芦苇对太湖沉积物的影响.pdf

第3 4 卷第2 期 2 0 0 5 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 2 ～0 1 4 8 0 4 芦苇对太湖沉积物的影响 徐德兰1 ’2 ，刘正文2 “，曾勇1 ，王洪君4 V 0 1 ．3 4N o ．2 M a r ．2 0 0 5 1 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国科学院南京地理与湖 自研究所，江苏南京2 1 0 0 0 8 ； 3 ．暨南大学水生生物研究所，广东广州5 1 0 6 3 2 ；4 ．中国科学院生态环境研究中心，北京1 0 0 0 8 5 摘要大型水生植物对沉积物中磷及相关因子的影响是个复杂的过程．一方面，其根系可从沉积 物中吸收营养，另一方面，其根系向沉积物中释氧从而影响磷的释放和磷的生物地球化学循环． 针对这一问题，采集了太湖芦苇区和无高等水生植物区沉积物，分析了磷、二价铁和二价锰，结果 发现1 芦苇区沉积物总磷 T P 含量在不同深度上均低于无高等水生植物区．2 2 ～4c m 的沉 积物亚铁 F e 2 富集峰最高，而二价锰 M n 2 的富集峰值在沉积物表层 o ～2c m ，且其含量随 着深度增加而减少．3 芦苇区沉积物E h 略大于无高等水生植物区．4 芦苇区沉积物中F e 2 ／ T P 原子比小于无高等水生植物区，且深度增加而增加． 关键词太湖；芦苇；沉积物；磷 中图分类号x5 2 4文献标识码A E f f e c to fP h r a g m i t e sC o m m u n i so nt h eS e d i m e n to fT a i h uL a k e X UD e l a n l ”，L I UZ h e n g w e n 2 ⋯，Z E N GY o n 9 1 ，W A N GH o n g j u n 4 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g h u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ．N a n j i n gI n s t i t u t eo fG e o g r a p h ya n dL i m n o l o g y ， C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 0 8 ，C h i n a ； 3 ．I n s t i t u t eo fh y d r o b i o l o g y ，J i n a nU n i v e r s i t y ，G u a n g z h o u ，G u a n g d o n g5 1 0 6 3 2 ，C h i n a ； 4 ．R e s e a r c hC e n t e rf o rE c o E n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c eo fa q u a t i cm a c r o p h y t e so ns e d i m e n tp h o s p h o r u si sac o m p l i c a t e dp r o c e s s ． O no n eh a n d ，t h er o o t so fa q u a t i cm a c r o p h y t e sc a nt a k eu pn u t r i e n t sf r o mt h es e d i m e n t s ；O nt h e o t h e rh a n d ，t h e yc a nr e l e a s eo x y g e nt ot h es e d i m e n t sa n dt h u sa f f e c tt h eb i o g e o c h e m i c a lc i r c l i n go f p h o s p h o r u s ．T o t a lp h o s p h o r u s T P ，F e 2 十，a n dM n 2 十i nt h es e d i m e n t w i t ha n dw i t h o u f p h r a g m i t e sc o m m u n i si nL a k eT a i h uw e r ee x a m i n e d ．T h er e s u l t ss h O Wt h a t1 t h eT Pi Sl o w e ri n s e d i m e n t sw i t hP h r a g m i t e st h a nt h a tw i t h o u tP h r a g m i t e s ；2 F e 2 a n dM n 2 十d e c r e a s e sw i t hd e p t h s o fs e d i m e n t sb u tt h e ya r ee n r i c h e da tad e p t ho f2 ～4c ma n d0 ～2c mi nt h es e d i m e n t ． r e s p e c t i v e l y ；3 r e d o xp o t e n t i a l E h i ss l i g h t l yh i g h e ri ns e d i m e n tw i t hP h r a g m i t e st h a nt h a t w i t h o u tP h r a g m i t e s ；4 t h ea t o m i cr a t i oo fF e 2 ／T Pi sl o w e ri nt h es e d i m e n t sw i t hP h r a g m i t e s t h a nt h a to fb a r es e d i m e n ta n di td e c r e a s e sw i t hd e p t ho fb o t hs e d i m e n t s ． K e yw o r d s T a i h uL a k e ；p h r a g m i t e sc o m m u n i s ；s e d i m e n t ；p h o s p h o r 磷常常是湖 白生态系统的限制因子‘1 ’引，沉积 物是磷的重要蓄积库．沉积物中的磷在一定条件下 释放到水体中，是湖泊内源负荷的主要组成部分． 早在上世纪三十年代，E i n s e l e [ 3 3 就发现铁元素是影 收稿日期2 0 0 4 0 6 0 7 基金项目中国科学院知识创新重大项目 K Z C X l 一S W 一1 2 ；国家8 6 3 计划项目 2 0 0 2 A A 6 0 1 0 1 作者简介徐德兰 1 9 7 5 一 ，男，安徽省宿州市人，讲师，在职博士生，从事植物生态和生物地球化学方面的研究 E m a i l x d l x w 1 2 6 ．t o m 万方数据 第2 期徐德兰等芦苇对太湖沉积物的影响 1 4 9 响沉积物氧化还原电位 E h 及磷释放的重要因 素，而水生植物根系能释放O 。促使F e 2 氧化成 F e 3 ，M 9 2 氧化成M 9 4 ，导致F e 3 十，M 9 4 含量增 加，F e 3 ，M 9 4 十同P O ] 一的络合会增加P 的沉 降[ 4 , 5 3 ，因而水生植物在湖泊系统元素生物地球化 学循环的作用受到了人们广泛的关注．芦苇 P h r a g m i t e sc o m m u n i s 是一种常见的挺水植物，根 系发达，对陆源营养及重金属有较大的截留作用， 在湖泊学研究和湖泊治理中受到关注[ 1 “] ．目前，芦 苇根系对磷及其相关因子亚铁 F e 2 、二价锰 M n 2 的研究尚未报道．本文对太湖梅梁湾芦苇 生长地沉积物中T P ，F e 2 ，M n 2 元素含量进行测 定，探讨芦苇群落对湖泊沉积物磷、铁、锰富集效 应，从而为进一步认识水生植物以及为湖泊生态系 统恢复提供科学依据． 1 自然地理概况 太湖是我国五大淡水湖之一，位于3 0 ⋯5 ～ 6 2 ⋯8 和1 1 9 。8 ’～1 2 1 。5 57 ，流域面积约为3 65 0 0 k m 2 ，湖泊面积2 4 2 8k m 2 ，平均深度1 ．8 9m ，最大 深度2 ．6m ，湖泊总蓄水量4 4 ．3 1 0 8m 3 ，为一典 型的浅水湖泊．气候属北亚热带南部向中亚热带北 部过渡的季风气候区，年平均温度1 4 ．9 ～1 6 ．2 ‘C ， 无霜期2 2 0 2 4 6d ，≥1 0 ’C 的活动积温47 6 05 2 0 0 ‘C ，年降水量10 0 0 ～i4 0 0m m ．本研究区采样 地点，梅梁湾位于太湖最北部，北接无锡市，南北长 1 4k m ，东西宽约8k m ． 2 工作方法 2 ．1 采样 采样研究地点为无锡太湖梅梁湾大浮乡，其附 近有芦苇和无高等水生植物区域的沉积物 如图 1 ．采样时间为2 0 0 3 年1 2 月3 日．采样时用柱状 采样器采集沉积物的柱状样，分别设立三个重复． 采集的沉积物自上到下 厚度分别为2 ，2 ，3 ，3 ，5 ，5 c m 分层，同时迅速测量各层E h ，放人便携式冷箱 中带到实验室进行分析． 图1 采样点的位置 F i g ．1 T h el a c t i o no fs a m p l i n gs i t e 2 ．2 分析 1 沉积物中全磷 T P 采用高氯酸一硫酸消化 法；2 F e 2 ，M n 2 的测定方法采用A 1 2 S O 。 。浸 提、过滤，再分析滤液中F e 2 十，M n 2 含量；亚铁 F e z 十 用邻菲罗啉法，二价锰 M n 2 用高碘酸钾 比色法‘7 3 ；3 E h 采用氧化还原电位仪 H A N N A H i 8 4 2 4 ． 2 ．3 分析结果 表1 数据为化学试验的分析结果，表2 为 F e z ／T P 和M n 2 ／T P 原子比．从数据分析可知芦 苇区沉积物的物理化学特性同无高等水生植物区 具有明显的差异性，从而说明芦苇的生长可以影响 湖泊沉积物的物理化学特性．图2 ～7 数据均来源 于表1 ，2 ． 表1沉积物物理化学特性 T a b l e1T h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so ft h es e d i m e n t s 一1 0 9 ．1 3 一1 3 0 ．8 3 一1 1 8 ．9 3 一1 0 6 ．7 3 一9 9 ．4 3 一7 6 ．2 3 一1 0 3 ．8 3 一4 8 ．8 3 3 4 4 ．9 3 2 7 4 ．1 3 3 7 6 ．7 3 1 8 7 ．5 3 1 4 1 ．6 3 1 8 1 ．8 3 1 4 9 ．5 3 2 2 9 ．5 3 2 6 8 ．0 3 3 3 3 ．8 3 2 2 0 ．3 3 1 7 5 ．1 3 1 9 0 ．1 3 2 1 0 ．1 3 1 3 8 ．2 3 1 3 4 ．2 3 2 0 8 ．4 3 一1 4 5 ．1 3 4 4 9 ．3 3 2 9 1 ．0 3 2 9 1 ．9 3 1 9 6 ．5 3 一0 ．6 3 4 2 6 ．9 3 3 6 5 ．8 3 2 9 1 ．9 3 1 7 6 ．5 3 一1 4 3 ．9 3 4 3 4 ．8 3 3 1 7 ．4 3 2 0 6 ．8 3 8 2 ．3 3 一1 7 8 ．1 3 4 4 2 ．1 3 2 6 0 ．1 3 1 7 9 ．7 3 2 8 ．5 3 一1 1 7 ．5 3 3 6 7 ．6 3 2 3 1 ．O 3 7 0 ．2 3 4 2 ．6 3 一1 9 7 ．2 3 3 0 0 ．5 3 1 7 4 ．O 3 5 1 ．1 3 6 ．8 3 7 8 ．7 3 万方数据 1 5 0中国矿业大学学报 第3 4 卷 表2 沉积物F e 2 十／T P 和M n 2 ／T P 原子比 T a b l e2A t o m i cr a t i o so fF e 2 ／T Pa n d M n 2 ／T Po fs e d i m e n t s 。。无高等水生植物区 芦苇区 椿度／c m1 石呖F 面再7 矿1 虿呖F 赢巧而 2 ．6 9 2 ．0 4 2 ．3 9 2 ．9 7 2 ．7 8 3 ．0 1 0 ．3 8 0 ．4 0 0 ．2 8 0 ．2 4 0 ．1 1 0 ．1 0 2 ．2 5 1 ．4 3 2 ．9 8 1 ．8 7 1 ．3 0 1 ．5 1 1 ．8 9 2 ．9 8 3 结果与讨论 芦苇区沉积物在不同深度T P 含量显著低于 无高等水生植物区沉积物 图2 ，芦苇区沉积物及 无高等水生植物区沉积物的T P 含量在表层为富 集高峰，且其含量有随沉积物深度增加而减少的趋 势．芦苇区沉积物磷的含量低可能与芦苇对磷的吸 收有关．大型水生植物可通过根系向沉积物释氧， 从而导致植物根际区E h 增加，改变沉积物的氧化 还原条件[ 5 ] ．本研究发现，芦苇区不同深度沉积物 的E h 略高于无高等水生植物区沉积物 图3 ；芦 苇区和无高等水生植物区不同深度沉积物E h 数 值范围分别为一4 8 ．8 ～一1 3 0 ．8 ，一0 ．6 ～一1 9 7 ．2 m V ，均处于弱还原态，且都有随深度增加而升高 的趋势．这表明芦苇对沉积物氧化还原条件有明显 的影响．铁和锰是影响湖泊生态系统中磷循环的主 要因子之一．分析结果表明，芦苇区不同深度沉积 物F e 2 含量低于无高等水生植物区 图4 ．在氧 丰富的条件下，沉积物中二价铁氧化成三价铁 F e 2 O 。一F e 3 ，从而降低F e 2 含量．因此，芦苇 区由于芦苇根系向沉积物释氧，从而使F e 2 的含 量低于无高等水生植物区的沉积物．锰化学形态也 是影响沉积物磷释放的关键元因子之一[ 5 ’8 ] ，锰主 要以 2 ， 4 价存在． 毛 乏 ■ 锄 昌 图2 不同深度沉积物T P 含量 F i g ．2 C o n t e n to fT Pi ns e d i m e n t sa td i f f e r e n td e p t h s 5 0 O 一5 0 盏一1 0 0 ∞ ．1 5 0 ．2 0 0 ，2 5 0 深度／c m 2 4 7 1 01 52 02 53 0 图3 不同深度沉积物中的E h 值 F i g ．3 E hv a l u e so fs e d i m e n t sa td i f f e r e n td e p t h s 呻 宝 X ％ 邑 ≥ 4 0 0 3 5 0 3 ∞ 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 S 0 O 图4 不同深度沉积物F e 2 含量 F i g ．4 C o n t e n to fF e 2 i ns e d i m e n ta td i f f e r e n td e p t h s 对芦苇区和无高等水生植物区沉积物M n 2 的含量分析表明，芦苇区沉积物M n 2 含量略低于 无高等水生植物区 图5 ，其质量分数分别为 0 ．0 2 1 ％～0 ．0 2 9 ％和0 ．0 2 9 ％t 0 ．0 0 5 1 ．但沉积物 表层 o ～2c m M n 2 含量最高，随着沉积物深度增 加而逐渐减少．同样，芦苇区沉积物中低价锰含量 较低可能是因为芦苇根系改善了沉积物氧化还原 条件的结果．由此可见，高等植物对沉积物铁、锰的 形态有较大影响． 2471 01 52 02 5 3 0 深度／e m 图5 不同深度沉积物M n ”含量 F i g ．5 C o n t e n to fM n 2 i ns e d i m e n ta td i f f e r e n td e p t h s F e ／T P 是衡量湖泊沉积物对P 滞留能力的重 要指标[ 5 ’9 | ，当T F e ／T P 原子比 8 时，沉积物对磷 的吸附能力较高，从而控制沉积物磷的释放[ 4 ] ．根 据分析可知，芦苇区和无高等水生植物区沉积物中 F e 2 ／T P 原子比值分别为1 ．5 1 ～3 ，2 ～3 ．0 1 ，且芦 苇区沉积物F e 抖／T P 原子比值略低于无高等水生 植物区 图6 ． Ⅲ娜枷啪Ⅲ∞∞邶 姗伽栅瑚姗拗瑚渤啪如。 万方数据 第2 期 徐德兰等芦苇对太湖沉积物的影响 1 5 1 4 ．0 3 ．5 丑3 ．0 迄z ．s 生2 ．0 ％1 ．5 1 ．0 0 ．5 0 ．0 深厦／c m 图6 不同深度F e 2 ／T P 原子比 F i g ．6 T h eF e 2 ／T Pa t o m i cr a t i oa td i f f e r e n td e p t h s 因此，结合图2 ，4 及F e 2 0 。一F e 3 可以进 一步说明，F e 2 含量大小与芦苇根系向沉积物释氧 有关，从而形成芦苇区沉积物F e 2 ／T P 原子比值 低于无高等水生植物区，也进一步可以表明芦苇区 沉积物对磷的富集效应大于无高等水生植物区[ 5 ] ． 从图7 可以看出，芦苇区和无高等水生植物区不同 深度沉积物中M n 2 十／p 原子比值变化基本一致，且 呈现2 ～4c m 沉积物处为比值高峰． 越 m 隧 尝 ≮ 深度／c m 图7 不同深度M n 2 ／T P 原子比 F i g ．7 T h eM n 2 ／T Pa t o m i cr a t i oa td i f f e r e n td e p t h 4 小结 1 芦苇区沉积物总磷 T P 含量在不同的深 度上均要小于无芦苇沉积物； 2 亚铁 F e 2 含量高峰出现在表层2 ～4c m 沉积物中； 3 二价锰 M n 2 在沉积物表层含量最高，随 着深度增加而减少． 4 芦苇区沉积物E h 值略大于无芦苇沉积物； 5 芦苇区沉积物F e 2 ／T P 原子比要小于无芦 苇区，且随深度增大而增加； 6 芦苇区和无芦苇区沉积物M n 2 ／T P 原子 比值在2 ～4a m 最高，且变化基本一致． 参考文献 [ 1 3D eJVN ，B a k k e rJF ，V a nSMR ．P o s s i b l ec h a n g e i nt h ec o n t r i b u t i o no ft h er i v e rR h i n ea n dt h eN o r t h S e at Ot h ee u t r o p h i cs t a t u so ft h ew e s t e r nD u t c h W a d d e nS e a [ J ] ．N e t h e r l a n d sJ o u r n a lo f A q u a t i c E c o l o g y ，1 9 9 6 ，3 0 2 7 3 9 ． [ 2 ] J a y n e sML ，C a r p e n t e rSR ．E f f e c t so fv a s c u l a ra n d n o n v a s c u l a rm a c r o p h y t e so ns e d i m e n tr e d o xa n d s o l u t ed y n a m i c s F J - ] ．E c o l o g y ，1 9 8 6 ，6 7 8 7 5 8 8 2 ． E 3 ]E i n s e l eW ，f i b e rd i eB e z i e h u n g e nd e sE i s e n k r e M a u f s z u mp h o s p h a t k r e i s l a u f i me u t r o p h e ns e e [ J ] ．A r c h ． H y d r o b i o l ，19 3 6 ，2 9 6 6 4 6 8 9 ． [ 4 ] A n d e r s e nFQ ，O l s e nKR ．N u t r i e n tc y c l i n gi n s h a l l o w ，o l i g o t r o p h i c L a k eK v i e ，D e n m a r k ． I E f f e c t so fi s o e t i d so nt h ee x c h a n g eo fp h o s p h o r u s b e t w e e ns e d i m e n ta n dw a t e r [ J ] ．H y d r o b i o l o g i a ， 1 9 9 4 ，2 7 5 ／2 7 6 2 6 7 2 7 6 ． [ 5 ] C h r i s t e n s e nKK ， A n d e r s e nF ，J e n s e nHS ． C o m p a r i s o n o f i r o n ，m a n g a n e s e ，a n dp h o s p h o r u s r e t e n t i o ni nf r e s h w a t e rl i t t o r a ls e d i m e n tw i t hg r o w t h o f L i t t o r l l au i f l o r aa n db e n t h c m i c r o a l g e [ J ] ． B i o g e o c h e m i s t r y ，1 9 9 7 3 8 1 4 9 - 1 7 1 ． [ 6 ] 尹澄清，邵霞，王星，白洋淀水陆交错带土壤对磷 氮截留容量的初步研究[ J ] ．生态学杂志，1 9 9 9 ，1 8 5 7 - 1 1 ． Y i nCQ ，S h a oX ，W a n gX ．R e t e n t i o nC a p a c i t yo f P h o s p h o r u sa n dN i t r o g e nb yL a n d ／W a t e rE c o t o n eS o i l i nL a k eB a i y a n g d i a n [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fE c o l o g y ， 1 9 9 9 ，1 8 5 7 - 1 1 ． E 7 ]鲁如坤．土壤农业化学分析方法[ M ] ．北京中国农业 科技出版社，2 0 0 0 ，7 4 8 4 ． E 8 ] C h r i s t e n s e nKK ，A n d e r s e nF ．I n f l u e n c eo fL i t t o r e l l a u n i f l o r ao np h o s p h o r u sr e t e n t i o ni ns e d i m e n ts u p p l i e d w i t ha r t i f i c a i a lp o r e w a t e r l - J ] ．A q u a t ．B o t ．1 9 9 6 ，5 5 1 8 3 1 8 7 ． E 9 3L u t h e rGW ．T h ef r o n t i e r m o l c c u l a r o r b i t a lt h e o r y a p p r o a c hi ng e o c h e m i c a lp r o c e s s e s [ A ] ．I n S t u m m W ．A q u a t i cC h e m i c a lK i n e t i c s R e a c t i o n R a t e so f P r o c e s s e si nN a t u r a lW a t e r s ．N e wY o r k W i l e y ， 19 9 0 ，17 3 1 9 8 ． 责任编辑李成俊 万方数据