百花湖沉积物总氮总磷分布特征及污染评价研究

孟凡丽,李秋华,肖劲松,杨 梅,商正松

(1贵州省环境科学研究设计院，贵阳 550081；2.贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统和生态环境保护重点实验室，贵阳 550001)

1 前 言

湖库富营养化成为水环境问题关注热点之一，氮磷是湖库富营养化的重要限制因子。王长娥[1]等研究表明从流域中进人湖泊的营养物质，以及湖泊水生生物的组成物质，最终都会进入到沉积物中，致使湖泊沉积物中大量的磷、氮等营养盐逐渐累积起来，它的“二次释放”会成为湖泊营养盐的重要的内负荷。一般情况下，沉积物与上覆水之间保持着一种吸收和释放的动态平衡，然而在一定条件下，蓄积在沉积物中的氮磷仍通过形态变化或界面特性改变而释放，严重影响湖库上覆水的质量[2]。在有效控制外源的情况下，内源成为湖库污染主要来源，沉积物中的氮磷会逐渐释放再悬浮，对水质的影响会持续很长一段时间[3]。因此，研究湖库沉积物中的氮磷含量、分布，对控制水体二次污染、改善水质有重要意义。

百花湖位于贵阳市西北郊，106°27′E～106°34′E，26°35′N～26°42′N，地处贵阳市观山湖区朱昌镇和百花湖乡之间，距市区16km，总面积达83km2，其中湖水和岛屿面积14.5km2，总库容1.82×108m3，为贵阳市重要水源地之一。方志青[4]等研究表明百花湖底泥平均厚度为 34.3cm ; 蓄积总体积为 370.8万m3，总氮、 总磷蓄积量分别为 5 400t、 1 600t，其氮磷含量对百花湖水质影响较大[1]；因此，研究百花湖沉积物氮磷分布特征，并对其污染进行评价，可为百花湖内源治理、水质改善以及境管理提供技术支撑。

2 采样点设置及样品采集

百花湖形状狭长，属红枫湖水库下游、猫跳河的上游水域,人口主要聚集在百花湖的上游入湖口花桥、岩脚寨和麦西河的入湖口麦西河口的周围,而百花湖的唯一取水口则位于贵铝泵房区域，故本研究根据百花湖的流域特征、湖体形状和人口聚集程度等因素，在百花湖库区设置了五个采样点，分别为花桥、岩脚寨、麦西河口、贵铝泵房和大坝。百花湖采样点分布详见图1。

图1 百花湖沉积物采样点分布Fig.1 Distribution map of sediment sampling points in Baihua Lake

用GPS确定采样位置，采样活塞式沉积物采样器取样，最终于五个采样点分别得到1个状态完好的沉积物泥柱.现场用塑料刀分样,其中0～10cm取2cm为一个样品，10～30cm取4cm为一个样品，30cm以下则以10cm为一个样品，所有样品低温带回实验室于4℃冷藏，各个采样点采集的沉积物深度见表1。

表1 百花湖各采样点沉积物厚度Tab.1 Sediment depth at each sampling point of Baihua lake

3 样品分析测试方法

沉积物样品经真空冷冻干燥机(LGJ-12)干燥，研磨，用200目筛网过筛；样品中总磷采用高氯酸-硫酸消解，钼锑抗比色法，总氮的测定采用半微量开式消煮法[5]。

4 沉积物氮磷分布特征

4.1 沉积物中氮磷横向分布特征

经测定、分析，百花湖总氮和总磷的平均含量分别为4 168.53mg/kg和875.868mg/kg，各监测点总氮总磷的含量分布见图2。

图2 百花湖各采样点沉积物总氮、总磷含量Fig.2 TN and TP content in the sediment of Baihua Lake

由图2可知，各采样点沉积物的总氮含量麦西河口最高，含量为4 954.88mg/kg，花桥最低，含量为3 634.08mg/kg；总磷的含量花桥最高，含量为1 218.66mg/kg，麦西河口最低，含量为520.45mg/kg。

对总氮、总磷进行显著性分析，结果表明：总氮在各采样点之间的差异不存在显著性(n=57，P>0.05)，说明其在全湖分布比较均匀；花桥的总磷含量显著大于麦西河口(n=57，P<0.05)这种差异的显著性表明总磷在百花湖积累的时候存在不均匀性。沉积物中总氮、总磷在全湖的分布性与张维[5]等人的研究相一致。

4.2 沉积物中氮磷纵向分布特征

百花湖沉积物中总氮和总磷含量的垂直分布见图3。由图3可知，大坝的总氮、总磷含量均呈现沉积物表层低，往下逐渐升高，到14～20cm达到峰值，总氮为5 672.48mg/kg，总磷1 369.29 mg/kg，之后出现越往下越低的现象。贵铝泵房总氮和总磷表层的含量偏高，随着沉积物深度的增加，含量逐

图3 百花湖各采样点沉积物总氮、总磷垂直分布图Fig.3 Vertical distribution of TN and TP in the sediments of Baihua Lake

渐降低。麦西河口总氮的波动范围较大，但基本的趋势是表层较低，越往下含量逐渐增加，在30cm处出现极大值为6 799.55mg/kg，而总磷从沉积物的底层到表层含量越来越多，可是在2cm时出现一个升高的趋势，说明有可能污染源会逐渐扩大。岩脚寨和花桥的总氮总磷变化有相同的趋势，均出现表层到中层逐渐升高，中层到底层逐渐降低的现象，说明在中间的某个时期，氮磷的污染程度远高于现在和更早时候的污染水平，岩脚寨也在30cm处出现极大值22.58%。

5 沉积物总氮总磷污染评价

采用综合污染指数评价表层沉积物TN、TP 污染程度[6-7]，以湖泊未受人类行为干扰( 污染) 和破坏时，湖泊沉积物中 TN、TP 实测值的平均值为背景值。

单因子污染指数：

Si=Ci/Cs

(1)

式中,Si为单因子评价指数或标准指数,Si大于 1 表示含量超过评价标准值; Ci为评价因子 i 的实测值;Cs为评价因子 i 的评价标准值。单因子污染指数分级标准综合污染指数：

(2)

式中总氮和总磷的评价标准采用550mg/kg 和 600mg/kg[8],与加拿大安大略省环境和能源部(1992)发布的指南[9]中沉积物中能引起最低级别生态风险效应的总氮和总磷的浓度相一致。

5.1 污染综合评价

在整个百花湖沉积物中，总氮和总磷的单项污染指数见表2。总氮的综合污染指数在6.55～9.01之间，呈现出严重污染水平。总磷的综合污染指数在0.23～2.04之间，整体处于清洁到重度污染范围。可以看出，总氮相对污染严重的点为麦西河口及贵铝泵房，总磷污染比较严重的区域为花桥。

表2 百花湖各采样点沉积物总氮、总磷污染指数Tab.2 TN and TP pollution index of sediment in Baihua Lake

图4 百花湖各采样点沉积物剖面中总氮、总磷的单项评价指数Fig.4 A single evaluation index of TN and TP in the sediment profiles of Baihua Lake sampling points

5.2 各采样点纵向污染评价

百花湖各采样点纵向污染情况见图4。由图4可知，沉积物中总氮的单项评价指数均大于严重污染的临界值，均处于严重污染区域，整体的变化趋势为表层较低，逐渐升高到20cm处又逐渐降低，表明近年来总氮的污染水平有所降低。总磷的绝大部分污染指数处于有影响到重污染范围，仅花桥的总磷变化比较大，在10～26cm达到严重污染水平。

6 讨 论

6.1 百花湖近20年沉积物氮磷变化

结合张维[10]、王敬富[11]等对百花湖沉积物总氮、总磷研究，近20年间，百花湖沉积物总氮、总磷变化情况见图5。从图5可以看出，沉积物总氮含量呈增加趋势，总磷含量则较为平稳，略有降低。这与近年百花湖流域外源污染物输入变化，底泥氮磷释放速率不同等因素相关。

图5 百花湖沉积物总氮、总磷含量变化Fig.5 Changes of TN and TP content in Baihua Lake Sediments

6.2 与其他湖泊水库对比

水库是人工形成的湖泊，水体是由河流及地下水补给而形成，库区水质状况具有与湖泊相似的特点，现将百花湖水库沉积物TN、TP平均含量与国内其他湖库含量进行比较，见表3。

由表3可知，同国内其他湖泊( 水库) 相比，百花湖库区沉积物中TN处于较高水平，而TP则处于中等水平；其浓度与于桥水库洱海[16]最为接近，百花湖和洱海均为中营养型；而TN、TP浓度均低于百花湖的于桥水库、洪泽湖、太湖等则为轻度富营养和富营养型；百花湖平均水深(12.55m)和洱海平均水深(10.2m)远大于于桥水库(4.74m)、

表3 百花湖沉积物中TN、TP平均含量与同类水库比较Tab.3 Comparison of the average content of TN and TP in the sediments of Baihua Lake and similar reservoirs

洪泽湖(3～4m)、太湖(1.5～2.5m)。由此可见，沉积物含量对水体营养水平的影响受水深制约；沉积物中氮、磷含量对水体富营养化的影响并不一定起主导作用，不能决定水体富营养水平，因为各湖泊水库中影响沉积物氮、磷吸附释放的因子不同，因此沉积物中氮、磷含量对上层水体的影响也不尽相同。

7 结 论

7.1 百花湖总氮和总磷的平均含量分别为4 168.53mg/kg和875.87mg/kg，总氮分均较为均匀，总磷分布不均匀。沉积物中总氮、总磷含量垂向分布呈现两头低、中间高的趋势。近年来，百花湖沉积物中总氮含量呈增加趋势，总磷含量则变化较小。

7.2 百花湖总氮的综合污染指数呈现出严重污染水平，单项评价指数均大于严重污染的临界值；总磷的综合污染指数整体处于清洁到重度污染范围，绝大部分单项污染指数处于有影响到重污染范围。