阳澄湖沉积物氮磷与有机质分布及污染评价

2020-05-08郭西亚沈辛怡朱金格

环境科技 2020年2期

郭西亚，凌虹，周旭，盛洁，岳强，沈辛怡，朱金格

（1.江苏省环境科学研究院，江苏南京 210036；2.江苏省环科院环境科技有限责任公司，江苏南京 210036；3.南京工业大学，江苏南京 211816；4.中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏南京 210008）

0 引言

湖库富营养化问题一直是国内外十分关注的水环境问题之一[1]。多数研究成果表明，N，P 等元素的增加是湖库富营养化的关键因素，N，P，C 的大量输入与长期累积使得湖泊沉积物成为湖泊水体营养盐的重要蓄积库和难以削减的内源污染负荷[2-3]。在能够有效控制外源污染物输入的情况下，当沉积物-水界面环境条件发生改变或在生物扰动、沉积物再悬浮等因素的作用下，蓄积在沉积物中的N，P，C 会再次释放至湖泊水体中，严重影响湖泊上覆水体水质[4-6]，对水生态系统造成潜在的威胁[7]。因此，沉积物能够间接反映湖泊水体的污染以及人类活动与自然因素对水体环境的长期影响[8-9]。

阳澄湖（31°35' ～31°49'N，120°66' ～120°84'E）位于苏州市区东北，作为苏州市战略性水源地与大闸蟹养殖基地，其水质安全对其周边社会稳定和经济发展有着十分重要的意义。目前，国内外对阳澄湖浮游植物和底栖动物的研究报道较多[10-12]，对N，P，C的污染状况与分布特征的研究报道尚为鲜见。研究阳澄湖沉积物中N，P 和有机质的含量及空间分布特征，利用有机污染指数和污染指数法对沉积物污染状况进行了评价，阐明了阳澄湖沉积物的污染现状，对阳澄湖内源污染治理具有重要意义，并可为科学制定阳澄湖污染防治管控策略及水环境质量改善提供基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点布设与样品处理

综合考虑阳澄湖湖体形态、湖泊水动力特征、人类的干扰程度、流域河网水系分布、水质、围网养殖等多因素的空间差异性特征[13]，在阳澄湖湖区共布设14 个沉积物监测点位，见图1。其中，阳澄西湖区布设L1，L2，L3，L4 共计4 个点，阳澄中湖区布设L5，L6，L7，L8 共计4 个点，阳澄东湖区布设L9，L10，L11，L12，L13，L14 共计6 个点。于2018年2月在阳澄湖采集沉积物样品，借助全球定位系统GPS 导航定位。采用活塞式柱状有机玻璃采样器（Φ86 mm）采集柱状沉积物，用分样器取表层5 cm 泥样置于聚氯乙烯密封袋密封，低温保存带回实验室，于-20 ℃条件下冷冻保存并处理分析。沉积物中的TP 含量采用高氯酸-硫酸硝化-钼锑抗分光光度法测定[14]，TN含量采用硒粉-硫酸铜-硫酸钾-硫酸消煮法[15]。沉积物样品粒度采用Malvern 公司生产的Mastersize2000激光粒度仪（Malvern Instruments Ltd）测定。有机质（OM）采用重铬酸钾-硫酸氧化-硫酸亚铁滴定法测定[16]。

图1 阳澄湖沉积物采样点位布置

1.2 阳澄湖沉积物污染状况评价

目前，沉积物营养盐状况评价方法与标准尚未统一，常用的评价方法有富集系数法、有机污染指数法、污染指数法等[17-18]。采用最多的有机污染指数法缺乏对沉积物磷的评价，本研究在采用有机污染指数法。评价阳澄湖沉积物C，N 污染状况的同时，采用污染指数评价沉积物P 的污染状况。

（1）有机污染指数评价

有机污染指数法通常被用来评价湖库沉积物的营养状况，而ON 则是判断沉积物受N 污染程度的重要指标，见表1 和表2。评价标准与计算方法：

表1 沉积物有机污染指数评价标准

表2 沉积物有机氮评价标准

（2）污染指数法

污染指数法通常被用来评价各个污染因子的污染状况，本研究中采用污染指数法对阳澄湖沉积物TP 的污染状况进行评价，计算方法和评价标准：

式中：PIi为污染指数；Ci为沉积物中i 污染因子的实际测得质量分数，mg/kg；Cis为污染因子i 在沉积物中的标准值，mg/kg。Cis有的参考加拿大沉积物评价指南中的相关规定[19]来取值，但该指南起初是用来评价海洋沉积物的生态毒性，对于湖库沉积物而言并不是适用的，因此本研究参照国内湖泊沉积物评价相关标准[20]，TP 的Cis取440 mg/kg，污染程度分级见表3。

表3 沉积物污染程度分级

1.3 数据处理方法

采用Excel2016 (美国微软公司) 对数据分析计算，用Origin9.0(Origin Lab 公司)绘制图形。运用R(Mathsoft 公司)分析统计沉积物中TN、有机质（OM）和TP 之间的Pearson(双侧检验)相关系数，以探究它们之间的相关性。采样点位图与TN，TP 和OM 空间分布图采用ArcGIS10.2(ESRI 公司)绘制完成。

2 结果与分析

2.1 阳澄湖沉积物颗粒物理性质

取表层沉积物测定沉积物的基本物理指标，见图2。含水率能够反映沉积物疏松特性，直接影响沉积物的再悬浮，进而影响营养盐在沉积物与上覆水之间的重新分配[21-22]。有研究表明频繁扰动可以使沉积物含水率显著增加[23]。阳澄湖新鲜沉积物含水率在52.90%～86.02%之间波动，新鲜沉积物平均含水率为68.78%。沉积物容重在1.04 ～1.60 g/cm3之间，均值为1.25 g/cm3。pH 值在7.10 ～7.75，均值为7.55，阳澄湖沉积物偏弱碱性。沉积物平均粒径约为13.99 μm，根据粒径对沉积物物的分级标准，阳澄湖沉积物小于0.004 mm 的粘粒占19.68%，0.004 ～0.064 mm之间的粉粒占76.67%，大于0.064 的砂粒占3.64%。

图2 阳澄湖沉积物含水率、粒度、容重与pH 值

2.2 阳澄湖表层沉积物TN 含量及其空间分布

阳澄湖表层沉积物TN 含量见表4。TN 质量比变化范围为1 272.66 ～5 399.56 mg/kg，均值为3 046.65 mg/kg。变异系数是反映各个样点之间的平均变异程度参数[24]，TN 的变异系数为42.25%，大于20%，说明阳澄湖沉积物TN 含量在其空间分布上具有一定的差异性，空间分布见图3。图3 显示TN 呈现出从西湖向中湖、东湖增加的趋势，阳澄东湖沉积物总氮污染最为严重，最高值在采样点L14 为5 399.56 mg/kg，均值为3 994.29 mg/kg。

表4 阳澄湖表层沉积物中C,N,P 含量

图3 阳澄湖沉积物TN 含量的空间分布

2.3 阳澄湖表层沉积物TP 含量及其空间分布

阳澄湖沉积物TP 含量及空间分布分别见表4和图4。表层沉积物TP 的质量比变化范围为412.15～1 425.54 mg/kg，均值为721.90 mg/kg，其含量变异系数为38.49%，TP 含量空间分布也存在一定的差异性。由图4 可以看出，阳澄湖沉积物TP 含量空间上表现出从阳澄西湖到中湖、东湖递减的趋势，与阳澄湖TN 在空间上的分布相反，导致阳澄西湖TP 含量较高的原因是由于阳澄西湖周边入湖河道较多，这些入湖河道将大量的工业废水和未被植物吸收利用农田肥料及城市生活污水输运到阳澄西湖，进入水体的P 很快通过水相被水体中的悬浮颗粒物吸附，随着悬浮物的沉降进入沉积物中，导致区域沉积物中P 含量偏高。其次，阳澄东湖生长着大量的水生植被，这些植物在生长旺季对生物可利用P 的需求量非常大，从而间接导致了东湖沉积物TP 含量低于其它2 个湖区。阳澄西湖南部湖区及中湖南部湖区（采样点L4 和L8 附近），TP 质量比均高于1 000 mg/kg，L4采样点TP 质量比更是达到1 425.54 mg/kg，污染甚为严重。根据美国国家环保署（US EPA）所制定的相关污染标准，阳澄湖沉积物TP 整体上已经达到了重度污染（650 mg/kg），部分区域已经远远超出了重度污染的阈值。

图4 阳澄湖沉积物TP 含量空间分布

2.4 阳澄湖沉积物OM 含量及其空间分布

沉积物OM 是湖泊水环境中比较重要的一种胶体。它能够与重金属、有机污染物等发生一系列复杂的物理、化学反应(吸附、分配与络合反应等)，且能够较好地反应湖泊沉积物营养状况。底泥中的有机质在微生物作用下矿化分解，能够增加湖泊中N，P 浓度导致水质恶化或富营养化。阳澄湖表层沉积物OM含量及空间分布见表4 和图5。阳澄湖表层沉积物OM 的平均质量分数为8.28%，其变化范围为1.24%～27.55%，OM 的变异系数为103.38%，属于高等变异强度，这表明阳澄湖表层沉积物中OM 含量在空间分布上极度不均匀，离散性相对较大。OM 从阳澄湖西湖到中湖、东湖呈现出增加的趋势，与沉积物TN 含量分布特征相一致，西湖到中湖变化平稳，再到东湖迅速增加。东湖OM 含量最大值在L14 采样点，其质量分数高达27.55%，L13 采样点OM 质量分数也达到了27.42%，OM 污染相对比较严重。根据对野外现场与周边环境的考察，阳澄东湖在夏季生长着大量的水生植被，植被在死亡后由于没有及时清理打捞，致使在冬季死亡后的植物残体沉降的沉积物表层，腐烂分解，从而出现区域性OM 严重污染。

图5 阳澄湖沉积物OM 含量空间分布

2.5 阳澄湖沉积物中TN，TP 和OM 相关性分析

为探究阳澄湖沉积物中TN，TP 和OM 的相关性关系，利用R 软件Corrplot 程序包对污染因子进行pearson 相关性分析，其结果见图6。阳澄湖沉积物TN 和OM 呈显著正相关（R2= 0.75，p ＜0.01），这与TN 和OM 含量从西湖向中湖、东湖增加的空间分布特征是一致。有关研究表明湖泊沉积物TN 中的70%～90%是以ON 的形式存在[25]，阳澄湖沉积物TN 和OM 的相关关系从侧面验证了这一研究结果。阳澄湖沉积物TN 与TP 的相关性不大（R2=0.07，p ＞0.05），表明TN 和TP 可能具有不同的来源。OM 和TP 的相关性较小（R2= 0.14，p ＞0.05），这表明TP 可能并不是主要由沉积物中的OM 的富集造成的，OM 主要来自于水生植被死亡残体的分解，而P 则有可能来源于西湖周边入湖河道排入的农业面源及部分工业和生活污废水。

图6 阳澄湖沉积物TN，TP 和OM 相关性

2.6 沉积物污染状况

采用有机污染指数（OI）和污染指数法（PI）对阳澄湖区、阳澄西湖区、阳澄中湖区和阳澄东湖区4 个区域进行沉积物营养盐状况评价，其结果见表5 和表6。

表5 阳澄湖沉积物有机氮指数及OI

表6 阳澄湖沉积物TP 的PI

由表5 可知，阳澄湖全湖的ON 与OI 波动范围均较大，分别为0.12 ～0.51 和0.17 ～8.20 之间。ON和OI 整体处于污染状态，但仍有部分区域处于清洁和尚清洁的状态。OI在阳澄西湖区处于尚清洁状态，达到III 级。ON 在采样点L2 和L3 处均处于较清洁的状态，达到II 级。OI在采样点L2 处于较清洁状态，达到II 级，在L3 处于尚清洁状态，达到III 级。

由表6 可知，阳澄湖沉积物TP 的PI 变化范围在0.94 ～3.24，均值1.69，尽管阳澄东湖区处于中度污染状态，但阳澄西湖和阳澄中湖处于重度污染状态，导致湖区整体上污染较为严重，全湖区处于重度污染状态。阳澄湖作为苏州市的重要饮用水源地，当前的沉积物污染状况不容忽视.对于污染较为严重的N，P 而言，湖区围网养殖投放的饵料及鱼、蟹排泄物及死亡的水生植被腐烂分解是一方面的原因，另一方面排放入湖河道的工农业废水及居民生活污水也增加了N，P 污染负荷。据统计，在准保护区内的131家工业污染企业中，印染、电镀、化工医药等重污染企业就有91 家，占企业总数的69%[26]。因此，阳澄湖内除了农业面源污染的贡献外，流域内城镇生活污染水排放、活跃的工业活动也是沉积物中N，P 的重要来源。因此，集中对这些工业企业进行整治和实施清洁生产并对入湖河流进行疏浚治理，严格控制阳澄湖周边入湖河道工农业废水和生活污水的排放是阳澄湖沉积物N，P 污染治理的关键措施。