太湖西部沉积物磷形态剖面分布和成因分析

王一楷，李振国，陈志彪（1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201；2.福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建福州 350007；3.福建师范大学地理科学学院，福建福州350007）

太湖地处长江三角洲南翼，是我国第三大淡水湖泊，面积2 336 km2，平均水深2 m，最大水深不超过3 m，属大型浅水湖泊［1］。自20世纪80年代以来，太湖富营养化问题日益凸显［2］，造成湖泊水体生态平衡破坏，景观观赏价值下降或消失［3］。太湖位于我国北亚热带东部季风气候区，当夏季东南季风为主导风向时，湖泊表层的藻类水华等明显呈现自东南向西北逐渐增加的分布态势［4］，表层营养物在西北部湖区富集，该区富营养程度在整个湖区最高。2016年太湖湖体平均为轻度富营养状态，总磷为主要污染指标［5］。磷是湖泊富营养化的决定因素［6］。作为磷等营养物质的重要储积库，沉积物一方面作为“汇”聚集来自上覆水体中沉降、颗粒运移等多种途径带来的污染物［7］；另一方面，在特定的环境条件影响下，沉积物作为“源”可将污染物再次释放进入水体［8］，引起上覆水体的二次污染。

近年来，关于太湖沉积物和磷污染的研究主要集中在太湖全湖水体及表层沉积物磷空间分布特征高密度采样分析［9］，太湖流域湖泊、河流、水库等不同类型水体的沉积物碳氮磷分布与污染评价［10］等方面。姜霞等［11］对太湖沉积物氮磷吸附/解吸特征分析发现，总体上太湖沉积物是上覆水体营养盐的“源”；孙文佳等［12］对太湖西部入湖河口区表层沉积物磷素分布特征进行研究，结果表明各河流河口区总磷含量由南向北逐渐升高，无机磷为表层沉积物磷的主要存在形态。而对太湖西部沉积物磷污染特征进行垂向分析和对比的研究还较少，笔者通过测定分析太湖西部沉积物中的磷形态和空间分布特征，探讨太湖西部沉积物中磷的累积变化过程及可能的影响，以期为深入认识太湖富营养化问题提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

根据不同湖区的环境条件，选取3处有代表性的采样点，样点具体布设见图1，样点的地理位置和上覆水理化指标见表1。

图1 采样点位置示意Fig.1 Location of the sampling sites

表1 采样点位置和上覆水理化指标Table 1 The location of sampling sites and the physical and chemical indicators of overlying water

采样点T1位于北部竺山湖，该区域是一个半封闭湖湾，营养物质运输交换不畅，有太滆运河等入湖河流，是太湖水污染最为严重的区域［13］；采样点T2位于宜溧河河口，河流流经地区工农业发达，人口稠密，工农业废水和生活污水排放量大［14］，易造成外源污染；采样点T3位于湖区西南部，实地观测和卫星影像资料显示，周边为农业用地和零散的城镇建设用地，易受农业面源污染和城镇点源污染影响。

1.2 样品采集与分析

于2015年8月对研究区域进行现场观测和采样，使用9 cm口径的柱状采样器（HYDRO-BIOS，德国）采集沉积物样品，由于不同湖区沉积物底质存在差异，采样点T1、T2和T3分别采得55、32和49 cm深度的柱状沉积物样品，将采集的样品按照2 cm的间隔进行分层，用洁净的密封聚乙烯袋封装，避光保存。室内烘干后将贝壳残体、植物等杂质挑出，用玛瑙研钵充分研磨混匀，过0.149 mm孔径尼龙筛，封袋编号，置于阴凉干燥处待测。

磷形态的分类和测定使用RUBAN等［15］制定的淡水沉积物磷形态的标准测试程序SMT，无机磷的测定按照俞振飞等［16］改进的提取方法，操作步骤如图2所示。SMT方法将磷分为总磷（TP）、无机磷（IP）、有机磷（OP）、铁铝结合态磷（Fe/Al⁃P）和钙结合态磷（Ca⁃P）5种形态。磷的测定采用钼锑抗分光光度法，显色结束后使用可见分光光度计（VIS-722，上海佑科仪器仪表有限公司）读数。

研究选取采样点T1和T3的1～24层（0～48 cm）、采样点T2的1～14层（0～28 cm）作为研究对象。根据实测结果，沉积物样品分为表层部分（1～3层，0～6 cm）和中下层部分（4～14/24层，7～18/48 cm）。

图2 沉积物磷形态分类与测定Fig.2 Classification and measurement of phosphorus species

1.3 数据分析

实验数据和图表均在Excel 2013和SPSS 22.0软件中处理完成，采用Pearson相关分析法进行不同磷形态之间的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同磷形态的垂向变化特征

2.1.1 TP和IP在表层富集

TP和IP的垂向变化如图3～4所示，两者变化趋势有较好的一致性。采样点T1和T2的TP、IP含量均显示出由表层向下递减的特征，表层部分TP含量为 465.52～1 081.87 mg·kg-1，IP含量为 333.44～658.85 mg·kg-1，呈现典型的表层富集特征，随深度增加递减速率迅速下降，自20 cm处向下有缓慢回升的趋势；采样点T3的TP和IP含量自表层向下累积但整体上稳定，TP含量为442.55～603.34 mg·kg-1，IP含量为314.30～522.94 mg·kg-1。

图3 沉积物TP的垂向变化Fig.3 The vertical variation of TP of sediments

总体来看，在表层部分，采样点T3的TP和IP含量小于采样点T1和T2；在中下层部分，采样点T3的TP和IP含量大于采样点T1和T2。

图4 沉积物IP的垂向变化Fig.4 The vertical variation of IP of sediments

2.1.2 OP含量低且变化稳定

由图5可见，采样点T1、T2和T3的OP含量呈现自表层向下递减的趋势，采样点T2、T3的OP含量在垂向分布上存在显著差异（P＜0.05），其他采样点之间OP含量无显著差异（P＞0.05）。表层OP含量较高，采样点T1第1层（0～2 cm）OP含量达最高值193.33 mg·kg-1，其余各层的 OP 含量为 44.03～151.22 mg·kg-1；中下层OP含量极低，且基本稳定在9.57～126.33 mg·kg-1之间，平均值为38.43 mg·kg-1。

2.1.3 Fe/Al⁃P含量垂向变化大

由图6可见，采样点T1、T2和T3的Fe/Al⁃P含量均呈现自表层向下迅速递减的趋势，中下层含量较为稳定，采样点T2和T3的Fe/Al⁃P含量在垂向分布上存在显著差异（P＜0.05），其余采样点间Fe/Al⁃P含量在垂向分布上无显著差异（P＞0.05）。0～20 cm深度采样点T1和T2的Fe/Al⁃P含量高于采样点T3；下部20～48 cm深度3个采样点的Fe/Al⁃P含量相近，为58.11～91.42 mg·kg-1。

2.1.4 Ca⁃P含量呈“S”形变化

由图7可见，采样点T1和T2的Ca⁃P含量在表层呈向下递减趋势，在6～20 cm深度含量稳定，自20 cm向下Ca⁃P含量开始迅速回升，甚至超过表层，呈“S”形变化，显示出表层富集、中部转化、底部积累的特征。

图5 沉积物OP的垂向变化Fig.5 The vertical variation of OP of sediments

图6 沉积物Fe/Al‐P的垂向变化Fig.6 The vertical variation of Fe/Al‐P of sediments

采样点T3的Ca⁃P含量呈现自表层向下递增的趋势，显示出底部积累的特征。在绝对磷含量上，采样点T2的表层部分Ca⁃P含量最高，最大值为347.07 mg·kg-1，采样点T3的表层部分Ca⁃P含量最低，最大值为210.4 mg·kg-1；中下层的柱样中，采样点T3的Ca⁃P含量（358.56～455.03 mg·kg-1）高于T1（167.91～337.85 mg·kg-1）。

图7 沉积物Ca‐P含量的垂向变化Fig.7 The vertical variation of Ca‐P of sediments

2.2 各形态磷占总磷含量的比例分布

如图8所示，沉积物中的Fe/Al⁃P含量占TP含量 的 10.83%～40.39%，Ca⁃P 含 量占 TP 含量 的26.88%～77.19%，OP含量占 TP含量的 2.56%～25.73%。从总体上看，3个采样点各形态磷占TP的比例分布表现为 Ca⁃P＞Fe/Al⁃P＞OP。自表层向下，沉积物中Ca⁃P所占比例逐渐增加，Fe/Al⁃P所占比例相对稳定且略有下降，OP所占比例逐渐降低。

图8 不同形态磷含量占总磷比例的垂向分布Fig.8 The proportions of various phosphorus forms to TP at different sampling sites

2.3 各形态磷之间的相关关系

受沉积物性质、水环境条件、生物作用和人类活动等因素影响，沉积物中不同形态磷的质量比存在差异［17］。分析沉积物中不同形态磷的相关关系，可为磷形态的转化、迁移规律分析提供依据。采样点T1、T2和T3各形态磷含量之间的相关关系如表2所示。

表2 沉积物中各形态磷含量之间的相关系数Table 2 The correlation of the contents of various phos‐phorus forms in sediments

采样点T1和T2中，TP和IP含量相关性最强（P＜0.01），TP和OP、TP和Fe/Al⁃P、TP和Ca⁃P、IP和Fe/Al⁃P、IP和OP、IP和Ca⁃P、Fe/Al⁃P和OP含量具有显著相关性（P＜0.05或P＜0.01）；采样点T3中，IP和Ca⁃P、IP和OP、Fe/Al⁃P和OP、TP和IP、TP和Ca⁃P含量具有显著相关性（P＜0.01）。

3 讨论

3.1 外源输入与内源释放影响磷污染演变

根据沉积物中TP含量将污染程度分为3级：＞1 300 mg·kg-1为重污染水平，500～1 300 mg·kg-1为中度污染水平，＜500 mg·kg-1为轻度污染水平［18］。根据实测结果，表层部分采样点T1和T2为中度污染水平，采样点T3为轻度污染水平；中下部采样点T1和T2为轻度污染水平，采样点T3上升为中度污染水平，这与袁和忠等［9］和孙文佳等［12］的研究结果相似。采样点T1和T2表层沉积物磷含量大于中下部历史时期沉积物磷含量，表明近期的外源磷污染输入较历史时期有所上升；采样点T3表层磷含量小于中下部历史时期沉积物磷含量，表明近期外源磷污染输入较历史时期有所下降。但沉积物是磷营养盐的“源”和“汇”，当外源输入得到控制时，内源释放仍会减弱富营养化治理效果［19］，采样点T3沉积物中下层的TP含量在3个采样点中最高，应注意监测、防范内源释放造成的磷污染。

3.2 OP影响湖泊富营养化进程

OP由水生生物遗体组成的可降解磷部分和陆源排放物质组成的难降解部分组成［20］。其中部分OP通过化学和生物转化作用释放进入上覆水而被生物利用，从而对湖泊富营养化进程产生影响［21］，采样点T1、T2和T3的OP含量呈现表层富集特征，使得直接和上覆水体接触的表层沉积物中磷元素更容易释放进入水体，影响湖泊富营养化进程；同时，陈豁然等［22］对磷形态的研究表明，可降解OP部分能够在早期成岩过程中被释放或向其他结合态磷转化，采样点T1、T2和T3的OP含量呈现自表层向下逐层递减的趋势，说明笔者的研究结论与其一致。

3.3 Fe/Al‐P是湖区磷污染的重要指示

Fe/Al⁃P主要指由Fe、Al等氧化物和氢氧化物所吸附的磷，这部分磷主要来自于人类活动排放的生活、工业污水［17］，因此可以将其作为湖区磷污染的重要指示之一。3个采样点的Fe/Al⁃P含量呈现自表层向下递减的趋势，采样点T1、T2表层和中下层Fe/Al⁃P含量都大于T3，表明太湖西部近期人类活动造成的磷污染在加重。杨文斌等［23］对太湖沉积物铁形态分布特征的研究表明，采样点T1所在湖区沉积物总铁含量偏高，这有助于磷的吸附；但由于铁存在氧化还原平衡，沉积物中的三价铁还原为二价铁时，结合的磷会随着二价铁的溶出再次释放到水体中［24］，这与该研究中Fe/Al⁃P含量呈现自表层向下递减的趋势吻合。

3.4 Ca‐P的内源释放风险需要防范

3个采样点沉积物中IP含量占TP含量的主要部分，Ca⁃P又是IP的主要形态，这与袁和忠等［25］对太湖不同湖区、冀峰等［17］对太湖流域农村黑臭河、金晓丹等［26］对长江河口水库沉积物中磷形态的研究结果一致。Ca⁃P主要是由变质岩或岩浆岩碎屑态磷灰石等陆源输入形成的一种沉积磷［27］，在沉积物中主要以难溶性磷酸盐的形式存在，因此对底泥向水体释放的促进作用较小，也很难被生物利用［20］。在代表近段时期的表层沉积物中，采样点T1和T2的Ca⁃P含量自表层向下递减，表明外源输入有增强的趋势，采样点T3则相反；在代表历史时期的中下层沉积物中，采样点T1和T2的Ca⁃P含量绝对值低于T3，且3个样点呈向下递增趋势，表明采样点T3受陆源输入的影响较大，主要来源可能是岸边农田灌溉的面源污染和生活污水的点源污染，活性钙通过化学沉淀吸附反应可以吸附水体中的磷［23］，因此自沉积物表层向下Ca⁃P含量呈现累积趋势，内源释放风险也逐渐减小，这有助于降低湖泊富营养化的内源释放风险。但近年来也有研究表明，成团泛菌与巨大芽孢杆菌等微生物作用于碎屑磷灰石，会使之释放出Ca⁃P和稀土元素［28］。代丹［29］对太湖藻华暴发期间孔隙水Ca2+特征进行分析，发现采样点T1上覆水中Ca2+浓度低于T3，采样点T3底层孔隙水Ca2+浓度高于表层，采样点T1表层孔隙水Ca2+浓度高于底层，该特征与采样点T1和T3处沉积物中Ca⁃P含量变化规律一致。未来需要进一步深入研究Ca⁃P的内源释放风险，对沉积物中Ca⁃P含量较高的湖区应加强内源释放风险防范。

4 结论

（1）太湖西部沉积物磷含量在垂直方向上整体显示出表层富集的特性，表明近段时期以来的人类活动导致研究区域沉积物磷含量累积；其中西南部受近岸外源输入的影响，Ca⁃P不断累积且在TP和IP中占比很高，该区域Ca⁃P、TP和IP含量呈现自表层向下累积的特征；OP含量虽然相对较低，但容易释放进入上覆水而被生物利用，从而对湖泊富营养化进程产生影响；受盛行风向、湖区位置、周边环境影响，太湖西北部磷污染水平整体上高于西南部。

（2）在沉积物各形态磷中，IP是TP的主要组成部分，Ca⁃P是IP的主要组成部分。由于沉积物中活性钙对水体中磷的吸收转化，自表层向下Ca⁃P所占比例逐渐增加，表明表层沉积物磷的释放风险大于底层。

（3）各形态磷中TP和IP含量相关性最强，其中又以TP和Fe/Al⁃P的相关性最强，表明沉积物中磷含量上升和人类活动排放的生活、工业污水等关系密切，即人类活动造成的外源污染是沉积物中磷污染的主要来源。