浅水湖泊沉积物中磷的地球化学特征朱广伟,高 光,秦伯强,张 路,罗潋葱(中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京 210008)摘要:对太湖不同污染状况和生态系统状况的湖区沉积物中磷的地球化学形态及其分布进行了研究。结果发现,沉积物的理化性质和磷的化学形态一般都在表层下深5～15cm发生明显的转折;草型湖区、藻型湖区、开阔湖面的大湖区沉积物的理化性质、间隙水中的磷浓度及沉积物中磷的形态存在较大的差异。东太湖沉积物间隙水磷浓度和交换态磷含量都显著低于其他湖区;风浪扰动相对剧烈的开阔湖面湖区沉积物中磷的沉积规律也不同于梅梁湾藻型湖区和东太湖草型湖区。研究表明,浅水湖泊中水生生物状况、风浪扰动状况对沉积物中磷的地球化学行为有至关重要的影响。
关 键 词:浅水湖泊;沉积物;磷;地球化学形态;富营养化;太湖中图分类号:X142 文献标识码:A 文章编号:100126791(2003)062714206
收稿日期:2002209211;修订日期:2002212230
基金项目:中国科学院知识创新项目(KZCX12SW2122II202;KZCX22311);国家自然科学基金资助项目(40203007);中国博士后科学基金资助项目(2002031226)作者简介:朱广伟(1972-),男,河南中牟人,中国科学院南京地理与湖泊研究所助理研究员,博士,主要从事湖泊水环境治理研究。E2mail:gwzhu@niglas1ac1cn
深水湖泊沉积物中磷的释放比较有规律,主要随季节变化呈现周期性的变化,浅水湖泊中磷的释放、沉积等地球化学行为则较为复杂。浅水湖泊中,一方面,由于水浅,温度等理化性质分层不明显,风浪作用对沉积物2水界面的干扰大,表层沉积物的氧化比较充分,铁锰氧化物等胶体通过吸附作用对磷的迁移控制作用也较大,有利于沉积物中磷的固定;另一方面,与深水湖泊相比,浅水湖泊单位体积的水拥有更大面积的沉积物表面,风浪作用更容易扰动沉积物2水界面,沉积物与水体的接触机会大大增加,沉积物与水之间磷的交换作用更加充分,沉积物对水体磷的影响也更为直接和频繁[1],尤其是在湖面开阔、风的吹程长的大型湖泊中。研
究浅水湖泊沉积物中磷的地球化学规律,对正确认识浅水湖泊的内源负荷特点及揭示水华爆发机制都有重要意义。本文以太湖为例,研究了不同水文状况、水质特征和生态类型的湖区沉积物中磷的地球化学特征及其与浅水湖泊中磷的内源负荷之间的联系,为湖泊富营养化治理提供依据。
1 研究区域概况太湖水面面积为2338km2,平均水深为1189m,是一个典型的大型浅水湖泊[2]。由于湖面开阔,又位于典型的季风气候区,太湖风浪的发生频繁,5m/s以上的风速在太湖地区很常见,比如在2000年至2001年的731d中,有119d的日平均风速在5m/s以上,平均每611d就有1d的日平均风速超过5m/s,还不包括许多短时间的大风天气[3,4]。湖面风速在5m/s以上时风浪对沉积物的扰动作用已经相当强烈,可引起上覆水悬浮物浓度的显著增高[5],风浪作用对太湖沉积物2水界面的交换过程的干扰相当强烈,而这种风浪频繁扰动下沉
积物中磷的地球化学特征并不清楚。太湖的主要入湖河道集中在西岸,自北向南主要有梁溪河、直湖港、太运河、大浦港(宜溧河)、东西苕溪等,其中大浦港和东西苕溪是太湖的主要水源,70%以上的太湖水都来自这两条河。东部河网地区是太湖的出水河道,经东太湖而入淀山湖以及经望虞河入长江是太湖的两个主要出口。太湖的富营养化问题自1988年以来就比较突出,20世纪90年代以来水华频繁爆发。水华爆发主要集中
第14卷第6期2003年11月
水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVol114,No16
Nov.,2003
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.在北部的梅梁湾、竺山湾。近年来水华范围向大太湖扩展,大浦口、贡山湾以及马山南部一带都出现了大面积的水华。太湖的中、南部,即大太湖的大部分地区还没有发生大面积的水华。大太湖区风浪作用强度明显高于几个湖湾,湖心一带大片的湖区为硬底,没有软泥沉积。东太湖是太湖水出口的一个通道,水草丰茂,属于典型的草型湖泊,胥口湾也属于草型湖泊(图略),其水质明显优于其他湖区。
2 材料与方法211 样品的采集样品的采集于2001年6月7日进行。用日本生产的沉积物2上覆水柱状样品采样器(采样管长1m,内径62
mm,材料为有机玻璃)分别在梅梁湾的北部(A号采样点)、大浦口(B号采样点)、大太湖靠近小梅口的湖心(
C
号采样点)以及东太湖(D号采样点)各采集一根30cm的沉积物柱芯,保持上覆水满管,用橡胶塞密封采样管,
立即带回实验室当天进行处理。212 样品分析实验室内将沉积物柱芯自上而下按2cm分层,在原状泥中用铂电极测定沉积物的氧化还原电位。然后取5g
左右的新鲜泥称重,105℃烘干后获取沉积物的含水率。其余沉积物立即离心(4000rpm,20min)获取间隙水,并用Skalar流动分析仪测定PO3-4含量。离心后的沉积物风干、磨碎、过200目网筛后,取015g左右样品在马弗炉中550℃灼烧5h以上,获得沉积物的烧失量LOI来近似反映沉积物的有机物含量[6]。沉积物中磷的形态分析基本按
照李悦等[7]在Ruttenberg[8]提出的沉积物中磷的连续提取方案基础上改进的方法,具体步骤见表1。表1 沉积物中磷的连续提取方法Table1Sequentialextractionmethodofphosphorusinsediments形态代码提取方法
交换态磷Ex2P
013g沉积物加30mL1molMgCl2(pH8)振荡提取2h,5000rpm离心20min获取提取液(下同),同样再提取一次,再用30mL去离子水同样提取2遍(即漂洗2遍),合并提取液,提取液抽滤通过0145μm滤膜,以Skalar流动注射仪测定提取液中磷浓度。
铝结合磷Al2P
Ex2P提后残渣加30mL015molNH4F(pH812)振荡提取1h,离心获取提取液,再以30mL去离子水提取1遍,合并提
取液,提取液抽滤通过0145μm滤膜,以Skalar流动注射仪测定提取液中磷浓度。
铁结合磷Fe2P
Al2P提后残渣加30mL011molNaOH、015molNa2CO3混合提取液振荡提取4h,离心获取提取液,再用30mL去离子水
漂洗1遍,合并提取液,提取液抽滤通过0145μm滤膜,用ShimadzuUV2401紫外可见分光光度计测定提取液中磷浓度。
闭蓄态磷Bi2P
Fe2P提后残渣加入24mL013mol柠檬酸钠、1molNaHCO3及11125g配成的混合提取剂(pH716),搅拌15min后再加
入6mL015molNaOH,振荡提取8h,离心获取提取液,以30mL去离子水漂洗提取1遍,合并提取液,提取液抽滤通过0145μm滤膜,用ShimadzuUV2401紫外可见分光光度计测定提取液中磷浓度。
原生碎屑磷De2P
Bi2P提后残渣加入30mL1molNaAc2HAc(pH4)缓冲液振荡提取6h,离心获取提取液,再以30mL1molMgCl2提取1
次,然后以30mL去离子水提取1次,合并提取液后过滤,用ShimadzuUV2401紫外可见分光光度计测定提取液中磷浓度。
钙结合磷Ca2P
De2P提后残渣加入30mL1molHCl振荡提取16h,离心,再以30mL去离子水漂洗残渣1次,合并提取液,过滤,Shi2
madzuUV2401紫外可见分光光度计测定提取液中磷浓度。
有机磷Or2P
Ca2P提后残渣转移到瓷坩锅中,烘干,马弗炉中550℃灼烧2h,冷却后以30mL1molHCl振荡提取16h,提取液过滤,
ShimadzuUV2401紫外可见分光光度计测定提取液中磷浓度。
该方案将湖泊沉积物中由于生物残骸等生物钙结合态磷与羟基磷灰石等无机磷矿物加以区分,而且在每提取一种形态磷之后用水等加以漂洗,降低了前一级提取出的磷被沉积物胶体吸附而带入下一级的机会,使得沉积物的连续提取分级更好地反映出磷的地球化学特征[8]。提取中用沉积物标准样品GSD212进行质量控制。
3 结果与讨论311 沉积物的氧化还原电位、含水率和烧失量的分布沉积物的氧化还原电位Eh、有机质含量(以LOI近似表示)都对磷的释放和沉积有重要的影响[9]。对于大型浅水湖泊而言,沉积物的含水率也是影响磷释放的一个重要参数。因为含水率的大小直接影响到沉积物的再悬浮程度,而沉积物的再悬浮过程是磷在沉积物与上覆水之间重新分配的重要途径。
517 第6期朱广伟等:浅水湖泊沉积物中磷的地球化学特征
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图1 沉积物的Eh垂向分布Fig11VerticaldistributionofEhvaluesinsedimentcores
4个沉积物柱中Eh的垂向分布见图1。表层8cm沉积物的Eh大小顺序是:东太湖(D柱)
西南湖心(
C
柱)。主要与4个湖区的2个性质相关,一是生产力的大小顺序是东太湖>梅梁湾>大浦口>
西南湖心,生产力旺盛的湖区沉积物中有机质的矿化速率大,Eh更低;二是4个湖区的风浪扰动强度顺序为东太湖湖心,风浪的扰动使得沉积物与上覆水界面的复氧更加充分。西南湖心沉积物越接近表层Eh值越低,反映出这一湖区高的沉积物与上覆水交换速率。东太湖沉积物表层8cm的Eh峰值最接近表层,在3～4cm层的Eh值最低,主要是因为东太湖为草型湖泊,沉积物表层沉积更多的植物残体,微生物活动旺盛,且风浪对湖底的扰动大大弱于其他几个湖区。沉积物的烧失量LOI可以较好地反映出沉积物的有机质含量[6]。与Eh的情况类似,东太湖表层沉积物的LOI显著高于其他几个湖区(图2),随着沉积物深度增加,其LOI急剧下降,说明东太湖不但有机质的沉积速率大,其分解速率也很大。水华爆发严重的梅梁湾表层沉积物有机质的积累并不显著,可能与水华的大面积爆发导致生态系统单一化有关。水华爆发时尽管水体浮游生物的生产量大大增加,但由于其他高等水生植物的生长遭到抑制,蓝藻等藻类残体又极易分解而保持在上覆水生态系统中反复循环,有机质沉积量并不大。风浪扰动大的西南湖心和大浦口沉积物LOI越近表层越低,也许与该湖区近年来外源输入的水质特征变化有关。
图2 沉积物中LOI及含水率WC的垂向分布Fig12VerticaldistributionofLOIandwatercontentinsedimentscores沉积物的含水率与其再悬浮潜力有密切的关系。东太湖表层8cm沉积物的含水率显著高于下层(图2),与其有机质含量密切正相关(WC与LOI皮尔逊相关系数为01972,P<01001)。梅梁湾沉积物的含水率也是自上而下逐渐下降,反映出上层沉积物还具有较大的不稳定性,容易在大的风浪下发生再悬浮。大浦口和西南湖心样品除了表层2～4cm沉积物含水率略高于下层外,含水率的垂向变化不明显。原因是这两个湖区处于上游,