刘 凯，倪兆奎，王圣瑞*，倪才英（1.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012；2.中国环境科学研究院，湖泊生态创新基地，国家环境保护湖泊污染控制实验室，北京 100012；.江西师范大学地理与环境学院，鄱阳湖流域与湿地教育部重点实验室，江西 南昌 0022）

鄱阳湖不同高程沉积物中磷形态特征研究

刘 凯1，2，3，倪兆奎1，2，王圣瑞1，2*，倪才英3（1.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012；2.中国环境科学研究院，湖泊生态创新基地，国家环境保护湖泊污染控制实验室，北京 100012；3.江西师范大学地理与环境学院，鄱阳湖流域与湿地教育部重点实验室，江西 南昌 330022）

选取了枯水期鄱阳湖10～13m高程共14个出露表层沉积物样品，通过研究其总磷（TP）及各形态磷含量与分布特征，试图揭示江湖关系变化导致的水位下降对鄱阳湖沉积物磷潜在释放风险的影响.结果表明，鄱阳湖表层沉积物总磷（TP）含量在214.5～736.0mg/kg之间， 平均含量为（428.6±154.3）mg/kg.空间分布呈“五河”入湖尾闾区（444.5mg/kg）≈湖心区（445.4mg/kg）＞北部湖区（387.7mg/kg）.各形态磷在空间上的差异相对较小，不同形态磷含量次序为活性磷（254.6±114.3mg/kg）＞有机磷（105.0±49.2mg/kg）＞非活性磷（69.1±26.3mg/kg）.江湖关系变化引起鄱阳湖枯水期沉积物出露时间提前并且延长，进而导致不同高程沉积物总磷及其各形态磷含量差异明显，其含量变化趋势为12～13m＞11～12m＞10～11m，即高程越高，沉积物总磷及其各形态磷含量越高.其中活性磷增幅最大，OP次之，非活性磷最小.而空间增幅表现出“五河”入湖尾闾区最为显著，湖心区次之，而北部湖区最小.

沉积物；磷形态；分布特征；江湖关系；鄱阳湖

磷是水生生物组成和生长的必需营养元素，也是造成湖泊富营养化的关键元素［1-3］.沉积物磷是湖泊水体磷的重要来源，在一定的条件下，表层沉积物磷发生的形态转化和再迁移［4-5］，尤其是磷“活性”部分的转化和释放，将会对湖泊水质产生重要影响［6-8］.水文状况是影响沉积物磷含量、形态和组成的重要因素，其变化会引起水体溶解氧、温度、pH值、水体扰动强度、表层沉积物物理、化学和生物作用等的改变，致使表层沉积物磷向上覆水的释放风险增大，进而对湖泊水质产生威胁［9-10］.因此，研究不同水文状况下表层沉积物磷含量及形态变化，对于认识水文状况变化下湖泊表层沉积物磷的释放风险具有重要指导意义.

鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，是中国第一大淡水湖，赣江、抚河、信江、饶河和修河等“五河”是鄱阳湖的主要入湖河流，河水经鄱阳湖调蓄后在湖口汇入长江，作为一个周期性吞吐型的浅水湖泊，鄱阳湖与长江之间的关系密切［11］.每年汛期， “五河”洪水入湖而上涨、漫滩，湖面扩大，湖水流入长江；冬春季节，湖水落槽，滩地显露，水面缩小，长江倒灌入湖.年内洪、枯水期间的湖泊形态指标差异悬殊，呈现“洪水一片、枯水一线”的景观［12-13］.近年来，由于上游水利水电工程的兴建及气候变化等原因，鄱阳湖与长江之间的江湖关系发生了较大变化，即丰水期水位持续偏低，枯水期时间提前且出现频率增加，致使表层沉积物出露时间提前并延长，表层沉积物氮磷等营养盐的释放风险增大［10］.因此，本文通过研究鄱阳湖枯水期不同高程出露沉积物总磷及其磷形态含量和分布特征，讨论江湖关系变化导致的水位下降对鄱阳湖沉积物磷潜在释放风险的影响，以期为保护鄱阳湖“一湖清水”提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 样品采集

鄱阳湖以松门山为界，北部狭长，南部宽广，来水量及外源污染输入主要受“五河”、长江来水影响，据此将鄱阳湖分为北部湖区、湖心区及“五河”入湖尾闾区.为研究江湖关系变化对鄱阳湖表层沉积物总磷及其磷形态含量和分布的影响，结合鄱阳湖2001～2010年最低水位为9.02m，平均水位为13.12m的实际情况［14］.于2012年11月鄱阳湖枯水位期间，利用麦哲伦315型GPS导航定位及高程地图，选取北部湖区、湖心区及“五河”入湖尾闾区共14个出露点位，采集0～5cm表层沉积物样品，各采样点高程见表1，采样点位如图1所示.

图1 鄱阳湖采样点位置Fig.1 Distribution of sampling sites in Poyang Lake

1.2 实验方法

采集的样品置于恒温箱内，迅速运回实验室冷藏，经冷冻干燥后碾碎研磨，充分混匀后过100目筛，样品分为3份，分别检测磷形态，重金属和有机质含量.

磷形态的测定按照朱广伟等改进的七步连续提取法［15-17］，该方法将沉积物磷分为交换态磷（Ex-P）、铝磷（Al-P）、铁磷（Fe-P）、闭蓄态磷（Oc-P）、自生钙磷（ACa-P）、碎屑钙磷（De-P）和有机磷（OP）.

金属元素测定采用硝酸微波消解作为前处理，根据本研究的需要，主要测试铁（Fe）、锰（Mn）、钙（Ca）、铝（Al）等4个元素.样品采用美国Agilent公司生产的电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定其含量.

有机质采用重铬酸钾-硫酸外加热法［18］测定.

表1 鄱阳湖表层沉积物采样点所处区域及高程Table 1 Location and elevations of Poyang Lake sampling sites

2 结果与讨论

2.1 鄱阳湖表层沉积物总磷及磷形态空间分布特征

鄱阳湖表层沉积物总磷（TP）范围为214.5～736.0mg/kg，平均含量为（428.6±154.3）mg/kg.其中，湖心区和“五河”入湖尾闾区平均含量较为接近，分别为445.4和444.5mg/kg，北部湖区平均含量较低，为387.7mg/kg（图2），反映了鄱阳湖表层沉积物磷在南部污染较重，而北部污染较轻.

湖泊表层沉积物各形态磷中Ex-P、Al-P和Fe-P是相对较易释放而为生物所利用的磷形态，被称为“活性磷”［15］.鄱阳湖全湖表层沉积物活性磷含量范围为122.8～437.0mg/kg，平均含量为（254.6±114.3）mg/kg，占TP含量的59.4%，为鄱阳湖沉积物磷的组成部分. 其中，“五河”入湖尾闾区和湖心区平均含量相对较高，分别为281.5mg/kg和271.3mg/kg，北部湖区平均含量较低，为200.0mg/kg.

OP经磷酸酶水解、细菌降解或光解等作用后转化成生物活性磷，通过间隙水向上覆水体迁移释放出来，是潜在释放风险磷［19］. 表层沉积物OP的含量范围为37.2～210.1mg/kg，平均含量为（105.0±49.2）mg/kg，占TP含量的24.4%.北部湖区平均含量为94.4mg/kg ，湖心区平均含量为116.5mg/kg， “五河”入湖尾闾区平均含量为102.0mg/kg.

Oc-P、ACa-P和De-P较难释放，难以被生物利用，称为“非活性磷”.鄱阳湖表层沉积物非活性磷的含量范围为19.5～116.5mg/kg，平均含量为（69.1±26.3）mg/kg，占TP含量的16.1%.北部湖区平均含量为93.3mg/kg ，湖心区平均含量为57.6mg/kg，“五河”入湖尾闾区平均含量为61.1mg/kg.

图2 鄱阳湖沉积物中总磷及各形态磷的空间分布Fig.2 Distribution of total phosphorus and various forms of phosphorus in sediments of Poyang Lake

2.2 江湖关系变化引起的水位下降对鄱阳湖表层沉积物磷含量及组成的影响

近年来鄱阳湖与长江之间的关系发生了较大的变化，江湖关系的变化导致了鄱阳湖水位的下降，自2003年以来，鄱阳湖星子站9月份以后的水位较以前有较大幅度的降低，11月初平均水位相比降低了3.06m［20］.鄱阳湖水位的下降，使表层沉积物出露时间提前并延长.鄱阳湖北部湖区、湖心区及“五河”入湖尾闾区表层沉积物TP、活性磷、非活性磷及OP含量总体上表现为12～13m＞11～12m＞10～11m（图3），即随着高程的增加，表层沉积物各形态磷含量呈增加趋势.这表明水位降低将会导致沉积物磷含量的增大.潘成荣等［8］对瓦埠湖沉积物磷释放的研究发现，风干样品的磷释放能力和释放量远低于湿样，湖泊湿地的“露滩”与“晒滩”促使沉积物中磷的赋存形态变化和活性生物数量减少，降低沉积物磷的释放强度，有利于表层沉积物磷的累积.

图3 不同湖区和高程沉积物总磷及各形态磷含量Fig.3 Contents of total phosphorus and various forms of phosphorus in different areas and elevations

水位下降引起了沉积物表层环境和理化性质发生的改变是导致磷含量增加的重要因素.沉积物从湿变干，表层沉积物含水率下降，DO含量升高，沉积物由缺氧环境转变为富氧环境， 促使沉积物Fe2+向Fe3+转化，Fe3+与磷酸根结合形成较稳定的磷酸盐而难以释放，导致蓄积的Fe-P和Al-P含量随之增大［21-26］.同时，水位下降使鄱阳表层沉积物出露形成洲滩，大量植物如苔草、芦、荻等植物生长速率增快［27］，植物生长过程中根部对营养盐的吸收，促进了磷在表层沉积物的累积，导致植物对沉积物磷酸盐吸收量增加，当植物衰败后，体内的磷以有机结合态进入表层沉积物，导致表层沉积物有机磷含量增加.另外，水位下降使沉积物含水率降低，沉积物由湿变干引起内部收缩，沉积物孔隙度增加、颗粒间的内阻力变小，加上蒸发作用增强，促使沉积物中更多的可溶性磷向表层迁移，从而增加表层沉积物磷的含量.

江湖关系变化引起的水位下降，不仅促使鄱阳湖表层沉积物磷含量的增加，而且使沉积物磷形态发生改变.其中，沉积物中Fe-P和OP受水位下降影响最为明显.水位下降引起沉积物DO、pH值、温度、金属和有机质等因子发生变化，继而影响沉积物各形态磷的吸附、释放及转化. 沉积物胶体表面的正电荷金属阳离子易与水体中各种磷酸根形成键合［28］，其中Fe、Al氧化物及其氢氧化物与磷的吸附、释放关系密切［29］.水位下降致使沉积物DO含量增高，进而引起Eh增高，促使沉积物金属与磷结合而形成Fe/Al-P. OM也是沉积物OP含量空间差异的重要控制因素［30］， 鄱阳湖表层沉积物中OP与OM（r=0.623，P＜0.05）呈显著正相关，则是因为沉积物OM在降解过程中，OP将优先释放［31］.沉积物TP与Fe-P（r=0.930，P＜0.01， n =14）和OP（r=0.812，P＜0.01， n =14）呈极显著正相关，表明鄱阳湖TP含量增长主要是由于Fe-P和OP的增长.

2.3 江湖关系变化引起的水位下降对沉积物磷释放风险的影响

鄱阳湖表层出露沉积物TP、活性磷、非活性磷和OP含量随着高程的增高而增大（图4）， 高程从10～11m上升到12～13m，鄱阳湖表层沉积物总磷含量增长了115%，其中活性磷含量增幅最大，增长了135.7%；OP次之，为128.6%；非活性磷增幅最小，增加了71.5%.高程越高的沉积物含水率越低，表层富集的磷含量越高，水位的降低会加剧表层沉积物磷的富集.鄱阳湖江湖关系的变化引起了枯水期水位的不断下降，表层沉积物出露面积增大时间延长，磷含量增多，释放风险增大.

图4 不同高程表层沉积物总磷及各形态磷的含量分布Fig.4 Contents distribution of total phosphorus and various forms of phosphorus in different elevations

活性磷是沉积物较易释放并被生物吸收利用的有效态磷［15］，是鄱阳湖表层沉积物TP的主要组成，占TP含量的50.9%～65.8%.高程从10～11m上升到12～13m，北部湖区、湖心区和“五河”入湖尾闾区沉积物活性磷分别增长了93.6%、 130.8%和176.1%，说明随着水位的降低，沉积物磷的直接释放风险将呈增大趋势.

非活性磷和OP不易直接被生物利用，但具有潜在释放风险［32］，高程从10～11m上升到12～13m，鄱阳湖北部湖区、湖心区和“五河”入湖尾闾区表层沉积物非活性磷含量分别增加了16.7%、57.2%和122.7%，OP含量则分别增长了53.5%、126.6%和211.3%.说明随着水位的降低，沉积物磷的潜在释放风险也将呈现增大趋势.

水位的下降使鄱阳湖表层沉积物中TP和各形态磷含量增加，如果江湖关系进一步变化，枯水期水位继续下降，势必引起沉积物出露面积的增大及出露时间的延长，最终可能导致来年丰水期沉积物磷的直接和间接释放风险增大，进而导致水质下降.

3 结论

3.1 鄱阳湖表层沉积物TP含量在214.5～736.0mg/kg之间，平均含量为（428.6±154.3）mg/ kg.空间分布呈“五河”入湖尾闾区（444.5mg/kg）≈湖心区（445.4mg/kg）＞北部湖区（387.7mg/kg）.各形态磷含量差异较明显，其中活性磷平均含量最高，为（254.6±114.3）mg/kg，有机磷次之，为（105.0± 49.2）mg/kg，非活性磷最小，为（69.1±26.3）mg/kg.

3.2 受江湖关系变化影响，鄱阳湖北部湖区、湖心区及“五河”入湖尾闾区表层沉积物TP及各形态磷含量随高程变化的趋势为12～13m＞11～12m＞10～11m，即高程越高，沉积物总磷及其各形态磷含量越高，其中活性磷增幅最大，OP次之，非活性磷最小，而空间增幅表现为：“五河”入湖尾闾区最为显著，湖心区次之，北部湖区最小.

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Distribution characteristics of phosphorus in sediments at different altitudes of Poyang Lake.

LIU Kai1，2，3， NI Zhao-kui1，2， WANG Sheng-rui1，2*， NI Cai-ying3（1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China；2.State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control， Research Center of Lake Environment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China；3.College of Geography and Environment， Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research， Ministry of Education， Jiangxi Normal University， Nanchang 330022， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：856～861

The total phosphorous （TP） and various forms of phosphorus contents characteristics of Poyang Lake surface exposed sediments were studied， in order to reveal the influence of the water level descended resulted from the relationship between Yangtze River and the Poyang Lake changed on the potential phosphorus-release risk of Poyang Lake sediments. Results showed that： The TP contents of Poyang Lake surface sediments varied from 214.5 to 736.0mg/kg， and the average content of TP was （428.6±154.3）mg/kg， The TP contents in the estuary of “five rivers” and central area of Poyang Lake were closed， were 444.5mg/kg and 445.4mg/kg， the content in the north area was 387.7mg/kg which far less than the estuary of “five rivers” and central area of Poyang Lake. The spatial distribution of various forms of phosphorus of Poyang Lake surface sediments was relatively uniform， the average content of reactive phosphorous from Poyang Lake surface sediments was （254.6±114.3）mg/kg， non-reactive phosphorus was （69.1±26.3）mg/kg， and organic phosphorus was （105.0±49.2）mg/kg， their contents relationship was the reactive phosphorous ＞ organic phosphorus ＞ non-reactive phosphorus. The relationship between Yangtze River and the Poyang Lake changed， resulting in the low water level advanced and the outcropped time prolonged， then caused the TP and various forms of phosphorus contents increased with the elevation rise from 10～11m to 12～13m， and the growth rate of the reactive phosphorous was faster than organic phosphorus and non-reactive phosphorus. The growth in the estuary of “five rivers” was the mostsignificant， the central area comes second， and the north area was the least.

sediment；phosphorus forms；distribution characteristics；river-lake relation；Poyang Lake

X524

A

1000-6923（2015）03-0856-06

刘 凯（1988-），男，江西高安人，江西师范大学地理与环境学院硕士研究生，研究方向为湖泊生态修复.

2014-07-03

国家“973”项目（2012CB417004）；国家自然科学基金（41173118，41061037）；鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室（江西师范大学）主任开放基金资助项目（ZK2013007）

* 责任作者， 研究员， wangsr@craes.org.cn