Study on the chemical forms of phosphorus and their vertical distributions in core sediments from the Yangtze Estuary
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摘要:
对长江口的柱状沉积物进行了总磷测定,并运用SEDEX方法分析了长江口柱状沉积物中5种形态磷的含量和分布。研究结果表明,柱状样沉积物不同站位各种形态磷的垂直分布各不相同,由表至底呈现多种分布状态,与沉积环境、沉积后的成岩作用有关。长江口柱状样沉积物有机磷的降解速率常数变化结果表明,长江口海域有机磷的降解主要发生在沉积物表层和次表层。2个柱状样沉积物中氮磷比远低于16:1,说明长江口近岸海域沉积物中的磷主要来自陆源。对柱状样的年代分析表明,总磷含量随年代的变化有明显的区域特征性,长江口总磷含量的髙值与长江较大输沙量的年份具有一致性。
Abstract:The total phosphorous determination is conducted for the core sediments at the estuary of the Yangtze River, and the content and distribution of phosphorous in 5 forms in the core sediments at the estuary of the Yangtze River is analyzed with the method of SEDEX.The result of the research shows that the vertical distribution of the phosphorous in different forms at different stations of the core sediments appears with the status of multiple kinds of distributions which is related to the sedimentary environment and the diagenesis after the sedimentation.The result for the change of constant of degradation rate of the organic phosphorous in the core sediments at the estuary of the Yangtze River shows that the degradation of the organic phosphorous at the sea area of the estuary of the Yangtze River mainly happens at the surface and subsurface of the sediments.The nitrogen-phosphorus ratio in the 2 core sediments is far lower than 16:1; it indicates that the phosphorus in the sediments at the sea area close to the estuary of the Yangtze River is mainly originated from the source of land.The age analysis for the core samples shows that there are obvious regional characteristics for the total phosphorus due to the change by the age; the high value of the total phosphorus at the estuary of the Yangtze River is consistent with the age of which there is larger sediment transport rate for the Yangtze River.
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Keywords:
- phosphorus /
- distribution /
- columnar sediments /
- Yangtze River
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近岸海域是重要的经济带,与人类的生产生活密切相关。这里不仅蕴藏着丰富的生物、矿产资源,也是人类活动最为活跃的区域。近几年来,长江口外沿海随着地区工农业、养殖业以及港口的发展,海域的生态环境发生了较大的变化,污染问题也日趋严重,对海水养殖的发展造成一定的威胁。连续几年有大规模的赤潮爆发,使该海域已成为我国近海赤潮严重的区域之一[1-2]。
国外对沉积物磷的研究主要包含沉积物磷的化学矿物学特征、各种形态磷的时空变化与分布规律、磷的埋藏作用以及磷在成岩过程中的再分配。RUBAN V对泥水界面的磷释放研究表明,不是所有形态的磷都易释放,约80%的磷是活性的,其中大部分以铁结合态存在,钙结合态不到20%[3]。
国内环境工作者对不同的湖泊、海洋、河口、潮滩、海湾等沉积物中的磷形态进行了大量的研究。高丽等对滇池沉积物的研究显示,随水体pH的升高,沉积物的磷释放量明显增加;厌氧条件会促进沉积物中磷的释放;沉积物不同形态磷的垂向分布表现为表层含量大于底层[4]。李宝等对滇池福保湾沉积物磷的形态研究显示,1)无机磷是总磷的主要部分,湾内较高的可利用磷含量是导致福保湾水体严重富营养化的原因;2)沉积物磷基本上随深度增加含量减小;3)各形态磷之间未发现明显的相关关系[5]。
但长江口柱状沉积物的各种形态磷方面的研究报道很少,侯立军等在2001年研究过长江口岸带柱状沉积物,讨论柱状沉积物中各形态P的分布特征受人类活动和沉积速率的影响[6]。胡晓婷等在2016年采用SMT磷分级法研究长江口及其邻近海域沉积物中磷的赋存形态及分布特征,并探讨了总有机碳、盐度和碱性磷酸酶活性是影响磷赋存形态的主要因子[7]。
本文运用SEDEX方法进行磷的各种赋存形态的分级浸提,研究柱状样沉积物中弱吸附态、铁结合态、自生磷灰石及钙结合态、碎屑态和有机态的磷的分布特征,并了解沉积物中有机磷的降解和N/P比值,揭示长江口近岸海域沉积物中磷的历史变化趋势,旨在为长江口沿岸海域水体富营养化的控制与赤潮发生的预防以及海洋环境保护提供基础数据。
1 材料与方法
本研究乘“浙海环监号”科考船采集,站位分布见图 1。
用柱状采样器采集柱状样,要求被采沉积物样品未受扰动和玷污。SH3110柱状样长105 cm,位于长江口(122°41′20″E、31°5′21″N),按2 cm间隔分成30个样品。SH3111柱状样长57 cm,位于长江口(122°2′17″E、31°5′21″N),按2 cm间隔分成22个样品。并测定氧化还原电位(Eh),随后现场立即密封冷冻。运回实验室后进行冷冻干燥,过160目筛后备用。
本文中的沉积物样品各种地球化学赋存形态磷的分级提取采用SEDEX方法[8],共分6种形态,分别为弱吸附态,铁结合态、自生磷灰石及钙结合态、碎屑态和有机态。分级提取流程见图 2,沉积物样品总磷用凯式消解[9];浸取液中的磷用磷钼蓝法测定[9],吸光值用723S型分光光度计测定,误差小于±5%。具体方法:浸取液全量转移到100 mL的容量瓶中,定容至100 mL,然后取25 mL定容好的溶液于25 mL比色管中,加入0.5 mL混合溶液,0.5 mL抗坏血酸溶液,显色5 min后,选882 nm波长,5 cm比色皿以蒸馏水作参比测定其吸光值A。
利用210Pb法测定长江口柱状样SH3110和SH3111的沉积速率,采用作图法进行数据处理。
(1) (2) 按照(1)的指数衰变模型对数据进行拟合后,并根据(2),求得沉积物的平均沉积速率。其中:A0为沉积物表层(Z=0 cm)的放射性活度;At为深度(Zcm)的放射性活度;λ为210Pb的衰变常数(λ=0.03114/a);Z为沉积物的深度(cm);t为此深度(Z)沉积年龄(a);S为沉积速率(cm/a)。
根据沉积物中有机磷含量下降的程度, 进而可以了解它们的分解速率。设有机磷降解为一级反应[10],用Z表示沉积物的深度(cm);用C0、Cz分别表示深度为0 cm和Z cm时的有机磷含量;k为降解速率常数(/a);S为沉积速率(cm/a),则有机磷降解参数k可表示为:
(3) 根据(3)式可以计算得有机磷的降解速率(k)。
2 结果与讨论
2.1 长江口柱状样沉积物的沉积速率
SH3110柱状样的平均沉积速率为2.44 cm/a,衰变曲线的线性相关系数R2为0.9664(图 3),说明SH3110柱的自然沉积良好,沉积环境较少受外部条件的扰动。
SH3111柱状样的平均沉积速率为1.13 cm/a,衰变曲线线性相关系数R2为0.5178(图 3),表明该柱的沉积状态不是很好,扰动层厚度达10~15 cm,因此,年代分析误差会较大。
2.2 总磷及各形态磷的含量、分布及其特征
2.2.1 总磷的含量、分布及其特征
长江口柱状样沉积物中总磷(TP)的平均值为(521.7±38.4)×10-6,含量的变化范围为(437.7~673.0)×10-6。SH3110站位的TP平均值为(531.0±28.6)×10-6,变化范围为(437.7~593.5)×10-6;SH3111站位的TP平均值为(509.1±46.5)×10-6,变化范围为(447.8~673.0)×10-6。两柱状样沉积物中TP含量相近,这是因为两柱状样同在长江口附近,相距较近,长江冲淡水中泥沙携带的磷是其主要来源。长江口沉积物中的磷浓度受长江径流和输沙量的制约,由于长江冲淡水及其携带的泥沙的输入,给长江口提供了丰富的营养物质,致使两柱状样的总磷浓度较高[11]。
但从两个柱状样的垂直分布(图 4)看,SH3110柱状样在沉积物表层(0~6 cm)的总磷含量是随深度增加其含量逐渐递减,在表层以下虽然有些波动但整体上其含量逐渐递增。总体来说,SH3110站位柱状样的整体波动不大,这与SH3110柱的自然沉积良好,沉积环境较少受到外部条件扰动相符合。而SH3111柱状样在沉积物表层(0~12 cm),随深度增加其含量逐渐递减,但表层以下呈现波动现象,这可能是因为SH3111柱状样在长江口拦门沙地带,是最大的浑浊带,水动力较强,所以底层呈波状式波动,表层0~5 cm,随深度减小其TP含量急剧增加,可能是近些年来,随着社会经济的发展人类活动的增加,陆源输入不断增长,长江径流水体中磷的浓度明显增长[12]。总磷含量随深度的变化与长江径流及输沙量的年际变化关系紧密[11]。
2.2.2 无机磷的含量、分布及其特征
长江口柱状样沉积物中无机磷(IP)含量的平均值为(412.3±34.8)×10-6,含量的变化范围为(341.9~468.4)×10-6,无机磷占总磷的比重(IP/TP)为60.4%~95.8%。SH3110站位的平均值为(411.1±34.2)×10-6,变化范围为(341.9~461.0)×10-6,IP/TP为63.9%~90.9%;SH3111站位的平均值为(414.0±36.4)×10-6,变化范围为(344.7~468.4)×10-6,IP/TP为60.4%~95.8%。由IP/TP可以判断,IP是该站位沉积物中磷的主要存在形式, 占控制地位。两个柱状样的IP的垂直分布(图 5)呈波动往复式,大体上呈两头大,中间小的特点,这可能也与长江径流及输沙量的年际变化关系紧密相关[12]。
2.2.3 弱吸附态磷的含量、分布及其特征
长江口柱状样沉积物中弱吸附态磷(Ads-P)含量的平均值为(8.4±2.7) ×10-6,含量的变化范围为(4.2~14.2)×10-6。SH3110站位柱状样沉积物中Ads-P含量的平均值为(10.4±1.6)×10-6,变化范围为(7.2~14.2)×10-6,SH3111站位的平均值为(5.6±0.8)×10-6,变化范围为(4.2~7.1)×10-6。显然,SH3110柱状样沉积物中的Ads-P含量比SH3111柱状样高,约是其1倍。因为沉积物中Ads-P是活性磷,主要源于水生颗粒,即来源于沉降颗粒的吸附或生物碎屑的再生。SH3111站位因为黄海沿岸流的经过,与长江入海水相撞,使该站位的沉降颗粒磷的吸附更充分。从两柱状的垂直分布图 6可以看出,SH3110站位在20 cm处出现极大值,根据SH3110的平均沉积速率2.44 cm/a,可以计算出对应的年份为2001年左右;而SH3111站位则是在8 cm处出现极大值,根据SH3111的平均沉积速率1.13 cm/a,可以计算出对应的年份为2002年左右。由此可见,在2001、2002年左右长江口有高出其他年份的陆源物质输入。SH3110和SH3111柱状样的Ads-P含量基本规律是由表至底,呈现先增加后减少又增加的趋势。
2.2.4 铁结合态磷的含量、分布及其特征
长江口柱状样沉积物中铁结合态磷(Fe-P)含量的平均值为(108.0±23.1)×10-6,含量的变化范围为(67.3~173.1)×10-6。SH3110站位Fe-P含量的平均值为(99.9±15.6)×10-6,变化范围为(67.3~132.5)×10-6,SH3111站位的平均值为(119.0±27.2)×10-6,变化范围为(77.1~173.1)×10-6。由Fe-P的垂直分布(图 7)可以发现,SH3110和SH3111柱状样的Fe-P垂直变化都比较复杂,基本上呈多峰值的变化规律,这可能是受早期成岩作用影响的缘故[13]。此外,两柱状样的Fe-P的含量分别在表层(20 cm)和(10 cm)存在富集,即存在表层“屏蔽”现象。因为在埋藏过程中,沉积物的表层会形成铁、锰的表面氧化层,而在深层厌氧还原环境中,沉积形成的磷矿物会被还原生成磷酸盐,这些磷酸盐可以通过孔隙水向上扩散迁移。然而,表层的铁锰氧化物可以强烈吸附向上扩散迁移的磷酸盐,因此“屏蔽”了磷酸盐向上覆水体的进一步扩散,从而引起Fe-P在表层的富集[14]。
2.2.5 自生磷灰石及钙结合态磷的含量、分布及其特征
钙磷可以分成两类,一是碎屑磷灰石(De-P)二是自生磷灰石及钙结合态磷(Ca-P)。De-P主要来自变质岩或岩浆岩, 而Ca-P主要来源于生物骨骼碎屑、碳酸钙结合磷及沉淀在间隙水溶液中的碳酸盐氟磷灰石[15]。表层沉积物中自生磷灰石主要来源于海洋生物骨骼碎屑,氟磷灰石一般形成于表层2 cm以下[16]。长江口柱状样沉积物中自生磷灰石及钙结合态磷(Ca-P)含量的平均值为(10.8 ± 2.2)×10-6,含量的变化范围为(6.2~15.0)×10-6。SH3110站位的平均值为(12.0±1.2)×10-6,变化范围为(9.2~14.6)×10-6。SH3111站位的平均值为(9.3±2.4)×10-6,变化范围为(6.2~15.0)×10-6。两柱状样的Ca-P含量相差不大,这是因为都位于长江口,且距离不远,但垂直变化有差异。SH3110柱状样的Ca-P垂直分布(图 8)除了在18 cm处出现极小值外,在表层(4~36 cm)还是比较稳定的,这与SH3110柱状样的沉积环境稳定,受外部条件扰动较少有关,因为SH3110柱状样210Pb衰变曲线的R2值为0.9664。而SH3111柱状样Ca-P随深度不同,<20 cm层的含量高于>20 cm层的含量。这可能是因为表层环境因子变化比较剧烈, 所以其含量变化较大。总体来说,SH3111柱状样的Ca-P随深度增加含量降低。
2.2.6 碎屑磷灰石磷的含量、分布及其特征
长江口柱状样沉积物中碎屑磷灰石磷(De-P)含量的平均值为(287.0±32.5)×10-6,含量的变化范围为(201.6~365.4)×10-6。SH3110站位柱状样沉积物中De-P含量的平均值为(288.8±30.2)×10-6,变化范围为(201.6~328.7)×10-6。SH3111站位平均值为(284.6±36.0)×10-6,变化范围为(224.7~365.4)×10-6。SH3110和SH3111柱状样的垂直分布见图 9,由图可知,从总体上来看,两柱状样都呈现出由表层到底层含量增加的趋势。因为SH3110柱状样的沉积速率是SH3111柱状样的2倍,SH3110柱状样的长度也大体是SH3111柱状样的2倍,所以变化趋势相近,说明对应年代的变化也是类似的。
2.2.7 有机磷的含量、分布及其特征
长江口柱状样沉积物中有机磷(OP)含量的平均值为(58.4±14.2)×10-6,含量的变化范围为(29.9~93.1)×10-6。SH3110站位柱状样沉积物中OP含量的平均值为(60.6±14.8)×10-6,变化范围为(36.8~93.1)×10-6,SH3111站位平均值为(55.6±13.1)×10-6,范围为(29.9~79.2)×10-6。从图 10 OP的垂直分布可以看出,SH3110和SH3111柱状样都呈现出两端低、中间高的分布特征。SH3110柱状样在20 cm和40 cm处出现极大值,按照沉积速率为2.44 cm/a估算得出对应的年代分别为2001年和1993年,而SH3111柱状样最大值出现在15 cm处,其沉积速率为1.13 cm/a,估算出对应的年代为1996。两个站位柱状样的有机磷垂直分布反应了长江口磷负荷受人为影响在上世纪90年代比较严重,这与我国在90年代大量使用磷肥相符合。该时段与长江口的高排污期对应[17],因此反映了沉积物中OP含量的显著增加与人类排污有关。
2.3 长江口柱状样沉积物中有机磷的降解
不同站位沉积物中不同形态磷的垂向分布从一定程度上反映了在早期成岩过程中所发生的反应, 记录了不同时期沉积物中磷的形态及含量变化与其它环境条件变化的信息。从不同站位沉积物中OP的垂向分布图 10可以看出,其在表层和次表层呈下降趋势, 即沉积物中有机质的矿化分解主要在表层有氧区内进行。将k对沉积物深度作图得到降解速率垂直变化图(图 11)。由图 11中可以看出,两柱状样k值的垂直分布各不相同。SH3110柱状样沉积物中的k值在2~4 cm层段呈增加趋势;在4~30 cm,随深度增加呈现下降趋势,30 cm过后保持稳定;4~16 cm快速下降,说明4~16 cm是SH3110柱状样沉积物中有机磷的主要降解深度。而SH3111柱状样沉积物中k值呈波动式反复减小。SH3110柱状样次表层k值出现了快速下降的趋势,说明有机磷的降解主要发生在表层有氧区而SH3111柱状样的k值在0.003~0.020/a之间波动式反复,可能是因为该柱状样沉积物衰变曲线的相关系数R2为0.5178(图 3),说明该柱的沉积状态不是很好,沉积环境受到扰动。再加上SH3111站位水深才9 m,而且地处长江口拦门沙段,是最大混浊带地区,因此水动力条件比较活跃,使得柱状样中氧气的渗透量比较高。
2.4 长江口柱状样沉积物中氮磷的比值关系
在沉积物早期成岩过程中,氮磷比值具有重要的意义。对于非陆源物质为主的沉积物,氮磷比值在沉积之初保持16:1,但随着矿化作用的进行,其比值关系将会变化。在受陆源输入物质影响强烈的地区,氮磷比会偏离16:1,成岩过程中变化更加复杂。反过来,氮磷比值的变化也可以指示沉积物在早期成岩作用进行的程度以及沉积环境的变化。图 12显示,两柱状样的氮磷比值均很低,平均值分别为1.2和1.3,远低于Redfield比(16:1),即沉积物中保留的氮较少而磷较多,说明长江口沉积物中的磷主要是陆源的。沉积物中氮损失的途径可能是参加氮循环的各种微生物的作用,特别是硝化作用和反硝化作用,将氮最终以气态的N2或是N2O的形式释放到大气中[18]。考虑到长江口的沉积环境,其NO3-含量丰富,局部存在厌氧环境,发生反硝化作用是完全可能的,所以反硝化作用可认为是造成氮磷比值低的原因之一。磷的增加可能是陆源物质的影响,近十几年来,随着沿岸经济迅速发展,工业排放的磷急剧增加,使得沉积物中磷含量大幅度增加。此外,沉积物中磷经早期成岩作用,很大一部分转化为惰性态的磷而保留下来,释放的磷也可以通过成岩再分配重新回到沉积物中,真正因矿化作用流失的很少,即磷的保存效率高于氮。从垂直分布图 12来看,SH3110柱状样的TN/TP相对来说比较稳定,仅在底层发生较大的变化,在94 cm处时出现一个极大值。而SH3111柱状样的TN/TP,出现中间大两边小的垂直趋势,分别在10 cm和18 cm处出现两个极大值。
2.5 长江口柱状样沉积物中磷的历史变化趋势
柱状样SH3110和SH3111的沉积速率分别为2.44 cm/a和1.13 cm/a,根据柱状沉积物样品的长度计算得到,SH3110和SH3111柱状样沉积物中分别代表了站位邻近海域大约43 a和50 a磷的沉积历史。图 13是长江口柱状样中总磷和总氮随年代变化趋势图,从图中可以看出,柱状样SH3110在1970年出现一个极小值,这可能是因为在1969~1973年扩大入江水道工程全面开工,先后建三河拦河坝、大汕子隔堤和淮南堤,使新三河改道直入高邮湖,使得输沙量大幅减少,所以会出现极小值。柱状样SH3111从1960~2004年波动性变化,但基本上含量变化不是很大,但2004年之后含量剧烈增加。
将长江口柱状沉积物中的总氮和总磷随年代的变化趋势相比较,我们可以看出,对SH3110柱状样在1975年之前,其总氮随年代的变化与总磷随年代的变化趋势正好相反,这可能因为沉积环境对于氮和磷的影响不同,而1975年之后,变化趋势一致,说明长江口沉积物中的氮磷主要来源于陆源。这是因为20世纪80年代随着经济的发展,人类活动向海洋中排放氮磷物质的量也随之增加,致使氮和磷随年代变化的规律相似。对SH3111柱状样,沉积物中总氮随年代变化的趋势与总磷随年代变化的趋势不同,这与SH3111站位复杂的沉积环境有关。
3 结论
(1) SH3110和SH3111站位沉积物的沉积速率分别2.44 cm/a和1.13 cm/a。
(2) 两个柱状样5种形态磷的含量大小顺序均为De-P>Fe-P>OP>Ca-P>Ads-P。由于两柱状样距离很近,都受长江水影响,垂直分布相似。
(3) SH3110柱状样的有机磷降解速率常数k值在次表层出现快速下降趋势,说明有机磷降解发生在表层有氧区;SH3111柱状样k值在0.003~0.020/a之间波动。
(4) 两柱状样沉积物中氮磷比值平均值分别为1.2和1.3,远低于Redfield比,即沉积物中保留的氮较少、磷较多,说明长江口沉积物中的磷主要来自陆源。
(5) SH3110柱状样总氮和总磷随年代变化的趋势1975年前相反,1975年后一致;SH3111柱状样总氮随年代的变化趋势与总磷不同。
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期刊类型引用(6)
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2. 李若华,赵坤,宋立松. 钱塘江河口段不同赋存形态的氮磷含量及分布特征. 浙江水利科技. 2023(02): 6-12 . 百度学术
3. 林俊,杨红,王春峰. 长江口沉积物有机碳及溶解有机质结构对外源磷输入的响应. 上海海洋大学学报. 2023(03): 618-627 . 百度学术
4. 宋振阳,孙志高,师自香,贺攀霏,胡星云,夏星辰,李亚瑾,武慧慧. 外源氮输入对闽江河口芦苇湿地土壤磷形态赋存特征的影响. 生态学报. 2023(14): 5902-5915 . 百度学术
5. 张鹏飞,孙志高,陈冰冰,何涛,王华,俞琳莺,李晓,王杰. 闽江口芦苇与短叶茳芏空间扩展对湿地土壤磷赋存形态的影响. 生态学报. 2020(21): 7553-7566 . 百度学术
6. 刘金金,张玉平,李晓蓓. 凡纳滨对虾池塘沉积物中氮、磷形态的赋存特征. 广东海洋大学学报. 2019(06): 39-47 . 百度学术
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