中国东部浅水湖泊沉积物总氮总磷基准阈值研究

王健 ，张靖天，昝逢宇 ，席北斗，霍守亮*

1.安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽 芜湖 241000；2.中国环境科学研究院，北京 100012

湖泊沉积物接纳了来自水环境中大量的营养盐，并将它们储存在沉积物或间隙水中（ZHANG等，2013）。在外源污染物得到有效控制的情况下，湖泊沉积物中营养盐会持续释放到水体中，这种影响会持续几十年（SØNDERGAARD 等，1999）。沉积物中营养盐的含量、空间分布对湖泊内源消减和富营养化状况有指导意义（余辉等，2010）。由于水深较浅，东部浅水湖泊沉积物-上覆水扰动剧烈，表层沉积物通过吸附-解吸等交换作用向上覆水体释放，影响水体的水环境质量（秦伯强等，2005）。

早期对沉积物中营养盐的研究主要集中在湖泊、河流、近海水域沉积物中氮、磷的赋存形态、分布特征、释放过程以及迁移转化，从不同角度阐述沉积物的污染现状变化趋势、及其对水体富营养化的贡献（昝逢宇等，2010；HUO等，2011；HUO等，2013）。已有这些工作多针对某个湖泊开展现场调查、室内模拟等研究，对整个流域内多数湖泊的整体研究并不多见。随着湖泊水环境治理工作的开展，流域内湖泊沉积物氮、磷污染风险引起了人们的关注。东部浅水湖泊沉积物中营养盐含量高且差异较大，沉积物中 TN均值在 594.61～3362.50 mg/kg，TP均值在352.69～644.32 mg/kg（刘清学等，2011），因而急需开展湖泊沉积物营养盐评价标准研究，为不同类型湖泊沉积物污染控制和水生态系统健康保障提供支撑。目前，国内外一些研究者先后提出了背景值比较法、频度分布法、有机指数评价法、生物毒性效应法等多种评价方法，用于评价湖泊沉积物氮、磷污染等级（卢少勇等，2012；王菊英等，2003；康丽娟等，2012）。在已有的评价方法中，尤以背景值比较法和频度取值法应用较多。背景值比较法选用氮、磷含量稳定的沉积物层作为污染背景样本，采用偏差分析方法，检验表层沉积物氮、磷含量的污染等级，该方法应用方便、操作性强。频度分布法是基于统计学原理，选择流域内所有湖泊沉积物氮、磷调查数据，根据频度分布的不同百分点位划分沉积物污染等级，但该法需要大量的样本数据。根据这些方法，国内外学者建立了相应的沉积物氮、磷评价标准，如加拿大安大略省环境和能源部颁布的《沉积物质量评价指南》（MUDROCH等，1995），我国《第二次全国海洋污染基线调查技术规程》（翟滨，2006）。然而，关于各种评价方法之间的比较研究较少。

本文以东部湖区100个湖泊表层沉积物和8个典型湖泊柱状沉积物为研究对象，通过现场调查，研究不同湖泊沉积物中氮、磷的剖面分布特征，同时采用背景值比较法和频度分布法确定典型东部浅水湖泊沉积物总氮总磷基准，并对8个典型湖泊沉积物氮、磷污染现状进行评价。

1 材料与方法

1.1 研究区域及样品采集

在我国东部湖区安徽、江苏、浙江、江西、湖北、湖南和山东选择100个面积大于10km2湖泊采集表层沉积物896个，选择安徽省、湖南省8个面积大于10 km2不同类型的湖泊：焦岗湖、城东湖、瓦埠湖、花园湖、七里湖、沱湖、大通湖、北民湖采集沉积物柱芯样。采集柱芯样湖泊分别设置 1～2个采样点，利用柱状沉积物采样器采集30～40 cm深的沉积物柱芯样，共采集 11个柱状样，各湖泊的位置如图1所示。利用虹吸法将采集的样品中上覆水抽出，现场1 cm间隔切割分样装入自封袋后放入保温箱中，低温密闭保存。运回实验室后经超低温冷冻干燥后研磨过100目筛（孔径0.15 mm），密封后冷藏保存待分析。

1.2 样品分析

称取2份0.5 g沉积物样品，对其中一份进行灰化(500 ℃下灰化2 h)，经酸提取后(1 mol·L-1HCl提取 16 h)，采用钼锑抗比色法测定总磷(TP)含量（HUO等，2011）。

称取0.1 g沉积物样品于50 mL比色管中，加入 25 mL 氧化剂(各 0.15 mol·L-1NaOH 和 K2S2O8)，于125 ℃下高压消解1 h后，取上清液利用紫外分光光度法测定TN（HUO等，2013）。

1.3 数据处理

采用SPSS 16.0对100个湖泊表层沉积物的总氮、总磷的频度分布进行分析。8个湖泊沉积物总氮、总磷的背景值采用PIRLA法（Binford, 1990；Zan等, 2011）：首先计算底部沉积物中总氮、总磷含量相对稳定的一组值的平均值（x）与标准差（δ），然后将下一个浓度值与平均值相比较，如果该值小于平均值与标准差之和（x+δ），则将该值包括在该组中，重新计算平均值和标准差，重复此步骤，直至浓度值大于平均值与标准差之和（x+δ）。

2 结果与讨论

2.1 典型湖泊沉积物营养盐剖面分布特征

2.1.1 典型湖泊沉积物总氮含量剖面分布

整个东部湖区11个采样点沉积物TN含量剖面如图2所示。从图2可以得出，沉积物总氮含量整体上表现出随着深度增加而下降变化趋势，各采样点下层沉积物(20～30 cm)中TN含量保持稳定。近些年来，随着流域社会经济的发展，湖泊周边大量工业废水和生活污水以及农业生产活动产生的污染物排入湖泊中，从而导致表层沉积物中氮含量迅速增加（HUO等，2011）。所调查湖泊沉积物 TN均值为 1443.83 mg·kg-1，变化范围为 247.45～3719.46 mg·kg-1。其中，花园湖、沱湖、焦岗湖、七里湖、北民湖沉积物中TN含量较高，均值在1900 mg·kg-1以上，这些湖泊沉积物的TN本底值较高，在900 mg·kg-1以上；在0～15 cm深度沉积物TN含量大于2000 mg·kg-1，受人类活动影响严重。城东湖、瓦埠湖沉积物中TN含量相对于其他湖泊较低，TN均值在1000 mg·kg-1以下，受人类活动影响较小。

2.1.2 典型湖泊沉积物总磷含量的剖面分布

沉积物中磷主要来源于工业、生活和农业面源污染物经地表径流进入水体后在一系列物理化学作用下最终沉积于湖底，水生生物残骸及排泄物的沉降，以及养殖饵料的投加等。从表1可以看出，沉积物TP含量变化范围：225.41～1944.89 mg·kg-1，均值为519.62 mg·kg-1。北民湖、大通湖、焦岗湖、七里湖的TP污染较重，城东湖和瓦埠湖的TP污染较轻，与沉积物TN污染情况基本一致。

表1 典型湖泊沉积物中营养盐统计分析结果Table 1 Statistical results of sediment nutrients in typical lakes

沉积物中TP含量总体上表现出随着深度的增加逐渐降低，这与流域内人类活动有关，也可能是深层沉积物中磷向上层迁移、转化所致（张路等，2004；ZAN等，2012）。下层沉积物(15～30 cm)TP的累积速率较低，且变化幅度不大，应归结为自然环境演化的结果。部分采样点沉积物剖面中TP含量基本保持不变，这可能是营养物沉积不均匀所引起的(图 3)。

2.2 东部浅水湖泊沉积物总氮总磷基准阈值确定

2.2.1 背景值比较法

环境背景值常用来表征水体沉积物的环境污染状况，计算时先由样本的均值或中位值来集中反映污染元素背景含量的集中趋势，再利用样本的标准偏差来确定元素含量分布的随机性和离散程度，综合二者则可给出一定置信度下的背景值区间（翟滨，2006）。本研究选用总氮和总磷含量相对稳定的沉积物层作为污染背景样本（张远辉等，2005），首先计算底部沉积物中总氮、总磷含量相对稳定的一组值的平均值（x）与标准差（δ），然后将下一个浓度值与平均值相比较，如果该值小于平均值与标准差之和（x+δ），则将该值包括在该组中，重新计算平均值和标准差，重复此步骤，直至浓度值大于平均值与标准差之和（x+δ）。所调查 8个典型湖泊沉积物总氮、总磷背景值统计分析结果见表2所示。

沉积物柱芯下层氮磷数据进行统计分析(表2)，均值与中位数均较为接近。对11个点总磷、总磷平均值分别进行排序分析，得出总氮、总磷的背景值分别为 1115.19 mg·kg-1和 454.51 mg·kg-1。其中，焦岗湖、沱湖、七里湖、花园湖、北民湖沉积物总氮背景值较高；而城东湖、瓦埠湖和大通湖总氮背景值较低。对于总磷而言，焦岗湖、七里湖、北民湖和大通湖高于所确定背景值，污染状况较严重，城东湖、瓦埠湖、沱湖和花园湖污染较轻。不同湖泊氮磷污染状况的差异可能与氮、磷的污染来源有关。

2.2.2 频度分布法

频度分布法是基于沉积物营养盐对藻类生物量生物效应方法。这个方法的前提条件就是沉积物营养盐含量较高的地区对应的上覆水体营养盐含量也较高。本文依据东部平原湖区100个湖泊表层沉积物总氮、总磷的调查数据，通过对氮、磷的频度分析，选择变量频数分布的上25%点位作为参照(表3)。从表3可以看出25%点位对应的TP质量分数 398.51 mg·kg-1，TN 质量分数为 1106.24 mg·kg-1。焦岗湖、沱湖、七里湖、花园湖、北民湖表层沉积物总氮含量大于参考值，受人为污染较重；而城东湖、瓦埠湖和大通湖总氮含量小于参考值，污染较轻。对于总磷而言，焦岗湖、七里湖、北民湖和大通湖高于所确定的参考值，污染状况较严重，而城东湖、瓦埠湖、沱湖和花园湖污染较轻。

表2 典型沉积物总氮总磷背景值统计分析Table 2 Stastical sediment background values in taypical lakes

表3 东部100个湖泊沉积物总氮总磷频数分布Table 3 TN and TP frequency distribution of 100 lake sediments in eastern region

2.2.3 两种评价方法的对比

由以上结果可知，所调查8个典型湖泊均受到不同程度的污染，这是因为东部平原湖泊水深较浅，营养盐在水体和沉积物间交换条件好，近些年来大量工农业污染物的输入进一步加剧了沉积物的污染。对比以上两种方法的结果可见，背景值法与频数分布法上25%点位总氮指标较为接近，分别为 1115.19 mg·kg-1和 1106.24 mg·kg-1；对比总磷值存在一定差异，但是与上40%位对应良好。统计学方法能够充分利用历史和现状的实测数据，并能保证通过该方法制定的基准阈值能保护大多数湖泊（周启星等，2007；陈奇等，2010）。由于东部湖泊受人为干扰较大，综合考虑可行性，需要在统计学方法制定湖泊沉积物总氮、总磷基准阈值范围选择适当的百分点位，因此确定东部典型湖泊沉积物总氮基准阈值为1106.24～1115.19 mg·kg-1，总磷基准阈值为454.51～459.03 mg·kg-1。采用确定的基准值对8个典型湖泊表层沉积物的污染状况进行评价，结果发现，就总氮而言，焦岗湖、沱湖、七里湖、花园湖、北民湖沉积物污染较严重，受人为污染较重；而城东湖、瓦埠湖和大通湖则属于污染状况较好。对于总磷，焦岗湖、七里湖、北民湖和大通湖污染状况较严重，城东湖、瓦埠湖、沱湖和花园湖污染较轻。

3 结论

1）东部典型浅水湖泊沉积物TN质量分数范围247.45～3719.46 mg·kg-1，平均为 1443.83 mg·kg-1；不同湖泊沉积物TN含量的大小变化顺序为：花园湖>沱湖>焦岗湖>七里湖>北民湖>大通湖>瓦埠湖>城东湖，沉积物剖面TN自表层至底层逐渐降低的趋势表明，到达一定深度后，TN含量趋于稳定。

2）东部典型浅水湖泊沉积物TP质量分数范围225.41～1944.89 mg·kg-1，平均为 519.62 mg·kg-1；不同湖泊TP含量变化顺序为北民湖>大通湖>七里湖>焦岗湖>沱湖>瓦埠湖>城东湖>花园湖。

3）综合对比背景值法与频数分布法结果，最终确定东部典型湖泊沉积物总氮基准阈值为1106.24～1115.19 mg·kg-1， 总 磷 基 准 阈 值 为454.51～459.03 mg·kg-1。

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