北民湖沉積物氮、磷形態(tài)豎向分布研究

李必才，曾 淳，董 萌，宋娟娟，何連生，孟 睿

(1﹒湖南城市學院 材料與化學工程學院，湖南 益陽 413000；2﹒湘潭大學，湖南 湘潭 411105；3﹒中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

北民湖沉積物氮、磷形態(tài)豎向分布研究

李必才1，曾 淳2，董 萌1，宋娟娟1，何連生3*，孟 睿3

(1﹒湖南城市學院 材料與化學工程學院，湖南 益陽 413000；2﹒湘潭大學，湖南 湘潭 411105；3﹒中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

為了解養(yǎng)殖類湖區(qū)不同深度沉積物中氮、磷形態(tài)的分布狀況，選取典型養(yǎng)殖湖區(qū)北民湖為研究對象，運用柱狀取樣法將沉積物進行分層，探討不同深度沉積物中氮、磷形態(tài)的分布特征﹒結(jié)果顯示：北民湖沉積物中有機氮為主要氮形態(tài)，約占TN的94.53%，無機磷為主要磷形態(tài)，約占TP的76.10%﹒無機磷中，又以Fe/Al-P含量相對最高，約為IP的66.05%，而Ca-P和OP含量均相對較低﹒沉積物中TN隨沉積深度增加呈下降趨勢，硝態(tài)氮隨沉積深度的增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢，而氨氮呈先增大后減小的趨勢；沉積物中TP、IP、Fe/Al-均隨沉積深度增加呈明顯下降趨勢，而Ca-P、OP相對較為穩(wěn)定．

北民湖；沉積物；氮磷形態(tài)；豎向分布

湖泊沉積物是湖泊生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，也是水土界面(物理的、化學的、生物的)積極交替帶[1]﹒沉積物是氮、磷等生源要素的重要儲存庫[2]，氮作為水生生態(tài)系統(tǒng)的主要營養(yǎng)元素，被認為是水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的關鍵性限制因子[3]，而磷同樣是湖泊富營養(yǎng)化的主要限制性影響因子，不同形態(tài)氮、磷遷移釋放行為和生物有效性等有著明顯的差異﹒沉積物能間接的反映出水體污染情況，研究湖泊沉積物中氮、磷含量及分布特征對控制湖泊水體內(nèi)源負荷和生態(tài)系統(tǒng)狀況有重要指導意義[4]﹒

北民湖為典型的養(yǎng)殖湖區(qū)，從本質(zhì)上說，湖泊水產(chǎn)養(yǎng)殖其實就是在湖泊生態(tài)系統(tǒng)原有的自然基礎上增加了消費者(水產(chǎn)養(yǎng)殖物種)﹒對于湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)而言，其消費者的增加必然會帶來難以預料的益處或害處[5]﹒在湖泊水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，影響湖泊水質(zhì)狀況的主要物質(zhì)是過量餌料與動植物殘體及其排泄物等，而有機物、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)導致了湖泊水質(zhì)狀況降低，進而引發(fā)湖泊富營養(yǎng)化[6]﹒高水平的湖泊營養(yǎng)狀況導致藍藻等浮游植物迅猛繁殖，水質(zhì)持續(xù)惡化，陽光透過率下降，影響魚類等水生生物的正常生長﹒

本文以北民湖為研究對象，利用彼得森采泥器獲取沉積物柱狀樣，通過對北民湖不同沉積深度的氮、磷形態(tài)含量進行測定，分析其豎向分布特征，并探究其遷移轉(zhuǎn)化過程以及其與湖泊富營養(yǎng)化關系﹒由此對北民湖的氮磷營養(yǎng)負荷貢獻進行正確評估，可為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康調(diào)控提供理論依據(jù)和技術支持﹒

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

圖1 北民湖采樣點分布圖

2013年5月通過GPS定位的方式在北民湖選取2個取樣點進行樣品的采集，具體的取樣點分布圖見圖1﹒其中，取樣點1主要取表層水及表層沉積物；取樣點2取完表層水后用彼得森采泥器鉆取連續(xù)完整的柱狀沉積物樣品，按 1cm/層的厚度(共22層)進行現(xiàn)場分層后裝于聚乙烯塑料封口袋中，排出空氣，密封保存于低溫保溫箱中帶回實驗室分析﹒

首先，取出部分沉積物樣品解凍，用離心機離心出沉積物間隙水，收集待測；然后，將離心過后的沉積物置于實驗室通風處自然風干；最后，剔除其中的礫石和植物殘體，用研缽研磨過 100目篩，分裝至樣品袋，封口，待測﹒

1.2 分析測定

沉積物總氮采用過硫酸鉀消化法測定[1]；沉積物氨氮、硝態(tài)氮：采用氯化鉀溶液浸提，納氏試劑比色法和紫外分光光度法分別測定提取液氨氮和硝氮[1]﹒間隙水測定的指標為：總氮、氨氮、總磷，總氮采用堿性過硫酸鉀消解法進行測定，氨氮采用納氏試劑比色法進行測定，總磷采用過硫酸鉀消解，鉬銻抗比色法進行測定[7]﹒

磷形態(tài)的提取方法尚沒完全統(tǒng)一，國外主要有Psenner法、SMT法等[8]，國內(nèi)朱廣偉等學者[9]對其進行了改進﹒本文采用SMT法[10]，包括鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)、鈣磷(Ca-P)、無機磷(IP)、有機磷(OP)和總磷(TP)﹒

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本實驗所測定的數(shù)據(jù)采用 SPSS19.0和Origin7.5等軟件進行分析﹒

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物氮形態(tài)含量及豎向分布特征

通過選取北民湖2個采樣點0-44 cm的底泥，對其每2 cm為1層進行切分，并測定各層中各種氮、磷形態(tài)的含量﹒通過比較采樣點底泥中不同深度氮、磷含量之間關系，從而了解北民湖底泥氮、磷形態(tài)豎向分布規(guī)律﹒根據(jù)137Cs計年標準[11]測定結(jié)果，近50 a來沉積物平均沉積速率為1.7 mm·a-1，0-44 cm厚度的底泥相當于近200 a來北民湖沉積物沉積厚度，其中每2 cm的底泥厚度可近似看成底泥每10 a的變化情況﹒

通過測定北民湖沉積物各氮形態(tài)的含量發(fā)現(xiàn)，氨氮和硝氮含量均遠低于總氮的含量，這表明北民湖沉積物中氮形態(tài)主要以有機氮為主(有機氮的含量可近似看成總氮減去氨氮和硝氮的含量)，有機氮的含量約占TN含量的94.53%，這與很多湖區(qū)有機氮為沉積物中氮的主要存在形態(tài)的結(jié)論一致﹒

圖2 北民湖底泥中氨氮、硝氮含量沿深度分布圖

沉積物中氨氮、硝氮的變化規(guī)律見圖2﹒由圖2可知，沉積物中氨氮含量隨著深度的增加總體呈先增加后降低的趨勢，在10-11 cm處含量最高，達145.29 mg·kg-1﹒沉積物中氨氮是水體中的營養(yǎng)元素，可導致水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對魚類及某些水生生物有毒害作用﹒不同沉積物深度對應著相應歷史年代，也就是說20世紀60年代以來氨氮含量逐年降低，減小了對湖泊富營養(yǎng)化的貢獻﹒沉積物中硝氮的含量隨著深度的增加呈逐漸降低的趨勢﹒硝氮的含量在深度0-5 cm處下降趨勢明顯，5 cm之后沉積物中硝氮的含量變化較小，基本較為穩(wěn)定﹒根據(jù)硝氮含量的豎向變化規(guī)律可以認為，20世紀80年代之前，北民湖受人為干擾較小，而近年來，硝氮含量不斷升高，主要原因可能是隨著魚群養(yǎng)殖密度的增大，沉積物與水體交換的速率增加，部分水體中的氧溶解于沉積物中，引起沉積物中氧含量升高，為硝化細菌硝化作用提供了氧環(huán)境，從而引起沉積物中無機氮的形態(tài)以硝態(tài)氮為主﹒

通過測定沉積物中不同沉積深度總氮含量可知，北民湖沉積物中總氮的含量為 957.98 mg·kg-1-1 919.17 mg·kg-1，由圖 3 北民湖中沉積物隨深度分布圖可知，隨沉積深度增加基本呈明顯下降趨勢﹒沉積物總氮在0-2 cm處均有上升的趨勢，2 cm以下隨著深度的增加總體呈降低的趨勢，趨勢明顯﹒主要原因可能是 2010年澧縣北民湖濕地保護與恢復工程獲批，為恢復北民湖濕地，限制了餌料的投加量及魚群的養(yǎng)殖密度，控制了水體的外源污染，水體中氮濃度的降低引起沉積物質(zhì)氮含量的下降﹒

圖3 北民湖底泥中總氮含量沿深度分布圖

2.2 沉積物磷形態(tài)含量及豎向分布特征

本文采用 SMT法對沉積物中磷形態(tài)分級連續(xù)浸提，分別提取了鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)、鈣氧化態(tài)磷(Ca-P)、無機磷(IP)、總磷(TP)﹒根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)可知，無機磷是總磷的主要存在形態(tài)，約占TP的76.10%，有機磷含量較小，無機磷中又以Fe/Al-P含量最高，約占IP的66.05%﹒北民湖不同沉積深度磷形態(tài)豎向分布圖見圖4﹒

圖4 北民湖底泥中總磷含量沿深度分布圖

2.2.1 鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)

本文提取磷形態(tài)時并沒有把Fe/P和Al-P分開提取，在分析時有一定影響﹒Fe-P是指與鐵的氧化物或氫氧化物相結(jié)合的磷，但大多數(shù)情況下提取的Fe-P并不完全是鐵結(jié)合態(tài)，還有一小部分與錳或其他金屬化合物相結(jié)合的磷﹒Al-P主要是磷酸根離子與鋁氧化物或氫氧化物相結(jié)合形成的，是較難被利用的一種磷[12]﹒

根據(jù)實驗測得的沉積物不同沉積深度下Fe/Al-P含量見圖4，由圖4可知，F(xiàn)e/Al-P含量隨沉積物深度的增加而降低，下降幅度較大，1-2 cm處達到最大值，最大值為1 100.58 mg·kg-1，20-21 cm處時最小，最小值為129.68 mg·kg-1﹒Fe/Al-P是無機磷中主要存在形態(tài)，約占 IP的66.05%﹒由上部沉積物中 Fe/Al-P含量明顯高于下部，表明近年來人為污染更嚴重，可以認為投加餌料和漁民生活廢水的排入引起沉積物中Fe/Al-P含量的增加﹒

2.2.2 鈣氧化態(tài)磷(Ca-P)

Ca-P的主要貢獻者是各種難溶性的磷酸鈣礦物﹒大多數(shù)研究指出，Ca-P是相對較穩(wěn)定的磷，較難被生物利用，對水體富營養(yǎng)化貢獻很小[13]﹒

從圖4可知，沉積物中Ca-P的含量隨深度的增加相對較穩(wěn)定，含量為 112.71 mg·kg-1-355.19 mg·kg-1；沉積深度為5-6 cm時，Ca-P含量最高，為355.19 mg·kg-1；沉積深度為21-22 cm處，Ca-P含量最低，為112.71 mg·kg-1；沉積物深度為16-22 cm時，Ca-P含量呈下降趨勢，但下降幅度較小，基本可以認為保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)﹒通過上述分析，我們可以認為北民湖沉積物中Ca-P基本不發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，對水體富營養(yǎng)化貢獻較小﹒

2.2.3 總磷、無機磷、有機磷

總磷可分為有機磷(OP)和無機磷(IP)，由于有機磷難以測定，故采用W(OP)=W(TP)-W(IP)計算得有機磷含量，從所得數(shù)據(jù)來看，無機磷為總磷的主要存在形態(tài)，約占TP的76.10%，而有機磷含量較小﹒沉積物中TP、IP含量均隨沉積深度的增加而減少，均呈明顯下降趨勢﹒TP含量為470.71 mg·kg-1-1 814.14 mg·kg-1之間，沉積深度為1-2 cm時含量達到最高，沉積深度為21-22 cm時含量最低﹒無機磷(IP)含量在279.05 mg·kg-1-1 453.64 mg·kg-1之間，沉積深度為1-2 cm時含量達到最高，沉積深度為21-22 cm時含量最低﹒有機磷(OP)含量在 191.66 mg·kg-1-367.80 mg·kg-1，相對較為穩(wěn)定﹒

從北民湖沉積物各磷形態(tài)豎向分布圖4可知，各磷形態(tài)含量的最大值基本在0-2 cm處，最小值基本在20-22 cm處，TP、IP、Fe/Al-P均隨沉積物深度的增加呈明顯的下降趨勢，Ca-P、OP則相對比較穩(wěn)定，均為沉積物中比較惰性的磷組分，受人為影響較小﹒由圖4可知，IP在TP中所占比例很大，表明總磷含量由無機磷所控制，對湖泊富營養(yǎng)化起主要作用﹒Fe/Al-P是較為活躍的一種磷，是無機磷中的主要成分，可能主要來自人為污染﹒根據(jù)目前國內(nèi)環(huán)境保護疏浚的一般要求，沉積物TP含量在500 mg·kg-1以上，該沉積物就被認為污染嚴重，可建議進行疏浚[4]﹒據(jù)此判斷，目前北民湖沉積物污染程度較高，需制定相應的生態(tài)恢復方案，落實好各項改善湖泊環(huán)境的舉措﹒

2.3 間隙水、沉積物氮磷形態(tài)的相關性分析

運用 SPSS19.0軟件對北民湖沉積物氮磷形態(tài)含量進行相關性分析，結(jié)果見表1﹒由表可知間隙水中TN與沉積物中TN、硝氮具有極顯著相關性，而與沉積物中氨氮相關性不高，可認為間隙水中氮含量的增加可能來自沉積物中氮的釋放作用，而且沉積物釋放至間隙水中的氮的形態(tài)主要以硝氮為主；間隙水中 TN還與沉積物中Fe/Al-P呈極顯著相關，與Ca-P呈顯著相關，這說明間隙水中總氮含量的增加主要來自于人為對水體的污染還有部分來自沉積物的釋放﹒沉積物中氨氮與沉積物中TP、IP、Fe/Al-P、OP、TN均呈顯著負相關，說明適當控制沉積物氨氮的含量可以控制沉積物中各種形態(tài)氮、磷含量的增加﹒

表1 北民湖間隙水、沉積物各氮磷形態(tài)相關性分析①

沉積物TN與沉積物各種形態(tài)的磷呈極顯著正相關，與沉積物中氨氮呈顯著負相關，這可以認為沉積物中總氮含量的升高主要來自于人為污染以及沉積物本身的釋放作用；與沉積物硝氮呈極顯著正相關，與沉積物氨氮含量呈顯著負相關，說明沉積物中總氮含量的增加來自于硝氮含量的累積，沉積物微生物進行硝化作用的過程會降低沉積物中總氮含量﹒

沉積物中TP與IP、Fe/Al-P、Ca-P、OP均呈現(xiàn)極顯著相關性，且IP相關系數(shù)最大，OP的相關系數(shù)相對較小，表明北民湖沉積物 TP的增加主要來源于無機磷中的Fe/Al-P和Ca-P，其次是有機磷﹒這充分說明沉積物中總磷含量的升高主要來自于人為活動的影響，可以歸納為在養(yǎng)殖過程中餌料的投加以及漁場附近居民生活的影響﹒沉積物中TP與沉積物中硝態(tài)氮呈極顯著正相關，與沉積物中氨氮呈顯著負相關，說明沉積物中氮、磷形態(tài)具有良好的同源性﹒

3 結(jié)論

(1)北民湖沉積物中有機氮為主要氮形態(tài)，在TN中占絕對優(yōu)勢，約為TN的94.53%﹒沉積物TN隨沉積深度的增加呈下降趨勢，硝氮呈先下降后穩(wěn)定的趨勢，而氨氮呈先增大后減小趨勢﹒

(2)對北民湖沉積物磷形態(tài)進行分析，可知無機磷為主要磷形態(tài)，約為TP的76.10%，無機磷中Fe/Al-P含量相對最高，約為IP的66.05%，而Ca-P和OP含量則較低﹒沉積物中TP、IP、Fe/Al-P均隨沉積深度的增加呈明顯下降趨勢，Ca-P、OP則相對較穩(wěn)定﹒

(3)通過對北民湖間隙水、沉積物各氮磷形態(tài)進行相關性分析可知，北民湖沉積物 TP的增加主要來源于無機磷中的Fe/Al-P和Ca-P，其次是有機磷﹒

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(責任編校：陳健瓊)

Study about Vertical Distribution of Nitrogen and Phosphorus Species in the Sediments of Beimin Lake

LI Bi-cai1,ZENG Chun2,DONG Meng1,SONG Juan-juan1,HE Lian-sheng3,MENG Rui3
(1. College of Matarials and Chemical Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China; 2. Xiang Tan University, Xiangtan,Hunan 411105, China; 3. China Environmental Science Research Institute, Beijing 100012, China)

To understand the distribution of nitrogen and phosphorus in farmed lake sediments at different depths, this thesis, based on the research of a typical farming Lake, Beimin Lake, discusses the distribution characteristics of nitrogen and phosphorus forms in sediments of different depths by delaminating the sediments with the column sampling method. The results show that organic nitrogen is the main form of nitrogen, accounting for about 94.53% of TN, and inorganic phosphorus is the main form of phosphorus in the sediments of the Beimin Lake, accounting for about 76.10% of TP; in inorganic phosphorus, Fe/Al-P content is the highest, accounting for about 66.05% of IP, and Ca-P and OP contents are relatively low; TN in the sediments declines with the increase of the depth, and nitrate nitrogen remains stable after the preliminary drop while ammonia nitrogen increases and then decreases; TP, IP, Fe/Al-P in sediments decrease obviously with the increasing depth of sediments, while Ca-P and OP are relatively stable.

Beimin Lake; sediment; nitrogen and phosphorus species; vertical distribution

X131

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0016

1672–7304(2017)02–0071–05

2017-03-10

國家重大科技專項基金資助項目(2014ZX07504003)

李必才(1985-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，講師，主要從事水體污染及生態(tài)修復研究，E-mail: libicai0327@163.com．

*通訊作者：何連生(1976-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，博士，研究員，主要從事水體污染及生態(tài)修復研究，E-mail: heliansheng08@126.com