深水湖泊龍景湖磷形態(tài)組成及周年變化規(guī)律

胡知，何強(qiáng)，蘇曉軒，毛羽豐

(重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

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深水湖泊龍景湖磷形態(tài)組成及周年變化規(guī)律

胡知，何強(qiáng)，蘇曉軒，毛羽豐

(重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

以龍景湖為研究對(duì)象，于2015年9月到2016年8月對(duì)水中不同形態(tài)的磷進(jìn)行了逐月觀測，分析了各形態(tài)磷的組成與含量水平及其周年動(dòng)態(tài)變化情況。結(jié)果表明表層水體總磷濃度變化范圍為0.04～0.17 mg/L，年平均含量為0.104 mg/L，含量水平已經(jīng)較高，存在形態(tài)為顆粒磷48%，溶解活性磷37.5%，溶解有機(jī)磷14.6%。中層水體各磷形態(tài)組成與表層基本一致。底層TP濃度值為0.265 mg/L，其中顆粒磷13%，溶解活性磷75.7%，溶解有機(jī)磷11.3%。溶解活性磷濃度、分布特征和循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律對(duì)湖泊水體中磷生物地球化學(xué)循環(huán)具有重大意義?？偭住⑷芙庑粤?、顆粒磷和溶解活性磷有明顯的季節(jié)性波動(dòng)，溶解有機(jī)磷全年維持低濃度水平，周年變化規(guī)律受到氣候、水文條件、水力條件及人為干預(yù)等多重因素的影響。

深水湖泊；龍景湖；磷形態(tài)；周年變化

磷在控制生態(tài)功能、其他生物活性元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和水生態(tài)環(huán)境中的水體質(zhì)量等方面都起著關(guān)鍵性作用[1-2]。本研究初步探討了深水湖泊中磷形態(tài)的時(shí)空分布特征，為揭示磷的生態(tài)效益及進(jìn)一步研究溫帶深水湖泊提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

圖1 龍景湖地理位置圖Fig.1 Location map of Longjing Lake

龍景湖(29°41′ N, 106°32′ E)位于重慶市兩江新區(qū)鴛鴦鎮(zhèn)園博園景區(qū)中心，水域面積0.36 km2，其平均深度為11 m，最大深度為22 m(圖1)。龍景湖是典型的暖單次混合型湖泊，在3月到10月均存在溫度分層現(xiàn)象，其中6月到8月為穩(wěn)定分層期，11月到2月為完全混合狀態(tài)[3]。

1.2 研究方法

1.2.1 取樣方法

在敞水帶選擇具有代表性的位置進(jìn)行監(jiān)測及取樣，監(jiān)測點(diǎn)位于風(fēng)雨廊橋大壩東南側(cè)(圖1)。監(jiān)測時(shí)間為2015年9月到2016年8月，監(jiān)測頻率為每個(gè)月2次。磷形態(tài)濃度取樣以1 m為間距，從1 m水深到底部取樣，水樣置于2.5 L的HDPE取樣瓶。所有水樣在測試前均保存于4 ℃環(huán)境，且在12 h內(nèi)完成測試。

1.2.2 分析方法

總磷、溶解性磷和溶解活性磷測試采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)，將水樣用過硫酸鉀消解后用分光光度計(jì)(DR6000，HACH，USA)測定?？偭着c溶解性磷(DP)的差值為顆粒磷(PP)，溶解性磷與溶解活性磷(SRP)的差值為溶解有機(jī)磷(DOP)。即：PP=TP-DP，DOP=DP-SRP。水樣處理流程見圖2。

圖2 水樣處理流程圖Fig.2 Process of water sample treatment

2 結(jié)果與討論

2.1 水體中各形態(tài)磷組成與含量水平

大壩表層、中層和龍景橋表層、中層及底層水體中，SRP、DOP、DP和PP的形態(tài)構(gòu)成基本相同(圖3)，餅狀圖面積與磷濃度大小成正比，可見各形態(tài)濃度值也相近，大壩底層水體TP濃度值為0.265 mg/L，明顯大于其他幾處，其他幾處TP濃度為0.100～0.108 mg/L。同時(shí)大壩底層水體各磷形態(tài)構(gòu)成比例也有明顯區(qū)別。PP含量年平均值為0.035 mg/L，占TP含量的13%(圖3)，這是由于底層水體Chla含量低，顆粒有機(jī)磷含量大幅減小，顆粒再懸浮引起的顆粒無機(jī)磷可能有所上升，但其總量很小，不足以影響到PP整體減小的趨勢[5]。DP的含量年平均值為0.230 mg/L，占TP含量的87%。SRP的含量范圍為0.02～0.55 mg/L，年平均值為0.201 mg/L，占DP含量的87%，占TP含量的75.7%，由此可見大壩底層水體中TP主要貢獻(xiàn)來源為SRP，龍景湖季節(jié)性缺氧引起的湖底沉積物釋磷主要以磷酸鹽形態(tài)釋放，Lin等[6]發(fā)現(xiàn)缺氧環(huán)境會(huì)使以PP為來源的SRP再生成過程加速，因此對(duì)于季節(jié)性缺氧的底層湖水，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注SRP轉(zhuǎn)化過程和機(jī)理。DOP的含量年平均值為0.029 mg/L，占DP含量的13%，占TP含量的11.3%。

圖3 多種磷形態(tài)平均比重Fig.3 Average proportion of P among different species

2.2 水體中各形態(tài)磷周年動(dòng)態(tài)分析

2015年9月至2016年8月，大壩表層水TP濃度年平均值為0.104 mg/L，在冬季明顯高于其他季節(jié)(圖4)。TP濃度從11月開始增加，在12月達(dá)到峰值0.17 mg/L，在11月到2月期間均維持在0.14 mg/L以上。全年水溫觀測數(shù)據(jù)顯示，秋季表層水溫逐漸下降，湖上層深度開始增加，溫躍層下移，在2015年11月11日和2015年11月25日監(jiān)測中，湖上層深度分別達(dá)到了17.0 m與17.6 m，溫躍層有明顯的下移趨勢。冬季湖水完全混合，湖下層高濃度磷釋放到全部湖水中，發(fā)生“翻庫”現(xiàn)象，導(dǎo)致TP濃度達(dá)到最大值。春季藻類大量生長，Chla濃度達(dá)到全年峰值，藻類生長過程中吸收大量磷，藻類死亡進(jìn)入沉積物層、水生生物捕食和因湖水入流與出流引起的水體更新等因素共同導(dǎo)致了TP濃度開始下降，并在夏季形成波谷，于8月達(dá)到最低值0.05 mg/L，此外5月到8月為平水期和豐水期，降雨量較大，大量雨水的稀釋作用也是一個(gè)重要原因。

大壩中層水TP濃度年平均值為0.108 mg/L，在秋季和冬季較高，濃度范圍是0.11～0.19 mg/L，春季和夏季濃度較低，其范圍是0.04～0.09 mg/L。逐月分布有兩個(gè)極值點(diǎn)，分別是9月0.19 mg/L和12月0.17 mg/L。大壩底層水TP濃度年平均值為0.265 mg/L，在5月到11月較高，12月到4月處于較低水平，并且為下降趨勢。春季溫躍層強(qiáng)度逐漸增加后，底層湖水進(jìn)入缺氧狀態(tài)(圖4)，沉積物釋放磷速率大幅增加，同時(shí)由于垂向密度梯度的影響，磷的垂向傳輸速率下降，TP濃度因此逐步增加，底層水TP濃度峰值出現(xiàn)在秋季的10月。研究顯示，百花湖、紅楓湖和高陽平湖底層水TP濃度全年峰值分別出現(xiàn)于7月、10月和9月[7-9]，龍景湖與其他西部地區(qū)深水湖泊的底層水TP濃度變化呈現(xiàn)相似的趨勢。而深水湖泊程海湖的底層水TP濃度全年峰值出現(xiàn)于1月[10]，這是由于其溫度周期、湖泊分層和熱量收支狀態(tài)仍不明確，可能不存在穩(wěn)定的季節(jié)性水溫分層現(xiàn)象，因此龍景湖也因?yàn)槭艿綒夂?、水文條件、水力條件及人為干預(yù)等因素的影響，而有其磷形態(tài)逐月分布特征的獨(dú)特性。

大壩表層水DP濃度年平均值為0.054 mg/L，占TP比例為52%，與TP有相似的逐月分布特征，在冬季明顯高于其他季節(jié)(圖5)。DP濃度在11月到2月期間均維持在0.10 mg/L以上，極值0.16 mg/L出現(xiàn)于12月，與TP極值出現(xiàn)月份一致。春季和夏季DP濃度最高值僅為0.02 mg/L，是由于藻類大量繁殖，吸收利用了DP，磷轉(zhuǎn)而以PP形態(tài)存在。中層水DP濃度年平均值為0.063mg/L，在9月到2月處于較高水平，范圍在0.08～0.16 mg/L，在12月達(dá)到最大值0.16 mg/L，春季和夏季濃度較低，其范圍是0～0.04 mg/L。底層水DP濃度分布與TP濃度分布基本一致，其年平均值為0.230 mg/L。

大壩表層水PP濃度年平均值為0.050 mg/L，在2015年9月至2016年8月監(jiān)測期間表現(xiàn)出2個(gè)高峰期、一個(gè)低谷期和一個(gè)平穩(wěn)期(圖6)。第一個(gè)高峰期出現(xiàn)在秋季2015年9月，月平均濃度為0.07 mg/L，原因是秋季光抑制現(xiàn)象減弱[11]，浮游植物大量生長，Chla含量顯著升高(圖6)，浮游植物吸收利用水中DP，將其轉(zhuǎn)化為PP。PP年內(nèi)第二高峰出現(xiàn)在2016年3月，月均值達(dá)到0.105 mg/L，與春季藻類爆發(fā)生長相吻合。表層水中PP濃度在冬季進(jìn)入低谷期，濃度在0.01～0.04 mg/L，夏季為平穩(wěn)期，6—8月月平均濃度均為0.05 mg/L。值得注意的是表層水中冬季與夏季PP濃度較低，DP為貢獻(xiàn)TP的主要來源。

大壩表層水SRP濃度年平均值為0.039 mg/L，全年分布為明顯的兩極分布特征。冬季為高濃度期，11月到2月濃度范圍為0.08～0.14 mg/L，且在12月和1月達(dá)到最高值。這是因?yàn)?2月和1月氣溫最低，熱分層穩(wěn)定力極其微弱，風(fēng)浪及柯氏力作用占?jí)旱剐詢?yōu)勢，湖水處于混合最完全的狀態(tài)，同時(shí)全湖均處于缺氧狀態(tài)(圖7)，沉積物在缺氧狀態(tài)下大量釋磷，并且在水體充分混合的條件下，使得上層水體SRP含量達(dá)到全年峰值。德國Müggelsee湖在發(fā)生翻庫現(xiàn)象后，SRP平均濃度比分層時(shí)期的湖上層濃度升高了3.3倍，這也說明溫度分層之后的湖水混合會(huì)導(dǎo)致SRP含量大幅上升[12]。在3月到10月期間，表層水體SRP含量則基本為0。這是因?yàn)镾RP是生物有效磷，會(huì)被浮游植物迅速利用。中層水體SRP全年分布也分為高低兩個(gè)時(shí)期，與表層水體分布的差異在于，高水平時(shí)期由9月開始延續(xù)到2月，濃度上升比表層水體提前2個(gè)月，其間濃度范圍是0.06～0.14 mg/L。9月和10月期間，溫躍層已經(jīng)下移到15～18 m水深，氣溫驟降與風(fēng)生流等環(huán)境變化可能在分層期間形成短暫的混合時(shí)期，此時(shí)沉積物上覆水體中的磷進(jìn)入中層水體，使得其含量較高。底層水體中SRP濃度逐月分布特征與TP和DOP一致，其全年均值為0.201 mg/L，在5月到11月濃度較高，峰值0.55 mg/L出現(xiàn)在10月,冬季期間濃度相對(duì)較低，在0.14 mg/L左右。冬季上層、中層和下層水體SRP濃度接近，尤其是12月與1月各層水體SRP濃度完全相等，印證了湖水完全均質(zhì)化的監(jiān)測結(jié)果。

大壩表層和中層逐月DOP濃度均處于0～0.03 mg/L較低水平，全湖在大部分時(shí)間DOP濃度都是0～0.02 mg/L。底層DOP濃度范圍則為0.01～0.05 mg/L，最大值出現(xiàn)于9月，最小值出現(xiàn)于1月和8月(圖8)。DOP生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)理復(fù)雜，目前尚缺乏系統(tǒng)性的解釋[10]。

圖4 2015—2016年TP逐月變化動(dòng)態(tài)Fig.4 Monthly variation dynamics of TP from 2015 to 2016

圖5 2015—2016年DP逐月變化動(dòng)態(tài)Fig.5 Monthly variation dynamics of DP from 2015 to 2016

圖6 2015—2016年P(guān)P逐月變化動(dòng)態(tài)Fig.6 Monthly variation dynamics of PP from 2015 to 2016

圖7 2015—2016年SRP逐月變化動(dòng)態(tài)Fig.7 Monthly variation dynamics of SRP from 2015 to 2016

圖8 2015—2016年DOP逐月變化動(dòng)態(tài)Fig.8 Monthly variation dynamics of DOP from 2015 to 2016

3 結(jié)論

(1)龍景湖水體中，表層水體TP濃度變化范圍為0.04～0.17 mg/L，年平均含量為0.104 mg/L，含量水平已經(jīng)較高。

(2)表層水體PP含量為0.050mg/L，占TP的48%。DP的含量為0.054 mg/L，占TP的52%。SRP含量為0.039 mg/L，占TP的37.5%。DOP含量為0.015 mg/L，占TP的14.6%。中層水體各磷形態(tài)組成與表層基本一致。底層TP濃度值為0.265 mg/L，明顯大于表層和中層，其中PP含量為0.035 mg/L，占TP的13%，DP的含量為0.230 mg/L，占TP的87%，SRP的含量為0.201 mg/L，占TP的75.7%，DOP的含量為0.029 mg/L，占TP的11.3%。磷的賦存形態(tài)特點(diǎn)是SRP比重較大，說明在龍景湖這樣的季節(jié)性缺氧深水湖泊中，SRP濃度、分布特征和循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律對(duì)湖泊水體中磷的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重大意義。

(3)周年動(dòng)態(tài)變化中，TP、DP、PP和SRP有明顯的季節(jié)性波動(dòng)，DOP全年維持在低濃度水平。這與百花湖[23]和紅楓湖[24]等西部深水湖泊有相似的變化規(guī)律。但因氣候、水文和水力條件及人為干預(yù)等因素的影響，龍景湖亦區(qū)別于程海[10]等湖泊，具有其獨(dú)有特性。

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Phosphorus Speciation and Annual Variation Pattern of Deep-water Longjing Lake

HU Zhi, HE Qiang, SU Xiao-xuan, MAO Yu-feng

(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

Based on the monthly investigations of different phosphorus species from September 2015 to August 2016 at Longjing Lake, phosphorus speciation, concentration and its annual variation are analyzed in this paper. The results indicated that the total phosphorus (TP) concentration in surface water varied between 0.04 and 0.17 mg/L, and the annual average was as high as 0.104 mg/L, containing 48% particulate phosphorus (PP), 37.5% soluble reactive phosphorus (SRP) and 14.6% dissolved organic phosphorus (DOP). Concentrations of different phosphorus species in intermediate water were roughly the same as those of surface water. Benthic TP concentration was 0.265 mg/L, containing 13% PP, 75.7% SRP and 11.3% DOP. The SRP concentration, distribution characteristics and pattern of circulation and conversion were of significant importance to phosphorus biogeochemistry in lake water. There were apparent seasonal variations in TP, dissolved phosphorus (DP), PP and SRP, while DOP concentration maintained a low level for the whole year. The annual variation pattern was influenced by multiple factors, including climate, hydrological and hydraulic conditions, and anthropogenic intervention.

deep-water lake; Longjing Lake; phosphorus speciation; annual variation

2017-04-25

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07307-001)

胡知(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗廴究刂萍夹g(shù)，E-mail：huzhbcln@126.com

10.14068/j.ceia.2017.04.016

X524

A

2095-6444(2017)04-0071-05