洪湖沉积物碳氮磷分布特征及污染评价

2021-08-11顾文俊

长江科学院院报 2021年8期

潘雄，顾文俊，李欢，胡园，张为，林莉

(1.长江科学院流域水环境研究所，武汉 430010； 2.长江科学院流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010； 3.荆州市生态环境局，湖北荆州 434000)

1 研究背景

富营养化是导致湖泊蓝藻水华频发的重要原因，严重影响了湖泊水生态系统和水体功能的稳定[1]。我国是一个多湖泊国家，近年来，湖泊富营养化问题愈发突出。大量外源输入的有机质、氮、磷等营养物质在湖泊沉积物中沉降富集，超出了湖泊自身的修复净化能力，这也使得许多湖泊的沉积物成为了氮磷污染的源和汇[2-4]。沉积物中积累的氮磷影响湖泊富营养化状态，并间接反映湖泊水体污染状况[5]。除此之外，氮磷在沉积物中的积累也显著影响湖泊的初级生产力，改变氮磷营养盐在整个湖泊生态系统中的循环[6-7]。因此，研究湖泊沉积物中碳氮磷含量与分布特征，对掌握其富营养化现状与氮磷污染生态风险具有重要意义。

洪湖所处的长江中下游地区是世界上湖泊富营养化问题最严重的区域之一[8-9]。洪湖水域面积332.7 km2，是湖北省第一大、中国第七大淡水湖。多年来，长期的围湖造田、酷渔滥捕、过度养殖等不合理的开发利用以及上游来水污染的汇入，导致洪湖富营养化严重。目前关于洪湖沉积物中有机质、氮、磷污染分布特征的研究很少，已有报道只是对洪湖湖区个别点位的分析，没有就全湖范围开展研究，也缺乏对导致洪湖富营养化的关键指标的分析探讨。如郑煌等[10]采集了洪湖中部区域的一根沉积柱，重点关注洪湖沉积物各形态磷的垂直分布，研究发现自20世纪80年代以来，洪湖沉积物中磷主要来源于人类活动。胡立嵩和祁士华[11]利用在洪湖东部湖区采集的一根70 cm沉积物柱，首次测定分析了洪湖沉积物氮磷含量的垂直分布。

为全面了解洪湖富营养化状态，本文开展了洪湖湖区柱状沉积物TN、TP 和有机质的含量和空间分布特征研究，并评价了各营养盐的污染等级，以期为洪湖富营养化的控制与治理提供科学数据支撑。

2 材料与方法

2.1 样品采集

洪湖(29°39′N—30°12′N，113°7′E—114°05′E)地处江汉平原中下游，流域水系网状结构明显，属亚热带湿润季风气候，多年平均降雨量约1 200 mm，其中近70%的降雨集中于每年的5—8月份。考虑到洪湖湖区出入湖水文特点，并参考洪湖现有国控及省控水质监测点位，包括4个国控断面(湖心A、湖心B、排水闸、杨柴湖)以及4个省控断面(小港、下新河、蓝田、桐梓湖)，于2019年10月在以上8个断面中各设置1个采样点，如图1所示。利用重力式柱状采泥器采集湖底0～50 cm柱状沉积物样品，并现场对采集的柱状沉积物分5层取样，每层10 cm，分别装入聚乙烯封口袋中，4 ℃冷藏保存。样品送达实验室后，24 h内冷冻干燥，充分研磨过200目(目是指每英寸筛网上的孔限数目)筛后，置于阴凉干燥处备用。

图1 洪湖沉积物污染调查采样点布设Fig.1 Sampling sites in Honghu Lake for sediment pollution survey

2.2 样品分析

沉积物TN的测定。称取0.1 g沉积物样品于25 mL比色管中，分别加入10 mL过硫酸钾溶液，摇匀。置于高压灭菌锅，125 ℃下消解1 h。待样品冷却后转入500 mL烧杯，用无氨水稀释至500 mL。经过常压过滤，得滤液并调节pH值至7.0，参照《水质硝酸盐氮的测定紫外分光光度法(试行)》(HJ/T 346—2007)[12]测定滤液TN含量，进而测定沉积物TN。

沉积物TP的测定。用Ruban等[13]发展的沉积物磷形态分级连续浸提法(SMT)分级方法测定。首先将沉积物样品置于瓷坩埚中高温灼烧，冷却后用3.5 mol/L的盐酸溶液20 mL冲洗坩埚中的样品，并将冲洗液全部转移至离心管中，窒温下振荡16 h后离心，取一定体积的上清液，用0.45 μm水系滤头过滤于25 mL比色管中定容，加湿色剂，采用钼锑抗比色法测定。

沉积物有机质的测定。参考《土壤有机质测定法》(GB 9834—88)[14]分析测试。

2.3 污染评价标准

洪湖沉积物氮、磷污染现状采用的TN和TP的综合污染指数评价标准值分别为0.55和0.60 g/kg，与加拿大安大略省环境和能源部给出的沉积物中能引起最低级别生态风险效应的TN和TP含量相一致(见表1)。单项污染指数计算公式为：

Si=Ci/Cs；

(1)

(2)

式中：Si为单项评价指数或标准指数，Si>1表明含量超过评价标准值；Ci为评价因子i的实测值(g/kg)；Cs为评价因子i的评价标准值(g/kg)，TN的Cs为0.55 g/kg，TP的Cs为0.60 g/kg；FF为综合污染指数；F为n项污染物污染指数平均值(TN的标准指数STN和TP的标准指数STP的平均值)；Fmax为最大单项污染指数(STN和STP的最大值)。洪湖表层沉积物氮、磷污染评价及污染程度分级依据见表2。

表1 加拿大安大略省沉积物营养物质质量基准Table 1 Ontario quality baseline for nutrients in sediment

表2 表层沉积物综合污染程度分级Table 2 Rating standard for comprehensive pollution of surface sediments

2.4 数据处理

利用SPASS 19.0单因素方差分析(One Way ANOVA)进行不同点位沉积物碳氮磷含量差异的显著性检验，相关图表制作在Origin 8.0与Excel 2010软件中完成。

3 结果与讨论

3.1 沉积物中TN分布特征

非汛期采集洪湖柱状沉积物，湖区TN含量在467.8～8 454.5 mg/kg之间，不同深度沉积物TN含量变化相差近18倍。分析洪湖湖区各采样点0～50 cm柱状沉积物TN含量变化(如图2所示)，结果显示其变异系数在49.1～113.2之间，且绝大部分地区表层0～20 cm的沉积物TN含量显著高于20～50 cm段沉积物TN含量，其中表层0～10 cm沉积物TN含量在2 193～8 454.5 mg/kg之间，30～50 cm段沉积物TN含量则在467.8～2 337 mg/kg之间。进一步比较洪湖各采样点沉积物TN含量发现，随着洪湖柱状沉积物垂向深度增加，TN含量呈明显下降趋势，这与其他各种淡水湖沉积物TN含量垂向分布特征研究结果一致[15-17]。在沉积物深度0～30 cm范围内，各采样点TN含量随深度的增加而急剧下降，30 cm以下含量变化趋于稳定，表明洪湖沉积物中氮在表层存在显著的积累。

图2 洪湖不同深度沉积物TN含量分布特征Fig.2 Distribution of TN content in sediments at different depths in Honghu Lake

郑煌等[10]于2014年在洪湖中部较为稳定的区域采集了一根沉积柱，分析其TN含量在1 480～4 920 mg/kg之间，远小于本项目对洪湖沉积物中TN含量调查结果。就全湖范围来说，洪湖沉积物TN平均含量为2 167 mg/kg，高于太湖(1 748 mg/kg)、巢湖(1 818 mg/kg)等长江中下游地区典型富营养化湖泊[18-19]。对比近年来研究者在太湖、洞庭湖、鄱阳湖、巢湖等湖泊的调查结果发现，鲜有湖泊表层沉积物TN含量>5 000 mg/kg，而洪湖湖区表层0～20 cm沉积物含量>5 000 mg/kg的地点占比一半。杜奕衡等[20]报道，白洋淀沉积物TN含量为1 230.8～9 559.0 mg/kg之间，平均值为2 379.5 mg/kg。与太湖、巢湖等典型富营养化湖泊不同的是，白洋淀水陆交错，淀内环境复杂，生长着大量的大型水生植物，如芦苇、菹草等，它们长期腐烂累积可能是导致沉积物中氮素富集的重要原因。洪湖过去同样常年生长大片水生植物，与白洋淀较为类似，再加上洪湖为半封闭性湖泊，上游污染来水停留时间较长，污染物易于沉积到湖泊底部，这些都可能是洪湖沉积物中TN含量不断提升的重要原因[21-22]。在全国范围内，洪湖沉积物TN含量要较云贵高原地区湖泊低，这主要是因为云贵高原湖泊沉积物氮的本底值较长江中下游地区高，如：对滇池全湖表层沉积物的调查显示TN含量在1 775.4～22 384.1 mg/kg之间，其柱状沉积物TN平均含量在1 266.9～3 242.7 mg/kg之间[23-24]，而常年水质保持在Ⅰ类的抚仙湖，柱状沉积物中TN 浓度的平均值在3 200～3 440 mg/kg之间[25]，均高于洪湖沉积物中氮的含量水平。

3.2 沉积物中TP分布特征

非汛期采集洪湖柱状沉积物，湖区TP含量在502.7～1 252.4 mg/kg之间。分析各采样点0～50 cm柱状沉积物TP含量(如图3所示)，其变异系数在8.3～32.4之间。在沉积物深度0～30 cm范围内，各采样点TP含量随深度的增加而急剧下降，沉积物深度>30 cm后其TP含量变化趋于稳定，这一结果表明洪湖沉积物中磷总体上存在明显的积累。胡立嵩和祁士华[11]采集洪湖东部湖区一根70 cm沉积柱，测得不同深度沉积物TP含量均在500～800 mg/kg范围内。郑煌等[10]利用SMT法对洪湖中部区域采集的一根37 cm沉积柱进行了TP的分析，其含量在427～963 mg/kg之间。二者均小于本文对洪湖沉积物TP含量调查结果，进一步表明洪湖湖区沉积物中磷近年来存在明显的积累。

图3 洪湖不同深度沉积物TP含量分布特征Fig.3 Distribution of TP content in sediments at different depths in Honghu Lake

中国湖泊沉积物中的TP很少>750 mg/kg[26]，长江中下游地区湖泊沉积物磷的地质背景则要更低。就全湖范围来说，洪湖沉积物平均TP含量为693.8 mg/kg，略低于太湖流域湖泊(760 mg/kg)，高于白洋淀(608.4 mg/kg)，而与巢湖(691 mg/kg)、鄱阳湖(689 mg/kg)等含量水平相当[17-18,27-28]。对比洪湖湖区8个采样点沉积物TP含量，结果发现除杨柴湖TP明显偏高外，其他大部分地区与长江中下游流域内湖泊磷沉积相当。著名的富营养化湖泊太湖大部分湖区TP含量在1 000 mg/kg左右，显著高于洪湖沉积物中TP含量[29]。

3.3 沉积物中有机质分布特征

非汛期采集洪湖柱状沉积物，湖区有机质含量在5.0%～24.9%之间。分析各采样点0～50 cm柱状沉积物有机质含量变化趋势(如图4所示)，各采样点变异系数在21.9～69.4之间。表层20 cm以内沉积物有机质含量显著高于20 cm以下，其中表层0～10 cm沉积物有机质含量在9.5%～24.9%之间，而30～50 cm段沉积物有机质含量则在5.0%～9.7%之间，有机质含量平均值为9.6%。在沉积物深度0～30 cm范围内，各采样点有机质含量随深度的增加而急剧下降，30 cm以下含量变化趋于稳定。

图4 洪湖不同深度沉积物有机质含量分布特征Fig.4 Distribution of OM content in sediments at different depths in Honghu Lake

郑煌等[10]对洪湖中部区域采集的一根37 cm沉积柱有机质最小含量11.2%，最大含量则达到37.3%。可见，洪湖沉积物中有机质含量有着显著的下降，这可能是2016—2017年湖区养殖围网拆除后的直接结果。分析各采样点沉积物有机质平均含量发现杨柴湖有机质含量最高，其次是桐梓湖。杨柴湖和桐梓湖生长着大量沉水植物，沉水植物长期腐烂累积可能是导致其沉积物中有机质富集的重要原因。2017年，苗慧等[19]对我国第五大淡水湖巢湖的调查报道指出其沉积物中有机质含量范围为1.8%～10.4%，平均含量5.9%，其中西湖片区有机质范围为1.8%～8.8%，平均值6.5%；东湖片区为2.3%～10.4%，平均值5.5%。巢湖是长江流域典型的富营养化湖泊，但其沉积物中有机质含量远小于洪湖。同样的，鄱阳湖表层沉积物中有机质含量为0.4%～3.2%[30]，也远小于洪湖。2014年，杨洋等[28]报道太湖平均有机质含量为10.5%，与洪湖相当。太湖湖底有机质含量偏高的主要原因在于周边城市密布，工农业废水排放量大，湖区藻类凋亡沉降等[31]。洪湖素有“湖北之肾”的美称，是国际重要湿地，历史上湖底长年水草丰茂，面积曾多达44万亩(1亩≈666.67 m2)，加上水面上的莲、菱、芡实等浮叶植物，菰、苇、荻等挺水植物，相较于我国其他著名淡水湖泊而言，沉水植物长期腐烂累积现象尤为明显，这可能是洪湖沉积物有机质含量偏高的主要原因之一。因此可建议对重点区域如杨柴湖、桐梓湖、湖心A等考虑构建围网，减少有机质等悬浮物随风浪进行扩散。

3.4 沉积物中氮磷污染评价

依据加拿大安大略省沉积物营养物质质量基准(表1)，采样点湖心A、小港、杨柴胡、桐梓湖表层沉积物(0～20 cm)TN含量处于重度污染级别，其他采样点表层沉积物(0～20 cm)TN含量处于中度污染级别。就TP含量而言，所有采样点均处于中度污染级别，而所有采样点有机质均处于重度污染级别。根据加拿大安略省环境和能源部发布的综合污染指数方法对洪湖表层沉积物(0～20 cm)氮、磷污染现状进行评价[32]，结果如表3所示。洪湖湖区8个采样点表层沉积物综合污染指数均超过了2，为重度污染。其中8个采样点氮的单项评价指数均>2，为重度污染；磷的单项评价指数除杨柴湖采样点>1.5，为重度污染，其他各点为中度污染。依据洪湖内源污染的调查与评价结果，可建议适当调整游船的旅游线路，减少快艇等扰动剧烈船只的出动频率，增加静缓型游船的比例，减少对重污染区域的扰动。