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太湖梅梁湾(藻型湖)和龙感湖(草型湖)为典型的草藻型差异的湖泊,为研究不同类型湖泊沉积物中重金属和磷的地球化学特征提供了理想的场所。本研究针对太湖梅梁湾和龙感湖沉积物进行研究,结合年代学的结果,探讨了两类湖泊沉积物中重金属和磷及其形态的地球化学特征、湖泊环境演化特征以及流域内人类活动对湖泊环境产生的影响。
近百年来,太湖梅梁湾沉积物中重金属的浓度低于龙感湖沉积物中的水平。但是,根据重金属的富集因子和潜在生态风险指标,太湖梅梁湾沉积物中重金属的富集程度高于龙感湖沉积物中的水平,尤其是Cu、Pb和Zn的差异尤为明显。太湖梅梁湾沉积物中重金属的富集反映了外源污染的贡献,在距离污染源较近的湖区重金属富集系数最高。时间分布上,太湖梅梁湾沉积物中重金属的富集主要发生于1980年代之后,而龙感湖沉积物中重金属的富集在1950年代后较为明显。两个湖泊沉积物中重金属的富集特征充分反映了湖泊流域内不同人类活动方式和强度的影响。太湖梅梁湾位于太湖北部,该地区经济发展迅速,城市化进程较快,土地利用类型复杂,而龙感湖流域主要的人类活动方式和土地利用方式为农业生产。采用不同方法估算人类活动对沉积物中重金属的贡献量,太湖梅梁湾沉积物中人类活动造成的重金属累积量非常突出,尤其是Cu、Ni、Pb和Zn,在湖泊污染严重的北部湖区,人类活动造成的累积量能够达到重金属总量的50%以上。利用质量累积通量的手段计算龙感湖沉积物中人类活动造成的重金属累积量非常低。另外,太湖梅梁湾和龙感湖沉积物中粒度组成、有机物、氧化还原条件以及主要元素对重金属的赋存状态均产生了重要影响,但是,不同的影响因素在两个湖泊沉积物中存在差异,这主要与草藻型湖泊自身的沉积环境存在差异有关。
太湖梅梁湾和龙感湖沉积物中磷的浓度在百年尺度上处在同一数量级范围内。总体上看,龙感湖沉积物中磷的浓度高于太湖梅梁湾沉积物中的水平。但是,根据磷的形态分析发现,生物有效磷占总磷的百分含量上,太湖梅梁湾沉积物中的含量高于龙感湖沉积物中的水平。时间上,总磷和磷的形态分布趋势相似,太湖梅梁湾沉积物在1980年代后生物有效磷及有机磷的浓度明显增加,而龙感湖增加的时间是1950年代。
沉积物的理化性质(粒度、LOI、氧化还原条件及主要元素)对草藻型湖泊沉积物中磷及其形态产生了不同程度的影响。综合两类湖泊磷的内源负荷情况,藻型湖泊(太湖梅梁湾)发生富营养化会导致沉积物对磷的保持能力下降,从而引起沉积物中磷的释放,最后加重了湖泊的富营养化进程,造成了恶性循环;草型湖泊(龙感湖)中,大型植物对沉积物的改造有利于磷的保存,从而减少了磷向上覆水体的释放,藻类失去了营养来源,降低了水华发生的概率。
基于湖泊富营养化历史以及沉积物中总磷的浓度,建立了湖泊营养水平较低时(中营养水平)沉积物中磷的阈值水平分别为425.6 mg/kg和392.7 mg/kg。考虑到湖泊沉积物存在较大的空间异质性,采用地球化学手段(P/Li)建立了湖泊营养水平较低时的阈值水平,即,当P/Li比值小于10.0时可能指示了湖泊总体上处于较低的营养水平。太湖梅梁湾1980年代和龙感湖1950年代以来沉积物中磷的储存量分别为9.0×103吨和10.5×103吨。太湖梅梁湾沉积物中磷的埋藏效率最低,而龙感湖东部湖区沉积物对磷的埋藏效率低于西部湖区。根据Carey and Rydin(2011)提出的沉积物总磷的稳定深度概念,两个湖泊沉积物分别自1980年代和1950年代以来,具有潜在释放风险的磷含量分别为3.2×103吨和2.6×103吨。
利用Fe/P和Al/P比值评价了湖泊沉积物对磷的保持能力,发现两个湖泊自营养水平发生明显转变后,Fe/P和Al/P均明显下降,反映了湖泊沉积物对磷的保持能力的下降。根据Fe/P和Al/P比值的大小建立了沉积物对磷保持能力的阈值,该结果不同于欧洲其它地区湖泊的研究结果,反映了地区性的差异。Ca/P和Mn/P比值在两个湖泊沉积物中呈现了较大差异,在沉积物对磷的保持能力方面的指示作用不大。利用总磷的质量累积通量和TP/MAR(总磷与质量累积速率比值)区分了自然与人类活动对龙感湖沉积物中磷的贡献,结果显示TP/MAR可以有效地指示人类活动(化肥的使用)造成沉积物中磷的累积。