于2009年4月，根据湿地不同植被和环境条件，在黄河口湿地设置A、 B、 C这3个断面，18个站位，分别采集表层沉积物样品，采样站位如图 1所示. A断面植被以芦苇为主，土壤质地松软，表层湿润，常被水体覆盖，其中A2站位于核心恢复区，A4站无植被覆盖，离水较近. B断面植被复杂，既有芦苇又有碱蓬和柽柳，其中B1、 B2站位处于芦苇丛，B3站位以柽柳为主，B6、 B7、 B8站位植被稀少. C段面位于黄河故道，有海水入侵，其中C1站以碱蓬为主，C3以芦苇为主，C4站既有芦苇又有柽柳，C5站位于潮沟. 采集样品放入洁净封口袋，－20℃冷冻保存.

图 1

Fig. 1

图 1 黄河口湿地采样站位示意 Fig. 1 Sample stations in the Yellow River estuary wetland

将沉积物样品冷冻干燥，研磨过100目筛，充分混合后采用改进后的SEDEX方法^[12,13,14]测定磷的形态. 此方法依次采用氯化镁溶液、 十二烷基硫酸钠溶液、 CDB(柠檬酸钠-连二亚硫酸钠-碳酸氢钠)溶液、 醋酸缓冲溶液、 盐酸溶液和灼烧+盐酸溶液将颗粒磷形态划分为弱吸附态磷、 活性有机磷、 铁结合态磷、 自生磷灰石磷、 碎屑磷灰石磷和非活性有机磷6个形态,各形态磷含量总和即为总磷含量. 弱吸附态磷、 活性有机磷、 铁结合态磷、 自生磷灰石磷、 碎屑磷灰石磷以及非活性有机磷标准样品分别测定6次，计算标准偏差分别为4.15%、 6.19%、 8.17%、 1.31%、 5.19%和9.19%.

将沉积物湿样先后经过过量的双氧水(30%)和稀盐酸(0.2 mol ·dm^-3) 处理后，采用Malvern2000激光粒度仪进行粒度测量, 测量范围0.02～2 000 μm,测量误差小于3%.

将沉积物冷冻干燥，用玛瑙研钵研碎过滤(100目). 取一定质量干燥样品，用2 mol ·L^-1的HCl去除沉积物中无机碳并干燥. 用TF2000元素分析仪检测沉积物中有机碳含量(测量标样为硝基苯胺， 其标准偏差为0.1%).

如图 2所示，A断面砂(>63 μm)、 粉砂(4~63 μm)、 黏土(<4 μm)占的比例(质量分数)分别为1.18%～14.59%、 76.89%～80.43%、 6.21%～18.39%，平均值分别为7.03%、 78.51%、 14.46%； B断面砂、 粉砂、 黏土占的比例分别为0.67%～23.45%、 69.19%～85.94%、 7.37%～22.12%，平均值分别为8.40%、 77.39%、 14.21%； C断面砂、 粉砂、 黏土占的比例分别为4.21%～19.61%、 70.85%～85.62%、 9.54%～18.28%，平均值分别为9.40%、 77.33%、 13.26%. 从上可以看出，粉砂是黄河口湿地表层沉积物的主要存在形式，这与上中游表层沉积物相仿^[15].

黄河口湿地表层沉积物中各形态磷含量如图 3所示，弱吸附态磷、 活性有机磷、 铁结合态磷、 自生磷灰石磷、 碎屑磷灰石磷、 非活性有机磷含量分别为0.31～0.96、 0.48～2.99、 0.18～4.05、 1.78～11.04、 2.21～12.92、 0.02～4.47 μmol ·g^-1. 各形态磷在总磷中所占的比例(摩尔分数，下同)为：碎屑磷灰石磷>自生磷灰石磷>铁结合态磷>非活性有机磷>活性有机磷>弱吸附态磷. 碎屑磷灰石磷和自生磷灰石磷是黄河口湿地沉积物中磷的主要赋存形态.

图 3

Fig. 3

图 3 各种形态磷占总磷的平均比例 Fig. 3 Average specific gravity of different P forms in TP

A断面总磷含量变化范围为17.4～24.0 μmol ·g^-1，平均值为21.34 μmol ·g^-1，A4站位总磷含量最高，A2站位含量最低(图 4). B断面总磷各站含量差异很大，其变化范围12.1～25.4 μmol ·g^-1，平均值为19.7 μmol ·g^-1. B5站含量最低，B1站含量最高. C断面总磷含量18.1～25.0 μmol ·g^-1，平均值为22.1 μmol ·g^-1. C1站位于黄河故道，其总磷含量最低； 由黄河故道向海的方向总磷含量逐渐增加. 表层沉积物中总磷的分布特征与颗粒物粒径的分布一致，中值粒径小的站位总磷含量高，而中值粒径大的站位总磷含量低. 黄河口湿地表层沉积物总磷含量低于巢湖、 贵州红枫湖、 太湖等淡水湖泊沉积物^[16,17,18].

图 4

Fig. 4

图 4 黄河口湿地表层沉积物中总磷和各形态磷含量 Fig. 4 Distribution of TP in surface sediment

弱吸附态磷是指那些易于被颗粒物吸附，并可由水、 稀电解质溶液、 离子交换树脂或磷同位素置换得到的磷. 它的吸附和解吸是部分可逆过程，并受pH、 Eh等环境因素影响，包括间隙水、 释放于碳酸钙结合的磷、 有机残骸释放的磷，受季节影响大，是最易被生物直接利用的P形态，也是颗粒物中最不稳定的、 最容易进入水体的部分^[19，20]. 表 1为不同形态磷与中值粒径和TOC的相关性统计.

表 1(Table 1)

表 1 不同形态磷与中值粒径和TOC的相关性统计 1) Table 1 Linear correlation coefficients between P forms and median particle size and TOC 相关性 弱吸附态磷 活性有机磷 铁结合态磷 自生磷灰石磷 碎屑磷灰石磷 非活性有机磷 中值粒径 -0.781** -0.503* -0.166 -0.563* 0.376 -0.365 TOC 0.564* 0.712** 0.176 0.304 -0.215 0.485 1)**表示显著性在0.01 水平，*表示显著性在 0.05 水平

表 1 不同形态磷与中值粒径和TOC的相关性统计 1) Table 1 Linear correlation coefficients between P forms and median particle size and TOC

表层沉积物中弱吸附态磷分布分别为：A断面弱吸附态磷含量0.35～0.93 μmol ·g^-1，平均值为0.65 μmol ·g^-1； B断面弱吸附态磷含量0.34～0.96 μmol ·g^-1，平均值为0.66 μmol ·g^-1； C断面弱吸附态磷含量0.31～0.63 μmol ·g^-1，平均值为0.53 μmol ·g^-1(图 5).

图 5

Fig. 5

图 5 表层沉积物中弱吸附态磷分布 Fig. 5 Distribution of Exchangeable P in surface sediment

弱吸附态磷与中值粒径呈现显著负相关(r=-0.78，n=18，P<0.01,图 6)，说明其主要存在于较小粒径颗粒中. 这是因为弱吸附磷是各种磷形态中最易被吸附且化学性质不稳定形态，小颗粒物具有较大比表面积，易与有机质、 营养盐发生吸附作用，这与早先的文献研究结论一致^[21]. 弱吸附态磷与有机碳含量呈显著正相关(r=0.56，n=18，P<0.05)，说明有机碳含量越高，弱吸附态磷含量越大. 这是因为沉积物有机质对磷等营养物质有吸附作用^[22]，而有机碳变化能反映有机质的变化. 弱吸附态磷易受水体中磷影响，黄河口湿地表层沉积物主要成分是二氧化硅，可吸附介质较少，所以沉积物弱吸附磷含量较于宇等^[23]研究的长江口区域要低.

图 6

Fig. 6

图 6 弱吸附态磷与中值粒径和TOC的相关性统计 Fig. 6 Linear correlation coefficients between Exchangeable P and median particle size and TOC

A、 B断面弱吸附态磷变化剧烈，C断面含量整体稍低，可能是受入侵海水中低磷含量影响. 受自然环境中表层植被和沉积物粒径影响，A1、 A3和B3站位弱吸附态磷含量相对较高. A1、 A3站位位于芦苇丛中，土壤中根系众多，致使可吸附磷的有机质含量较大^[24]； 且其沉积物中值粒径为A断面最小(分别为13.0 μm、 14.0 μm)，使颗粒表面积相对较大，二者共同作用使弱吸附态磷出现含量高值. A2站位植被少，沉积物颗粒粒径大(为35.37 μm)； 而A4站位无植被覆盖，导致两站沉积物颗粒吸附能力小，弱吸附态磷含量低. B3站位覆盖大量碱蓬和柽柳，且沉积物中值粒径较小(为13.50 μm)，导致其弱吸附态磷含量亦相对较高.

有机磷的结构组成、 化学形态和性质尚不清楚，但可将其分成非活性有机磷和活性有机磷，其分别对应于陆源物质和海洋浮游生物^[25]. 表层沉积物中有机磷含量分别为：A断面活性有机磷含量0.98～2.99 μmol ·g^-1，平均值为1.95 μmol ·g^-1； B断面活性有机磷含量0.48～2.42 μmol ·g^-1，平均值为1.49 μmol ·g^-1； C断面活性有机磷含量0.66～1.61 μmol ·g^-1，平均值为1.17 μmol ·g^-1. A断面非活性有机磷含量1.18～4.17 μmol ·g^-1，平均值为2.31 μmol ·g^-1； B断面非活性有机磷含量0.02～2.82 μmol ·g^-1，平均值为1.53 μmol ·g^-1； C断面非 活性有机磷含量1.09～2.34 μmol ·g^-1，平均值为1.86 μmol ·g^-1.

有机磷的分布规律如图 7、 8所示，A断面活性有机磷变化幅度较大，A1站含量最高，A2站含量最低. B断面含量波动剧烈，B3~B5逐渐降低，B5~B8逐渐升高； C断面含量相差不大，C1~C5缓慢升高，且A、 B、 C这3个断面含量递减. 非活性有机磷在A、 B断面含量变化剧烈，A1、 A3站位含量较高，A2、 A4站位含量较低； B1~B5含量逐渐减降低，随后逐渐增加； C断面各站位含量均匀，变化不大. B断面的活性有机磷和非活性有机磷的变化趋势较为相近.

图 7

Fig. 7

图 7 表层沉积物中活性有机磷分布 Fig. 7 Distribution of organic P in surface sediment

图 8

Fig. 8

图 8 表层沉积物中非活性有机磷分布 Fig. 8 Distribution of refractory P in surface sediment

沉积物粒径大小和有机碳含量是影响有机磷含量的重要因素. 如图 9、 10所示，活性有机磷与中值粒径呈现显著负相关关系(r=-0.50，n=18，P<0.05)，因有机磷与颗粒物结合的主要作用是吸附，颗粒物粒径小比表面积大更易富集有机磷. 活性有机磷和非活性有机磷与有机碳含量呈显著正相关(r₁=0.71，n=18，P<0.01； r₂=0.49，n=18，P<0.05)，表明有机质对有机磷有吸附作用，会较大程度影响其含量^[26].

图 9

Fig. 9

图 9 活性有机磷与中值粒径和TOC的相关性统计 Fig. 9 Linear correlation coefficients between organic P and median particle size and TOC

图 10

Fig. 10

图 10 非活性有机磷与中值粒径和TOC的相关性统计 Fig. 10 Linear correlation coefficients between refractory P and median particle size and TOC

植被种类和密度对土壤中活性有机磷含量有影响. 不同植被覆盖土壤中有机质含量大小顺序为拂子茅>芦苇>潮上带柽柳>滩涂碱蓬>滩涂柽柳>裸滩^[27]，A断面植被以芦苇为主，B断面植被为芦苇和柽柳，C断面植被以碱蓬为主，使有机质含量A断面>B断面>C断面，这与有机磷含量断面变化大致相同. A断面植被较B、 C断面植被密度大，利于植被从表层土壤中吸收更多无机磷同化为有机磷，亦是有机磷含量相对较高的重要原因之一.

铁结合态磷是指与铁的氧化物或氢氧化物发生共沉淀的磷酸盐. 铁的氧化物和氢氧化物表面对磷有很强的亲和力，但其含量变化会随氧化还原环境而变化，当Eh降低时，三价铁被还原同时溶出，其携带的P会被活化进入水体^[28]，因此铁结合态磷被认为是沉积物中易被解吸的部分^[29]. 另外，铁结合态磷受外源输入影响很大，主要来自于市政、 工业废水，所以可以反映区域磷污染情况^[30].

表层沉积物中铁结合态磷分布为：A断面铁结合态磷含量为0.54～3.29 μmol ·g^-1，平均值为1.73 μmol ·g^-1； B断面铁结合态磷含量为0.80～4.85 μmol ·g^-1，平均值为2.36 μmol ·g^-1； C断面铁结合态磷含量为0.18～3.51 μmol ·g^-1，平均值为2.11 μmol ·g^-1.

铁结合态磷分布如图 11所示，各站之间铁结合态磷含量差异明显，各断面无明显分布规律，A断面含量平均值较B、 C断面稍低. 黄河流域铁结合态磷和粒径关系曾有报道^[6,7,8]，但就其规律未达成一致意见. 本研究亦未发现沉积物中铁结合态磷与粒径和TOC的明显关系(图 12). 一般说来，铁的活性从淡水向海相沉积物逐渐降低，钙的活动性随着盐度的增大而增大^[31]，导致铁结合态磷在盐度高的区域含量较低且与钙结合态磷表现相反分布趋势^[32]. 氧化还原环境是造成沉积物中铁结合态磷含量差异的最主要因素，A断面泥质松软、 湿润，长时间被水体覆盖，相较B断面表现为强还原环境，铁结合态磷被还原溶出进入周围水体，导致A断面整体铁结合态磷含量下降. 与黄河口湿地不同，国内主要淡水湖泊沉积物磷形态以铁结合态磷为主，反映人类活动和污染对水下沉积物的影响^[16,17,18].

图 11

Fig. 11

图 11 表层沉积物中铁结合态磷分布 Fig. 11 Distribution of iron-bound P in surface sediment

图 12

Fig. 12

图 12 铁结合态磷与中值粒径和TOC的相关性统计 Fig. 12 Linear correlation coefficients between iron-bound P and median particle size and TOC

钙结合磷是沉积物中分布最广的一种磷形态，主要指与自生磷灰石、 沉积碳酸钙以及生物骨骼等的含磷矿物有关的沉积磷存在形态. 钙结合磷按其来源可分为自生钙结合磷和碎屑磷灰石磷^[8，33]. 其中前者主要是自生成因和生物成因的自生磷灰石磷，以及与自生碳酸钙共同沉淀的磷(包括生物残骸等)^[34]，或者说是沉积物早期成岩过程中内生过程形成或生物成因的钙结合态磷； 后者主要是来源于流域内风化侵蚀产物中磷灰石矿物晶屑等^[8]，其被普遍认为在一般条件下不能够被生物再次利用.

表层沉积物中钙结合磷分布为： A断面自生磷灰石磷含量3.18～11.0 μmol ·g^-1，平均值为6.91 μmol ·g^-1，B断面自生磷灰石磷含量4.01～10.5 μmol ·g^-1，平均值为7.88 μmol ·g^-1，C断面自生磷灰石磷含量1.78～8.02 μmol ·g^-1，平均值为6.13 μmol ·g^-1. A断面碎屑磷灰石磷含量4.08～11.0 μmol ·g^-1，平均值为7.79 μmol ·g^-1； B断面碎屑磷灰石磷含量2.21～8.99 μmol ·g^-1，平均值为5.74 μmol ·g^-1； C断面碎屑磷灰石磷含量7.23～12.9 μmol ·g^-1，平均值为10.3 μmol ·g^-1.

分布规律如图 13、 14所示，自生磷灰石磷A断面A3、 A4站位含量较高； B断面B3~B5含量逐渐下降，B5~B7逐渐上升； C断面C2~C4站位变化不大，自生磷含量平均值B断面最大，C断面最小； 碎屑磷灰石磷A断面、 C断面分布趋势与自生磷变化趋势相反，B断面分布趋势与自生磷基本一致，碎屑磷含量平均值为B断面最小C断面最大，与自生磷含量平均值变化相反.

图 13

Fig. 13

图 13 表层沉积物中自生磷灰石磷分布 Fig. 13 Distribution of authigenic P in surface sediment

图 14

Fig. 14

图 14 表层沉积物中碎屑磷灰石磷分布 Fig. 14 Distribution of detrital P in surface sediment

钙结合态磷的变化趋势主要受颗粒物粒径的影响，自生磷灰石磷是吸附于碳酸钙颗粒上并共同沉积下来的生物碎屑磷^[35]，碎屑磷灰石磷属于碎屑矿物，存在于颗粒物内部，主要存在于粗颗粒物中，含量随粒径增大而增大^[36]. 如图 15、 16所示，黄河口湿地表层沉积物的碎屑磷灰石磷含量与粒径变化趋势一致，自生磷灰石磷含量与中值粒径变化相反，存在显著负相关(r=-0.56，n=18，P<0.05). 各站位钙磷含量变化较大也与水温，酸碱度等微环境因素密切相关^[37]. A断面的自生磷灰石磷与碎屑磷灰石磷含量平均值大体相当； 在B断面，自生磷灰石磷含量平均值高于碎屑磷灰石磷； 而在黄河故道C断面，碎屑磷灰石磷含量均值大大高于自生磷灰石磷，这与颗粒粒度和土壤生物组成有关. 钙磷含量在总磷中占61.39%～89.88%，占绝对优势，与王晓丽研究结果相同^[38]，主要是我国北方的石灰性土壤使得黄河河水具有高硬度的特点导致，该特点与珠江口、 大亚湾的大鹏澳和厦门湾的胡里山沉积物相一致^[39].

在各种不同形态磷中，活性有机磷可以通过微生物的矿化降解变为无机溶解磷进入水体参与生物循环； 当外界磷酸盐含量降低时，沉积物中的弱吸附态磷会通过离子交换释放到上覆水体中，进而被生物利用； 铁结合态磷在滨岸水体中易被还原，进而导致铁结合磷的还原释放； 钙形态磷溶解度系数大，相对惰性，难以转化为磷酸盐，基本上对孔隙水和上覆水体中的磷酸盐富集没有贡献，不能被生物利用，容易被埋藏在河口滨岸地区或在外海沉积. 综上所述，生物可利用磷主要包括活性有机磷、 弱吸附态磷和铁结合态磷，这些磷形态在春夏季等藻类浮游生物生长的季节容易被释放到上覆水体，从而对水体初级生产力产生巨大的促进作用.

在本研究的采集黄河口湿地表层沉积物中，各断面生物可利用磷含量为1.15～6.74 μmol ·g^-1，平均值为4.27 μmol ·g^-1，含量占总磷的比例为6.35%～30.38%，平均比例为20.4%，较长江口沙洲含量低^[40]. 其中，A断面的含量为3.20～5.99 μmol ·g^-1，平均值为4.33 μmol ·g^-1； B断面含量为2.07～6.74 μmol ·g^-1，平均值为4.51 μmol ·g^-1； C断面含量为1.15～5.69 μmol ·g^-1，平均值为3.81 μmol ·g^-1. C断面的生物可利用磷含量最低，主要是由其较低的活性有机磷含量造成. 自生磷灰石磷包含生物残骸中的磷，这部分磷在一定条件下是可以转化为生物可利用磷并被浮游生物所利用，但是具体含量尚无法测定. 因此，实际生物可利用磷含量要高于上述估算值. 根据目前调查结果显示，磷已经成为黄河口及附近海域浮游植物生长的限制因子，而黄河口湿地沉积物中的生物可利用磷可成为潜在的磷源. 因此，假使如此高比例的生物可利用磷在适当条件下被释放并随河流入海，必将对渤海及附近海域的浮游植物的数量种群、 初级生产力以及生物多样性造成一定影响.