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  • ISSN 1007-6336
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昌黎七里海潟湖及不同年限围垦区表层沉积物磷赋存形态及分布特征

孙怡陶 郭晓楠 王茜茜 张鉴达 侯素霞 金照光 高伟明

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昌黎七里海潟湖及不同年限围垦区表层沉积物磷赋存形态及分布特征

    作者简介: 孙怡陶(1995-),女,辽宁辽阳人,硕士研究生,主要研究方向为区域环境污染迁移与转化,E-mail:sytt0514@163.com;
    通讯作者: 张鉴达(1981-),男,河北沧州人,副教授,主要研究方向为区域环境污染迁移与转化,E-mail:zjdrf@163.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(41401562);河北省自然科学基金项目(E2013205067);中国博士后科学基金项目(2014M561197);河北省高等学校青年拔尖人才计划项目(BJ2014041)
  • 中图分类号: P736

The chemical speciation and distribution of phosphorus in sediments of Qilihai lagoon and reclamation area of different years in Changli

  • 摘要: 本文以七里海潟湖湿地围垦区及潟湖内部为研究区域,以空间代换时间,结合现场勘查及遥感解译将养殖围垦区分为养殖32年和养殖19年,分析了不同年限潟湖围垦区及潟湖内部沉积物磷的赋存形态和空间分布特征,并对其生态风险进行评估。结果表明:研究区总磷(TP, total phosphorus)含量范围为255.59×10−6~474.90×10−6,无机磷(IP, inorganic phosphorus)为210.90×10−6~428.92×10−6,有机磷(OP, organic phosphorus)为10.78×10−6~56.06 ×10−6,铁铝结合态磷(Fe/Al-P, iron-aluminum-bound phosphorus)为19.89×10−6~86.22 ×10−6,钙结合态磷(Ca-P, calcium-bound phosphorus)为140.03×10−6~276.55 ×10−6。TP、IP和Ca-P存在相似的空间分布特征,均表现为潟湖中心>围垦区西北部>潟湖东北沿岸养殖区。总体来看,潟湖中心沉积物各形态磷含量普遍高于围垦区,而七里海潟湖湿地经围垦养殖后,随着养殖年限的增加,各形态磷含量均存在不同程度的增加。从单因子指数评价结果来看,随着围垦养殖年限的增加,磷的释放风险增加,其中,潟湖中心磷释放风险较大。
  • 图 1  七里海潟湖研究区采样点

    Figure 1.  The sampling sites of the Qilihai lagoon

    图 2  SMT法磷形态分级提取流程

    Figure 2.  Sequential extraction schemes of SMT method

    图 3  围垦区与潟湖表层沉积物TP、OP、IP差异

    Figure 3.  Difference of TP, OP and IP in reclamation area and lagoon

    图 4  围垦区与潟湖表层沉积物Fe/Al-P、Ca-P差异

    Figure 4.  Difference of Fe/Al-P and Ca-P in reclamation area and lagoon

    图 5  七里海围垦区及潟湖中心表层沉积物TP及磷形态平面分布

    Figure 5.  Horizontal distribution of phosphorus form of surface sediments in reclamation area and lagoon

    表 1  污染程度分级标准

    Table 1.  Standard of classification pollution level

    污染程度S污染程度S
    未受污染<0.5中度污染1.0~1.5
    轻度污染0.5~ 1.0重度污染≥1.5
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    表 2  围垦区与潟湖表层沉积物TP及其形态

    Table 2.  Phosphorus form content in reclamation area and lagoon

    采样点w/×10−6
    TPOPIPFe/Al-PCa-P
    1#407.5656.02402.7843.33225.65
    2#353.1627.11296.9873.75215.87
    3#395.2419.88369.0143.20261.30
    4#314.6314.38274.9744.95206.73
    5#255.5910.78210.9019.89140.03
    6#353.1035.99315.1137.94250.81
    7#351.4430.70299.6148.57230.28
    8#441.7955.91329.2286.22224.47
    9#449.8437.83419.6634.33276.55
    10#464.7354.19418.5655.91272.26
    11#474.9056.06428.9282.84264.85
    平均值387.4536.26342.3451.90233.53
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    表 3  围垦区与潟湖表层沉积物中磷形态与理化性质的相关性分析

    Table 3.  Pearson correlation coefficients of phosphorus form and the physicochemical properties in reclamation area and lagoon(n=11)

    指标TPOPIPFe/Al-PCa-P
    粘粒0.0410.1520.0170.4530.133
    粉砂粒0.1770.3340.0060.651*0.170
    砂粒−0.162−0.315−0.008−0.643*−0.168
    TC0.705*0.837**0.5880.5120.391
    TN0.2490.5350.2150.3530.037
    pH0.3400.2770.0490.4590.186
    EC0.5670.679*0.642*0.1210.341
    含水量0.658*0.5700.4350.4000.339
    注:*为sig=0.05时显著相关,**为sig=0.01时显著相关
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    表 4  围垦区与潟湖表层沉积物单因子污染指数

    Table 4.  Single factor pollution index in reclamation area and lagoon

    采样点S采样点S
    1#1.737#1.50
    2#1.508#1.88
    3#1.689#1.91
    4#1.3410#1.98
    5#1.0911#2.02
    6#1.50
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-08
  • 录用日期:  2020-08-15
  • 刊出日期:  2021-10-20

昌黎七里海潟湖及不同年限围垦区表层沉积物磷赋存形态及分布特征

    作者简介:孙怡陶(1995-),女,辽宁辽阳人,硕士研究生,主要研究方向为区域环境污染迁移与转化,E-mail:sytt0514@163.com
    通讯作者: 张鉴达(1981-),男,河北沧州人,副教授,主要研究方向为区域环境污染迁移与转化,E-mail:zjdrf@163.com
  • 1. 河北师范大学 资源与环境科学学院 河北省环境变化遥感识别技术创新中心 河北省环境演变与生态建设省级重点实验室,河北 石家庄 050024
  • 2. 邢台职业技术学院 资源与环境工程系,河北 邢台 054000
  • 3. 昌黎黄金海岸国家级自然保护区管理处,河北 秦皇岛 066000
基金项目: 国家自然科学基金项目(41401562);河北省自然科学基金项目(E2013205067);中国博士后科学基金项目(2014M561197);河北省高等学校青年拔尖人才计划项目(BJ2014041)

摘要: 本文以七里海潟湖湿地围垦区及潟湖内部为研究区域,以空间代换时间,结合现场勘查及遥感解译将养殖围垦区分为养殖32年和养殖19年,分析了不同年限潟湖围垦区及潟湖内部沉积物磷的赋存形态和空间分布特征,并对其生态风险进行评估。结果表明:研究区总磷(TP, total phosphorus)含量范围为255.59×10−6~474.90×10−6,无机磷(IP, inorganic phosphorus)为210.90×10−6~428.92×10−6,有机磷(OP, organic phosphorus)为10.78×10−6~56.06 ×10−6,铁铝结合态磷(Fe/Al-P, iron-aluminum-bound phosphorus)为19.89×10−6~86.22 ×10−6,钙结合态磷(Ca-P, calcium-bound phosphorus)为140.03×10−6~276.55 ×10−6。TP、IP和Ca-P存在相似的空间分布特征,均表现为潟湖中心>围垦区西北部>潟湖东北沿岸养殖区。总体来看,潟湖中心沉积物各形态磷含量普遍高于围垦区,而七里海潟湖湿地经围垦养殖后,随着养殖年限的增加,各形态磷含量均存在不同程度的增加。从单因子指数评价结果来看,随着围垦养殖年限的增加,磷的释放风险增加,其中,潟湖中心磷释放风险较大。

English Abstract

  • 围垦养殖是湿地开发利用的主要方式之一,养殖塘作为一个小型水生生态系统,向内投放的大量饲料及微生物菌液中有30%左右无法被养殖生物利用,导致水体中营养物质高度富集。当养殖废水排放进入近岸水域后,极易引起近岸水域富营养化。沉积物具有蓄积上覆水中营养物质的能力,但在曝气、风浪、水淹、频繁的人为扰动和养殖生物扰动等特定情况下,蓄积在沉积物中的营养物质会释放到上覆水中,从而引起近岸海域水质污染。

    近年来,国内外关于滩涂湿地围垦养殖对沉积物环境质量影响的研究主要集中在围垦养殖对沉积物理化性质、磷赋存形态及空间分布特征的影响等方面。但是关于半封闭式潟湖湿地大规模围垦养殖过程对沉积物环境质量影响的研究相对较少。Marcellin等发现氮、磷的主要来源是养殖系统内饲料和粪肥的投入[1]。Gao等发现养殖生物密度高的环境中磷含量显著升高[2]。Qi等研究发现网箱养殖中的氮磷比远高于沿海海域[3]。黄小平等对大鹏澳养殖区柱状沉积物的研究发现,在网箱养殖和贝类养殖区中,总磷含量从底层至表层呈增加趋势[4]。张小勇等有同样的发现,养殖活动使桑沟湾表层沉积物中磷含量大大增加,各形态磷含量的变化幅度也较大[5]

    昌黎七里海潟湖是由沿岸沙丘围封的半封闭式现代潟湖,特殊的生态类别使其具有极高的研究价值。1969年至20世纪80年代后期,七里海潟湖周边开始修筑围堤,开垦海水养殖场,潟湖水体面积从984.2 ha剧烈收缩至365.35 ha。2001-2015年为潟湖整治修复期,海岸性咸水湖面积有所减少。本文采用空间代换时间的方法,首次系统地揭示了七里海潟湖湿地不同年限养殖区与潟湖内部表层沉积物磷形态及理化性质的差异,并对其生态风险进行了评估。研究结果可为潟湖湿地大规模长期围垦养殖后沉积物环境的质量变化提供数据支撑,为判断湿地围垦区沉积物是否为潜在磷污染源提供科学依据,为管控湿地围垦规模、合理规划潟湖周边环境及改善七里海潟湖的生态环境和自然景观提供理论依据,对探究渤海海域生态环境变化具有重要意义。

    • 为研究七里海潟湖及围垦区表层沉积物磷赋存形态及其分布特征,本文选取潟湖周边围垦养殖区及潟湖内部作为研究样地。根据《秦皇岛海域海洋养殖经济对海洋生态环境的影响》中对潟湖生态系统的研究内容并结合遥感影像,确定研究样地存在不同养殖年限的围垦区,其中,围垦区西北侧从1987年开始养殖,年限约为32年;1990年以后潟湖内开始建塘养殖,约有30年养殖历史;潟湖边界围垦区从2000年开始围垦,年限约为19年。

      2019年11月,利用GPS定位系统,在研究区内选取11个采样点(1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#和11#),其中,1#至7#采样点位于养殖19年区域,8#和9#采样点位于养殖32年区域,10#和11#采样点位于潟湖中心区域,具体如图1所示。利用蚌式底泥采样器采集表层沉积物,多点采样混合后编号装入自封袋,于4 ℃下避光保存。选取未受干扰的样品晾晒、干燥,清除杂物,并用钵体研磨,用四分法取研磨样品,过10目尼龙筛后用于沉积物理化性质的分析,过100目尼龙筛后用于沉积物TP及磷赋存形态的测定。

      图  1  七里海潟湖研究区采样点

      Figure 1.  The sampling sites of the Qilihai lagoon

    • 沉积物TP及磷形态的测定采用欧洲标准测试委员会推荐的淡水沉积物磷形态分离方法——SMT法。该方法利用不同化学浸提剂对沉积物各磷形态具有不同浸提能力的特性,将各磷形态进行逐级分离[6-7]。SMT法将沉积物中磷形态分为铁铝结合态磷(Fe/Al-P, iron-aluminum-bound phosphorus)、钙结合态磷(Ca-P, calcium-bound phosph hyphenorus)、无机磷(IP, inorganic phosphorus)、有机磷(OP, organic phosphorus)和TP,提取流程如图2所示。沉积物粒度采用英国Malvern Mastersizer 3000激光粒度仪进行测定,分析0~3500 μm的沉积物颗粒的大小及构成比例;沉积物含水量采用烘干法进行测定;pH及EC分别采用pHS-2F pH计和DDS-11A电导率仪测定;TC及TN利用EURO EA3000碳氮元素分析仪测定。

      图  2  SMT法磷形态分级提取流程

      Figure 2.  Sequential extraction schemes of SMT method

    • 本文采用单因子标准指数法评价研究区沉积物中TP含量的生态风险水平,根据加拿大安大略省环境和能源部发布的评价指南,以600×10−6为能够引起最低级别生物毒性效应的TP含量阈值[8]。单因子指数法计算公式为:

      式中:S为单项评价指数;C为评价因子的实测值;$ {C}_{s} $为评价因子的评价标准值,该标准值采用1992年加拿大安大略省环境和能源部制定的沉积物质量评价指南中的$ {C}_{s} $=235×10−6作为参考。该方法被广泛应用于沉积物氮、磷的污染评价[8]。污染程度的分级标准见表1

      污染程度S污染程度S
      未受污染<0.5中度污染1.0~1.5
      轻度污染0.5~ 1.0重度污染≥1.5

      表 1  污染程度分级标准

      Table 1.  Standard of classification pollution level

    • 本实验所有试验数据采用Microsoft Excel 2016计算整理,以平均值±标准偏差($\bar x $±SD)表示;基于SPSS 21进行数据统计分析,研究区域采样点分布图及各形态磷含量等高线图采用ArcGIS 10.3绘制,柱状图采用Origin 8.0绘制。

    • 从围垦区与潟湖表层沉积物TP及各磷形态含量的分布可以看出(表2),IP含量占TP的88%,是表层沉积物中磷的主要存在形式,这与江辉煌等对渤海沉积物中磷分布特征的研究结果一致[9]。TP、OP、IP含量峰值均出现在潟湖中心(11#),一方面是由于周边海水养殖场废水均排往潟湖,使得大量的营养盐物质在潟湖中心沉淀;另一方面与沉积环境及水流运动有关,潟湖内部主要通过新开口通道与渤海进行水体交换,水流量较小,极易造成沉积物中磷的富集。TP、OP、IP含量的最低值均出现在5#站位,主要原因是养殖塘水体更换较频繁,磷含量较低。

      采样点w/×10−6
      TPOPIPFe/Al-PCa-P
      1#407.5656.02402.7843.33225.65
      2#353.1627.11296.9873.75215.87
      3#395.2419.88369.0143.20261.30
      4#314.6314.38274.9744.95206.73
      5#255.5910.78210.9019.89140.03
      6#353.1035.99315.1137.94250.81
      7#351.4430.70299.6148.57230.28
      8#441.7955.91329.2286.22224.47
      9#449.8437.83419.6634.33276.55
      10#464.7354.19418.5655.91272.26
      11#474.9056.06428.9282.84264.85
      平均值387.4536.26342.3451.90233.53

      表 2  围垦区与潟湖表层沉积物TP及其形态

      Table 2.  Phosphorus form content in reclamation area and lagoon

      Fe/Al-P最大值和最小值分别出现在8#和5#站位,主要是由于Fe/Al-P的释放受底栖生物扰动的影响较大,8#站位养殖年限较长,受生物影响较大。相关研究发现,养殖增加了沉积物中Fe/Al-P的含量,也增加了沉积物对磷的吸附容量[10-11]。此外,采样时的淹水条件及干涸情况对Fe/Al-P的含量也存在影响,养殖区的周期性清淤活动也增加了Fe/Al-P的变异性。

      Ca-P是沉积物中较稳定的存在形态,不易释放到上覆水体中[12]。Ca-P最高值出现在9#站位,这主要是因为9#站位围垦时间较长,且9#站位所在养殖塘养殖大量贝类,沉积物中存在大量CaCO3,贾雪莹的研究表明,沉积物中的Ca-P含量与CaCO3有关[13],熊卿在其研究中同样发现,随着池塘养殖年限的增加,Ca-P含量呈上升趋势[14]

      从不同养殖年限围垦区与潟湖中心区域表层沉积物中TP及其形态差异(图3图4)可以看出,随着养殖年限的增加,研究区表层沉积物中TP、OP、IP、Fe/Al-P、Ca-P含量分别增加了22.11%、40.60%、17.23%、26.14%、12.71%,并且均呈现出潟湖中心>养殖32年>养殖19年的趋势,这主要是因为七里海潟湖是半封闭式潟湖,湖水流动性弱,换水周期长,水体一旦受到污染,很难借助潟湖水体的输入和输出实现水体交换,解决污染问题[15]

      图  3  围垦区与潟湖表层沉积物TP、OP、IP差异

      Figure 3.  Difference of TP, OP and IP in reclamation area and lagoon

      图  4  围垦区与潟湖表层沉积物Fe/Al-P、Ca-P差异

      Figure 4.  Difference of Fe/Al-P and Ca-P in reclamation area and lagoon

    • 从沉积物中磷赋存形态与理化性质的相关分析(表3)可以看出,Fe/Al-P与粉砂粒呈显著正相关性(r=0.651),与砂粒则表现为显著负相关性(r=−0.643),这表明沉积物粒径越细越容易吸附Fe/Al-P,这与余成等对坦噶尼喀湖表层沉积物磷形态的分布研究结果一致[16]。砂粒与各磷形态均为负相关性,这表明沉积物越疏松越容易将磷素释放到上覆水中。

      指标TPOPIPFe/Al-PCa-P
      粘粒0.0410.1520.0170.4530.133
      粉砂粒0.1770.3340.0060.651*0.170
      砂粒−0.162−0.315−0.008−0.643*−0.168
      TC0.705*0.837**0.5880.5120.391
      TN0.2490.5350.2150.3530.037
      pH0.3400.2770.0490.4590.186
      EC0.5670.679*0.642*0.1210.341
      含水量0.658*0.5700.4350.4000.339
      注:*为sig=0.05时显著相关,**为sig=0.01时显著相关

      表 3  围垦区与潟湖表层沉积物中磷形态与理化性质的相关性分析

      Table 3.  Pearson correlation coefficients of phosphorus form and the physicochemical properties in reclamation area and lagoon(n=11)

      TP、OP与TC呈显著正相关性,而其他磷形态与TC相关性并不明显,说明研究区表层沉积物中的碳多来自外源有机物质的输入。TN与各磷形态间相关性均不显著,表明研究区内磷素的富集与农业污染关系不大,Cao等认为养殖系统中的氮多来自渔用饲料[17]。pH与各磷形态也没有显著相关性,这说明酸碱度并非影响沉积物中磷释放的主要因素。EC与OP、IP呈显著正相关性,这表明EC的大小与营养盐的离子类型有关[18]。TP与含水量呈显著正相关性,由此推测沉积物含水量越高越易导致磷素的富集。

    • 从研究区表层沉积物中各磷形态的空间分布可知(图5),TP呈现出潟湖中心>围垦区西北部>潟湖东北部沿岸养殖区的分布特征。潟湖东北沿岸TP含量较低,一方面,可能是由于东北部沿岸养殖区养殖时间相对较短,且入湖口区域水流对沉积物扰动剧烈,使得沉积物−水界面之间磷的交换与释放随之加强;另一方面,潟湖东北沿岸养殖区6#和7#站位沉积物粒度粉砂质比例较大,导致陆源输入物质在沉积物中的沉积作用较弱[17]

      图  5  七里海围垦区及潟湖中心表层沉积物TP及磷形态平面分布

      Figure 5.  Horizontal distribution of phosphorus form of surface sediments in reclamation area and lagoon

      IP与TP具有相同的分布趋势,表现为围垦区北部IP含量较高,这主要是由于围垦区北部养殖时间相对较长,剩余饵料及代谢产物的增加导致沉积物营养盐含量升高。IP与TP在潟湖中心出现峰值,一是因为当渤海水流携带污染物进入湖区时,由于断面扩大,流速突然减慢,易造成污染物质的沉积;二是因为潟湖周边围垦区养殖废水的排放加重了营养物质在潟湖内部的富集。

      Ca-P在底泥中的存在形态较稳定,不易释放到上覆水中,Ca-P空间分布总体表现为潟湖中心>围垦区西北部>潟湖东北沿岸养殖区,与TP和IP分布趋势一致。Ca-P峰值出现在9#站位,一方面,可能是由于9#站位养殖年限较长,大量贝类养殖生物造成CaCO3富集,从而导致Ca-P含量的增加,此外,OP的矿化部分向Ca-P转化也可能造成Ca-P含量的增加;另一方面,9#站位沉积物粘粒及粉砂粒比例最高,Ca-P较多吸附在细颗粒物中,从而导致Ca-P的大量累积,这与尹爱经等的研究结果一致[19]

      Fe/Al-P在空间分布上规律性较弱,表现为潟湖中心>围垦区北部>潟湖北部及东北沿岸养殖区,Fe/Al-P的空间分布特征与其他磷形态不存在明显相关性。主要是由于Fe/Al-P受人为活动及陆源输入的影响较大,且养殖生物的扰动对沉积物氧化还原环境的影响显著,从而使Fe/Al-P含量发生变化,而这种生物扰动对其他磷形态的影响不大。

      OP含量在空间分布上无连续变化趋势,表现为潟湖中心、东南沿岸养殖区及围垦区北部含量较高,潟湖西北及东北沿岸养殖区含量较低。OP峰值出现在潟湖中心靠北区域(11#站位),主要是由于从渤海通过新开口冲积过来的沉积物在此堆积。潟湖西北及东北沿岸养殖区OP含量整体较低,一方面,可能是因为养殖塘面积较小,生物扰动强度较高,加快了OP的转化;另一方面,海参等沉积食性动物摄食沉积物中的有机质、动植物有机碎屑和粪便等,养殖海参能够有效降低沉积物中有机质的积累,从而导致OP含量降低[20]

    • 从沉积物单因子污染指数计算结果可以看出(表4),所有站位的S值均大于1,这表明研究区所有站位的TP含量均超过评价标准值,对环境存在一定的生态风险。研究区内除4#、5#站位为中度污染外,其余站位均达到重度污染,这说明潟湖内部磷营养盐含量较高,富营养化现象严重,且围垦养殖时间越长沉积物磷的释放风险越大,围垦养殖是造成研究区水华现象的主要原因。后续应有针对性地加强潟湖中心区域及养殖32年区域沉积物磷的监测,加大潟湖水体富营养化的治理力度。

      采样点S采样点S
      1#1.737#1.50
      2#1.508#1.88
      3#1.689#1.91
      4#1.3410#1.98
      5#1.0911#2.02
      6#1.50

      表 4  围垦区与潟湖表层沉积物单因子污染指数

      Table 4.  Single factor pollution index in reclamation area and lagoon

    • (1)七里海潟湖湿地围垦区及潟湖中心TP含量范围为255.59×10−6~474.90×10−6, IP为210.90×10−6~428.92×10−6,OP为10.78×10−6~56.06×10−6,Fe/Al-P为19.89×10−6~86.22 ×10−6,Ca-P为140.03×10−6~276.55 ×10−6。TP、IP和Ca-P具有相似的空间分布特征,表现为潟湖中心>围垦区西北部>潟湖东北沿岸养殖区;总体来看,潟湖中心沉积物各磷形态含量普遍高于围垦区,而湿地围垦后,随着养殖年限的增加,各磷形态含量均存在不同程度的增加。

      (2)相关性分析结果显示,沉积物的理化性质是影响围垦区与潟湖沉积物磷赋存形态的关键因素;Fe/Al-P主要受砂粒及粉砂粒的影响,TC对TP和OP的影响较大,EC对OP和IP的影响较大,含水量仅对TP产生影响。

      (3)单因子指数法对沉积物磷的释放风险评估结果表明,潟湖中心磷释放风险较大,且随着围垦年限的增加,磷的释放风险相应增加。

参考文献 (20)

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