2016, Vol. 37
2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 南京 210023;
3. 江苏省物质循环与污染控制实验室, 南京 210023
, ZHANG Ting-xi1,2,3
, ZHANG Ding-yu1 , WANG Qiao-yun1 , LI De-fang1 , WANG Guo-xiang1,2,3
2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China;
3. Jiangsu Key Laboratory of Material Cycle & Pollution Control, Nanjing 210023, China
磷是湖泊藻类繁殖和生长的重要限制因子，亦是湖泊水体富营养化的主控因素之一. 沉积物中不同形态磷的释放对推动湖泊富营养化的发生起着举足轻重的作用[1~4]. 近年来对于湖泊沉积物中磷形态的研究大多都集中在无机磷上[5~9]，而对有机磷的研究则比较有限[10~12]. 事实上，作为水体中的潜在有效性磷——有机磷的分解及释放是湖泊营养物质循环和生命演替过程中的一个重要环节[13]，对湖泊富营养化有着重要的作用. 有研究发现，沉积物中有机磷的含量约占总磷的20%~80%[14, 15]，其作用无法忽视. Zhang等[16]利用前人的方法对不同性质的6个湖泊沉积物有机磷进行了研究，发现重污染沉积物中有机磷组分含量明显高于其他沉积物，认为沉积物有机磷在湖泊富营养化过程中的作用值得关注.
在大规模重度蓝藻水华暴发之后，“湖泛”问题已成为我国乃至全球淡水富营养化的焦点，浅水湖泊面临又一严峻的生态灾难. 近年来，太湖“湖泛”，特别是2007年发生在无锡市南泉水厂太湖水源地附近的藻华及“黑水团”事件，因其对生态系统的致命性破坏及巨大的社会和经济影响而受到国内外广泛关注[17, 18]. 由于“湖泛”水体具有缺氧/厌氧的还原性特征并能在湖体中存在较长时间[19]，“湖泛”的发生对湖泊水体产生重要影响[20, 21]. 太湖西岸、 梅梁湾、 贡湖曾多次出现湖泛现象[22]. 沉积物垂直方向上0~10 cm有机磷矿化过程强烈. 研究太湖西岸湖泛易发区表层(0~10 cm)沉积物有机磷的形态特征及各形态之间的相互关系，探究湖泛易发区有机磷对湖泛发生的潜在影响，对清淤的重点区域与清淤深度具有重要的指示意义. 本文应用Ivanoff 等[23]的提取方法对太湖西岸湖泛易发区MDG的表层沉积物有机磷进行了分级提取，研究表层沉积物中有机磷形态分级特征与水平、 垂向分布特征，并探讨有机磷组分与生物有效性的关系.
1 研究区域太湖是中国五大淡水湖之一，太湖“湖泛”主要发生在太湖西岸、 梅梁湾和贡湖湾局部水域. 本文研究区域毛渎港位于太湖西岸湖泛易发区，采样点在太湖的位置见图 1. 毛渎港具体采样点在一人工芦苇种植区. 区内有3个槽沟(图 2)，槽沟与槽沟间分布着大量的芦苇群丛，槽沟内有大量的蓝藻淤积，第3个槽沟较其它槽沟中蓝藻淤积更多. MDG的5个采样点位置分布如图 1左以及采样所在点位的湖泊环境因子见表 1. MDG-01、 MDG-02分别位于第2个槽沟和第3个槽沟内，MDG-03位于木桩外1 m远(图 2)，MDG-04、 MDG-05位于离岸边较远的湖泊开阔区域.
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图 1 MDG采样点分布示意 Fig. 1 Location of sampling sites of MDG |
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图 2 MDG在槽沟内的采样点分布 Fig. 2 Distribution of sampling sites in the slots of MDG |
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表 1 MDG采样点位的湖泊环境 Table 1 Geographic and limnological features of lake in sampling sites of MDG |
2 材料与方法 2.1 样品的采集与处理
2015年1月2日，采用柱状采泥器采集毛渎港5个点位的表层0~10 cm柱状沉积物样品，样品现场进行切割分层，每2 cm一层置于聚乙烯塑料袋中，用干冰覆盖低温封闭保存. 回实验室后经冷冻干燥后研磨，过100目筛，冷藏封闭保存分析.
2.2 样品分析 2.2.1 理化性质分析采样区域水体的pH、 Eh、 DO、 电导率等指标现场测定，烧失量(LOI)通过550℃条件下样品灼烧6 h得到[24].
2.2.2 沉积物有机磷的分级提取采用Ivanoff 等[23]的连续提取方法对MDG的5个点位表层柱状沉积物样品有机磷进行了分级提取，将沉积物中有机磷分为3种形态: 活性有机磷包括NaHCO3-OP，中等活性有机磷包括HCl-OP、 富里酸结合态OP及非活性有机磷包括胡敏酸结合态OP、 残渣态OP. 具体步骤如表 2所示.
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表 2 Ivanoff 法有机磷分级提取流程 Table 2 Extraction procedure of organic phosphorus fractions using Ivanoff method |
3 结果与分析 3.1 总有机磷的含量及其分布特征
含量分布见图 3，5个点位是由岸边逐渐向太湖湖泊中心排列. 毛渎港总有机磷含量水平分布特征大致是由岸边向太湖湖泊中心，总有机磷含量逐渐减低. 离湖泊中心最近的05点位总有机磷含量增加，与该点位的地理位置以及其它环境因子有关. 在槽沟芦苇带的3个点位表层沉积物总有机磷垂直分布上大致呈现先降低后升高再降低的趋势. 毛渎港几个点位总有机磷含量在2~4 cm或4~6 cm最低，4~6 cm或6~8 cm最高. 在第2个槽沟内的点位(MDG-01)总有机磷含量最高的6~8 cm是含量最低的2~4 cm近5倍，其余点位总有机磷含量垂直分布上最高含量比最低含量都高约100 μg·g-1.
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图 3 OP的3种组分的含量及其分布 Fig. 3 Content and distribution of three OP components |
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图 4 MDG-01各种形态OP的含量及垂直分布 Fig. 4 Content and vertical distribution of OP forms in MDG-01 |
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图 5 MDG-02各种形态OP的含量及垂直分布 Fig. 5 Content and vertical distribution of OP forms in MDG-02 |
毛渎港沉积物有机磷形态以中等活性有机磷与非活性有机磷为主，两者占总有机磷79.44%，其含量分别在21.71~99.44 μg·g-1和34.12~488.46 μg·g-1之间. 活性有机磷所占质量分数较小，占总有机磷20.56%，是孙静等[25]研究的洱海表层活性有机磷所占总有机磷质量分数的近5倍，活性有机磷含量在4.28~112.58 μg·g-1之间. 活性有机磷是土壤有机磷中最先被矿化部分[26]. 活性有机磷含量较低主要是因为在湖泊环境中沉积物-水界面的相互作用较为强烈，活性有机磷易被分解为小分子化合物或磷酸盐，进而释放到上覆水体中[27]. 而活性有机磷与中等活性有机磷平均占有机磷的40.68%，与洱海等高原湖泊有机磷研究相比，太湖活性与中活性有机磷比值明显偏大，可能是因为沉积物和水界面微生物活跃[28]，生物活性强可以将非活性有机磷转化为活性有机磷与中等活性有机磷[29]. 槽沟内较槽沟外活性有机磷绝对含量更高，其中02采样点活性有机磷的绝对含量最高，表明蓝藻死亡后残体的沉积增加了沉积物活性有机磷的含量，从而增加磷的释放风险，待来年蓝藻复苏，促进湖泛的发生. 中等活性有机磷垂直方向上基本是随着深度增加含量减少，非活性有机磷除了离湖心最近的采样点(MDG-05)水平分布上离湖心越近含量越少，垂直分布上呈现先降低后升高再降低趋势，可能因为非活性有机磷主要来源是陆源排放.
3.3 毛渎港各点位各种形态的有机磷含量及其分布特征毛渎港01点位各种有机磷的形态见图 4所示. 以胡敏酸结合态OP为主，NaHCO3-OP含量其次，残渣态OP含量均值为42 μg·g-1. 胡敏酸结合态OP含量占总有机磷57.91%，NaHCO3-OP占总有机磷15.58%，两者共占总有机磷73.49%. 胡敏酸结合态OP的含量在2~4 cm含量最低，在6~8 cm含量最高，NaHCO3-OP在2~4 cm含量最低，在4~6 cm含量最高. HCl-OP、 富里酸结合态OP、 残渣态OP分别占有机磷的6.6%、 5.09%、 9.73%，后面这3种磷形态含量均较低，垂直方向分布无显著的趋势. 根据各种磷形态所占的质量分数发现各种磷形态含量大小依次为: 胡敏酸结合OP>NaHCO3-OP>残渣态OP>HCl-OP>富里酸结合态OP.
毛渎港02点位各种有机磷的形态见图 5所示. 与01点不同，02点位以NaHCO3-OP为主，占总有机磷31.55%，胡敏酸OP含量次之. NaHCO3-OP所占比例明显增多，与该点位蓝藻淤积层较上一个点位更厚有关. 其中胡敏酸结合态OP和NaHCO3-OP垂直方向分布趋势是4~6 cm含量最低，6~8 cm含量最高. 富里酸结合态OP垂直方向分布趋势是2~4 cm含量最低，6~8 cm含量最高. NaHCO3-OP、 HCl-OP垂直方向上随深度增加逐渐减低. 残渣态OP由上往下含量变化不明显，含量均值为42 μg·g-1. 胡敏酸结合态OP、 HCl-OP、 富里酸结合态OP、 残渣态OP分别占总有机磷的27.72%、 9.22%、 8.29%、 14.92%. 根据各种磷形态所占的质量分数发现各种磷形态含量大小依次为: NaHCO3-OP>胡敏酸结合态OP>残渣态OP>HCl-OP>富里酸结合态OP.
毛渎港03点位各种有机磷的形态见图 6所示. 0~4 cm以NaHCO3-OP为主，4~8 cm以胡敏酸结合态OP为主，残渣态OP含量均值为52 μg·g-1. 各形态磷在垂直分布上存在不同的趋势，其中胡敏酸结合态OP和HCl-OP垂直方向均在2~4 cm含量最低，胡敏酸结合态OP在4~6 cm含量最高，HCl-OP在0~2 cm与4~6 cm含量差异不大，均比较高. NaHCO3-OP含量垂直分布呈现先降低再升高的趋势，在4~6 cm含量最低. 富里酸结合态OP垂直方向在4~6 cm含量最低，在2~4 cm含量最高. NaHCO3-OP、 胡敏酸结合态OP、 HCl-OP、 富里酸结合态OP、 残渣态OP分别占总有机磷的21.38%、 20.91%、 20.64%、 9.76%、 17.54%. 在2~4cm胡敏酸OP的含量几乎为0 μg·g-1，可能因为采样泥柱中有3 cm絮状物在水泥交界处影响了测量的结果. 0~4 cm处各种磷形态含量大小顺序为: NaHCO3-OP>HCl-OP>残渣态OP>富里酸结合态OP>胡敏酸结合态OP，4~8 cm处各种磷形态含量大小依次为: 胡敏酸结合态OP>HCl-OP>残渣态OP>NaHCO3-OP>富里酸结合态OP.
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图 6 MDG-03各种形态OP的含量及垂直分布 Fig. 6 Content and vertical distribution of OP forms in MDG-03 |
毛渎港04点位各种有机磷的形态见图 7所示. 采样泥柱0~6 cm为黄泥，6~8 cm为黑泥. 0~6 cm以残渣态OP为主，6~8 cm以胡敏酸OP为主. 残渣态OP含量均值为40 μg·g-1，6~8 cm胡敏酸OP的含量约是0~6 cm胡敏酸OP含量总和的3倍. 其中胡敏酸结合态OP和残渣态OP垂直方向均在2~4 cm含量最低，在6~8 cm含量最高. NaHCO3-OP和HCl-OP垂直分布均在4~6 cm含量最低，在6~8 cm含量最高. 富里酸结合态OP在4~6 cm含量最低，在2~4 cm含量最高. NaHCO3-OP、 胡敏酸结合态OP、 HCl-OP、 富里酸结合态OP、 残渣态OP分别占总有机磷的11.35%、 21.86%、 16.62%、 14.78%、 20.61%. 根据各种磷形态所占的质量分数得出各种磷形态含量大小依次为: 胡敏酸结合态OP>残渣态OP>HCl-OP>富里酸结合态OP>NaHCO3-OP.
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图 7 MDG-04各种形态OP的含量及垂直分布 Fig. 7 Content and vertical distribution of OP forms in MDG-04 |
毛渎港05点位各种有机磷的形态见图 8所示. 以胡敏酸结合态OP为主，残渣态OP次之. 胡敏酸结合态OP和富里酸结合态OP垂直方向分布先降低后升高，均在2~4 cm含量最低. NaHCO3-OP和HCl-OP垂直分布先升高再降低，均在2~4 cm含量最高. 残渣态OP含量随着深度增加而增加，含量较为稳定，均值在50 μg·g-1. NaHCO3-OP、 胡敏酸结合态OP、 HCl-OP、 富里酸结合态OP、 残渣态OP分别占总有机磷的12.46%、 48.63%、 11.61%、 6.97%、 13.45%. 根据各种磷形态所占的质量分数得出各种磷形态含量大小依次为: 胡敏酸结合态OP>残渣态OP>NaHCO3-OP>HCl-OP>富里酸结合态OP.
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图 8 MDG-05各种形态OP的含量及垂直分布 Fig. 8 Content and vertical distribution of OP forms in MDG-05 |
根据MDG表层沉积物每个点位各种磷形态所占的质量分数所得的各种磷形态含量大小顺序，可以总结出所有点位有机磷形态含量大小顺序均为: 胡敏酸结合态OP>残渣态OP>HCl-OP>富里酸结合态OP，而NaHCO3-OP由岸边向太湖湖泊中心延伸，其所占总有机磷的质量分数呈现先升高后降低再升高的趋势.
4 讨论MDG的5个点位垂直分布的趋势应该与理化环境及微生物作用有关. 除了离湖心最近的点(MDG-05)，其余点位NaHCO3-OP先降低后升高再降低并且在2~6 cm含量最低，可能是因为0~2 cm活性有机磷向间隙水中迁移，而在2~6 cm活性有机磷一方面被微生物溶解、 水解矿化，另一方面植物根部的酸性和碱性磷酸酶的活性增加[30]促进了活性有机磷的矿化. 在4~8 cm，NaHCO3-OP含量再升高可能是因为随着深度增加，酶活性减低，活性有机磷矿化量减少. 而在湖泊沉积物8 cm以下NaHCO3-OP含量继续降低是因为随着深度的增加，沉积物处于一个厌氧环境，活性有机磷被迅速矿化为无机磷释放到间隙水中[31]. 在离湖心最近的点位(MDG-05)NaHCO3-OP含量是先增加后减少的，这可能和该点位的地理位置有关，离湖泊中心位置近，表层没有大量的蓝藻堆积，而第2层微生物活性作用显著. 胡敏酸结合态有机磷在第1层含量很高的原因可能是非活性有机磷较稳定，主要受陆源的影响，尤其是0~2 cm表层有蓝藻堆积； 6~8 cm含量最高可能是因为活性与中活性磷向非活性磷转化，该层的活性有机磷与中活性有机磷的含量都有降低的趋势. 活性有机磷与pH、 DO、 水深显著负相关. 蓝藻淤积越多，活性有机磷含量越高. HCl-OP与富里酸结合态OP中等活性有机磷大致也是随着深度增加含量降低的规律，可能是因为微生物、 磷酸酶和有机质促进了中等活性有机磷向着活性、 非活性转化[32].
对毛渎港几个采样点有机磷组分与其它地理化学参数进行相关性分析，见表 3，OM 与总有机磷、 活性有机磷、 中等活性有机磷及非活性有机磷都表现出了显著相关关系，这与Zhang等[16]研究一致，说明有机质是有机磷的重要载体. NaOH-Pi一般指和Al、 Fe 等氧化物或氢氧化物结合的磷，当沉积物-水界面处在厌氧环境下，NaOH-Pi可以被释放出来以满足浮游生物生长的需要[5, 8, 33]，NaOH-Pi可用来评价沉积物短期和长期可利用性磷，是测定藻类可利用磷的一个重要手段，其生物活性相对较高[5]. 而总有机磷与NaOH-Pi的极显著相关性表明有机磷对上覆水质的营养状况起着重要作用. 表 3表明，毛渎港不同点位沉积物中等活性有机磷与非活性有机磷均与NaOH-Pi显著相关. 而除了02点位其余所有点位的活性有机磷与NaOH-Pi也有显著相关性. 02点位的DO较其它点位明显小很多，因为该点位表层蓝藻淤积较其它点位都多，且DO与活性有机磷具有显著负相关性，所以02点位的活性有机磷含量就会偏高，因此02点位的活性有机磷与NaOH-Pi的相关性可能会受到影响. 3种磷形态与NaOH-Pi的显著相关性说明活性有机磷是生物可利用性磷，是沉积物向水体磷迁移转化的重要部分； 酸可提取有机磷在一定条件下可矿化或水解成为溶解态的活性磷[34]，中等活性有机磷也是磷的重要储备，可被生物所利用； 非活性有机磷也具有生物活性，并不仅是化学态的稳定性，中等活性有机磷与非活性有机磷均具有向水体释放的潜力.
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表 3 MDG沉积物有机磷组分与OM、 NaOH-Pi等的相关系数1) Table 3 Correlation coefficients between organic phosphorus fractions and organic matter,inorganic phosphorus extracted by NaOH,et al in MDG sediments |
5 结论
(1) 太湖西岸湖泛易发区毛渎港沉积物中有机磷形态以胡敏酸结合态OP为主，占有机磷总量的35%； 由岸边往湖心方向，总有机磷含量先降低后增加； 垂直方向上总有机磷在2~6 cm含量最低，4~8 cm含量最高.
(2) 沉积物各种磷形态含量大小依次为: 胡敏酸结合态OP>残渣态OP>HCl-OP>富里酸结合态OP； 由岸边向湖心区延伸，NaHCO3-OP占总有机磷的相对含量呈先升高后降低再升高的趋势. NaHCO3-OP和胡敏酸结合态OP垂直分布大致先降低后升高再降低，NaHCO3-OP在4~6 cm含量最低，胡敏酸结合态OP在4~8 cm含量最高. HCl-OP和富里酸结合态OP垂直分布上大致是随深度增加含量降低. 残渣态OP含量垂直方向无明显变化，稳定在45 μg·g-1左右.
(3) 毛渎港表层沉积物活性有机磷与pH、 DO、 水深呈显著负相关，OM、 NaOH-Pi与总有机磷、 活性有机磷、 中等活性有机磷及非活性有机磷表现出了显著相关关系. 蓝藻残体的沉积增加了活性有机磷的含量，来年蓝藻复苏，微生物将活性有机磷转化为能吸收的正磷酸盐，进而促进湖泛的发生.
致谢: 感谢南京师范大学刘宪圣、 杭云飞对本文给予的帮助.| [1] | 梁海清, 王圣瑞, 金相灿, 等. 不同污染程度沉积物不同粒级有机磷形态及其分布[J]. 中国农学通报 , 2007, 23 (3) : 380–385. Liang H Q, Wang S R, Jin X C, et al. Study on the organic phosphorus form & distribution of different particle size fractions in the different polluted sediments[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin , 2007, 23 (3) : 380–385. |
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