呼伦湖沉积物理化性质对磷形态特征的影响机制
doi: 10.18307/2025.0623
李亮1 , 姜欣岳2 , 黄雅佳2 , 罗志其3 , 谢非2 , 周兴军1 , 吕昌伟2
1. 内蒙古自治区环境监测总站, 呼和浩特 010011
2. 内蒙古大学生态与环境学院, 呼和浩特 010021
3. 内蒙古第三地质矿产勘查开发有限责任公司,呼和浩特 010011
基金项目: 国家自然科学基金项目(42167028)、内蒙古自治区“青年科技人才支持计划”A类项目(NJYT2022092)和蒙古高原生态学与资源利用教育部重点实验室开放基金课题(KF2023008)联合资助
Effects of sediments properties on phosphorus fractionation in Lake Hulun
Li Liang1 , Jiang Xinyue2 , Huang Yajia2 , Luo Zhiqi3 , Xie Fei2 , Zhou Xingjun1 , Lv Changwei2
1. Inner Mongolia Environmental Monitoring Center, Hohhot 010011 , P.R.China
2. School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot 010021 , P.R.China
3. Inner Mongolia Third of Geology and Mineral Resources Exploration Development Co. Ltd, Hohhot 010011 , P.R.China
摘要
湖泊沉积物中磷形态是影响其在水生态系统中迁移转化的关键内因。本研究采集了呼伦湖36个样点的表层与柱芯沉积物样品,系统分析了沉积物中磷的形态特征,探究了其与沉积物粒度、pH、有机碳及同步提取的铁、铝、钙、锰等元素的关联机制。结果表明,呼伦湖沉积物总磷含量呈西北向东南递减的趋势;沉积物中的磷与同步提取的铝(Al)、钙(Ca)、铁(Fe)和锰(Mn)等金属元素呈显著正相关关系,与磷在这些金属氧化物或氢氧化物表面的吸附和共沉淀有关;同时,磷与沉积物平均粒径和pH值呈显著负相关,平均粒径与铁磷(Fe-P)和铝磷(Al-P)呈显著负相关,这主要归因于铁铝矿物有在细颗粒物中富集的趋势,以及细颗粒物更大的比表面积所提供的丰富吸附点位;Fe-P、Al-P和钙磷对pH的变化响应较为敏感。路径分析表明,有机质、吸附、氧化还原、微生物及沉积物粒度等均是磷含量及其形态特征的重要影响因子,总有机碳(TOC)是呼伦湖沉积物中磷形态分布的首要影响因子;沉积物粒径虽然对沉积物磷含量的直接影响较小,但可通过影响TOC含量对磷产生间接影响。本研究积累了我国北方湖泊沉积物中磷迁移转化的基础数据,为从全国尺度上理解不同湖区沉积物中磷的地球化学特征对流域自然和人为过程的响应机制提供新的视角。
Abstract
The form of phosphorus in lake sediments is a key internal factor affecting its migration and transformation in aquatic ecosystems. This study collected surface and core sediment samples from 36 sites in Lake Hulun and systematically analyzed the distribution characteristics of phosphorus forms in the sediments and their correlations with particle size, pH, organic carbon, and simultaneously extracted iron, aluminum, calcium, and manganese. Significant positive correlations between P (phosphorus) contents and Al (Aluminum), Ca (Calcium), Fe (Iron) and Mn (Manganese) highlighted the potential effects of metallic oxides on surface adsorption and co-precipitation. Simultaneously, contributed by the larger specific surface area property, P and both mean grain size and pH exhibited significant negative correlations. Additionally, our results also highlighted the stability of Fe-P (Iron-bound phosphorus), Al-P (Aluminum-bound phosphorus), and Ca-P (Calcium-bound phosphorus) were strongly associated with pH. TOC (total organic carbon) contributed most significantly to P distributions, followed by grain size. This study provides fundamental data on the migration and transformation of phosphorus in northern lake sediments in China, offering new perspectives on understanding the geochemical characteristics of phosphorus in different lake areas and their responses to natural and anthropogenic processes nationally.
湖泊作为地球系统的重要组成部分,在全球物质循环、生态环境调节和人类生存发展中都发挥着重要作用,包括供水、径流调节、环境净化以及生态系统稳定与多样性的维持[1-2]。湖泊水体接纳过量氮、磷等营养物质时,其碳—氮—磷化学计量关系将被扰动,进而导致湖泊富营养化[3]。研究表明,即便显著削减外源磷输入,湖泊生态系统仍需要10~15年才能恢复并重新达到相对稳定的平衡状态[4]。沉积物中磷的赋存形态和含量与沉积环境息息相关,各形态磷在不同条件下的释放潜力具有较大差异[5-6],铁磷(Fe-P)在碱性及还原条件下较易释放,而钙磷(Ca-P)在酸性条件下释放风险较大[7]。铁(氢)氧化物还原溶解释磷机制一直被认为是厌氧条件下湖泊内源磷释放的主要机制[8-11],甚至被视为延迟富营养治理成效的关键因素之一[12-14]。可见,沉积物理化性质是影响磷形态分布的关键因素,尤其是粒径、pH值、金属元素含量及有机碳含量等。作为反映沉积环境变化的重要指标,不同粒径沉积物对磷的吸附能力不同[15],细颗粒沉积物比表面积大、表面结合位点多,其吸附能力强于粗颗粒沉积物[16]。对黄河沉积物中磷在不同粒径条件下分布与形态的研究结果表明,细颗粒沉积物吸附的生物可利用磷含量在总磷(TP)中的占比较高[17]。湖泊沉积物的酸碱环境变化对水—沉积物界面的物质交换及有机磷(OP)矿化具有重要影响,如碱性环境会加速OP矿化进程,中性环境则会减缓其矿化速度[18]。金属元素和有机碳含量同样是沉积物中磷含量及其形态分布的关键影响因素,水—沉积物界面处磷的交换与Fe、Mn和Al(氢)氧化物密切相关,沉积物中Fe/P和Al/P摩尔比值小的湖泊存在较高磷释放风险[19-20]。因此,沉积物理化性质是磷的形态及其再分配的关键影响因素。目前,关于沉积物某一理化指标或性质对磷形态的影响已有较多研究,而鲜有探讨沉积物多种理化指标或性质对磷形态分布的综合影响及其相对贡献。
流域水文、土壤和地表地球化学等自然过程决定着湖泊沉积物化学组成的演化[21],进而引起内源磷界面行为与效应的影响机制发生变化。呼伦湖(47°45′~49°20′N,116°50′~118°10′E)是我国第五大、内蒙古自治区第一大淡水湖,是筑牢我国北方生态安全屏障的重要组成部分。2010年实施“引河济湖”工程后,流域的溶解态和颗粒态物质随补水入湖必然影响呼伦湖水质和沉积物的化学组成,深刻影响着湖泊生态系统中生源要素的生物地球化学循环。因此,本文以呼伦湖为研究对象,系统获取了沉积物的各项理化指标,采用连续提取法,分析了沉积物中磷的形态特征,厘清了沉积物不同理化性质对磷形态分布的影响机制及相对贡献,对揭示磷在沉积物—水界面的迁移转化过程,评估其潜在的生态风险有重要理论和实践价值,为湖泊营养盐管理、水质保护及湖泊生态系统功能稳定与维持提供科学依据。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
呼伦湖位于温带半干旱区,降水相对匮乏,降水量范围为247~319 mm;光照充足,蒸发强烈,年蒸发量达1400~1900 mm。流域春季干旱多风,夏季高温少雨,冬季寒冷漫长,湖水冰封期长达6个月,湖区年均温为-0.6℃。呼伦湖水系发达,补给与排泄水源充沛,地表水体之间相互连通,形成了独特的水文网络。1970年以后,由于环境改变与湖区用水规划变动,呼伦湖水量和面积经历了“持续下降—逐年升高—稳定期—降至最低—微增”的阶段性变化,湖面萎缩较为严重[22]。2010年实施“引河济湖”工程,2023年4月20日呼伦湖总面积已恢复至2339 km2,水面高程达到545.5 m。
1.2 样品采集与分析
按照网格布点法设置采样点,利用GPS精准定位,样点分布如图1所示(HLH1~HLH16,H1~H20),使用Swedaq KC mod B型无扰动采样器或Eijkelkamp SA Beeker型沉积物原状采样器采集沉积物样品,样品装入聚乙烯塑料袋中冷藏保存,送达实验室后进行冷冻干燥、研磨、过100目筛(孔径 150 μm),干燥保存备用。
沉积物中磷的形态提取方法详见附表I,提取液中无机磷(IP)和总磷(TP)的测定使用钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989),同步提取的铁(Fe)、铝(Al)、钙(Ca)和锰(Mn)元素含量使用ICP-OES(Thermo Electron ICAP 6300)进行测定。同时,将沉积物样品冷冻干燥(不过筛),根据沉积物性状取100~200 mg样品,经样品分散,依次去除有机质、碳酸钙、生源硅并进行洗盐等预处理后,用激光粒度仪(Microtrac-S3500,American)测定沉积物粒度。沉积物总有机碳(TOC)经浓盐酸(HCl)熏蒸去除无机碳后,用元素分析仪(Thermo Scientific,FlashSmart CHNS/O,美国)测定 TOC 含量[23]。pH值用pH计(Mettler Toledo,上海)测定。
1呼伦湖样点分布
Fig.1Distribution of sampling sites in Lake Hulun
1.3 统计与绘图
采用Microsoft Excel 2010进行数据整理,使用Origin 2021中的最小偏二乘进行相关性分析,采用ArcGIS 10.7绘制TP浓度空间分布图,利用R软件(4.2.2)平台的ggplot2和lavaan等程序包进行随机森林模型拟合和结构方程模型构建。
2 结果与讨论
2.1 空间分布特征
呼伦湖表层沉积物中TP含量整体呈西北向东南递减的趋势(图2a)。HLH1~HLH16点位沉积物TP含量较高,范围为245.44~565.43 mg/kg,均值为401.92 mg/kg,其中位于湖泊北部沿岸的HLH9采样点TP含量最高;位于湖泊西北部的海拉尔河入湖口处的H1~H20点位沉积物TP含量均值为205.07 mg/kg,其中位于入湖口北部的H6采样点TP含量最小。沉积物TP的带状空间分布特征受流域地貌特征及沉积物粒径的影响较大[24]。呼伦湖西北岸植被类型为半干旱草地,雨季水土流失频繁,加之呼伦湖流域常年盛行西北风,导致大量干草随风或地表径流进入湖泊。以往研究表明,粉质黏土在呼伦湖西北部的沉积物中占主导地位,而南部和东部沉积物以砂质沉积物为主[25],使磷在西北岸较细的沉积物中累积;另一方面,呼伦湖沉积物粒度与总磷的分布特征还可能受到生态补水路径的影响,如连续十多年的补水从东北角H1点入湖,向西南流动,最终迂回至HLH1点正北方出湖。
2呼伦湖表层沉积物TP含量分布(a)和入湖口TP含量分布(b)
Fig.2TP distribution in surface sediments of Lake Hulun (a) , TP distribution in the lake inlet (b)
对含磷量较低的海拉尔河入湖口沉积物开展回归拟合并与2018年和2019年补水期的“引河济湖”遥感影像图进行对比。结果如图2b所示,表层沉积物中的TP含量同样呈现出由入湖口处向主体湖区渐增的趋势。该区域的沉积物平均粒径大于主体湖区,补水过程中,在水力冲刷的影响下,入湖口沉积物会在粒径的分选效应下重新分配,即根据粒径大小的不同,在水流的作用下,较轻的颗粒易被悬浮和运输,而较重的颗粒则易沉积,因而造成入湖口沉积物粒径随水流方向的递减趋势。由于粗颗粒沉积物的吸附位点少[26],水力冲刷作用也导致入湖口处沉积物中磷含量相对较低。
呼伦湖表层沉积物中各形态磷含量与占比如图3所示,HLH1~HLH16点位沉积物中各形态磷含量均高于海拉尔河入湖口处的H1~H20点位。TP的主导形态均为IP,Ca-P则是IP的主要赋存形态。呼伦湖沉积物磷主要来源于周边高碳酸钙含量土壤颗粒物输入[27-28],对沉积物磷的贡献主要来自流域周边退化草地(70.7%)和草地(24.7%)的栗钙土(如栗钙土、暗栗钙土、草甸栗钙土和盐化栗钙土等)[29]。水体中IP与溶解性有机磷(DOP)的比值在某些区域高达8.5,表明水体中磷的矿化程度高,主导了沉积物中磷的形态分布。
3呼伦湖表层沉积物中各形态磷含量及其占比
Fig.3The content and its percentage of each phosphorus fractions in the surface sediments of Lake Hulun
2.2 磷形态与沉积物理化性质的关系
2.2.1 粒径
湖泊沉积物由不同粒径的矿物颗粒构成,沉积物粒径的大小会影响沉积物对磷的吸附和释放[30]。当沉积物中比表面积大的细颗粒含量增加时,能显著提高沉积物对磷的吸附量,减少沉积物向水体释放磷;相反,粒径大的沉积物对磷的吸附能力较低且释放风险较大。邓佩瑶对太湖与巢湖的研究结果表明,沉积物TP含量总体上呈现随粒径减小而增加的趋势[31]。按粒径组成,可将沉积物划分为黏土(< 2 μm)、粉砂(2~63 μm)和砂(> 63 μm)3个粒级。10余年“引河济湖”影响下,入湖口处的H1~H20点位平均粒径普遍大于HLH1~HLH16点位(图4)。呼伦湖沉积物中的Ex-P、Fe-P、Al-P、Ca-P、Res-P、TP、IP、OP含量与平均粒径均呈显著负相关(P<0.05)。按粒径可将呼伦湖各样点沉积物区分为粉砂(n=21)和砂(n=6)为主的两种粒级,以粉砂为主的沉积物中Ex-P、Fe-P、Al-P、Ca-P、Res-P、TP、IP、OP含量均高于以砂为主的沉积物(图5)。
粒径对湖泊沉积物中磷含量的影响是多方面的,既涉及沉积物物理特性的变化,也与沉积物中磷的吸附和截留机制密切相关。随着平均粒径的减小,湖泊沉积物中各形态磷含量均呈现显著上升趋势。一般而言,粒径越小,沉积物比表面积越大,其表面具有更多的结合位点,对磷的吸附能力也更强。此外,湖泊中细颗粒沉积物团聚体具有更高的水稳定性和力学稳定性[32],当磷进入湖泊时会被这些团聚体有效吸附并固定下来,这种紧密结合的状态使磷不易再从沉积物释放进入上覆水体[33]
4呼伦湖表层沉积物粒径含量
Fig.4Grain size distribution in surface sediments of Lake Hulun
5按粒径分配的沉积物各形态磷含量箱型图
Fig.5Box plot phosphorus fractions content in sediments with various particle sizes
2.2.2 pH
pH是影响水—沉积物界面磷交换的重要因素[34]。研究表明,中性环境更有利于沉积物对磷的吸附[35]。在全球变暖、湖区草原沙化和农业发展过程中用水量增加的协同作用下,呼伦湖矿化度升高,各采样点沉积物呈弱碱性,pH值介于7~9之间。湖泊西北角HLH1点位pH值最低(7.49),入湖口处H3点pH值最高(8.74),平均值为7.81。研究区内各采样点沉积物的pH值与各形态磷含量的皮尔逊相关性分析表明,除Ex-P外,呼伦湖沉积物中的Fe-P、Al-P、Ca-P、Res-P、TP、IP、OP含量均与pH呈显著负相关关系(表1)。
当pH值改变时,铁铝化合物在沉积物中的稳定性可能会发生改变,这直接影响了它们与磷的结合能力,使得沉积物各形态磷含量发生相应变化[36]。上覆水中磷酸盐的主要存在形式为HPO2-4和H2PO-4,中性条件有利于磷酸盐与Fe、Al等金属元素结合[37],故而在7<pH<7.7时沉积物中的Fe-P和Al-P含量相对较高。当pH值升高时,水体中的氢氧根离子(OH-)浓度增加,这些OH-会与沉积物中的Fe、Al发生化学反应将与其结合的磷置换出来,这些被置换出的磷随后可能与沉积物中的Ca二次结合,形成更为稳定的Ca-P[38]。对于以Ca-P为主要无机磷形态的湖泊,应特别关注在集中降雨条件下,大兴安岭林区腐殖质丰富的酸性土壤(pH 4.5~6.5)随径流输入湖体所引发的磷释放风险[39]
1pH与各形态磷的相关性
Tab.1Correlations of pH with each phosphorus fraction
*、**和***分别表示两因子在P<0.05、P<0.01和P<0.001水平上具有显著相关性。
2.2.3 有机碳
磷的生物地球化学循环与湖泊有机质密切相关,受有机质降解、吸附作用、氧化还原过程、微生物活动及沉积物粒径等多重因素的共同作用。沉积物有机质的含量与其自身特性对沉积物磷含量与形态产生影响[40]。微生物降解生物可利用的有机质,消耗氧气和硝酸盐等电子受体,释放磷酸盐[41];同时,有机质降解引起的缺氧状态增强了微生物介导的Fe(Ⅲ)矿物的还原溶解,随后释放磷酸根离子[42]
对表层沉积物中的TOC含量与TP、IP、OP含量进行相关性分析,结果表明沉积物中埋藏的TOC与TP、IP和OP含量呈显著正相关性(P<0.001),揭示了TOC和P的同源性(图6)。TOC和P的生物地球化学循环机制也表现出相似性,经历着从生物体到环境,部分再从环境回到生物体的循环过程。湖泊中的碳埋藏过程也会影响磷在水—沉积物界面的吸附解吸过程和生物可利用性[43]。例如,微生物在分解有机质时,促进了沉积物中磷的生物可用性,随着有机碳含量的增加,有机磷的释放也随之增加,从而提升沉积物中的TP含量;有机碳含量较高的沉积物具有较大的比表面积,这为其提供了更多的磷结合位点。这些位点通过静电引力和化学结合等方式增强了沉积物对磷的吸附能力[44],最终导致TP含量的增加。
6TOC与TP、IP、OP的相关性
Fig.6Correlations of TOC with TP,IP,OP
2.2.4 Ca、Fe、Al、Mn
磷可与Al、Fe和Mn氧化物结合并在沉积物表面发生共沉淀现象,磷酸盐可能会与CaCO3共沉淀形成磷灰石或吸附在CaCO3表面[45]。同时,Fe、Mn等金属元素是水环境中典型的氧化还原敏感元素,与沉积物中的磷循环密切相关。HLH1~HLH16点位因平均粒径相对较小,比表面积相对较大,吸附能力较强使得沉积物中的金属元素含量明显高于H1~H20点位,其中西南部HLH9和HLH12点位的Fe、Al和Ca含量尤其高(图7)。
线性回归分析表明,呼伦湖沉积物中Al、Ca、Fe和Mn含量与TP、IP和OP含量均呈显著相关性(P<0.001)(图8)。作为与磷元素具有直接键合特性的关键组分,这些金属元素含量变化对沉积物磷滞留量产生直接影响[37],其含量变化与沉积物对磷的吸附和释放密切相关[46]。Fe和Mn氧化物(如无定形铁氧化物),因其具有较大的比表面积,在富氧条件下对磷有强烈的吸附能力[47];同时Al的氢氧化物对磷的吸附具有更高的稳定性,在缺氧情况下也能有效防止磷的释放[48]。呼伦湖沉积物中较高的总Ca浓度在一定程度上会限制氧化还原条件对湖泊磷负荷的影响,水体中的磷优先与Ca结合并稳定埋藏于沉积物中[49],因此沉积物中的各种金属元素均与磷含量呈现出极显著相关性。
2.3 综合影响分析
随机森林模型结果表明,影响沉积物TP含量的因子重要性排序为TOC(19.24%)> Mn(17.23%)> Ca(15.16%)> Al(9.41%)> Fe(6.93%)> 粒径(6.41%)> pH(1.99%)(图9)。将影响呼伦湖沉积磷的特征变量划分为3类潜变量,即沉积环境潜变量、碳含量潜变量和金属元素潜变量。路径模型结果表明,沉积环境对沉积物磷含量的直接作用较小,且影响不显著,路径系数仅为0.02(P>0.05,图9);但沉积环境对碳含量的影响极为显著,路径系数高达-0.80(P<0.001),而碳含量对沉积物磷含量的影响效果也较显著,路径系数为0.80(P<0.05);金属元素对磷含量的作用最微弱,其路径系数仅为-0.08(P>0.05)。
7呼伦湖沉积物中Al、Ca、Fe和Mn含量
Fig.7Contents of Al, Ca, Fe and Mn in sediments of Lake Hulun
呼伦湖沉积物磷的随机森林模型与结构方程模型结果基本一致。综合来看,影响呼伦湖沉积物中磷含量的众多因素中,TOC含量占据主导地位,其他因素对磷的直接影响则相对较小。碳在多个层面上影响磷在水—沉积物界面的吸附解吸过程,其自身与磷具有同源性,共同维持着生态系统的稳定和生命的延续,参与生物体的代谢过程。TOC含量增加也会提供更多的吸附位点,使得更多的磷被沉积物固定[44]。高TOC含量也意味着更为丰富的有机营养源,其对沉积环境的改变能够影响湖泊中的微生物群落和浮游植物群落构成,间接影响磷的生物地球化学循环。微生物的内源性呼吸作用与细胞衰亡过程可导致有机磷的分解,进而转化为正磷酸盐[50];部分细菌在繁殖过程中能够利用特定形态的无机磷作为营养来源。针对大肠杆菌的模拟实验研究显示,该菌种无法直接摄取与氧化铁结合的磷酸盐、自生磷酸盐以及碎屑磷酸盐,却可以利用水溶性磷酸盐与松散吸附态磷酸盐,从而实现对无机磷的有效利用[51]
值得注意的是,沉积物平均粒径虽然对沉积物磷含量的直接影响较小,却可以通过影响TOC含量的方式对磷含量产生间接影响,这一影响路径不容忽视。研究表明,沉积物中有机质含量与矿物颗粒的粒径表现出显著相关性,TOC含量与细粒径组分之间呈正相关关系。不同粒级的沉积物中有机质的富集机制不同,在粗粒级沉积物中,有机质主要通过与矿物颗粒相互共生实现富集;而在细粒级沉积物中,有机质则通过与黏土矿物相互结合形成更稳定的复合体实现富集[52-53]。黏粒和细粉粒对沉积物TOC存在较强的吸附作用,这种吸附作用形成的团聚效应对TOC的保存起到了关键作用。黏土矿物表面还具有较高的阳离子交换性能,形成的带电粒子易于吸附金属元素与磷[54]。在此过程中,有机质通过吸附、络合等机制,对金属元素在环境中的迁移行为产生显著影响[55]。环境酸碱度也通过影响黏土矿物的吸附特性影响沉积物中的物质含量[56]:在酸性环境下,黏土矿物对腐殖酸的吸附能力明显高于碱性环境;而在碱性环境中,黏土矿物则更倾向于吸附金属离子。当黏土矿物吸附未饱和时,金属离子会显著增强黏土矿物对有机质的吸附能力,形成“黏土矿物—金属—腐殖酸”这一较为稳定的复合体结构。
综上,沉积物粒径和TOC含量共同影响其对磷的赋存能力以及对金属的吸附能力;同时,金属元素的存在形态决定了其与磷的相互作用方式和强度,是影响沉积物磷赋存形态的关键因素。沉积物的粒径大小直接影响其比表面积和孔隙结构,进而影响对磷的吸附容量和吸附速率。平均粒径大的沉积物中石英含量相对较高,沉积物整体吸附性能较弱,且沉积物中TOC和金属元素含量均较低,这进一步影响了沉积物的磷赋存能力[30]。呼伦湖作为中国北方典型的寒旱区湖泊,其水环境特征及沉积物理化性质在一定程度上反映了同类型湖泊在磷循环过程中的共性特征,为探讨类似湖泊生态系统中磷的环境行为与效应积累了丰富的研究经验。本文利用多种模型验证了有机碳在磷赋存及其迁移中的关键作用,实际环境修复中应重点关注富含TOC的小粒径沉积物及其对磷和金属元素的耦合作用,为更有效地预测和控制磷的迁移行为提供了科学依据,也可为湖泊生态修复和可持续管理提供具有实践意义的技术指导。
8Al、Ca、Fe和Mn含量与IP、OP、TP的相关性
Fig.8Correlations of Al, Ca, Fe and Mn contents with IP, OP, TP
3 结论
1)呼伦湖表层和柱芯沉积物中磷的主要赋存形态均为Ca-P,各形态磷含量大小表现为Ca-P>Fe-P>Res-P>OP>Al-P>Ex-P。呼伦湖表层沉积物中TP含量在空间上呈由西北向东南逐步递减的趋势,位于海拉尔河入湖口处的H1~H20点位沉积物中的各形态磷含量普遍较低,远低于HLH1~HLH16点位;呼伦湖柱芯沉积物中的TP含量由深到浅呈先波动下降,而后稳定,最终又快速升高的趋势。
9呼伦湖沉积物磷形态分布的影响因子及机制概念图 (a: 沉积物理化性质对磷形态的影响;b: 基于随机森林模型的沉积物特征重要性排序)
Fig.9Influencing mechanism of phosphorus fractionation in sediments from Lake Hulu (a: Effects of sediment physicochemical properties on phosphorus fractions; b: Importance ranking of sediment characteristics based on random forest model)
2)呼伦湖各采样点表层沉积物pH值介于7~9之间,处于弱碱性状态;TOC占TC的比例在41.59%~78.34%之间,沉积物活性较高;TOC、Al、Ca、Fe和Mn含量分布趋势与TP含量分布相似,即湖心处显著高于入湖口处;pH值和平均粒径的趋势则与磷不同,在入湖口处的数值明显高于湖心,H1~H20点位沉积物平均粒径较高。
3)磷与沉积物理化性质的相关性表明,呼伦湖沉积物中的磷含量与TOC含量及Al、Ca、Fe、Mn等金属元素含量具有极显著的正相关关系。同时与平均粒径和pH值呈显著负相关关系。对于呼伦湖沉积物磷影响最大的因素为TOC含量,沉积物粒径虽然对沉积物磷含量的直接影响较小,但也可以通过影响TOC含量对磷含量产生间接影响。
4 附录
附表Ⅰ见电子版(DOI: 10.18307/2025.0623)。
1呼伦湖样点分布
Fig.1Distribution of sampling sites in Lake Hulun
2呼伦湖表层沉积物TP含量分布(a)和入湖口TP含量分布(b)
Fig.2TP distribution in surface sediments of Lake Hulun (a) , TP distribution in the lake inlet (b)
3呼伦湖表层沉积物中各形态磷含量及其占比
Fig.3The content and its percentage of each phosphorus fractions in the surface sediments of Lake Hulun
4呼伦湖表层沉积物粒径含量
Fig.4Grain size distribution in surface sediments of Lake Hulun
5按粒径分配的沉积物各形态磷含量箱型图
Fig.5Box plot phosphorus fractions content in sediments with various particle sizes
6TOC与TP、IP、OP的相关性
Fig.6Correlations of TOC with TP,IP,OP
7呼伦湖沉积物中Al、Ca、Fe和Mn含量
Fig.7Contents of Al, Ca, Fe and Mn in sediments of Lake Hulun
8Al、Ca、Fe和Mn含量与IP、OP、TP的相关性
Fig.8Correlations of Al, Ca, Fe and Mn contents with IP, OP, TP
9呼伦湖沉积物磷形态分布的影响因子及机制概念图 (a: 沉积物理化性质对磷形态的影响;b: 基于随机森林模型的沉积物特征重要性排序)
Fig.9Influencing mechanism of phosphorus fractionation in sediments from Lake Hulu (a: Effects of sediment physicochemical properties on phosphorus fractions; b: Importance ranking of sediment characteristics based on random forest model)
1pH与各形态磷的相关性
Tab.1Correlations of pH with each phosphorus fraction
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