长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系

长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环一、本文概述Overview of this article本文旨在深入探讨长江中下游地区浅水湖泊生源要素的生物地球化学循环。

长江中下游地区作为中国的重要经济和文化中心，其浅水湖泊生态系统对于区域生态环境和经济发展具有至关重要的影响。

本文将对这一区域内浅水湖泊中的生源要素（如碳、氮、磷等）的生物地球化学循环过程进行系统的阐述和分析。

This article aims to explore in depth the biogeochemical cycles of biogenic elements in shallow lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River. As an important economic and cultural center of China, the shallow lake ecosystem in the middle and lower reaches of the Yangtze River has a crucial impact on the regional ecological environment and economic development. This article will systematically elaborate and analyze the biogeochemical cycling process of biogenic elements (such as carbon, nitrogen, phosphorus, etc.) inshallow lakes in this region.我们将概述长江中下游地区浅水湖泊的基本特征，包括湖泊的水文条件、生态环境和生源要素的分布状况。

在此基础上，我们将深入探讨这些湖泊中生源要素的生物地球化学循环过程，包括生源要素的输入、转化、输出和积累等关键环节。

J. Lake Sci.(湖泊科学), 2008, 20(3): 263-270. E-mail: jlakes@©2008 by Journal of Lake Sciences长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系*张路, 范成新, 王建军, 陈宇炜, 姜加虎(中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008)摘 要: 运用聚类分析、主成分分析和相关矩阵的统计分析手段, 对长江中下游湖群共18个湖泊的沉积物氮磷释放风险以及湖泊沉积物、间隙水和上覆水中氮磷形态以及其他相关地球化学参数进行分析. 草型和藻型湖泊的环境差异是造成氮磷释放风险的主要原因. 氮磷释放风险与铁磷、藻类可利用磷、总氮、总磷、上覆水氮磷含量、间隙水氮含量、孔隙度和有机质含量间的关系最为密切. 决定磷酸盐释放风险的主要形态磷是藻类可利用磷和铁磷, 其他形态磷或者含量较低或者不易被转化释放, 对磷酸盐释放风险影响较小. 有机磷含量对磷的释放风险没有直接决定作用, 但它与有机质含量间呈显著正相关.关键词: 沉积物; 氮磷; 营养盐形态; 释放风险; 湖泊Nitrogen and phosphorus forms and release risks of lake sediments from the middle and lower reaches of the Yangtze RiverZHANG Lu, FAN Chengxin, WANG Jianjun, CHEN Yuwei & JIANG Jiahu(State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P.R.China)Abstract: Cluster analysis, principal component analysis and correlation matrix analysis were used to analysis the nitrogen and phosphorus release risks from sediments in 18 lakes located in the middle and lower reaches of the Yangtze River, as well as the nitrogen and phosphorus forms and related geochemical parameters from sediments, pore waters and overlying waters. The ecological difference of macrophyte and algae dominated lakes was the main reason of the difference of nitrogen and phosphorus release. The release risks were well correlated with the iron-bound phosphorus (FeP), algae available phosphorus (AAP), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) in sediment, the content of nitrogen and phosphorus in overlying and pore waters, porosity and organic matter content of surficial sediment. The AAP and FeP was the main phosphorus forms deciding the phosphorus release risk and other forms were in less effect on it due to the lower contents or lower transformation ability. The sediment organic phosphorus was not directly related to the phosphorus release risks but remarkably positively correlated to organic matter contents in sediment.Keywords: Sediment; nitrogen and phosphorus; nutrients form; release risk; lake沉积物是湖泊及其流域中营养盐及其他污染物的重要归宿和蓄积库. 沉积物中蕴藏的营养盐可以在一定的环境条件下向上覆水体释放. 这种潜在释放能力的大小主要取决于湖泊沉积物及其上覆水体的物理化学和生物特性的改变. 在湖泊底泥营养盐释放风险的研究中, 沉积物的物理和化学的特性(包括其含量和地球化学形态)是影响沉积物中氮磷营养要素迁移、转化以及生态效应的重要参数.长江中下游有许多由长江洪泛和自然演化形成的湖泊, 其中大于1km2的650多个湖泊中大部分属于浅水湖泊. 这些湖泊目前普遍受到了湖泊水质恶化, 富营养化程度加重的影响, 其生态环境和社会经济效益严重受损. 对浅水湖泊而言, 由于其更复杂的生态类型, 更加频繁的水土界面营养盐交换以及更易受动力作用的影响, 沉积物中营养盐含量和形态的差异对与水土界面交换和上覆水的营养盐含量影响机制更加复杂[1-2]. 虽然湖泊沉积物氮磷形态, 间隙水氮磷含量与潜在释放之间的关系已有一些研究[3-7], 但仍然缺乏较*科技部基础性工作专项(2006FY110600)和国家自然科学基金项目(40501064, 40730528)联合资助. 2006-10-26收稿;2007-12-24收修改稿. 张路, 男, 1975年生, 博士, 副研究员; E-mail: luzhang@.J. Lake Sci .(湖泊科学), 2008, 20(3)264大量样本的系统综合分析. 本文从沉积物营养盐形态与释放风险之间关系的角度, 对长江中下游地区的若干浅水湖泊进行了分类定量探讨, 尤其是对比了草、藻型两类湖泊之间释放风险的差异, 与目前仅为单一湖泊的相关研究相比, 更能揭示湖泊氮磷形态以及相应的地球化学参数对营养盐释放风险的影响规律.1 湖泊背景及样点选择在长江中下游湖群选取18个不同环境类型、不同沉积物及水体营养盐负荷的湖泊(图1). 其中, 洞庭湖、鄱阳湖及洪湖的采样点在湖区中位置如图1所示, 由于这3个湖泊面积较大, 其样点仅代表采样湖区的情况. 其余湖泊的样点一般选择在湖泊中心区. 16个湖泊中, 共有6个湖泊(样点湖区)未见水草, 其中洞庭湖和鄱阳湖未见水草可能是由于采样点区域为砂性沉积物, 且水深较深, 水草无法生长所致. 而另外四个湖泊: 武山湖、八里湖、菜子湖和东湖也未见水草. 其余12个湖泊均有不同程度的水草生长. 表1显示了这些研究湖泊的一些环境参数和采样点位置.表1 18个研究湖泊位置及基本状况*Tab. 1 Location and basic status of 18 analyzed lakes上覆水(mg/L)湖名 地点 东经 北纬 样点水深(m)透明度(cm )水草状况*PO 43- NH 4+西凉子湖湖北咸宁 29°55′31″ 114°07′52″ 1.3 130 1 0.021 0.568 保安湖 黄石大冶 30°17′22″ 114°43′20″ 2.1 200 1 0.002 0.129 洞庭湖 湖南岳阳 29°21′33″ 113°03′17″ 0.9 50 0 0.034 0.161 大官湖 宿松县 30°1′8″ 116°22′51″ 1.4 20 1 0.008 0.378 鄱阳湖 九江星子县29°26′30″ 116°2′21″ 3.2 50 0 0.007 0.157 鲁湖 咸宁北 30°13′50″ 114°10′59″ 2.1 85 1 0.008 0.174 梁子湖 湖北鄂州 30°14′9″ 114°36′57″ 2.0 160 1 0.010 0.449 泊湖 宿松县 30°10′33″ 116°22′45″ 2.0 30 1 0.007 0.190 洪湖 洪湖市区 29°45′53″ 113°22′37″ 1.5 150 1 0.008 0.235 石塘湖 安徽安庆 30°37′41.8″ 117°5′50.4″ 1.1 60 1 0.006 0.295 西武昌湖 安庆怀宁县30°15′36.7″ 116°4′47.8″ 1.1 60 1 0.004 0.397 策湖 黄冈地区 30°15′24″ 115°08′45″ 1.5 80 1 0.102 0.776 太白湖 宿松县 29°58′11″ 115°49′15″ 2.1 50 1 0.011 1.289 武山湖 黄冈地区 29°53′45″ 115°35′38″ 1.8 65 0 0.208 3.648 大冶湖 黄石大冶 30°5′39″ 114°59′34″ 1.0 70 1 0.028 0.582 八里湖 九江市郊 29°41′13″ 115°56′34″ 2.7 50 0 0.013 0.211 菜子湖 安徽桐城 30°50′9″ 117°2′ 7″ 1.0 15 0 0.017 0.438 东湖武汉市区30°33′16″ 114°23′38″ 3.8 80 00.037 0.734* 1表示样点附近肉眼可见水草; 0表示肉眼不可见水草.图1 长江中下游湖群及样点示意图Fig.1 Sketch map of sampling locations along the middle and lower reaches of the Yangtze River张 路等: 长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系2652 研究方法2.1 沉积物释放实验对柱状沉积物进行原柱样控温培养, 获得沉积物的氮磷营养盐释放速率[8]. 释放速率flux 按下式计算[8]:n011a 1()()/n j-j-j flux V C C V C C S t =⎡⎤=−+−⋅⎢⎥⎣⎦∑其中, flux 为释放速度(mg/(m 2·d)); V 为柱中上覆水体积(L); C n 、C 0、C j -1为第n 次、0次(即初始)和j -１次采样时某物质含量(mg/L); C a 为添加水样中的物质含量(mg/L); Ｖj -1为第j -1次采样体积(L); S 为柱样中水－沉积物接触面积(m 2); t 为释放时间(d). 所计算的NH 4+和PO 43-潜在释放均为3d 平均表观释放速率, 分别以小写参数符号的形式表示为nflux 和pflux (下同). 2.2 表层沉积物生物地球化学参数沉积物释放实验结束后, 将沉积物柱样按1cm 厚度分层. 取10g 左右的表层沉积物进行以下分析: 形态磷[9]: 利用连续提取法, 对沉积物中的形态磷进行分级提取. 由于闭蓄态磷在生物地球化学循环中参与磷的短时相的交换转化的可能性非常小, 虽进行了提取, 但数据相关分析时未予考虑. 因此主要考虑了如下五种形态磷: 铁结合态磷(fep , mg/kg)、可交换态磷(lp , mg/kg)、铝结合态磷(alp , mg/kg)、钙结合态磷(cap , mg/kg)、有机磷(orgp , mg/kg).对沉积物样品同时测定: 藻类可利用磷[10], 即利用碱性提取法, 对沉积物中可潜在供藻类利用的磷量(aap , mg/kg)进行分析. 利用强酸消解法测定沉积物中的总磷(tp , mg/kg)、总氮(tn , mg/kg); 用高温灼烧法测定有机质含量(以烧失量计, 表示为loi , %); 105℃下烘干法测定沉积物孔隙度(por , %). 2.3 上层间隙水生物地球化学参数将分层的表层沉积物样进行离心和过滤, 获取间隙水, 立即测定间隙水中酸碱度(ph ); 利用比色分析法测定溶解性磷酸盐(po4p )、溶解性氨态氮(nh4p ); 利用总有机碳分析仪(1020A)同步测定了间隙水中溶解性总有机碳(toc )和溶解性总无机碳(tic ). 2.4 湖泊水体基本参数湖水透明度(以透明度盘深度Secchi Depth 表示, sd , cm); 用比色分析法测定溶解性磷酸盐(po4w , mg/L)、溶解性氨态氮(nh4w , mg/L); 电导率仪测定水体中的电导率(ec , µs/cm). 另外, 考察了采样点有无水草(plant , 有水草赋值为1, 无水草赋值为0).3 结果3.1 营养盐及释放风险的地球化学参数聚类分析将18个长江中下游湖泊的生物地球化学特征参数分为4类: 1)表层沉积物: lp , alp , cap, orgp , fep , aap , tp , tn , loi , por ; 2)上层间隙水: ph , po4p , nh4p , toc , tic ; 3)水土界面营养盐潜在释放: pflux , nflux ; 4)湖泊水体基本参数: sd , po4w , nh4w , ec , plant . 从生物地球化学角度出发, 这22个参数都是与营养盐在水土界面上的潜在释放风险和沉积物的营养盐含量、形态和转化相关联的参数. 将参数值构建成一个22×18(参数×样点数)的矩阵, 并对其进行聚类分析(组间均值联接法, SPSS 10.0). 在聚类分析中, 未将采样点有无水草(plant )作为系统变量, 以排除该变量对聚类分析可能产生的影响.聚类分析结果(图2)显示: 这18个湖可以分成具有显著差异的两组(组1和组2), 而组2又可以分为较小差异的两组(组3和组4). 在对湖泊分组的生物地球化学意义进行讨论时我们发现, 组1的4个湖泊: 武山湖、八里湖、菜籽湖和东湖所在样点都未见水草生长. 在全部18个研究湖泊中, 未观察到有水草存在的湖泊共有6个(表1), 除了组1表示的4个无水生植被的湖泊外, 洞庭湖和鄱阳湖在采样点附近区域也未观察到水生植被. 但是, 考虑到洞庭湖和鄱阳湖的采样点没有水草可能与砂性底质和水深有关, 因此, 可以认为组1代表的是没有水草生长的藻型湖泊, 其显著特点是沉积物总磷和藻类可利用磷含量均较高, 属于高营养本底的湖泊. 而组2分为组3和组4, 其中组3有6个湖泊: 泊湖、大冶湖、太白湖、西凉子湖、鲁湖和洪湖, 组4有8个湖泊: 石塘湖、策湖、大官湖、鄱阳湖、梁子J. Lake Sci.(湖泊科学), 2008, 20(3) 266湖、西武昌湖、保安湖、洞庭湖. 该组除洞庭湖和鄱阳湖未见水草外, 其余湖泊为草型湖泊, 且沉积物的营养本底较底.图2 组间均值联接聚类分析法系统树Fig.2 Systematic tree of between group linkage cluster analysis3.2 潜在释放与沉积物、间隙水和上覆水氮磷含量氮磷潜在释放均以沉积物高氮磷营养本底的武山湖为最高, 同样该湖泊沉积物间隙水中的可溶性氮磷含量也相对较高. 同时由于沉积物的潜在释放导致该湖泊的上覆水溶解性氮磷含量在18个湖泊中最高(图3). 从图3中看出, 组1四个湖泊的沉积物总磷和总氮含量平均值为1187mg/kg和2286mg/kg. 与此相比较, 组3组4共14个湖泊沉积物的总磷和总氮含量平均值仅分别为625mg/kg和1122mg/kg. 由于沉积物中的氮磷首先要转化成间隙水中的可溶性氮磷才能在浓度梯度或者动力作用下向上覆水方向移动, 形成潜在释放, 介于沉积物和上覆水之间的媒介－间隙水的含量就非常重要. 从结果看, 组1湖泊的间隙水中溶解性氮磷平均含量分别为4.23mg/kg和0.02mg/kg, 而组3和组4的湖泊为1.84mg/kg和0.02mg/kg. 由于组1湖泊的沉积物和间隙水氮磷含量均高于组3和组4, 因此可以预计组1湖泊的氮磷潜在释放可能高于组3和组4. 实验结果证实了这样的猜测: 组1四个湖泊的磷酸盐和氨态氮的潜在释放速率平均为0.41mg/(m2·d)和13.2mg/(m2·d), 显著高于组3和组4的0.18mg/(m2·d)和3.33mg/(m2·d). 因此, 从这个结果可以直观地认为沉积物氮磷含量与氮磷潜在释放间有一定的对应关系.3.3 湖泊磷释放与磷含量结果按聚类分析结果, 将18个湖泊分为三组. 图4显示了各湖泊组磷释放风险与沉积物中fep、aap、tp 以及间隙水磷po4p、上覆水磷po4w的比较结果. 四个藻型湖泊的磷释放通量高于组3和组4, 组3和组4的释放风险中值相近, 但组3各湖泊的释放风险差异大于组4. fep含量结果为组1>组3>组4, 但组1四个湖泊含量差异较大. aap和tp含量规律类似与fep. 但组1的数据分离度小于fep. 上覆水磷酸盐含量各组间差异并不显著, 但间隙水中磷酸盐含量表现为组1>组3 ≈组4.张 路等: 长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系267图3 氮磷潜在释放与沉积物、间隙水、上覆水氮磷含量Fig.3 Potential release of nitrogen and phosphorus and their contents in sediments, pore waters and ovelying coaters图4 三组不同湖泊磷释放潜力和沉积物、间隙水和上覆水磷含量比较箱式图Fig.4 Comparison of potential release of phosphorus and contents of phosphorus in sediments, pore waters and overlying watersN f l u x (m g /(m ·d )t n (m g /k g )n h 4p (m g /L )n h 4w (m g /L ) 武山菜籽泊太白鲁石塘大官梁子保安武山菜籽泊太白鲁石塘大官梁子保安2形态磷含量(m g /k g )磷含量(m g /L )磷含量(m g /L )2J. Lake Sci .(湖泊科学), 2008, 20(3)2684 讨论4.1 沉积物氮磷潜在释放参数的因子分析在进行相关分析前, 有必要对22项与潜在释放有关的生物地球化学参数进行因子分析, 即运用主成分分析法, 筛选出与沉积物潜在释放相关联的参数. 从理论上说, 沉积物的营养盐含量、形态及相应的物理化学条件是影响营养盐潜在释放的条件, 按照连续提取法对沉积物形态磷进行分级提取后, 沉积物形态磷可以分为潜在释放的磷源: 可交换态磷、铝磷、铁磷和有机磷难以利用的磷源: 钙磷等. 而沉积物的有机质含量、间隙水氮磷含量以及酸碱度和有无沉水植物等条件. 可能是影响沉积物氮磷潜在释放的因素.图5表示这些生物地球化学特征参数在经主成分分析(经最大方差法旋转和Kaiser 均一化, Varimax with Kaiser normalization)提取主要因子后, 分为2个主成分(主成分1和主成分2). 其中, 反映释放风险的nflux 和pflux 的两个参数与fep 、aap 、tn 、tp 、po4w 、nh4w 、nh4p 、por 和loi 在同一个主成分1中. 这11个参数构成了影响氮磷营养盐释放风险的主要生物地球化学参数. 从主成分1中可以看出, fep 和aap 提取的因子信息最大, 从统计角度出发, 可以认为这两个参数对该主成分的贡献最大, 而tn , tp , pflux 和nflux 提取的因子信息也较大, 说明这四个参数也是该主成分的重要组成信息. 而loi 、por 、po4w 、nh4w 、nh4p 对该主成分的构成也有一定的贡献, 但不起决定作用. 主成分2包含的参数信息, 如alp 、lp 、cap 和orgp 等与组1中磷释放风险的参数分属两个主成分, 可能说明了这些形态磷对磷的释放风险不起决定作用. 从主成分2中还能看出, 表征湖泊有无水草的特征参数plant 出现在该组中, 是否也说明了有无水草的生长与湖泊沉积物的营养盐释放风险间并不一定有必然的联系. 而主成分2中的ph 可能也说明水体酸碱度与沉积物的营养盐释放风险间的联系并不十分密切, 同样的结论在太湖的梅梁湾和东太湖这两个湖区的沉积物营养盐释放比较研究中得到[4]. 虽然也有一些研究报道认为间隙水酸碱度与沉积物营养盐释放间存在联系[11], 但同样也有许多研究对此结论持怀疑态度[12]. 主成分2中plant 和sd 、ph 具有较高的因子信息可能预示着水草可能对控制湖水透明度和酸碱度有一定的关联作用.图5 营养盐及释放风险生物地球化学参数主成分分析Fig.5 Principal component analysis on biogeochemical parameters of nutrients and their release risks主成分1主成分2张路等: 长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系269在进一步分析相关关系前, 对主成分分析的可靠性进一步分析, 分析结果显示主成分1中的参数的公因子方差提取比例都超过了50%(除pflux和por), 且aap在主成分1中提取的公因子方差最高; 而主成分2的公因子方差提取比例均未超过50%. 这预示着相比主成分2, 主成分1的因子提取具有更高的可靠性.4.2沉积物磷形态与磷释放的相关分析已有研究表明, 影响磷潜在释放的形态磷主要是可交换态磷、铝磷、铁磷和一部分有机磷. 前期研究[9]认为虽然可交换态磷和铝磷是容易释放或者容易转化成易释放磷的形态磷, 但是由于沉积物中这两个形态磷的含量很低, 不能决定磷的潜在释放. 而具有易转化性和较高含量的铁磷和一部分有机磷是决定沉积物间隙水磷酸盐含量以及磷释放的形态. 在这18个湖泊的研究中, 发现了类似的结论. 虽然这18个湖泊具有不同的营养盐负荷、不同的环境类型, 但是可交换态磷和铝磷的含量均很低, 约比铁磷低2-3个数量级. 因此, 这些易转化的磷形态与磷释放之间的相关关系比较弱.考虑到聚类分析得到的结果——组1和组3、4间具有较大的差异, 因此在分析这些形态磷和潜在释放之间关系时, 主要考虑了组3和组4的14个湖泊, 相关分析结果仅考虑了这些有水草生长的湖泊.与磷的潜在释放关系最为密切的是藻类可利用磷(aap), 皮尔逊相关系数r＝0.78, 显著因子p＝0.002, 属于极显著正相关. 由于铁结合态磷(fep), 也基本能反映aap的含量, 因此, 磷的潜在释放与fep间也呈极显著正相关. 其他的形态磷均未发现显著的相关关系. 这个结论与太湖几个湖区得到的结论基本类似. 因此, 对于这些湖泊而言, 决定磷潜在释放的沉积物形态磷组分主要是铁磷, 用藻类可利用磷含量来指示磷潜在释放的量也具有较高可靠性.4.3沉积物氮磷形态与潜在释放特征参数的相关关系将聚类分析中构建的22×18的矩阵进行相关分析, 其中未将水草参数考虑在相关关系分析中. 从分析结果看(表2), 与磷的潜在释放显著正相关的主要参数有nflux、fep、aap、tp、po4w和nh4w, 显著负相关的有toc、tic. 与氮的潜在释放显著正相关的有aap、tp、tn, 极显著正相关的有nh4p、po4w、nh4w. 由于po4w和nh4w之间的极显著正相关关系, 所以氮的潜在释放与po4w有关, 但显然水体中的磷酸盐含量(po4w)高低不是决定氮的潜在释放的因素; 同样的, 与磷的潜在释放显著正相关的nh4w也不能说明水体中溶解性氨氮(nh4w)是决定沉积物磷释放的因素. 与此类似, 由于总磷(tp)、藻类可利用磷(aap)和总氮(tn)之间存在极显著的相关性, 因此, 造成了沉积物氮磷潜在释放与这些参数间的表观相关性.从与沉积物氮磷的潜在释放相关的参数看, 主要是沉积物氮磷营养盐的含量决定的. 而铁结合态磷与磷潜在释放间相对较好的相关系数表明用铁结合态磷表征磷的潜在释放是比较合乎规律的, 其次是用aap来表征的藻类可利用磷. po4w与磷潜在释放间的正相关关系可能是释放的结果. 可以推测, 如果水体中的磷酸盐含量与沉积物的潜在释放相关, 那么这样的湖泊水体中的磷酸盐的来源可能与内源性磷关系更大, 而不是外源性磷.从表2还可以预示出: 钙结合态磷(cap)与其他参数均没有显著相关, 仅与电导率(ec)有一定的关联. 由于钙结合态磷是非常不活跃的形态磷, 主要受热力学中的溶解沉淀平衡控制, 而磷酸钙的溶度积K sp为1.6×1044, 很难被溶解, 因此对间隙水、上覆水磷以及磷潜在释放的影响较小, 一般来说钙结合态磷主要表现出沉积埋藏的特性. 有机磷(orgp)与表征有机质含量的loi极显著正相关, 说明这两个参数表征的是有机污染而不是营养盐的污染. 类似的结论在太湖也被发现.间隙水的氨氮含量与氮的潜在释放极显著相关, 而间隙水磷的含量与潜在释放间没有显著相关关系, 是否预示着间隙水中氮的迁移转化更多的受浓度梯度的控制, 而磷在间隙水中的迁移并非只受浓度梯度的控制, 在这个过程中有机磷矿化等地球化学过程可能也起到了很重要的作用[2].5 结论将氮磷释放风险及与之相关的沉积物、间隙水和上覆水中氮磷形态、含量及其它地球化学参数进行聚类分析, 认为湖泊环境类型的差异是造成这些因素差异的最主要原因. 氮磷释放风险与铁磷、藻类可利用磷、总氮、总磷、上覆水氮磷含量、间隙水氮含量、孔隙度和有机质含量间的关系最为密切. 决定磷酸盐释放风险的主要形态磷是藻类可利用磷, 其次为铁磷. 沉积物中有机磷与有机质呈显著正相关,J. Lake Sci .(湖泊科学), 2008, 20(3)270而其他形态磷或者含量较低或者不易被转化释放, 对磷酸盐释放风险影响较小.表2 沉积物氮磷形态与潜在释放特征参数相关关系* Tab. 2 Correlation between nitrogen and phosphorus forms and potential release parametersp f l ux n f l ux f e pl pa l pc a p o r gp a a p t pt np o rl o ip he c n h 4p p o 4p t o ct i cs d p o 4wnfux .53 bfep .50 b.30lp-.04 -.05 -.12alp -.17 -.03 -.08 .84 acap -.14 -.38 -.31 .35. 02orgp -.29 .25 -.08 .49 b . 49 b . 32aap .45 b .41 b .87 a .13. 21 -. 28 . 08 tp .39 b .34 b .63 a . 48 b .58 b-. 14 . 37 . 88 atn .29 .41 b .80 a . 10 . 21 -. 14 . 16 . 94 a . 84 apor .23 .13 .14 . 09 . 13 . 18 . 38 . 28. 35. 28loi .02 .19 -.02 . 28 . 39 . 25 . 62a. 16. 33. 22. 80 aph -.32 -.10 -.23 . 21 . 18 . 06 . 18 -. 35-. 12-. 29-. 15-. 08ec-.07 .03 -.21 . 01 . 02 . 49 b . 24 -. 13-. 05. 06. 26. 46 b -. 05nh4p .31 .71 a -.04 -. 07 . 02 -. 09 . 19 . 19. 19. 24. 20. 33-. 19. 48 bpo4p -.04 .08 -.19 . 43 . 44 -. 18 . 03 -. 12. 06-. 08-. 29-. 14. 52b-. 19-. 15toc -.42 b -.35 -.22 . 13 . 03 . 36 -. 11-. 33-. 28-. 23-. 63a -. 45. 24. 31-. 11. 05tic -.42 b -.31 -.32 . 46 b. 23 . 36 . 07 -. 39-. 15-. 34-. 43-. 35. 57 b . 12-. 19. 33. 69 asd-.19 -.31 -.43 b. 08 . 11 . 46 . 16 -. 43-. 30-. 27. 16. 24. 21. 47 b -. 07. 04. 42 . 09po4w .45 b.69 a.01 . 22 . 09 . 16 . 24 . 25. 27. 28. 11. 26-. 11. 48 b. 84a. 03. 05 -. 01 -. 02 nh4w .55 b .66 a .07 . 06 . 10 -. 03 . 05 . 35. 33. 37. 29. 35-. 24. 50 b . 91a -. 08 -. 12 -. 23 -. 03 . 89 a *Pearson 双尾检验; a: 极显著相关p <0.01; b: 显著相关p <0.05; 符号说明见1.2. 6 参考文献[1] Wetzel RG. Limnology. Lake and River Ecosystems (Third Edition). San Diego: Academic Press, 2001: 625-627.[2] 范成新, 张 路, 秦伯强等. 风浪作用下太湖悬浮态颗粒物中磷的动态释放估算. 中国科学(D 辑), 2003, 33(8): 760-768. [3] 徐 清, 刘晓端, 王辉锋等. 密云水库沉积物内源磷负荷的研究. 中国科学(D 辑), 2005, 35(增Ⅰ): 281-287. [4] 张 路, 范成新, 王建军等. 太湖水土界面氮磷交换通量的时空差异. 环境科学, 2006, 27(8): 1537-1543.[5] 范成新, 杨龙元, 张 路. 太湖底泥及其间隙水中氮磷垂直分布及其相互关系分析. 湖泊科学, 2000, 12(4): 359-366. [6] 范成新, 张 路, 秦伯强等. 太湖沉积物－水界面生源要素迁移机制及定量化——I.氨态氮释放速率的空间差异及源汇通量. 湖泊科学, 2004, 16(1): 10-20.[7] 黄清辉, 王子健, 王东红等. 太湖表层沉积物的磷吸附容量及其释放风险评估. 湖泊科学, 2004, 16(2): 97-104. [8] 范成新, 张 路, 杨龙元等. 湖泊沉积物氮磷内源负荷模拟. 海洋与湖沼, 2002, 33(4): 370-377.[9] 张 路, 范成新, 池俏俏等. 太湖及其主要入湖河流沉积磷形态分布研究. 地球化学, 2004, 33(4): 423-432. [10] 张 路, 范成新, 朱广伟等. 长江中下游湖泊沉积物生物可利用磷分布特征. 湖泊科学, 2006, 18(1): 36-42.[11] Xie LQ, Xie P, Tang HJ. Enhancement of dissolved phosphorus release from sediment to lake water by Microcystis blooms-anenclosure experiment in a hyper-eutrophic, subtropical Chinese lake. Environmental Pollution , 2003, 122: 391-399.[12] Gibson CE, Wang G, Foy RH et al . The importance of catchment and lake processes in the phosphorus budget of a large lake.Chemosphere , 2001, 42: 215-220.。

湖泊与河流沉积物有机质分解驱动磷释放的机制研究1. 湖泊与河流是地球上丰富的水资源，它们不仅是自然景观的一部分，还对周围的生态系统和人类社会发展有着重要的影响。

然而，随着城市化和工业化的快速发展，湖泊与河流的水质遭受到了严重的污染和破坏，其中磷的污染是一个严重的问题。

磷是水体富营养化的主要原因之一，而湖泊与河流的磷来源主要是来自沉积物。

2. 沉积物是湖泊与河流中重要的磷储存库，其中有机质的分解是导致磷释放的重要驱动力。

有机质是指湖泊与河流底部的有机物质，例如植物残体、浮游生物和微生物等在湖泊与河流中的沉积物。

这些有机质的分解会释放出磷，加剧水体的富营养化问题。

3. 有机质的分解驱动磷释放的机制是一个复杂的过程，涉及到多种生物和非生物过程。

湖泊与河流的有机质会被细菌和真菌等微生物降解，产生溶解性有机质和氧化还原物质。

这些产物会改变水体的生物地球化学循环，进而影响磷的释放。

有机质的分解还会影响湖泊与河流的氧化还原环境，导致磷的释放。

另外，底泥中的铁、锰等元素也参与了有机质的分解过程，并影响着磷的释放。

4. 有机质分解驱动磷释放的机制研究对于湖泊与河流的水质管理和保护具有重要意义。

通过深入了解这一机制，可以更好地预测湖泊与河流磷的释放情况，采取相应的控制措施，减少水体的富营养化问题。

对有机质分解驱动磷释放的机制进行研究，也为更好地保护水体生态系统提供了科学依据。

5. 个人观点和理解：湖泊与河流水质的污染问题是当今社会亟需解决的环境问题之一。

有机质分解驱动磷释放的机制研究对于解决水体富营养化问题具有重要的意义。

作为学者和研究者，我们应该加强对这一问题的研究，探索更多有效的水质管理和保护方法，为人类社会的可持续发展贡献力量。

总结回顾：通过本文对湖泊与河流沉积物有机质分解驱动磷释放的机制进行了深入探讨，我们了解到这一机制是一个复杂的过程，涉及到多种生物和非生物过程。

有机质的分解驱动磷释放的机制研究对于湖泊与河流的水质管理和保护具有重要意义，需要进一步加强研究和探讨。

沉积物中氮磷元素的形态分析与去除技术近年来，国内外的许多水体中都出现了氮磷污染问题。

因为氮磷元素是植物生长的必需元素，而过多的氮磷元素则会造成水体富营养化、细菌滋生、藻类水华等现象，不仅让水体变得混浊臭臭的，还会对水生生物造成极大的危害。

为了避免水体受到氮磷污染，许多科学家和研究人员投入了大量的研究力量，在沉积物中的氮磷元素形态分析与去除技术方面进行了深入探索。

首先，我们来谈一谈沉积物中氮磷元素存在的形态。

氮和磷元素在水体中主要以有机形态（如蛋白质、核酸等）和无机形态（如硝酸盐、亚硝酸盐等）存在。

其中，无机氮和无机磷在水体中的占比较大，而有机氮和有机磷则主要存在于沉积物中。

在沉积物中，氮磷元素的形态主要有三种类型：可交换态、还原态和稳定态。

可交换态是指氮磷元素与沉积物颗粒表面吸附作用较弱，可以与外界环境交换的形态。

可交换态氮主要存在于铵态和硝态两种形式。

当外界环境中含有丰富的氮源时，可交换态氮会迅速释放到水体中，使水质变得混浊浑浊。

有时，这种现象甚至会引起藻类的大量繁殖，从而形成水华。

可交换态磷主要存在于磷酸盐的形式，它与水体中其他物质相比，较容易被吸附到颗粒表面上。

还原态是指氮磷元素处于低价态或还原化合物中的形态。

它们与可交换态相比，吸附能力更强，难以被外界环境所影响。

还原态氮主要以氨态和有机氮的形式存在。

由于还原态氮并不容易被微生物降解，因此难以转化为其他形态，对水体污染的影响也非常大。

还原态磷则主要以微生物耗氧作用产生的铁锰磷酸盐形式存在。

稳定态是指氮磷元素与沉积物颗粒结合较为牢固的形态。

它们与可交换态和还原态相比，吸附能力更强，难以被外界环境所影响。

稳定态氮主要以有机氮的形式存在，在水体中很难转化为其他形态。

稳定态磷则主要以钙磷酸盐的形式存在，其释放速度较慢，对水体污染的影响也相对较小。

了解了沉积物中氮磷元素的形态，我们接下来可以探讨一下如何去除其中的污染物。

这方面的技术也是比较多的，常用的方法主要有化学还原法、生物还原法、吸附法和沉淀法等。

研究简报　NO TE长江口湿地沉积物中的氮、磷与重金属全为民,韩金娣,平先隐,钱蓓蕾,沈盎绿,李春鞠,施利燕,陈亚瞿(农业部海洋与河口渔业重点开放实验室,中国水产科学研究院东海水产研究所,上海200090)摘要:研究了总氮N T、总磷P T、重金属Cu,Zn,Pb和Cd在崇明东滩湿地沉积物中的分布与累积特征。

结果表明,N T和重金属表现为:芦苇带>互花米草带>海三棱镳草带>光滩,即从光滩至芦苇带,从南部至北部,N T和重金属的质量分数呈现逐步增加的趋势。

由于高潮带以细颗粒为主,有机质含量较高,因此N T和重金属表现出相应的富集;而沉积物P T在各个潮带呈均匀分布,这主要与沉积物中磷的化学形态组成有关。

与上海南岸潮滩湿地和世界其他河口湿地相比,东滩湿地沉积物中重金属的质量分数相对较低,表明它是一块保存较为完好未受到污染的天然湿地,这主要与长江径流对污染物的稀释作用有关。

关键词:长江口湿地;养分;重金属;分布;累积中图分类号:P734 文献标识码:A 文章编号:100023096(2008)0620089205 河口湿地是一类独特的生态系统,在海洋、陆地界面间形成重要的污染物屏障,在维护自然生态平衡、生物多样性保护、环境净化等方面具有重要的生态功能。

在自然和人类活动的双重驱动下,河口湿地的生物地球化学循环过程不仅影响着区域的物质循环、能量流动和湿地生产过程。

同时,由于近海环境污染的日益严重以及可持续发展的需要,揭示湿地在营养盐及重金属循环中的功能,认识营养盐及重金属在湿地中的迁移和循环机制是十分必要的[1,2]。

长江口作为世界性的特大型河口,由长江径流携带而来的大量泥沙在此沉积形成了丰富的湿地资源。

有关学者在长江口湿地开展了一些研究,主要集中在氮磷的存在形态[3～5]、重金属在根际的富集[6～8]及沉积物2水体界面的营养盐交换[9]等方面。

而系统地研究营养盐和重金属在河口湿地的分布与累积特征比较少见。

长江中下游不同营养水平湖泊水体环境变化特征及机制曾海鳌1,2,吴敬禄1(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京　210008;2.中国科学院研究生院,北京　100039)摘要:选择长江中下游49个湖泊进行不同季节的水体溶解无机氮(DIN )、总氮(TN )、总磷(TP ),溶解性无机磷(DIP )以及叶绿素a (Chla )等环境参数分析,开展不同营养水平湖泊水体环境变化特征及生物响应机制研究。

结果表明:DIN 、TN /TP 随TP 的变化规律反映了不同营养水平和季节下地球化学作用的影响;氨氮(NH 4-N )、TP 、DIP 、Chla 尤其是NH 4-N 的季节性变化规律与营养水平关系密切;TP <0.05mg /L 时,NH 4-N 随总磷升高的趋势夏季大于其他季节,TN /TP 与硝态氮(NO 3-N )、TN 相关性好,营养源组成和氨化作用是主要影响因素;0.05mg /L <TP <0.1mg /L 时,各季节NH 4-N 随总磷升高的趋势基本相同,TN /TP 与亚硝态氮(NO 2-N )、NO 3-N 、TN 相关好,水生植物利用、氨化和反硝化作用是主要影响因素。

TP >0.1mg /L ,冬季NH 4-N 随总磷升高的趋势明显大于其他季节,TN /TP 在冬季和春季与TN 、NO 3-N 相关性好,夏季和秋季与TP 相关性好,其主要原因在于夏季和秋季水生植物对DIN 的利用量、反硝化作用和湖泊内源释放的显著增强。

关　键　词:硝态氮;亚硝态氮;长江中下游湖泊中图分类号:P343.3 文献标识码:A 文章编号:1001-6791(2007)06-0834-08收稿日期:2006-12-15;修订日期:2007-03-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(40673015);中国科学院知识创新工程资助项目(KZCX2-YW -319)作者简介:曾海鳌(1980-),男,重庆万州人,博士研究生,主要从事环境地球化学研究。

收稿日期:2004-10-08基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2002C B412300)作者简介:庞燕(1970-),女,山西榆次人,助理研究员.长江中下游浅水湖沉积物对磷的吸附特征———吸附等温线和吸附Π解吸平衡质量浓度庞　燕1,金相灿1,王圣瑞1,孟凡德1,2,周小宁1(1.中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地,北京　100012;2.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京　100037)摘要:研究了长江中下游几个浅水湖泊表层沉积物磷吸附等温线和沉积物对磷的吸附Π解吸平衡质量浓度。

结果表明:沉积物对磷的吸附等温线同时符合Langmuir 模型和Freundlich 模型。

据Langmuir 模型计算,沉积物对磷的吸附容量为01122～01893mg Πg ,且吸附容量与Al 2O 3,TFe 2O 3和有机磷(O -P )的含量均有较好的正相关关系。

沉积物对磷的吸附存在吸附Π解吸平衡点,不同沉积物在该点质量浓度为0102～0145mg ΠL ,有较大差异。

该值与沉积物中总磷及无机磷有很好的正相关关系,与铁Π铝磷及有机磷和有机质含量也有较好的正相关关系,而与钙磷及氧化钙只有较弱的正相关关系。

结果还表明:富营养化严重的湖泊,沉积物有向上覆水释放磷的趋势。

关键词:浅水湖泊;沉积物;磷;等温吸附;吸附Π解吸平衡质量浓度中图分类号:X132,X524 文献标识码:A 文章编号:1001-6929(2004)S0-0018-06Characters of Pho sphorus Sorption in Sediment of Shallow Lake s in theMiddle and Lower Reache s of the Y angtze River :Sorption Isotherms andAdsorption 2De sorption Equilibrium Ma ss ConcentrationPANG Y an 1,J I N X iang 2Can 1,W ANG Sheng 2Rui 1,ME NG Fan 2de1,2,ZH OU X iao 2Ning1(1.Research Center of Lake Environment ,Chinese Research Academy of Environment Sciences ,Beijing 100012,China ;2.C ollege of Res ource ,Environment and T ourism ,Capital N ormal University ,Beijing 100037,China )Abstract :S orption is otherms of phosphorus and the phosphorus ads orption 2des orption equilibrium mass concentration on sur face sediments taken from the shallow lakes along the middle 2lower reaches of the Y angtze River were determined in laboratory.The results indicated that ads orption is otherms curves were fitted to Langmuir equation as well as Freundlich equation.Based on Langmuir equation calculation ,ads orption capacities varied from 01122to 01893mg Πg ,showing g ood affinities for Al 2O 3,TFe 2O 3and O 2P.Phosphorus ads orption 2des orption equilibrium concentration was different on different sediments ,and it varied from 0.02to 0.45mg ΠL.This concentration was significantly and positively correlated to total phosphorus and inorganic phosphorus ,and preferably to Fe (Al )2P ,O 2P and organic matters ,but in feriorly to Ca 2P and CaO.The result als o indicated that the sedi 2ment from heavy eutrophic lakes had the trend to release phosphorus into the overlying water.K ey w ords :shallow lake ;sediment ;phosphorus ;is otherm s orption ;ads orption 2des orption equilibrium mass concentration 湖泊沉积物中的磷对湖泊系统的初级生产力和湖泊的营养状况有着重要影响。