小興凱湖表層底泥磷吸附容量及潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)

于淑玲,李曉宇,張繼濤,陳國(guó)雙,李秀軍*

(1.中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春130102；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

小興凱湖表層底泥磷吸附容量及潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)

于淑玲1,2,李曉宇1,張繼濤1,陳國(guó)雙1,李秀軍1*

(1.中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長(zhǎng)春130102；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

利用沉積物磷吸附指數(shù)(PSI)和磷吸附飽和度(DPS)研究了小興凱湖表層沉積物的磷吸附容量,分析了沉積物中磷的吸附飽和度(DPS)與其他指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系,并討論了不同采樣點(diǎn)湖泊沉積物中磷的潛在釋放風(fēng)險(xiǎn).結(jié)果表明:13個(gè)采樣點(diǎn)的表層沉積物的 PSI為9.78～197.53(mg·L)/(100g·μmol),平均值為59.77(mg·L)/(100g·μmol);DPS為9.95%～24.47%,平均值為15.41%.PSI與草酸銨提取的磷(Pox)極顯著正相關(guān),與草酸銨提取的鐵、鋁(Feox,Alox)顯著正相關(guān),草酸銨提取的鐵是影響PSI的主導(dǎo)因素;DPS主要受沉積物中原有吸附態(tài)磷的影響.此外,磷釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI)8.99%～129.94%的計(jì)算結(jié)果表明:小興凱湖表層沉積物中磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)處于高度風(fēng)險(xiǎn)范圍,其中,受農(nóng)業(yè)面源污染影響較大的北岸區(qū)域相比其他區(qū)域發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)更高.

磷吸附指數(shù)；磷吸附飽和度；富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)；鐵鋁氧化物；小興凱湖

興凱湖是黑龍江流域最大的湖泊[1-4],位于黑龍江省東南部和俄羅斯遠(yuǎn)東濱湖邊區(qū),為中俄界湖.興凱湖分為大、小興凱湖,都是造山運(yùn)動(dòng)地殼陷落而形成的構(gòu)造湖,小湖與大湖僅一崗之隔,由兩個(gè)泄洪閘連通.小興凱湖地理坐標(biāo)為 N45°16′～45°24′,E132°20'～132°50',總水面積176km2[5],北接穆棱河,南通大興凱湖,其所在區(qū)域?yàn)閲?guó)家地質(zhì)公園,擁有湖濱浴場(chǎng)、西泡子野生垂釣場(chǎng)、大型觀鳥(niǎo)臺(tái)及養(yǎng)魚場(chǎng),是一座集防洪蓄水、排澇灌溉、養(yǎng)殖及旅游等多功能的天然水體.2012中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[6]顯示小興凱湖為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).近年來(lái),隨著對(duì)小興凱湖開(kāi)發(fā)力度的逐年加大,尤其是旅游業(yè)的發(fā)展和人口增多,農(nóng)業(yè)退水和生活污水等未經(jīng)處理就直接排入湖中,使小興凱湖富營(yíng)養(yǎng)化程度有加劇的趨勢(shì).湖泊沉積物是湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要?dú)w宿[7],其中磷被視為限制湖泊中藻類生長(zhǎng)的主要限制性營(yíng)養(yǎng)因子[8],外部輸入湖泊中的磷以可溶性和不溶性的混合物進(jìn)入水體,被動(dòng)植物吸收利用或通過(guò)吸附、沉積作用轉(zhuǎn)移到沉積物中,當(dāng)與沉積物所接觸的水體中磷濃度大于沉積物-水界面磷動(dòng)態(tài)平衡濃度時(shí),沉積物會(huì)吸附水體中的磷,相反,沉積物中的磷又可作為內(nèi)源污染釋放到上覆水體中[9-11].Bache和Williams提出了磷吸附指數(shù)(PSI)和磷吸附飽和度(DPS)來(lái)表征土壤磷吸附容量[12-15];黃清輝等[16]則以基于PSI和DPS的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI)評(píng)估了太湖表層沉積物磷的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn),較好地反映了太湖的富營(yíng)養(yǎng)化狀況.小興凱湖是我國(guó)重要淡水湖泊之一,目前對(duì)興凱湖富營(yíng)養(yǎng)化的研究多集中于大興凱湖[17-18],關(guān)于小興凱湖富營(yíng)養(yǎng)化的研究較少,而小興凱湖與大興凱湖具有水力聯(lián)系,小興凱湖的富營(yíng)養(yǎng)化狀況將會(huì)影響大興凱湖的水環(huán)境.因此,本文采用磷吸附指數(shù)和磷吸附飽和度探討了該湖表層沉積物中磷的吸附容量及潛在釋放能力,并用磷釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)預(yù)測(cè)了該湖表層沉積物磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn),為小興凱湖的污染防治工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理

2013年7月在小興凱湖實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與采樣,13個(gè)采樣點(diǎn)地理位置如圖1、表1所示.在每個(gè)采樣位置用柱狀采泥器(德國(guó)HYDRO-BIOS公司)采集10cm的表層沉積物,每個(gè)位置均取3個(gè)平行樣品,混合均勻,并在相應(yīng)采樣點(diǎn)從水面以下0.5m處采集3個(gè)上覆水水樣,再混合均勻成混合水樣,移入預(yù)先洗凈的500mL聚乙烯瓶中,上覆水理化指標(biāo),包括pH、DO、EC、TDS及SD,在現(xiàn)場(chǎng)用YSI水質(zhì)分析儀測(cè)定,SD用透明度盤測(cè)定,其他指標(biāo)低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析.底泥樣品采集后當(dāng)天冷藏保存帶回實(shí)驗(yàn)室,待沉積物自然風(fēng)干后,去除樣品中貝殼、雜草、沙粒等雜物,經(jīng)研磨、過(guò)篩(100目)后,保存于密封袋中,置于冰箱內(nèi)待用.

圖1 小興凱湖采樣點(diǎn)位示意Fig.1 Samping sites of Lake Xiaoxingkai

表1 取樣點(diǎn)地理位置Table1 Geographic position of sampling sites

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PSI的測(cè)定[16]每份沉積物分別稱取4份1.000g樣品,于50mL聚乙烯離心管中,其中1個(gè)離心管中加入20mL0.01mol/L CaCl2溶液,作為空白平行,其余3個(gè)離心管中分別加入20mL75mg/L KH2PO4溶液(配制在0.01mol/L CaCl2溶液中),為實(shí)驗(yàn)平行.分別加2滴氯仿抑制微生物活動(dòng),20℃下振蕩24h后,以3000r/min離心20min,上清液過(guò)0.45μm孔徑濾膜后,用鉬銻抗比色法測(cè)定磷濃度,由反應(yīng)初始磷濃度與反應(yīng)后濾液中磷濃度的差值可計(jì)算出1.000g沉積物吸附磷的量,以100g沉積物吸附磷的量值為X,磷吸附指數(shù)PSI=X/lgC, C為濾液中溶解磷濃度, μmol/L; X的單位為 mgP/100g, PSI的單位為(mg·L)/ (100g·μmol).

1.2.2 DPS的測(cè)定[16]每份沉積物分別稱取3份2.500g樣品,置于100mL聚乙烯瓶中,分別加50mL草酸銨提取劑(pH=3),準(zhǔn)備3個(gè)空白.在暗室內(nèi)180r/min振蕩2h(20℃).先后用無(wú)灰分定量細(xì)濾紙和0.45μm孔徑濾膜過(guò)濾提取液.棄去最初通過(guò)的濾液,余下的用100mL的聚乙烯瓶收集.移取10mL濾液于50mL離心管中,加入40mL0.01mol/L鹽酸,混合均勻.配置系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別含0,1.25,5.0,12.5,25.0mg/L P以及0,2.5,10.0,25.0,50.0mg/L Al和Fe.在1周內(nèi),用ICP-AES測(cè)定磷、鋁和鐵的含量.重復(fù)上述過(guò)程,即2次平行實(shí)驗(yàn).沉積物的DPS可估算為草酸銨提取的磷量(Pox,mmol/kg)與提取的鋁(Alox, mmol/kg)和鐵(Feox,mmol/kg)總量之一半的摩爾百分比值,即DPS(%)=100Pox/[0.5(Alox+ Feox)].

1.3 ERI評(píng)估方法

用黃清輝等[16]提出的以沉積物PSI和DPS這兩個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的 ERI來(lái)評(píng)估湖泊表層沉積物中磷的釋放風(fēng)險(xiǎn)的方法.

式中: ERI為磷釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),%; DPS為磷吸附飽和度,%; PSI為磷吸附指數(shù),(mg·L)/(100g·μmol).

1.4 其他指標(biāo)的測(cè)定

測(cè)定樣品濕度(105℃下烘干8h), PSI和DPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果都經(jīng)過(guò)濕度校正,以爐溫干重表達(dá);沉積物中有機(jī)質(zhì)含量(OM)通過(guò)重鉻酸鉀容量法測(cè)定[19],沉積物中總磷(TP)測(cè)定采用 HClO4-H2SO4高溫消煮后用鉬銻抗比色法測(cè)定[19].硫酸-連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定各土樣中的總氮(TN)[19].采集的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后,立即對(duì)水樣中的總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)和葉綠素 a(chla)等進(jìn)行分析和測(cè)定,相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[20].各分析指標(biāo)以每個(gè)樣品的3個(gè)平行樣的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及其相關(guān)分析采用SPSS17.0軟件,多元回歸分析采用origin8.0軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 小興凱湖水體的理化特征

小興凱湖7月湖水的pH值為6.59～8.47,呈中性偏堿,湖心區(qū)域的pH值相對(duì)較大.濁度(TDS)值為126.10～174.80mg/L,較大值點(diǎn)多位于水流較大的河流入湖口(小黑河入湖口、857二十五連入湖口)、大湖與小湖的連通口(二閘)以及旅游區(qū)域(濕地公園和新開(kāi)流風(fēng)景區(qū)),這可能與水流流速較大及人為擾動(dòng)等引起的湖水的擾動(dòng)較大有關(guān).小興凱湖水體的溶解氧含量為1.94～8.96mg/L,含量偏低,最低值點(diǎn)位于東泡子入湖口附近區(qū)域,這可能是由于該片區(qū)域腐殖質(zhì)較多,耗氧量大.小興凱湖水體的葉綠素a含量為1.31～13.77μg/L,最大值點(diǎn)位于濕地公園和白魚灘附近,這些區(qū)域的人為擾動(dòng)較大,水質(zhì)較差,浮游植物較多,初級(jí)生產(chǎn)能力較高.小興凱湖水體中 CODMn為2.24～9.01mg/L,平均值為5.13mg/L,在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)[21]Ⅱ類～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)之間.

氮是構(gòu)成水生生態(tài)系統(tǒng)中最主要的營(yíng)養(yǎng)元素之一,以多種形式參與水體中的生物過(guò)程而成為水體初級(jí)生產(chǎn)力的潛在限制性因素之一[22].小興凱湖7月水體中 TN 的含量分別為0.69～3.12mg/L.各個(gè)取樣點(diǎn)之間差別比較大(P<0.05),TN含量的最大值主要分布在北岸河流入湖口的幾個(gè)采樣點(diǎn).其原因可能在于7月雨水較多,小興凱湖周圍以及主要入湖河流流域的面源污染中的營(yíng)養(yǎng)鹽隨著地表徑流進(jìn)入水體,這也說(shuō)明小興凱湖中的總氮可能主要來(lái)源于面源污染.磷是水體浮游藻類生長(zhǎng)和造成湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的最重要控制因子之一[23-26],在富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中起著十分重要的作用.小興凱湖7月水體中TP的含量分別為0.05～0.11mg/L,從表2可以看出,小興凱湖湖心區(qū)域水體的總磷濃度要高于河流入湖口湖水中的總磷濃度,分析其原因可能是由于:一方面,河流入湖口附近多為蘆葦生長(zhǎng)區(qū),農(nóng)田退水入湖時(shí)要先經(jīng)過(guò)蘆葦帶,蘆葦對(duì)水體中的總磷具有一定的凈化作用[27-29];另一方面,由于風(fēng)浪較大,岸邊進(jìn)行氣體交換的強(qiáng)度大于湖心區(qū)域,溶解氧含量比湖心的高，進(jìn)而使 Fe2+被氧化為Fe3+,使磷沉淀增多,因而導(dǎo)致岸邊水體中的磷濃度小于湖心中的磷濃度.并且可以看出受人為擾動(dòng)較大的白魚灘和旅游區(qū)域的總磷含量較高.從國(guó)內(nèi)外已有的研究成果中可知,能比較直接地反映湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要特征是湖泊中浮游植物生長(zhǎng)量的大小.根據(jù)Liebig最小值定律,浮游植物的最大生長(zhǎng)量由所需的營(yíng)養(yǎng)鹽中總物質(zhì)量最少的那種營(yíng)養(yǎng)鹽所控制,這種營(yíng)養(yǎng)鹽稱為限制性營(yíng)養(yǎng)鹽.由藻體中所含碳、氮、磷的原子比率(C:N:P=106:16:1)分析,在藻類生長(zhǎng)期,當(dāng)所測(cè)定的湖泊中可被植物吸收的氮和磷的濃度比小于7(N:P<7)時(shí),氮是可能的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽;大于7,則磷是可能的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽;接近7時(shí),二者均可能是限制性營(yíng)養(yǎng)鹽[30-31].小興凱湖7月湖水體中的氮磷比(N:P)為6.66～63.57,平均為17.90.由此可見(jiàn)小興凱湖7月湖水中的總氮濃度超過(guò)總磷濃度7倍以上,這說(shuō)明小興凱湖7月為磷營(yíng)養(yǎng)限制性湖泊.

表2 小興凱湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Table2 Results of water quality of Lake Xiaoxingkai

2.2 小興凱湖表層沉積物的氮、磷分布特征

研究小興凱湖表層沉積物的主要理化特征是探討表層沉積物磷吸附容量及沉積物中磷的潛在釋放的基礎(chǔ).主要理化特征測(cè)得結(jié)果(以平均值表示)見(jiàn)表3.

在沉積物的沉積過(guò)程中,細(xì)小顆粒吸附的鐵、鋁氫氧化物易與比重較輕的有機(jī)物聚合產(chǎn)生共沉淀,而鐵、鋁氧化物與磷有很強(qiáng)的親和力,因而容易形成富含有機(jī)磷和鐵磷的沉積層.由表3可看出,小興凱湖沉積物有機(jī)質(zhì)所占比例變化范圍為0.27%～9.48%,平均值為5.16%.有機(jī)質(zhì)在空間分布差異比較大,這主要是與湖泊的不同區(qū)域的污染程度不同有關(guān).

沉積物中總氮(TN)含量的變化范圍為188.73～3224.79mg/kg,平均含量為1676.54mg/kg,由表3可知,除小黑河入湖口、857二十五連入湖口外,其余各采樣點(diǎn)的總氮含量均比較高.

沉積物是湖泊中磷的重要蓄積庫(kù),從流域中進(jìn)入湖泊的磷、湖泊水生生物的組成物質(zhì)以及生活污水,都會(huì)進(jìn)入到沉積物中,致使沉積物的磷逐漸積累起來(lái).近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類污染排入不斷增加,許多湖泊沉積物中磷的含量都達(dá)到了相當(dāng)高的水平,尤其是人為擾動(dòng)較大區(qū)域的表層沉積物.

表3 小興凱湖表層沉積物理化特征Table3 The physicochemical parameters of surfical sediment in Lake Xiaoxingkai

表層沉積物中總磷含量分析結(jié)果(以平均值表示)見(jiàn)表3.小興凱湖表層沉積物中的 TP含量為181.02～805.73mg/kg,平均含量為478.64mg/kg.小興凱湖表層沉積物中TP含量的空間差異性較大,其中白魚灘采樣點(diǎn)的 TP含量高于其他采樣點(diǎn),這可能是由于該區(qū)域?yàn)椴遏~村,人為擾動(dòng)較大,并且附近含磷生活污水的排放使磷在沉積物中累積較多造成的.

2.3 表層沉積物中Pox、Alox、Feox的分布特征

沉積物中無(wú)定形態(tài)的鐵、鋁水合氧化物的含量影響著沉積物對(duì)磷的吸附容量[32].如圖2所示,小興凱湖表層沉積物中草酸銨提取的鐵(活性鐵)含量變化范圍為7.89～35.88mmol/kg,平均含量為20.31mmol/kg,在 T8(白魚灘)采樣點(diǎn)處最大, T2(857二十五連入湖口)、T4(西地河入湖口)采樣點(diǎn)處的 Feox含量也較大.草酸銨提取的鋁(活性鋁)含量范圍為1.61～9.86mmol/kg,平均含量為6.31mmol/kg,它與提取出的鐵含量相比,變化幅度不大,最大值出現(xiàn)在 T13(新開(kāi)流景區(qū))采樣點(diǎn).草酸銨提取的磷含量變化范圍為 0.60～3.94mmol/kg,平均含量為2.04mmol/kg,最大值出現(xiàn)于T8(白魚灘)采樣點(diǎn).T8(白魚灘)采樣點(diǎn)處

沉積物中草酸銨提取的鐵、磷含量均為各處中的最大值,這可能是因?yàn)榛钚澡F的含量在一定程度上與人類干擾相關(guān)[33],該處為捕魚村,漁民使用的多為鐵制船只,漁民的生活污水多直接傾倒于小興凱湖中,常年的人為干擾活動(dòng)大于其他采樣點(diǎn).

研究表明,小興凱湖表層沉積物中草酸銨提取的鐵、鋁、磷的含量均小于太湖[16]和巢湖[34]中的相應(yīng)含量,由2012中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[6]可知小興凱湖的水體富營(yíng)養(yǎng)狀況比太湖、巢湖的輕,由此表明湖泊富營(yíng)養(yǎng)狀況與表層沉積物中草酸銨可提取的鐵、磷含量有同步的變化關(guān)系,這與邢友華等[35]的研究結(jié)果相一致.

圖2 表層沉積物中草酸銨提取的Pox,Alox,Feox含量Fig.2 Concentration of Pox, Alox, Feox extracted fromsediment by ammonium oxalate

小興凱湖沉積物中草酸銨提取的鐵、鋁、磷的含量之間有較好的相關(guān)性(表4),尤其是沉積物中草酸銨提取的磷與活性鋁、鐵之間為極顯著正相關(guān),表明草酸銨提取的無(wú)定形的鐵和鋁是息息相關(guān)的,對(duì)沉積物吸附磷起著重要的作用.同時(shí)小興凱湖沉積物中草酸銨提取的磷與沉積物中總磷含量極顯著相關(guān)(r=0.983, n=13),而總磷與沉積物有機(jī)質(zhì)含量也有較好的相關(guān)性(r=0.658, n=13).

表4 小興凱湖沉積物樣品中理化參數(shù)間的相關(guān)性(n=13)Table4 Correlation of physicochemical parameters of sediment in Lake Xiaoxingkai (n=13)

2.4 表層沉積物磷吸附指數(shù)(PSI)特征分析

PSI表示土壤顆粒對(duì)溶解性磷鹽固定能力的強(qiáng)弱.因湖泊沉積物長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)下且顆粒粒徑較細(xì),其PSI值常大于土壤中的測(cè)定值[36].

小興凱湖表層沉積物的磷吸附指數(shù)(PSI)變化范圍為9.78～197.53(mg·L)/(100g·μmol),平均值為59.77(mg·L)/(100g·μmol).PSI整體表現(xiàn)出南高北低,西高東低的分布特征,根據(jù) PSI 的定義可知,PSI 值低的土壤對(duì)磷具有較弱的緩沖能力,磷釋放進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)較高[37],由此表明小興凱湖北岸、湖東區(qū)域可能具有較高的磷釋放風(fēng)險(xiǎn);而磷吸附飽和度(DPS)分布恰恰與磷吸附指數(shù)有著相反的特征(盡管兩者的相關(guān)性較差,表4)[16],在PSI較高的區(qū)域(如T8采樣點(diǎn)),相應(yīng)的DPS較低.

PSI與Pox極顯著正相關(guān)(r=0.831,n=13,表4)與 Alox(r=0.653,n=13,表4)、Feox(r=0.668,n=13,表4)顯著正相關(guān),當(dāng)無(wú)定形的鐵、鋁氧化物含量增大時(shí),磷的可吸附位增多,沉積物對(duì)磷具有更強(qiáng)的緩沖能力,這表明活性鐵和鋁是小興凱湖表層沉積物中對(duì)磷持留能力的主要影響因素,而小興凱湖表層沉積物中活性鐵的量大約是活性鋁的3倍,表明小興凱湖表層沉積物中活性鐵可能對(duì)磷起主要的持留作用,如果 Feox含量升高勢(shì)必會(huì)使PSI升高. T8(白魚灘)采樣點(diǎn)的PSI最大(圖2),說(shuō)明 T8(白魚灘)采樣點(diǎn)表層沉積物的磷吸附能力最強(qiáng),因 T8(白魚灘) 采樣點(diǎn)的 Feox含量最高,鐵氧化物為磷提供了更多吸附點(diǎn)位,導(dǎo)致無(wú)定形鐵成為主要基. PSI與表層沉積物中Pox含量呈正相關(guān),即Pox含量高則吸附能力也強(qiáng).

2.5 表層沉積物的磷吸附飽和度(DPS)特征分析

小興凱湖表層沉積物的 DPS變化范圍為9.95%～24.47%,平均值15.41%.由DPS的多元回歸方程(Ⅲ和Ⅳ)顯示(表5),小興凱湖沉積物磷吸附飽和度主要受到草酸銨提取的磷含量的控制,但是如果活性鐵、鋁含量和有機(jī)質(zhì)含量升高,勢(shì)必會(huì)擴(kuò)大沉積物磷的吸附容量[38],進(jìn)而導(dǎo)致磷吸附飽和度的降低. DPS的大小在很大程度上決定了沉積物匯總的磷向水體釋磷量,可以作為衡量沉積物含磷水平和評(píng)估沉積物對(duì)磷吸附容量的可靠指標(biāo)[36,39],DPS越高,則磷越容易從沉積物表面遷移到水體,即磷釋放到上覆水體中的風(fēng)險(xiǎn)也越大.當(dāng)磷成為富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生限制因素時(shí),隨上覆水體中的供磷量增加,富營(yíng)養(yǎng)化的程度將加重.表5對(duì)沉積物TP含量與草酸銨提取的鋁、鐵、磷以及沉積物有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行了多元回歸擬合,擬合出方程(Ⅰ)和方程(Ⅱ),相關(guān)系數(shù)均在0.98以上,表明無(wú)定形的鋁、鐵、磷以及沉積物有機(jī)質(zhì)對(duì)總磷可能起著重要的貢獻(xiàn)作用,這與黃清輝等[16]對(duì)太湖的研究結(jié)果一致.

表5 沉積物中磷的吸附參數(shù)與草酸銨提取的鋁、鐵、磷及有機(jī)質(zhì)間的多元回歸方程(n=13)Table5 Mutipule regression equations of P sorption on Pox, Alox, Feox and OM(n=13)

2.6 磷釋放風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

結(jié)合2012中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[6]小興凱湖富營(yíng)養(yǎng)化狀況以及黃清輝等[16]對(duì)太湖表層沉積物磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)體系,將小興凱湖表層沉積物磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)分成高度風(fēng)險(xiǎn)(ERI>25),較高風(fēng)險(xiǎn)(20

表6 小興凱湖富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table6 Eutrophication risk assessment of Lake Xiaoxingkai

黃清輝等[16,34]對(duì)太湖和巢湖表層沉積物磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)研究發(fā)現(xiàn),太湖緊鄰城區(qū)和工業(yè)區(qū)的梅梁灣北部至五里湖一帶、竺山湖北部湖區(qū)屬于高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū),其余區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低,巢湖處于較高風(fēng)險(xiǎn)至高度風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),并發(fā)現(xiàn)對(duì)太湖和巢湖富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和實(shí)際的富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生情況基本相符,并且高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)多位于受人為因素影響較大的區(qū)域.此外,盧少勇等[40]也對(duì)北京六湖泊表層底泥磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)六湖中以?shī)蕵?lè)為主的景觀湖泊和受人為因素影響大的四個(gè)湖區(qū)處于高度風(fēng)險(xiǎn),城市地表徑流是導(dǎo)致其污染的主要原因.因此,小興凱湖和北京六湖泊中的四湖表層沉積物磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)都是受地表徑流影響較大的區(qū)域.

3 結(jié)論

3.1 小興凱湖表層沉積物的PSI與沉積物中活性鐵(Feox)含量呈極顯著正相關(guān),與鐵鋁總量呈顯著正相關(guān),DPS與沉積物中草酸銨提取的磷(Pox)含量呈顯著正相關(guān).小興凱湖表層沉積物中活性鐵、鋁的含量影響著沉積物的磷吸附容量,其中,表層沉積物中活性鐵可能對(duì)磷起主要的持留作用.小興凱湖沉積物磷的吸附容量具有一定的空間差異,主要是由無(wú)定形的鐵、鋁氧化物及有機(jī)質(zhì)等沉積物內(nèi)在屬性的空間差異決定,但在一定程度上也取決于受人類活動(dòng)等外在因素干擾的程度.

3.2 利用磷釋放風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(ERI)對(duì)小興凱湖表層沉積物中的磷的潛在釋放風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明:小興凱湖表層沉積物中磷釋放誘發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)處于高度風(fēng)險(xiǎn)范圍,其中,受農(nóng)業(yè)面源污染較大的北岸區(qū)域相比其他區(qū)域發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)更高.

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Phsophorus sorption capacity of surface sediments and risk assessment of potential phosphorus release in Lake Xiaoxingkai, China.

YU Shu-ling1,2, LI Xiao-yu1, ZHANG Ji-tao1, CHEN Guo-shuang1, LI Xiu-jun1*
(1.Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun130102, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2078～2085

Phosphorus sorption capacity of surface sediments are estimated by phosphorus sorption index (PSI) of sediments and degree of phosphorus saturation (DPS) in Lake Xiaoxingkai, China. The relationship between DPS and other indicators were analyzed, and the risk of potential phosphorus release were discussed by calculating phosphorus release risk index (ERI). The results showed that PSI ranged from9.78 to197.53 (mg·L)/(100g·μmol), with an average of59.77 (mg·L)/(100g·μmol). DPS ranged from9.95% to24.47%, with an average of15.41%. PSI was significantly and positively correlated to phosphorus (Pox), iron (Feox) and aluminum (Alox) extracted from sediment by ammonium oxalate. Rion extracted from sediment by ammonium oxalate might be the main factor to affect PSI. DPS was influenced mainly by original adsorbed phosphorus of sediments (or Pox). In addition, ERI ranged from8.99% to129.94%, which indicated that the Lake Xiaoxingkai might be in high potential eutrophication risk due to the release of phosphorus from surface sediments. Compared to the different sample points, the north area polluted by agricultural non-point source pollution has higher potential eutrophication risk than other areas.

t：phosphorus sorption index (PSI)；degree of phosphorus saturation (DPS)；phosphorus release risk index；amorphous Fe and Al oxides；Lake Xiaoxingkai

X524,X142

：A

：1000-6923(2014)08-2078-08

于淑玲(1988-),女,黑龍江綏化人,碩士研究生,主要從事濕地生態(tài)恢復(fù)及濕地評(píng)價(jià)研究.

2013-11-30

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃資助(2012CB956100)

* 責(zé)任作者, 研究員, lixiujun@neigae.ac.cn