洋瀾湖沉積物中磷的分布及污染評價

張 為，胡 園，陶晶祥，黃華偉，吳 敏

(1.長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所, 武漢 430010；2.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實驗室， 武漢 430010)

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市湖泊作為城市濱水空間的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)水文氣候、改善生態(tài)環(huán)境、美化城市景觀等多種功能，對市民生活和城市發(fā)展具有重要意義[1]。但是在城市持續(xù)發(fā)展的同時，不合理的開發(fā)利用和人為干擾也造成城市湖泊的生態(tài)系統(tǒng)功能日趨下降，并且導(dǎo)致城市湖泊面臨嚴(yán)峻的生態(tài)危機(jī)，伴隨而來的水環(huán)境問題也引起了人們的廣泛關(guān)注[2]。

相比于天然湖泊，城市湖泊由于受人工控制的設(shè)施更多，且基本沒有上游天然來水，主要通過人為的引水來滿足湖泊的生態(tài)環(huán)境需求，水生生物數(shù)量和生物多樣性明顯少于天然湖泊。水體富營養(yǎng)化也是目前城市湖泊面臨的主要水環(huán)境問題之一，其中磷通常被認(rèn)為是湖泊富營養(yǎng)化的制約性因子[3-4]。沉積物是湖泊中磷重要的源與匯，在外源磷得到有效控制的條件下，很多學(xué)者認(rèn)為淺水性湖泊中沉積物中磷的釋放是引起湖泊富營養(yǎng)化的主要原因[5-6]，尤其是在風(fēng)浪擾動以及人為干擾時，沉積物中的磷極易與水體發(fā)生物質(zhì)交換，影響湖泊水體中磷的含量水平，造成水體二次污染[7-9]。沉積物可以間接地反映水體污染情況，也是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中十分重要的部分[10]。目前我國許多城市湖泊均存在水環(huán)境問題，雖然各地采取了一系列的治理措施改善城市湖泊的水環(huán)境[11-13]，但目前相關(guān)研究主要針對一些大型湖泊，如巢湖[14-15]、太湖[16]、洱海[17]、滇池[18-20]、鄱陽湖[21]等，針對城市湖泊的研究相對較少，對其污染特性及規(guī)律也缺乏系統(tǒng)性的研究。

洋瀾湖位于湖北省鄂州市中心城區(qū)，洋瀾湖風(fēng)景區(qū)面積5.833 km2，其中水面約占2/3，為內(nèi)陸潛水湖泊。岸線內(nèi)面積3.697 km2，現(xiàn)有水面1.813 km2，洋瀾湖的水位一般為15.0～16.5 m，歷史上最高水位曾達(dá)到18.69 m(1954年)。洋瀾湖湖底高程13.48 m，平均水深2.5～3 m。洋瀾湖岸線曲折，總長29.53 km。該湖周邊未能徹底截污，存在生活污水直接入湖的現(xiàn)象，導(dǎo)致水體過量納污，湖底沉積物淤積。雖然目前通過一系列的治理措施，該湖的外源污染得到控制，但由于之前的污染積累，湖區(qū)的內(nèi)源污染嚴(yán)重，由此引發(fā)的環(huán)境問題值得重視。為了能全面了解和分析我國城市湖泊的水環(huán)境現(xiàn)狀，選取典型城市湖泊洋瀾湖作為研究對象，通過在湖區(qū)布設(shè)64個采樣點(diǎn)，對洋瀾湖表層沉積物中磷含量和分布情況進(jìn)行調(diào)查分析和污染評價，并選取3個典型區(qū)域采集柱狀沉積物樣品分析磷的形態(tài)，該研究有助于掌握洋瀾湖沉積物中磷的濃度分布、形態(tài)分布和污染狀況，進(jìn)而了解湖區(qū)的磷污染現(xiàn)狀，從而為湖泊的污染調(diào)查和評價分析提供參考，并為類似城市湖泊的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，本研究共設(shè)置64個采樣點(diǎn)(S1—S64)，具體分布如圖1所示。洋瀾湖被分為東湖、中湖和西湖3個湖區(qū)，其中S1—S25位于東湖區(qū)域，S26—S42位于中湖區(qū)域，S43—S64位于西湖區(qū)域。所有采樣點(diǎn)通過便攜式GPS定位采樣，具體采樣過程參照《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)。

圖1 洋瀾湖沉積物采樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Layout of sediment sampling points in Yanglan Lake

2.2 樣品采集與保存

本研究主要采集表層沉積物樣品和柱狀沉積物樣品，分別利用抓斗式采泥器和柱狀采樣器來采集湖泊表層沉積物樣品和柱狀沉積物樣品。表層沉積物樣品直接裝入聚乙烯自封袋冷凍保存，柱狀沉積物樣品經(jīng)分層處理后裝入自封袋冷凍保存，沉積物樣品帶回實驗室后經(jīng)風(fēng)干、研磨過100目尼龍篩，裝入自封袋中密封，置于干燥器中待測。

2.3 測定指標(biāo)和方法

2.3.1 測定指標(biāo)

本研究測試的指標(biāo)包括沉積物中總磷(TP)濃度和不同形態(tài)的磷濃度，沉積物中的磷可分為有機(jī)磷和無機(jī)磷，其中無機(jī)磷包括可交換態(tài)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷、鈣結(jié)合態(tài)磷和閉蓄態(tài)磷[22-23]。

2.3.2 測定方法

TP濃度采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測定(HJ 632—2011)，試驗材料的制備、標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制均按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，分析過程中加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品標(biāo)樣GBW07427(GSS-13)和標(biāo)樣GBW07428(GSS-14)為質(zhì)控標(biāo)樣來進(jìn)行質(zhì)量控制，保證測量結(jié)果的相對誤差<5%。

采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)測試委員會框架下發(fā)展的SMT法[24-25]，利用連續(xù)提取分離法提取出沉積物中不同形態(tài)的磷。其中可交換態(tài)磷的提取劑為MgCl2(1 mol/L)，鐵鋁結(jié)合態(tài)磷的提取劑為NaOH(1 mol/L)，鈣結(jié)合態(tài)磷的提取劑為HCl(1 mol/L)。不同形態(tài)磷濃度的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989)，殘渣態(tài)磷的含量即為總磷濃度與3種不同形態(tài)磷濃度的差值，具體試驗流程如圖2所示。

圖2 沉積物中不同形態(tài)磷的連續(xù)提取流程Fig.2 Sequential extraction procedures for different forms of phosphorus in sediments

2.4 評價方法

采用單因子指數(shù)法對洋瀾湖表層沉積物中磷的污染狀況進(jìn)行分析評價[26]，計算公式為

STP=C/Cs。

式中:STP為總磷的評價指數(shù);C為TP實測濃度;Cs為TP的評價標(biāo)準(zhǔn)值，參照加拿大安大略省環(huán)境和能源部發(fā)布的指南，沉積物中能引起最低級別生態(tài)風(fēng)險的TP濃度為600 mg/kg[27]，本研究中TP的評價標(biāo)準(zhǔn)值為600 mg/kg。表層沉積物中TP污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 表層沉積物TP污染程度分級Table 1 Rating standard of surface sediment pollution

3 結(jié)果與分析

3.1 TP濃度的空間分布特征

洋瀾湖表層沉積物TP濃度的空間分布如圖3所示。沉積物中TP濃度為528～3 568 mg/kg，平均值為1 096 mg/kg，TP濃度最高區(qū)域為西湖湖區(qū)的S53采樣點(diǎn)所在區(qū)域。從湖區(qū)分布來看，不同湖區(qū)表層沉積物中TP分布有一定的差異。西湖湖區(qū)表層沉積物中TP濃度范圍在531～3 568 mg/kg之間，平均值為1 362 mg/kg；中湖湖區(qū)表面沉積物中TP濃度在528～1 449 mg/kg之間，平均值為951 mg/kg；東湖湖區(qū)表面沉積物中TP濃度在550～1 536 mg/kg之間，平均值為960 mg/kg。西湖湖區(qū)表層沉積物中TP濃度明顯高于中湖湖區(qū)和東湖湖區(qū)。

圖3 洋瀾湖表層沉積物中TP的濃度及空間分布Fig.3 Spatial patterns of contents of total phosphorus in surface sediments of Yanglan Lake

3.2 表層沉積物中TP的污染評價

洋瀾湖表層沉積物中TP的污染評價指數(shù)如圖4所示。湖區(qū)沉積物中STP的范圍為0.88～5.95，表明整個洋瀾湖均呈現(xiàn)出一定程度的磷污染，其中輕度污染區(qū)域所占比例為9.38%，中度污染區(qū)域所占比例為32.81%，重度污染區(qū)域所占比例為57.81%。污染程度最嚴(yán)重的為采樣點(diǎn)S53所在區(qū)域，該采樣點(diǎn)位于西湖湖區(qū)，其STP高達(dá)5.95。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，該區(qū)域附近存在污水排污口，并且靠近居民生活區(qū)，這是導(dǎo)致該區(qū)域沉積物中磷污染嚴(yán)重的主要原因。

圖4 洋瀾湖表層沉積物中TP污染評價指數(shù)Fig.4 Assessment index of TP pollution in surface sediments of Yanlan Lake

參照相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果，太湖流域湖泊、白洋淀、巢湖和鄱陽湖沉積物中TP濃度的平均值分別為760、608、651、689 mg/kg[15,21,28-29]。此外，中國湖泊沉積物中的TP平均值一般<750 mg/kg[30]，而洋瀾湖表層沉積物平均TP濃度為1 096 mg/kg，遠(yuǎn)超出該值，這說明洋瀾湖表層沉積物中TP存在較大的磷污染風(fēng)險。中國部分湖泊沉積物中TP濃度如表2所示。

表2 中國部分湖泊沉積物中TP濃度Table 2 Concentrations of TP in surface sediments of lakes in China

3.3 沉積物中磷的形態(tài)及垂向分布

基于表層沉積物中TP的污染評價結(jié)果，在洋瀾湖3個湖區(qū)(東湖湖區(qū)、中湖湖區(qū)和西湖湖區(qū))各選取一個區(qū)域(S7、S31和S53)采集柱狀沉積物樣品，研究洋瀾湖沉積物中磷的形態(tài)及垂向分布情況。每個柱狀沉積物樣品的厚度為100 cm，樣品被分為6層，其中表層樣品和第二層樣品厚度為30 cm，其余樣品的厚度均為10 cm。柱狀沉積物樣品S7、S31和S53各層樣品中TP濃度的分布如圖5所示。由圖5可知，柱狀沉積物樣品中表層樣品中TP的濃度最大，隨著沉積物樣品深度的增大，各層沉積物中TP濃度逐漸變小并趨于穩(wěn)定，沉積物樣品中TP濃度呈現(xiàn)自表層往下逐漸降低的趨勢。

圖5 柱狀沉積物S7、S31和S53中TP濃度的垂向分布Fig.5 Concentrations of TP at various depths in columnar sediment S7, S31 and S53

柱狀樣品S7、S31和S53中可交換態(tài)磷、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷、鈣結(jié)合態(tài)磷和殘渣態(tài)磷濃度的垂向分布如圖6所示。由圖6可知，S7、S31和S53中各層樣品中的可交換態(tài)磷所占比例較小，沉積物中的磷主要是以鐵鋁結(jié)合態(tài)磷、鈣結(jié)合態(tài)磷和殘渣態(tài)磷這3種形態(tài)存在。

圖6 柱狀沉積物S7、S31和S53中不同形態(tài) 磷濃度的垂向分布Fig.6 Concentrations of different forms of phosphorus at various depths in columnar sediment S7, S31 and S53

柱狀樣品S7中可交換態(tài)磷占總磷比例為0.16%～0.64%，柱狀樣品S31中可交換態(tài)磷占總磷比例為0.14%～0.51%，柱狀樣品S53中可交換態(tài)磷占總磷比例為0.11%～0.75%。除柱狀樣品S53表層樣品中可交換態(tài)磷濃度較高外，其余柱狀樣品中均較低，可交換態(tài)磷在柱狀樣品的垂向分布上無明顯差異。

柱狀樣品中殘渣態(tài)磷均在表層中濃度相對較高，這是由于殘渣態(tài)磷中有機(jī)磷來自沉積物中各種動植物殘體、腐殖質(zhì)類有機(jī)物，這部分物質(zhì)容易在沉積物的表層累積。由于鈣結(jié)合態(tài)磷為生物作用沉積、固結(jié)的顆粒態(tài)磷，該形態(tài)的磷主要以沉積形式存在且難溶于水，不易被釋放進(jìn)入水體。殘渣態(tài)磷和鈣結(jié)合態(tài)磷在一般情況下不易從沉積物中進(jìn)入水體，相對比較穩(wěn)定。

鐵鋁結(jié)合態(tài)磷在沉積物中所占的比例最高，其中柱狀樣品S7中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷占總磷比例為27.69%～84.18%，柱狀樣品S31中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷占總磷比例為45.48%～63.67%，柱狀樣品S53中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷占TP比例為47.97%～63.67%。鐵鋁結(jié)合態(tài)磷是可被生物利用的部分，在適當(dāng)條件下容易從沉積物中釋放進(jìn)入水體，活性相對較高，是水體內(nèi)源污染中TP的主要來源。這部分磷主要來源于生活污染和工業(yè)廢水，與人類的活動相關(guān)，也是洋瀾湖中沉積物中磷的釋放風(fēng)險主要來源。

4 結(jié) 論

(1)洋瀾湖表層沉積物中TP濃度為528～3 568 mg/kg，平均值為1 096 mg/kg。不同湖區(qū)表層沉積物中TP分布具有明顯的差異性。西湖湖區(qū)表層沉積物中TP濃度為531～3 568 mg/kg，平均值為1 362 mg/kg；中湖湖區(qū)表面沉積物中TP濃度為528～1 449 mg/kg，平均值為951 mg/kg；東湖湖區(qū)表面沉積物中TP濃度為550～1 536 mg/kg之間，平均值為960 mg/kg。西湖湖區(qū)表層沉積物中TP濃度明顯高于中湖湖區(qū)和東湖湖區(qū)。

(2)根據(jù)單因子評價法，洋瀾湖表層沉積物中STP的范圍為0.88～5.95，整個湖區(qū)均呈現(xiàn)一定程度的磷污染，其中輕度污染區(qū)域所占比例為9.38%，中度污染區(qū)域所占比例為32.81%，重度污染區(qū)域所占比例為57.81%。

(3)洋瀾湖沉積物樣品的TP濃度呈現(xiàn)自表層往下逐漸降低的趨勢，隨著沉積物樣品深度的增大，各層沉積物中TP逐漸變小并趨于穩(wěn)定。此外，沉積物中磷主要以鐵鋁結(jié)合態(tài)磷的形態(tài)存在，其在適當(dāng)條件下容易從沉積物中釋放進(jìn)入水體，活性相對較高，是水體內(nèi)源污染中磷的主要來源。