1 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)工農業(yè)的快速發(fā)展，由人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的大量生活和工業(yè)廢水進(jìn)入河流，引起水體富營(yíng)養化及周期性缺氧現象.沉積物是磷的重要源與匯，更是吸附/解析和遷移轉化的重要發(fā)生地，進(jìn)而影響其生物地球化學(xué)過(guò)程.沉積物中磷的賦存形態(tài)影響其相互轉化、釋放速率、生物有效性以及沉積物-水界面間交換，進(jìn)而影響著(zhù)水體中磷含量水平.侯立軍等(2006)研究長(cháng)江口沙洲表層沉積物，發(fā)現弱吸附態(tài)磷、NaOH-P和OP具有潛在的生物有效性.沉積物-水界面磷的交換通量不僅受沉積物組分影響，還受水體中pH、溶解氧和鹽度影響.近年來(lái)，關(guān)于沉積物-水界面磷的交換通量的研究主要集中在河口地區，且交換通量具有空間差異性.Clavero等(2000)利用Fick′s第一定律和現場(chǎng)觀(guān)測法研究西班牙Palmones河口磷的界面擴散通量，發(fā)現該通量隨溫度的升高而增加.張斌亮等(2003)也用Fick′s第一定律估算了上海潮灘沉積物-水界面間營(yíng)養物質(zhì)的擴散通量，無(wú)機磷的平均擴散通量為-0.53 μg·cm-2·d-1.張亞昆等(2013)研究了黃河下游沉積物-水界面間磷酸鹽的交換通量，發(fā)現上覆水磷主要來(lái)自沉積物.沉積物在吸附外源磷的同時(shí)也伴隨著(zhù)內源磷的釋放，且內源磷負荷對入庫總量的貢獻率占27.9%.因此，研究沉積物中磷的賦存形態(tài)及空間分布對分析磷的來(lái)源及評估水體環(huán)境質(zhì)量具有重要意義.
河口區作為海陸交互地帶，在物質(zhì)、能量輸入及轉換過(guò)程中扮演著(zhù)重要的角色.有研究表明，90%以上的磷通過(guò)河流攜帶進(jìn)入河口環(huán)境中.目前，國外已對河口沉積物中磷的賦存形態(tài)進(jìn)行了大量研究，均取得了較好的研究成果.Van der Zee等(2007)報道不同磷形態(tài)由淡水潮區到靠岸帶發(fā)生變化，以及顆粒態(tài)磷影響著(zhù)磷酸鹽通量.Monbet等(2009)研究得出Tamar河口沉積物中可酶解磷含量為1.1~15 μg·L-1，其含量變化受鹽度影響較小，而主要決定于河口物質(zhì)來(lái)源.Coelho等(2004)研究了沉積物中NaOH-P、HCl-P和OP的賦存形態(tài)及其相互轉化，并揭示了鹽度梯度和鹽沼植被對磷形態(tài)的影響.國內對沉積物中磷形態(tài)的研究多集中河口、海洋和湖泊河流).縱觀(guān)長(cháng)江口關(guān)于磷的研究，主要集中于潮灘或沙洲沉積物，且以OP、HCl-P和IP為主，而對長(cháng)江口及其鄰近海域沉積物磷的賦存形態(tài)及其影響因子的研究鮮有報道.因此，本文研究長(cháng)江口及其鄰近海域沉積物磷形態(tài)、含量及空間分布，并探討了各形態(tài)磷的含量分布的影響因子，以期為河口地區水體富營(yíng)養化認識提供理論依據.
2 材料與方法
2.1 研究區簡(jiǎn)況
長(cháng)江口位于北緯30.87°~31.77°，東經(jīng)121.08°~122.58°，水深5.60~22.60 m.該地區屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度15.2~16.0 ℃，年平均降水量1030 mm.該區流系被長(cháng)江淡水和黃海沿岸流、東海沿岸流以及臺灣暖流所控制，水流強弱不同導致夏季沿東南方向輸送營(yíng)養鹽和和顆粒物，冬季沉積物懸浮向南輸移(楊作升和陳曉輝，2007).水體輸送的營(yíng)養鹽中，以硝態(tài)氮為主，且洪季含量高于枯季;磷酸鹽濃度接近國家一類(lèi)標準，二者枯洪季含量均是由口內向口外近海處降低(周俊麗等，2006).長(cháng)江口為中等強度潮汐型河口，地形地貌復雜，三級分汊四口入海，對河口入海泥沙的空間分布影響很大，年入海徑流量約為9.0 x 1011 m3，年輸沙總量4.86×108 t，季節分配較為集中，洪季輸沙量占全年的87.2%(陳吉余和張重樂(lè )，1987)，同時(shí)給入海沿岸處帶來(lái)了豐富的營(yíng)養鹽和有機質(zhì).鹽度變化由于分漢道入海徑流量不同而有所差異(陳吉余和張重樂(lè )，1987).
2.2 樣品采集
沉積物樣品采自長(cháng)江口及其鄰近海域.根據其自然環(huán)境狀況差異性，選取所示16個(gè)采樣點(diǎn)(如圖 1)，其中S1、S3、S4、S5、S8位于河口區，其余點(diǎn)S2、S6、S7、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15和S16選于近海區，采樣點(diǎn)經(jīng)緯度采用GPS確定.于2013年7月和2014年1月分別在各站點(diǎn)處利用箱式采泥器采集，然后用有機玻璃柱采集表層(0~5 cm)沉積物放入干凈的密封聚乙烯袋中，每個(gè)樣點(diǎn)均采集3個(gè)平行樣混合后作為該樣點(diǎn)的代表樣，于4 ℃冰箱保存帶回實(shí)驗室.沉積物樣品一部分立即測定堿性磷酸酶活性，另一部分將其冷凍干燥后研磨過(guò)100目篩，裝于密封袋中用于磷形態(tài)與理化性質(zhì)的測定.采用氣密型水體采樣器采集沉積物上覆水，用于水體環(huán)境指標分析.
圖 1
圖 1 長(cháng)江口及其鄰近海域沉積物采樣點(diǎn)分布圖
2.3 測定方法
沉積物中磷的各種形態(tài)測定采用歐洲標準委員會(huì )推薦的SMT(Ruban et al.，1999; Ruban et al.，2001)化學(xué)連續提取法，測定了沉積物中的TP、IP、OP、NaOH-P和HCl-P，采用鉬銻抗還原光度法測定不同形態(tài)磷的含量，每種形態(tài)均做3個(gè)平行樣，取其平均值.
堿性磷酸酶活性(APA)的測定采用苯磷酸二鈉法，具體步驟為：稱(chēng)5 g鮮土置于200 mL三角瓶中，加2.5 mL甲苯，輕搖15 min后，加入20 mL 0.5%磷酸苯二鈉(用硼酸鹽緩沖液配制)，仔細搖勻后放入恒溫箱，37 ℃下培養24 h.然后在培養液加入100 mL 0.3%硫酸鋁溶液并過(guò)濾.吸取3 mL濾液于50 mL比色管中，每支比色管中加入5 mL硼酸緩沖液和4滴氯代二溴對苯醌亞胺試劑，顯色后稀釋至刻度，30 min后，于分光光度計上波長(cháng)660 nm處測定.
沉積物總有機碳(TOC)和總氮(TN)使用1 mol·L-1鹽酸去除碳酸鈣后，用碳氮元素分析儀測定(Elementar analyzer vario MaxCN，Germany).上覆水pH采用PHS-3C型pH計測定，上覆水鹽度用YSI-30便攜式鹽度計測定.沉積物粒度用激光粒度儀(LS13 320，美國)測定，測量范圍0.04~2000 μm，測量誤差小于±1%.粒徑大小分級采用國際通用標準，分為粘粒(<3.9 μm)、粉砂(3.9~63 μm)和砂粒(>63 μm)(侯俊等，2013).含水率的測定采用失重法，將沉積物放于105 ℃溫度下烘至恒重.
2.4 數據處理
數據分析采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件進(jìn)行，顯著(zhù)性差異用單因素方差(ANOVA)分析，采用LSD檢驗(p<0.05).相關(guān)性采用Pearson相關(guān)性分析，確定沉積物磷形態(tài)與理化性質(zhì)之間的相互關(guān)系.空間分布圖采用ArcGIS10.1軟件繪制.
3 結果與分析
3.1 沉積物和上覆水理化性質(zhì)
沉積物和上覆水的理化性質(zhì)見(jiàn)表 1.上覆水pH變化范圍為7.8~8.85，冬夏季平均值分別8.35、8.13，呈堿性.夏季，沉積物以粉砂為主，且占全部粒徑的61.26%，粘粒和砂粒所占比例分別為25.66%和13.02%;冬季沉積物以砂粒為主，占粒徑的47.88%，粉砂和粘粒次之，分別為37.98%和14.11%.沉積物中TOC與TN在兩個(gè)季節含量分別相差不大，TOC、TN夏冬季平均值分別為4.74、3.98、0.40、0.34 mg·g-1.上覆水鹽度夏季平均值是15.51‰，小于冬季的32.54.
表 1 沉積物和上覆水理化性質(zhì)
3.2 沉積物磷含量的時(shí)空變化
3.2.1 沉積物中TP含量與分布特征
由表 2可知，沉積物TP含量在夏冬季分別為476.91~934.02 μg·g-1、565.01~980.04 μg·g-1，平均值夏季小于冬季，含量高于珠江口濕地沉積物(340~581 μg·g-1)(岳維忠等，2007)，冬季含量高于閩江口濕地沉積物(607.91~807.60 μg·g-1)(胡敏杰等，2014)，具有潛在富營(yíng)養化風(fēng)險.由圖 2可知，不同采樣點(diǎn)TP含量差異很大且同一采樣點(diǎn)在不同季節含量差異也很大.夏季含量由咸水端到淡水端呈現先降低后升高的趨勢，可能是由于夏季陸源營(yíng)養鹽、有機質(zhì)等的輸入是TP的主要來(lái)源;冬季則呈現先升高后降低的趨勢，可能與水動(dòng)力作用加劇有關(guān).
表 2 沉積物中磷形態(tài)的含量變化
圖 2
圖 2 沉積物中總磷含量空間分布圖
3.2.2 沉積物中IP含量與分布特征
IP冬夏季含量分別為480.89~844.86 μg·g-1、421.67~832.03 μg·g-1，約占總磷含量的85%左右，是影響TP變化趨勢的主要部分.IP主要包括NaOH-P、HCl-P兩種賦存形態(tài)，這兩種磷形態(tài)含量平均值在冬夏季均呈現HCl-P>NaOH-P，表明HCl-P是影響IP變化的主要因素.相關(guān)性分析表明，IP與TP呈極顯著(zhù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01).IP冬夏季空間分布與TP相似，高值點(diǎn)基本一致.
表 2表明，NaOH-P在夏季、冬季含量分別是4.17~27.02 μg·g-1、8.29~52.76 μg·g-1，占IP的平均值分別為2.1%、3.2%，夏季所占比例較小可能與夏季水體耗氧較多有關(guān)，弱還原條件有利于NaOH-P向上覆水體中釋放.空間分布上，NaOH-P含量在冬夏兩季由咸水端到淡水端呈現增高的趨勢.HCl-P含量在夏季、冬季分別是186.88~368.48 μg·g-1、306.97~431.69 μg·g-1，占IP的平均值分別為43%、59.5%，是IP的主要成分，顯示了亞熱帶海相沉積物的特點(diǎn)(劉敏等，2000).由空間分布圖 3可知，HCl-P冬季含量明顯大于夏季且冬季淡水端含量較高.
圖 3
圖 3 沉積物中IP、NaOH-P、HCl-P含量空間分布圖
3.2.3 沉積物中OP含量與分布特征
由表 2可知，OP在夏季含量是15.84~138.92 μg·g-1，占TP含量的的平均值為9.8%，冬季是36.02~139.21 μg·g-1，占TP12.1%，遠低于IP占TP比例，原因是OP只有在有機質(zhì)礦化時(shí)才會(huì )被釋放.OP空間分布夏季無(wú)明顯規律性，冬季在咸水端含量較高.
圖 4
圖 4 沉積物中OP含量的空間分布
3.3 長(cháng)江口沉積物堿性磷酸酶的時(shí)空變化
沉積物中堿性磷酸酶(APA)介于26.85~112.82 μg·h-1之間，夏冬季平均值分別為83.25 μg·g-1·h-1、59.21 μg·g-1·h-1.由圖 5可知，各采樣點(diǎn)APA夏季均大于冬季.研究表明，夏季溫度高酶活性大，冬季溫度低酶活性低(周禮愷，1987; Wilczek et al.，2005)，溫度升高可以增加酶與基質(zhì)間親附性，酶的催化速率提高(Chróst et al.，1993);另外，微生物新陳代謝速率會(huì )隨溫度升高而增大進(jìn)而使微生物產(chǎn)生更多酶(Wallenstein et al.，2011)，因此研究區APA呈現出明顯的季節變化.空間分布上，可以看出淡水端APA較大，說(shuō)明APA與污染物陸源輸入關(guān)系密切(章婷曦等，2007)，沿岸營(yíng)養物質(zhì)輸入越多，有機磷或可酶解磷的含量增加越多，誘使APA越大，這種機制被稱(chēng)為底物誘導機制(劉存歧等，2007).因此，APA在一定程度上可以作為沉積物污染程度的指標(黃睿智等，2013).由相關(guān)性分析可知，APA僅在冬季與OP呈顯著(zhù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與其它形態(tài)的磷相關(guān)性較差.
圖 5
圖 5 沉積物中APA的時(shí)空分布
4 討論
4.1 沉積物中各形態(tài)磷主要影響因素
沉積物磷含量、賦存形態(tài)與空間分布是多個(gè)影響因子綜合作用的結果，包括環(huán)境因子(沉積物組成、水動(dòng)力等)及人類(lèi)活動(dòng)影響.長(cháng)江口濱岸潮灘及岸帶沉積物以HCl-P為主要賦存形態(tài)(劉敏等，2001; 侯立軍，2001; 高效江等，2003)，印度的西南岸河口(Aaronson et al.，1976)、中國的海河(韓璐等，2010)以HCl-P為主，而中國巢湖受面源污染為主，西半湖NaOH-P含量大于東半湖，東西半湖HCl-P含量相當(徐康等，2011)，太湖嚴重富營(yíng)養化區以NaOH-P為主，中富營(yíng)養化區部分NaOH-P含量高，部分HCl-P含量高(金相燦等，2004)，不同地區磷賦存形態(tài)差異可能與沉積物類(lèi)型和化學(xué)組成、有機質(zhì)含量、pH值、氧化還原電位及沉積物-水界面間氧氣的含量等環(huán)境因素有關(guān)(Frankowski et al.，2002).由表 3可知，pH、粒徑、TOC、TN、鹽度、APA等環(huán)境因子均對磷形態(tài)的含量分布產(chǎn)生一定的影響，而且在不同季節影響不同.
表 3 沉積物中各形態(tài)磷與理化性質(zhì)相關(guān)性
粒度是影響沉積物中磷含量的一個(gè)重要因素.一般來(lái)說(shuō)，沉積物粒徑越小，顆粒比表面積就越大，對磷的吸附力就越強(劉敏等，2001)，沉積物中賦存的磷就越多.本文中冬季沉積物TP與粒徑相關(guān)性較好，而夏季相關(guān)性不明顯.冬季IP粘粒和粉砂均呈顯著(zhù)負相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與砂粒呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(p<0.01).IP中NaOH-P與粒徑無(wú)顯著(zhù)相關(guān)性.HCl-P與粒徑在冬夏季相關(guān)性都不大，但是表現出了隨粒徑增大而含量增多的趨勢，可能的原因是HCl-P主要成分是難溶的碳酸鈣礦物，這些礦物多在沉積物成巖初期形成，比較穩定，尤其在堿性環(huán)境中更難溶解，所以HCl-P多趨向砂粒中分布.而OP在夏冬季分別與粘粒呈顯著(zhù)p<0.05)、極顯著(zhù)(p<0.01)正相關(guān)關(guān)系，與粉砂冬季呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，體現了細顆粒比表面積大、吸附力強的特性(劉敏等，2001).這與上述一般規律有差異，可能的原因是其它環(huán)境影響因子(有機質(zhì)含量、沉積物-水界面氧含量等)共同作用且影響程度大小不同導致了細顆粒對不同形態(tài)磷的吸附差異.
pH對沉積物中磷的影響機理非常復雜，劉敏等(2002)在研究長(cháng)江口潮灘沉積物的過(guò)程中得出pH對磷吸附影響為“U”型，而Zhou(2005)對太湖沉積物研究后發(fā)現pH對磷吸附的影響呈倒“U”型，安敏(2009)在對海河沉積物磷的吸附解吸研究中得出pH對沉積物中磷吸附影響為“U”型，而對磷解析影響是正相關(guān)關(guān)系.上述研究都是基于等溫基礎上，通過(guò)研究磷的吸附解吸進(jìn)而決定了磷的最終賦存量.在本研究中，冬夏兩季pH值均約為8，呈微堿性，這有利于OH-與被束縛的PO43-競爭吸附于沉積物的活性電位上，致使PO43-被釋放出，進(jìn)而NaOH-P、HCl-P含量減少.夏季pH均值稍小于冬季，磷酸鹽溶解度大于冬季.
由相關(guān)性分析可知，本文APA與TP、IP夏冬季分別呈正負相關(guān)性，與沉積物OP在夏季呈顯著(zhù)正相關(guān)(p<0.05).這與劉存歧(2007)、姜經(jīng)梅(2011)等研究所得結果不一致，劉認為APA與沉積物TP呈顯著(zhù)正相關(guān)而與溶解性IP呈顯著(zhù)負相關(guān);姜研究得出APA與沉積物中TP、IP和OP均顯著(zhù)正相關(guān).另外有研究表明，APA與OP關(guān)系比較復雜.薛雄志(1995)認為，若沉積物OP被ALP酶解產(chǎn)生的IP被沉積物中生物所利用，則APA與OP含量正相關(guān);若沉積物OP經(jīng)APA作用后產(chǎn)生的IP向上進(jìn)到上覆水中，則APA與OP含量呈負相關(guān)性.黃邦欽(1999)則指出，溶解IP和小分子溶解OP濃度是影響APA變化的主要因子，表現為當溶解IP或小分子溶解OP幾乎被耗盡時(shí)，APA躍至高值.因此，APA與顆粒態(tài)或溶解態(tài)磷的關(guān)系具有不確定性，可能與生物作用、沉積理化條件以及營(yíng)養鹽含量大小有關(guān).
此外，TOC、鹽度也會(huì )對磷賦存形態(tài)及含量產(chǎn)生影響.OP與TOC在夏季呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與TOC冬季正相關(guān)性也較好.細顆粒對有機質(zhì)吸附性強，TOC可以表征有機質(zhì)的量(康勤書(shū)等，2003)，故細顆粒對TOC吸附性強.除OP外，鹽度與磷形態(tài)均呈負相關(guān)關(guān)系，在冬季與IP、NaOH-P表現出顯著(zhù)性(p<0.05)，說(shuō)明鹽度對其釋放有一定限制作用，而與OP呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，OP解析量隨鹽度遞增.TP、IP與TOC、TN相關(guān)性不顯著(zhù)可能與水動(dòng)力、環(huán)境介質(zhì)條件以及生物作用有關(guān).
4.2 沉積物中生物有效磷
有研究指出，沉積物中生物有效磷(沉積物中能以溶解態(tài)磷酸鹽釋放，并被藻類(lèi)吸收利用的磷)主要來(lái)自IP，其中NaOH-P中的Fe結合態(tài)磷易受沉積環(huán)境影響，沉積環(huán)境趨于還原狀況，則結合態(tài)磷發(fā)生還原釋放出正磷酸鹽，補充生物有效磷，是潛在的生物可利用磷(Bai et al.，2009; 侯立軍等，2006).HCl-P在堿性條件下較穩定，難以轉化為正磷酸鹽，幾乎對上覆水磷酸鹽濃度變化不起作用(金曉丹等，2015).OP較穩定地蓄積在沉積物中，對生物有效磷貢獻較小.但是，當沉積物中IP被藻類(lèi)等浮游生物過(guò)量消耗時(shí)，OP可水解成為生物有效磷，起著(zhù)重要的補充作用(熊強等，2014).因此，NaOH-P與OP之和可估算出沉積物中生物有效磷含量，粗略計算出沉積物中潛在的可釋放磷的上限，為判斷水體富營(yíng)養化及治理提供依據(Sonzogni et al.，1982; Rubna et al.，1999; De Jonge et al.，1993).通過(guò)對磷賦存形態(tài)分析，發(fā)現研究地區生物有效磷含量約為75.67~108.9 μg·g-1，平均占TP的13.02%，僅是沉積磷庫中的一小部分，這部分磷在復雜的生物地球化學(xué)過(guò)程中還會(huì )再生活化，從而對水體富營(yíng)養化、水域生態(tài)平衡產(chǎn)生不同程度的影響.
4.3 國內外不同水體沉積物中TP含量
近年來(lái)，自然環(huán)境中沉積物磷的研究成果多有報道，主要集中在河流、海洋、湖泊等水域，河流又分為河口、潮灘、沙洲、上下游等不同研究域，豐富了磷的基礎數據資料.與其他水體沉積物磷含量相比，本研究地區TP含量處于高水平(表 4).加拿大安大略省制定的環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標準規定能引起最低級別生態(tài)風(fēng)險效應的TP含量為600 μg·g-1(Leivuori and Niemist，1995)，本研究區域夏冬季TP含量平均值分別為667.81 μg·g-1、740.74 μg·g-1，均大于600 μg·g-1，說(shuō)明研究區中大部分TP含量已超標，具有潛在生態(tài)風(fēng)險性.從沉積物類(lèi)型來(lái)看，TP平均含量明顯呈現湖泊>河口>海洋和濱海(表 4).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
表 4 不同水體沉積物中TP含量
5 結論
1)夏季長(cháng)江口及鄰近海域底部沉積物中TP含量變化范圍是476.91~934.02 μg·g-1，冬季變化于565.01~980.04 μg·g-1之間，夏季各賦存形態(tài)磷含量均小于冬季.冬夏季IP都是TP的主要賦存形態(tài)，平均約占TP的85%.IP中，又以HCl-P為主，占到IP的42%以上.
2)空間分布上，夏季TP含量由咸水端到淡水端呈現先降低后升高的趨勢，冬季則呈現先升高后降低的趨勢.IP冬夏季空間分布與TP相似;NaOH-P含量在冬夏兩季由咸水端到淡水端均呈現增高的趨勢;HCl-P在冬季淡水端含量較高.OP在夏季無(wú)明顯分布規律，冬季在咸水端含量較高.
3)相關(guān)分析表明，沉積物中磷的含量分布受沉積環(huán)境中多方面因素的影響，不同季節相關(guān)性大小不同.TP與環(huán)境因子相關(guān)性不明顯.IP在冬季與粒徑、鹽度呈顯著(zhù)相關(guān)性，隨粒徑增大含量增多，隨鹽度增大含量減少.NaOH-P在夏季隨粒徑增大含量減少，冬季相反，且冬季與鹽度呈顯著(zhù)負相關(guān)關(guān)系.HCl-P與粒徑、TOC、TN以及鹽度冬夏季相關(guān)性均較差.夏季OP與粘粒、TOC呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系;冬季，OP與粘粒呈極顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系，與粉砂、鹽度、APA呈顯著(zhù)正相關(guān)關(guān)系，而與砂粒呈顯著(zhù)負相關(guān)關(guān)系.
