北民湖沉积物氮、磷形态竖向分布研究

李必才，曾 淳，董 萌，宋娟娟，何连生，孟 睿

(1﹒湖南城市学院 材料与化学工程学院，湖南 益阳 413000；2﹒湘潭大学，湖南 湘潭 411105；3﹒中国环境科学研究院，北京 100012)

北民湖沉积物氮、磷形态竖向分布研究

李必才1，曾 淳2，董 萌1，宋娟娟1，何连生3*，孟 睿3

(1﹒湖南城市学院 材料与化学工程学院，湖南 益阳 413000；2﹒湘潭大学，湖南 湘潭 411105；3﹒中国环境科学研究院，北京 100012)

为了解养殖类湖区不同深度沉积物中氮、磷形态的分布状况，选取典型养殖湖区北民湖为研究对象，运用柱状取样法将沉积物进行分层，探讨不同深度沉积物中氮、磷形态的分布特征﹒结果显示：北民湖沉积物中有机氮为主要氮形态，约占TN的94.53%，无机磷为主要磷形态，约占TP的76.10%﹒无机磷中，又以Fe/Al-P含量相对最高，约为IP的66.05%，而Ca-P和OP含量均相对较低﹒沉积物中TN随沉积深度增加呈下降趋势，硝态氮随沉积深度的增加呈先下降后稳定的趋势，而氨氮呈先增大后减小的趋势；沉积物中TP、IP、Fe/Al-均随沉积深度增加呈明显下降趋势，而Ca-P、OP相对较为稳定．

北民湖；沉积物；氮磷形态；竖向分布

湖泊沉积物是湖泊生产系统的重要组成部分，是湖泊营养物质循环的中心环节，也是水土界面(物理的、化学的、生物的)积极交替带[1]﹒沉积物是氮、磷等生源要素的重要储存库[2]，氮作为水生生态系统的主要营养元素，被认为是水生生态系统初级生产力的关键性限制因子[3]，而磷同样是湖泊富营养化的主要限制性影响因子，不同形态氮、磷迁移释放行为和生物有效性等有着明显的差异﹒沉积物能间接的反映出水体污染情况，研究湖泊沉积物中氮、磷含量及分布特征对控制湖泊水体内源负荷和生态系统状况有重要指导意义[4]﹒

北民湖为典型的养殖湖区，从本质上说，湖泊水产养殖其实就是在湖泊生态系统原有的自然基础上增加了消费者(水产养殖物种)﹒对于湖区生态系统而言，其消费者的增加必然会带来难以预料的益处或害处[5]﹒在湖泊水产养殖过程中，影响湖泊水质状况的主要物质是过量饵料与动植物残体及其排泄物等，而有机物、氮、磷等营养物质导致了湖泊水质状况降低，进而引发湖泊富营养化[6]﹒高水平的湖泊营养状况导致蓝藻等浮游植物迅猛繁殖，水质持续恶化，阳光透过率下降，影响鱼类等水生生物的正常生长﹒

本文以北民湖为研究对象，利用彼得森采泥器获取沉积物柱状样，通过对北民湖不同沉积深度的氮、磷形态含量进行测定，分析其竖向分布特征，并探究其迁移转化过程以及其与湖泊富营养化关系﹒由此对北民湖的氮磷营养负荷贡献进行正确评估，可为湖泊生态系统的健康调控提供理论依据和技术支持﹒

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

图1 北民湖采样点分布图

2013年5月通过GPS定位的方式在北民湖选取2个取样点进行样品的采集，具体的取样点分布图见图1﹒其中，取样点1主要取表层水及表层沉积物；取样点2取完表层水后用彼得森采泥器钻取连续完整的柱状沉积物样品，按 1cm/层的厚度(共22层)进行现场分层后装于聚乙烯塑料封口袋中，排出空气，密封保存于低温保温箱中带回实验室分析﹒

首先，取出部分沉积物样品解冻，用离心机离心出沉积物间隙水，收集待测；然后，将离心过后的沉积物置于实验室通风处自然风干；最后，剔除其中的砾石和植物残体，用研钵研磨过 100目筛，分装至样品袋，封口，待测﹒

1.2 分析测定

沉积物总氮采用过硫酸钾消化法测定[1]；沉积物氨氮、硝态氮：采用氯化钾溶液浸提，纳氏试剂比色法和紫外分光光度法分别测定提取液氨氮和硝氮[1]﹒间隙水测定的指标为：总氮、氨氮、总磷，总氮采用碱性过硫酸钾消解法进行测定，氨氮采用纳氏试剂比色法进行测定，总磷采用过硫酸钾消解，钼锑抗比色法进行测定[7]﹒

磷形态的提取方法尚没完全统一，国外主要有Psenner法、SMT法等[8]，国内朱广伟等学者[9]对其进行了改进﹒本文采用SMT法[10]，包括铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙磷(Ca-P)、无机磷(IP)、有机磷(OP)和总磷(TP)﹒

1.3 数据分析方法

本实验所测定的数据采用 SPSS19.0和Origin7.5等软件进行分析﹒

2 结果与分析

2.1 沉积物氮形态含量及竖向分布特征

通过选取北民湖2个采样点0-44 cm的底泥，对其每2 cm为1层进行切分，并测定各层中各种氮、磷形态的含量﹒通过比较采样点底泥中不同深度氮、磷含量之间关系，从而了解北民湖底泥氮、磷形态竖向分布规律﹒根据137Cs计年标准[11]测定结果，近50 a来沉积物平均沉积速率为1.7 mm·a-1，0-44 cm厚度的底泥相当于近200 a来北民湖沉积物沉积厚度，其中每2 cm的底泥厚度可近似看成底泥每10 a的变化情况﹒

通过测定北民湖沉积物各氮形态的含量发现，氨氮和硝氮含量均远低于总氮的含量，这表明北民湖沉积物中氮形态主要以有机氮为主(有机氮的含量可近似看成总氮减去氨氮和硝氮的含量)，有机氮的含量约占TN含量的94.53%，这与很多湖区有机氮为沉积物中氮的主要存在形态的结论一致﹒

图2 北民湖底泥中氨氮、硝氮含量沿深度分布图

沉积物中氨氮、硝氮的变化规律见图2﹒由图2可知，沉积物中氨氮含量随着深度的增加总体呈先增加后降低的趋势，在10-11 cm处含量最高，达145.29 mg·kg-1﹒沉积物中氨氮是水体中的营养元素，可导致水体富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害作用﹒不同沉积物深度对应着相应历史年代，也就是说20世纪60年代以来氨氮含量逐年降低，减小了对湖泊富营养化的贡献﹒沉积物中硝氮的含量随着深度的增加呈逐渐降低的趋势﹒硝氮的含量在深度0-5 cm处下降趋势明显，5 cm之后沉积物中硝氮的含量变化较小，基本较为稳定﹒根据硝氮含量的竖向变化规律可以认为，20世纪80年代之前，北民湖受人为干扰较小，而近年来，硝氮含量不断升高，主要原因可能是随着鱼群养殖密度的增大，沉积物与水体交换的速率增加，部分水体中的氧溶解于沉积物中，引起沉积物中氧含量升高，为硝化细菌硝化作用提供了氧环境，从而引起沉积物中无机氮的形态以硝态氮为主﹒

通过测定沉积物中不同沉积深度总氮含量可知，北民湖沉积物中总氮的含量为 957.98 mg·kg-1-1 919.17 mg·kg-1，由图 3 北民湖中沉积物随深度分布图可知，随沉积深度增加基本呈明显下降趋势﹒沉积物总氮在0-2 cm处均有上升的趋势，2 cm以下随着深度的增加总体呈降低的趋势，趋势明显﹒主要原因可能是 2010年澧县北民湖湿地保护与恢复工程获批，为恢复北民湖湿地，限制了饵料的投加量及鱼群的养殖密度，控制了水体的外源污染，水体中氮浓度的降低引起沉积物质氮含量的下降﹒

图3 北民湖底泥中总氮含量沿深度分布图

2.2 沉积物磷形态含量及竖向分布特征

本文采用 SMT法对沉积物中磷形态分级连续浸提，分别提取了铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙氧化态磷(Ca-P)、无机磷(IP)、总磷(TP)﹒根据实验所得数据可知，无机磷是总磷的主要存在形态，约占TP的76.10%，有机磷含量较小，无机磷中又以Fe/Al-P含量最高，约占IP的66.05%﹒北民湖不同沉积深度磷形态竖向分布图见图4﹒

图4 北民湖底泥中总磷含量沿深度分布图

2.2.1 铁铝结合态磷(Fe/Al-P)

本文提取磷形态时并没有把Fe/P和Al-P分开提取，在分析时有一定影响﹒Fe-P是指与铁的氧化物或氢氧化物相结合的磷，但大多数情况下提取的Fe-P并不完全是铁结合态，还有一小部分与锰或其他金属化合物相结合的磷﹒Al-P主要是磷酸根离子与铝氧化物或氢氧化物相结合形成的，是较难被利用的一种磷[12]﹒

根据实验测得的沉积物不同沉积深度下Fe/Al-P含量见图4，由图4可知，Fe/Al-P含量随沉积物深度的增加而降低，下降幅度较大，1-2 cm处达到最大值，最大值为1 100.58 mg·kg-1，20-21 cm处时最小，最小值为129.68 mg·kg-1﹒Fe/Al-P是无机磷中主要存在形态，约占 IP的66.05%﹒由上部沉积物中 Fe/Al-P含量明显高于下部，表明近年来人为污染更严重，可以认为投加饵料和渔民生活废水的排入引起沉积物中Fe/Al-P含量的增加﹒

2.2.2 钙氧化态磷(Ca-P)

Ca-P的主要贡献者是各种难溶性的磷酸钙矿物﹒大多数研究指出，Ca-P是相对较稳定的磷，较难被生物利用，对水体富营养化贡献很小[13]﹒

从图4可知，沉积物中Ca-P的含量随深度的增加相对较稳定，含量为 112.71 mg·kg-1-355.19 mg·kg-1；沉积深度为5-6 cm时，Ca-P含量最高，为355.19 mg·kg-1；沉积深度为21-22 cm处，Ca-P含量最低，为112.71 mg·kg-1；沉积物深度为16-22 cm时，Ca-P含量呈下降趋势，但下降幅度较小，基本可以认为保持较为稳定的状态﹒通过上述分析，我们可以认为北民湖沉积物中Ca-P基本不发生迁移转化，对水体富营养化贡献较小﹒

2.2.3 总磷、无机磷、有机磷

总磷可分为有机磷(OP)和无机磷(IP)，由于有机磷难以测定，故采用W(OP)=W(TP)-W(IP)计算得有机磷含量，从所得数据来看，无机磷为总磷的主要存在形态，约占TP的76.10%，而有机磷含量较小﹒沉积物中TP、IP含量均随沉积深度的增加而减少，均呈明显下降趋势﹒TP含量为470.71 mg·kg-1-1 814.14 mg·kg-1之间，沉积深度为1-2 cm时含量达到最高，沉积深度为21-22 cm时含量最低﹒无机磷(IP)含量在279.05 mg·kg-1-1 453.64 mg·kg-1之间，沉积深度为1-2 cm时含量达到最高，沉积深度为21-22 cm时含量最低﹒有机磷(OP)含量在 191.66 mg·kg-1-367.80 mg·kg-1，相对较为稳定﹒

从北民湖沉积物各磷形态竖向分布图4可知，各磷形态含量的最大值基本在0-2 cm处，最小值基本在20-22 cm处，TP、IP、Fe/Al-P均随沉积物深度的增加呈明显的下降趋势，Ca-P、OP则相对比较稳定，均为沉积物中比较惰性的磷组分，受人为影响较小﹒由图4可知，IP在TP中所占比例很大，表明总磷含量由无机磷所控制，对湖泊富营养化起主要作用﹒Fe/Al-P是较为活跃的一种磷，是无机磷中的主要成分，可能主要来自人为污染﹒根据目前国内环境保护疏浚的一般要求，沉积物TP含量在500 mg·kg-1以上，该沉积物就被认为污染严重，可建议进行疏浚[4]﹒据此判断，目前北民湖沉积物污染程度较高，需制定相应的生态恢复方案，落实好各项改善湖泊环境的举措﹒

2.3 间隙水、沉积物氮磷形态的相关性分析

运用 SPSS19.0软件对北民湖沉积物氮磷形态含量进行相关性分析，结果见表1﹒由表可知间隙水中TN与沉积物中TN、硝氮具有极显著相关性，而与沉积物中氨氮相关性不高，可认为间隙水中氮含量的增加可能来自沉积物中氮的释放作用，而且沉积物释放至间隙水中的氮的形态主要以硝氮为主；间隙水中 TN还与沉积物中Fe/Al-P呈极显著相关，与Ca-P呈显著相关，这说明间隙水中总氮含量的增加主要来自于人为对水体的污染还有部分来自沉积物的释放﹒沉积物中氨氮与沉积物中TP、IP、Fe/Al-P、OP、TN均呈显著负相关，说明适当控制沉积物氨氮的含量可以控制沉积物中各种形态氮、磷含量的增加﹒

表1 北民湖间隙水、沉积物各氮磷形态相关性分析①

沉积物TN与沉积物各种形态的磷呈极显著正相关，与沉积物中氨氮呈显著负相关，这可以认为沉积物中总氮含量的升高主要来自于人为污染以及沉积物本身的释放作用；与沉积物硝氮呈极显著正相关，与沉积物氨氮含量呈显著负相关，说明沉积物中总氮含量的增加来自于硝氮含量的累积，沉积物微生物进行硝化作用的过程会降低沉积物中总氮含量﹒

沉积物中TP与IP、Fe/Al-P、Ca-P、OP均呈现极显著相关性，且IP相关系数最大，OP的相关系数相对较小，表明北民湖沉积物 TP的增加主要来源于无机磷中的Fe/Al-P和Ca-P，其次是有机磷﹒这充分说明沉积物中总磷含量的升高主要来自于人为活动的影响，可以归纳为在养殖过程中饵料的投加以及渔场附近居民生活的影响﹒沉积物中TP与沉积物中硝态氮呈极显著正相关，与沉积物中氨氮呈显著负相关，说明沉积物中氮、磷形态具有良好的同源性﹒

3 结论

(1)北民湖沉积物中有机氮为主要氮形态，在TN中占绝对优势，约为TN的94.53%﹒沉积物TN随沉积深度的增加呈下降趋势，硝氮呈先下降后稳定的趋势，而氨氮呈先增大后减小趋势﹒

(2)对北民湖沉积物磷形态进行分析，可知无机磷为主要磷形态，约为TP的76.10%，无机磷中Fe/Al-P含量相对最高，约为IP的66.05%，而Ca-P和OP含量则较低﹒沉积物中TP、IP、Fe/Al-P均随沉积深度的增加呈明显下降趋势，Ca-P、OP则相对较稳定﹒

(3)通过对北民湖间隙水、沉积物各氮磷形态进行相关性分析可知，北民湖沉积物 TP的增加主要来源于无机磷中的Fe/Al-P和Ca-P，其次是有机磷﹒

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(责任编校：陈健琼)

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

国家重大科技专项基金资助项目(2014ZX07504003)

李必才(1985-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，讲师，主要从事水体污染及生态修复研究，E-mail: libicai0327@163.com．

*通讯作者：何连生(1976-)，男，江苏镇江人，博士，研究员，主要从事水体污染及生态修复研究，E-mail: heliansheng08@126.com