环境科学  2021, Vol. 42 Issue (7): 3198-3205   PDF    
引用本文
刘永九, 黄素珍, 张璐, 彭雪, 张心怡, 葛芳杰, 刘碧云, 吴振斌. 洪湖国际重要湿地沉积物磷空间分布特征及释放风险[J]. 环境科学, 2021, 42(7): 3198-3205.
LIU Yong-jiu, HUANG Su-zhen, ZHANG Lu, PENG Xue, ZHANG Xin-yi, GE Fang-jie, LIU Bi-yun, WU Zhen-bin. Spatial Distribution Characteristics of Phosphorus Fractions and Release Risk in Sediments of Honghu International Importance Wetland[J]. Environmental Science, 2021, 42(7): 3198-3205.
洪湖国际重要湿地沉积物磷空间分布特征及释放风险
刘永九1,2, 黄素珍2,3, 张璐2, 彭雪2,3, 张心怡2,3, 葛芳杰2, 刘碧云2, 吴振斌1,2     
1. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 武汉 430070;
2. 中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室, 武汉 430072;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
收稿日期: 2020-09-09; 修订日期: 2020-12-22
基金项目: 国家自然科学基金重点项目（31830013）；淡水生态与生物技术国家重点实验室项目（2017FB05）
作者简介: 刘永九(1995~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为水生态修复, E-mail: 1286651855@qq.com
通信作者: 刘碧云, E-mail: liuby@ihb.ac.cn
摘要: 洪湖国际重要湿地沉积物磷不同空间分布研究发现，洪湖入湖口沉积物TP含量范围为781.31~1955.84 mg·kg-1，平均值为（1287.21±437.28）mg·kg-1；湖区沉积物TP含量范围为438.33~1554.04 mg·kg-1，平均值（718.10±238.15）mg·kg-1.入湖口沉积物TP含量显著高于湖区沉积物（P < 0.05），养殖围垸沉积物TP含量高于湖面沉积物，但无显著差异（P>0.05）.湖区西北和东北区域沉积物TP含量高于西南区域，四湖总干渠入湖口沉积物TP显著高于螺山干渠入湖口（P < 0.05），四湖总干渠磷输入可能是洪湖沉积物磷主要来源.洪湖不同类型采样点的沉积物磷形态组成存在显著差异，入湖口沉积物磷形态以Fe/Al-P和Ca-P为主，而湖面沉积物以OP和Ca-P为主，空间磷形态组成变化与人类活动影响和水生植物分布有关.通过沉积物Fe/Al-P和OP估算沉积物生物有效磷（BAP）含量，以BAP占TP比例来估算洪湖沉积物磷释放风险，BAP/TP为39.8%~69%，均值为（56.5±7.23）%，存在较高的磷释放风险.OP和BAP与上覆水TP显著相关（P < 0.01），BAP与上覆水正磷酸盐相关性最高，表明上覆水磷浓度可能与沉积物Fe/Al-P和OP向上覆水释放有关.
关键词: 洪湖湿地      沉积物      磷形态      生物有效磷      释放风险     
Spatial Distribution Characteristics of Phosphorus Fractions and Release Risk in Sediments of Honghu International Importance Wetland
LIU Yong-jiu1,2 , HUANG Su-zhen2,3 , ZHANG Lu2 , PENG Xue2,3 , ZHANG Xin-yi2,3 , GE Fang-jie2 , LIU Bi-yun2 , WU Zhen-bin1,2     
1. School of Resource & Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
2. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: According to a spatial distribution analysis of phosphorus in sediments from Honghu Wetland, it was found that TP content in sediments at the mouth of Honghu Lake was 781.31-1955.84 mg·kg-1 and the average value was(1287.21±437.28)mg·kg-1. TP content in sediments in the open water area was 438.33-1554.04 mg·kg-1, with an average value of(718.10±238.15)mg·kg-1. The TP content of sediments in lake inlet was significantly higher than that of sediments in the open water area(P < 0.05), and that in the enclosed aquaculture was higher than in the open water area, although no significant difference was observed (P>0.05). The TP content of sediments to the northwest and northeast of Honghu Lake was higher than that to the southwest of Honghu Lake, and the TP content of sediments in The Four-lake main canal was significantly higher than that of Luoshan main canal(P < 0.05). The phosphorus input in the Four-lake main canal may be the main source of phosphorus in Honghu Lake sediments. The phosphorus fraction composition in sediments from different sampling sites were significantly different. Fe/Al-P and Ca-P were the main forms of phosphorus in sediments from the lake inlet, while OP and Ca-P were the main forms of phosphorus in sediments from the open water area. The variation in spatial phosphorus form composition was related to the influence of human activity and the distribution of aquatic plants. Fe/Al-P and OP contents were used to estimate the content of biological available phosphorus (BAP) in evaluated sediments, and the proportion of BAP in TP was used to estimate the risk of phosphorus release in Honghu sediments. BAP/TP was 39.8%-69%, with an average of(56.5±7.23)%, indicating a high risk of phosphorus release. OP and BAP were significantly correlated with TP in overlying water(P < 0.01), and the correlation between BAP and phosphate in the overlying water was the highest. The results showed that phosphorus concentration in the overlying water may be related to the release of Fe/Al-P and OP into water bodies.
Key words: Honghu Lake      sediments      phosphorus fractions      bioavailable phosphorus      release risk     

洪湖国际重要湿地(29°38′~29°59′N, 113°11′~113°28′E)位于湖北省南部的洪湖市与监利县之间, 长江与东荆河之间的洼地中, 2018年面积为348.33 km2, 是中国第七大淡水湖泊[1].洪湖原为与长江相连的吞吐型湖泊, 20世纪50年代以来, 洪湖兴建各种水利工程, 如四湖总干渠和螺山干渠的围堤已经将洪湖与周围环境分隔开, 洪湖逐渐成为了受人为控制的半封闭型湖泊.20世纪90年代以来洪湖围垸围网水产养殖持续扩大, 水产养殖区占据洪湖大部分水域面积, 同时大量农业面源、生产、生活污水通过四湖总干渠和螺山干渠汇入洪湖.长期的大面积围网和围垸养殖区以及入湖污染输入导致近些年来洪湖水质持续恶化, 水生态退化, 对洪湖湿地水环境和水生态造成了重要影响.按照地表水环境质量标准(GB 3838-2002), 洪湖水质现状整体为Ⅳ类, 部分区域为V类, 沉水植物逐渐衰退, 水生植物多样性在减少[2, 3].

磷作为影响湖泊富营养化的关键因子之一, 外源输入的磷进入湖泊生态系统可以与悬浮颗粒物结合沉积到沉积物中, 在一定条件下沉积物富集的磷又会向上覆水释放, 外源磷的输入和沉积物磷的内源释放是水体磷含量主要来源[4, 5].在外部污染得到有效控制后, 沉积物磷的内源释放显著影响水体磷含量并可能加速水体富营养化[6~8].洪湖作为四湖总干渠受纳水体以及曾经大面积水产养殖水体, 其沉积物磷形态空间分布格局研究还未见报道.本研究通过实地调查, 在洪湖湿地不同区域, 包括入湖口、不同年限围垸养殖区和湖面区域分别设置采样点, 分析洪湖不同区域沉积物各形态磷含量和组成的空间变化, 探讨洪湖湿地沉积物磷格局的成因及内源磷释放风险, 以期为洪湖后期水生态修复及洪湖湖泊管理提供理论依据和数据支撑.

1 材料与方法 1.1 采样点设置及样品预处理

根据洪湖湿地的入湖支流, 不同年限的围垸布局, 结合湿地不同功能区域功能特点, 共设置37个采样点(如图 1), 其中入湖口采样点9个(R1~R9), 湖区采样点28个, 湖区采样点按区域分为围垸采样点(W1~W9)和湖面采样点(H1~H19), 根据围垸形成时间选取3个不同时长水产养殖围垸共设置9个围垸采样点, 其中W4、W5和W6所处围垸形成时间最长(1996年以前形成), W1、W2和W3所处围垸形成时间次之(1996~2005年形成), W7、W8和W9所处围垸形成时间最短(2005~2014年形成). 2019年9月使用彼德森采泥器采集沉积物样品, 将沉积物样混合均匀后, 保存于塑料袋中, 同时采集上覆水水样, 并尽快运回实验室处理分析.所有沉积物样品使用冷冻干燥仪干燥48 h后, 剔出沉积物中动植物残体, 研磨过100目筛, 置于干燥皿中保存待测.

图 1 洪湖采样点分布示意 Fig. 1 Locations of sampling sites in Honghu Lake

1.2 样品分析

水样测试指标包括TP和正磷酸盐, 采用钼酸铵分光光度法测定相关指标[9].沉积物各形态磷测定采用欧洲标准测试委员会SMT分级提取法进行测定, 该方法将沉积物磷形态划分为总磷(TP)、无机磷(IP)、铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷(Ca-P)和有机磷(OP), 不同形态磷经分级提取后取上清液, 采用钼酸铵分光光度法测定上清液磷浓度[10], 沉积物有机质测定采用灼烧减量法测定.

1.3 数据处理与分析方法

使用Excel和Origin软件进行测定数据的处理及图表的绘制, 使用ArcGis 10.2软件进行采样点位图的绘制与各形态磷含量的空间插值分析, 使用SPSS 19对数据进行统计和显著性分析, 采用Pearson相关性系数对各形态磷进行相关性分析.

2 结果与讨论 2.1 沉积物各形态磷空间变化

洪湖入湖口沉积物TP含量范围为781.31~1 955.84 mg ·kg-1, 平均值为(1 287.21±437.28)mg ·kg-1.洪湖湖区(围垸和湖面)TP含量范围为438.33~1 554.04 mg ·kg-1, 平均值(718.10±238.15)mg ·kg-1.洪湖与长江中下游大型浅水淡水湖泊沉积物TP含量见表 1, 将洪湖湖区沉积物TP含量与同类型大型浅水湖泊相比较, 其最高值与巢湖接近, 高于太湖等其它4个湖泊.根据加拿大安大略省沉积物质量评估指南：TP含量小于600 mg ·kg-1为安全水平, 600~2 000 mg ·kg-1为中度污染水平, 高于2 000 mg ·kg-1为重度污染水平[16].洪湖沉积物TP含量整体属于中度污染水平.将洪湖沉积物各形态磷做克里金插值分析, 反映洪湖沉积物磷形态含量空间变化见图 2, 可以看出洪湖湖心区域沉积物TP含量为安全水平, 其他区域均为中度污染水平.四湖总干渠入湖口TP含量显著高于螺山干渠入湖口(P < 0.05), 洪湖西北区域和东北区域沉积物TP含量要高于西南区域.不同类型采样点沉积物磷形态箱线图见图 3, 入湖口沉积物TP含量显著高于湖区沉积物(P < 0.05), 湖区中围垸沉积物TP含量含高于湖面区域, 但无显著性差异(P>0.05).从入湖口向湖心方向沉积物TP含量呈减小趋势, 洪湖作为一个半封闭湖泊, 四湖流域的来水主要通过四湖总干渠和螺山干渠进入洪湖, 入湖后流速降低, 来水携带营养盐在入湖口沉积, 导致各入湖口沉积物磷含量较高.围垸区域沉积物TP含量与围垸形成时长无关, 洪湖围垸水产养殖活动对沉积物磷含量的影响不明显.

表 1 洪湖与长江中下游大型浅水湖泊沉积物TP含量比较/mg ·kg-1 Table 1 Comparison of TP content in sediments from Honghu Lake and large shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River/mg ·kg-1

图 2 洪湖沉积物各形态磷空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of phosphorus fractions in Honghu Lake sediment

入湖口采样点IP含量显著高于湖区采样点(P < 0.05), 围垸采样点IP含量高于湖面采样点, 但无显著差异(P>0.05).Fe/Al-P和Ca-P为IP主要组成成分.

Fe/Al-P主要指由Fe和Al等氢氧化物和氧化物所吸附结合的磷, 沉积物Fe/Al-P累积与工业和生活污水排放密切相关, 研究表明沉积物中Fe/Al-P可以作为指示工业和生活污水中磷输入的良好指标[17, 18].从图 3可以看出入湖口采样点Fe/Al-P含量显著高于湖区采样点(P < 0.05), 围垸采样点Fe/Al-P含量总体上要高于湖面采样点, 但无显著性差异(P>0.05).从图 2可以看出, 洪湖沉积物Fe/Al-P含量由入湖口区域向湖心区域呈现下降趋势, 其中洪湖西北部和东北部的Fe/Al-P含量要高于其他区域.R1、R7和R9是四湖总干渠进入洪湖的主要入水口, 四湖总干渠来水经由蓝田河口和下新河口等进入洪湖.相关研究报道四湖总干渠的来水磷负荷占据外源进入洪湖磷负荷的63%[19].入湖口采样点中, 四湖总干渠入湖口的沉积物Fe/Al-P含量显著高于螺山干渠入湖口(P < 0.05).洪湖围垸水产养殖活动可能使沉积物Fe/Al-P含量升高, 但对洪湖沉积物Fe/Al-P含量影响不显著, 推测四湖总干渠上游来水磷负荷输入是影响洪湖沉积物Fe/Al-P含量的主要原因.

图 3 不同类型采样点沉积物磷形态箱线图 Fig. 3 Phosphorus box diagram of surface sediments from the different sampling sites

Ca-P主要是由变质岩或岩浆岩碎屑态磷灰石等陆源输入形成的一种沉积磷, 是一种稳定态磷, 由沉积物向上覆水释放的可能性较小.有研究表明河口附近和人为干扰导致磷输入较高的区域沉积物Ca-P的含量通常较高, 沉积物Ca-P一定程度能反映区域土地水土流失情况[20, 21].从图 3可以看出入湖口采样点Ca-P含量显著高于湖区采样点(P < 0.05), 围垸采样点Ca-P含量高于湖面采样点, 但无显著性差异(P>0.05).从图 2可以看出, 四湖总干渠的入湖口区域沉积物Ca-P含量最高, 而其他区域沉积物Ca-P含量差异较小.洪湖流域范围较大, 承接上游四湖流域的来水, 春夏季雨水充沛, 水土流失严重, 导致地表径流带入大量陆源颗粒态的磷, 随洪湖各入湖口河流汇入洪湖, 这可能是洪湖沉积物Ca-P主要来源.而围垸所处区域靠近入湖口, 这可能是围垸沉积物Ca-P含量高于湖面的原因.洪湖水体pH偏碱性, 促进上覆水中钙离子生成碳酸钙沉淀在沉积物中, 这些活性钙容易吸附上覆水中磷酸盐形成Ca-P, 导致在人为磷输入较高的入湖口区域沉积物中Ca-P含量比较高[22, 23].

沉积物中的OP一般认为来自水生动植物残体和农业面源污染, 沉积物中部分OP为不稳态磷, 容易随沉积物有机物的分解矿化转化成无机磷向上覆水释放[24].从图 3可以看出不同类型采样点沉积物OP含量无显著性差异(P>0.05).洪湖沉积物有机质含量(质量分数, 下同)范围为2.57% ~21.67%, 洪湖沉积物有机质含量空间差异较大, 湖区沉积物有机质含量[(9.23±3.58)%]显著高于入湖口[(5.30±2.39)%, P < 0.05], 这与湖区沉积物发现大量水生植物残体相符合.根据采样点水生植物调查情况, 曾经水生植物分布区(R6、H2、H4、H5和H16)沉积物OP含量显著高于其他采样点, 其采样点有机质含量也显著高于其他采样点沉积物(P < 0.05), 推测与水生植物衰败残体进入有关.由图 2可以看出, 洪湖西南区域沉积物OP含量相对较高.西南区域阳柴湖附近分布有大面积的水生植物, 又是洪湖湿地重要的水鸟栖息地[25], 鸟粪作为天然有机肥一般富含有机态磷, 这可能是该区域OP含量相对其他区域较高的原因.洪湖周围土地类型多为耕地, 推测入湖口沉积物OP来源可能与洪湖周围农业面源污染有关, 而湖区沉积物OP可能更多来自水生植物的残体.

各采样点沉积物IP占TP质量分数范围为46.5% ~93.8%, 平均值为(68.3±13.01)%; Fe/Al-P占TP质量分数范围为8.4% ~50.5%, 平均值为(24.7±10.18)%; Ca-P占TP质量分数范围为33.6% ~55.6%, 平均值为(42.8±6.67)%; OP占TP质量分数范围为6.2% ~53.5%, 平均值为(31.7±13.01)%.洪湖不同类型采样点沉积物磷形态占比箱线图如图 4所示, 洪湖不同类型采样点沉积物各形态磷占TP比例存在显著差异.入湖口沉积物Fe/Al-P/TP显著高于湖区采样点(P < 0.05), 湖面沉积物OP/TP显著高于入湖口沉积物(P < 0.05), 各类型采样点沉积物Ca-P/TP无显著差异(P>0.05).入湖口沉积物磷形态以Fe/Al-P和Ca-P为主, 而湖区沉积物磷形态以OP和Ca-P为主.各采样点沉积物磷形态组成变化主要表现在Fe/Al-P和OP的占比变化, 结合对洪湖沉积物各形态磷含量特征分析, 这与洪湖上游来水输入和水生植物分布有关.入湖口沉积物磷形态中Fe/Al-P占比较大; 湖区受Fe/Al-P占比相对较小.春夏季沉水植物生长会利用沉积物中的Fe/Al-P, 使沉积物Fe/Al-P降低[26].当沉水植物衰败进入沉积物后, 植物残体又会成为OP的重要来源之一.

图 4 洪湖不同类型采样点沉积物磷形态占比箱线图 Fig. 4 Box diagram of the proportions of phosphorus forms in sediments from different sampling sites in Honghu Lake

2.2 沉积物生物有效磷及磷释放风险

BAP是指沉积物中潜在可被水生生物直接利用的活性磷, 能以溶解态的磷酸盐释放出来, 并被水生生物所利用的那部分磷的含量[27].关于BAP界定目前还没有统一的标准, Ca-P不容易水解矿化, 是一种较稳定的磷形态, 通常被认为是不被生物所利用的磷形态, Fe/Al-P作为一种活性磷可直接被水生生物利用, OP作为沉积物中磷和有机质的重要组成部分, 其在微生物和磷酸酶的作用下可以转化为生物活性磷, 并向上覆水释放被水生生物所利用, 相关研究将Fe/Al-P和OP视作为BAP[28, 29].由于BAP容易向上覆水释放导致上覆水磷含量升高, 以BAP占TP的比例可以初步评价沉积物磷的释放风险[30]. 洪湖沉积物BAP空间分布见图 5, 洪湖各采样点沉积物BAP含量范围为253.58~1 050.89 mg ·kg-1, 平均值为(476.40±207.28)mg ·kg-1.入湖口沉积物BAP含量显著高于湖区采样点(P < 0.05), 围垸采样点沉积物BAP含量与湖面采样点无显著性差异(P>0.05).入湖口BAP以Fe/Al-P为主, 而湖面BAP主要以OP为主, 表明入湖口沉积物磷释放风险主要来自Fe/Al-P向水体释放, 而湖面沉积物磷释放风险主要来自OP矿化分解, 而围垸沉积物磷释放风险与所处区域有关.BAP占TP质量分数范围为39.8% ~69%, 平均值为(56.5±7.2)%, 表明洪湖沉积物容易向上覆水释放磷占TP比例较高, 存在较高的磷释放风险, 洪湖沉积物磷释放风险空间变化的克里金插值图见图 6, 可以看出洪湖西南区域沉积物磷释放风险要高于其他区域.

图 5 洪湖沉积物BAP空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of BAP in Honghu Lake sediment

图 6 洪湖沉积物磷释放风险空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of phosphorus release risk in Honghu Lake sediment

2.3 沉积物磷形态和上覆水磷相关性分析

洪湖上覆水TP浓度范围为0.042~0.211 mg ·L-1, 平均值为(0.076±0.035)mg ·L-1.上覆水正磷酸盐浓度范围为0.029~0.091 mg ·L-1, 平均值为(0.047±0.020)mg ·L-1.入湖口采样点上覆水TP和正磷酸盐含量显著高于其他类型采样点(P < 0.05), 围垸采样点上覆水与湖面采样点无显著差异(P>0.05).对洪湖沉积物和上覆水磷形态进行Pearson相关性分析, 洪湖沉积物与上覆水各形态磷Pearson相关性系数见表 2.沉积物中TP与IP、Fe/Al-P和Ca-P均呈极显著正相关(r分别为0.980、0.924和0.927, P < 0.01).这说明Fe/Al-P和Ca-P输入可能是洪湖沉积物磷负荷的主要来源.沉积物各形态磷中, OP与上覆水TP呈极显著正相关(r=0.478, P < 0.01), 表明OP与上覆水TP存在磷交换, 上覆水磷含量可能与沉积物OP向上覆水的释放有关[31].沉积物BAP与上覆水TP呈显著正相关(r=0.397, P < 0.05), 上覆水TP可能与BAP向上覆水的释放有关.上覆水正磷酸盐与TP、IP、Fe/Al-P、Ca-P和BAP呈显著相关性, 上覆水中正磷酸盐可能与沉积物各形态磷释放有关, 同时沉积物中Fe/Al-P、Ca-P与上覆水正磷酸盐和Fe、Al、Ca离子结合沉积在沉积物中有关.沉积物各形态磷中BAP与上覆水正磷酸盐相关性最高(r=0.434, P < 0.01), 这说明上覆水正磷酸盐可能与沉积物BAP向上覆水释放有关.

表 2 洪湖沉积物与上覆水各形态磷Pearson相关性1) Table 2 Pearson correlation of phosphorus fractions in the overlying water and sediments in Honghu Lake

3 结论

(1) 洪湖湿地不同类型采样点沉积物TP、IP、Fe/Al-P和Ca-P含量存在显著差异, 入湖口采样点的含量显著高于湖区采样点(P < 0.05), OP含量无显著差异(P>0.05).从入湖口到湖心, 沉积物TP、IP、Fe/Al-P和Ca-P含量呈下降趋势, 围垸水产养殖活动可能会使沉积物磷含量升高, 但对沉积物磷含量影响不显著.

(2) 洪湖不同类型采样点沉积物磷形态分布格局存在显著差异性, 入湖口沉积物磷形态以Fe/Al-P和Ca-P为主, 而湖面沉积物磷形态以OP和Ca-P为主, 四湖总干渠来水Fe/Al-P和Ca-P的输入, 可能是造成洪湖沉积物磷富集的主要原因, 另外沉积物中水生植物残体可能是沉积物OP的重要来源.

(3) 洪湖水体磷可能与沉积物Fe/Al-P和OP向上覆水释放与有关.洪湖存在较高的沉积物磷释放风险, 入湖口沉积物磷释放风险主要来自Fe/Al-P, 而湖面沉积物磷释放风险主要来自OP.

致谢: 感谢洪湖国家自然保护区管理局工作人员对本研究样点布设和现场调查中的帮助和支持.感谢胡泽和施鸿媛同学在采样中的帮助.

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