磷是海洋生态系统中重要的营养物质^[1]，在生物群落结构、生物地球化学循环及调节水环境起着重要作用^[2]，同时，也是导致水体富营养化的主要因素^[3]。在水生环境中，磷循环受水-沉积物界面发生过程的显著影响^[4]。沉积物是水生生态系统中营养物质的重要来源^[5]，可以接收来自上覆水和环境中的溶解的/游离的有机/无机磷，然后以磷酸盐的形式连同一些溶解/游离的化合物释放到间隙水中。但其中的磷是否能够释放到水环境中，取决于磷的形态与含量。沉积物中不同形态的磷，具有生物可利用性不同，故而对水体富营养化具有不同的潜在影响^[5]，因此，研究沉积物中的不同磷形态及其对水体的影响是很重要的。间隙水是营养盐，微量金属和微生物活动的生物地球化学过程中的关键阶段，存在于沉积物颗粒之间，磷酸盐释放到间隙水中，然后扩散到上覆水，而其中的正磷酸盐可以被藻类消耗^[6]。因此，间隙水的化学组成可作为沉积盆地演化过程中沉积物及其成岩作用和表生过程中各种过程的敏感指标^[7]。沉积物-水界面的通量不仅受上覆水与孔隙水营养盐浓度梯度的影响^[8]，还与有机质的组成、底部水氧浓度和渗透深度、底栖生物和细菌活性有关^[9]。水体中的磷包括外源磷和内源磷，外源磷指生活污水，工农业废水输入，内源磷是指由于外部环境影响从沉积物中释放出来的磷^[10-11]。当外源磷输入得到有效控制后，沉积物内源磷释放成为影响水体富营养化程度的关键因素^[12]。沉积物-水界面的磷吸附/解吸是影响海洋生态系统中磷循环的一个重要过程，其对磷酸盐的迁移转化十分重要。

海州湾是一个半开阔的海湾，北起绣针河，南至灌河口^[13]，是我国东部沿海重要的渔场之一。近年来随着经济的高速发展、人类活动频繁，对海州湾生态系统产生严重的影响。该海域自2003投放人工鱼礁进行海洋牧场建设，对渔业资源、环境有明显的修复效果^[14]。本文采用SMT法对海州湾海洋牧场表层沉积物进行磷形态提取，提取并测定海州湾海洋牧场区沉积物中各种磷含量，结合沉积物-水界面磷通量实验室模拟，研究界面磷的迁移方向与交换通量，确定海州湾海洋牧场沉积物中的磷对于上覆水是“源”或“汇”，进而为海州湾海洋牧场的生态修复工程提供科学依据。

1.   材料与方法

1.1   研究区域及样品采集

根据海洋牧场建设区域，于2017年5月选择5个站点(图1)。RA1、RA2、RA3为海洋牧场鱼礁区，CA1、CA2为对照区。利用抓斗式采泥器采集表层沉积物，置于干净的聚乙烯袋放入带冰块的保温箱中，带回实验室。一部分沉积物用于磷形态的提取与含量测定，另一部分沉积物以4500 r·min⁻¹离心15 min，用0.45 um滤膜过滤后获得间隙水。柱状采集器采集长约30 cm的表层沉积物柱芯样，置于50 cm PVC管内，并标记清楚柱样的上下部。另外，每个采样站点采集表层沉积物上方约0.5米处的底层上覆水10 L，−20 °C下冷冻保存带回实验室进行室内水-沉积物界面磷通量模拟培养实验。

图 1

1.2   实验方法

1.2.1   沉积物磷形态的分级提取

SMT法(Standard Measurement Test)是目前国际上较通用的沉积物中的磷形态分级提取方法。该方法准确性好，各形态磷的含量测定相对独立，各形态测定值之间可以相互验证,在探索磷形态来源的方面优势明显^[13]。分级提取的磷形态包括可交换态磷(Ex-P)、铁铝态结合磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷(Ca-P)(图2)。

图 2

上覆水和间隙水中的TP(总磷)、PO3−4

(可溶性正磷酸盐)、TDP(可溶性总磷酸盐)的采用《水和废水检测方法》，用磷钼蓝法测定吸光度。

1.2.2   水-沉积物界面磷通量模拟实验

采用南海水产研究所开发的底泥营养盐通量实验装置^[15](图3)。向半径约2.5 cm，高约50 cm有机玻璃管中加入17~18 cm的表层沉积物样品，在沉积物上缓慢加入25 cm高的上覆水水柱。将螺旋桨缓缓置入水下5 cm，调节转速在0.6~0.8 m/s之间。然后将实验装置系统置于25 °C的培养箱中进行模拟实验。分别在实验开始0、2、4、6、8、12、24 h后采集100 ml上覆水，并用CCl₄固定。并等体积加入相应的上覆水水样^[32]，直至模拟实验结束后，取有机玻璃管最上方沉积物进行磷形态分级提取。

图 3

1.2.3   沉积物-水界面磷交换通量计算

计算公式如下：

式中，M(t)为t−1到t时刻培养期间上覆水磷的变化量(mg)；

V为有机玻璃管中上覆水的体积(L)；C_t 为t时刻直接测得磷浓度(mg/L)；D_t-1为t-1时刻测得磷的实际浓度(mg/L)；

式中：V₀为每次采样的上覆水体积(L)；C₀为底层上覆水中磷浓度(mg/L)；

1.2.4   沉积物粒度测定

采用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000，Malvern，UK)分析了表层沉积物的粒径组成。

1.3   数据分析与处理

每个样品分别做三个平行样数据处理，最后以三个平行样平均值为实验结果(误差范围<5%)分别采用Excle2016、SPSS17.0、Origin9.0、ArcGIS10.2进行数据处理、分析与图像绘制。

2.   结果

2.1   海州湾海洋牧场表层沉积物、上覆水及间隙水各磷形态含量

海州湾海洋牧场春季表层沉积物TP的含量为392.44~463.46 ug/g，平均含量为413.37 ug/g，图4给出了总磷及各种形态磷的空间分布图，水平方向上，CA2>RA2>RA1>CA1>RA3，随着离岸距离，TP逐步降低。对照站点CA2离海岸较近，受人类活动影响较大，TP含量最高。站点RA1、RA2、RA3、CA1的TP含量分布较为均匀，对照区TP含量略大于鱼礁区(图4-a)。

图 4

其IP的含量为219.21~282 ug/g，平均含量为253.07 ug/g，占TP的61.3%，是TP的主要形态。站点CA2的IP含量也是最高的，RA3次之，可能是由于外源磷的输入及网箱养殖对其含量有显著影响^[16](图4-b)。

海州湾海洋牧场表层沉积物Ex-P为26.16~32.142 ug/g，平均含量为27.887 ug/g。CA2的Ex-P的含量也是最高的，但与其它站点Ex-P相差不大。水平方向上，Ex-P的分布为CA2>RA1>RA3>RA2>CA1，鱼礁区Ex-P的含量略低于对照区(图4-c)。

表层沉积物中Fe/Al-P的含量为18.88~28.97 ug·g⁻¹，平均含量为22.20 ug·g⁻¹，仅占TP的5.4%。水平方向上，Fe/Al-P的分布为CA2>RA3>RA2>CA1>RA1，鱼礁区Fe/Al-P略小于对照区，Fe/Al-P在空间分布上与Ex-P具有较高的一致性(图4-d)。

Ca-P含量仅次于IP，含量在117.73~130.07 ug·g⁻¹之间，平均含量为123.90 ug·g⁻¹。对照区Ca-P的含量略大于其它站点，可能由于沿岸人类活动及大量磷肥和未被利用的农药，动植物残骸进入海域^[17]，导致站点CA2的Ca-P的浓度显著大于其它站点(图4-e)。

海州湾春季各站点OP含量差异较大，其含量为121.27~191.93 ug·g⁻¹，平均含量为160.313 ug·g⁻¹。OP的含量与废水和海水养殖废弃物的排放有关^[18]，而OP在空间分布与IP相反，对照区与鱼礁区相差不大(图4-f)。

水平方向上，海州湾春季上覆水各磷形态浓度沿岸由近及远呈现先增后减进而递增的现象，最大值出现在RA1，最小值出现在RA2。上覆水中TP、TDP、PO4−3

的浓度分别是0.051~0.323 mg·L⁻¹、0.041~0.257 mg·L⁻¹、0.016~0.158 mg·L⁻¹，间隙水中TP、TDP、PO4−3

的浓度分别是0.053~0.305 mg·L⁻¹、0.042~0.266 mg·L⁻¹、0.004~0.123 mg·L⁻¹。上覆水各站点TP呈RA1>CA2>RA2>CA1>RA3，间隙水的TP分布为RA1>CA2>RA2>CA1>RA3(图5)。

图 5

2.2   磷通量模拟实验前后沉积物中磷形态变化

经过24 h培养后，各站点TP的平均浓度由413.38 ug·g⁻¹增加到590.33 ug·g⁻¹；IP的平均浓度由253.07 ug·g⁻¹增加到303.47 ug·g⁻¹；Ex-P的浓度由27.88 ug·g⁻¹增加到32.01 ug·g⁻¹；Fe/Al-P的浓度由22.20 ug·g⁻¹增加到35.91 ug·g⁻¹；Ca-P的浓度由174.70 ug·g⁻¹增加到207.24 ug·g⁻¹；OP的浓度由160.31 ug·g⁻¹增加到286.86 ug·g⁻¹⁽图6)。

图 6

2.3   海州湾海洋牧场沉积物-水界面磷的交换量与交换通量

根据模拟实验不同时间段测得的TP、TDP、PO3−4

的浓度，通过沉积物-水界面磷交换量计算公式，得出各个时间段的TP、TDP、PO3−4交换量。由图7可见，培养1 h后，各站点的TP表现为沉积物向上覆水迁移，站点CA2的TP交换最为明显；站点RA1、RA3、CA2的TDP表现为沉积物向上覆水迁移，站点RA2、CA1的TDP表现为上覆水向沉积物迁移，站点RA2的TDP交换最为明显；站点RA2、RA3的、PO3−4表现为沉积物向上覆水迁移，站点RA1、CA1、CA2 的、PO3−4表现为上覆水向沉积物迁移，其中站点RA2的、PO3−4交换最为明显，而站点RA3、CA1、CA2基本无反应。培养2 h后，各个站点的TP都表现为上覆水向沉积物迁移，由于站点CA1、CA2初期浓度相差浓度较大，交换较为剧烈；站点RA1、RA3、CA2改变迁移方向，所有站点的TDP均是上覆水向沉积物迁移，站点RA1、CA2的TDP交换量变化差异较大；各站点的PO3−4均表现为上覆水向沉积物迁移，站点RA2的PO3−4交换最为明显。培养4 h后，站点RA1、CA2的TP改变迁移方向，站点CA2的TP交换反应最为剧烈；除站点CA2，其它站点的TDP、PO3−4迁移方向不变，均为上覆水向沉积物中迁移，且站点CA2的TDP、PO3−4交换最为剧烈。培养8 h后，各站点的TP、PO3−4均表现为上覆水向沉积物中迁移；站点RA1、CA2的TDP改变迁移方向，除站点RA1外，其它站点的TDP均表现为上覆水向沉积物中迁移。培养12 h后，站点RA2的TP改变迁移方向，表现为沉积物向上覆水迁移；各站点的TDP、PO3−4均表现为上覆水向沉积物中迁移。培养24 h后，各个站点的的TP、TDP、PO3−4都趋于平缓，站点RA3的的TP、TDP、PO3−4表现均改变迁移方向，而站点CA1、CA2的TDP、PO3−4

也改变了迁移方向。

图 7

各站点的TP、TDP、PO3−4

变化差异较大，相关性较差，宜采用平均值法，故采用平均值计算出海州湾海洋牧场沉积物-水界面TP、TDP、PO3−4的交换通量(图7)。RA1、RA3、CA1沉积物属于粉砂质砂，站点RA2沉积物属于砂质粉砂，站点CA2属于砂质泥类型(表1)。TP的交换通量范围在−0.05~−0.53 mmol/(m²·d)，TDP的交换通量范围−0.05~−0.53 mmol/(m²·d)，PO3−4的交换通量范围−0.01~−0.15 mmol/(m²·d)。鱼礁区TP平均交换通量略小于对照区，TDP、PO3−4

平均交换通量略大于对照区，总体呈现负值，沉积物表现为上覆水的“汇”。

2.4   海州湾海洋牧场沉积物-水界面TP、TDP、PO3−4

的交换通量及行为特征

为进一步了解海州湾海洋牧场表层沉积物中磷形态及转化过程，对海州湾海洋牧场春季表层沉积物中TP、IP、Ex-P、Fe/Al-P、Ca-P、粒径、DO(溶解氧)、TOC(有机碳)、Eh(氧化还原电位)的相关性进行分析。由表2得知，Fe/Al-P与TP、IP呈显著正相关，Ca-P与TP、IP呈显著正相关，进一步说明Ca-P是沉积物中IP的主要形态，这与王志齐^[27]的研究结果相符合。Ex-P与TP、Fe/Al-P呈显著正相关，而其它磷形态之间相关性较差。Ex-P与Fe/Al-P之间也存在明显的相关性，说明这两种形态之间存在一定的转化关系。而Fe/Al-P与Ca-P相关性较差，这可能与二者的来源不同。DO与TP、Fe/Al-P呈显著相关性，而与IP、Ex-P呈正相关，DO的改变会影响各形态磷的转化。沉积物粒径与TP呈显著负相关性，与沉积物中Ex-P呈负相关。TOC与沉积物TP和Ex-P呈显著负相关性，与Fe/Al-P呈负相关性，说明TOC会影响TP、Ex-P和Fe/Al-P的含量。TOC与Ca-P之间无相关性，这说明沉积物中的正磷酸盐可能是由于沉积物中的矿物石英和方解石结合造成的^[18]。Eh与Fe/Al-P、Ex-P呈显著正相关，Eh的改变对两种形态的迁移转化由很大的影响。