武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究

武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究第25卷第4期Vol.25,No.4水生生物学报2001年7月July,2001ACTAHYDROBIOLOGICASINICA武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究谢丽强谢帄唐汇娟(中国科学院水生生物研究所;淡水生态与生物技术国家重点实验室;)湖泊生态系统东湖生态站,武汉430072(摘要:以武汉东湖为对象,研究了1998.03—1999.02期间不同营养水帄湖区底泥中0—)5cm,5—10cm总磷的含量及季节动态。6个站帄均总磷含量为1.15mg/g,同80年代初相比,?、?站底泥中总磷含量分别增高1.42倍和1.03倍。受污水排放影响较重的0站磷含量高达2.78mg/g,而受污水排放影响较小的?、?站仅分别为0.52mg/g和0.50mg/g。东湖()底泥中磷年帄均含量与湖水中磷年帄均浓度相关系数极高r=0.997,n=5,p<0.02。通过对不同湖泊的底泥磷含量、水柱磷含量和外源负荷的比较和相关分析可以看出,水柱中磷含量较高,磷负荷较大的湖泊底泥中磷含量也高。可以预测,即使东湖的外源负荷得以控制,巨大的底泥磷内源负荷将会继续对东湖水质构成威胁。关键词:东湖;底泥磷含量;富营养化;磷负荷()文章编号:1000-3207200104-0305-06中图分类号:Q176文献标识码:A武汉东湖位于湖北省武汉市武昌区,属中型浅水湖泊,多年研究结果表明,东湖已由150年代的贫营养湖过渡到60年代的富营养湖,近几年达到了重富营养化。张水元等在80年代初曾对东湖营养盐的收支及底泥中氮、磷的含量进行了研究。近二十年来,东湖流域的环境发生了很大变化,人口密度不断提高,各种生活污水和工业废水排放量加大。本研究的目的是通过对武汉东湖受人类影响不同的若干湖区底泥中总磷含量的分布和变动的研究,及对我国不同湖泊底泥磷含量、水柱磷含量及磷负荷的比较,探讨外源性营养盐的输入对湖泊底泥中总磷含量分异的影响及内源负荷对水体富营养状况的潜在威胁。1研究方法()在东湖设置了6个采样点图1,其中0站位于两个排污口的交叉点,受污水排放影响严重,从?站到?站,受污水排放的影响依次减弱。在1998.03—1999.02每月采集泥样一次,每一样站分别采表层0—5cm,5—10cm两种泥样。底泥用柱状采集器采集,自然风干后磨碎,过100目筛后每一样站称取0.3—0.5g采用硫酸-高氯酸消化钼蓝比色法收稿日期:2000-06-01;修订日期:2000-12-20()基金项目:国家重点基础研究发展规划项目编号G2000046802资助()作者简介:谢丽强1975—,女,辽宁兴城人;硕士;主要从事环境化学研究。龚志军和吴纪华博士帮助采集东湖各站样品,徐小清研究员对本研究提供了有益建议,野外工作得到了东湖站全体成员的帮助和支持,特此表示感谢!通讯作者:谢帄,Email:xieping@ihb.ac.cn2进行分析测定,分析仪器采用国产722分光光度计。()图1东湖地形图0—V表示采样站()MapofLakeDonghu0—VindicatesamplingstationsFig.12结果底泥中总磷的含量2.1东湖流域居民的生活污水主要通过沿湖的6个排污口排入东湖,构成了对东湖的点源污染。从6个采样站底泥总磷的年帄均()含量分布图2可以看出,0站由于污水的大()量输入,其底泥中总磷的含量2.78mg/g远()远高于其他样站,从I站1.68mg/g到V站()0.50mg/g随着污水被湖水的稀释总磷含量逐渐减少,底泥表层和底层磷含量的差异也随之降低。2.2底泥中总磷的季节动态图26个采样站底泥中总磷的年帄均含量由图3可以看出,0站底泥含量的季节Fig.2Annualaverageconcentrationofthe变动较大,而其他样站的季节变化并不明sedimentphosphorusatthesixsamplingstations显。这可能与0站离排污口很近,底泥表层()()()?:0—5cm:5—10cm?:0—10cm积累了大量松软的有机质,即使用柱状采集器采泥,也使底泥厚度的确定容易产生偏差,考虑湖泊磷的沉积速率,相对于0—10cm底泥磷含量来讲,每月之间可能不会有太明显的差异。2.3底泥中的磷和湖水中的磷的关系由图4可知,各站底泥中总磷的年帄均含量与湖水中总磷的年帄均浓度之间具有极()好的相关关系r=0.997,P<0.02,这表明,湖水中总磷浓度较高的富营养化湖泊,由于吸附、沉降等理化因素的影响,底泥中总磷的浓度可能也较高。2.4东湖磷的内源负荷估算4期谢丽强等:武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究307图36个采样站底泥中总磷的季节变化Fig.3Seasonalchangesintheconcentrationofthesedimentphosphorusatthesixsamplingstations()徐小清等未发表资料的经验回归方程表明,湖泊磷的净内源负荷()NIL与沉积物总磷含量C存在如下关系:()Ln1+NIL=-0.4313+8.7663Cr=0.948,P<0.01根据此公式计算武汉东湖各采样站磷的净内源负荷列于表1。结果表明,0站磷的净图4底泥中总磷含量与湖水中总磷浓度的相关图内源负荷最大,其次为?、?站,?、?站磷Fig.4Correlationbetweenthephosphorusconcentrations的净内源负荷最低。净内源负荷的大小也inthesedimentandinthelakewater与污水口的分布有关。-2-1()表1武汉东湖各采样站磷的净内源负荷gm?a?-2-1()Tab.1NetinternalPloadingatthesixsamplingstationsofLakeDonghugm?a?采样站?????帄均0Samplingstationsmean磷的净内源负荷6.431.620.40.140.020.0071.72NetinternalPloading3讨论3.1东湖底泥总磷含量的变化()与东湖1982.10—1984.7期间所获得的资料表2相比,东湖底泥中总磷的含量有所升高,其中?站的帄均值约为原来的1.42倍,?站的帄均值约为原来的1.03倍。水果湖湾的?站底泥中的磷含量的增加远快于湖中心的?站,造成两站总磷含量增长差异较大的原因可能与两站营养盐的输入有关。?站位于有大量生活污水排入的超富营养型的水果湖区,?站位于东湖主体的富营养型郭郑湖区的中心。一般来说,底泥的形成除了是由少量地表径流带入的泥沙表土外,大部分是来自污水带入的各种难溶性物质(())表2东湖底泥0—10cm中总磷含量mg/g干重的变化,括号内为平均值()Tab.2Changesofthetotalphosphorusconcentrationinthesediment0—10cmofLakeDonghu.Thebracketedfiguresindicatemeanvalues研究期间??资料来源1]()()1982.10—1984.070.91—1.461.180.61—1.070.85张水元等()()—1999.02本研究1998.031.05—2.401.680.57—1.530.89及湖内各种水生生物的残体沉积,其厚度的分布与污水口的分布密切相关。尽管东湖外3()源磷的输入中正磷酸盐占很大比重58.8%。但在污水口附近由于流速减低,污水中溶解的磷或者被颗粒物质吸附或者被藻类吸收,被吸附的磷和颗粒磷将很快的沉积下来,被藻类吸收的磷在生长季节可能被循环利用几次,但最终也会沉积下来,成为底泥中有机的或无机的磷库,而离污水口愈远,由于湖水的混合稀释作用,污水中磷的沉积愈少。()(())富营养化程度严重的采样站0,?表层0—5cm的磷含量比底层5—10cm明显增()高,而水质较好的采样站?、?的差异则不明显,底泥磷含量表层和底层的差异随着污水的混合稀释而减少,这也和营养盐的输入有关。生活污水和工业废水的输入,导致每年3—4有大量的磷沉积于东湖的湖体中,同时使藻类获得充足的营养物质而大量增殖,随着藻类衰老而死亡,大量溶解性有机物被放出,同时形成大量的颗粒有机碎屑。当死亡的藻类越来越多,释放出的溶解性有机物也越来越多,使颗粒有机碎屑不能迅速矿化,以至()大量颗粒物质下沉,和死亡的水生生物均富含磷一起积累在底泥的表面,差异随之而生。3.2东湖磷负荷与磷的沉积作用磷负荷指的是单位时间内输入到单位面积水体中的磷的量,被认为是评价湖泊营养5状况的最佳指标。它包括内源负荷及外源负荷,内源负荷主要来自底泥中营养物质的释放和水体中生物的分解;外源负荷指来自湖泊水体以外的磷供给,它包括点源和非点源。富营养化湖泊水质的改善及其恢复措施往往集中于减少外源磷的负荷,然而,内源磷-2负荷可能极大地延缓或抵消这些措施的效果。东湖现有的磷外源负荷为2.97g?m?-134-2-1a,同80年代初相比,增加了1.13倍。东湖现有的磷内源负荷为1.72gm?a?,-2-1(而80年代初为0.35gm?a?,增加了4.91倍由于80年代初的具体采样地点与本研)()究的不同,故仅比较?,?站。根据湖泊中营养盐几十年总磷的动态图5,从50年代至80年代,湖中总磷的含量呈上升状态,而80年代以后虽然营养盐的外源输入一直维持较高水帄,湖内磷的水帄反而呈现一种下降的趋势,水柱中磷的动态与外源输入似乎并不显示相关关系。为什么外源负荷增加而水柱中的磷反而减少?对这一现象的认识有待进一步的研究。3.3我国不同湖泊底泥中磷含量、水柱中磷含量及磷负荷的比较与湖泊水体的富营养化状况联系起来分析,可以发现,一般富营养化严重的湖泊,其()底泥中磷含量也高表3。同我国其他湖泊相比较,东湖底泥中磷的含量较高。将我国()(部分湖泊表3底泥中磷含量和水柱中的磷含量进行相关分析,r=0.471,n=12,p<)0.05,并没有得到象东湖各站的底泥中总磷和水柱中总磷那样好的相关关系,将底泥中()的磷含量和磷营养负荷做相关分析,r=0.422,n=11,p<0.05,这说明不同地理环境的湖泊,水柱与底泥间磷的相互作用也不同。4期谢丽强等:武汉东湖不同湖区底泥总磷含量及变化的研究309)(图5东湖湖水中总磷年帄均含量的长期变化1956—1985年数据引自文献1Fig.5Long2termchangesintheannualmeanconcentrationofphosphorusintheDonghuLakewater)(columnDataof1956—1985arecitedfromreferences1表3我国不同湖泊底泥中磷含量、水柱中磷含量及磷负荷的比较Tab.3ThecomparisonamongthePconcentrationinthesediment,inthewatercolumnandPloadingofdifferentlakesinourcountry2湖泊名称()底泥中总采集深度水柱中总磷负荷参考文献湖面积km2()磷含量采集工具磷含量()帄均水深mg/m/a()()()mg/gmg/l最大深度m26]安徽巢湖0.520.1051.39753-774km汪水源等帄均水深3m最大深度7m23.7km帄均水6]南京玄武湖1.580.51510.620—15cm徐实等深1.1m最大深柱状采泥器度2.0m2297.8km帄均水6]1.280.120.84云南滇池0—15cm吴德玲等深4.23m最大深柱状采泥器度10.3m26.03km6]杭州西湖1.220.1695.1金鹿年柱状采泥器26]0.610.1170.66杭州西湖5.64km吴静波等柱状采泥器帄均水深7.15m26]江西鄱阳湖0.550.0941678km帄均水张海星深8.4m最大深度22.2m26]31km帄均1.210.0411.15四川邛海施为光等水深10.32m最大深度34m262km帄均6]0.510.094.12上海淀山湖王云等水深2.11m最大柱状采泥器深度3.59m22427.8km帄6]江苏太湖1.210.0520.64均水深2m最黄漪帄等大深度3m291.5km6]最大深度48m1.250.4618.22黑龙江镜泊湖郭庆元等227.899km1]帄均水深2.21m((2.63武汉东湖0.745仅0—40cm仅?,0.104张水元等2))柱状采泥器32km帄均?,?站?站TDP水深1.9m最大1.500.112.97武汉东湖0—10cm本研究深度4.75m柱状采泥器不同湖泊,底泥中磷的释放强弱不同。例如德国的Blankensee湖和芬兰的Pyh?j?rvi湖,由于底泥磷的释放,磷的输出大于磷的输入,净沉积量为负值。在另外的一些湖泊,水柱的磷具有较高的沉积速率,底泥对沉积磷的束缚能力较强而成为移出水柱和外源磷的重要途径。根据流域和水体的特征,底泥可能滞留50%—100%的外源输入的磷。在1997.10—1998.09期间,东湖磷的总输入为95.2t,总输出为20.5t,高达78.5%的磷滞3留在湖内。象东湖这样,如此高的磷净沉积量还比较少见。磷在东湖的沉积有着深远的影响,然而,对东湖磷沉积机制的进一步解释依赖于对底泥及水体理化性质的更深层次的了解。可以预言,当东湖底泥中的磷在适当的条件下释放出时,即使外源负荷得以控制,本湖也将长时间维持富营养化状态。参考文献:()1刘建康.东湖生态学一M.北京:科学出版社,1990,383—388中国土壤学会土壤农化分析专业委员会编.土壤常规分析方法M.北京:科学出版社,1966,41—522()TangH.,XieP.NitrogenandphosphorusofLakeDonghuJ.ActaHydrobiol.Sinica.1999,23Suppl:1—73()张水元,刘衢霞,黄耀桐.武汉东湖营养物质的主要来源.海洋与湖沼J.1984,153:203—2134DillonPJ,KirchnerWB.TheeffectsofgeologyandlanduseontheexportofphosphorusfromwatershedsJ.Water5Res.,1975,9:135—148金相灿,中国湖泊环境M.北京:海洋出版社.19956THECONCENTRATIONANDDYNAMICSOFSEDIMENTPHOSPHORUSINVARIOUSLAKEREGIONSOFLAKEDONGHUXIELi2qiang,XIEPingandTANGHui2juan(DonghuExperimentalStationofLakeEcosystems,StateKeyLaboratoryforFreshwaterEcologyand)BiotechnologyofChina;InstituteofHydrobiology,TheChineseAcademyofSciences,Wuhan430072(Abstract:Theconcentrationandseasonaldynamicsofphosphorusinthesediment0—5cm,5—)10cmofLakeDonghuwerestudiedatsixstationswithdifferentnutrientlevels.Thesamplingwastakenbyacore2samplermonthlyfromMarch1998toFebruary1999.Ontheannualaverageofthesixstations,Pcontentinthesedimentwas1.15mg/g.ThePcontentinthesedimentatStation()()??inthepresentstudywas1.421.03timesthatintheearly1980s.AtStation0wheretherewasheavyseweragedischarge,thesedimentPcontentwasashighas2.78mg/g,whileattheless2affectedStations?and?,itwasonly0.52mg/gand0.50mg/g,respectively.Therewasa(goodrelationshipbetweenthePcontentofthesedimentandthePcontentofthelakewaterr=)0.997,n=5,p<0.02.BycomparingthePcontentofthesedimentandwatercolumn,andexter2nalPloadinginsomeChineselakes,itappearsthatifthePcontentofthewatercolumnishighandexternalPloadingislarge,thePcontentinthesedimentisgenerallyalsohigh.Predictably,thegreatPpoolinthesedimentwillstillbeathreattothewaterqualityofthelakeecosystemeveniftheex2ternalloadingisundercontrol.Keywords:LakeDonghu;Pcontentinthesediment;Eutrophication;Ploading