衡水湖沉積物磷形態(tài)特征分析

摘要在淡水湖泊系統(tǒng)中，磷是造成地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制性因子。因此，研究沉積物中磷含量及其形態(tài)分布對(duì)于了解天然水域富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程具有重要意義。對(duì)衡水湖6個(gè)采樣點(diǎn)的表層沉積物及柱狀沉積物中的磷含量及其形態(tài)分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：表層沉積物中總磷（TP）平均含量為393.67～838.10 mg/kg；無(wú)機(jī)磷（IP）是表層沉積物中磷的主要形態(tài)，約占總磷的94%以上，有機(jī)磷（OP）只占很小的比例；閉蓄態(tài)磷（Oc-P）是無(wú)機(jī)磷的主要組成部分，約占無(wú)機(jī)磷（IP）含量的30%～65%；柱狀沉積物中總磷含量變化復(fù)雜；人類活動(dòng)對(duì)水體及沉積物中磷含量及其形態(tài)分布有重要的影響。

關(guān)鍵詞沉積物；磷；衡水湖

中圖分類號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）05-215-03

作者簡(jiǎn)介劉芳（1989- ），女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境污染與控制。*通訊作者，教授，碩士，從事環(huán)境污染與控制研究。

收稿日期2014-12-25

磷是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中影響初級(jí)生產(chǎn)力的主要因素之一，是水體藻類異常增殖并造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要控制因子[1]。由于湖泊生態(tài)系統(tǒng)各種物化及生物因子的影響，湖泊沉積物既可以作為庫(kù)吸收水體中的可溶性磷，也可能會(huì)作為源向水體中釋放可溶性磷[2-3]。當(dāng)外源性營(yíng)養(yǎng)鹽輸入受到控制后，這種由沉積物的內(nèi)源磷釋放而導(dǎo)致的水體污染顯得更為重要[4]。尤其是淺水湖泊，由于較高的沉積物表面與水體體積比，使得內(nèi)源沉積物釋放對(duì)水體磷濃度的潛在影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深水水體[5]。

衡水湖位于京津冀都市圈南緣、華北平原東南部，是華北單體最大的淡水湖泊，湖泊面積為75 km2，平均水深3～4 m，蓄水量近2億m3。作為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)，具有涵養(yǎng)水源、凈化空氣、降解污染、維護(hù)生物多樣性等重要生態(tài)服務(wù)功能，對(duì)于調(diào)節(jié)京津冀氣候及生態(tài)質(zhì)量具有直接影響，是極具稀缺性和典型性的國(guó)家重要濕地。衡水湖屬于藍(lán)藻型溫帶性平地湖，水深較淺，水體交換不暢，是典型的易富營(yíng)養(yǎng)化型湖泊。

磷在湖泊水-沉積物界面上的吸附-解吸作用是影響其在上覆水中濃度、 遷移、 轉(zhuǎn)化和生物可利用性的重要過(guò)程[6]。因此，研究沉積物磷的形態(tài)特征，從而有效控制內(nèi)源磷的釋放，是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1材料與方法

1.1采樣點(diǎn)的設(shè)置

采樣點(diǎn)重點(diǎn)布設(shè)于衡水湖自然保護(hù)區(qū)的污染排放區(qū)、近湖岸水域及湖區(qū)中心，以湖區(qū)水體污染特征調(diào)查為基礎(chǔ)，合理確定相應(yīng)采樣點(diǎn)。6個(gè)采樣點(diǎn)為：大湖心、小湖心、大趙閘、王口閘、順民莊、挖泥點(diǎn)。

1.2樣品的采集及前處理

表層沉積物樣品的采集與制備：采用蚌式采樣器采集表層0～5 cm樣品，密封避光帶回實(shí)驗(yàn)室，放陰涼處室溫下自然風(fēng)干。研磨，過(guò)100目篩，裝入自封袋保存?zhèn)溆?。測(cè)定前在100～105 ℃下將樣品烘干至恒重，以供分析。

柱狀沉積物樣品的采集與制備：采用有機(jī)玻璃柱狀采泥器采集厚度約為20 cm的沉積物，在采樣時(shí)盡量保證沉積物表面和界面水不受擾動(dòng)，沉積物層次不受破壞?，F(xiàn)場(chǎng)將采集的柱狀樣品分層，0～10 cm每2 cm一層，10～20 cm每5 cm一層進(jìn)行切割。沉積物樣品用聚乙烯袋分裝密封，其他同表層沉積物，帶回實(shí)驗(yàn)室干燥保存并進(jìn)行分析。

1.3測(cè)定方法

磷形態(tài)分析方法：對(duì)衡水湖不同采樣點(diǎn)的沉積物中磷形態(tài)的變化進(jìn)行了研究。湖泊沉積物中成分復(fù)雜，完全區(qū)分底質(zhì)中磷的存在形式較為困難，目前大多采用化學(xué)連續(xù)提取法?；瘜W(xué)連續(xù)提取法的基本原理是采用不同類型的選擇性提取劑連續(xù)地對(duì)沉積物樣品進(jìn)行提取，根據(jù)各級(jí)提取劑提出的磷的量間接反映出沉積物磷的釋放潛力，化學(xué)連續(xù)提取法方法很多，該研究采用經(jīng)李悅等改進(jìn)的Ruttenberg 1992年提出的6步提取法。各步驟提取液均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法“鉬銻抗比色法”測(cè)定磷含量?？偭缀坎捎酶呗人?硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1表層沉積物磷形態(tài)分析

采用化學(xué)連續(xù)提取法測(cè)定樣品磷形態(tài)，各采樣點(diǎn)磷形態(tài)測(cè)定結(jié)果見表1。

6個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中Ex-P分別占TP的10.29%～18.20%，絕對(duì)含量為23.01～39.23 mg/kg。Fe-P分別占TP的4.92%～15.21%，絕對(duì)含量為10.61～34.03 mg/kg。采樣點(diǎn)除王口閘外，Oc-P占TP的百分含量比較接近，約為41.11%～58.47%，絕對(duì)含量為93.88～128.73 mg/kg。采樣點(diǎn)除大湖心外，Ca-P占TP的百分含量比較接近，約為21.05%～43.57%，絕對(duì)含量為49.47～95.60 mg/kg。OP分別占TP的1.02%～5.98%，絕對(duì)含量為2.19～13.75 mg/kg。

根據(jù)以上的測(cè)定計(jì)算結(jié)果，得到的各采樣點(diǎn)各形態(tài)磷組成如圖1所示。

易交換態(tài)磷或弱吸附態(tài)磷（Ex-P）主要指的是被沉積物中活性的Fe/Mn氧化物，氫氧化物以及黏土礦物等顆粒表面吸附或共沉淀的磷。Ex-P易進(jìn)入水體，從而被生物吸附、利用，是最容易被生物利用的部分，但含量通常不高。其含量大小受到溫度、pH、生物干擾及水動(dòng)力條件等因素的影響。各采樣點(diǎn)表層樣品測(cè)定數(shù)據(jù)表明，衡水湖表層沉積物中Ex-P含量相對(duì)較低，其對(duì)衡水湖水質(zhì)影響程度不大。

鐵/鋁結(jié)合態(tài)磷（Fe/Al-P）是潛在的活性磷，與水體富營(yíng)養(yǎng)化程度具有極其密切的關(guān)系，主要是指通過(guò)物理和化學(xué)作用吸附在鐵鋁氧化物和氫氧化物膠體表面上的磷，是沉積物中主要的活性磷組分。Fe/Al-P的含量受沉積物中氧化還原條件變化的影響。在富氧環(huán)境下，鐵易以Fe3+存在，F(xiàn)e3+容易與P結(jié)合，以磷酸鹽的形式形成沉淀；在厭氧或缺氧環(huán)境中，難溶性的Fe（OH）3變成可溶性的Fe（OH）2，使Fe結(jié)合磷大量進(jìn)入水體[7]。Fe/Al-P在6個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中的測(cè)定結(jié)果表明，在水質(zhì)污染最為嚴(yán)重的小湖心（2#）區(qū)域沉積物中Fe/Al-P含量也高，這與很多相關(guān)的研究結(jié)果相符。

閉蓄態(tài)磷（Oc-P）能夠長(zhǎng)時(shí)間存在，從而不可被生物所利用。主要是指一層Fe2O3膠膜所包裹的磷鹽，這種磷鹽包括一部分Al-P和Ca-P，被沉積物吸附后，被一層Fe2O3包裹在顆粒表面上。各采樣點(diǎn)表層沉積物中磷形態(tài)測(cè)定結(jié)果表明，Oc-P是衡水湖水域表層沉積物中磷的主要存在形態(tài)，雖然各采樣點(diǎn)表層沉積物中Oc-P的含量很高，但是由于其生物不可利用性，對(duì)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化影響較小。

鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P）主要指與自生磷灰石，湖泊沉積碳酸鈣以及生物骨骼等的含磷礦物有關(guān)的沉積磷存在形態(tài)[8]。主要以鈣的磷酸鹽形式存在。Ca-P是一種難溶性的物質(zhì)，同閉蓄態(tài)磷一樣很難被生物利用。當(dāng)水體中CO2的量足夠大時(shí)，會(huì)增加Ca-P的溶解性，但其對(duì)上覆水和間隙水的磷含量影響很小。各采樣點(diǎn)表層沉積物磷形態(tài)分析結(jié)果表明，Ca-P是僅次于Oc-P的表層沉積物中磷的存在形態(tài)，但因其生物不可利用性，因此，對(duì)研究水域水體富營(yíng)養(yǎng)化影響較小。

有機(jī)磷（OP）包括糖類磷酸鹽、核苷酸、腐殖質(zhì)和富里酸部分、磷酸酯、膦酸鹽。OP需經(jīng)過(guò)高溫灰化將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷來(lái)進(jìn)行提取。有機(jī)磷是部分具有活性的磷形態(tài)，在瑞典Erken湖沉積物形態(tài)研究中發(fā)現(xiàn)約有50%的OP可以經(jīng)過(guò)降解成為生物可利用性磷[9]。試驗(yàn)結(jié)果表明，衡水湖各采樣區(qū)域有機(jī)磷所占比例很小，其中污染嚴(yán)重的小湖心區(qū)域，有機(jī)磷含量最高。

2.2柱狀沉積物磷營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定結(jié)果及分析

各采樣點(diǎn)不同深度柱狀沉積物中總磷含量測(cè)定結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，各采樣點(diǎn)柱狀沉積物中TP含量隨著深度的增加變化復(fù)雜，呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，且不同采樣點(diǎn)TP含量的最高值出現(xiàn)在不同深度。各采樣點(diǎn)柱狀沉積物中TP含量在0～8 cm的部分基本呈現(xiàn)出隨深度的增加而增大的趨勢(shì)。大趙閘柱狀沉積物中TP含量在8 cm以下隨著深度的增加而增大；挖泥點(diǎn)柱狀沉積物中TP的含量隨著深度的增加呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。

對(duì)衡水湖柱狀沉積物監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沉積物柱狀樣的pH在7.12～9.31之間，呈現(xiàn)中性至弱堿性；氧化還原電位較低，從總體來(lái)講處于還原環(huán)境；有機(jī)質(zhì)含量為1.94%±1.39%，與國(guó)內(nèi)其他湖泊相比處于中等水平，有機(jī)質(zhì)含量隨深度增加會(huì)逐漸降低。

43卷5期劉 芳等衡水湖沉積物磷形態(tài)特征分析

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)衡水湖濕地沉積物的監(jiān)測(cè)，分析了衡水湖沉積物環(huán)境現(xiàn)狀，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)定結(jié)果表明：①衡水湖表層沉積物處于中性-弱堿性弱還原環(huán)境，磷主要以閉蓄態(tài)、鈣結(jié)合態(tài)存在，活性較低。與國(guó)內(nèi)其他湖泊相比，磷負(fù)荷處于較低水平。② 對(duì)柱狀沉積物監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，多年來(lái)pH、氧化還原電位基本保持穩(wěn)定；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位磷營(yíng)養(yǎng)鹽有一定波動(dòng)，但變化規(guī)律不同，總體上看，近年來(lái)未出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽加重或好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

總體來(lái)看，與國(guó)內(nèi)其他湖泊相比，衡水湖沉積物磷污染水平較低，說(shuō)明歷史上衡水湖污染不嚴(yán)重，但小湖心磷負(fù)荷相對(duì)明顯最高，對(duì)其污染應(yīng)加以特殊關(guān)注。

衡水湖屬于內(nèi)陸湖泊，尤其是通過(guò)涵閘人為控制，很難與外界的水系進(jìn)行循環(huán)，一旦污染，治理的代價(jià)將非常昂貴。為確保衡水湖濕地保持良好的水環(huán)境，充分發(fā)揮濕地功能，應(yīng)以控源為主，積極采取生態(tài)防治和綜合防治措施。

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責(zé)任編輯張彩麗責(zé)任校對(duì)李巖