干濕交替對(duì)湖濱帶不同高程沉積物磷釋放的影響研究

宋中奇 姜 霞 王金枝 張彩云 李 炟

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心，黑龍江 哈爾濱150076；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012）

水位變化引起的湖濱帶土壤干濕交替過(guò)程能夠顯著影響磷的遷移轉(zhuǎn)化[1]，主要是干燥、再濕潤(rùn)過(guò)程通過(guò)影響土壤的物理、化學(xué)特征（如氧化還原狀態(tài)、pH值和礦物結(jié)構(gòu)）及微生物群落結(jié)構(gòu)和活性[2][3]來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于湖水侵蝕時(shí)間和地表植被類(lèi)型等不同，湖濱帶內(nèi)不同高程的土壤表現(xiàn)出不同的粒徑分布和分形特征[4]，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的比表面積和理化性質(zhì)，從而影響N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在泥水界面交換的過(guò)程[5]。對(duì)于水位變化對(duì)湖濱帶土壤性質(zhì)的影響作用，一些學(xué)者認(rèn)為沉積物/土壤干燥顯著增加了其對(duì)PO43-的吸附[6]，而另外的研究發(fā)現(xiàn)干燥降低了沉積物的吸附性能[7][8]。

為了揭示干濕交替作用對(duì)湖濱帶不同高程土壤理化性質(zhì)及對(duì)P的吸附/解吸作用的影響，取貢湖湖濱帶最高水位點(diǎn)的出露土壤、泥水界面沉積物及覆水沉積物，分析不同高程沉積物的粒徑分布特征和磷的吸附解吸能力。并進(jìn)行淹水實(shí)驗(yàn)，研究湖濱帶不同高程沉積物磷的吸附解吸特性及釋磷量的不同。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

貢湖位于太湖東北部，水體處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。本試驗(yàn)以貢湖湖濱緩沖帶為研究對(duì)象，采樣點(diǎn)位于貢湖北部華莊鎮(zhèn)，水位受降雨影響較大，湖濱帶坡度較小，最高水位與最低水位相差20cm左右。采樣點(diǎn)處水質(zhì)清澈潔凈，植被以草型為主。

1.2 樣品采集與處理

采樣時(shí)間為2013年12月，采樣方法參照參考文獻(xiàn)[9]。在垂向岸邊的一條樣帶上縱向取三點(diǎn)，包括最高水位點(diǎn)（A）、取樣時(shí)水位點(diǎn)處沉積物（B）、水面下0.5m處淹水沉積物（C）（如圖1）。在落干土壤A點(diǎn)采集表層10cm土樣，B點(diǎn)取表層10cm沉積物，C點(diǎn)用抓泥斗采集水下0.5m處沉積物樣品。樣品采集后撿掉礫石、動(dòng)植物殘?bào)w等，混合均勻裝入密封袋中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，置于-20℃冰箱保存待用。

圖1 采樣點(diǎn)剖面示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 磷的吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖2 A（湖濱帶最高水位點(diǎn)土壤）、B（泥水界面沉積物）、C（覆水沉積物）對(duì)磷的等溫吸附曲線

實(shí)驗(yàn)所用沉積物/土壤樣品均經(jīng)冷凍干燥、研磨、過(guò)100目篩。磷的吸附熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析方法參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]。

1.3.2 沉積物/土壤淹水實(shí)驗(yàn)

取A、B、C三點(diǎn)干燥沉積物10g加入1L蒸餾水置于具塞容器內(nèi)震蕩24h，之后置于敞口容器內(nèi)靜置15天[11]。分析實(shí)驗(yàn)前后沉積物磷形態(tài)含量，及試驗(yàn)后水體磷素濃度。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值表示（3次分析結(jié)果的誤差范圍＜5%）。

1.4 分析方法

粒度分析所用樣品為沉積物鮮樣，采用Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer2000激光粒度分析儀，粒徑測(cè)量范圍為0.02μm～2000μm，可提供每一粒度組分的百分含量、累積曲線及其他各種粒度參數(shù)。

溶解性總磷（DTN）采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法測(cè)定；無(wú)機(jī)磷（DIP）采用磷鉬藍(lán)比色法；溶解性有機(jī)磷（DOP）采用差值法，DOP=DTP－DIP；沉積物磷形態(tài)分析采用SMT法測(cè)定[11]。

采用Excel2010、SPSS19.0以及Sigmplot12.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物粒度分布特征

從表1的粒度分布可以看出，不同采樣點(diǎn)表現(xiàn)出不同的粒度分布特征。A點(diǎn)中位粒徑為30.02μm，顯著高于B點(diǎn)和C點(diǎn)中位粒徑15.59μm和15.78μm，且黏土粒級(jí)含量明顯較低，粉砂粒級(jí)含量也低于B、C兩點(diǎn)，而細(xì)砂粒級(jí)和粗砂粒級(jí)的含量占27.87%，顯著高于其他兩點(diǎn)。C點(diǎn)組成以粉砂粒級(jí)和黏土粒級(jí)為主，粒徑主要集中在63μm以下，占比達(dá)90.76%，與李青芹[12]等對(duì)我國(guó)其他湖泊的研究結(jié)果一致。

于試驗(yàn)鵝14、42、70日齡清晨8:00，以重復(fù)為單位，空腹稱(chēng)重。從每個(gè)重復(fù)中隨機(jī)選取2只接近平均體重的試驗(yàn)鵝，稱(chēng)重、記錄。

表1 湖濱帶沉積物粒度特征

*d（0.9）表示粒徑在該數(shù)值以下的組分占90%。

A為湖濱帶最高水位點(diǎn)土壤，B為泥水界面沉積物，C為覆水沉積物。

2.2 磷的吸附/解吸特征

采樣點(diǎn)A、B、C磷的吸附量與溶液初始濃度C0的線性回歸結(jié)果見(jiàn)圖2，C0與磷的吸附量呈很好的線性關(guān)系（R2＞0.96）。在初始磷濃度較低時(shí)，沉積物表現(xiàn)出解吸磷，隨著溶液磷濃度的增加，沉積物逐漸吸附上覆水體中的DIP。

圖3 實(shí)驗(yàn)后水體磷濃度

采樣點(diǎn)A、B、C的磷的吸附等溫方程見(jiàn)表2，等溫方程中斜率較高的對(duì)磷的吸附能力較強(qiáng)。沉積物對(duì)磷的吸附能力強(qiáng)弱表現(xiàn)為C＞B＞A，A點(diǎn)吸附性能弱于B和C點(diǎn)。

表2 A（湖濱帶最高水位點(diǎn)土壤）、B（泥水界面沉積物）、C（覆水沉積物）

*y為平均吸附量，g/kg；x為初始溶液濃度，mg/L。

一般來(lái)講，吸附顆粒中粘粒級(jí)顆粒含量越高，比表面積越大，則表面能越強(qiáng)，對(duì)磷的吸附量就越大[13]。結(jié)合沉積物粒度分析結(jié)果，A、B、C三點(diǎn)中A點(diǎn)的粘粒級(jí)顆粒含量最低，其結(jié)果與吸附解吸實(shí)驗(yàn)相一致。

2.3 再淹水對(duì)上覆水磷濃度的影響

如圖3所示，淹水15天后采樣點(diǎn)A、B、C的上覆水DTP含量無(wú)顯著差別，分別為0.013、0.011和0.013mg/L。A點(diǎn)水體IP和OP含量占DTP比例相等，而C點(diǎn)水體以IP為主，占DTP比例達(dá)87.2%，OP僅占12.8%。A、B、C三點(diǎn)水體中IP濃度依次升高，OP濃度則依次遞減。Qiu和McComb[14]的研究結(jié)果顯示干燥沉積物/土壤再潤(rùn)濕，會(huì)導(dǎo)致生物可利用性磷含量增加，有利于增加微生物的數(shù)量和活性。淹水后A點(diǎn)OP含量較高，可能是因?yàn)槲⑸锘顒?dòng)較強(qiáng)，繁殖過(guò)程中利用環(huán)境中較多的磷素合成自身有機(jī)物。

2.4 淹水前后沉積物磷變化

圖4 A、B、C各形態(tài)磷釋放量

表3為沉積物各形態(tài)磷初始含量，實(shí)驗(yàn)前A、B、C三點(diǎn)TP含量無(wú)明顯差異。沉積物中磷素以Ca-P為主要賦存形態(tài)，其次為OP、Fe/Al-P，平均占比分別為62.5%、22.5%和15.0%。A點(diǎn)Ca-P含量略高于B、C兩點(diǎn)，F(xiàn)e/Al-P和OP含量稍低。OP含量稍低可能是由于在水位較低時(shí)，湖濱土壤長(zhǎng)時(shí)間暴露于空氣中，在風(fēng)干過(guò)程中土壤的有機(jī)磷分解[15]。

表3 A（湖濱帶最高水位點(diǎn)土壤）、B（泥水界面沉積物）、C（覆水沉積物）

圖4所示為實(shí)驗(yàn)前后A、B、C三點(diǎn)各形態(tài)磷含量差值，實(shí)驗(yàn)后三點(diǎn)TP含量出現(xiàn)不同程度的降低，降幅為A＞B＞C。TP含量的減少是各形態(tài)磷綜合作用的結(jié)果，其中OP和Ca-P含量有所下降，F(xiàn)e/Al-P含量有所升高，各磷形態(tài)含量實(shí)驗(yàn)前后差值大小總體為Ca-P＞OP＞Fe/Al-P，Ca-P含量的減少是導(dǎo)致TP含量下降的主要原因。Ca-P包含Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P，馬利民等[16]研究干濕交替對(duì)三峽庫(kù)區(qū)土壤磷釋放的影響，發(fā)現(xiàn)Ca2-P在水土界面的釋放活性最大，馬利民的研究支持本實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

采樣點(diǎn)A、B、C的OP含量在試驗(yàn)后均出現(xiàn)較小幅度的下降，其中A點(diǎn)降幅極小，而水體中OP含量較高，相應(yīng)的IP含量降幅顯著高于B、C兩點(diǎn)。這一結(jié)果再次印證了A點(diǎn)的生物可利用性磷含量較高，再淹水后微生物活性增強(qiáng)，相比于B、C兩點(diǎn)，A點(diǎn)微生物會(huì)利用IP合成更多的OP。

3 結(jié)論

3.1湖濱帶高位沉積物與淹水沉積物相比黏土級(jí)顆粒含量較低，中位粒徑較大，湖濱帶高位沉積物對(duì)磷的吸附能力弱于淹水沉積物。

3.2淹水后沉積物TP降幅A＞B＞C，沉積物釋磷以Ca-P形態(tài)為主，Ca-P釋放量A＞B＞C。

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