南四湖南陽湖區(qū)河口與湖心沉積物理化性質(zhì)垂向分布特征對比分析

張智慧， 胡向輝，李 寶

(1.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250014；2.臨沂大學(xué)物流學(xué)院，山東臨沂 276005；3.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276005)

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南四湖南陽湖區(qū)河口與湖心沉積物理化性質(zhì)垂向分布特征對比分析

張智慧1，2， 胡向輝2，3，李 寶3*

(1.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250014；2.臨沂大學(xué)物流學(xué)院，山東臨沂 276005；3.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276005)

利用沉積物柱狀采樣器在南四湖南陽湖區(qū)湖心和河口分別采取原位柱狀沉積物，對比分析了河口與湖心沉積物理化性質(zhì)垂向分布特征。結(jié)果表明，南陽湖河口區(qū)與湖心區(qū)沉積物含水率、孔隙度、粒度、有機(jī)質(zhì)、總磷和氨氮的垂向分布差異明顯。湖心區(qū)沉積物孔隙度、粒度、有機(jī)質(zhì)、氨氮和總磷含量隨深度增加逐漸減小，沉積物顆粒中值粒徑由40 cm以上的19～29 μm減至 40 cm以下的7.28 μm，氨氮和總磷含量分別由表層(0～10 cm均值)的137和610 mg/kg降至56和410 mg/kg(30～40 cm均值)。河口區(qū)沉積物理化指標(biāo)在45 cm以上較為接近，45 cm以下陡增。其中，有機(jī)質(zhì)含量較表層增加4～6倍，河口區(qū)較湖心區(qū)沉積序列有“倒置現(xiàn)象”，河口泥沙沉積是導(dǎo)致其差異的主要原因。

理化性質(zhì)；垂向分布；沉積物；南四湖

沉積物是湖泊環(huán)境中重要的組成部分，是上覆水體污染物質(zhì)的源和匯[1-2]。一方面，沉積物固體顆?？梢詫⒌谞I養(yǎng)元素、重金屬、有機(jī)污染物等通過吸附、氧化、絡(luò)合、沉淀等作用沉積下來，成為流域各種物質(zhì)的匯。另一方面，在湖泊外源污染或湖底環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，沉積物中賦存的污染物會隨環(huán)境條件變化發(fā)生一系列物理化學(xué)生物反應(yīng)，從沉積物中轉(zhuǎn)化、解吸、釋放出來，形成上覆水體的污染源。沉積物中污染物的釋放能力受到沉積物理化性質(zhì)的直接影響，沉積物賦存物質(zhì)垂向分布的濃度梯度導(dǎo)致其向上覆水的擴(kuò)散釋放。眾多研究表明，沉積物的組成、含水率、孔隙結(jié)構(gòu)、形貌分布、表面物理化學(xué)性質(zhì)等因素，對沉積物中污染物的遷移轉(zhuǎn)化具有重要影響[3-5]。沉積物不斷積累沉積，形成不同時(shí)期富有差異的沉積層次，反映出不同時(shí)間湖泊環(huán)境的污染程度及水動力狀況，湖泊沉積物被稱為湖泊環(huán)境的記錄簿[6-7]。因此，自然環(huán)境具有復(fù)雜的空間異質(zhì)性，不同區(qū)域的沉積環(huán)境及污染物分布有明顯差異，對同一湖區(qū)不同位置的沉積物理化指標(biāo)進(jìn)行對比分析尤為重要。

南四湖是我國北方最大的淡水湖泊，自北向南由南陽湖、獨(dú)山湖、昭陽湖、微山湖4個(gè)湖泊串聯(lián)而成，南北狹長，東西略窄，平均水深約為1.46 m，是典型的淺草型湖泊。隨著周邊經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，南四湖污染程度不斷加重，尤其以位于南四湖北部的南陽湖區(qū)污染更為突出。近年來，山東省政府加大了對南陽湖區(qū)污染的治理力度，疏浚工程也規(guī)劃在案，然而對其不同區(qū)域沉積物理化指標(biāo)的分析較少。筆者以南四湖污染最為嚴(yán)重的南陽湖區(qū)為研究對象，對河口區(qū)與湖心區(qū)沉積物的主要理化指標(biāo)進(jìn)行對比分析，以期為南陽湖區(qū)的污染治理與疏浚規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐與理論參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)分布 南四湖南陽湖區(qū)入河口眾多，湖泊不同區(qū)域水動力作用復(fù)雜，湖泊沉積環(huán)境存在差別。根據(jù)前人相關(guān)研究及實(shí)地考察，將南陽湖沉積物代表性采樣點(diǎn)分別布設(shè)在泗河入河口區(qū)(NYH1)及南陽湖湖心區(qū)(NYH2)(圖1)。采樣點(diǎn)的選擇均避開人為活動的干擾，沉積物采集的厚度均在50 cm以上。采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度分別為：NYH1(35°13′11.0″N,116°39′51.1″ E)，NYH2(35°9′26.7″ N,116°39′50.9″ E)。

1.2 樣品采集及預(yù)處理 用裝有85 mm×600 mm有機(jī)玻璃管的沉積物柱狀采樣器，分別在NYH1及NYH2兩處采取3根平行柱樣品，在現(xiàn)場采用上頂法按表層10 cm每間隔2 cm，10 cm以下每隔5 cm進(jìn)行切層，PE保鮮袋密封，帶回實(shí)驗(yàn)室于4 ℃下保存，待處理分析。將部分新鮮沉積物自然風(fēng)干，研磨過100目篩，備用。

1.3 樣品分析 沉積物的主要理化指標(biāo)包括含水率、孔隙度、有機(jī)質(zhì)、粒度、總磷及氨氮。將樣品在105 ℃下烘干至恒重，測量含水率；通過在60 ℃下烘干法，測定孔隙度[8]。沉積物粒度采用馬爾文激光粒度儀測定，并選用中值粒徑指標(biāo)；有機(jī)質(zhì)用沉積物燒失重(LOI)來表示，將在105 ℃下烘干的樣品放入馬弗爐中煅燒(550 ℃)6 h，計(jì)算有機(jī)質(zhì)燒失量；總磷(TP)：稱取0.2 g左右干樣，在馬弗爐中450 ℃下煅燒3 h，轉(zhuǎn)移到離心管中，加入20 ml 3.5 mol/L的HCl，室溫震蕩16 h，離心提取上清液，用鉬酸銨分光光度法檢測；氨氮：取2 g左右新鮮沉積物于離心管中，加入25 ml 2 mol/L的KCl，震蕩30 min，離心取上清液，用納氏比色分光光度法檢測。

圖1 采樣點(diǎn)位置

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物含水率及孔隙度垂向分布 含水率是對沉積物持水性的度量指標(biāo)，是沉積物中的含水比重，一般不包括沉積物中的化合結(jié)晶水。含水率的大小直接反應(yīng)沉積物對水分的容納和吸附情況，因含水率與孔隙度有較好的相關(guān)性，所以含水率也反映了沉積物的孔隙度狀況及顆粒易懸浮程度?？紫抖仁峭寥兰俺练e物固體顆粒物空間的重要衡量指標(biāo)。沉積物孔隙度越大，表明沉積物各層間彎曲度越小，沉積物中污染物向上覆水的擴(kuò)散能力越強(qiáng)[9]。由圖2可知，南陽湖河口與湖心區(qū)沉積物的含水率與孔隙度差異明顯，兩指標(biāo)變化趨勢相近，湖心區(qū)含水率和孔隙度隨深度增加而逐漸減小；河口區(qū)含水率和孔隙度在表層0～6 cm隨深度增加而減小，6～40 cm各層較為接近，變化波動小，在40～50 cm急劇增大，而后在50 cm以下又有隨深度增加而輕微減小趨勢。這是由于河口區(qū)水動力作用大，沉積了大量砂質(zhì)礦物顆粒，而在45 cm左右有機(jī)質(zhì)等疏松層的出現(xiàn)，導(dǎo)致了含水率和孔隙度的上升。45 cm以上湖心區(qū)沉積物含水率及孔隙度總體大于河口區(qū)，而45 cm以下河口區(qū)大于湖心區(qū)。湖心區(qū)在表層0～2 cm沉積物的含水率和孔隙度最大，分別為78.60%和90.18%，河口區(qū)表層0～2 cm含水率和孔隙度僅為37.14%和59.63%。

圖2 南陽湖沉積物含水率與孔隙度垂向分布

2.2 沉積物粒度垂向分布 河流、湖泊沉積物粒度分布特征蘊(yùn)含著水動力強(qiáng)弱信息[10]。據(jù)研究，沉積物的中值粒徑越小，越容易被波浪擾動引起懸浮，并隨水流發(fā)生遷移；沉積物中粘土礦物對重金屬等污染物的吸附能力很強(qiáng)，沉積顆粒物越細(xì)小，粘土礦物越多，沉積物中碳、氮、磷及重金屬的含量也更高[11-12]。由圖3可知，南陽湖河口與湖心沉積物粒度的垂向分布差異很大。湖心區(qū)沉積物粒度在0～50 cm各層均較河口區(qū)小，且波動性小。表明湖心區(qū)的沉積環(huán)境較河口區(qū)穩(wěn)定，水動力作用小，而河口區(qū)水流大，對沉積物的分選多為大顆粒泥沙沉積。湖心區(qū)沉積物粒度垂向分布較為接近，40 cm以上沉積物顆粒中值粒徑多為19～29 μm，為中粉砂等級；在40 cm以下粒度有明顯減小，為7.28 μm，達(dá)到極細(xì)粉砂等級。該研究中粒度取值僅為中值粒徑，中值粒徑減小，表明小于4 μm的粘土礦物顆粒含量增加。河口區(qū)20 cm以上沉積物粒徑較大，波動較大，多為極細(xì)沙～細(xì)沙，明顯大于湖心區(qū)粉砂顆粒，15～20 cm出現(xiàn)粒徑最大值，為263.37 μm；河口區(qū)沉積物中值粒徑在20 cm以下明顯下降，由細(xì)沙過渡到粗粉砂，然后在45 cm以下變?yōu)榧?xì)粉砂等級。

圖3 南陽湖沉積物粒度垂向分布

2.3 沉積物有機(jī)質(zhì)垂向分布 沉積物中有機(jī)質(zhì)主要為生物腐殖質(zhì)及人為排放的有機(jī)化合物，在湖泊的物質(zhì)循環(huán)過程中具有重要的作用，有機(jī)質(zhì)的含量直接體現(xiàn)了沉積物中營養(yǎng)元素碳的賦存狀況，并對沉積物氮磷等營養(yǎng)元素的釋放也具有重要影響[13]。有機(jī)質(zhì)的氧化分解會消耗湖泊中的氧，釋放大量可溶物質(zhì)，加重上覆水體污染。其還可促進(jìn)沉積物對重金屬等污染物吸附、絡(luò)合作用，影響沉積物污染物的賦存。由圖4可知，湖心區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)含量有隨深度增加波動下降的趨勢，但波動較大，表層2～4 cm有機(jī)質(zhì)含量最大，為19.05%。河口區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)含量在0～45 cm很低，均不高于5%，而45 cm以下急劇增加，在50～55 cm，有機(jī)質(zhì)含量達(dá)16.93%。表明河口區(qū)富含腐殖質(zhì)等有機(jī)質(zhì)的沉積物層埋藏很深，而湖心區(qū)因湖泊水動力作用弱，腐殖質(zhì)等有機(jī)物層分布在沉積物表層。45 cm以上湖心區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)含量明顯大于河口區(qū)，約是河口區(qū)的3～4倍。

圖4 南陽湖沉積物有機(jī)質(zhì)含量垂向分布

2.4 沉積物氨氮垂向分布 沉積物中的氮有無機(jī)氮與有機(jī)氮之分，有機(jī)氮多需降解為無機(jī)氮才能被生物所利用。無機(jī)氮主要有氨氮、硝氮和亞硝氮，沉積物中無機(jī)氮因其多是可溶性的，可通過間隙水向上覆水釋放擴(kuò)散，與上覆水體關(guān)系密切。沉積物中有機(jī)氮大多先在有氧條件下經(jīng)過氨化作用生成氨氮，然后部分氨氮可直接向上覆水體釋放遷移；另一部分氨氮可在氧化條件下繼續(xù)發(fā)生硝化反應(yīng)生成硝氮和亞硝氮，并可進(jìn)一步發(fā)生反硝化反應(yīng)，形成氣態(tài)氮[14]。因此，氨氮是沉積物中氮負(fù)荷向上覆水釋放潛能的最直接表征。由圖5可知，南陽湖河口區(qū)與湖心區(qū)氨氮的垂向分布隨深度變化大體呈相反趨勢。隨深度的增加，河口區(qū)氨氮含量波動上升，而湖心區(qū)波動下降。河口區(qū)氨氮含量在45 cm以上漲幅較小，總體含量較45 cm以下低，而湖心區(qū)氨氮含量在25 cm以上明顯高于25 cm以下層。湖心區(qū)沉積物0～50 cm各層氨氮含量均比河口區(qū)高，和沉積物有機(jī)質(zhì)分布趨勢較為一致。這主要因?yàn)榘钡姆植际苡袡C(jī)質(zhì)的影響明顯[15]。河口區(qū)與湖心區(qū)氨氮含量均在30 cm附近出現(xiàn)較低值，湖心區(qū)表層沉積物氨氮含量約是河口區(qū)的3～4倍。

圖5 南陽湖沉積物氨氮含量垂向分布

2.5 沉積物總磷垂向分布 磷元素作為湖泊環(huán)境富營養(yǎng)化的重要限制性因子之一，對湖泊富營養(yǎng)化環(huán)境改善至關(guān)重要。磷元素主要來源為湖泊懸浮顆粒物吸附沉降下來的無機(jī)磷及生物循環(huán)與人為排放沉積下來的有機(jī)磷。湖泊沉積物賦存的磷元素是湖泊富營養(yǎng)化污染程度及長期潛在負(fù)荷的重要表征。沉積物-水界面之間磷營養(yǎng)元素的遷移交換對上覆水體產(chǎn)生重要影響[16]。在當(dāng)今環(huán)保意識增強(qiáng)、外源污染得到初步控制的情況下，沉積物中的內(nèi)源磷負(fù)荷對上覆水體的污染釋放威脅越來越大。由圖6可知，南陽湖河口與湖心區(qū)沉積物總磷含量隨深度的增加無明顯變化，兩區(qū)變化波動均較大?？傮w上，45 cm以上各層，湖心區(qū)總磷含量高于河口區(qū)，這可能表明泗河并不是南陽湖最主要的外源磷來源，但也有可能受沉積物孔隙度、粒度等性質(zhì)的影響，對上覆水體中的磷元素吸附能力小。而在45 cm以下，湖心區(qū)總磷含量有下降趨勢，河口區(qū)反而維持在較高含量。河口區(qū)和湖心區(qū)沉積物總磷含量在表層都相對略高，最大值均出現(xiàn)在表層4～6 cm，總磷含量分別為495.65和639.09 mg/kg。湖心區(qū)在25 cm附近出現(xiàn)低值，而河口區(qū)低值出現(xiàn)在35 cm附近。

圖6 南陽湖沉積物TP含量垂向分布

3 結(jié)論

南陽湖河口區(qū)與湖心區(qū)沉積物的含水率、孔隙度、粒度、有機(jī)質(zhì)、總磷、氨氮的垂向分布差異明顯。從有機(jī)質(zhì)的垂向分布上看，河口區(qū)與湖心區(qū)有“倒置現(xiàn)象”。南陽湖河口區(qū)與湖心區(qū)氨氮的垂向分布隨深度變化大體呈相反趨勢。河口與湖心沉積物理化性質(zhì)差異明顯，沉積物污染物的垂向賦存也有明顯不同，污染治理亦應(yīng)區(qū)別對待。

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Vertical Distribution of Sediment Physicochemical Properties at Estuary and Center of Nanyang Zone from Nansi Lake

ZHANG Zhi-hui1,2,HU Xiang-hui2,3,LI Bao3*

(1.Institute of Population.Resource and Environment,Shandong Normal University,Jinan,Shandong 250014; 2.School of Logistics,Linyi University,Linyi,Shandong 276005; 3.School of Resources & Environment,Linyi University,Linyi,Shandong 276005)

Intact in situ sediment cores were collected by core sampler at estuary and center of Nanyang Zone from Nansi Lake,the vertical distribution of sediment physicochemical properties was analyzed.Results showed that the vertical distribution of sediments water content,porosity,grain size,organic matter,total phosphorus,ammonia nirtogen at estuary and center of Nanyang Zone were significantly different.Sediments porosity,grain size,organic matter,ammonia nitrogen and total phosphorus concentration in center decreased with depth,and the median diameter of sediment particle reduced from 19-29 μm in surface 40 cm to 7.28 μm under 40 cm,the concentration of ammonia nitrogen and total phosphorus reduced from 137 and 610 mg/kg (0-10 cm average) to 56 and 410 mg/kg (30-40 cm average),respectively.Sediment physicochemical properties at estuary were closer in surface 45 cm,and then significantly increase below 45 cm,where the sediment organic matter increased about 4 to 6 times than the surface.The sedimentary sequence at estuary had “inversion phenomenon” compared with the center,and the different depositional environment may the main cause.

Physicochemical property; Vertical distribution; Sediment; Nansi Lake

教育部大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201210452001)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21207058)。

張智慧(1989- )，男，山東微山人，碩士研究生，研究方向：水環(huán)境及其生態(tài)修復(fù)技術(shù)。*通訊作者，副教授，博士，從事湖泊沉積物與水界面過程研究。

2015-04-27

S 181.3

A

0517-6611(2015)17-288-03