鄱阳湖表层沉积物有机质和营养盐分布特征

2012-12-25王圣瑞倪栋焦立新金相灿冯明磊刘志刚张伟华

环境工程技术学报 2012年1期

关键词：五河入湖丰水期

王圣瑞，倪栋，2，焦立新，金相灿，冯明磊，刘志刚，张伟华

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地，国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，北京 100012

2.交通运输部公路科学研究所，北京 100088

3.江西省环境保护科学研究院，江西南昌 330029

4.内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010022

鄱阳湖是我国最大的通江过水性、吞吐型浅水湖泊［1］，也是国际重要湿地。由于长期受长江水倒灌及流域来水的影响，形成了独特的生态水文过程［2］。鄱阳湖巨大的湖容量不仅可以调蓄汛期长江干流及“五河”的巨量洪水，有效地缓解长江中下游地区的防洪压力［3］，同时也可以缓解长江中下游枯水期低水位状态以及防止枯水期长江口海水倒灌等风险［4］。另外，鄱阳湖也是我国内陆湖泊生物多样性最为丰富的地区，它支持了世界上98%的国际濒危物种白鹤和80%以上的东方白鹳以及占世界上整个种群数量1/4的长江江豚［5］。因此，鄱阳湖生态系统健康是生物多样性保护及维系长江中下游地区生态安全的重要保证。然而，随着江西省社会经济的快速发展，鄱阳湖生态系统发生了较大变化［6-7］，生态环境问题日益突出［8-10］。其中，水文情势变化，水质下降，富营养化趋势加剧是鄱阳湖主要生态环境问题之一。近年来，受“五河”来水的影响，鄱阳湖入湖污染负荷逐年增加。氮磷营养盐作为评价湖泊富营养化程度的关键指标，其浓度及“源”、“宿”关系已经成为目前环境科学领域普遍关注的问题［11-13］。沉积物是氮磷营养盐的主要蓄积库［14］，它不仅是外来污染物的归宿地，同时其自身营养盐的释放也可对水环境产生重大影响［15-16］。目前，国内外有关湖泊沉积物氮磷营养盐及有机质时空分布特征已经有了大量报道，但针对鄱阳湖这种特定生态水文特征及地理环境条件背景下，沉积物中有机质的时空分布及年际演变规律鲜见报道。笔者通过历史资料调查及沉积物样品分析，着重研究了鄱阳湖沉积物有机质、总氮、总磷的时空分布特征及年际演变规律，旨在为揭示鄱阳湖生态系统变化及寻求富营养化防控措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样品采集

鄱阳湖位于长江南岸、江西省北部，地理位置为115°49'E ～ 116°46'E，28°24'N ～ 29°46'N，它与赣江、抚水、信江、饶河、修水五大河流(以下简称“五河”)的尾闾区相接形成天然盆地，是受长江、“五河”水位制约的连河湖。鄱阳湖丰、枯水期的湖体面积、湖体容积相差极大:汛期“五河”洪水入湖而上涨、漫滩，湖面扩大，洪水一片;冬春季节，湖水落槽，滩地显露，水面缩小［2］。受河水的冲刷，主河道两边泥沙堆积，使得在湖中心区的西南部形成一个相对封闭的水区(滞留区)［6］，该区的水体交换速度相对较缓慢。

鄱阳湖表层沉积物调查于2007年10月(枯水期)和2008年7月(丰水期)进行了样品的采集工作。利用彼得森抓斗采样器(自制)采集鄱阳湖流域表层(0～10 cm)沉积物样品67个(枯水期24个，丰水期33个，入湖河道10个)。采样点的分布以湖面为主，兼顾五条主要入湖河流尾闾区及河口区(图1)。所有沉积物样品均以聚乙烯薄膜封装，于-20℃下低温保存，运回实验室处理并分析。

图1 采样点分布Fig.1 Sites surface sediment from Poyang Lake

1.2 沉积物样品分析

表层沉积物样品经冷冻干燥，去杂质、研磨过筛后备用。总磷(TP)浓度采用SMT法测定;有机质(OM)浓度采用重铬酸钾外加热法测定;总氮(TN)浓度采用H2SO4-CuSO4-Se催化消煮后，用KDY-9820型凯氏定氮仪测定。试验所用器皿用稀酸浸泡过夜。

1.3 历史数据的收集与整理

通过多种途径全面开展了鄱阳湖最新沉积物研究成果及历史资料的翻译、调查、收集和整理工作。调查的文献包括《鄱阳湖水质预测与规划》、《中国鄱阳湖水质保护对策计划调查》(日本国际协力事业团、原国家环境保护局，1993年)、《江西省五大水系对鄱阳湖生态环境影响研究报告》(江西省水文局、江西省科学院)等，收集整理了近30年鄱阳湖水环境监测数据，以及近20年鄱阳湖沉积物数据(表1)。共获得有关的数据434个。

表1 1987—2008年鄱阳湖沉积物OM、TN和TP浓度概况Table 1 Forepart sediments nourishment content collect from 1987 to 2008

1.4 数据处理

数据处理主要采用数理统计学和地统计学方法。应用Origin 7.0和Excel 2003软件进行相关分析和制图，应用Sufer 7.0软件(Golden软件有限公司，USA)进行插值分析是样点之间内插值的一种地统计学方法，可应用于沉积物营养盐浓度空间分布预测。

2 结果与讨论

2.1 鄱阳湖表层沉积物OM、TN和TP空间分布

鄱阳湖表层沉积物中OM、TN和TP浓度空间分布规律相似(图2)。由图2可见，沉积物中OM和TN浓度主要分布在修水、赣江、抚水、信江和饶河等“五河”尾闾，其次是湖心，且由南向北至长江入湖口呈降低趋势。沉积物中TP浓度最高值出现在赣江、抚河及信江尾闾，而修河和饶河尾闾及湖心至长江入湖口沉积物中TP浓度均较低。总体来讲，鄱阳湖有机质及营养盐浓度均表现为南部湖区高于北部湖区，湖湾高于湖心，“五河”尾闾高于长江入湖口。其中，所有采样点沉积物中OM浓度为0.420%～3.175%，平均值为1.590%;TN浓度为0.026%～0.235%，平均值为0.134%;TP浓度为0.010%～0.094%，平均值为0.046%，表明鄱阳湖沉积物中有机质和营养盐浓度已经处于相对较高的水平。研究表明，“五河”输入是入湖污染负荷的主要来源，其占污染负荷总量的80%左右，因此，源于“五河”来水的工农业污染是鄱阳湖沉积物中有机质和氮磷营养水平较高及其区域性分布差异的主要原因。同时随着农业的快速发展，鄱阳湖流域的农业面源污染也对湖区沉积物有机质和营养盐水平产生了较大影响。鄱阳湖流域山地面积较大(山地面积占流域总面积的89%)、坡度陡长(赣南坡度大于16°的山地面积达到75%)、径流速度大，其特殊的地貌极易造成水土的流失［23］。据统计，鄱阳湖流域平均土壤侵蚀总量达1.66×108t，相当于流失土壤5×104hm2。而0～20 cm耕作层土壤中有机质和肥料丰富［24］，极易随地表径流进入鄱阳湖，从而使有机质及氮磷营养盐在湖湾内聚集。因此，农业面源污染也是影响沉积物中OM和氮磷分布的重要因素。除此之外，信江上游的朝阳磷矿石华东地区的第一大磷矿，其Ca(H2PO4)2年生产量达到10×104～15×104t［7］。因此，磷矿生产废水的直接排放也是信江下游及其尾闾区沉积物中TP浓度较高的主要原因。另外，南部尾闾区表层沉积物TP与OM浓度呈显著正相关(图3，R2=0.6393)，表明沉积物OM对磷的吸附作用也是导致磷在南部湖区积聚的重要因素之一［15-16］。

图2 鄱阳湖表层沉积物TP、OM和TN浓度的空间分布Fig.2 TP，OM，TN content distribution in surface sediments of Poyang Lake

图3 南部尾闾区沉积物TP与OM浓度的相关关系Fig.3 Relation between TP and OM content in tail-end of Poyang Lake

2.2 枯丰水期沉积物中OM、TN和TP浓度变化

图4 枯丰水期鄱阳湖表层沉积物中TP、OM及TN浓度均值的变化Fig.4 The change of TP，OM，TN content between low water phase and high water phase in Poyang Lake surface sediments

由图4可见，不同湖区沉积物中OM、TN和TP浓度在枯水期和丰水期存在明显差异。鄱阳湖北部湖区沉积物中OM、TN和TP浓度在丰水期显著高于枯水期。尽管湖心区也表现出相似的规律，但丰水期比枯水期的增幅明显低于北部湖区。南部尾闾区沉积物中OM和TP浓度在丰水期和枯水期差异相对较小，并且枯水期沉积物中TN浓度高于丰水期。因此，丰水期“五河”来水量的增加显著提高了湖心及北部湖区沉积物中有机质和营养盐浓度，尤其北部湖区增加较明显。根据1956—2005年泥沙资料统计，多年平均悬移质入湖沙量1689×104t，其中“五河”入湖沙量占85.8%［26］。因此，丰水期“五河”来水携带的污染物随悬浮泥沙由南至北逐渐沉积，从而导致丰水期沉积物中OM、TN和TP浓度由南至北增幅降低的趋势。另外，鄱阳湖地区丰水期正值晚稻插秧季节，农田大量施用有机氮肥和化肥，地表径流所导致的面源污染负荷增加。丰水期污染物随地表径流进入湖体，从而促进了泥沙的扰动，而采砂业则加重了原本聚集在南部尾闾区泥沙的再悬浮，并随湖流向北部湖区迁移［27］。枯水期“五河”来水减少，北部湖区污染物不断由长江中上游来水稀释，从而导致北部湖区沉积物中有机质及营养盐浓度降低。因此，“五河”来水和面源污染负荷的季节变化是导致沉积物中OM、TN和TP浓度在枯水期和丰水期差异显著的主要原因。

2.3 1988—2008年沉积物OM、TN和TP浓度变化

图5显示了鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度的年际变化。由图5可见，1988年鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度均值均显著高于1992年。这可能与1988年为枯水年，采集的沉积样品多来自于河道和入湖河口有关。但1992—2008年鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度均呈明显增加趋势。与1992年相比，2008年鄱阳湖沉积物中OM浓度增加了1.82倍，TN浓度增加了0.74倍，TP浓度增加了1.53倍。20世纪90年代以来，长江流域气候异常，频繁发生特大洪水，加之工农业的发展，入湖污染负荷逐年增加。据统计，2000年江西全省废污水排放量约9.59 ×108t，2008 年达13.89 ×108t，期间废污水排放量平均每年约以0.48×108t的速度递增，化学需氧量排放量平均每年约以1.2×104t的速度递增，氨氮排放量平均每年约以0.13×104t的速度递增。鄱阳湖水质已由20世纪80年代的Ⅱ类水为主，逐渐发展为目前的Ⅲ类和Ⅳ类水，富营养化趋势加剧，其中，总磷和氨氮为主要超标项目。因此，20世纪90年代以来，鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度的增加主要与工农业发展所导致的入湖污染负荷增加有关，而90年代的特大洪水则加速了陆源有机质和氮磷营养盐的输入。

图5 鄱阳湖表层沉积物中TP、OM及TN浓度变化Fig.5 Chronology variability of TP，OM and TN content in surface sediments

鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度与其他四大淡水湖比较结果见表2。由表2可见，1992年鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度均低于或等于20世纪80年代巢湖、洪泽湖、太湖和洞庭湖。然而，2008年鄱阳湖沉积物中OM浓度已明显超过其他四大淡水湖泊，沉积物中TN浓度除低于太湖外，均明显高于巢湖、洪泽湖和洞庭湖沉积物。尽管沉积物中TP浓度等于或低于其他四大淡水湖泊沉积物，但其与1992年相比，已增加了近2倍。可见，1992—2008年近20年间，鄱阳湖沉积物的污染水平已逐渐向富营养湖泊沉积物的污染水平发展。与其他四大淡水湖泊相比，尽管鄱阳湖目前水质相对较好，但呈下降趋势，高氮磷营养底质则增大了其富营养化风险。

表2 鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度及与其他湖泊的比较Table 2 Sediments nourishment content difference between Poyang Lake and representative freshwater lake %

3 结论

(1)鄱阳湖沉积物中OM浓度为0.420%～3.175%，TN浓度为0.026%～0.235%，TP浓度为0.010%～0.094%。沉积物中OM和TN浓度以“五河”尾闾较高，其次是湖心，而TP浓度最高值则出现在赣江、抚河及信江尾闾，并且均由南向北至长江入湖口呈降低趋势。

(2)鄱阳湖沉积物中有机质和氮磷污染主要源于“五河”来水，其次是农业面源污染。丰水期“五河”来水量的增加显著提高了湖心及北部湖区沉积物中有机质和营养盐浓度，尤其以北部湖区增加较明显。但南部尾闾区沉积物TN浓度在枯水期明显高于丰水期。

(3)1992—2008年间鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP浓度均呈明显增加趋势，尤其是OM和TP浓度增幅较大。沉积物中OM、TN和TP浓度增加与“五河”来水量及入湖污染负荷增加密切相关，鄱阳湖流域工农业发展是湖区沉积物污染水平提高的主要原因。

(4)2008年鄱阳湖沉积物中OM、TN和TP污染水平已经达到或超过富营养化湖泊沉积物的污染水平，与其他四大淡水湖泊相比，尽管鄱阳湖目前水质相对较好，但呈现出了下降趋势，高氮磷营养底质则增大了其富营养化风险。

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