下, 溶解性正磷酸鹽重新被Fe3+捕獲再次形成鐵磷礦物而沉淀下來, 表層氧化層的存在抑制了磷酸鹽的遷移, 導(dǎo)致沉積物表層的Fe-P的富集[38]; 也可能是隨著深度的增加, 非礦物晶型逐漸變得有序化, 鐵氧化物礦物和氫氧化物礦物與磷酸鹽的結(jié)合能力也相對變?nèi)鮗39]。Al-P垂直分布規(guī)律呈現(xiàn)與Fe-P相類似的規(guī)律, 但其含量相對來說較低, 所以對該湖泊富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)不大。

圖4 L4、L5、L6三點(diǎn)沉積物中總磷及不同賦存形態(tài)磷的垂直分布

Figure 4 Vertical distribution of total phosphorus and different species of phosphorus in three sediments of L4, L5 and L6

Oc-P相對Ex-P含量較多, 但L5、L6監(jiān)測點(diǎn)Oc-P含量其垂直分布是隨著深度的增加先減少后增加, L4監(jiān)測點(diǎn)Oc-P含量其垂直分布是隨著深度的增加先增加后減少, 由于Oc-P主要來自鐵鋁氧化物覆蓋的結(jié)合態(tài)磷及自然巖石狀態(tài)磷[31], 屬于比較穩(wěn)定態(tài)的磷, 在強(qiáng)還原條件下很難釋放出來, 說明L5、L6監(jiān)測點(diǎn)沉積物中氧化物隨著深度的增加而減少, L4監(jiān)測點(diǎn)沉積物中氧化物隨著深度的增加而增加。同樣, De-P和Ca-P也屬于相對穩(wěn)定態(tài)磷, 但其垂直分布規(guī)律與Oc-P不同, L4、L5監(jiān)測點(diǎn)沉積物De-P含量的垂直分布隨著深度的增加先減少后增加, L6監(jiān)測點(diǎn)沉積物De-P含量的垂直分布隨著深度的增加變化規(guī)律不明顯, 這主要是因?yàn)镈e-P是一種生物作用而沉積的顆粒態(tài)磷, L4、L5監(jiān)測點(diǎn)位于該湖泊主體部分和排污口周邊, 其水產(chǎn)養(yǎng)殖中魚類、螺類和上游種植大量的水葫蘆等動(dòng)植物殘骸通過物化作用沉淀在沉積物中并不斷積累所導(dǎo)致的。而三個(gè)采樣點(diǎn)Ca-P含量隨著深度的增加變化規(guī)律不明顯, 這可能與微生物活性及酸堿性的不同有關(guān)[33]。L4、L5、L6監(jiān)測點(diǎn)沉積物OP含量都表現(xiàn)為隨著深度的增加而減少, 可能與微生物的活性及沉積物沉積特性等有關(guān)[16]。

3.2.2 不同形態(tài)磷的垂向分布平均值所占TP的百分比

從圖5中可以看出, 在L4監(jiān)測點(diǎn)7種不同形態(tài)磷占TP的比例為: Fe-P>De-P>Ca-P>OP>Oc-P>Al- P>Ex-P,其中Fe-P平均值所占比例為55.1%, 隨著深度的增加所占比例逐漸減小, 在7 cm以下變化不大; 其次De-P平均值所占比例為26.65%, 并隨著深度的增加所占比例也是逐漸減小, Oc-P隨著深度的增加所占比例是先減小后增大, 其Oc-P平均值所占比例為1.24%; Ex-P、Ca-P、OP及Al-P平均值所占比例不超過10%。

由圖5可知, L5監(jiān)測點(diǎn)沉積物在不同深度不同形態(tài)磷所占TP的百分比為: Fe-P>De-P>Ca-P>OP> Al-P>Oc-P>Ex-P, 其中Ca-P和OP比例相當(dāng), 所占比例分別為8.99%和8.19%, 都是隨著深度的增加而減小的趨勢; Fe-P所占比例為55.69%, 且隨著深度的增加變化不大, 其次是Oc-P, 其所占比例為0.91%, 隨著深度的增加所占比例是先減小后增加, 在9 cm后達(dá)到最大; 之后是De-P, 所占比例為25%, 整體趨勢是隨著深度的增加而先增大后減小; Al-P所占比例為1.02%, 隨著深度的增加所占比例逐級遞減; Ex-P所占比例最小, 僅有0.21%。

L6監(jiān)測點(diǎn)不同形態(tài)磷所占TP的比例為: Fe-P>De-P>OP>Ca-P>Oc-P>Al-P>Ex-P, 相比L4、L5監(jiān)測點(diǎn), 相同深度下L6所占比例變化最大。Fe-P所占比例最高, 其所占比例為47%, 且所占比例隨著深度的增加逐級遞減; De-P所占比例為27.93%, 隨著深度的增加所占比例逐漸減小; OP所占比例為13.57%, 隨著深度的增加所占比例變化不明顯; Ca-P所占比例為8.81%, 隨著深度的增加所占比例變化不大, 7 cm之后比較穩(wěn)定; Oc-P和Al-P所占比例相當(dāng), 分別為1.24%和1.15%, 都是隨著深度的增加而減小; Ex-P所占比例為0.3%。

通過以上沉積物不同賦存形態(tài)磷的垂直分布狀況分析可以得出, 其一方面受人工干擾的影響較大, 其主要因素為大量外源磷的輸入; 另一方面可能與沉積物的特性也有關(guān), 沉積物顆粒越細(xì), 對上覆水磷的吸附能力越強(qiáng), 表層沉積物磷的含量也越高[40]。

3.3 表層沉積物總磷及不同賦存形態(tài)磷之間的相關(guān)性分析

通過表2表層沉積物總磷及不同賦存形態(tài)磷之間的Pearson相關(guān)性分析可得, 沉積物中的TP含量與Fe-P含量間呈顯著正相關(guān)(R=0.939,<0.01), Ex-P含量與Fe-P含量間呈明顯正相關(guān)(R=0.486,<0.05), Ca-P含量與Oc-P含量間呈顯著正相關(guān)(R= 0.627,<0.05), Ca-P含量與Fe-P含量間呈顯著負(fù)相關(guān)(R= –0.507,<0.05), 而TP含量與Ex-P含量、Al-P含量、Ca-P含量及OP含量間的相關(guān)性不大, 表明沉積物中TP的富集主要來自于Fe-P含量的增長, Ex-P、Al-P、Ca-P及OP在遷移轉(zhuǎn)化過程中對TP的影響不明顯, Ex-P與Fe-P、Ca-P與Oc-P呈良好的趨同性, 而Ca-P與Fe-P可能不同源或彼此具有拮抗性。同時(shí)也可得出, 沉積物中OP含量與Ca-P含量間呈顯著正相關(guān)(R=0.599,<0.05), OP含量與Oc-P含量間呈明顯負(fù)相關(guān)(R=-0.527,<0.05), 由于OP是部分生物可利用磷, 主要來源于農(nóng)業(yè)面源污染[41], 而Ca-P主要來源于各種難溶性的磷酸鈣礦物, 難以被生物所利用, 表明該湖泊沉積物中OP的來源有一定的差異性。

圖5 L4、L5、L6三點(diǎn)不同形態(tài)磷的垂向分布所占TP的百分比

Figure 5 Three different forms of phosphorus vertical distribution of the percentage of TP at L4, L5, L6

表2 表層沉積物總磷及不同賦存形態(tài)磷之間的Pearson相關(guān)性(n=9)

注: *表示<0.05; **表示<0.01。

4 結(jié)論

(1)孔目湖沉積物中TP含量為2338.63—2954.98 mg·kg-1, 各采樣點(diǎn)TP的含量的高低排序?yàn)? L8>L2>L1>L5>L7>L3>L4>L6>L9。

(2)孔目湖沉積物磷的賦存形態(tài)的水平分布特征表明, 同一監(jiān)測點(diǎn)不同形態(tài)磷Fe-P、De-P、Ca-P及OP的含量變化具有相同變化規(guī)律, 其含量大小均為Fe-P>De-P>Ca-P>OP; 不同監(jiān)測點(diǎn)同一形態(tài)磷的含量變化存在一定差異性。

(3)孔目湖沉積物磷的賦存形態(tài)的垂直分布特征表明, 沉積物磷呈現(xiàn)的表層富集現(xiàn)象揭示了內(nèi)源污染較嚴(yán)重, 其一方面受人工干擾的影響較大, 其主要因素為大量外源磷的輸入; 另一方面可能與沉積物的特性也有關(guān)。

(4)通過相關(guān)性分析得知, 沉積物中的TP含量與Fe-P含量間呈顯著正相關(guān), 表明沉積物中TP的富集主要來自于Fe-P含量的增長。

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Fractions and correlation analysis of phosphorus in sediments of a small shallow lake

XIANG Sulin, LI Songgui*, ZHANG Xu, FU Chenggang, WU Bei

School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiao Tong University, Nanchang 330013, China

Taking the sediment in Kongmu Lake as the research object, the seven-step continuous extraction method was used to determine the different forms of phosphorus in the sediment. The distributions of all phosphorus forms were investigated, and their correlations were analyzed. The results showed that the internal phosphorus loading accounted for a considerable proportion in this lake, resulting in a serious phosphorus pollution. The contents of total phosphorus (TP) in the sediments ranged from 2338.63 to 2954.98 mg·kg-1with an average of 2671.37 mg·kg-1. The order of different form phosphorus contents in the sediments was Fe-P>De-P>Ca-P>OP>Al-P>Oc-P>Ex-P. Their proportions were 53.9%, 28.7%, 8.8%, 6.2%, 1.2%, 0.9% and 0.3% of TP, respectively. The content of bio-available phosphorus was 1583.59 mg·kg-1, which accounted for 59.28% of TP. There was an extremely significant correlation between TP and Fe-P. Also, both Oc-P and OP demonstrated a correlation with Ca-P. In addition, a weak correlation could be inferred between the TP and Ex-P, Al-P, Ca-P and OP. These results indicate that the TP content in sediments is mainly from Fe-P. This study provides data and theoretical support for revealing the mechanism of lake- eutrophication in this city.

phosphorus forms; sediments; distribution characteristics; correlation; Kongmu Lake

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.005

X703.1

A

1008-8873(2019)01-033-09

2017-12-27;

2018-03-04

江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ150540); 江西省自然科學(xué)基金(20114BAB213020)聯(lián)合資助

向速林(1978—), 男, 江西撫州人, 博士, 副教授, 主要從事水資源與環(huán)境研究, E-mail: slxiang2001@163.com

李松貴(1991—), 男，碩士生, 主要從事水資源與環(huán)境研究, Email: 120759839@qq.com

向速林, 李松貴, 張旭,等. 小型淺水湖泊沉積物磷的賦存形態(tài)及其相關(guān)性分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(1): 33-41.

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