南亞熱帶水庫消落帶土壤主要金屬元素流失及其對沉積物磷釋放的影響

趙孟緒　唐鵲輝　王靈紫　胡克武　吳杰　曹家瑤　彭亮

摘要：比較中國南亞熱帶地區(qū)31座大型水庫消落帶裸露土壤、表層沉積物和水體中的磷和主要金屬元素（Al、Ca、Fe和Mn）含量，探討水相磷與沉積物固相磷和鐵之間的關(guān)系，為中國南亞熱帶水庫沉積物內(nèi)源磷釋放對水庫富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)提供準(zhǔn)確預(yù)測。結(jié)果顯示：由南向北，水庫消落帶土壤鐵含量逐漸下降，土壤鈣含量逐漸上升；沉積物與消落帶土壤中各元素含量的比值依次為Mn>P>Fe>Al>Ca，與土壤鐵和錳高的流失率相比，鋁和鈣基本無流失作用，鐵和錳從流域土壤向水體和沉積物遷移可能是華南地區(qū)水體鐵錳超標(biāo)的重要原因；水庫消落帶土壤和表層沉積物中總磷與鐵含量均顯著正相關(guān)（P<0.05），且沉積物鐵結(jié)合態(tài)磷含量占總磷的百分比顯著高于土壤（P<0.05），表明磷主要與流域土壤中的鐵結(jié)合并共同遷移、沉降，最終匯入沉積物中。當(dāng)水庫表層沉積物總磷含量達(dá)0.6 mg/g時(shí)，沉積物總磷含量與鐵含量相關(guān)，推測南亞熱帶水庫沉積物磷的飽和滯留量可能在0.6 mg/g左右。當(dāng)Fe：P>70時(shí)，水體磷濃度基本低于20 μg/L，水庫處于中營養(yǎng)狀態(tài)，表明表層沉積物中的鐵能吸附水體磷并抑制磷釋放，此時(shí)沉積物是磷的“匯”。當(dāng)Fe：P<70，總磷含量與鐵含量之間無顯著相關(guān)性，水體磷濃度與沉積物鐵磷比顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），表明這些水庫沉積物中鐵對磷的吸附可能已開始飽和。沉積物鐵磷質(zhì)量比為70可能是南亞熱帶水庫沉積物開始由磷匯向磷源轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵閾值。

關(guān)鍵詞：土壤；沉積物；磷；鐵；南亞熱帶水庫

中圖分類號：X502? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1674-3075（2023）06-0088-08

與湖泊相比，流域特征（徑流過程與生物地球化學(xué)要素）對水庫生態(tài)系統(tǒng)的影響更為劇烈（Goulart et al，2023）。受防洪和調(diào)蓄等影響，水庫水位波動較大，導(dǎo)致水庫消落帶成為水陸生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換最活躍、最重要的區(qū)域（Wang et al，2011）。水庫消落帶土壤受到季節(jié)性淹水作用，理化性質(zhì)會隨之改變，勢必影響土壤磷的吸附和形態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致磷在土-水界面間的遷移也會發(fā)生改變（Zhang et al，2020）。土壤組分中鐵、鋁等金屬元素對磷的專性吸附是影響磷遷移的重要因素（Gérard，2016）。鐵在土壤中以多種形態(tài)廣泛存在，土壤有效磷的變化與鐵組分，尤其是無定形鐵氧化物的變化有關(guān)，土壤淹水后鐵形態(tài)與含量發(fā)生變化，將對磷的吸附產(chǎn)生顯著影響（Laakso et al，2016）。研究表明，淹水使土壤中結(jié)晶態(tài)氧化鐵含量減少，無定形鐵含量增加，土壤對磷的吸附能力提高，從而影響磷在水-土界面遷移（Rothe et al，2016）。

沉積物中的鐵主要來源于流域土壤流失。流域面積越大，因降雨沖刷而隨土壤顆粒匯入水庫的鐵化合物可能越多（Abesser et al，2006）。鐵屬于對氧化還原條件較敏感的元素，鐵鋁結(jié)合態(tài)磷是沉積物中的重要組分之一，當(dāng)沉積物的氧化還原電位較高的時(shí)候（ORP>350 mV），F(xiàn)e3+與磷酸根離子結(jié)合，形成難溶的磷酸鐵，可溶性磷也被氫氧化鐵吸附從而逐步沉淀下來；而當(dāng)氧化還原電位較低時(shí)（ORP<200 mV），會促進(jìn)Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化，鐵結(jié)合態(tài)磷表面的Fe（OH）3保護(hù)層轉(zhuǎn)變?yōu)镕e（OH）2，之后溶解釋放，使鐵離子及被吸附的磷酸鹽轉(zhuǎn)變成溶解態(tài)而析出，沉積物磷釋放量增加（Katsev & Dittrich，2013；Chen et al，2018）。Jensen等（1992）對丹麥湖泊沉積物鐵和磷含量的研究表明，上覆水總磷濃度與沉積物鐵磷比呈負(fù)相關(guān)。并由此發(fā)現(xiàn)，沉積物鐵磷質(zhì)量比為15是沉積物在磷吸附和磷釋放狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化的臨界值。當(dāng)鐵磷質(zhì)量比小于15時(shí)，沉積物是水體中磷的“源”；當(dāng)鐵磷質(zhì)量比大于15時(shí)，沉積物是水體中磷的“匯”。

我國南亞熱帶大型深水水庫受季風(fēng)氣候影響，豐水期降雨強(qiáng)度大（Han et al，2012），流域沖刷使裸露的消落帶土壤中大量富含鐵化合物的顆粒匯入水庫（高明秀， 2003），由于鐵（氫）氧化物對水體磷的吸附并隨之共同沉降，同時(shí)水體穩(wěn)定的熱分層阻礙了湖下層磷向上擴(kuò)散，導(dǎo)致水體易受磷限制（Wang et al，2012）?？菟谒畮炝饔驔_刷作用減弱，鐵對水體中磷的“清洗”作用可能隨之降低。同時(shí)水位降低，水體混合層深度下降，沉積物磷釋放可能成為水庫磷主要的來源（Wu et al，2021）。

中國南亞熱帶地區(qū)土壤鐵含量較高（徐金鴻等，2006），水庫沉積物鐵如何影響磷釋放，進(jìn)而影響水庫富營養(yǎng)化進(jìn)程尚不明晰。本文選取地處南亞熱帶的廣東省31座大型水庫為研究對象，其中富營養(yǎng)狀態(tài)10座，中營養(yǎng)狀態(tài)18座，貧營養(yǎng)狀態(tài)3座。通過測定消落帶裸露土壤、表層沉積物和敞水區(qū)混合水樣磷和主要金屬元素含量，分析各元素的分布特征及其影響因素，探討水相磷與沉積物固相磷和鐵之間的關(guān)系，旨在為中國南亞熱帶水庫沉積物內(nèi)源磷釋放對水庫富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)提供準(zhǔn)確預(yù)測。

1? ?材料與方法

1.1? ?水庫地理位置及樣品采集

選取的廣東省31座大型水庫地理位置及采樣點(diǎn)分布如圖1。采集水庫消落帶裸露土壤；用柱狀采泥器（奧地利產(chǎn)Uwitec）采集水庫敞水區(qū)表層沉積物（0～5 cm），聚乙烯封口袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室，冷凍干燥后研磨并過100目篩，常溫保存；用采水器分層采集敞水區(qū)水樣，混合后裝入聚乙烯瓶，冷凍保存。

1.2? ?樣品分析

以SMT化學(xué)分級提取方法為基礎(chǔ)，可以將總磷（TP）劃分為5種形態(tài)，分別是：無機(jī)磷（IP）、有機(jī)磷（OP）、可交換態(tài)磷（Ex-P），鐵鋁結(jié)合態(tài)磷（NaOH-P）和鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P），其中NaOH-P又可分為鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）與鋁結(jié)合態(tài)磷（Al-P）（Ruban et al，1999）。在湖庫沉積物中無機(jī)磷IP是最重要的組分，在沉積物總磷中比例可達(dá)60%，有些沉積物甚至可高達(dá)80%以上（彭芳和田志強(qiáng)，2015）。沉積物有機(jī)磷OP主要來源于沉積物中的動植物殘?bào)w或礦化降解有機(jī)污染物等，一般僅占總磷的一小部分，因而常被認(rèn)為是沉積物中磷的儲備庫。Ex-P又稱活性磷（Lab-P），是指在碳酸鹽、氫氧根、氧化物、泥沙等環(huán)境介質(zhì)中，以物理方式吸附的復(fù)合態(tài)磷，是水體中可溶活性磷（SRP）的主要來源，易被藻類、高等植物等吸收利用。鐵鋁結(jié)合態(tài)磷是由鐵、鋁、錳等氧化物及其氫氧化物所包覆而成的一種有機(jī)磷，穩(wěn)定性較差，但能被植物直接吸收利用，是重要內(nèi)源磷。鈣結(jié)合態(tài)磷是由灰石磷、碎屑巖及難溶鈣磷礦組成，在沉積物中具有很高的惰性，是促進(jìn)磷在沉積物中富集的關(guān)鍵無機(jī)組分，但不會受到氧化還原電位的影響。

測定消落帶土壤樣品及表層沉積物中磷和主要金屬元素含量，分析磷形態(tài)。表層沉積物磷形態(tài)分級提取測定采用SMT法（Ruban，1999）。水樣分析：取50 mL水樣于錐形瓶中，依次加入濃鹽酸、濃硝酸和高氯酸，高溫消解至固體全部溶解，冷卻后定容至50 mL。取25 mL溶液，調(diào)節(jié)pH后用磷鉬藍(lán)比色法測定磷濃度，ICP-AES測定Fe和Mn的濃度。

1.3? ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

通過單因素方差分析比較消落帶土壤和表層沉積物中磷和金屬元素含量的區(qū)域差異，并比較各形態(tài)磷含量和鐵磷質(zhì)量比的差異，顯著性水平設(shè)置為0.05。分別建立消落帶土壤磷含量與鐵含量、表層沉積物磷含量和鐵含量的回歸模型，估計(jì)了模型系數(shù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與繪圖利用Origin8.0完成，部分統(tǒng)計(jì)分析在R語言平臺上進(jìn)行。

2? ?結(jié)果

2.1? ?土壤與沉積物主要金屬元素分布特征

水庫消落帶土壤總磷含量0.03～0.72 mg/g，平均0.23 mg/g。鐵含量14.18～64.56 mg/g，平均為32.52 mg/g。錳含量0.03～1.02 mg/g，平均0.25 mg/g。鋁含量150.88～12.30 mg/g，平均89.99 mg/g。鈣含量0.005～4.28 mg/g，平均0.73 mg/g。土壤鐵含量和鈣含量與所處緯度顯著相關(guān)，由南到北，土壤鐵含量呈下降趨勢，鈣含量呈上升趨勢（圖2），鋁和錳含量與緯度無顯著相關(guān)性。水庫表層沉積物總磷含量0.24～1.6 mg/g，平均0.67 mg/g。沉積物鐵含量19.56～77 mg/g，平均42.22 mg/g。沉積物錳含量1.90～4.33 mg/g，平均0.88 mg/g。沉積物鋁含量7.78～208.45 mg/g，平均92.51 mg/g。沉積物鈣含量0.001～4.62 mg/g，平均0.57 mg/g。表層沉積物鈣含量和消落帶土壤一樣也具有明顯的空間差異，但鐵含量分布無明顯規(guī)律。

沉積物與消落帶土壤中各元素含量的比值可反映各元素從流域向水庫沉積物匯集的程度。比值從大到小依次為Mn、P、Fe、Al和Ca。其中，F(xiàn)e、Mn和P的比值均大于1，特別是Mn，其比值超過3.5，表明土壤流失是水庫Mn超標(biāo)的主導(dǎo)因素；而Al和Ca基本未顯示出從土壤向水體/沉積物流失的現(xiàn)象（圖3）。

變異系數(shù)可以反映元素含量的空間差異。31座水庫消落帶土壤元素含量的變異系數(shù)從大到小依次為Ca、Mn、P、Al和Fe。其中，Ca、Mn和P的空間差異較大，Al和Fe差異相對較小。表層沉積物中各元素含量的變異系數(shù)大小順序與土壤一致。相對于土壤，沉積物Fe和Mn的變異系數(shù)無明顯變化，P略有下降，Al和Ca的變異系數(shù)顯著增加（圖4）。

統(tǒng)計(jì)分析顯示，水庫消落帶土壤鐵與磷含量的相關(guān)性呈現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象：當(dāng)水庫消落帶土壤鐵含量低于30 mg/g時(shí)，總磷與鐵含量無顯著相關(guān)性，暗示當(dāng)土壤鐵含量較低時(shí)，其吸附磷的能力較弱；當(dāng)鐵含量高于30 mg/g時(shí)，總磷含量與土壤鐵含量呈顯著正相關(guān)（R2=0.49， P<0.05，圖5）。土壤總磷與鈣、鋁和錳無顯著相關(guān)性。

2.2? ?土壤與沉積物金屬結(jié)合態(tài)磷含量比較

與消落帶土壤相比，水庫表層沉積物鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）在總磷中所占比例顯著增加（P<0.05，圖6），而鋁結(jié)合態(tài)磷（Al-P）和鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P）的比例均無明顯變化。磷從土壤向水庫沉積物遷移過程中，F(xiàn)e-P比例的升高表明Fe在沉積物中扮演更重要的角色，鐵吸附磷可能是沉積物磷循環(huán)的重要開關(guān)。

2.3? ?土壤與沉積物鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）分布特征

水庫消落帶土壤鐵磷比為66 ～910，最高值在白盆珠水庫，最低值在長湖水庫，平均值為200，除長湖水庫外，都在70以上，說明土壤磷的滯留程度均未達(dá)到飽和。而表層沉積物鐵磷比為33 ～134，最高值在東湖水庫，最低值在長潭水庫，平均值為73.33（圖7），相對于土壤均明顯下降，且水庫間差異較小。大多數(shù)水庫沉積物已達(dá)到磷飽和狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，水庫沉積物鐵與磷含量的相關(guān)性呈現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象：沉積物總磷含量低于0.6 mg/g時(shí)，總磷含量與鐵含量顯著正相關(guān)（R2=0.664， P<0.05）；而當(dāng)總磷含量高于0.6 mg/g時(shí)，兩者無明顯的相關(guān)性（圖8）。表明沉積物中鐵對磷具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，當(dāng)鐵吸附磷飽和后，磷將以其他形式賦存，進(jìn)而影響沉積物磷循環(huán)。

沉積物鐵含量與鐵結(jié)合態(tài)磷（Fe-P）含量相關(guān)性不顯著，但與有機(jī)磷（OP）含量顯著正相關(guān)（P<0.001），鐵含量對OP含量變異的解釋度為41%，高于鐵含量對TP含量變異的解釋能力（圖9）。沉積物有機(jī)磷OP是由多磷酸鹽、核酸和肌醇磷酸鹽等構(gòu)成，大部分OP性質(zhì)穩(wěn)定，不易被藻類直接吸收，只能依賴微生物作用將其礦化分解為活性可溶性磷。沉積物鐵含量與OP含量顯著正相關(guān)，表明鐵可能通過吸附、絡(luò)合等形式結(jié)合部分OP。

沉積物鐵磷比與磷含量有關(guān)，隨沉積物磷含量增加，沉積物鐵磷比逐漸下降，表明沉積物中鐵吸附磷存在飽和現(xiàn)象。當(dāng)沉積物總磷含量達(dá)0.6 mg/g時(shí)，鐵磷比約為70（圖10）。結(jié)合圖8，可以看出，當(dāng)Fe：P>70，沉積物中的鐵能吸附磷并抑制磷釋放；反之，沉積物中鐵對磷的吸附能力減弱。沉積物鐵磷質(zhì)量比為70時(shí)可能是南亞熱帶水庫沉積物開始由“磷匯”向“磷源”轉(zhuǎn)化的閾值。

2.4? ?水體磷濃度與沉積物鐵磷比之間的關(guān)系

水庫水體磷濃度為8～130 μg/L。最高值在孟州壩水庫，河道型水庫水體含大量泥沙，總磷含量高。最低值在大河水庫，平均值為30 μg/L。水體鐵濃度主要集中在100～2 300 μg/L，最高值在長潭水庫，最低值在高州水庫，平均值為500 μg/L。當(dāng)表層沉積物鐵磷比低于70時(shí)，水體磷濃度（高于20 μg/L）隨比值增加而降低，當(dāng)鐵磷比高于70時(shí)，隨著比值增加，水體磷濃度維持在相對較低的水平（圖11）。

3? ?討論

3.1? ?消落帶磷及主要金屬元素分布特征

31座水庫地處中國南亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，從南至北，消落帶土壤鐵含量呈下降趨勢，鈣含量呈上升趨勢。這與土壤飽和水含量和土壤溫度隨緯度變化有關(guān)（徐瑞松等，2006）。土壤鐵和鋁的空間差異較小，而鈣、錳和磷的空間差異相對較大，表明鐵和鋁穩(wěn)定存在于土壤中，受環(huán)境變化影響小。自然條件下，沉積物中的磷主要來源于巖石風(fēng)化和水土流失，這一自然過程需要相當(dāng)長的時(shí)間（周強(qiáng)等，2021）。而人類活動能顯著改變這一過程（Gill et al，2011），不同形式的點(diǎn)源和面源污染使過量的氮、磷等營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體，并匯集于沉積物中（Smith & Owens，2014；Jiang et al，2023）。與消落帶土壤總磷含量相比，大多數(shù)水庫表層沉積物總磷含量明顯增加，空間差異減小，說明這些水庫均有不同程度的點(diǎn)源或面源輸入（曹琳，2011）。沉積物鐵含量略高于土壤，而且土壤和沉積物中的磷含量均與鐵含量相關(guān)，同時(shí)，沉積物鐵結(jié)合態(tài)磷含量占總磷的百分比顯著高于土壤，表明磷主要與流域土壤中的鐵結(jié)合并共同遷移、沉降，最終匯入沉積物中（Abesser et al，2006）。沉積物中，鐵能吸附、絡(luò)合有機(jī)質(zhì)，不同類型的有機(jī)質(zhì)與鐵的結(jié)合能力存在差異（Han et al，2019）。Liu等（2023）研究發(fā)現(xiàn)，太湖沉積物中以有機(jī)質(zhì)形態(tài)賦存的磷能與鐵結(jié)合，其含量顯著高于無機(jī)態(tài)的Fe-P，這與本研究發(fā)現(xiàn)表層沉積物中鐵含量與有機(jī)磷含量顯著正相關(guān)（P<0.001）的結(jié)果類似。

中國華南地區(qū)紅土鐵錳含量較高（陳志誠等，2004），而水體經(jīng)常出現(xiàn)鐵錳超標(biāo)現(xiàn)象（溫美麗等，2009）。將廣東省31座大型水庫表層沉積物中各元素（磷、鐵、錳、鋁、鈣）含量均值與消落帶土壤中相應(yīng)元素含量均值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)鐵、錳和磷的流失系數(shù)較高，而鋁和鈣基本沒有流失作用。其原因一方面由于鐵錳氧化態(tài)時(shí)易吸附粘土，并在降雨沖刷下隨粘土等顆粒進(jìn)入水體（蔡佑振，2007），另一方面沉積物中鐵錳在還原態(tài)時(shí)易被溶解而進(jìn)入水體（Katsev & Dittrich，2013）。這可能是導(dǎo)致南亞熱帶水庫水體鐵錳超標(biāo)的重要原因。

3.2? ?水體磷濃度與沉積物鐵磷比之間的關(guān)系

當(dāng)外源污染得到有效控制后，沉積物磷吸附與釋放成為影響水體磷濃度的主導(dǎo)因素（Ding et al，2023）。沉積物與水體之間存在磷吸附-釋放的動態(tài)平衡，沉積物磷吸附與釋放與底泥理化性質(zhì)等有關(guān)（Hupfer & Lewandowski，2008；Tang et al，2014），如水的pH值、溶解氧含量、溫度和沉積物的磷形態(tài)、氧化還原電位、微生物等的影響，就會打破并重建沉積物和水界面之間的平衡（Lei et al，2021；Zhuo et al，2023）。在磷分級形態(tài)中，鐵結(jié)合態(tài)磷是沉積物中含量較高的磷，具有具有較高的流動性和生物有效性，是重要內(nèi)源磷，也是內(nèi)源污染控制的主要對象（張子涵等，2022）。在氧化環(huán)境下，三價(jià)鐵與磷結(jié)合形成沉淀；在還原環(huán)境下，三價(jià)鐵被還原，與磷共同進(jìn)入上覆水體。在微生物作用下，鐵磷絡(luò)合復(fù)合體的降解過程中，會產(chǎn)生大量溶解態(tài)的無機(jī)磷及亞鐵，進(jìn)而影響沉積物-水界面的穩(wěn)定性（Chen et al，2018）。Ding 等（2013）發(fā)現(xiàn)太湖沉積物磷和鐵的釋放具有同步性，這與龔夢丹等（2017）對長江中下游湖泊研究結(jié)果一致，表明磷鐵同步釋放是普遍存在的。Jensen等（1992）對丹麥湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，沉積物鐵磷比是影響沉積物磷吸附與釋放的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)表層沉積物鐵磷比質(zhì)量小于15時(shí)，以磷釋放為主；大于15時(shí)，以磷吸附為主。Geurts等（2008）對歐洲15個(gè)區(qū)域的145個(gè)沉積物樣品分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉積物鐵磷比質(zhì)量小于18時(shí)，水體中的磷濃度高（陳志誠等，2004），反之則低。與長江中下游湖泊對比發(fā)現(xiàn)，對于中國南亞熱帶水庫，集水區(qū)內(nèi)土壤鐵含量背景值較高（龔子同等，2000），表層沉積物鐵磷質(zhì)量比遠(yuǎn)高于15，推測沉積物發(fā)生匯源轉(zhuǎn)化的臨界值也不同。當(dāng)Fe：P>70時(shí)，水體磷濃度基本低于20 μg/L，處于中營養(yǎng)狀態(tài)，表明表層沉積物中的鐵能吸附水體磷并抑制磷釋放，將水體磷濃度控制在較低的水平，也可能是中國南亞熱帶水庫磷低于長江中下游湖泊的重要原因（Han et al，2012）。當(dāng)Fe：P<70，總磷含量與鐵含量之間無顯著相關(guān)性，水體磷濃度與沉積物鐵磷比顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），表明這些水庫沉積物中鐵對磷的吸附可能已開始飽和，水庫逐漸向富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。沉積物鐵磷質(zhì)量比為70可能是南亞熱帶水庫沉積物開始由磷匯向磷源轉(zhuǎn)化的閾值。

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（責(zé)任編輯? ?鄭金秀）

Loss of Primary Metal Elements from Soil and Effect on Phosphorus Release from Sediments in the Water-fluctuation Zone of Subtropical Reservoirs， China

ZHAO Meng‐xu1， TANG Que‐hui2，WANG Ling‐zi2， HU Ke‐wu3， WU Jie3， CAO Jia‐yao3， PENG Liang2

（1. Hydrological Bureau of Guangdong Province， Guangzhou Hydrology Branch，

Guangzhou? ?510140， P.R. China;

2. Department of Ecology， Jinan University， Guangzhou? ?510632， P.R. China;

3. Zhuhai Water Environment Holdings Group LTD， Zhuhai? ?519070， P.R. China）

Abstract：The migration of phosphorus （P） from land to water and the release of P from sediments are the primary causes of eutrophication. The soil of China's subtropical region is rich in iron （Fe）， and iron-bound phosphorus （Fe-P）， an important component of the phosphorus in soils and sediments. Thus， the relationship between Fe and P may play a key role in reservoir eutrophication in this region. For this study， 31 large reservoirs in subtropical China were selected， including 10 eutrophic reservoirs， 18 mesotrophic reservoirs and 3 oligotrophic reservoirs， and we compared the concentrations of P and major metal elements （Al， Ca， Fe and Mn） in the water， surface sediments and soils of water-fluctuation zones in these reservoirs. The distribution characteristics and influencing factors were then analyzed based on the results and the relationships between P concentration in water， and P content of iron in the sediments was characterized. Our objective was to allow accurate predication of the contribution of endogenous P release from sediments to the eutrophication of reservoirs in subtropical China. Results show that soil iron content decreased and soil calcium content increased from south to north. The ratio of sediment content to fluctuation zone soil content for each element followed the order Mn>P>Fe>Al>Ca. The loss rate of Fe and Mn from soil was high， while there was almost no loss of aluminum and calcium. The migration of Fe and Mn from soil to water and sediment may be an important reason for the accumulation and excess of Fe and Mn in the waters of south China. There was a significant positive correlation between total phosphorus （TP） and Fe content in both soil and surface sediments （P<0.05）， and the percentage of Fe-P content in sediment was significantly higher than that in soil （P<0.05）. We found that P was mainly combined with Fe in the soil， transferred together to water and then settled to the sediment. TP was related to the iron content of surface sediments when TP reached 0.6mg/g， suggesting that the saturation retention of P in sediments of subtropical reservoirs is approximately 0.6mg/g. When the ratio Fe：P>70， the P concentration in water was < 20 μg/L， and the reservoir water was mesotrophic， indicating that Fe in the surface sediments adsorbs P and inhibits release， so the sediment acts as a sink for P. When the ratio Fe：P<70， there was no significant correlation between TP and Fe， but the P concentration in water was negatively correlated with the Fe：P ratio in sediments （P<0.05）， indicating that Fe：P adsorption by sediments was near saturation. This suggests that an Fe：P ratio of 70 is the threshold for sediment P conversion from sink to source in subtropical reservoirs.

Key words：soil; sediment; phosphorus; iron; subtropical reservoirs

收稿日期：2023-06-26

基金項(xiàng)目：生態(tài)紅土原位覆蓋/鈍化處置水庫底泥的技術(shù)開發(fā)（40122045）；藍(lán)藻水華應(yīng)急處置技術(shù)示范研究（40120164）。

作者簡介：趙孟緒，1978年生，男，博士，主要從事水域生態(tài)學(xué)監(jiān)測與研究工作。E-mail：mantianbianye@foxmai.com

通信作者：彭亮，1980年生，男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事淡水生態(tài)學(xué)研究。E-mail：tpengliang@jnu.edu.cn