阳澄湖沉积物中氮、磷及有机质空间分布特征与污染评价

2021-06-09王欣陈欣瑶邹云陈界江李凤彩

环境监控与预警 2021年3期

王欣，陈欣瑶，邹云，陈界江，李凤彩

(苏州工业园区环境监测站，江苏苏州 215027)

近年来，湖泊富营养化问题已成为国内外重点关注的水环境问题之一[1-2]，氮(N)、磷(P)等元素的增加是湖库富营养化的关键因素[1, 3]，而中国东部浅水湖泊沉积物中N、P等营养盐含量高且差异较大[4]。沉积物能够反映水体区域环境变迁和水体类型，是生源要素特别是N、P、碳(C)的重要蓄积库，对污染物迁移转化和湖泊营养元素内部循环具有重要意义，能间接体现河流受污染程度和水体区域环境变化[5-6]。因而研究浅水湖泊沉积物中营养盐的含量及分布特征，并对其开展污染评价，有利于初步了解湖泊污染现状，为湖泊沉积物污染控制和水生态系统健康保障及受污染水体的改善提供理论支撑[5, 7]。

阳澄湖位于苏州市区东北方向，作为苏州市战略性水源地与大闸蟹养殖基地，其水质安全对周边社会稳定和经济发展有着十分重要的意义[1]。目前，国内外对阳澄湖浮游植物、底栖动物的研究报道较多[8-12]，对N、P、C污染状况与分布特征的研究报道尚不多见[1]。现对阳澄湖沉积物样品中总磷(TP)、总氮(TN)、有机质(OM)的空间分布特征及污染现状进行评价，以期为阐明阳澄湖内源污染提供理论支持，为污染治理提供思路。

1 研究方法

1.1 点位布设

采取网格布点法布设沉积物采样点位，网格间距为1.2 km，综合考虑阳澄湖湖体形态，在全湖划定东湖南、东湖北、中湖南、中湖北、西湖南及西湖北6个分区，共布设63个沉积物采样点位，点位分布及编号见图1。其中1—12为东湖南样点；13—22为东湖北样点，23—25、35—41为中湖南样点，26—34、63为中湖北样点，42—53为西湖南样点，54—62为西湖北样点。

图1 阳澄湖沉积物采样点位分布

1.2 采样时间

2020年2月。

1.3 样品采集、制备与分析

使用Ekman-Birge采泥器采集点位垂直正下方的表层5 cm沉积物样品1～2 kg，沥干水分后密封于聚乙烯自封袋中，低温保存带回实验室进行处理。采集的样品经风干、去杂物、研磨后，过100目土壤筛，混匀装入磨口瓶密闭保存，待测备用。分别采用《土壤总磷的测定碱熔-钼锑抗分光光度法》(HJ 632—2011)、碱性过硫酸钾消解百里酚光度法[13]和《土壤检测第6部分：土壤有机质的测定》(NY/T 1121.6—2006)分析测定沉积物中TP、TN和OM质量比。

1.4 评价方法

1.4.1 综合污染指数法

采用综合污染指数(FF)评价表层沉积物TN、TP污染程度。根据相关研究[4, 14-16]的评价标准进行综合污染程度分级，分级标准见表1。单项污染指数和FF计算公式如下：

表1 沉积物综合污染程度分级标准

Sj=Cj/Cs

(1)

(2)

式中：Sj——因子j单项污染指数；Cj——评价因子j实测值；Cs——评价因子j评价标准值，TN、TP的Cs分别取1 000，420 mg/kg[14-17]；FF——综合污染指数；F——n项污染指数均值；Fmax——最大单项污染指数。

1.4.2 有机污染指数法

有机污染指数(OI)通常被用来评价湖库沉积物的营养状况，该方法在FF指数的基础上补充考虑OM指标，进一步完善对湖泊沉积物污染现状的评价[16, 18-20]。OI评价标准见表2，计算公式如下：

表2 沉积物OI评价标准

OI=OC×ON

(3)

OC=OM/1.724

(4)

ON=TN×0.95

(5)

式中：OI——有机污染指数；OC——有机碳含量，%；ON——有机氮含量，%；OM——有机质含量，%；TN——总氮含量，%。

1.5 数据处理

采用Excel 2016对数据进行分析计算，用Origin 2017进行Pearson相关性分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 TN、TP、OM质量比及空间分布特征

湖区各监测点位沉积物中ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)监测结果见图2(a)(b)(c)。由图2可见，沉积物中ω(TN)为183～6 251 mg/kg，均值为1 102 mg/kg，变异系数为80.4%(>20%)，变异系数是反映各个样点间的平均变异程度参数[1]，故ω(TN)在空间分布上具有高差异性。6个湖区ω(TN)均值为：东湖南(2 037 mg/kg)>西湖北(1 353 mg/kg)>西湖南(1 112 mg/kg)>东湖北(733 mg/kg)>中湖南(676 mg/kg)>中湖北(541 mg/kg)；各湖区ω(TN)的变异系数为：东湖南>东湖北>中湖南>中湖北>西湖南>西湖北，变异系数均>20%，说明各分区沉积物ω(TN)均具有一定的空间差异性。

图2 湖区沉积物监测点位TN、TP和OM质量比

ω(TP)为587～1 494 mg/kg，均值为822 mg/kg，变异系数为20.9%，即全湖沉积物中ω(TP)在空间分布上具有一定的差异性。各湖区ω(TP)均值为：西湖南(889 mg/kg)>西湖北(882 mg/kg)>中湖北(859 mg/kg)>中湖南(810 mg/kg)>东湖北(771 mg/kg)>东湖南(725 mg/kg)，整体趋势为自东湖向中湖、西湖逐渐增加；而ω(TP)变异系数>20%的区域仅有西湖南、西湖北，说明西湖沉积物中ω(TP)的空间分布具有一定的差异性，东湖、中湖ω(TP)的空间分布差异性不大。

ω(OM)为8.5～89.9 g/kg，均值为32.8 g/kg，变异系数为50.5%，空间分布整体上存在较高差异性。各湖区ω(OM)均值为：东湖南(50.7 g/kg)>东湖北(36.0 g/kg)>中湖南(30.5 g/kg)>西湖北(29.8 g/kg)>中湖北(27.6 g/kg)>西湖南(20.6 g/kg)，整体趋势为自东湖向中湖、西湖减少；各湖区ω(OM)的变异系数为：中湖南>东湖北>西湖南>东湖南>西湖北>中湖北。

2.2 ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)相关性分析

对沉积物中ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)进行Pearson相关性分析，结果表明：ω(TP)和ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)的相关性不大(p>0.05)，ω(TN)和ω(OM)存在显著性正相关(r=0.373，p<0.01)。由此可知，沉积物中OM的富集可能是湖体中N盐的重要来源，而对P影响不大[16]。

2.3 污染指数评价

2.3.1 FF指数

各湖区沉积物STN、STP和FF指数评价结果见表3。全湖沉积物STN、STP分别为1.10，1.96，处于2级(轻度污染)、4级(重度污染)水平；全湖FF为1.22～5.19，均值为1.84，综合污染水平为3级(中度污染)。各湖区监测点位沉积物FF评价等级占比见图3，其中全湖所布监测点位中为中度、重度污染的点位占比分别为50.8%，25.4%。

表3 湖区沉积物STN、STP、FF指数评价结果

图3 湖区沉积物监测点位FF等级占比分布

由表3可见，各湖区沉积物中STN差异较大，东湖南TN为4级(重度)污染，西湖南、西湖北TN分别为2级(轻度污染)、3级(中度污染)水平，其余湖区均属1级(清洁)； STP评价结果显示，各湖区TP均处4级(重度污染)水平，污染程度整体表现为：西湖>中湖>东湖。FF指数大小排序为：东湖南>西湖北>西湖南>中湖北>中湖南>东湖北，其中东湖南的监测点位中属重度污染的比例最高，达到50.0%。此外，由于东湖FF指数在南北方向上差异性较大，且沉积物中TN的空间差异性最大(图2)，间接说明了TN污染对东湖南FF指数的贡献更大。

2.3.2 OI指数

通过OI指数法对阳澄湖沉积物有机污染现状进行评价，结果见表4。各湖区沉积物监测点位OI等级占比见图4。湖体沉积物OI为0.01～1.52，均值为0.23，对照表2评价标准，属尚清洁，其中尚清洁、有机污染的监测点位比例分别为17.5%，11.1%。

表4 湖区沉积物OI指数评价结果

图4 湖区沉积物监测点位OI等级占比分布

各湖区OI指数均值为：东湖南>西湖北>东湖北>西湖南>中湖南>中湖北，其中东湖南的OI指数均值远高于其他区域，属有机污染区。东湖南OI指数为0.07～1.52，均值为0.57，其中75.0%的监测点位属Ⅲ—Ⅳ级(尚清洁—有机污染)；西湖北有机污染指数为0.15～0.35，均值为0.22，监测点位均属Ⅱ—Ⅲ级(较清洁—尚清洁)；东湖北、中湖南、中湖北及西湖南4个湖区均属Ⅱ级(较清洁)，监测点位中达到有机污染程度的比例均低于10%(图4)。

3 讨论

3.1 ω(TN)、ω(TP)及ω(OM)

沉积物中ω(TN)、ω(TP)及ω(OM)能在一定程度上反映湖泊污染水平。本研究的阳澄湖沉积物中ω(TN)、ω(TP)波动范围与2015年5月蒋豫等[15]研究结果相似，但ω(TN)、ω(TP)平均值均低于该研究，这可能与近年来各级政府对阳澄湖湖体与入湖河道进行持续管控有关，2013—2020年随着苏州市阳澄湖生态优化行动的实施，相继关闭了上游区域内近100家印染企业，对区域内纺织、制药及食品加工等行业进行了清洁化技术改造，从源头上削减污染物的产生和排放。

ω(TP)总体表现为从西湖向中湖、东湖逐渐降低的趋势，与蒋豫等[15]研究结果一致。由于入湖河道多分布在西湖区域，且入湖河道附近城镇化程度高，人口密度较大，农田及工业分布较多，入湖过程可能会携带部分城市污水和未被植物吸收利用的农田肥料至西湖而引入P盐，而水体中的悬浮颗粒物会快速吸附并沉降P盐至沉积物，导致西湖沉积物ω(TP)偏高[1]。东湖分布水生植被较多，在生长旺季对生物可利用P需求较大[1]，间接促使东湖沉积物ω(TP)低于西湖、中湖。

ω(TN)表现为东湖南明显高于其他区域，ω(OM)整体表现为东湖高于中湖、西湖，这可能是由于东湖尤其是东湖南区域，围网养殖面积较大，且主要为密集型养殖类型，围网区未食的饵料和鱼、蟹等排泄物的沉积显著增加了底泥中ω(OM)，导致底泥理化性质改变，使得东湖尤其是东湖南区域的TN负荷量超过该水域总容量[1, 15, 21]。此外，研究结果显示，ω(TN)与ω(OM)显著正相关，进一步印证了TN和OM的沉积具有很高的协同性，二者均主要通过水生植物残体的沉积过程进入底泥并协同富集[19, 22-24]。

3.2 FF及OI指数

本研究的沉积物FF指数评价结果低于蒋豫等[15]研究，其中东湖南综合污染程度最高；OI指数虽低于郭西亚等[1]研究(OI为0.17～8.20)，但OI指数最高值都出现在东湖南区。景明等[8]从浮游植物群落结构的角度说明了东湖南与其他点位具有较大差异性。6个湖区中，东湖南的FF指数与OI指数评价等级均为最高，该区FF指数最高的主要原因是其STN、STP均较高且STN远高于其他湖区，而底泥TN最大释放量与湖泊污染程度呈正相关[25]，因此东湖南综合污染程度远高于其他湖区；而对于OI指数，东湖南有75.0%的监测点位属Ⅲ—Ⅳ级(尚清洁—有机污染)，该比例远高于其他湖区，其有机污染等级较高与该区TN负荷过大、ω(OM)偏高紧密相关。