马来眼子菜群丛对太湖不同湖区沉积物磷形态的影响

李振国,王国祥,马久远,张 佳,欧 媛 (.南京师范大学地理科学学院,江苏 南京 20023；2.湖南科技大学地理系,湖南 湘潭 420)

马来眼子菜群丛对太湖不同湖区沉积物磷形态的影响

李振国1,2,王国祥1*,马久远1,张 佳1,欧 媛1(1.南京师范大学地理科学学院,江苏 南京 210023；2.湖南科技大学地理系,湖南 湘潭 411201)

采用磷分级提取的方法对太湖贡湖湾、南部湖区马来眼子菜(Potamogeton malaianus)群落内外的沉积物样品进行了采集和分析,调查了沉积物中的不同形态磷的垂直分布状况,研究马来眼子菜群落对沉积物磷迁移转化的影响.结果表明:植物群丛对沉积物铁铝磷(Fe/Al-P)的影响在贡湖湾和南太湖表现不同.贡湖湾马来眼子菜群丛内部沉积物Fe/Al-P高于群落外部的27.6%,差异性显著(P<0.05);南太湖马来眼子菜群丛内部沉积物中Fe/Al-P均值低于群丛外部的47.4%,差异性显著(P<0.05).植物群丛对沉积物有机磷(OP)的影响在贡湖湾和南太湖表现相似,两湖区植物群丛外部沉积物中OP含量均值高于群落内部.马来眼子菜群丛对贡湖湾和南太湖沉积物中Ca-P有较明显的影响,植物的影响主要体现在表层0～15cm范围内,贡湖湾湖区沉积物Fe/Al-P和OP含量较高,在植物的影响下转化为Ca-P,因此Ca-P在表层沉积物中呈上升趋势;南太湖沉积物中Ca-P含量较高,在植物影响下Ca-P有一定量的释放,因此Ca-P在表层沉积物中呈下降趋势.

磷形态；沉积物；马来眼子菜；太湖

沉积物在浅水湖泊营养盐循环中扮演了重要角色,当外源污染被切断后,沉积物中的内源磷负荷成为影响水质的重要因子[1].研究发现沉积物磷迁移转化与温度、氧化还原状态、pH值、溶解氧浓度、硫酸盐、细菌等因素密切相关.沉水植物是浅水湖泊中重要的初级生产者,占据着沉积物-水之间的关键界面,通过自身形态和生命活动影响着水体环境因子,进而影响沉积物磷的生物地球化学循环[2-3].沉积物中的磷与铁、铝、钙等元素以不同形式结合成各种形态的化合物,不同结合态的磷具有不同的地球化学行为[4].沉水植物对于不同形态磷的影响受到了越来越多的关注,大量的室内试验研究表明沉水植物对沉积物中松散结合态磷及铁、铝结合态磷(Fe/Al-P)以及活性有机磷有显著影响,对其他形态的磷影响不显著[5-8].但针对沉水植物群落对沉积物各形态磷的野外调查实验并不多见[9].

马来眼子菜(Potamogeton malaianus Miq.)是眼子菜科多年生沉水草本植物,是许多水生动物的食物和栖息场所[10].马来眼子菜在太湖水环境持续恶化的情况下,分布面积却逐年扩张,在不同水域和底质条件下均能存活,在贡湖湾、西山岛、南太湖成为优势种[11-12].

本研究选择太湖不同湖区的马来眼子菜群丛,在群丛内外分别采集柱状沉积物样品,调查沉水植物群丛内外沉积物中各形态磷的差异,分析沉水植物群丛对各形态磷迁移转化的影响,为揭示浅水生态系统中沉水植物的环境效应提供野外数据支持.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

太湖是长江中下游流域最典型的大型浅水湖泊,水面面积2338km2,平均水深 1.89m.太湖有藻型湖区、草型湖区,也有草藻过渡型湖区[13].太湖不同湖区沉积物中磷形态含量变化非常明显[14],北部及西北部湖区总磷(TP)含量高于其他湖区,从各形态磷的分布来看,Fe/Al-P含量北部和西部湖区明显高于其他湖区,Ca-P含量南部和东部湖区高于北部和西北部湖区[15].

两个采样区域内的马来眼子菜均生长旺盛,南部湖区马来眼子菜群落斑块较大,斑块直径约100～300m,植物密度较小,夏季平均生物量有192g/m2.贡湖湾湾口采样区域马来眼子菜群落斑块较小,斑块直径50～100m,斑块内植物密度较大,生长茂盛,平均生物量可达到286g/m2[12,16].

1.2 样品采集及实验方法

2012年6月在太湖贡湖湾和南部湖区马来眼子菜(Potamogeton malaianus)群落区和无植被分布区设置采样点(图1),采样点编号及地理坐标分别为 GPO(贡湖湾,无植被分布区,31°22'15.08"N, 120°16'53.62"E),GPI(贡湖湾,马来眼子菜群落, 31°22'35.14"N,120°16'32.78"E),SPO(南部湖区,无植被分布区,30°59'33.98"N,120°8'7.37"E),SPI(南部湖区,马来眼子菜群落,30°59'28.57"N,120°8'18.95"E).

图1 采样点位分布Fig.1 Schematic graph of sampling sites

使用沉积物柱状取样器(HYDRO-BIOS,德国)取样,现场分层切割,装入聚乙烯自封袋中,4℃冷藏保存.样品经冷冻干燥、分散、研磨、过100目筛,置于密封袋中备用.

沉积物中各形态磷的分析方法参考 Ruban等[17-18]的SMT法.该方法分别采用NaOH和HCl提取获得 5种形态磷,分别是 TP、IP、OP、Fe/Al-P、Ca-P,各形态磷间相互干扰小,是目前普遍应用的淡水沉积物磷形态研究方法.

2 结果与分析

2.1 不同湖区马来眼子菜群丛内外 TP的变化特征

沉积物中 TP含量的垂直分布显示,随着深度的增加,磷含量呈下降趋势.在表层沉积物(0～15cm)深度范围内,贡湖湾和南太湖马来眼子菜群落TP含量均表现为群落内部低于群落外部的现象,群落内部沉积物的 TP含量平均比群落外部的沉积物低14.2%和9.06%(图2).两湖区植物群落内部TP含量垂直方向上变化均比群落外部缓和,贡湖湾和南太湖植物群落外部沉积物TP最高值与最低值分别相差 222.91mg/kg和538.23mg/kg,而植物群落内部沉积物 TP最高值与最低值分布相差188.16mg/kg和117.43mg/kg.贡湖湾植物群丛内表层沉积物(0～15cm)中TP浓度呈上升趋势,上升了 31.7mg/kg;南部湖区植物群丛内表层沉积物(0～15cm)中TP浓度呈明显下降趋势,下降75.4mg/kg.

图2 贡湖湾和南太湖马来眼子菜群丛内外沉积物TP含量垂直分布Fig.2 Vertical distribution of TP in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

2.2 不同湖区马来眼子菜群丛内外IP和OP的 变化特征

图3 贡湖湾和南太湖马来眼子菜群丛内外沉积物IP和OP含量垂直分布Fig.3 Vertical distribution of IP and OP in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

沉积物中IP含量的垂直分布显示,贡湖湾植物群丛内外沉积物中IP随深度的变化趋势基本一致,植物群丛内表层沉积物(0～15cm)中IP浓度呈小幅上升趋势,上升了2.1mg/kg.南部湖区植物群丛内外沉积物中IP随深度的变化趋势差别较大,群丛外,自表层到底层呈下降趋势,且波动幅度较大,变幅为 460.8mg/kg;群丛外波动平缓,幅度较小,变幅为144.1mg/kg.南部湖区植物群丛内,表层沉积物(0～15cm)中IP浓度呈明显下降趋势,下降144.1mg/kg.

沉积物中 OP含量自表层向下层递减,垂直变化复杂且剧烈.贡湖湾表层沉积物中 OP含量最高,0～5cm 深度植物群丛外部高于群丛内部44.3%,5～15cm深度植物群丛内沉积物 OP比外部高26.5%.南太湖植物群丛外部沉积物OP垂直变化呈现表层＞中层＞下层的趋势,植物群丛内部沉积物 OP显著低于群丛外部(P＜0.05),呈表层＞中层＞下层的趋势.

2.3 不同湖区马来眼子菜群丛内外 Fe/Al-P的变化特征

贡湖湾马来眼子菜群丛内部沉积物中Fe/Al-P均值高于群落外部的27.6%,且差异显著(P ＜ 0.05);南太湖马来眼子菜群丛内部沉积物中Fe/Al-P均值低于群落外部的47.4%,且差异显著(P ＜ 0.05).

沉积物中 Fe/Al-P的垂直分布显示,贡湖湾沉积物中 Fe/Al-P含量表层＞底层＞中层,表层总磷浓度最高,植物群丛内部比外部高,植物群丛内表层沉积物比外部高 55.2%.南部湖区沉积物Fe/Al-P垂直变化波动较为剧烈,植物群丛外部沉积物中 Fe/Al-P呈现表层＞下层＞中层的趋势,植物群丛内部沉积物 Fe/Al-P显著低于群丛外部(P＜0.05),呈下层＞表层＞中层的趋势.

2.4 不同湖区马来眼子菜群丛内外 Ca-P的变化特征

图4 贡湖湾和南太湖马来眼子菜群丛内外沉积物Fe/Al-P含量垂直分布Fig.4 Vertical distribution of Fe/Al-P in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

图5 贡湖湾和南太湖马来眼子菜群丛内外沉积物Ca-P含量垂直分布Fig.5 Vertical distribution of Ca-P in the sediment of the internal and external of P. malaianus community in Lake Taihu

沉积物中 Ca-P含量的垂直分布显示,贡湖湾植物群丛内外沉积物中Ca-P随深度的变化趋势基本一致;植物群丛内表层沉积物(0～15cm)中Ca-P浓度呈明显上升趋势,上升了62.6mg/kg.南部湖区植物群丛内外沉积物中Ca-P随深度的变化趋势差别较大,群丛外,自表层到底层呈下降趋势,且波动幅度较大,变幅为 400.7mg/kg;群丛外波动平缓,幅度较小,变幅为 131.6mg/kg.南部湖区植物群丛内,表层沉积物(0～15cm)中 Ca-P浓度呈明显下降趋势,下降131.6mg/kg.

3 讨论

3.1 马来眼子菜群丛对不同湖区沉积物 Fe/Al-P和OP含量的影响

沉积物中 Fe/Al-P易受氧化还原条件的影响,是沉积物中主要的活性磷成分.沉积物中的OP在厌氧条件下可以部分转化为 Fe/Al-P,其矿化程度和速率与氧化还原条件极为相关[19-20].贡湖湾植物群丛内部 Fe/Al-P含量高于群丛外部,而南太湖则相反,植物群落外部高于群落内部.贡湖湾位于太湖北部藻型湖区,由于太湖风浪的影响与湖湾效应[21-22],引起藻类和部分有机悬浮物在群落内停留、聚集并沉淀[16].马来眼子菜植物体内含有抑藻物质[23],能破坏藻类细胞膜的完整性,最终导致藻类死亡.大量藻类在马来眼菜群落内被滞留,并沉降至底泥中,引起沉积物中Fe/Al-P和OP含量升高.另外,夏季贡湖湾马来眼子菜群落生长密集,生物量大,可达到286g/m-2[12],植物衰亡后,残体被截留在群落中,最终沉积到底泥中,也是导致群落内沉积物中的OP和Fe/Al-P含量高于群落外沉积物的原因之一.南部湖区马来眼子菜群落的分布较零散,植物生物量较贡湖湾少,藻类和植物残体易随风浪而转移到群落之外,很难在群落内部沉积.另外,该区域马来眼子菜群落是新生群落,植物的衰亡对沉积物中磷素的贡献较少.而六月份马来眼子菜生长较旺盛,植物对沉积物中营养盐的吸收作用较强.另外,藻类的堆积和死亡会导致沉积物中部分磷素的释放,并且草型湖区沉积物的释放量较大[24],所以该区域沉积物中OP和Fe/Al-P的释放量较大,这些因素最终导致南部湖区马来眼子菜群落内部的OP和Fe/Al-P含量较群落外部的低.

3.2 马来眼子菜群丛对不同湖区沉积物 IP和Ca-P含量的影响

IP的主要组成为Ca-P,本次调查中贡湖湾沉积物中Ca-P占IP的平均含量为73.3%,南部湖区沉积物中Ca-P占IP的平均含量为80.0%. 与前人的调查结果相吻合[25-27],因此Ca-P对IP的分布起到了关键作用.

沉积物中Ca-P是较稳定的磷形态，但在pH值较低的情况下也可以活化，释放到水体中[28-29].本次调查发现,在贡湖湾马来眼子菜群落内表层沉积物(0～15cm),Ca-P呈上升趋势;在南太湖马来眼子菜群丛内部表层沉积物(0～15cm),Ca-P呈缓慢下降趋势,0～15cm 是沉水植物根系在沉积物中的主要分布区域,根系的生理活动过程中会分泌氧和有机酸类物质,导致根际Eh升高,pH值降低[3,30],从而引起沉积物 Fe/Al-P的转化和Ca-P的释放.贡湖湾沉积物中Fe/Al-P含量较高,在沉水植物影响下经历复杂的解析-沉淀后,向上一部分转化为弱吸附态的磷游离到间隙水中并通过浓度梯度向上覆水迁移,向下一部分以稳定的晶体形态最终埋藏下去,一部分转化为其他更为稳定形态的 Ca-P[14-15].南太湖沉积物中Ca-P含量较高,在植物的持续影响下,沉积物pH降低,造成了Ca-P释放,因此表层沉积物中Ca-P呈下降趋势.

4 结论

4.1 马来眼子菜群丛对沉积物铁铝磷(Fe/Al-P)的影响在贡湖湾和南太湖表现不同.贡湖湾马来眼子菜群丛内部沉积物 Fe/Al-P高于群落外部的 27.6%,差异性显著(P＜0.05);南太湖马来眼子菜群丛内部沉积物中 Fe/Al-P均值低于群丛外部的47.4%,差异性显著(P＜0.05).

4.2 南太湖马来眼子菜群丛外部沉积物中 OP平均含量高于群落内部(P＜0.05),贡湖湾植物群丛的影响不显著(P＞0.05).

4.3 马来眼子菜群从对贡湖湾和南太湖沉积物中 Ca-P有较明显的影响,植物的影响主要体现在表层 0-15cm范围内,贡湖湾湖区沉积物Fe/Al-P和OP含量较高,在植物的影响下转化为Ca-P,因此 Ca-P在表层沉积物中呈上升趋势;南太湖沉积物中 Ca-P含量较高,在植物影响下Ca-P有一定量的释放,因此Ca-P在表层沉积物中呈下降趋势.

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The influence of Potamogeton malaianus community on sedimentary phosphorus fraction in different sites of Lake Taihu.

LI Zhen-guo1,2, WANG Guo-xiang1*, MA Jiu-yuan1,2, ZHANG Jia1, OU Yuan1(1.School of Geographical Science,Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China；2.Department of Geography, Science and Technology of Hunan University, Xiangtan 411201, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1872～1877

To understand the effect of the submerged macrophyte Potamogeton malaianus on the sedimentary phosphorus(P) fraction in Lake Taihu, China, various forms of P in P. malaianus vegetated and non-vegetated areas were quantified with the standard measurement and test (SMT) approach in surface sediments (0～40cm)from the northeast (Gonghu bay)and the south lake regions. Results showed that in Gonghu bay, Fe/Al-P in P. malaianus vegetated areas were significantly higher (P＜0.05)in comparison with the non-vegetated areas. However in the south lake, Fe/Al-P in the vegetated areas were significantly lower (P＜0.05)in comparison with the non-vegetated areas. OP in the vegetated areas were greatly decreased in comparison with the non-vegetated area in the south lake (P＜0.05). The effect of P. malaianus on the sedimentary Ca-P in Gonghu bay and the south lake was within 0～15cm. It is concluded that the submerged macrophyte P.malaianus has an clear effect on the retention of P nutrients.

phosphorus fraction；sediment；Potamogeton malaianus；Lake Taihu

X171

A

1000-6923(2014)07-1872-06

2013-10-28

国家自然科学基金项目(40873057);科技部国际合作专项资助(2010DFB33960);江苏省太湖水环境治理专项基金项目(TH2011207)

* 责任作者, 教授, wangguoxiang@njnu.edu.cn

李振国(1980-),男,山东临清人,讲师,博士研究生,主要从事水环境演变与生态修复相关研究.