太湖西部沉積物磷形態剖面分布和成因分析

王一楷，李振國，陳志彪（1.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南湘潭 411201；2.福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福建福州 350007；3.福建師范大學地理科學學院，福建福州350007）

太湖地處長江三角洲南翼，是我國第三大淡水湖泊，面積2 336 km2，平均水深2 m，最大水深不超過3 m，屬大型淺水湖泊［1］。自20世紀80年代以來，太湖富營養化問題日益凸顯［2］，造成湖泊水體生態平衡破壞，景觀觀賞價值下降或消失［3］。太湖位于我國北亞熱帶東部季風氣候區，當夏季東南季風為主導風向時，湖泊表層的藻類水華等明顯呈現自東南向西北逐漸增加的分布態勢［4］，表層營養物在西北部湖區富集，該區富營養程度在整個湖區最高。2016年太湖湖體平均為輕度富營養狀態，總磷為主要污染指標［5］。磷是湖泊富營養化的決定因素［6］。作為磷等營養物質的重要儲積庫，沉積物一方面作為“匯”聚集來自上覆水體中沉降、顆粒運移等多種途徑帶來的污染物［7］；另一方面，在特定的環境條件影響下，沉積物作為“源”可將污染物再次釋放進入水體［8］，引起上覆水體的二次污染。

近年來，關于太湖沉積物和磷污染的研究主要集中在太湖全湖水體及表層沉積物磷空間分布特征高密度采樣分析［9］，太湖流域湖泊、河流、水庫等不同類型水體的沉積物碳氮磷分布與污染評價［10］等方面。姜霞等［11］對太湖沉積物氮磷吸附/解吸特征分析發現，總體上太湖沉積物是上覆水體營養鹽的“源”；孫文佳等［12］對太湖西部入湖河口區表層沉積物磷素分布特征進行研究，結果表明各河流河口區總磷含量由南向北逐漸升高，無機磷為表層沉積物磷的主要存在形態。而對太湖西部沉積物磷污染特征進行垂向分析和對比的研究還較少，筆者通過測定分析太湖西部沉積物中的磷形態和空間分布特征，探討太湖西部沉積物中磷的累積變化過程及可能的影響，以期為深入認識太湖富營養化問題提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

根據不同湖區的環境條件，選取3處有代表性的采樣點，樣點具體布設見圖1，樣點的地理位置和上覆水理化指標見表1。

圖1 采樣點位置示意Fig.1 Location of the sampling sites

表1 采樣點位置和上覆水理化指標Table 1 The location of sampling sites and the physical and chemical indicators of overlying water

采樣點T1位于北部竺山湖，該區域是一個半封閉湖灣，營養物質運輸交換不暢，有太滆運河等入湖河流，是太湖水污染最為嚴重的區域［13］；采樣點T2位于宜溧河河口，河流流經地區工農業發達，人口稠密，工農業廢水和生活污水排放量大［14］，易造成外源污染；采樣點T3位于湖區西南部，實地觀測和衛星影像資料顯示，周邊為農業用地和零散的城鎮建設用地，易受農業面源污染和城鎮點源污染影響。

1.2 樣品采集與分析

于2015年8月對研究區域進行現場觀測和采樣，使用9 cm口徑的柱狀采樣器（HYDRO-BIOS，德國）采集沉積物樣品，由于不同湖區沉積物底質存在差異，采樣點T1、T2和T3分別采得55、32和49 cm深度的柱狀沉積物樣品，將采集的樣品按照2 cm的間隔進行分層，用潔凈的密封聚乙烯袋封裝，避光保存。室內烘干后將貝殼殘體、植物等雜質挑出，用瑪瑙研缽充分研磨混勻，過0.149 mm孔徑尼龍篩，封袋編號，置于陰涼干燥處待測。

磷形態的分類和測定使用RUBAN等［15］制定的淡水沉積物磷形態的標準測試程序SMT，無機磷的測定按照俞振飛等［16］改進的提取方法，操作步驟如圖2所示。SMT方法將磷分為總磷（TP）、無機磷（IP）、有機磷（OP）、鐵鋁結合態磷（Fe/Al?P）和鈣結合態磷（Ca?P）5種形態。磷的測定采用鉬銻抗分光光度法，顯色結束后使用可見分光光度計（VIS-722，上海佑科儀器儀表有限公司）讀數。

研究選取采樣點T1和T3的1～24層（0～48 cm）、采樣點T2的1～14層（0～28 cm）作為研究對象。根據實測結果，沉積物樣品分為表層部分（1～3層，0～6 cm）和中下層部分（4～14/24層，7～18/48 cm）。

圖2 沉積物磷形態分類與測定Fig.2 Classification and measurement of phosphorus species

1.3 數據分析

實驗數據和圖表均在Excel 2013和SPSS 22.0軟件中處理完成，采用Pearson相關分析法進行不同磷形態之間的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同磷形態的垂向變化特征

2.1.1 TP和IP在表層富集

TP和IP的垂向變化如圖3～4所示，兩者變化趨勢有較好的一致性。采樣點T1和T2的TP、IP含量均顯示出由表層向下遞減的特征，表層部分TP含量為 465.52～1 081.87 mg·kg-1，IP含量為 333.44～658.85 mg·kg-1，呈現典型的表層富集特征，隨深度增加遞減速率迅速下降，自20 cm處向下有緩慢回升的趨勢；采樣點T3的TP和IP含量自表層向下累積但整體上穩定，TP含量為442.55～603.34 mg·kg-1，IP含量為314.30～522.94 mg·kg-1。

圖3 沉積物TP的垂向變化Fig.3 The vertical variation of TP of sediments

總體來看，在表層部分，采樣點T3的TP和IP含量小于采樣點T1和T2；在中下層部分，采樣點T3的TP和IP含量大于采樣點T1和T2。

圖4 沉積物IP的垂向變化Fig.4 The vertical variation of IP of sediments

2.1.2 OP含量低且變化穩定

由圖5可見，采樣點T1、T2和T3的OP含量呈現自表層向下遞減的趨勢，采樣點T2、T3的OP含量在垂向分布上存在顯著差異（P＜0.05），其他采樣點之間OP含量無顯著差異（P＞0.05）。表層OP含量較高，采樣點T1第1層（0～2 cm）OP含量達最高值193.33 mg·kg-1，其余各層的 OP 含量為 44.03～151.22 mg·kg-1；中下層OP含量極低，且基本穩定在9.57～126.33 mg·kg-1之間，平均值為38.43 mg·kg-1。

2.1.3 Fe/Al?P含量垂向變化大

由圖6可見，采樣點T1、T2和T3的Fe/Al?P含量均呈現自表層向下迅速遞減的趨勢，中下層含量較為穩定，采樣點T2和T3的Fe/Al?P含量在垂向分布上存在顯著差異（P＜0.05），其余采樣點間Fe/Al?P含量在垂向分布上無顯著差異（P＞0.05）。0～20 cm深度采樣點T1和T2的Fe/Al?P含量高于采樣點T3；下部20～48 cm深度3個采樣點的Fe/Al?P含量相近，為58.11～91.42 mg·kg-1。

2.1.4 Ca?P含量呈“S”形變化

由圖7可見，采樣點T1和T2的Ca?P含量在表層呈向下遞減趨勢，在6～20 cm深度含量穩定，自20 cm向下Ca?P含量開始迅速回升，甚至超過表層，呈“S”形變化，顯示出表層富集、中部轉化、底部積累的特征。

圖5 沉積物OP的垂向變化Fig.5 The vertical variation of OP of sediments

圖6 沉積物Fe/Al‐P的垂向變化Fig.6 The vertical variation of Fe/Al‐P of sediments

采樣點T3的Ca?P含量呈現自表層向下遞增的趨勢，顯示出底部積累的特征。在絕對磷含量上，采樣點T2的表層部分Ca?P含量最高，最大值為347.07 mg·kg-1，采樣點T3的表層部分Ca?P含量最低，最大值為210.4 mg·kg-1；中下層的柱樣中，采樣點T3的Ca?P含量（358.56～455.03 mg·kg-1）高于T1（167.91～337.85 mg·kg-1）。

圖7 沉積物Ca‐P含量的垂向變化Fig.7 The vertical variation of Ca‐P of sediments

2.2 各形態磷占總磷含量的比例分布

如圖8所示，沉積物中的Fe/Al?P含量占TP含量 的 10.83%～40.39%，Ca?P 含 量占 TP 含量 的26.88%～77.19%，OP含量占 TP含量的 2.56%～25.73%。從總體上看，3個采樣點各形態磷占TP的比例分布表現為 Ca?P＞Fe/Al?P＞OP。自表層向下，沉積物中Ca?P所占比例逐漸增加，Fe/Al?P所占比例相對穩定且略有下降，OP所占比例逐漸降低。

圖8 不同形態磷含量占總磷比例的垂向分布Fig.8 The proportions of various phosphorus forms to TP at different sampling sites

2.3 各形態磷之間的相關關系

受沉積物性質、水環境條件、生物作用和人類活動等因素影響，沉積物中不同形態磷的質量比存在差異［17］。分析沉積物中不同形態磷的相關關系，可為磷形態的轉化、遷移規律分析提供依據。采樣點T1、T2和T3各形態磷含量之間的相關關系如表2所示。

表2 沉積物中各形態磷含量之間的相關系數Table 2 The correlation of the contents of various phos‐phorus forms in sediments

采樣點T1和T2中，TP和IP含量相關性最強（P＜0.01），TP和OP、TP和Fe/Al?P、TP和Ca?P、IP和Fe/Al?P、IP和OP、IP和Ca?P、Fe/Al?P和OP含量具有顯著相關性（P＜0.05或P＜0.01）；采樣點T3中，IP和Ca?P、IP和OP、Fe/Al?P和OP、TP和IP、TP和Ca?P含量具有顯著相關性（P＜0.01）。

3 討論

3.1 外源輸入與內源釋放影響磷污染演變

根據沉積物中TP含量將污染程度分為3級：＞1 300 mg·kg-1為重污染水平，500～1 300 mg·kg-1為中度污染水平，＜500 mg·kg-1為輕度污染水平［18］。根據實測結果，表層部分采樣點T1和T2為中度污染水平，采樣點T3為輕度污染水平；中下部采樣點T1和T2為輕度污染水平，采樣點T3上升為中度污染水平，這與袁和忠等［9］和孫文佳等［12］的研究結果相似。采樣點T1和T2表層沉積物磷含量大于中下部歷史時期沉積物磷含量，表明近期的外源磷污染輸入較歷史時期有所上升；采樣點T3表層磷含量小于中下部歷史時期沉積物磷含量，表明近期外源磷污染輸入較歷史時期有所下降。但沉積物是磷營養鹽的“源”和“匯”，當外源輸入得到控制時，內源釋放仍會減弱富營養化治理效果［19］，采樣點T3沉積物中下層的TP含量在3個采樣點中最高，應注意監測、防范內源釋放造成的磷污染。

3.2 OP影響湖泊富營養化進程

OP由水生生物遺體組成的可降解磷部分和陸源排放物質組成的難降解部分組成［20］。其中部分OP通過化學和生物轉化作用釋放進入上覆水而被生物利用，從而對湖泊富營養化進程產生影響［21］，采樣點T1、T2和T3的OP含量呈現表層富集特征，使得直接和上覆水體接觸的表層沉積物中磷元素更容易釋放進入水體，影響湖泊富營養化進程；同時，陳豁然等［22］對磷形態的研究表明，可降解OP部分能夠在早期成巖過程中被釋放或向其他結合態磷轉化，采樣點T1、T2和T3的OP含量呈現自表層向下逐層遞減的趨勢，說明筆者的研究結論與其一致。

3.3 Fe/Al‐P是湖區磷污染的重要指示

Fe/Al?P主要指由Fe、Al等氧化物和氫氧化物所吸附的磷，這部分磷主要來自于人類活動排放的生活、工業污水［17］，因此可以將其作為湖區磷污染的重要指示之一。3個采樣點的Fe/Al?P含量呈現自表層向下遞減的趨勢，采樣點T1、T2表層和中下層Fe/Al?P含量都大于T3，表明太湖西部近期人類活動造成的磷污染在加重。楊文斌等［23］對太湖沉積物鐵形態分布特征的研究表明，采樣點T1所在湖區沉積物總鐵含量偏高，這有助于磷的吸附；但由于鐵存在氧化還原平衡，沉積物中的三價鐵還原為二價鐵時，結合的磷會隨著二價鐵的溶出再次釋放到水體中［24］，這與該研究中Fe/Al?P含量呈現自表層向下遞減的趨勢吻合。

3.4 Ca‐P的內源釋放風險需要防范

3個采樣點沉積物中IP含量占TP含量的主要部分，Ca?P又是IP的主要形態，這與袁和忠等［25］對太湖不同湖區、冀峰等［17］對太湖流域農村黑臭河、金曉丹等［26］對長江河口水庫沉積物中磷形態的研究結果一致。Ca?P主要是由變質巖或巖漿巖碎屑態磷灰石等陸源輸入形成的一種沉積磷［27］，在沉積物中主要以難溶性磷酸鹽的形式存在，因此對底泥向水體釋放的促進作用較小，也很難被生物利用［20］。在代表近段時期的表層沉積物中，采樣點T1和T2的Ca?P含量自表層向下遞減，表明外源輸入有增強的趨勢，采樣點T3則相反；在代表歷史時期的中下層沉積物中，采樣點T1和T2的Ca?P含量絕對值低于T3，且3個樣點呈向下遞增趨勢，表明采樣點T3受陸源輸入的影響較大，主要來源可能是岸邊農田灌溉的面源污染和生活污水的點源污染，活性鈣通過化學沉淀吸附反應可以吸附水體中的磷［23］，因此自沉積物表層向下Ca?P含量呈現累積趨勢，內源釋放風險也逐漸減小，這有助于降低湖泊富營養化的內源釋放風險。但近年來也有研究表明，成團泛菌與巨大芽孢桿菌等微生物作用于碎屑磷灰石，會使之釋放出Ca?P和稀土元素［28］。代丹［29］對太湖藻華暴發期間孔隙水Ca2+特征進行分析，發現采樣點T1上覆水中Ca2+濃度低于T3，采樣點T3底層孔隙水Ca2+濃度高于表層，采樣點T1表層孔隙水Ca2+濃度高于底層，該特征與采樣點T1和T3處沉積物中Ca?P含量變化規律一致。未來需要進一步深入研究Ca?P的內源釋放風險，對沉積物中Ca?P含量較高的湖區應加強內源釋放風險防范。

4 結論

（1）太湖西部沉積物磷含量在垂直方向上整體顯示出表層富集的特性，表明近段時期以來的人類活動導致研究區域沉積物磷含量累積；其中西南部受近岸外源輸入的影響，Ca?P不斷累積且在TP和IP中占比很高，該區域Ca?P、TP和IP含量呈現自表層向下累積的特征；OP含量雖然相對較低，但容易釋放進入上覆水而被生物利用，從而對湖泊富營養化進程產生影響；受盛行風向、湖區位置、周邊環境影響，太湖西北部磷污染水平整體上高于西南部。

（2）在沉積物各形態磷中，IP是TP的主要組成部分，Ca?P是IP的主要組成部分。由于沉積物中活性鈣對水體中磷的吸收轉化，自表層向下Ca?P所占比例逐漸增加，表明表層沉積物磷的釋放風險大于底層。

（3）各形態磷中TP和IP含量相關性最強，其中又以TP和Fe/Al?P的相關性最強，表明沉積物中磷含量上升和人類活動排放的生活、工業污水等關系密切，即人類活動造成的外源污染是沉積物中磷污染的主要來源。