黃大湖沉積物營養(yǎng)鹽分布及來源解析

馬金玉，王文才，羅千里，李偉杰，羅艷?，范中亞?

1.南昌航空大學

2.國家環(huán)境保護水環(huán)境模擬與污染控制重點實驗室,生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所

湖泊富營養(yǎng)化問題是當前我國主要水體環(huán)境問題之一。總氮(TN)、總磷(TP)與有機質(zhì)(OM)是水體富營養(yǎng)化的主要控制指標[1-2]。湖泊沉積物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,既是氮、磷及OM的匯,同時也是內(nèi)源污染的源。當環(huán)境條件發(fā)生改變時,沉積物中的OM會礦化釋放出大量氮和磷,并消耗水中的溶解氧,對水體造成二次污染[3-4]。因此,研究湖泊沉積物中氮、磷及OM的來源、特征、遷移轉(zhuǎn)化等生物地球化學行為與其環(huán)境效應對深入理解湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化、富營養(yǎng)化過程與機制等均具有重要意義。沉積物中OM隨陸源、微生物源等來源不同而存在差異,碳氮比(C∕N)差異可以表示湖泊沉積物的生物地球化學作用差異,亦可有效指示OM的來源[5]。沉積物剖面的碳磷比(C∕P)和氮磷比(N∕P)變化可指示流域中由人類活動引起的硝酸鹽和磷酸鹽輸入到湖泊中的情況[6]。國內(nèi)外利用沉積物C∕N、C∕P、N∕P來分析污染物來源的研究有很多,如Lone等[7]利用C∕N研究了印度3個淡水湖泊沉積物中OM的來源,Amor等[8]利用C∕N和C∕P研究了突尼斯Monastir灣沉積物中營養(yǎng)鹽的來源,趙建國等[9]利用N∕P對永定河懷來段水體營養(yǎng)物限制性特征進行了研究。但有關我國長江中下游華陽河湖群地區(qū)沉積物營養(yǎng)鹽來源的研究較少。

黃大湖是長江中下游華陽河湖群地區(qū)主要的淺水湖泊之一,2018年以前,黃大湖水質(zhì)總體上達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類[10],但近年來面臨水質(zhì)不穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)退化和水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題。黃大湖水質(zhì)變化原因一方面來自圍欄養(yǎng)殖和圍湖造田活動造成的外源污染,另一方面來自沉積物營養(yǎng)鹽的內(nèi)源污染[11-12]。筆者通過對黃大湖13個采樣點沉積物中TN、TP及OM的研究,分析黃大湖沉積物營養(yǎng)鹽的分布特征,并結(jié)合單因子指數(shù)、有機氮指數(shù)和有機污染指數(shù)對黃大湖沉積物污染狀況進行評價,利用Pearson相關性分析及C∕N、C∕P和N∕P的關系,解析黃大湖沉積物營養(yǎng)鹽的來源,以期為黃大湖富營養(yǎng)化控制與治理提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黃大湖位于安徽省宿松縣境內(nèi),南臨長江,與鄱陽湖隔江相望,屬于長江水系,具有洪水調(diào)蓄、飲用水源、生物多樣性基因庫及水質(zhì)凈化等重要功能。黃大湖水面面積為299.20 km2,平均水深為3.94 m,蓄水量為11.79×108m3,冬季湖面不封凍[13]。黃大湖屬于北亞熱帶濕潤氣候區(qū),四季分明,光照充足,雨量充沛,無霜期長,常年主導風向為東北風。黃大湖上游自西承接與湖北省黃梅縣交界的龍感湖來水,向東匯入與安徽省太湖縣和望江縣共有的泊湖,泊湖通過華陽閘與長江連通。黃大湖所在水系主要入湖河流有上游匯入龍感湖的二郎河、下游匯入泊湖的涼亭河。

1.2 采樣點布設與樣品采集

在黃大湖設置13個采樣點(圖1),其中湖泊西北部3個采樣點(H1~H3),湖心中部4個采樣點(H4~H7),湖泊東南部6個采樣點(H8~H13)。于2014年9月進行沉積物樣品采集,使用抓斗式采泥器采集表層沉積物樣品,同時選擇距離岸邊較遠的湖心中部H6采樣點,使用柱狀采泥器采集60 cm深的底泥樣品,按照每段5 cm進行分層,裝入聚乙烯塑料袋。將表層及分層后的底泥樣品經(jīng)風干、磨細后過100目尼龍篩,裝入密封袋中密封,待測。

圖1 黃大湖表層沉積物采樣點示意Fig.1 Sampling points of surface sediments in Huangda Lake

1.3 檢測分析

用烘干法測定沉積物中OM濃度:稱取混勻后的沉積物鮮樣,于105℃烘干至恒重,放入馬弗爐中,于550℃處理5 h,處理前后的質(zhì)量差即為燒失率,用燒失量表示OM濃度[14]。根據(jù)van Bemmelen因數(shù)(1.724)進一步將沉積物中OM濃度轉(zhuǎn)換為有機碳濃度[15],計算公式如下:

式中:WOC為沉積物中有機碳濃度,%；WOM為沉積物中OM濃度,%。

采用歐洲標準委員會推薦的沉積物磷形態(tài)提取方法——SMT法[16],將磷從土壤干樣中提取后,采用DZ∕T 0064.61—1993《地下水質(zhì)檢驗方法 磷鉍鉬藍比色法》測定TP濃度。TN濃度采用GB 11894—89《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定。沉積物粒徑使用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 2000)測定。

采用Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)整理,使用ArcGIS 10.2.2和Origin 8.0軟件繪圖,使用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析和相關性分析。

1.4 評價方法

1.4.1 單因子指數(shù)評價法

采用內(nèi)梅羅單因子指數(shù)法對黃大湖表層沉積物中磷生態(tài)風險進行評估[17],計算公式如下:

式中:Pi為TP的單因子污染指數(shù)；Ci為TP濃度實測值；Si為TP濃度背景值,取黃大湖沉積物受污染程度較小的TP濃度為背景值(480 mg∕kg)[18]。

沉積物中磷的單因子污染指數(shù)分級標準見表1。

表1 沉積物中磷單因子污染指數(shù)分級標準Table 1 Single-factor index pollution classification standard of phosphorus for sediments

1.4.2 有機氮指數(shù)評價法

有機氮指數(shù)(WON)通常用來衡量湖泊表層沉積物是否遭受氮污染,因此采用WON對黃大湖表層沉積物質(zhì)量和污染等級進行評價[19],計算公式如下:

式中:WTN為沉積物中TN濃度,%。

沉積物WON評價標準見表2。

表2 沉積物W ON評價標準Table 2 Organic nitrogen index evaluation standard for sediments

1.4.3 有機指數(shù)評價法

有機指數(shù)(OI)通常用來表示水域沉積物受OM污染的環(huán)境狀況[20],計算公式如下:

沉積物OI評價標準見表3。

表3 沉積物OI評價標準Table 3 Organic index evaluation standard for sediments

2 結(jié)果與分析

2.1 表層沉積物TN、TP和OM濃度空間分布特征

黃大湖表層沉積物TN、TP和OM濃度空間分布如圖2所示。由圖2可知,黃大湖表層沉積物中TN濃度為1 112~3 277 mg∕kg,平均值為2 016 mg∕kg,其中H5采樣點最低,H3采樣點最高；TN濃度空間分布差異性顯著(P<0.05),各區(qū)域平均值表現(xiàn)為西北部(2 487 mg∕kg)>東南部(1 973 mg∕kg)>湖心中部(1 728 mg∕kg)。 表層沉積物中TP濃度為547.19~784.43 mg∕kg,平均值為651.84 mg∕kg,其中H4采樣點最低,H3采樣點最高；TP濃度空間分布差異性顯著(P<0.05),各區(qū)域平均值表現(xiàn)為西北部(684.53 mg∕kg)>東南部(652.76 mg∕kg)>湖心中部(602.14 mg∕kg)。 表層沉積物中OM濃度為5.21%~11.21%,平均值為8.6%,其中H5采樣點最低,H3采樣點最高；OM濃度空間分布差異性顯著(P<0.05),各區(qū)域平均值表現(xiàn)為西北部(9.47%)>東南部(9.32%)>湖心中部(6.88%)。從區(qū)域上看,表層沉積物中TN、TP、OM濃度均呈現(xiàn)出西北部>東南部>湖心中部,由北向南呈先降低后上升的趨勢。

圖2 黃大湖表層沉積物TN、TP和OM濃度空間分布Fig.2 Spatial distribution of TN,TP and OM concentrations in surface sediments of Huangda Lake

2.2 沉積物TN、TP和OM濃度垂直分布特征

黃大湖H6采樣點沉積物中TN、TP和OM濃度垂直分布如圖3所示。由圖3可知,該采樣點沉積物中TN、TP和OM濃度整體呈現(xiàn)隨著深度增加而減少的趨勢,在個別深度呈波動下降。其中,TP濃度在0~－10 cm有所上升,在－10 cm達到最大值,隨后下降幅度較大,直到－45 cm有所回升,隨后繼續(xù)下降；TN濃度0~－10 cm有所上升,在－10 cm達到最大值,－10~－20 cm下降趨勢明顯,－20 cm以下下降幅度較緩慢,濃度維持在800 mg∕kg左右；OM濃度在垂向的下降趨勢不如TP、TN明顯,0~115 cm處濃度上升,在－15 cm處達到最大值,－15~－55 cm呈波動下降,在個別深度OM濃度有所回升 ?？傮w來看,黃大湖沉積物TP、TN和OM濃度在0~－10 cm較高,－15 cm處左右達到最大值,－30 cm以下趨于穩(wěn)定。這說明近年來黃大湖表層沉積物受人類活動影響較大,人類活動增大了湖泊營養(yǎng)鹽輸入負荷量,加速了營養(yǎng)鹽在沉積物中的積累,使沉積物中TP、TN和OM濃度增大,導致湖泊富營養(yǎng)化程度加劇。

圖3 黃大湖H6采樣點沉積物TN、TP和OM濃度垂直分布Fig.3 Vertical distribution of TN,TP and OM concentrations in sediments of H6 sampling site of Huangda Lake

2.3 表層沉積物污染評價

黃大湖表層沉積物污染評價結(jié)果見表4。由表4可知,綜合3個污染指數(shù)來看,黃大湖整體處于中度~重度污染。黃大湖TP單項污染指數(shù)為1.18~1.69,全湖平均值為1.41。有9個采樣點處于中度污染,占比為69.2%；有4個采樣點處于重度污染,占比為30.8%。各區(qū)域Pi平均值表現(xiàn)為西北部(1.48)>東南部(1.41)>湖心中部(1.3)。黃大湖WON為0.11~0.31,全湖平均值為0.19。只有1個采樣點處于中度污染,占比為7.7%；其他12個采樣點均處于重度污染,占比為92.3%。各區(qū)域WON平均值表現(xiàn)為西北部(0.23)>東南部(0.18)>湖心中部(0.16)。黃大湖OI為0.32~2.02,全湖平均值為0.99。只有1個采樣點處于中度污染,占比為7.7%；其他12個采樣點均處于重度污染,占比為92.3%。各區(qū)域OI均值表現(xiàn)為西北部(1.34)>東南部(1.02)>湖心中部(0.69)。由3個污染指數(shù)評價結(jié)果可知,黃大湖TN和OM造成的污染比TP更為嚴重,相較于國內(nèi)其他淡水湖泊如太湖[21]、洞庭湖[22]和巢湖[23]等,其TP污染程度高于太湖,低于洞庭湖和巢湖,TN和OM的污染程度均高于太湖、洞庭湖和巢湖。

表4 黃大湖表層沉積物污染評價結(jié)果Table 4 Evaluation results of surface sediment pollution in Huangda Lake

3 討論

3.1 沉積物營養(yǎng)鹽空間分布成因解析

本研究中各采樣點表層沉積物TN、TP和OM濃度空間分布與污染評價結(jié)果一致,其中污染較為嚴重的主要是H3、H8、H11、H12采樣點所在的湖區(qū)。這與泥沙粒徑組成、水體流動性、人類活動及采樣點離岸距離等有關。

由于湖泊不同區(qū)域的水動力條件存在差異,而水動力可以通過對沉積物進行分選來影響沉積物中營養(yǎng)鹽的濃度,所以不同區(qū)域的營養(yǎng)鹽濃度存在差異。黃太湖各采樣點沉積物粒徑組成和中值粒徑如圖4所示。由圖4可知,黃大湖沉積物中粉砂(粒徑4~63μm)占比最大,各采樣點平均值為60.1%；黏土(粒徑<4μm)次之,平均值為26.5%；砂(粒徑>63μm)最小,平均值為13.4%。黃大湖西北部H3采樣點沉積物的中值粒徑最小,湖心中部處H5采樣點的中值粒徑最大。

圖4 各采樣點沉積物粒徑組成和中值粒徑Fig.4 Composition of particle sizes and median particle size of sediments at each sampling point

黃大湖沉積物中營養(yǎng)鹽濃度和中值粒徑存在明顯的負相關關系。已有的研究[24]也表明,沉積物中不同粒徑的顆粒有不同的化學組成和生物降解穩(wěn)定性,因此具有不同的營養(yǎng)鹽吸附能力,而細顆粒沉積物相較于粗顆粒沉積物具有更大的比表面積,更易吸附營養(yǎng)鹽。黃大湖西北部距離黃大湖入湖口較遠,岸線曲折,多湖灣、湖汊,屬于半封閉水域,水動力條件較差[25],有利于細顆粒物的沉積,使沉積物以粒徑較小的黏土為主；且黃大湖西北部臨近許嶺鎮(zhèn),靠近鄉(xiāng)鎮(zhèn)的區(qū)域生活污水排放量大,由于排放物難以向外擴散,部分陸生源和人為排放的污染物凝聚后沉積于湖底,有利于營養(yǎng)鹽的沉積,導致沉積物中營養(yǎng)鹽濃度偏高。黃大湖湖心處距離入湖口較近,水動力作用相對于湖灣處較強,不利于細顆粒物的沉積,因此沉積物粒徑相對較大,營養(yǎng)鹽濃度較低。黃大湖東南部位于黃大湖的下游,相較于湖心中部水動力較差,有利于細顆粒的沉降,且其處于盛行風的下風向,促進了水中自然碎屑的聚積,持續(xù)累積的大量有機碎屑增加了沉積物內(nèi)源負荷,造成沉積物營養(yǎng)鹽濃度較高。

3.2 沉積物營養(yǎng)鹽垂直分布成因解析

沉積物剖面的C∕P和N∕P可指示人類活動給湖泊N、P帶來的影響[6]。由黃大湖沉積物C∕P和N∕P垂直分布(圖5)可知,深度－20 cm以下,沉積物C∕P和N∕P呈波動變化,沒有明顯的連續(xù)上升趨勢,對應著1950年以前,黃大湖周邊人類活動并沒有對湖泊的營養(yǎng)負荷產(chǎn)生強烈的影響；在－20 cm以上,C∕P和N∕P表現(xiàn)出明顯的上升趨勢,對應著1950年后流域內(nèi)由于人口劇增、湖濱濕地被破壞、丘陵山地被開墾、農(nóng)業(yè)廢水排入湖中而引起的流域土壤侵蝕加劇和入湖營養(yǎng)物質(zhì)增多,造成營養(yǎng)鹽在沉積物中的蓄積[25]。但黃太湖營養(yǎng)鹽峰值不在－10~0 cm的表層沉積物(圖3),一方面是由于表層沉積物相對于深層沉積物的氧氣更充足,好氧微生物活動頻繁,可分解沉積物中的OM并促進硝化作用[26]；另一方面則與近年來的黃大湖周邊的環(huán)境治理措施相關,如退耕還林、新建污水處理廠、完善雨污分流管網(wǎng)建設、河道整治等對營養(yǎng)鹽輸入的控制已初見成效。

圖5 黃大湖沉積物C∕P和N∕P垂直分布Fig.5 C∕P ratio and N∕P ratio vertical distribution of sediments in Huangda Lake

3.3 表層沉積物的碳氮比(C∕N)

沉積物營養(yǎng)鹽的來源主要分為內(nèi)源和外源。內(nèi)源主要來源于藻類和浮游生物的降解,該過程與水體環(huán)境有關；外源主要來源于經(jīng)雨水沖刷進入水體的陸域污染,與人類活動如污染排放、養(yǎng)殖活動、農(nóng)業(yè)種植有關[27]。水體沉積物的C∕N是判定沉積物中有機污染來源的重要依據(jù)[5]。研究[7]表明,藻類的C∕N一般為4~10,而陸生維管束植物的C∕N一般大于20,C∕N越大,說明外源輸入OM成分越大。黃大湖C∕N為19.84~36.12,平均值為25.43,相較于國內(nèi)其他淡水湖泊如太湖[28]、長壽湖[29]和洞庭湖[30]等偏高；各采樣點C∕N均大于19,說明黃大湖沉積物中OM主要來自陸地外源顆粒有機物質(zhì)輸入。黃大湖西北部岸邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布較多,居民排放的生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染是該區(qū)域沉積物OM的主要來源。在黃大湖中部存在大面積的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū),截至2017年底,圍網(wǎng)養(yǎng)魚面積甚至超過湖泊面積的50%[31],圍網(wǎng)養(yǎng)殖投加的餌料富含大量的OM,進入湖泊水體后造成底泥污染。黃大湖東南湖岸靠近華陽河農(nóng)場圍墾區(qū)[25],圍墾區(qū)以棉花、水稻、谷物連作,一年兩熟制為主[11],圍圩種田帶來含大量有機肥料的農(nóng)業(yè)灌溉用水直排湖區(qū)[32]；在東南岸還分布有一些皮革制造廠,工業(yè)有機廢水直接或間接排放到黃大湖中影響沉積物OM濃度。此外,黃大湖沿岸帶較長,周邊區(qū)域地貌特點復雜,小生境多樣,灘地資源豐富,大部分區(qū)域土層深厚,肥力較好,為陸生維管束植物的生長提供了有利條件[33]。陸生植物凋落后,會被雨水沖刷進入黃大湖中,腐化后轉(zhuǎn)變?yōu)镺M沉積到底泥中,成為OM的外源來源之一。

3.4 表層沉積物TN、TP及OM相關性分析

黃大湖表層沉積物中TN、TP與OM濃度的相關性分析如表5所示。由表5可知,OM與TN濃度呈顯著正相關(R2＝0.821,P<0.01),OM與TP濃度無顯著相關關系,TN和TP濃度無顯著相關關系,這與已有的研究[34]結(jié)果一致。

表5 黃大湖表層沉積物中TN、TP與OM相關性分析Table 5 Correlation analysis results of TN,TP and OM of surface sediments in Huangda Lake

黃大湖沉積物TN與OM濃度呈顯著正相關,說明黃大湖沉積物中的TN與OM的沉積具有協(xié)同性[28]。這是因為黃大湖沉積物粒度組成以黏土和粉砂為主,沉積物粒徑越細,越易形成厭氧環(huán)境,使OM的氧化還原反應難以進行,分解速率低,可進入水體中的氮量越少,造成氮在沉積物中富集[35]。黃大湖沉積物中TN主要來自外源輸入及OM的礦化,且氮主要以有機氮形式存在[36]。而TP與OM濃度無顯著相關關系,說明黃大湖沉積物中磷主要以無機磷形式存在。黃大湖周邊圍湖造田、破壞湖濱濕地等人類活動造成水土流失加??；另外,黃太湖水位變化也可能會使岸邊的外源顆粒態(tài)磷進入水體,造成沉積物中的鐵磷、鈣磷等無機磷形式累積量急劇增加[37],因此外源輸入對TP影響較大。TN和TP相關性較低,表明TN和TP可能具有不同的來源。

4 結(jié)論

(1)黃大湖表層沉積物TN、TP和OM濃度空間分布較為一致,表現(xiàn)為西北部>東南部>湖心中部,由北向南呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,空間分布差異顯著。

(2)從垂直分布來看,黃大湖沉積物TN、TP、OM濃度總體表現(xiàn)為隨深度增加而下降的趨勢,均在深度－20 cm以上達到濃度最大值,這與近年來黃大湖周圍頻繁的人類活動有關。

(3)黃太湖沉積物TN和OM污染比TP嚴重,且三者的污染程度空間分布與濃度空間分布一致。

(4)沉積物中OM主要來自陸地外源顆粒有機物,如居民排放的生活污水、農(nóng)業(yè)有機廢水以及養(yǎng)殖餌料等；TN與OM相關性較好,具有同源性,主要來自外源輸入及OM的礦化；TP與OM和TN相關性較差,不具有同源性。