袁和忠 ,沈 吉 ,刘恩峰 (.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 20008；2.中国科学院研究生院,北京 00049)

污染物蓄积在湖泊沉积物中并导致湖泊富营养化是目前湖泊生态系统面临的一个重要问题[1-3],其中磷被视为限制湖泊中藻类生长的主要限制性营养因子[4-5],而内源磷的释放是决定湖泊水体中磷含量的非常重要的因素[6],在外源污染物得到控制的情况下,湖泊水体中营养盐及生物量恢复到富营养化前的水平需要十年乃至数十年的时间[7].影响沉积物磷释放的因子众多(氧化还原电位[8],温度,N含量[9],生物作用[10-11]及风浪扰动[12-13]等),对沉积物中磷的各种结合形态进行研究有助于磷在沉积物-水系统中迁移转化的认识[14-16].

太湖位于我国长江三角洲南部,面积2338.1km2,平均水深2.6m左右.西部及南部为主要来水区,东太湖为主要出水区,太湖南部较北部水量交换周期短.西部分布着较厚的软泥,最深处达5m以上.西部及北部湖区营养盐超标严重,出现不同程度的富营养,已经对饮用水、工农业用水、渔业用水及观光业等造成不利影响.目前对太湖沉积物中磷的形态变化研究较多[17-20].但主要集中于北部局部湖区或表层沉积物,对太湖全湖不同营养水平湖区磷形态的探讨并不多见.本研究通过对太湖全湖典型湖区30cm柱状沉积物中磷形态的测定,分析太湖各湖区沉积物中不同磷形态含量的变化及赋存特征,试图在更高分辨率上探讨太湖不同营养水平条件下磷形态赋存所揭示的环境意义.

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

图1 太湖采样点位置示意Fig.1 Locations of the sampling sites in Taihu Lake

2009年11月采用柱状采样器(内径=8cm)于太湖北部梅梁湾(T1),竺山湾(T2),太湖西部(T3),太湖南部(T4),太湖东部(T5)及湖心区(T6)无扰动采集柱状沉积岩芯(图1),每站位采得3个平行样,取上部30cm现场以1cm层距分样,采得子样品立即置于密封聚乙烯袋中,混合均匀.并同时采集相应点位上覆湖水,一同放入敷有冰袋的保温箱中低温避光保存,水样带回实验室后立即分析.

1.2 理化指标分析

太湖上覆水体指标包括总磷(TP)、总氮(TN)、总溶解性磷( SRP),水样以0.45μm GF/C玻璃纤维滤膜(Whatman,UK)过滤后测 SRP.沉积物冷冻干燥后以玛瑙研钵研磨过100目筛后,采用欧洲标准测试委员会框架下发展起来的SMT法[21-22]连续提取磷形态,SMT法将沉积物磷形态分为弱吸附态磷(NH4Cl-P)、碱提取态磷(NaOH-P)、酸提取态磷(HCl-P)、无机磷(IP)、有机磷(OP)及总磷(TP).有机质含量以沉积物分别在105℃及450℃下灼烧所得烧失量(LOI)表示.

2 结果与讨论

2.1 上覆水特征及沉积物中磷形态垂向变化

本次采样点基本上覆盖了太湖的各个典型营养水平湖区.主要营养盐指标中,太湖北部及西部的T1、T2点位的TN浓度高于T4、T5和T6点位TP的浓度,而TP表现出T2、T3点位的浓度远高于其他点位,T2、T3点位的SRP浓度也明显高于其他点位.太湖水质状况在空间上表现出明显的异质性,表明各湖区受到不同程度的污染.太湖水体1981年TN及TP的平均含量分别为0.9mg/L、0.02mg/L[23],可以发现 30年来太湖重污染湖区包括梅梁湾、竺山湾及太湖西北部TN和TP浓度分别升高约2～5倍及2.5～5.8倍,富营养化程度明显加重,这一结果也从Trolle等[24]的研究中得到证实.太湖北部及西北部为太湖流域河流的主要进水区,据 Kelderman等[25]估算太湖1998-2000年年平均河流输入太湖 TP含量约1590×103kg,约有1590×103kg累计沉积到湖泊沉积物中,而通过大气沉降的TN及 TP约为4722kg/a和75kg/a[26],如此高浓度营养盐进入湖体并沉积到沉积物中,成为湖泊污染的内源,在后期的环境因子变化作用下释放出来,是太湖水体营养水平增加的重要原因[27].

图2为太湖各采样点沉积物 30cm深度NH4Cl-P、NaOH-P、HCl-P、OP及TP的垂向分布.由图2可见,各采样点垂向的变化表现出显著的差异性.T1、T3点位NH4Cl-P、NaOH-P、HCl-P、OP及TP含量从表层至30cm沉积深度并不显著,而T2点位却变化剧烈,从表层至约15cm深度急剧降低,15～30cm深度基本保持不变.对于NH4Cl-P含量,T1点位在3.5～67.9mg/kg之间,表现出从表层至下部 16cm 深度呈逐渐升高然后降低的趋势.T2点位在 11.5～116.9mg/kg之间变化,从表层至 15cm 深度呈降低-升高-降低变化,然后维持不变至 30cm深度,T3则在5.6～49.2mg/kg之间,从表层至7cm深度迅速升高,然后总体降低至17cm深度的10mg/kg左右.对于NaOH-P含量,T1和T3点位在30cm深度内基本维持在 200mg/kg, 而T2则明显的由近表层约800mg/kg降至约16cm处的200mg/kg左右,并向下保持此浓度无大的变化.对于HCl-P含量,T1、T3点位30cm深度上并不大的变化,T2点位从表层至15cm深度由287.9mg/kg降至168.7mg/kg,然后至30cm变化不显著.T1、T2、T3的OP及TP变化的大体趋势类似,即表层至16cm深度逐渐降低然后基本保持无大的变化.

表1 采样点位置及上覆水体部分理化指标Table 1 Positions of sample sites and physi-chemical indexes in overlying water

图2 太湖各采样点磷形态垂向分布Fig.2 Vertical distribution of Phosphorus forms of sample sites in Taihu Lake

2.2 磷形态垂向变化

T4、T5、T6点位的NH4Cl-P含量由表层的约0mg/kg增加到约13cm的最高值(分别为17.9、28.4和36.7mg/kg),然后逐渐下降.NaOH-P表现出小幅度先增加-降低-增加-降低的总体趋势,T4、T5、T6 分别在 64.7～191.7mg/kg、51.3～127.7mg/kg、87.8～138.1mg/kg之间变化,30cm深度内T6的HCl-P 含量基本无大的变化.T4由近表层240mg/kg升高到约 320mg/kg,向下维持无大的变化.T6则维持在150～200mg/kg之间,T5从表层至11cm深度基本稳定在 200mg/kg,然后迅速增加到约13cm 深度的263.1mg/kg,向下则基本维持稳定.OP含量在T4、T5、T6点位表现出比较一致的变化趋势,由表层139、150、143mg/kg到13cm深度处迅速降低至约35、25、23mg/kg,然后保持无明显的变化.就TP而言,T6 由表层至5cm深度轻微升高至520.5mg/kg,然后至9cm深度迅速降低至300mg/kg,并向下保持较稳定的含量.除近表层个别层位,T4大致在450～500mg/kg之间.T5总体也表现出稳定的趋势,大致在450～525mg/kg之间.

图3 太湖各采样点磷形态垂向分布含量占TP的比例Fig.3 The proportions of Phosphorus forms accounting for TP of sample sites in Taihu Lake

太湖6个采样点的沉积物不同形态P含量占 TP比例表现出不同的特征(图3),太湖北部竺山湾(T2)整个剖面上变化较大,NH4Cl-P在5～20cm 的含量高于其他层位.事实上,该深度区也是微生物丰度高及活性强、氧化还原电位低的区位.各点位 NH4Cl-P占 TP比例总体为T1、T2 ＞ T3 ＞ T4、T5、T6.深度剖面上 NaOH-P含量的分布与NH4Cl-P含量类似,占TP比例总体为T2 ＞ T1 ＞ T3 ＞ T4、T5、T6.HCl-P 垂直剖面上的含量则明显不同,占TP比例总体为T4 ＞T5 ＞ T6 ＞ T1、T3 ＞ T2,由表层至 30cm 底部整体逐渐升高,最高值约80%.而OP含量则无较明显的趋势,垂直剖面上至约20cm深度以下占TP比例普遍低于12%,这和该层位以下有机质含量较低有关.

2.3 有机质含量与磷形态相关关系

图4 太湖各采样点垂向剖面上有机质含量的变化Fig.4 Vertical variation of the organic matter content of sample sites in Taihu Lake

太湖各采样点位垂向剖面上有机质含量的变化见图 4.T1点位除次表层略高外,30cm深度上保持在1.0%左右.T2点位则由表层的1.55%降低到底部的0.89%.T3由表层的1.01%降低至底部的0.54%.T4的变化趋势类似于 T1,整个剖面上在1.0%左右.T5、T6分别由近表层的1.15%、0.97%减至于底部的0.53%、0.61%.约15cm以上北部梅梁湾(T1)及竺山湾(T2) 有机质含量明显高于其他湖区.由表2可见,除NH4Cl-P与有机质含量表现出明显的正相关外,有机质含量与其他形式P形态相关性并不一致.NaOH-P与有机质含量之间的相关系数由显著负相关的-0.50(T1)变化到显著正相关的0.59(T3),HCl-P与有机质含量之间的相关系数由显著负相关的-0.89(T5)变化到显著正相关的0.97(T2),OP与有机质含量由明显无相关性(T4)变化到极显著相关的0.94(T2).而T2、T3点位有机质含量与各形态磷皆表现出明显的正相关性,反映出重污染湖区垂向沉积剖面上有机质是磷形态含量的重要影响因素.

表2 太湖采样点有机质含量与各形态磷之间相关关系Table2 Correlation between organic matter content and Phosphorus forms of sample sites in Taihu Lake

2.4 磷形态揭示的太湖环境意义

相同沉积深度上,太湖T1、T2及T3点位垂直剖面上 NH4Cl-P含量总体明显高于 T4、T5及T6点位.上部约10cm的NaOH-P含量总体高于 HCl-P含量,下部则为HCl-P含量高于NaOH-P含量,T4、T5及T6点位30cm垂直剖面上的HCl-P含量总体高于 NaOH-P含量.NaOH-P主要为与 Fe、Mg等结合在一起的磷,HCl-P主要为与Ca等结合在一起的磷.T1、T2及T3采样点位于太湖北部及西北部,承接太湖的主要入湖水系,沿岸工农业生产发达,从而受纳大量的生产及生活污水.T2所在的竺山湾尤其严重.作为可为生物直接利用的磷形态,较高的NH4Cl-P含量为水生植物生长提供了内在持续的磷源,从而维持较高的营养水平,这一定程度上导致太湖北部及西北部的藻华现象严重于太湖其他湖区.而太湖北部及西北部NaOH-P的含量整体高于南部、东部及湖心采样点位的含量.一方面NaOH-P和人类干扰相关,具有更强的环境指示意义[22],太湖南部及东部高值反映了这些湖区工业污水及城市污水的输入量高于其他湖区.另一方面铁结合态磷的赋存与氧化还原电位等环境条件密切相关,各采样点 5～20cm 相对低的氧化还原电位利于 NaOH-P向 NH4Cl-P转化,这一定程度解释了 5～20cm 沉积物中NH4Cl-P含量的上升.NaOH-P在沉积物中经历复杂的解析-沉淀后,向上一部分转化为弱吸附态的磷游离到间隙水中并通过浓度梯度向上覆水迁移,向下一部分以稳定的晶体形态最终埋藏下去,一部分转化为其他更为稳定形态的磷.而HCl-P则表现出沉积埋藏的特性[28],表现为太湖所有采样点由表层往下HCl-P含量占TP比例明显升高.在湖泊水体酸化条件下,HCl-P相比NaOH-P更容易释放出来[29].太湖南部及湖心T4、T5及T6垂直剖面上的HCl-P含量总体略高于北部及西部的T1、T2及T3点位,这可能和南部及东部湖区具有更高的生物量有关,从而生成更高含量的自生钙磷(例如生物骨骼碎屑、碳酸钙结合磷等)[30].而OP太湖全湖表现出明显的表层高底部低的趋势,一定程度上和太湖作为大型浅水湖泊,复氧较为充分,有机质矿化作用较强有关.6个采样点OP的含量整体上表现为北部湖区高于其他湖区.虽然OP占TP的比例低于NaOH-P和HCl-P,但由于 OP的可矿化及降解性,对孔隙水中生物可利用磷的浓度及扩散也起着重要作用.这表现为6个采样点的有机质含量与OP及NH4Cl-P表现出比较明显的正相关性(表2).T2、T3采样点有机质含量与所有磷形态都表现出明显的正相关性,这和李军等[31]对太湖北部五里湖的研究结果较一致,这一定程度上可能和这些湖区有机态磷及生物量较高,有机态磷向其他形态磷的转化有关.

3 结论

3.1 太湖不同湖区沉积物中有机质含量基本由表层向底部逐渐降低. 重污染湖区(竺山湾及太湖西部)有机质含量与各形态磷皆表现出明显的正相关性, 反映出重污染湖区垂向沉积剖面上有机质是磷形态含量的重要影响因素.

3.2 太湖北部梅梁湾,竺山湾和太湖西部上覆水及沉积物中的TP含量高于其他湖区,而沉积物中可为生物直接利用的NH4Cl-P含量也表现出北部及西北部高于其他湖区的特点.东部及南部湖区比较稳定的HCl-P含量总体高于北部及西北部湖区,而北部湖区的OP含量高于太湖东部及南部湖区.对环境条件比较敏感的NaOH-P,太湖各采样点垂向剖面上表现为北部及西北湖区的含量整体高于其他湖区,表明太湖北部及西北湖区特别是竺山湾污染状况较为严重,受人为污染源输入影响明显,也是这些湖区藻华严重的重要原因.

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