退化滨海湿地沉积物中磷形态含量特征及影响因素

李学平+邹美玲+任加云

摘要：研究黄河三角洲退化滨海湿地沉积物中磷形态含量特征及温度、pH值、上覆水理化性质对湿地沉积物磷形态含量的影响。结果表明，退化滨海湿地沉积物中不同形态磷中铁结合磷（Fe-P）含量最大，达971.7 mg/kg，闭蓄态磷（O-P）含量最小，为195.6 mg/kg。Fe-P、铝结合磷（Al-P）、钙结合磷（Ca-P）、O-P平均含量分别683.7、401.0、331.6、288.0 mg/kg。当温度<20 ℃时，Fe-P含量随温度升高而增大，当温度>20 ℃时，Fe-P含量随温度升高而下降；Al-P含量随温度升高逐渐增大；O-P含量随温度的升高先下降后增大。Fe-P含量随着pH值的增大逐渐降低，pH值>9时，pH值对Fe-P含量的影响不大；Al-P、Ca-P含量均随pH值的升高先减小后增大。另外，有机质与O-P含量存在正相关关系（r=0.895），溶氧量与Al-P含量存在正相关关系（r=0.940）。

关键词：沉积物；磷；含量；退化滨海湿地；形态特征；影响因素

中图分类号： X171.4；S156.4 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）09-0469-03

湿地的运行由于受污染物负荷、自身内部结构等因素的影响，对磷的拦截去除效果并不稳定[1-2]，而且不同湿地类型沉积物磷形态的分布特征也不同。对南四湖微山湖区沉积物磷形态进行研究发现，闭蓄态磷（O-P，396.79 mg/kg）的含量最高，并随着土层深度增大逐渐降低；相反，铝结合磷（Al-P）含量仅有4.08 mg/kg，且随着土层深度增大而增大[3]。对九龙江口滨海湿地的研究结果表明，生物可利用磷含量占总磷（TP）含量的59.46%[4]。同一湿地（如天鹅湖）不同区域沉积物中总磷和各形态磷的含量差异也较大，外源污染和沉积物颗粒组成是影响其分布的主要因子，其中无机磷含量占总磷含量的42.24%～82.04%[5]。黄河三角洲季节性泛洪湿地在60～80 cm土层，春季TP含量（959.9 g/m2）明显低于秋季（1 124.6 g/m2），随着土层增深，TP含量下降，但在土层40～80 cm之间有1～2个磷积累量高峰[6]。影响沉积物中磷释放的因素包括内在和外在2类因素，内在因素包括磷的含量和组合形态、氧化还原电位、沉积物组成等；外在因素包括pH值、上覆水的性质、磷的浓度、温度、溶氧量、生物作用、扰动等[7]。

黄河三角洲地区现有盐碱类湿地15万hm2，部分湿地土壤退化和盐碱化严重，导致湿地蓄洪防旱和净化水质功能大大下降。目前，对于退化滨海盐碱化湿地磷形态特征了解甚少。因此，研究退化滨海盐碱化湿地沉积物中磷形态含量特征，并分析外在因子对沉积物磷形态的影响，这对退化湿地的修复具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黄河三角洲腹地的滨州沾化县北约10 km处的重度退化滨海盐碱芦苇湿地（图1），试验地面积为1 hm2，水溶性总盐含量0.9%～2.4%，pH值平均为7.9，该区域属东亚温暖带潮湿大陆季风性气候，年平均气温12.5 ℃，年平均降水量约584 mm，年蒸发量1 800～2 000 mm。目前，该试验区挺水植物主要为芦苇。

1.2 样品的预处理

所研究的湿地位于滨州市，沉积物样品均取底泥表面5～10 cm部分，装入塑料袋后带回实验室，将采集的泥样在自然条件下风干，采用四分法取样研磨并通过100目的尼龙筛，处理后的样品保存于封口袋中备用。

1.3 方法

1.3.1 沉积物磷形态分析方法 利用SMT法测定沉积物中的铁结合磷（Fe-P）、Al-P、钙结合磷（Ca-P）和O-P的含量[8]。

1.3.2 温度控制试验 将样品放入恒温培养箱中，分别设置8、15、20、25 ℃ 等4种温度，按照前面的方法测定磷含量。

1.3.3 pH值控制试验 使用0.1 mol/L硫酸和氢氧化钠溶液控制pH值，分别将土样置于pH值为3.0、5.0、7.0、9.0、11.0中模拟pH值的影响。

1.3.4 其他指标的测定方法 使用碘量法测定上覆水中的溶氧量，使用比色法测定有机质含量。

2 结果与分析

2.1 沉积物中磷形态含量特征

该湿地沉积物中总磷含量较大，采样点3水藻较多，总磷含量最大，为2010.5 mg/kg（表1）。从平均值来看，铁结合磷含量占总磷含量的绝大部分，约为34.1%，钙结合磷、铝结合磷、闭蓄态磷分别占总磷含量的16.5%、20.0%、14.4%。铁结合磷在采样点3达到最大值，为971.7 mg/kg；采样点2闭蓄态磷含量最小，为195.6 mg/kg。Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P平均含量分别683.7、401.0、331.6、288.0 mg/kg，各磷形态含量从大到小依次为Fe-P>Al-P>Ca-P>O-P。

2.2 沉积物中Fe-P含量特征

Fe-P含量的变化范围为201.2～971.7 mg/kg（表1），变化范围较大，这与各采样点的环境和理化性质有关。Fe-P含量的最小值出现在采样点6，为201.2 mg/kg，因为采样点6底泥为黄色，经常受到水流冲击，导致磷不易积累。最大值出现在采样点3，为971.7 mg/kg，因为采样点3水藻较多，使得溶氧量非常小，Fe-P的吸附积累就多。采样点2、4等2点含量相对少于采样点1，因为采样点1、3、5上覆水波动小，水动力作用较小，较有利于Fe-P的积累。

2.3 沉积物中Al-P含量特征

Al-P含量的变化范围是285.4～586.4 mg/kg，起伏较大（表1）。采样点5的Al-P含量达到最大值，为586.4 mg/kg，因为采样点5底泥酸性较大，微生物的代谢作用产生的CO2较少，有利于其积累。采样点2含量最小，为285.4 mg/kg，因为采样点2底泥偏中性，不利于Al-P的积累。采样点1、3、4、6的Al-P含量分别为401.2、478.6、349.7、304.4 mg/kg，采样点1、3的Al-P含量比较大，因为采样点1、3本身水藻较多，磷浓度基数比较大；其余2点理化性质较稳定，Al-P含量较稳定。

2.4 沉积物中Ca-P含量特征

沉积物中Ca-P含量相对较少，范围是231.4～416.2 mg/kg（表1）。Ca-P含量最小值出现在采样点6，为231.4 mg/kg，因为采样点6底泥偏中性，不利于沉积物中Ca-P 积累；最大值出现在采样点5，为416.2 mg/kg，因为采样点5底泥酸性较大，其中微生物代谢产生的CO2少，有利于Ca-P的积累。采样点3的Ca-P含量为412.1 mg/kg，比较大是因为采样点3沉积物表层水藻多，磷浓度基数大。

2.5 沉积物中O-P含量特征

采样点1的O-P含量达到最大值（表1），为348.5 mg/kg，因为采样点1底泥成黑色，受污染较多，O-P含量相对较多；采样点2的O-P含量最小，为195.6 mg/kg，因为采样点2受风力扰动和水的搅动作用较大，不利于O-P的积累；其余各点的O-P含量相当，受多种因素影响较小。

2.6 沉积物磷形态含量的影响因素

2.6.1 温度对磷形态含量的影响

Fe-P含量随温度的增大而先增大后下降，且变化趋势较大（图2）。当温度为8、15、20、25 ℃时，其含量分别为568.5、689.3、925.4、635.4 mg/kg。温度<20 ℃时，Fe-P含量随温度升高而增大，温度升高有利于Fe-P在沉积物中的积累；当温度为20 ℃ 时，Fe-P含量为925.4 mg/kg，达到最大值；温度>20 ℃ 时，Fe-P含量随温度升高而下降。Al-P含量随温度增大逐渐增大，因为温度引起溶氧量变化增大其积累，但变化趋势较小，变化范围为320.3～423.5 mg/kg。当温度为20 ℃时，Al-P含量为423.5 mg/kg；而后温度>20 ℃时，Al-P 含量变化趋于缓和，此时底泥中的光合细菌使得CO2增多，减缓Al-P的释放。Ca-P含量的变化曲线趋于平稳，波动很小，说明温度变化对两者含量的变化影响较小。O-P含量随温度的增大而先下降后增大，这是因为Fe-P、Al-P与O-P之间相互转化，Fe-P、Al-P含量增大，则O-P含量降低；Fe-P、Al-P含量下降，则O-P含量增大。

2.6.2 pH值对磷形态含量的影响

Fe-P含量随着pH值的增大逐渐降低，最终趋于平衡（图3），变化范围在755.4～880.0 mg/kg之间。当pH值=3时，Fe-P含量达到最大值，为880 mg/kg；当pH值3～9时，Fe-P含量随pH值的增大而下降，且趋势较大，因为pH值铁络合胶体与非晶体磷交换作用增大，Fe-P积累较少；当pH值=9时，Fe-P含量为756.9 mg/kg；当pH值>9时，Fe-P含量随着pH值的增大而趋于缓和，波动不大，说明pH值>9时pH值对Fe-P含量的影响不大。Al-P、Ca-P含量随pH值的增大先下降后增大，当pH值<7时，两者含量均下降，因为在酸性条件下，微生物代谢产生的CO2减少了Al-P和Ca-P的积累；当pH值=7时，Al-P、Ca-P含量分别为285.4、270.6 mg/kg；当pH值>7时，两者含量又逐渐增大，因为在碱性条件下，水中的OH-与沉积物胶体中的阴离子相互竞争吸附位，增加Al-P 和Ca-P的积累。O-P含量随pH值的增大逐渐增大，但趋势较小，因为Fe-P、Al-P、Ca-P要转化为O-P。

2.6.3 沉积物上覆水的理化性质对磷形态的影响

沉积物中4种磷形态和上覆水的有机质含量与溶氧量有一定的相关性（表2）。其中，有机质含量和O-P含量存在显著正相关关系（r=0.895），因为O-P必须依靠有机质才能存在，所以有机质含量决定了O-P的含量。溶氧量与Al-P含量存在显著正相关的关系（r=0.940），这是因为溶氧量使得OH-与铝中的PO3-4发生交换，使得Al-P含量逐渐得到积累。

3 结论

沉积物中总磷含量较大，最大值为2 119.1 mg/kg，平均值为2 005.2 mg/kg。Fe-P含量的平均值为683.7 mg/kg，Ca-P 含量的平均值为331.6 mg/kg，Al-P含量的平均值为401.0 mg/kg，无机磷含量的平均值为426.1 mg/kg，铁结合磷占总磷的34.1%。Fe-P含量随pH值的增大而减少，Al-P、Ca-P含量随pH值的增大先下降，当pH值>7后再增加，O-P含量随着pH值的增大而逐渐增加。Fe-P含量随温度的增加而先增加后下降，Al-P含量随温度增加逐渐增加，温度变化对Ca-P含量影响不大，O-P含量随温度的升高先下降后增加。上覆水的理化性质对磷形态含量有影响，有机质含量和O-P含量存在显著的正相关关系（r=0.895），溶氧量与Al-P含量存在显著的正相关关系（r=0.940）。

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