長蕩湖表層沉積物中營養(yǎng)鹽空間分布與污染特征

朱 林，汪院生，鄧建才，張洪梅，劉 鑫

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,江蘇蘇州 215128；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇南京 210008)

長蕩湖表層沉積物中營養(yǎng)鹽空間分布與污染特征

朱 林1，汪院生1，鄧建才2，張洪梅2，劉 鑫2

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,江蘇蘇州 215128；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇南京 210008)

通過對長蕩湖不同湖區(qū)表層沉積物中營養(yǎng)鹽及含水率的測定,結(jié)合統(tǒng)計分析手段,探討其空間分布與污染特征。結(jié)果表明：長蕩湖表層沉積物中TN、TP的質(zhì)量比、TOC含量及含水率變化范圍分別為3.47～10.80 g/kg、0.57～1.83 g/kg、0.66%～4.21%和41.71%～75.78%,其均值分別為6.86g/kg、1.19 g/kg、1.73%和60.48%,且均呈湖周高、湖心低的空間分布特征；TN、TP和含水率之間呈顯著線性相關(guān),TOC與TN、TP和含水率之間無顯著相關(guān)性；長蕩湖表層沉積物中TN、TP及TOC富集系數(shù)分別在0.7～2.0、0.6～2.0和0.4～2.5內(nèi)變化,其平均值分別為1.3、1.3、1.0；污染指數(shù)分別在6.3～19.6、1.0～3.1和0.7～4.2內(nèi)變化,其平均值分別為12.5、2.0和1.7；長蕩湖表層沉積物的氮素水平處于重度污染狀態(tài),且磷、有機碳均已受到一定程度的污染。

長蕩湖；表層沉積物；TN；TP；TOC；污染特征；空間分布

水體富營養(yǎng)化日益成為世界面臨的一個嚴(yán)峻的環(huán)境問題[1],其根本原因是水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度過高,超出水體生物生長需求[2]。湖泊作為重要的內(nèi)陸水資源,也面臨著嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化威脅[3]。地表徑流、工農(nóng)業(yè)污染物進入湖體后,經(jīng)沉降作用在沉積物中累積,使得底泥成為污染物的主要蓄積庫[4],在水動力、漁業(yè)活動以及生物擾動等作用下,蓄積于底泥中的污染物會再次向水體釋放,造成二次污染[5-6]。目前,隨著國家與地方水環(huán)境保護法律法規(guī)出臺以及一批截污工程實施,外源入湖污染物得到了有效控制[7],內(nèi)源營養(yǎng)負(fù)荷控制成為湖泊富營養(yǎng)化治理的重點。

近年來,長蕩湖受到了大量工農(nóng)業(yè)和生活污水的污染,底泥中積蓄了大量氮、磷等污染物,水質(zhì)惡化趨勢與富營養(yǎng)化趨勢明顯[8]。水動力以及漁業(yè)活動頻繁,對底泥擾動明顯,氮、磷較容易再次向水體中釋放,造成內(nèi)源污染。自2001—2010年長蕩湖一直處于富營養(yǎng)化狀態(tài),而底泥中氮、磷的變化是湖泊水質(zhì)的一個縮影,對其營養(yǎng)鹽污染進行評價研究,有助于分析未來水質(zhì)變化趨勢；然而目前,國內(nèi)外對湖泊沉積物營養(yǎng)鹽污染評價尚缺乏統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)。筆者研究長蕩湖營養(yǎng)鹽、含水率的空間差異性,探討氮、磷及有機碳的空間分布特征,闡明底泥污染現(xiàn)狀,為湖泊水體富營養(yǎng)化控制與湖泊治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

長蕩湖又名洮湖,屬草型淺水湖泊,位于金壇市和溧陽市境內(nèi),南北長約15.5 km,東西寬約9 km,湖泊面積約85.3 km2,多年平均水位3.46 m,平均水深1.10m。西部通過薛埠河承接茅山丘陵山區(qū)降水徑流；東部的湟里河、北干河以及中干河將長蕩湖與滆湖連通；北部通過丹金溧漕河承接京杭運河來水；南部丹金溧漕河、趙村河、上黃河將長蕩湖與南溪諸河串聯(lián)[9]。湖區(qū)地處北亞熱帶濕潤氣候區(qū),屬海洋性濕潤氣候,具有明顯的季風(fēng)特征,常年主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)、東風(fēng),多年平均風(fēng)速為3.5m/s,實測最大風(fēng)速為22.0m/s；四季分明,春季干燥少雨,夏季高溫高濕,雨量集中,秋季涼爽,冬季寒冷干燥。長蕩湖是江蘇省十大淡水湖之一,集防洪調(diào)蓄、水資源、生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)養(yǎng)殖、氣候調(diào)節(jié)及旅游等功能于一體,地處滆湖和太湖的上游,有向地區(qū)和太湖供水的功能,其供水的水量和水質(zhì)對地區(qū)和太湖至關(guān)重要。

1.2 采樣及分析方法

根據(jù)長蕩湖地形特征、出入湖河流河口分布、不同區(qū)域利用的差異性以及水生植被覆蓋程度將其劃分為西北區(qū)、東北區(qū)以及南部湖區(qū),布設(shè)48個采樣點(圖1),其中西北區(qū)(16個)、東北區(qū)(17個)和南部湖區(qū)(15個)。于2014年1月22—26日和2月16—28日進行沉積物樣品采集,采用彼德遜采泥器采集各樣點的表層沉積物1 kg左右,樣品采集完成后,運回實驗室低溫保存。試驗前,用烘干法測量表層沉積物的含水量；剩余樣品避光風(fēng)干,按四分法取約5g于研缽中研磨,過100目篩?？傆袡C碳(TOC)采用重鉻酸鉀硫酸氧化硫酸亞鐵滴定法測定；TN用堿性過硫酸鉀消化接紫外比色法測定；TP用酸性過硫酸鉀消化接鉬銻抗比色法[10]測定。

圖1 長蕩湖采樣點分布

1.3 沉積物中營養(yǎng)鹽污染評價指南

根據(jù)1992年加拿大安大略省環(huán)境和能源部對生態(tài)毒性效應(yīng)制定的沉積物質(zhì)量評價指南[11](各指標(biāo)安全限值:TN 0.55 g/kg,TP 0.60 g/kg,TOC 1.0%),結(jié)合長蕩湖表層沉積物中營養(yǎng)鹽含量(表1),計算不同湖區(qū)表層沉積物中營養(yǎng)鹽的富集系數(shù)Fi、污染指數(shù)Pi,以反映沉積物的污染特征,其計算公式如下:式中:Fi為第i種營養(yǎng)鹽的富集系數(shù)；Pi為第i種營養(yǎng)鹽的污染指數(shù)；Ci為第i種營養(yǎng)鹽實測濃度；C0i為第i種營養(yǎng)鹽評價標(biāo)準(zhǔn)；Cvi為第i種營養(yǎng)鹽環(huán)境背景參照值(本文使用采集的柱狀底泥20～50 cm層中各營養(yǎng)鹽平均值的最小值為標(biāo)準(zhǔn))。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2013；表層沉積物中TN、TP空間分布圖的繪制采用Surfer 8.0；統(tǒng)計分析采用SPSS 16.0。

表1 長蕩湖不同湖區(qū)表層沉積物中TN、TP質(zhì)量比及TOC含量和含水率

南部湖區(qū)全湖

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中TN空間分布特征

長蕩湖表層沉積物中TN的質(zhì)量比在3.47～10.80g/kg內(nèi)變化,平均為6.86 g/kg,極差為7.33 g/kg,高于全湖平均值(表1),空間上呈現(xiàn)湖周高、湖心低的分布特征,這與河道輸入、圍網(wǎng)養(yǎng)殖過程中餌料的添加、動物的排泄等外源性污染有關(guān)(圖2)。東北湖區(qū)、南部湖區(qū)、西北湖區(qū)沉積物中TN質(zhì)量比分別為(7.30±2.28)g/kg、(7.00±1.97)g/kg和(6.35±2.02)g/kg(表1)。東北部湖區(qū)底泥高含氮量,可能是由于圍網(wǎng)養(yǎng)殖過程中餌料投放不當(dāng)、利用率降低,使湖區(qū)氮負(fù)荷增高,冬季水草衰亡腐敗也會導(dǎo)致湖區(qū)營養(yǎng)物負(fù)荷增高。南部湖區(qū)氮污染,可能是由于長蕩湖西高東低,南部水淺,且淤積嚴(yán)重,致使泥沙攜帶的氮素隨湖流自西向東遷移,在遷移過程中湖流速度逐漸減小,造成營養(yǎng)物質(zhì)不斷沉積于南部湖區(qū)底泥中；這也和南部湖區(qū)人口眾多、旅游開發(fā)有關(guān)。西北部湖區(qū)含氮量可能來自于入湖河道所攜帶的工農(nóng)業(yè)及生活廢水的輸入。單因素方差分析(one-way ANOVA)結(jié)果表明,3湖區(qū)底泥中TN質(zhì)量比空間差異不顯著(p＞0.05)。

圖2 長蕩湖表層底泥中TN質(zhì)量比空間分布(單位：g/kg)

2.2 沉積物中TP空間分布特征

磷是湖泊沉積物中另一個主要營養(yǎng)元素,也是反映湖泊污染程度的重要指標(biāo)。長蕩湖表層沉積物中TP質(zhì)量比在0.57～1.83 g/kg內(nèi)變化,平均為1.19 g/kg(表1),其空間分布特征與TN相似(圖3),即湖周高、湖心低。西北湖區(qū)、南部湖區(qū)和東北湖區(qū)中TP質(zhì)量比分別為(1.18±0.37)g/kg、(1.06±0.25)g/kg和(1.01±0.22)g/kg(表1)。長蕩湖底泥中磷的空間分布特征受生活污水排放、農(nóng)田肥料流失、圍網(wǎng)養(yǎng)殖等外源輸入影響較大。西北湖區(qū)和南部湖區(qū)沉積物中相對較高的磷含量,可能與西北湖區(qū)白石河、大浦河以及丹金溧漕河攜帶大量工農(nóng)業(yè)和生活污水進入湖泊并在南部湖區(qū)淤積直接有關(guān),這一觀點與李勇等[12]的研究成果一致。盡管3個湖區(qū)沉積物中TP含量存在差異,但統(tǒng)計顯示差異不顯著(p＞0.05)。

圖3 長蕩湖表層底泥中TP質(zhì)量比空間分布(單位：g/kg)

2.3 沉積物中TOC空間分布特征

TOC在湖泊物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用,其主要來自于水體中自養(yǎng)生物的合成及外源輸入。TOC指標(biāo)能在一定程度上反映出湖泊受有機物污染的程度,是指示水體內(nèi)源污染程度的重要指標(biāo)之一[13]。底泥中有機碳也是可交換態(tài)氮等形態(tài)氮的主要來源,微生物活動會增加有機碳的礦化分解,增加湖泊中氮、磷濃度,導(dǎo)致水質(zhì)惡化或富營養(yǎng)化[14]。長蕩湖沉積物中TOC含量在0.66%～4.21%內(nèi)變化,平均為1.73%±0.76%,極差為3.55%,高于全湖平均含量(表1),其有機碳含量分布呈西北部和南部湖區(qū)高東北湖區(qū)低的特點(圖4)。西北湖區(qū)、南部湖區(qū)和東北湖區(qū)中TOC含量分別為2.00%± 0.87%、1.81%±0.78%和1.39%±0.48%(表1)。統(tǒng)計分析表明:西北湖區(qū)與東北湖區(qū)間差異顯著(p =0.014),西北湖區(qū)與南部湖區(qū)以及東北湖區(qū)和南部湖區(qū)間無顯著差異(p＞0.05)。西北區(qū)有機碳可能主要來源于丹金溧漕河道外源輸入,湖泊湖流流速小,有機污染物難于分散,在入湖口輻射區(qū)內(nèi)沉積下來,導(dǎo)致沉積物中TOC含量增高；南部區(qū)則由于圍網(wǎng)養(yǎng)殖餌料投放產(chǎn)生的有機物碎屑,周邊生活、生產(chǎn)廢水排放及網(wǎng)箱有效緩解了風(fēng)浪擾動,在底層易形成相對厭氧區(qū),利于有機質(zhì)的蓄積。東北部湖區(qū)污染可能源于湖濱帶冬季水生植物衰亡腐敗、生活污水排放,但東北湖區(qū)湖濱帶水生植被及某些微生物(如附著微生物等)的存在增加了表層底泥中的礦化分解作用使其具有相對較高的污染去除能力。

圖4 長蕩湖表層底泥中有機碳含量空間分布(單位：%)

2.4 沉積物中含水率分布特征

含水率反映了底泥的疏松特征,直接影響底泥的再懸浮程度,而底泥再懸浮過程是營養(yǎng)鹽在底泥與上覆水之間重新分配的重要途徑[15-16]。有研究表明頻繁擾動可使底泥中含水率顯著增加[17]。長蕩湖表層沉積物含水率在41.71%～75.78%內(nèi)變化,平均值為60.48%±8.77%,變異系數(shù)為15.0% (表1),長蕩湖表層沉積物中含水率呈湖周高、湖心低以及由沿岸向湖心逐步降低的特征(圖5)。這可能與沉積物淤積厚度、顆粒粒徑、有機質(zhì)含量等有關(guān)。湖周水生植物新陳代謝過程會導(dǎo)致表層沉積物有機質(zhì)含量增加,再加上頻繁水動力擾動,會導(dǎo)致表層沉積物更加的疏松,從而使其含水率相對升高。相比較而言,西北湖區(qū)人為干擾少,底泥受擾動最小,含水率也較低。南部湖區(qū)、東北湖區(qū)和西北湖區(qū)沉積物含水率分別62.56%±8.81%、62.14%± 9.15%和57.71%±8.08%(表1)。南部湖區(qū)與東北湖區(qū)底泥含水率較高,表明其泥質(zhì)疏松,具有較大的不穩(wěn)定性,容易發(fā)生再懸浮、釋放底泥中的營養(yǎng)鹽,西北湖區(qū)底泥中含水率較低,底泥中的營養(yǎng)元素不易在上覆水體間重新分配,一定程度上會減弱水體的富營養(yǎng)化程度。但單因素方差分析表明,不同湖區(qū)表層沉積物含水率差異不顯著(p＞0.05)。

圖5 長蕩湖表層底泥中含水率空間分布(單位：%)

由表2可見,長蕩湖底泥中TN和TP呈顯著線性相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為0.503(p＜0.01),這表明TN、TP可能有相同污染來源,這也驗證了TN、TP具有一致的空間分布特征,即湖周高、湖心低的空間分布；表層沉積物中TN、TP隨含水率增加而增高,含水率與TN、TP間存在顯著線性相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為0.821(p＜0.01)和0.425(p＜0.01)；TOC與TN、TP以及含水率之間無顯著關(guān)系。盡管沉積物中碳與氮積累具有高度同步性[18],但由于外源輸入的碳、氮打破了兩者間平衡,這種關(guān)系并未在本研究中發(fā)現(xiàn)。

表2 長蕩湖表層沉積物中TN、TP、含水率及TOC相關(guān)性分析

2.5 沉積物中營養(yǎng)鹽污染特征評價

由表3可知,長蕩湖表層沉積物中TN、TP及TOD富集系數(shù)Fi分別在0.7～2.0、0.6～2.0和0.4～2.5內(nèi)變化,其平均值分別為1.3、1.3、1.0；污染指數(shù)分別在6.3～19.6、1.0～3.1和0.7～4.2內(nèi)變化,其平均值分別為12.5、2.0和1.7。除6%采樣點中TOC污染指數(shù)小于1外,TN和TP污染指數(shù)均大于1,且TN為重度污染狀態(tài),其污染指數(shù)高于平均值的樣本數(shù)占40%,尤其以東北湖區(qū)比例最高,為61%,西北湖區(qū)和南部湖區(qū)分別為26%和36%,表明長蕩湖表層沉積物營養(yǎng)鹽存在富集現(xiàn)象,并受到一定程度的污染。

表3 長蕩湖表層底泥中TN、TP及TOC的富集系數(shù)和污染指數(shù)

長蕩湖表層底泥中TN、TP平均質(zhì)量比均顯著高于太湖、天目湖、洪澤湖、青海湖及巢湖；TOC平均含量高于太湖和巢湖,低于洪澤湖與青海湖(表4)。根據(jù)美國EPA沉積物污染評價標(biāo)準(zhǔn),沉積物中TN質(zhì)量比大于2.000 g/kg時為重度污染[19],TP質(zhì)量比大于0.6g/kg、TOC含量大于1.0%時表示底泥已經(jīng)受到污染[24],因此,長蕩湖表層沉積物內(nèi)源污染負(fù)荷不容忽視。

表4 長蕩湖表層沉積物中TN、TP質(zhì)量比和TOC含量與其他湖泊比較

3 結(jié) 語

長蕩湖表層沉積物營養(yǎng)鹽空間分布特征研究發(fā)現(xiàn):長蕩湖TN、TP、有機碳和含水率空間分布存在異質(zhì)性,且空間變異大；表層沉積物中TN與TP具有同源性；表層沉積物TN、TP和有機碳均有不同程度的富集,且TN處于重污染水平,TP和有機碳污染相對較輕。

為有效控制長蕩湖的水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的惡化,建議分區(qū)對長蕩湖施行治理,加大長蕩湖外源污染控制的力度,開展工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染源整治工程,嚴(yán)格控制丹金溧漕河上游輸水中攜帶的污染負(fù)荷,改善上游輸入河流的水質(zhì)；在西北湖區(qū)栽種蘆葦、篙草等水生植物,形成生態(tài)攔截帶,減少污染物向下游的遷移量。在南部湖區(qū)適當(dāng)開展底泥疏浚工程,降低該區(qū)域底泥淤積量,防治內(nèi)源釋放產(chǎn)生的水體污染；加強對東北湖區(qū)水環(huán)境的保護,防止其自凈能力下降而出現(xiàn)水質(zhì)惡化。

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Spatial distribution and contam ination characteristics of nutrients in surface sediment of Changdang Lake

ZHU Lin1,WANG Yuansheng1,DENG Jiancai2,ZHANG Hongmei2,LIU Xin2
(1.Jiangsu Taihu Planning and Design Institute ofWater Resources Co.Ltd.,Suzhou 215128,China；2.Nanjing Institute ofGeography and Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China)

By determining the nutrient and water contents in surface sediment in different region of Changdang Lake,combined with statistical analysis method,the spatial distribution and pollution characteristics were discussed.The results showed that the concentration of nutrient ranged from 3.47 to 10.80 g/kg for TN,from 0.57 to 1.83 g/kg for TP,from 0.66%to 4.21%for TOC,from 41.71%to 75.78%for water,with an average of 6.86 g/kg,1.19 g/kg,1.73%and 60.48%,respectively,which all had spatial distribution of high content in surrounding and low in central in the lake.A significant linear correlation was observed among total nitrogen,total phosphorus and water content,while there was not significant correlation among total organic carbon and total nitrogen,total phosphorus and water content.The enrichmentcoefficients varied from 0.7 to2.0 for total nitrogen, from 0.6 to 2.0 for total phosphorus and from 0.4 to 2.5 for total organic carbon,with an average of 1.3,1.3, 1.0,respectively.And that pollution index varied from 6.3 to 19.6 for total nitrogen,from 1.0 to 3.1 for total phosphorus and from 0.7 to 4.2 for total organic carbon,with the average of 12.5,2.0 and 1.7,respectively, indicating that nitrogen level was in heavily polluted state and Changdang Lake was under a certain level of pollution of phosphorus,organic carbon in the surface sediment.

Changdang Lake；surface sediment；total nitrogen；total phosphorus；total organic carbon；pollution characteristics；spatial distribution

X524

：A

：1004 6933(2015)06 0135 06

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.022

2015 07 15 編輯:徐 娟)

水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07101-011)；國家自然科學(xué)基金(41271213)；中國科學(xué)院重點部署項目(KZZD-EW-10)

朱林(1981—),男,工程師,主要從事水文水資源規(guī)劃研究工作。E-mail:957309684@qq.com