東部平原不同類型湖泊沉積物中有機(jī)磷的特征

廖劍宇，王圣瑞，楊蘇文，儲(chǔ)昭升，金相燦，張 宇，3，曾清如

1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊創(chuàng)新基地，國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019

東部平原不同類型湖泊沉積物中有機(jī)磷的特征

廖劍宇1，2，王圣瑞2*，楊蘇文2，儲(chǔ)昭升2，金相燦2，張 宇2，3，曾清如1

1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊創(chuàng)新基地，國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019

以選自東部平原3種不同類型8個(gè)淺水湖泊的18個(gè)表層沉積物樣品為研究對(duì)象，運(yùn)用分級(jí)提取法，研究了沉積物中有機(jī)磷(OP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、形態(tài)及其分布狀況，并探討了OP組分與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系.結(jié)果表明：東部平原湖泊沉積物中w(OP)為65.2～539.2 mg/kg，占w(TP)的19.9% ～40.6%，污染程度高的沉積物w(OP)高于污染程度較輕的沉積物.沉積物中各形態(tài)有機(jī)磷主要以中活性有機(jī)磷(MLOP)與非活性有機(jī)磷(NLOP)為主，不同類型湖泊沉積物中各形態(tài)w(OP)順序均為城市湖泊＞大型養(yǎng)殖型湖泊＞大型自然湖泊.城市湖泊與養(yǎng)殖型湖泊以NLOP為主，其相對(duì)含量達(dá)到50%以上;而大型自然湖泊以生物有效性有機(jī)磷(LOP+MLOP)為主，其相對(duì)含量為54.6% ～61.6%，表明沉積物中有機(jī)磷分布狀況與湖泊污染程度和人類活動(dòng)緊密相關(guān).酸提取有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)〔w(HCl-Po)〕為10.5～200.9 mg/kg，在不同污染程度湖泊沉積物中差異明顯，其和總有機(jī)磷(Po)的比值〔w(HCl-Po)/w(Po)〕與湖泊水質(zhì)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與沉積物w(TP)，w(OP)，w(LOP)及w(MLOP)也均呈顯著正相關(guān)(P＜0.01)，即沉積物中的HCl-Po可能是湖泊水體磷的重要來源，沉積物中w(HCl-Po)/w(Po)可以反映湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化程度.

湖泊;沉積物;有機(jī)磷;分布特征;富營(yíng)養(yǎng)化

沉積物是湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽的重要富集庫，點(diǎn)源排放的污水、非點(diǎn)源污染地表徑流的注入以及湖泊水生生物的死亡堆積，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物在湖泊沉積物中不斷累積，容易形成湖泊內(nèi)源負(fù)荷.研究表明，湖泊沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的特征及其賦存形態(tài)在一定條件下可以成為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主導(dǎo)因素［1］，而湖泊沉積物中的磷對(duì)湖泊系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力和湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀況有重要影響.湖泊沉積物中磷的釋放是維持淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平的重要因素［2］，其釋放潛力(即活性)、遷移能力和生態(tài)效應(yīng)均取決于磷在沉積物中的賦存形態(tài)［3］.目前，對(duì)湖泊沉積物中磷的賦存形態(tài)多集中于無機(jī)磷及其生物有效性的研究方面［4-5］，而對(duì)湖泊沉積物中有機(jī)磷的研究還鮮見報(bào)道.事實(shí)上，有機(jī)磷也是沉積物中重要的活性組分.王雨春等［6］對(duì)云貴高原紅楓湖和百花湖沉積物磷形態(tài)的研究表明，有機(jī)磷可占總磷的50%以上.有機(jī)磷可以經(jīng)磷酸酶水解、細(xì)菌降解或光解等作用后快速轉(zhuǎn)化成生物有效性磷，從而維持浮游生物的生長(zhǎng)［7］;而對(duì)湖泊沉積物磷化合物組成發(fā)現(xiàn)，磷酸脂類等有機(jī)磷組分的礦化和再循環(huán)作用為浮游藻類提供了重要的磷源，對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生產(chǎn)生了重要影響［8］.

東部平原是我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的區(qū)域［9］，其湖泊中的大部分都是淺水湖泊，因此對(duì)該區(qū)域不同類型湖泊沉積物中有機(jī)磷特征的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義.應(yīng)用 IVANOFF等［10］的提取方法，對(duì)東部平原湖區(qū)8個(gè)淺水湖泊表層沉積物中的有機(jī)磷進(jìn)行分級(jí)提取，研究了不同類型湖泊沉積物中有機(jī)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、賦存形態(tài)及其分布特征，并結(jié)合湖泊沉積物理化性質(zhì)和湖泊水質(zhì)狀況，探討了有機(jī)磷組分與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系，為進(jìn)一步研究淺水湖泊沉積物磷的生物地球循環(huán)規(guī)律，揭示淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生機(jī)制提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

東部平原湖區(qū)位于中國(guó)大陸的第三臺(tái)階，地勢(shì)低平多淺洼地.該區(qū)域湖泊的形成大多受海平面升降和江河水系的作用，湖泊大多較淺，平均水深普遍在1～6 m，東部平原地區(qū)湖泊大多地處溫帶地區(qū)，是湖泊最易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的地帶，太陽輻射和溫度最適合浮游植物的生長(zhǎng)［11］.東部平原湖泊地區(qū)是我國(guó)開發(fā)歷史較早的區(qū)域，而沿湖地帶是開發(fā)的重點(diǎn)，尤其是近年來，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，大量污染物未經(jīng)處理即排入湖泊，因此，受自然與人為因素的影響，東部平原地區(qū)已成為我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊集中分布區(qū)［12］.

根據(jù)對(duì)東部平原區(qū)10 km2以上的100個(gè)湖泊的調(diào)查結(jié)果，結(jié)合前人的研究成果［13］以及湖泊污染物的來源、功能及環(huán)境特征，選擇了包括武漢東湖、岳陽南湖、大通湖、軍山湖、洪湖、太湖、洞庭湖和鄱陽湖在內(nèi)的8個(gè)湖泊進(jìn)行研究，涉及東部平原地區(qū)8個(gè)湖泊及采樣點(diǎn)位置見圖1.其中，武漢東湖和岳陽南湖為城市湖泊，這類湖泊作為城市飲水源和風(fēng)景游覽地，同時(shí)也是工農(nóng)業(yè)、生活等混雜污水的排放地，因其水深淺、流動(dòng)性差、底泥營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷加重且極易受環(huán)境影響，導(dǎo)致水體普遍呈富營(yíng)養(yǎng)化特征［14］;大通湖、軍山湖和洪湖屬于養(yǎng)殖型湖泊，這類湖泊主要受到養(yǎng)殖活動(dòng)等的影響，由于常年網(wǎng)箱養(yǎng)殖，有機(jī)餌料、動(dòng)植物殘?bào)w等營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)物的增加，導(dǎo)致湖泊淤泥增加、面積減小，部分原本水草繁茂、生物多樣性較高的草型湖泊向藻型、沼澤化湖泊過渡，底泥營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷較重，水體大部分呈富營(yíng)養(yǎng)化特征［15］;太湖、洞庭湖和鄱陽湖屬于大型自然湖泊，為我國(guó)主要的淡水湖，這類湖泊湖區(qū)面積較大，受工農(nóng)業(yè)的影響不及城市、養(yǎng)殖型湖泊，水體流動(dòng)變幅巨大，自凈能力較強(qiáng)，湖區(qū)底泥營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷較輕，除太湖梅梁灣外水質(zhì)基本呈中營(yíng)養(yǎng)水平［16］.

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與分析

于2007—2008年，在東部平原8個(gè)湖泊，現(xiàn)場(chǎng)用柱狀采樣器采集表層10 cm的沉積物樣品18個(gè)，混合均勻后置于封口塑料袋中，在冰盒中存放，帶回實(shí)驗(yàn)室.沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥，分散、研磨、過篩100目(0.149 mm)后，置于密封袋中，保存?zhèn)溆?同時(shí)用2.5 L采水器采集表層湖水樣品，加入少量濃H2SO4冷藏保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析，具體采樣點(diǎn)位置見圖1(b).

2.2 沉積物的理化性質(zhì)

圖1 湖泊及采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of the lake and sampling sites

采用 SMT協(xié)議法［17］測(cè)定總磷(TP)、無機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w);有機(jī)磷(OP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)則通過總磷與無機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的差值計(jì)算得到;經(jīng)濃H2SO4-CuSO4-Se催化消煮后，用KDY-9820型凱氏定氮儀測(cè)定沉積物總氮(TN)質(zhì)量分?jǐn)?shù);采用經(jīng)典重鉻酸鉀法［18］測(cè)定有機(jī)質(zhì)(OM)質(zhì)量分?jǐn)?shù);采用 EDTA-銨鹽快速法［19］測(cè)定陽離子交換量(CEC).上覆水TP，TN，葉綠素 a(chla)和 CODMn質(zhì)量濃度(ρ)的測(cè)定分別采用鉬酸銨比色法、堿性過硫酸鉀紫外分光光度法、光密度分光光度法和酸性滴定法［20-21］.

2.3 沉積物有機(jī)磷各形態(tài)

有機(jī)磷形態(tài)分級(jí)提取采用 IVANOFF等［10］的方法，將沉積物中的有機(jī)磷分為3種形態(tài)：活性有機(jī)磷用0.5 mol/L NaHCO3(pH為8.5)萃取16 h，主要為吸附于沉積物的松散磷;中活性有機(jī)磷由1 mol/L HCl萃取有機(jī)磷與0.5 mol/L NaOH萃取出來的富里酸磷組成;非活性有機(jī)磷則包括0.5 mol/L NaOH提取出來的胡敏酸磷，以及沉積物灼燒后1.0 mol/L H2SO4提取出來的殘?jiān)鼞B(tài)有機(jī)磷.為了保證各步驟的提取效率，每一步均重復(fù)多次，直到該步驟最后一次的提取量低于提取總量的10%以下，連續(xù)提取過程中提取液磷的測(cè)定均采用鉬藍(lán)比色法.

試驗(yàn)所用藥品均為分析純，試驗(yàn)用水為去離子水(＞18 MΩ)，所有器皿均用0.3%HCl溶液浸泡過夜，再用去離子水清洗.運(yùn)用 Excel 2003和 SPSS 16.0 for Windows程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

3 結(jié)果與分析

3.1 沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

沉積物基本特征如表1所示.由表1可見，樣品中w(OM)為1.1% ～6.27%，其最大值為武漢東湖的WD-2采樣點(diǎn)，最小值為太湖的T-2采樣點(diǎn)，最大值與最小值相差 6倍;沉積物中w(TN)為0.80% ～5.06%，最大值為武漢東湖的WD-2采樣點(diǎn)，最小值為鄱陽湖的 PY-2采樣點(diǎn)，變化范圍及趨勢(shì)與w(OM)基本相近;CEC為 40.45～258.44 mmol/kg，最大值為岳陽南湖，最小值為太湖的T-3采樣點(diǎn).該結(jié)果與東部平原湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度是一致的［22］，污染嚴(yán)重的湖泊沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于污染較輕的湖泊.

沉積物中w(TP)是反映湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)之一.該研究16個(gè)表層沉積物中w(TP)差異均很大，w(TP)為 327.0～1 760.7 mg/kg，平均值為 800.6 mg/kg，總體上不同類型湖泊w(TP)順序?yàn)槌鞘泻?＞養(yǎng)殖型湖泊 ＞大型自然湖泊，其中武漢東湖沉積物中w(TP)最高，達(dá)到1 760.7 mg/kg.根據(jù)劉鴻亮等［23］的研究，將沉積物分為嚴(yán)重污染〔w(TP)＞1 000 mg/kg〕、中度污染〔500 mg/kg≤w(TP) ≤1 000 mg/kg〕和未污染〔w(TP) ≤500 mg/kg〕3類：①岳陽南湖、武漢東湖和大通湖，這類湖泊主要為城市、養(yǎng)殖型湖泊，沉積物中w(TP)均在1 000 mg/kg以上;②太湖梅梁灣、鄱陽湖入湖口、洞庭湖、洪湖和軍山湖，這類湖泊主要為養(yǎng)殖型湖泊，沉積物中w(TP)在500～1 000 mg/kg;③東太湖、太湖貢湖灣、鄱陽湖主航道和洞庭湖主航道，這類湖泊均為大型自然湖泊，沉積物中w(TP)均在500 mg/kg以下.w(OP)為 65.2 ～539.2 mg/kg，占w(TP)的19.9%～42.3%.不同污染程度湖泊沉積物中w(OP)與w(TP)變化趨勢(shì)相一致，污染程度高的湖泊沉積物中w(OP)高于污染程度較輕的湖泊，嚴(yán)重污染湖泊沉積物中w(OP)為352.8～539.2 mg/kg，中度污染湖泊為143.7～346.4 mg/kg，未 污 染 湖 泊 為 65.5～124.5 mg/kg，嚴(yán)重污染湖泊沉積物中w(OP)分別是中度污染、未污染湖泊的1.7和4.2倍.

表1 沉積物基本理化特征Table 1 Physicochemical characteristics of the sediment samples

3.2 沉積物中各形態(tài)有機(jī)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布

不同污染程度、不同污染類型導(dǎo)致了湖泊各形態(tài)有機(jī)磷差異很大，研究區(qū)域內(nèi)沉積物中各形態(tài)有機(jī)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布情況見圖2，3.分析圖2，3表明，沉積物中的OP主要以MLOP與NLOP為主，二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和能達(dá)到w(TP)的90%左右，其中w(MLOP)為 31.5～241.1 mg/kg，占w(TP)的40.7% ～52.9%，平均值為113.5 mg/kg;w(NLOP)為26.2～247.4 mg/kg，占w(TP)的40.6% ～54.0%，平均值為113.6 mg/kg，而沉積物中活性有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)〔以w(LOP)表示〕最低，處于5.0～32.3 mg/kg，占w(TP)的 4.0% ～7.4%，平均值為13.5 mg/kg.不同類型湖泊各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序均為城市湖泊＞養(yǎng)殖型湖泊＞大型自然湖泊，各湖泊w(LOP)順序?yàn)樵狸柲虾疚錆h東湖＞軍山湖 ＞洪湖 ＞大通湖 ＞洞庭湖 ＞太湖 ＞鄱陽湖，w(MLOP)順序?yàn)樵狸柲虾疚錆h東湖＞大通湖＞洪湖＞軍山湖＞洞庭湖 ＞太湖＞鄱陽湖，w(NLOP)順序?yàn)樵狸柲虾疚錆h東湖＞軍山湖＞大通湖＞洪湖＞洞庭湖＞太湖 ＞鄱陽湖.研究表明，各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著湖泊污染程度的增加而增加，這與梁海清等［24］對(duì)長(zhǎng)江中下游4個(gè)不同污染程度湖泊的研究結(jié)果基本一致;在對(duì)土壤有機(jī)磷的研究中也發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥的增加可以活化土壤中難溶性磷化物，提高各形態(tài)有機(jī)磷含量［25］.城市湖泊、養(yǎng)殖型湖泊各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于大型自然湖泊，這可能與近年來湖泊受到越來越嚴(yán)重的外來有機(jī)污染有關(guān)，人類活動(dòng)的加劇與工業(yè)的快速發(fā)展是導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要因素，說明湖泊沉積物中的有機(jī)磷不僅受到湖泊內(nèi)源污染的控制，外源污染的影響也同樣不容忽視.

圖2 湖泊沉積物各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布Fig.2 Distribution of organic phosphorus forms in the lake sediment samples

圖3 不同類型湖泊沉積物各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布Fig.3 Distribution of organic phosphorus forms in different types of lake sediment samples

根據(jù)湖泊中各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值確定各湖泊有機(jī)磷的相對(duì)含量.結(jié)果表明，城市湖泊與養(yǎng)殖型湖泊的OP以NLOP為主，而大型自然湖泊的 OP以 LOP與 MLOP為主，岳陽南湖、武漢東湖等城市湖泊w(LOP)占w(OP)的4.0%～4.9%，大通湖等養(yǎng)殖型湖泊中w(LOP)占w(OP)的比例與城市湖泊相近，而太湖、洞庭湖和鄱陽湖等大型自然湖泊中w(LOP)占w(OP)的比例均大于前人報(bào)道的土壤中w(LOP)占w(OP)的比例(7%)［26］.前人對(duì)土壤和湖泊沉積物的研究發(fā)現(xiàn)，LOP與MLOP是植物可利用磷的主要來源，而近期沉積的LOP組分則是富營(yíng)養(yǎng)化湖泊磷釋放的主力［27］，沉積物中的 LOP在一定條件下可礦化或水解成為溶解態(tài)的活性磷，當(dāng)水體中活性磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低時(shí)會(huì)促進(jìn)水體中活性較高的有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化［28］，該研究自然湖泊沉積物中生物有效性有機(jī)磷(LOP+MLOP)相對(duì)含量為 54.6% ～61.6%，自然湖泊相對(duì)含量均高于城市湖泊和養(yǎng)殖型湖泊，這與JIN等［29］對(duì)不同污染程度湖泊沉積物的研究結(jié)果一致.w(LOP)在w(OP)中所占比例的差異表明，污染嚴(yán)重的城市、養(yǎng)殖型湖泊的沉積物通過礦化作用釋放到水體中有機(jī)磷的含量大于污染較輕大型自然湖泊，對(duì)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化影響更大.污染嚴(yán)重的城市、養(yǎng)殖型湖泊的沉積物中w(NLOP)占w(OP)的比例均大于50%，而大型自然湖泊的沉積物中w(NLOP)占w(OP)的比例為39.4% ～45.2%，NLOP的分布與不同類型湖泊水動(dòng)力條件及富集有機(jī)質(zhì)的礦化降解有關(guān)，沉積物中的NLOP主要以腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)的形式存在，含量相對(duì)穩(wěn)定，大型自然湖泊水動(dòng)力條件較強(qiáng)，如太湖有多條河流連匯，而鄱陽湖與洞庭湖均屬于季節(jié)性吞吐湖泊，水體流動(dòng)性大，水體中磷和有機(jī)質(zhì)的寄宿時(shí)間較長(zhǎng)，磷的遷移轉(zhuǎn)化速率快，導(dǎo)致有機(jī)磷組分不易沉積，而城市、養(yǎng)殖型湖泊水動(dòng)力條件相對(duì)穩(wěn)定，風(fēng)浪攪動(dòng)影響較小，可降解有機(jī)磷組分易于沉積;沉積物中w(OM)的高低也是影響湖泊w(LOP)差異的一個(gè)重要因素，城市湖泊主要受工業(yè)廢水及生活污水的影響，導(dǎo)致沉積物中w(OM)高，養(yǎng)殖型湖泊中魚類、貝類、藻類的死亡殘?bào)w、代謝廢物、殘餌等也含有豐富的有機(jī)質(zhì)，這些高有機(jī)質(zhì)中可被降解沉積的有機(jī)磷組分遠(yuǎn)大于其能礦化降解組分，在水交換能力較弱的情況下，它們被顆粒物吸附后以有機(jī)質(zhì)的形式進(jìn)入沉積相，導(dǎo)致沉積物的組成發(fā)生改變，所以難降解的有機(jī)磷組分大多容易沉積下來［30］，而大型自然湖泊有機(jī)質(zhì)含量偏低，在水交換能力較強(qiáng)的情況下，可礦化的有機(jī)磷組分大于可降解組分.ZHANG等［31］研究發(fā)現(xiàn)，NLOP只是化學(xué)溶解上的相對(duì)“惰性”，在一定條件下，主要組分(如植酸態(tài)磷)可以被微生物及植物吸收利用，其仍具有潛在的生物活性，嚴(yán)重污染的城市、養(yǎng)殖型湖泊比污染較輕的大型自然湖泊的沉積物中w(NLOP)占w(OP)的比例高，這說明了 NLOP對(duì)于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化同樣產(chǎn)生了重要影響.

3.3 沉積物中各形態(tài)有機(jī)磷的相互關(guān)系及影響因素

分析沉積物及土壤中各形態(tài)有機(jī)磷之間的關(guān)系以及它們與沉積物的某些理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)各形態(tài)有機(jī)磷的分布特征意義重大.沉積物中各形態(tài)有機(jī)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及與沉積物理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系如表2所示.由表2可見，w(TP)與w(OP)呈顯著正相關(guān)(R=0.76，P＜0.01)，說明沉積物中w(TP)和w(OP)在來源上具有較好的一致性.各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與w(OP)均呈顯著正相關(guān)〔w(LOP)，R=0.76;w(MLOP)，R=0.86;w(NLOP)，R=0.80;P ＜0.01〕，各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間同樣呈顯著正相關(guān)，w(MLOP)與w(LOP)的相關(guān)性高于與w(NLOP)的相關(guān)性，表明表層沉積物中各形態(tài)有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化過程可能主要由MLOP向LOP進(jìn)行，其主要機(jī)理有待深入研究.

各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與w(OM)和w(TN)均呈顯著正相關(guān)〔w(LOP)，R=0.87;w(MLOP)，R=0.84;w(NLOP)，R=0.76;P ＜0.01〕，這與前人的研究成果［31-32］一致.一般而言，河湖生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)磷主要來自于陸源、海源和自生相有機(jī)磷的混合輸入，并且沉積物中的有機(jī)磷主要受有機(jī)質(zhì)的控制［33］. 李軍等［34］在對(duì)太湖五里湖的研究發(fā)現(xiàn)，沉積物在早期成巖作用過程中，湖泊內(nèi)源自身有機(jī)質(zhì)發(fā)生降解時(shí)優(yōu)先釋放有機(jī)磷，可降解有機(jī)磷部分可以在早期成巖過程中隨有機(jī)質(zhì)的降解而釋放甚至向其他結(jié)合態(tài)磷轉(zhuǎn)化，在沉積物-水界面附近，富集有機(jī)質(zhì)因物理化學(xué)及微生物的共同作用［35］，可能導(dǎo)致有機(jī)磷被釋放，進(jìn)一步礦化后進(jìn)入上覆水體，類似于土壤中有機(jī)化肥的施入可使土壤w(OP)升高，從而使土壤有機(jī)磷庫發(fā)生再分配［36］.陽離子交換量與活性較低形態(tài)的有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性高，這是由于沉積物表面膠體中有機(jī)交換基主要由腐殖質(zhì)酸構(gòu)成，而LOP則提供了更多的有機(jī)交換基，在沉積物表面形成了更多的可交換的有機(jī)無機(jī)復(fù)合體.

表2 有機(jī)磷各形態(tài)之間及其與沉積物理化性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlations of various organic phosphorus forms and sediment physicochemical indexes

3.4 沉積物有機(jī)磷形態(tài)與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)系

利用EDTA法分析沉積物磷形態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)，湖泊表層沉積物中酸提取有機(jī)磷(HCl-Po)含量與總有機(jī)磷(Po)含量的比值可以大致反映湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平的差異［37］，孫曉航等［38］對(duì)太湖沉積物磷形態(tài)的研究也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果.雖然提取方法不同，但該研究中對(duì)各形態(tài)有機(jī)磷的研究發(fā)現(xiàn)，酸提取有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值〔w(HCl-Po)/w(Po)〕同樣具有明顯的差異性，同時(shí)與湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化污染程度密切相關(guān)，如嚴(yán)重污染的武漢東湖、岳陽南湖其值均大于0.3，未污染的大型自然湖泊太湖(除梅梁灣外)、洞庭湖、鄱陽湖湖區(qū)在0.2左右，而養(yǎng)殖型湖泊則基本介于0.2～0.3之間(見圖4).根據(jù)w(HCl-Po)/w(Po)與上覆水體中ρ(TP)，ρ(TN)，ρ(chla)和ρ(CODMn)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，w(HCl-Po)/w(Po)大小與湖泊水質(zhì)污染水平基本一致，表明HCl-Po可能是湖泊水體磷的重要來源，w(HCl-Po)/w(Po)可以很好地反映湖泊富營(yíng)養(yǎng)化水平，能夠?yàn)榻窈蠛此h(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制訂及湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)研究提供新的理論依據(jù).

圖 4 w(HCl-Po)/w(Po)與水體w(TP)，w(TN)，w(chla)和CODMn指數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlations between HCl-Po/Po and concentrations of total phosphorus，total phosphorus，chla and CODMn in water

HCl-Po是MLOP的主要組成部分，其化學(xué)組分主要以磷酸酯、磷脂、核酸、磷蛋白和磷酸糖類為主［39］，多為易分解的生物大分子，穩(wěn)定性差，在一定條件下可水解或礦化［40］，分解為溶解性的小分子有機(jī)磷或溶解性磷酸根，通過孔隙水遷移擴(kuò)散，具有潛在的生物有效性.INGALL等［41-42］分別運(yùn)用31P核磁共振波譜法調(diào)查了海洋與江口沉積物中磷的組成發(fā)現(xiàn)，磷酸酯類是所有沉積物中有機(jī)磷的主要部分;HERNANDEZ等［43］對(duì)一個(gè)溫帶中等富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，磷酸單酯提供了藻類40%以上的磷需求;而MONBET等［44］利用酶水解技術(shù)發(fā)現(xiàn)，水體可酶解磷中約有60%的磷酸單酯和雙酯磷被降解.這些研究進(jìn)一步表明，酸可提取有機(jī)磷對(duì)湖泊環(huán)境的威脅性.該研究w(HCl-Po)為 10.5～200.9 mg/kg，占w(MLOP)的 32.2% ～83.3% ，占w(TP)的3.2%～14.9%.污染嚴(yán)重的城市湖泊及污染較重的養(yǎng)殖型湖泊的w(HCl-Po)均在100 mg/kg以上，而大型自然湖泊為13.4～51.7 mg/kg.對(duì)湖泊沉積物中w(HCl-Po)與湖泊的基本理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析(見圖 5)發(fā)現(xiàn)，w(HCl-Po)與w(TP)，w(OP)，w(LOP)及w(MLOP)均呈顯著正相關(guān)〔w(TP)，R=0.91;w(OP)，R=0.97;P ＜0.01〕，可見HCl-Po與湖泊磷庫間關(guān)系緊密，與湖泊污染程度密切相關(guān)，特別是與活性較高的有機(jī)磷組分的相關(guān)性高，說明其具有較高的潛在生物活性，在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為生物可利用性磷，如小分子磷脂類磷經(jīng)酶水解后能被浮游植物直接利用，而分子量較大的核酸、磷蛋白等組分在礦化作用下重新參與湖泊養(yǎng)分循環(huán)，其遷移轉(zhuǎn)化可能是導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要過程，今后應(yīng)重視對(duì)湖泊沉積物酸可提取有機(jī)磷的研究.

圖 5 w(HCl-Po)與沉積物w(TP)，w(OP)，w(LOP)及w(MLOP)的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlations between concentration of HCl-Po and concentrations of total phosphorus，total organic phosphorus，labile and moderately labile organic phosphorus in sediments

4 結(jié)論

a.研究區(qū)域內(nèi)w(TP)為327～1 929 mg/kg，總體上不同類型湖泊w(TP)順序?yàn)槌鞘泻矗攫B(yǎng)殖型湖泊 ＞大型自然湖泊;w(OP)為 65.2～539.2 mg/kg，占w(TP)的19.9% ～40.6%.不同污染程度湖泊中的沉積物w(OP)與w(TP)變化趨勢(shì)相一致，總體上不同類型湖泊沉積物中w(OP)順序?yàn)槌鞘泻矗攫B(yǎng)殖型湖泊＞大型自然湖泊;

b.沉積物中各形態(tài)有機(jī)磷主要以MLOP與NLOP為主，各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著湖泊污染程度的增加而增加，不同類型湖泊各形態(tài)有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序?yàn)槌鞘泻矗攫B(yǎng)殖型湖泊＞大型自然湖泊;城市湖泊與養(yǎng)殖型湖泊以NLOP為主，而大型自然湖泊以活性較高的OP(LOP+MLOP)為主.

c.酸提取有機(jī)磷(HCl-Po)是MLOP的主要組成部分，不同污染程度湖泊沉積物中w(HCl-Po)差異明顯，并且與水體w(TP)，w(TN)，w(Chla)，以及CODMn指數(shù)呈顯著正相關(guān)，表明HCl-Po可能是湖泊水體磷的重要來源，w(HCl-Po)/w(OP)可以很好地反映湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化程度;w(HCl-Po)與沉積物w(TP)，w(LOP)及w(MLOP)均呈顯著正相關(guān)，表明HCl-Po的遷移轉(zhuǎn)化可能是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要過程，今后應(yīng)重視對(duì)湖泊沉積物中HCl-Po的研究.

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Characteristics of Organic Phosphorus in Different Forms of Lake Sediments from East Plain Region

LIAO Jian-yu1，2，WANG Sheng-rui2，YANG Su-wen2， CHU Zhao-sheng2，JIN Xiang-can2，ZHANG Yu2，3，ZENG Qing-ru1

1.College of Resources＆ Environment，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China
2.State Environmental Protection Key Laboratory For Lake Pollution Control，Research Center of Lake Environment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
3.College of Ecology＆ Environmental Science，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，China

Eighteen surface sediment samples taken from eight shallow lakes belonging to three different types in the eastern plain region of China were chosen to investigate their contents，forms and distribution characteristics of organic phosphorus(OP).The relationships between the OP fractions in sediments and their lake eutrophication were also discussed.The results showed that the contents of OP ranged from 65.2 to 539.2 mg/kg，accounting for 19.9%to 40.6%of w(TP)，which were higher in the heavily polluted sediments than those in the lightly polluted ones.The main forms of OP in the sediments from the eight lakes were moderately labile organic phosphorus(MLOP)and nonlabile organic phosphorus(NLOP).Their contents varied greatly，and the rank order from different type of lakes was urban lakes＞farmings lake＞large lakes.The NLOP was the main organic phosphorus form for the sediments from the urban lakes and the farming lakes，the content of which accounted for above 50%of w(TP).However，the main organic phosphorus form of the sediments from the large natural lakes was the bioavailable organic phosphorus(LOP+MLOP)，the content of which accounted for 54.6%～61.6%of w(TP).It was suggested that the organic phosphorus distribution of the sediments was tightly connected with their lake pollution degrees and human activities.In addition，the contents of HCl-Poranged from 10.5 to 200.9 mg/kg，varying greatly in different pollution degrees of lake sediments.The ratio w(HCl-Po)/w(Po)of the sediment was significantly associated with its water quality(P＜0.01)，and the contents of HCl-Powere significantly associatedwith the contents of TP，OP，LOP and MLOP in the sediments of those lakes(P ＜0.01).Hence，it was proven that the HCl-Poin lake sediment may be an important phosphorus source for the overlying water，and the ratio w(HCl-Po)/w(Po)in the sediment could reflect the level of lake eutrophication.

lake;sediment;organic phosphorus;distribution characteristics;eutrophication

X524

A

1001-6929(2010)09-1142-09

2010-02-10

2010-04-16

社會(huì)基礎(chǔ)性工作項(xiàng)目(2006FY110600);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2007KYYW27)

廖 劍 宇 (1985 - )， 男， 湖 南 長(zhǎng) 沙 人，andrew19850416@163.com.

*責(zé)任作者，王圣瑞(1972-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，研究員，博

士，主要從事湖泊富營(yíng)養(yǎng)化研究，wangsr@craes.org.cn

(責(zé)任編輯：潘鳳云)