退化濱海濕地沉積物中磷形態(tài)含量特征及影響因素

李學(xué)平+鄒美玲+任加云

摘要：研究黃河三角洲退化濱海濕地沉積物中磷形態(tài)含量特征及溫度、pH值、上覆水理化性質(zhì)對(duì)濕地沉積物磷形態(tài)含量的影響。結(jié)果表明，退化濱海濕地沉積物中不同形態(tài)磷中鐵結(jié)合磷（Fe-P）含量最大，達(dá)971.7 mg/kg，閉蓄態(tài)磷（O-P）含量最小，為195.6 mg/kg。Fe-P、鋁結(jié)合磷（Al-P）、鈣結(jié)合磷（Ca-P）、O-P平均含量分別683.7、401.0、331.6、288.0 mg/kg。當(dāng)溫度<20 ℃時(shí)，F(xiàn)e-P含量隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度>20 ℃時(shí)，F(xiàn)e-P含量隨溫度升高而下降；Al-P含量隨溫度升高逐漸增大；O-P含量隨溫度的升高先下降后增大。Fe-P含量隨著pH值的增大逐漸降低，pH值>9時(shí)，pH值對(duì)Fe-P含量的影響不大；Al-P、Ca-P含量均隨pH值的升高先減小后增大。另外，有機(jī)質(zhì)與O-P含量存在正相關(guān)關(guān)系（r=0.895），溶氧量與Al-P含量存在正相關(guān)關(guān)系（r=0.940）。

關(guān)鍵詞：沉積物；磷；含量；退化濱海濕地；形態(tài)特征；影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)： X171.4；S156.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0469-03

濕地的運(yùn)行由于受污染物負(fù)荷、自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素的影響，對(duì)磷的攔截去除效果并不穩(wěn)定[1-2]，而且不同濕地類(lèi)型沉積物磷形態(tài)的分布特征也不同。對(duì)南四湖微山湖區(qū)沉積物磷形態(tài)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，閉蓄態(tài)磷（O-P，396.79 mg/kg）的含量最高，并隨著土層深度增大逐漸降低；相反，鋁結(jié)合磷（Al-P）含量?jī)H有4.08 mg/kg，且隨著土層深度增大而增大[3]。對(duì)九龍江口濱海濕地的研究結(jié)果表明，生物可利用磷含量占總磷（TP）含量的59.46%[4]。同一濕地（如天鵝湖）不同區(qū)域沉積物中總磷和各形態(tài)磷的含量差異也較大，外源污染和沉積物顆粒組成是影響其分布的主要因子，其中無(wú)機(jī)磷含量占總磷含量的42.24%～82.04%[5]。黃河三角洲季節(jié)性泛洪濕地在60～80 cm土層，春季TP含量（959.9 g/m2）明顯低于秋季（1 124.6 g/m2），隨著土層增深，TP含量下降，但在土層40～80 cm之間有1～2個(gè)磷積累量高峰[6]。影響沉積物中磷釋放的因素包括內(nèi)在和外在2類(lèi)因素，內(nèi)在因素包括磷的含量和組合形態(tài)、氧化還原電位、沉積物組成等；外在因素包括pH值、上覆水的性質(zhì)、磷的濃度、溫度、溶氧量、生物作用、擾動(dòng)等[7]。

黃河三角洲地區(qū)現(xiàn)有鹽堿類(lèi)濕地15萬(wàn)hm2，部分濕地土壤退化和鹽堿化嚴(yán)重，導(dǎo)致濕地蓄洪防旱和凈化水質(zhì)功能大大下降。目前，對(duì)于退化濱海鹽堿化濕地磷形態(tài)特征了解甚少。因此，研究退化濱海鹽堿化濕地沉積物中磷形態(tài)含量特征，并分析外在因子對(duì)沉積物磷形態(tài)的影響，這對(duì)退化濕地的修復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃河三角洲腹地的濱州沾化縣北約10 km處的重度退化濱海鹽堿蘆葦濕地（圖1），試驗(yàn)地面積為1 hm2，水溶性總鹽含量0.9%～2.4%，pH值平均為7.9，該區(qū)域?qū)贃|亞溫暖帶潮濕大陸季風(fēng)性氣候，年平均氣溫12.5 ℃，年平均降水量約584 mm，年蒸發(fā)量1 800～2 000 mm。目前，該試驗(yàn)區(qū)挺水植物主要為蘆葦。

1.2 樣品的預(yù)處理

所研究的濕地位于濱州市，沉積物樣品均取底泥表面5～10 cm部分，裝入塑料袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，將采集的泥樣在自然條件下風(fēng)干，采用四分法取樣研磨并通過(guò)100目的尼龍篩，處理后的樣品保存于封口袋中備用。

1.3 方法

1.3.1 沉積物磷形態(tài)分析方法 利用SMT法測(cè)定沉積物中的鐵結(jié)合磷（Fe-P）、Al-P、鈣結(jié)合磷（Ca-P）和O-P的含量[8]。

1.3.2 溫度控制試驗(yàn) 將樣品放入恒溫培養(yǎng)箱中，分別設(shè)置8、15、20、25 ℃ 等4種溫度，按照前面的方法測(cè)定磷含量。

1.3.3 pH值控制試驗(yàn) 使用0.1 mol/L硫酸和氫氧化鈉溶液控制pH值，分別將土樣置于pH值為3.0、5.0、7.0、9.0、11.0中模擬pH值的影響。

1.3.4 其他指標(biāo)的測(cè)定方法 使用碘量法測(cè)定上覆水中的溶氧量，使用比色法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物中磷形態(tài)含量特征

該濕地沉積物中總磷含量較大，采樣點(diǎn)3水藻較多，總磷含量最大，為2010.5 mg/kg（表1）。從平均值來(lái)看，鐵結(jié)合磷含量占總磷含量的絕大部分，約為34.1%，鈣結(jié)合磷、鋁結(jié)合磷、閉蓄態(tài)磷分別占總磷含量的16.5%、20.0%、14.4%。鐵結(jié)合磷在采樣點(diǎn)3達(dá)到最大值，為971.7 mg/kg；采樣點(diǎn)2閉蓄態(tài)磷含量最小，為195.6 mg/kg。Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P平均含量分別683.7、401.0、331.6、288.0 mg/kg，各磷形態(tài)含量從大到小依次為Fe-P>Al-P>Ca-P>O-P。

2.2 沉積物中Fe-P含量特征

Fe-P含量的變化范圍為201.2～971.7 mg/kg（表1），變化范圍較大，這與各采樣點(diǎn)的環(huán)境和理化性質(zhì)有關(guān)。Fe-P含量的最小值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)6，為201.2 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)6底泥為黃色，經(jīng)常受到水流沖擊，導(dǎo)致磷不易積累。最大值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)3，為971.7 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)3水藻較多，使得溶氧量非常小，F(xiàn)e-P的吸附積累就多。采樣點(diǎn)2、4等2點(diǎn)含量相對(duì)少于采樣點(diǎn)1，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)1、3、5上覆水波動(dòng)小，水動(dòng)力作用較小，較有利于Fe-P的積累。

2.3 沉積物中Al-P含量特征

Al-P含量的變化范圍是285.4～586.4 mg/kg，起伏較大（表1）。采樣點(diǎn)5的Al-P含量達(dá)到最大值，為586.4 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)5底泥酸性較大，微生物的代謝作用產(chǎn)生的CO2較少，有利于其積累。采樣點(diǎn)2含量最小，為285.4 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)2底泥偏中性，不利于Al-P的積累。采樣點(diǎn)1、3、4、6的Al-P含量分別為401.2、478.6、349.7、304.4 mg/kg，采樣點(diǎn)1、3的Al-P含量比較大，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)1、3本身水藻較多，磷濃度基數(shù)比較大；其余2點(diǎn)理化性質(zhì)較穩(wěn)定，Al-P含量較穩(wěn)定。

2.4 沉積物中Ca-P含量特征

沉積物中Ca-P含量相對(duì)較少，范圍是231.4～416.2 mg/kg（表1）。Ca-P含量最小值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)6，為231.4 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)6底泥偏中性，不利于沉積物中Ca-P 積累；最大值出現(xiàn)在采樣點(diǎn)5，為416.2 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)5底泥酸性較大，其中微生物代謝產(chǎn)生的CO2少，有利于Ca-P的積累。采樣點(diǎn)3的Ca-P含量為412.1 mg/kg，比較大是因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)3沉積物表層水藻多，磷濃度基數(shù)大。

2.5 沉積物中O-P含量特征

采樣點(diǎn)1的O-P含量達(dá)到最大值（表1），為348.5 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)1底泥成黑色，受污染較多，O-P含量相對(duì)較多；采樣點(diǎn)2的O-P含量最小，為195.6 mg/kg，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)2受風(fēng)力擾動(dòng)和水的攪動(dòng)作用較大，不利于O-P的積累；其余各點(diǎn)的O-P含量相當(dāng)，受多種因素影響較小。

2.6 沉積物磷形態(tài)含量的影響因素

2.6.1 溫度對(duì)磷形態(tài)含量的影響

Fe-P含量隨溫度的增大而先增大后下降，且變化趨勢(shì)較大（圖2）。當(dāng)溫度為8、15、20、25 ℃時(shí)，其含量分別為568.5、689.3、925.4、635.4 mg/kg。溫度<20 ℃時(shí)，F(xiàn)e-P含量隨溫度升高而增大，溫度升高有利于Fe-P在沉積物中的積累；當(dāng)溫度為20 ℃ 時(shí)，F(xiàn)e-P含量為925.4 mg/kg，達(dá)到最大值；溫度>20 ℃ 時(shí)，F(xiàn)e-P含量隨溫度升高而下降。Al-P含量隨溫度增大逐漸增大，因?yàn)闇囟纫鹑苎趿孔兓龃笃浞e累，但變化趨勢(shì)較小，變化范圍為320.3～423.5 mg/kg。當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，Al-P含量為423.5 mg/kg；而后溫度>20 ℃時(shí)，Al-P 含量變化趨于緩和，此時(shí)底泥中的光合細(xì)菌使得CO2增多，減緩Al-P的釋放。Ca-P含量的變化曲線趨于平穩(wěn)，波動(dòng)很小，說(shuō)明溫度變化對(duì)兩者含量的變化影響較小。O-P含量隨溫度的增大而先下降后增大，這是因?yàn)镕e-P、Al-P與O-P之間相互轉(zhuǎn)化，F(xiàn)e-P、Al-P含量增大，則O-P含量降低；Fe-P、Al-P含量下降，則O-P含量增大。

2.6.2 pH值對(duì)磷形態(tài)含量的影響

Fe-P含量隨著pH值的增大逐漸降低，最終趨于平衡（圖3），變化范圍在755.4～880.0 mg/kg之間。當(dāng)pH值=3時(shí)，F(xiàn)e-P含量達(dá)到最大值，為880 mg/kg；當(dāng)pH值3～9時(shí)，F(xiàn)e-P含量隨pH值的增大而下降，且趨勢(shì)較大，因?yàn)閜H值鐵絡(luò)合膠體與非晶體磷交換作用增大，F(xiàn)e-P積累較少；當(dāng)pH值=9時(shí)，F(xiàn)e-P含量為756.9 mg/kg；當(dāng)pH值>9時(shí)，F(xiàn)e-P含量隨著pH值的增大而趨于緩和，波動(dòng)不大，說(shuō)明pH值>9時(shí)pH值對(duì)Fe-P含量的影響不大。Al-P、Ca-P含量隨pH值的增大先下降后增大，當(dāng)pH值<7時(shí)，兩者含量均下降，因?yàn)樵谒嵝詶l件下，微生物代謝產(chǎn)生的CO2減少了Al-P和Ca-P的積累；當(dāng)pH值=7時(shí)，Al-P、Ca-P含量分別為285.4、270.6 mg/kg；當(dāng)pH值>7時(shí)，兩者含量又逐漸增大，因?yàn)樵趬A性條件下，水中的OH-與沉積物膠體中的陰離子相互競(jìng)爭(zhēng)吸附位，增加Al-P 和Ca-P的積累。O-P含量隨pH值的增大逐漸增大，但趨勢(shì)較小，因?yàn)镕e-P、Al-P、Ca-P要轉(zhuǎn)化為O-P。

2.6.3 沉積物上覆水的理化性質(zhì)對(duì)磷形態(tài)的影響

沉積物中4種磷形態(tài)和上覆水的有機(jī)質(zhì)含量與溶氧量有一定的相關(guān)性（表2）。其中，有機(jī)質(zhì)含量和O-P含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.895），因?yàn)镺-P必須依靠有機(jī)質(zhì)才能存在，所以有機(jī)質(zhì)含量決定了O-P的含量。溶氧量與Al-P含量存在顯著正相關(guān)的關(guān)系（r=0.940），這是因?yàn)槿苎趿渴沟肙H-與鋁中的PO3-4發(fā)生交換，使得Al-P含量逐漸得到積累。

3 結(jié)論

沉積物中總磷含量較大，最大值為2 119.1 mg/kg，平均值為2 005.2 mg/kg。Fe-P含量的平均值為683.7 mg/kg，Ca-P 含量的平均值為331.6 mg/kg，Al-P含量的平均值為401.0 mg/kg，無(wú)機(jī)磷含量的平均值為426.1 mg/kg，鐵結(jié)合磷占總磷的34.1%。Fe-P含量隨pH值的增大而減少，Al-P、Ca-P含量隨pH值的增大先下降，當(dāng)pH值>7后再增加，O-P含量隨著pH值的增大而逐漸增加。Fe-P含量隨溫度的增加而先增加后下降，Al-P含量隨溫度增加逐漸增加，溫度變化對(duì)Ca-P含量影響不大，O-P含量隨溫度的升高先下降后增加。上覆水的理化性質(zhì)對(duì)磷形態(tài)含量有影響，有機(jī)質(zhì)含量和O-P含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.895），溶氧量與Al-P含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.940）。

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