东张水库消落带土壤和沉积物磷分布特征研究

陈文婷，林志蓉，苏玉萍,2，佘晨兴，郑璐薇，喻明惠 ，陈 峰，曾小妹

(1.福建师范大学环境与资源学院、碳中和现代产业学院，福建 福州 350007；
2.福建省河湖健康研究中心(福建师范大学)，福建 福州 350007；
3.福建省福州环境监测中心站，福建 福州350011；
4.华川技术有限公司，福建 福州 350008)

磷(P)是引起水体富营养化的主要营养物质之一.目前，水生生态系统中的一部分磷通常贮存在河(湖)底沉积物中，因此，当外源磷被控制后，内源磷的释放会导致水体中磷浓度居高不下[1]，为藻类的大量生长提供持续不断的营养.消落带作为外源污染的缓冲带，在“过滤”外源污染物，尤其是非点源产生的污染发挥着重要作用，同时它也是保证水库水质安全的最后一道屏障[2].虽然消落带与沉积物均扮演着“源”和“汇”的双重角色，但沉积物的迁移转化过程更为复杂，且对上覆水营养盐含量贡献更大[3-4].

值得注意的是，决定水体磷负荷的不是土壤和沉积物中总磷的含量，而是无机金属氧化物结合态磷和有机可还原态磷在环境中的转化机制[5].不同形态磷之间的转换是制约磷在土壤和沉积物-水界面迁移转化的关键因素[6-8].此外，消落带和沉积物中磷的形态对上覆水体富营养化的贡献，以及水中生物对磷的利用均有影响，即磷的赋存形态直接影响了其在环境中的作用机制[9].

水库是我国居民的饮用水源之一，然而近几年来水库富营养化问题日益严重[10].磷作为富营养化发生的限制因素之一，来源途径可分为点源污染和非点源污染.其中，农业面源作为非点源磷污染的来源之一[11]，消落带和沉积物分别作为农业面源污染物的截留带和储存库，在一定外界因素下，会向水体释放磷营养物质，导致水华现象的持续发生.本研究以福建省福清市东张水库为研究对象，分析了消落带土壤和沉积物的基本理化性质和各形态磷的含量，以期为东张水库非点源污染治理和水体富营养化防控提供参考.

图1 东张水库采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling points in Dongzhang Reservoir

1.1 研究区域与采样点布设

东张水库位于福建省福清市，是一座集灌溉、防洪、发电、养殖、旅游等功能的大(Ⅱ)型水库，设计库容约 2.06 亿m3，具有多年调节性能.作为福清市唯一饮用水源地，有着举足轻重的地位，库区水质执行地表水Ⅱ类标准.水体长期富营养化，部分水体出现“水华”现象[12].

2020年12月，对东张水库沿整个库区按网格布点法共布置14个采样点位，分别标记为消落带土壤样品L1、L2、L3、L4、L5；
沉积物样品S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9.采样点位分布如图1所示，采样点位经纬度数据如表1所示.

土壤样品的采集使用洛阳铲，按网格布点法在每个点位采集3个消落带土壤样品(0～20 cm)，置于密封袋中并贴好标签，土壤带回实验室后将同一点位的3个样品混合均匀后缩分至0.5 kg；
使用抓斗式采泥器采集沉积物样品，经冷冻干燥处理后，研磨过100目筛，密封储存于-20 °C冰箱中.

表1 东张水库采样点坐标Tab.1 The coordinates of sampling points in Dongzhang Reservoir

1.2 样品分析与测定

消落带土壤和沉积物中形态磷的提取采用Ruban等[6]在欧洲标准测试委员会框架下提出的标准测试程序(SMT)法，提取总磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷(Ca-P)，采用钼锑抗分光光度法进行测定.

消落带土壤和沉积物的pH采用电极法测定(水土质量比为2.5∶1)；
总铁(TFe)含量经石墨消解仪消解后采用火焰原子吸收光谱仪进行测定；
有机质(OM)含量采用550 ℃烧失量法测定，并根据以下公式对消落带土壤和沉积物中的有机质含量进行计算[13-14].

(1)

式中ωLOI为土壤烧失质量百分比；
m1为灼烧后空坩埚的质量(g)；
m2为灼烧后样品和坩埚的总质量(g)；
m3为灼烧前坩埚和干样的总质量(g)[14].

总有机碳(TOC)使用元素分析仪(Vario EL-Ⅲ Elemental Analyzer，德国元素公司)进行测定[15].将风干样品研磨后，经质量分数10%的盐酸溶液浸泡24 h去除碳酸盐，在浸泡过程中不断搅拌.完成后，离心弃去盐酸，使用去离子水进行多次混匀-离心-弃去的操作，直至洗涤液pH值为中性，40 ℃恒温干燥至恒质量，再经玛瑙研钵研磨，进行上机测定.

2.1 东张水库消落带土壤和沉积物的理化性质

东张水库消落带土壤和沉积物的理化性质测定结果如图2所示.由图2(a)可知，东张水库消落带土壤pH值在4.2～6.7，沉积物pH值在4.5～6.0，均为酸性.一方面，我国南方降水量大且集中，淋溶作用较强，使得钙、镁和钾等碱性盐基大量流失，土壤胶体的负电荷点被氢离子所占据，加上农业生产中大量使用氮肥料，这些现象均会加重土壤酸化[16]；
另一方面，如图2(b)所示，东张水库消落带土壤和沉积物中的有机质含量较高，有机质中含有较多的腐植酸，导致消落带土壤和沉积物pH值偏低.

如图2(b)所示，消落带土壤中的有机质含量在368.9～927.2 mg·kg-1，平均值为(627.5±221.1) mg·kg-1；
沉积物中的有机质含量在311.0～985.3 mg·kg-1，平均值为(680.9±202.1) mg·kg-1.东张水库枯水期消落带面积大、坡度较小，库区周边以农业种植为主.在耕种过程中，施用的农药、化肥以及消落带周边人类活动的干扰等,均会导致消落带土壤中有机质含量升高[17].另外，牛、羊等动物的排泄物经过矿化和腐殖化过程，转化成有机质储存在土壤中.研究表明，消落带土壤出露时间越长，其有机质的含量将越高[18].而沉积物中有机质含量较高的原因则可能与藻类、水生动植物和微生物等的死亡有关，动植物残体得不到及时清理，积累在沉积物中，此时沉积物若未得到及时清理，将导致沉积物中的有机质含量升高.

图2(c)显示，消落带土壤总铁(TFe)含量在19.6～37.4 mg·g-1，平均值为(29.9±6.5) mg·g-1.东张水库沉积物总铁含量在7.8～19.7 mg·g-1，平均值为(13.2±3.3) mg·g-1.消落带土壤中的总铁含量稍高于沉积物中总铁的含量.研究表明，总有机碳(TOC)是消落带土壤和沉积物中重要的组成成分之一，对土壤的性质和污染物在其迁移转化过程有较大的影响[19].图2(d)所示，消落带土壤的TOC在0.9%～5.4%，而沉积物的TOC范围在3.3%～15.5%.总体而言，沉积物中的TOC含量大于消落带土壤中的TOC含量.

图2 东张水库消落带土壤和沉积物的理化性质Fig.2 Physical and chemical properties of soil and sediment in water-level-fluctuation zone of Dongzhang Reservoir

2.2 消落带土壤和沉积物各形态磷含量

东张水库消落带土壤和沉积物中总磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、铁铝结合态磷(Fe/Al-P)以及钙结合态磷(Ca-P)的含量如图3和图4所示.

由图3和图4可知，消落带土壤TP含量在46.3～357.9 mg·kg-1，平均值为(216.9±108.0) mg·kg-1，消落带土壤各点位TP的变化趋势为L4>L5>L3>L1>L2.东张水库沉积物TP含量在184.5～1 348.8 mg·kg-1，平均值为(613.1±350.8) mg·kg-1，S6的TP含量最高，可能是水库的水流运动带动沉积物往大坝位置累积.同时由于大坝位置的水体流动性较差，使得营养盐等其他污染物在此长时间淤积，从而增加了沉积物中营养盐的负荷.从空间分布情况看，库区沉积物TP含量的变化趋势表现为大坝(S6)>库心(S8)>进口(S3)，说明东张水库沉积物中贮存着大量的污染物，在库区水流的作用下，随时间推移污染物将在靠近大坝的沉积物中越积越多.

本研究沉积物TP与国内其他地区水库、湖泊作比较，湖北省湖泊型香溪河库湾，因水文水动力的改变，使得污染物累积效应升高[20]，沉积物TP含量为677.9～1 638.6 mg·kg-1，平均含量为972.3 mg·kg-1，高于东张水库沉积物TP含量；
贵州省构皮滩电站因高浓度含磷地下水和地表水污染的双重影响[21]，沉积物TP含量为1 587.9～6 346.1 mg·kg-1，高于东张水库沉积物TP含量；
天津市于桥水库受到人类活动和河流外源性输入，沉积物TP含量为590.3～1 290.0 mg·kg-1[22]，平均含量为855.2 mg·kg-1，高于东张水库沉积物TP含量.与相邻地区水库、湖泊相比，低于西陂电站沉积物TP含量769.0～1 697.0 mg·kg-1[23]，平均含量为(1 029.6 ± 264.1) mg·kg-1，高于三十六脚湖沉积物TP含量24.4～563.9 mg·kg-1[24].综上所述，东张水库沉积物TP含量根据加拿大安大略省环境和能源部(1992)制定的沉积物质量评价标准，处于600 mg·kg-1以上[25]，属于最低级，沉积物已受到污染.与国内其他地区湖库相比，虽位于同等级，但沉积物TP含量相对较低；
与相邻地区湖库相比，TP含量处于高位值，富营养化问题突出.

图3 SMT法测得消落带土壤磷含量Fig.3 Phosphorus content in the soil of fluctuation zone measured by SMT method

图4 SMT法测得沉积物磷含量Fig.4 Phosphorus content in sediments measured by SMT method

IP是指吸附或沉积于土壤表面的溶解态磷酸盐及与部分金属化合物等结合后以不同形态存在的磷[17].本研究中，消落带土壤中IP含量在7.7～80.5 mg·kg-1，平均值为(42.6±30.2) mg·kg-1.沉积物中IP含量在108.3～494.7 mg·kg-1，平均值为(267.8±104.6) mg·kg-1.IP是土壤或沉积物中磷的主要存在形态之一，消落带土壤和沉积物中的IP分别占TP的19.8%和50.9%，由此可知沉积物中的TP以IP为主.

土壤中OP的含量约占TP的15%～80%，由磷酸肌醇、磷脂、核酸、磷蛋白和核糖酸及微生物态磷等组成，但大约只有50%的有机磷可被生物所利用[26].消落带土壤中OP的含量在31.3～188.9 mg·kg-1，平均值为(119.9±53.7) mg·kg-1.沉积物中OP的含量在61.8～245.7 mg·kg-1，平均值为(162.9±76.7) mg·kg-1.对比消落带土壤和沉积物中的OP含量可知，沉积物中OP的含量稍高于消落带土壤中OP的含量.此结果与王翀[27]的研究吻合.消落带土壤和沉积物样品中的OP含量较高表明，OP作为潜在的活性磷源，当消落带土壤再次被水淹时部分OP可能会通过土壤和沉积物-水界面产生的物质交换被再次活化，从而在不同程度上促进水体中浮游植物的生长，改变水体的营养状态[28].

Fe/Al-P是较容易释放到水体的生物可利用磷，主要来源于工业废水和生活污水，通常可作为判断土壤和沉积物污染程度的依据之一[29].东张水库消落带土壤中Fe/Al-P的含量在6.4～69.9 mg·kg-1，平均值为(37.9±27.2) mg·kg-1；
沉积物中Fe/Al-P的含量在96.1～420.8 mg·kg-1，平均值为(224.7±90.8) mg·kg-1.沉积物样品中Fe/Al-P含量远大于消落带，主要原因可能是东张水库作为一个老水库，库内的沉积物相当于一个巨大的储存库，进入库区水体的污染物经过迁移过程将大部分沉积在沉积物中[30].消落带土壤和沉积物样品中的Fe/Al-P作为一种污染指示物，相比于其他形态磷其活性较高，同样受人类活动的干扰[31]，容易从沉积物中以溶解态磷酸盐的形式释放出来被生物所利用，对水体富营养化具有潜在影响[32].

Ca-P作为活性较弱的一种形态磷，较难释放出来，也难以被生物利用，对上覆水磷营养盐的贡献较小[33].东张水库消落带土壤Ca-P含量在0.5～4.2 mg·kg-1，平均值为(2.0±1.2) mg·kg-1；
沉积物中Ca-P含量在10.0～41.3 mg·kg-1，平均值为(26.2±11.7) mg·kg-1.消落带土壤和沉积物样品中Ca-P含量占IP含量较低，分别为6.8%和10.1%.

东张水库消落带和沉积物中，OP分别占TP质量分数58.4%和28.4%，而Fe/Al-P占IP质量分数86.5%和84.0%，因OP和Fe/Al-P具有较大的释放潜能，说明东张水库消落带和沉积物均具有较大的释磷潜能.

2.3 消落带土壤和沉积物的理化性质与各形态磷的相关性分析

为了探究消落带土壤和沉积物中各形态磷的来源是否存在差异以及理化性质对各形态磷的影响，将东张水库消落带土壤和沉积物的基本理化性质与形态磷进行了相关性分析.由表2可知，消落带土壤和沉积物的pH与OM呈显著负相关，与其他形态磷无相关性.消落带土壤和沉积物中的TP、OP与OM含量均呈极显著正相关，本研究结果与王翀[27]相吻合；
消落带土壤和沉积物中的TOC含量与各形态磷之间均呈极显著正相关；
而TFe含量与Ca-P和IP呈显著负相关.

TP与各形态磷均呈极显著正相关.其中，Fe/Al-P与OM呈显著正相关，表明两者的来源一致，主要来源于生活污水、工业废水和农业面源污染.同时，OP和Fe/Al-P呈极显著正相关关系，这是因为在微生物的作用下OP矿化分解所释放出来的磷酸盐可能会与土壤和沉积物中活性Fe3+、Al3+和Ca2+三种离子结合，进而转化为Fe/Al-P和Ca-P[32].

表2 消落带土壤和沉积物形态磷与理化性质相关性分析Tab.2 Correlation analysis of phosphorus form and physicochemical properties in the soil and sediment of fluctuation zone

(1)东张水库消落带土壤的pH值在4.2～6.7，沉积物pH值在4.5～6.0，均为酸性；
消落带土壤OM含量在368.9～927.2 mg·kg-1，沉积物OM含量在311.0～985.3 mg·kg-1；
消落带土壤TFe含量在19.6～37.4 mg·g-1，沉积物TFe含量在7.8～19.7 mg·kg-1；
消落带土壤和沉积物中的TOC含量分别在0.9%～5.4%和3.3%～15.5%.消落带土壤TFe含量比较高，沉积物中的TOC含量相对较高.

(2)东张水库消落带土壤中，TP含量为46.3～357.9 mg·kg-1，Fe/Al-P含量为6.4～69.9 mg·kg-1，OP含量为31.3～188.9 mg·kg-1；
沉积物中，TP含量为184.5～1 348.8 mg·kg-1，Fe/Al-P含量为96.1～420.8 mg·kg-1，OP含量为61.8～245.7 mg·kg-1.总体来看，沉积物中总磷和各形态磷含量大于消落带土壤中的含量.

(3)东张水库消落带土壤和沉积物的基本理化性质与形态磷的相关性分析表明，消落带土壤和沉积物中的TOC与各形态磷均呈极显著正相关，TP与其他形态磷均呈极显著正相关，Fe/Al-P与OM呈显著正相关关系，且与TOC呈极显著正相关关系.

猜你喜欢 沉积物平均值水库 漳河有一水库群中国三峡(2022年6期)2022-11-30南海北部神狐海域不同粒级沉积物的地球化学特征及其物源指示意义❋中国海洋大学学报（自然科学版）(2022年10期)2022-09-30海南东寨港红树林湿地表层沉积物中汞的分布特征及富集因素分析安全与环境工程(2021年5期)2021-10-08中型水库的工程建设与管理探讨建材发展导向(2021年10期)2021-07-16水库建设对河流沉积物磷形态分布的影响：以澜沧江、怒江为例三峡大学学报(自然科学版)(2020年4期)2020-07-09空中有个隐形水库知识就是力量(2019年9期)2019-09-09巧用1mol物质作标准 快速确定混合物组成新课程·下旬(2018年7期)2018-01-19湖泊现代化沉积物中磷的地球化学作用及环境效应科学与财富(2017年3期)2017-03-15变力做功时运用F=F1+F2/2的条件文理导航(2015年14期)2015-05-22平面图形中构造调和平均值几例中学数学杂志(高中版)(2014年2期)2014-05-26

推荐访问:沉积物 水库 土壤