海州湾表层沉积物磷的吸附容量及潜在释放风险

高春梅,张中发,张 硕,陈崟滢



海州湾表层沉积物磷的吸附容量及潜在释放风险

高春梅1,2,张中发1,张 硕3*,陈崟滢1

(1.上海海洋大学海洋生态与环境学院,上海 201306；2.上海海洋大学海洋环境监测与评价中心,上海 201306；3.上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306)

利用磷吸附指数(PSI)、磷吸附饱和度(DPS)和磷释放风险指数(ERI)研究了2016年10月和2017年5月海州湾表层沉积物的磷吸附容量及潜在释放风险.结果显示,2016年秋季PSI变化范围为99.58~199.39[mgP/(100g)]/[μmol/L],DPS变化范围为23.118%~34.289%;2017年夏季PSI变化范围是130.29~198.57[mgP/(100g)]/[μmol/L],DPS变化范围为25.545%~42.135%,两次调查中PSI和DPS均表现出相反的平面分布趋势.PSI和Alox、Feox呈显著正相关,说明Feox和Alox是影响海州湾表层沉积物吸附磷的主要因素,且Feox占主导作用;DPS与Alox和Feox分别表现出了显著负相关性和极显著负相关性,说明Alox和Feox含量的增大会降低表层沉积物的磷吸附饱和度.2016年10月磷释放风险指数(ERI)的变化范围为11.59%~34.18%,2017年5月磷释放风险指数(ERI)的变化范围为12.86%~32.34%,从2次调查结果整体来看,海州湾表层沉积物的磷释放风险为中度风险.

海州湾；表层沉积物；磷吸附指数；磷吸附饱和度；磷释放风险指数

磷是海洋生物进行生命活动的生源要素之一,在维持海洋生态系统物质和能量循环以及供给营养等方面起到重要作用,但磷元素过量时,会造成水体富营养化.目前常用来预估沉积物磷的吸附容量、评价其潜在释放能力的方法主要有2种:一是进行大量的等温吸附实验,通过测定磷的吸附指数、吸附速率等参数,来衡量磷的吸附容量,这种方法相对来说比较费时,而且实验操作过程麻烦,工作量大[1];二是用磷吸附指数(PSI)和磷吸附饱和度(DPS)2个指标来评价沉积物中磷的释放能力[2-3].PSI与沉积物中磷的最大吸附量(max)表现为极显著相关性, DPS可认为是土壤实际磷吸附量与最大吸附量的百分比值[4].黄清辉等[5]将DPS和PSI的比值定义为磷的释放风险指数(ERI),并以此来表征太湖表层沉积物的吸附容量,研究其空间分布变化,评估了太湖表层沉积物磷诱发的富营养化风险;叶妹等[4]利用PSI和DPS作为评价磷富营养化的2个指标,根据磷释放风险指数ERI划分的4个等级:较低风险(ERI<10)、中度风险(1025),对珠江河口湿地进行调查,显示,该调查区域内源磷负荷较大,磷的潜在释放风险处于高度风险范围.

海州湾位于我国黄海中部,是东部沿海重要渔场之一,也是江苏省重要的水产养殖地.资料显示[6-7], 2004~2006年海州湾共发生了7起记录在案的赤潮,面积达2000km2;赵建飞等[8]研究表明2009年海州湾海域有超过三分之一的调查站位处于富营养化状态.本次研究分别于2016年10月和2017年5对海州湾进行了调查,分析了PSI和DPS等指标,评价了该海域表层沉积物磷的吸附容量和释放风险.

1 材料和方法

1.1 样品采集与预处理

分别于2016年10月(采样位置:34°52′52″N~ 35°7′23″N、119°31′12″E~119°43′41″E)和2017年5月(采样位置:34°50′56″N~35°0′7″N、119°19′48″E~ 119°43′47″N)对海州湾海域进行了调查,每次调查站位均为12个,采样站位分布如图1所示.所有站位均用抓斗式采泥器采取表层沉积物,装入塑封袋中,冷冻保存带回实验室.在实验室中将沉积物进行冷冻干燥,然后取出杂草、贝克等杂物后进行研磨、过100目筛,样品保存在塑封袋中,待测.

1.2 实验方法

1.2.1 磷吸附指数(PSI)实验[4-5,9]磷吸附指数的测定:每个样品准确称取5份1.000g干燥的沉积物(过100目筛),加入到50mL聚乙烯离心管中,在其中2个离心管中加入20mL 0.01mol/L CaCl2溶液,作为2个平行空白样品;在其他3个离心管中加入20mL 75mg/L KH2PO4溶液(溶解在0.01mol/L CaCl2中),作为样品的3个平行样(为抑制微生物的活动分别往离心管中加入2滴氯仿),然后在20℃、180r/min条件下,连续振荡24h,振荡完毕后取出以3000r/min离心20min,最后用0.45μm孔径滤膜抽滤.用磷钼蓝分光光度法测定滤液中磷的浓度,求出1.0g沉积物吸附磷的含量,将100g沉积物吸附磷的量记为,以为滤液中溶解磷浓度,则磷吸附指数为:

式中:PSI为磷的吸附指数,[mgP/(100g)]/[μmol/L];表示100g样品吸附磷的量,mgP/100g;为滤液中溶解磷的浓度,μmol/L.

1.2.2 磷吸附饱和度(DPS)实验 磷吸附饱和度的测定:各沉积物分别称取3份2.500g干样(过100目筛),加入到清洁干燥的100mL聚乙烯瓶中,作为3个平行样品.往聚乙烯瓶中各加入50mL 0.2mol/ L草酸铵提取剂(pH=3)并盖好瓶盖,在暗室中以20℃、180r/min连续振荡2h.振荡结束后将沉积物提取液转移至50mL聚乙烯离心管中,以4000r/ min离心5min,再用0.45μm孔径滤膜过滤.移取10mL沉积物提取液于50mL比色管中,加入40mlL0.01mol/L盐酸,混合均匀,在1周之内,用ICP-AES测定磷、铁和铝的含量.沉积物的DPS可估算为草酸铵提取的磷量(Pox,mmol/kg)与提取的铝(Alox,mmol/L)和铁(Feox,mmol/L)总量一半的摩尔百分比值,即:

式中:DPS为磷的吸附饱和度,%;Pox为活性磷, mmol/ kg;Alox为活性铝,mmol/kg;Feox为活性铁, mmol/kg.

1.2.3 磷释放风险评估方法 本文采用黄清辉[5]等提出的以PSI和DPS为基础的磷释放风险指数(ERI)来评估海州湾海域表层沉积物磷的潜在释放风险,即:

式中:ERI表示磷释放风险指数,%;DPS表示磷吸附饱和度,%;PSI表示磷吸附指数,[mgP/(100g)]/ [μmol/L].

1.3 数据处理与分析方法

采用ArcGIS、Excel等进行绘图和数据处理,应用SPSS20.0软件对实验数据进行统计和分析,并采用Pearson相关系数法对各指标之间进行相关性分析.

2 结果与讨论

2.1 沉积物中草酸铵提取的铝、铁、磷的分布2016年10月采集的表层沉积物中,用草酸铵提取的无定形铝(Alox)的含量为4.400~12.926mmol/ kg,平均为9.001mmol/kg,在RA2有最小值,最大值出现在CA2;草酸铵提取的无定形铁(Feox)的含量为9.017~29.530mmol/kg,平均为18.693mmol/kg,最小值出现在RA2,在CA2有最大值;草酸铵提取的无定形磷(Pox)的含量为2.165~5.213mmol/kg,平均为3.964mmol/kg,其中最小值在RA2,在RA5有最大值.

图2 2016年和2017年2次调查中Alox、Feox和Pox的含量分布

2017年5月采集的表层沉积物中用草酸铵提取的无定形铝(Alox)的含量为3.955~14.035mmol/kg,平均为8.095mmol/kg,其中在RA5有最小值,最大值在CA2;草酸铵提取的无定形铁(Feox)的含量为9.004~ 29.839mmol/kg,平均为15.950mmol/kg,在RA6’有最小值,最大值在CA2;草酸铵提取的无定形磷(Pox)含量为2.304~5.838mmol/kg,平均为3.808mmol/kg,最小值在RA5,最大值在CA2.

结合图1和图2,从平面分布来看,在2016年10月和2017年5月2次调查中Alox、Feox和Pox基本都表现出由岸及海,先减小后增大的趋势,即在近岸有最大值,在调查区域的中心均处于最低值,在离岸较近的采样点处附近,居民有着频繁的的日常生活和渔业活动,人为干扰的影响较大,而在中心区域有紫菜等人工养殖活动,水生植物可能对铁和磷有一部分的吸收作用,因此在整体上呈现这种由岸及海,先减小后增大的分布趋势.从季节分布来看,秋季的Alox和Pox与夏季相差较小,而Feox则相对比夏季要高出较多.有研究指出,沉积物中无定形的铝、铁、磷氧化物的含量会影响其对磷的吸附容量[10];同一区域的富营养状况鱼表层沉积物中草酸铵提取的Fe和P有同步变化的关系[11].从本次调查结果中也可以看出,秋季的沉积物中活性铁和活性铝比夏季高,活性磷的含量也因此要高于夏季,三者之间的变化基本是一致的.

2.2 沉积物中磷吸附指数(PSI)和磷吸附饱和度(DPS)的分布

图3 2016年和2017年2次调查中PSI和DPS的平面分布 Fig.3 The plane distributions of PSI and DPS in two surveys in 2016 and 2017

PSI的大小能够反映沉积物对磷的缓冲效果,其值越小,说明沉积物对磷的缓冲效果较差,反之则缓冲效果较好[10].2016年10月采集的表层沉积物的磷吸附指数(PSI)的含量为99.58~199.39[mgP/ (100g)]/[μmol/L],平均为152.55[mgP/(100g)]/ [μmol/L],其中最大值出现在CA2,最小值出现在RA5;2017年5月采集的表层沉积物的磷吸附指数(PSI)的含量为130.29~198.57[mgP/(100g)]/[μmol/L],平均为169.20[mgP/(100g)]/[μmol/L],其中最大值出现在CA1,最小值出现在RA6.两次调查的结果显示,从时间分布上来看,夏季PSI值略高于秋季,可能是由于在夏季有足够的光照时间和温度,水生植物的生长较快,对磷的需求就较大,所以夏季PSI值相对较高;从空间分布上来看,2次调查结果的分布情况基本均表现出近岸高,远岸低的趋势,且最小值出现在调查区域的中心站位,如图3所示.

DPS值的大小很大程度上表征了沉积物向水体中释放磷的量的大小,可以作为沉积物含磷水平和评估沉积物对磷的吸附容量的指标[12-13].DPS越大,说明在沉积物表面绝大部分可以吸附水中磷酸盐的吸附点位已经被占满,吸附能力有限[10],进一步表明沉积物作为源的可能性较大,即很难从水中吸附磷酸盐,反而会从沉积物表面向上覆水体中释放磷酸盐.2016年10月采集的表层沉积物的磷吸附饱和度(DPS)为23.118%~34.289%,平均为29.307%,最大值在RA6,最小值在CA2;2017年5月采集的表层沉积物的磷吸附饱和度(DPS)为25.545%~42.135%,平均为33.102%,最大值出现在RA6,最小值在CA1.从时间分布上来看,夏季DPS要高于秋季,这是由于在夏季时Pox和Alox与秋季相差不大,但是夏季时的Feox与秋季相比要较低,这说明在夏季有更多的铁结合态磷形成.韩雪鹏[14]研究指出,植被能够起到降低磷吸附饱和度的作用,而在海州湾海域的DPS值较高,这可能与海底植被较少有一定关系.结合图3,从空间分布来看,2次调查的DPS分布情况基本为离岸近的站位较小,由湾内向外表现为先增大后减小的趋势,在调查区域的中心站位有最大值.本研究发现DPS值较大,说明海州湾表层沉积物吸附磷酸盐的能力越趋于饱和状态,说明该海域的表层沉积物可能是作为“磷源”而存在,这在一定程度上和高春梅等[15]的研究结果一致.同时从图3中也可以看出,同一年的PSI和ERI的分布变化情况大致呈相反趋势,这和黄清辉等[5]、宋鹏鹏等[16]的研究结果相似.

2.3 沉积物各指标间的相关性分析

从表1可以看出,沉积物中草酸铵提取的Alox、Feox和Pox之间存在着很好的相关性,均为极显著正相关性,表明了铝、铁、磷三者之间的含量具有同步变化的趋势,而且铝和铁对沉积物吸附磷的作用有着重要意义,这和前人[4-5,9,17]的研究结果一致.磷吸附指数(PSI)和磷吸附饱和度(DPS)的相关性为极显著负相关,从2次调查中的PSI和DPS的空间分布情况来看,PSI和DPS均呈现出了相反的变化趋势,在PSI较大时,DPS就相对较小.其他研究发现[5,11,17-19], PSI与沉积物中的Feox和Alox呈正相关关系,本次调查结果与之相同,PSI和Alox、Feox呈显著正相关,即与草酸铵提取的无定形铝和铁有共同变化的趋势,在平面分布中,当Alox和Feox的含量增大时,则磷的可吸附点位增多,说明了Feox和Alox含量的增加能在一定程度上引起磷吸附容量的增大,因此沉积物对磷具有更强的缓冲能力,也说明了无定形的铝和铁是影响海州湾表层沉积物吸附磷的主要因素.本次调查数据结果显示出Feox大约是Alox的2倍,进一步说明了在影响磷吸附作用过程中,铁占据主导作用,而并未发现无定形提取的磷与PSI的相关性.Alox、Feox和Pox对磷吸附饱和度的影响较大,DPS与Alox和Feox分别表现出了显著负相关性和极显著负相关性,说明铝和铁含量的增大会使沉积物中有更多空余的吸附磷的点位,即降低了磷吸附饱和度.

表1 表层沉积物各理化参数之间的相关性

注:*表示在0.05水平(双侧)上显著相关;**表示在0.01水平(双侧)上显著相关;=12.

2.4 表层沉积物磷释放风险评估

从表2可以看出,2016年10月磷释放风险指数(ERI)的变化范围为11.59%~34.18%,其中只有RA5和RA6为高度风险区域;2017年5月磷释放风险指数(ERI)的变化范围为12.86%~32.34%,其中RA6’和RA7’为高度风险区域.结合图4,从空间分布上来看,2次调查结果的ERI平面分布基本均呈现出了湾内高于湾外的趋势,而且最高值基本上均出现在调查海域的中心区域;从时间上来看,秋季的ERI值要高于夏季,说明秋季的水体环境更有利于沉积物中磷的释放.整体来看,2次调查的研究结果大部分显示海州湾表层沉积物的磷释放风险为中度风险,高度风险区域较少,且超出标准值较少,说明该海域的富营养化程度低,但是仍然存在着诱发富营养化现象的可能性,同时也指出接下来应该注意采取措施来降低海州湾区域的ERI值,比如在海底人工种植适量水生植物,以此来提高沉积物对磷的缓冲效果,降低磷的吸附饱和度.

表2 表层沉积物磷释放风险指数评价

注:ERI<10%为轻度风险;10%25%为高度风险.

3 结论

3.1 在空间分布上,海州湾表层沉积物秋季和夏季2次调查中Alox、Feox和Pox基本都表现出由岸及海,先减小后增大的趋势,这可能主要和当地的海产品养殖等活动有关;从季节上来看,秋季Alox、Feox和Pox浓度值均高于夏季,活性磷的含量也因此高于夏季.

3.2 从时间分布上来看,夏季PSI值略高于秋季,可能是由于在夏季水生植物的生长较快,对磷的需求较大;从空间分布上来看,2次调查结果的分布情况基本均表现出近岸高,远岸低的趋势,且最小值出现在调查区域的中心站位.从时间分布上来看,两次调查结果均为夏季DPS要高于秋季,从空间分布来看,2次调查的DPS分布情况基本为离岸近的站位较小,由湾内向外表现为先增大后减小的趋势,在调查区域的中心站位有最大值.

3.3 Alox、Feox和Pox之间均为极显著正相关性,PSI和Alox、Feox呈显著正相关,DPS与Alox和Feox分别表现出了显著负相关性和极显著负相关性,这也印证了PSI和DPS两者的变化趋势相反.在磷吸附作用过程中,Fe是主要影响因素.

3.4 2016年10月磷释放风险指数(ERI)的变化范围为11.59%~34.18%;2017年5月磷释放风险指数(ERI)的变化范围为12.86%~32.34%.从空间分布上来看,2次调查结果的平面分布基本均呈现出湾内高于湾外的趋势,而且最高值均出现在离岸较近的区域;从时间上来看,秋季的ERI值要高于夏季,说明秋季的水体环境更有利于沉积物中磷的释放.2次调查的研究结果大部分显示海州湾表层沉积物的磷释放风险为中度风险.

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Adsorption capacity and potential release risk of surface sediments in Haizhou Bay.

GAO Chun-mei1,2, ZHANG Zhong-fa1, ZHANG Shuo3*, CHEN Yin-ying1

(1.College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；2.Marine Environment Monitoring and Evaluation Center, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；3.Collage of marine science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)., 2018,38(8)：3072~3078

Phosphorus adsorption index (PSI), phosphorus adsorption saturation (DPS) and phosphorus release risk index (ERI) were used to study the phosphorus adsorption capacity and potential release risk in surface sediments of Haizhou Bay in 2016 (October) and 2017 (May). The results showed PSI varied from 99.58 to 199.39 [mgP/(100g)]/[μmol/L], DPS varied from 23.118% to 34.289% in 2016, while in 2017 PSI varied from 130.29 to 198.57 [mgP/(100g)]/[μmol/L], DPS varied from 25.545% to 42.135%, which revealed PSI and DPS had opposite plane distribution trend. PSI had evidently positive correlation with Aloxand Feoxthat indicated Alox, Feoxwere the main factors affecting the adsorption of phosphorus in surface sediments, and Feoxplayed the Dominant role. DPS had remarkably negative correlation with Aloxand extremely remarkably negative correlation with Feox,respectively, which illustrated the increasing of Aloxand Feoxcould reduce the phosphorus adsorption saturation of surface sediments. ERI varied from 11.59% to 34.18% in 2016, and from 12.86% to 32.34% in 2017, respectively, that explained the risk of phosphorus release from surface sediments in Haizhou Bay was moderate as a whole.

Haizhou Bay；surface sediments；phosphorus sorption index (PSI)；degree of phosphorus saturation (DPS)；phosphorus release risk index

X55

A

1000-6923(2018)08-3072-07

高春梅(1976-),女,河北正定人,副教授,博士,主要从事水处理和膜生物反应器方面的研究.发表论文30余篇.

2018-01-08

海州湾海洋牧场示范项目(D-8006-12-0018,D8006-15-8014);公益性行业(农业)科研专项(201003068,201303047);上海海洋大学环境科学与工程本研一体化教学团队资助项目(A1-0201-00-032236);上海海洋大学教学团队建设项目(A1-0201-00-0322050);上海海洋大学大学生创新创业训练项目(A1-0201-00-3020).

* 责任作者, 副教授, s-zhang@shou.edu.cn