宜昌水源地水库丰水期沉积物营养盐特征分析

包宇飞，施凤宁，吴兴华，张 迪

（1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.云南省水环境监测中心，云南 昆明 650106；3.中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心，北京 100038）

水库作为很多城市的水源地，是重要的水资源战略储备地，与人类的生活生产密切相关。然而，随着社会经济的发展以及水库资源的开发与利用，水库水体富营养化及其带来的生态环境问题日趋严重，甚至已成为全球水库面临的主要生态环境问题之一[1-3]。近年来，随着流域外源污染物的输入逐渐得到有效控制，沉积物日积月累的内源污染已成为很多湖库营养盐的重要来源之一，如太湖[4]、潘家口水库[5]等，历史大量污染物的输入导致沉积物大量吸附并储存营养物质，扮演“汇”的角色，而当外源负荷减小时，沉积物可能由“汇”转化为“源”，形成内源污染。有关研究表明[6-8]，磷元素作为一种沉积型元素，超过99% 储存在沉积物中，而沉积物中磷易受有机质矿化降解等驱动，又释放到水体中对水质产生影响，因此磷是沉积物扮演“汇源”角色的主要变化元素之一。同时，磷作为水体富营养化的重要限制因子，其内源磷的污染特征直接关系着水体的富营养化水平和水库的水生态健康状况[9]。因此，研究水库沉积物中营养盐的含量及其分布特征，对于控制水库的富营养化和评价水库的生态健康具有重要意义。

黄柏河位于宜昌市西部，是长江的一级支流，黄柏河东支自上而下建有4 座大中型梯级水库，即玄庙观水库、天福庙水库、西北口水库以及尚家河水库，每年从尚家河水库向东风渠灌区输送水量3亿m3，为东风渠沿线乡镇、宜昌城区、工业园区以及66.67 万hm2农田供水，供水人口达200 万人，是宜昌市重要的水源地。黄柏河东支流域磷矿资源丰富，约有54 家磷矿开发企业，其中绝大部分分布在黄柏河中上游区域的玄庙观水库和天福庙水库流域内[10]，研究表明上游2 座水库的内源磷污染及释放风险十分严重[11]，尚家河水库流域内虽无磷矿开采，然而流域上中游的磷污染对下游水库的影响是怎样的？大坝的拦截效应是否显著影响着流域沉积物磷元素的分布？目前因尚家河水库的数据缺失还不得而知，因此亟需对尚家河水库的沉积物营养盐分布特征进行研究。同时，考虑到尚家河水库作为城市水源地水库，其水体富营养化的风险控制十分重要，因此本研究也可为水源地水库库区的管理和水质分析评价提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域与采样

尚家河水库位于宜昌市夷陵区分乡镇境内，是黄柏河东支梯级开发的末级水库，控制集水面积937 km2，多年平均径流量4.48 亿m3，是东风渠灌区总干渠的取水枢纽水库，现有总库容1 646 万m3，正常库容1 074 万m3，为中型水库工程。本次采样中，参考尚家河水库的流域地形、周边污染源等，选取了6个采样点位（如图1所示），采用便携式GPS和自主研制的沉积物采样器，于2016 年7 月在每个采样点周边1 m2范围内采集表层沉积物样品（深约6 cm），以2 cm 为1 层（共3 层）进行切割后装入聚乙烯离心管，密封避免氧化。沉积物上覆水（离底部约4 cm）引流入洗干净的PVC 瓶保存。所有样品在8 h 内运回实验室，并在24 h内进行处理和检测。

图1 尚家河水库采样点分布

1.2 测定方法

采用YSI EXO2多参数水质在线分析仪，原位监测表层水体的温度（T）、溶解氧（DO）、电导率（EC）、氧化还原点位（ORP）、pH 值和叶绿素a等；采用分光光度法，测定上覆水以及间隙水正磷酸盐浓度（PO43-）。

本实验中沉积物环境因子由水利部水质监督检测测试中心进行检测，实验过程中注意质量控制和平行样的设定。沉积物进行冷干、研磨过100 目筛后，进行营养盐含量检测。沉积物经过1mol∕L 盐酸（HCl）充分反应后，用元素分析仪（Vario EL Ⅲ，Elementar公司，德国）测定总有机碳（TOC）、总氮（TN）；本研究采用欧盟磷形态标准测试法（SMT法）逐步分离提取磷，主要将磷分为总磷（TP）、有机磷（OP）、无机磷（IP）、钙结合态磷（Ca-P）和铁铝结合态磷（Fe∕Al-P），对于探讨磷的特征和潜在风险有较好的指示意义。为保证结果的准确性，每个样品取3 个平行样品的平均值作为定值。

所有数据计算和统计采用Excel 2007 和SPSS 22.0 软件完成，采用Origin 8.0 作图，数据采用平均值或平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 水环境因子分析

采样点水体环境因子，详见表1。

表1 采样点水体环境因子

由表1 可以发现，尚家河水库表层水体pH 值范围为8.26～8.67，呈现弱碱性，主要受流域弱碱性地质特性的影响；电导率反映水体离子的强度，变化范围为455.4±18.2 µS∕cm；表层水体氧化还原电位为111.4±40.8 mV，属于中度还原条件；溶解氧变化范围为8.51±0.33 mg∕L，水库水动力条件较好，溶解氧处于接近饱和状态；叶绿素a 含量变化范围为1.89±0.30 µg∕L，藻类繁殖使得水体溶解氧浓度增高，叶绿素和溶解氧两者呈显著正相关，相关系数为0.886（P＜0.01）；表层水体PO43-浓度为0.08±0.01 mg∕L，符合我国地表水水环境质量的Ⅲ～Ⅳ类标准（湖库）。

2.2 沉积物理化性质

采样点表层沉积物的理化性质如图2 所示，采用插值法得出尚家河水库沉积物中TOC、TN 和TP的空间分布特征。

图2 尚家河水库沉积物TOC、TN和TP浓度空间分布

由图2 可以看出，TOC 和TN 浓度空间上呈现出“两头高，中间低”的分布特点，含量分别为1.61～2.24 g∕kg和1 295.4～1 528.6 mg∕kg，均值分别为1.95 g∕L和1 407.0 mg∕kg，水库沉积物有机质一部分来源于水生生物的残体，另一部分源于外源性输入。根据Meyers 等人[12]研究，细菌的TOC∕TN 介于2.6～4.3，水生动植物的TOC∕TN 介于7.7～10.1，而维管束陆生植物的TOC∕TN 一般大于20，TOC∕TN 越高说明陆源性有机质输入的影响越大。尚家河水库采样点表层沉积物TOC∕TN 为14.5～17.2，均值为16.2，表明水库沉积物有机质大多数来源于陆源性污染物输入。这与水库的地理环境密不可分，尚家河水库处于山谷峡口之间，周边山上遍布森林和草地，流域内有大量耕地，且在丰水期间（采样时间为7月），入库径流量的增大及流域面源径流污染物的增加增大了陆源性有机物的输入量，导致表层沉积物中有机质主要来源于陆源性污染物的输入。

沉积物TP 含量空间上整体呈现出从库尾到库首逐渐减小的趋势，浓度介于572.2～768.5 mg∕L，均值为650.6 mg∕kg。黎睿等[13]根据生态毒性将600、2 000 mg∕kg 作为TP 污染低效应和严重污染水平的分界线，可见尚家河水库磷污染风险较低。刘佳等人[11]的研究表明，黄柏河中上游的3座水库水体具有高营养化风险，玄庙观水库、天福庙水库和西北口水库TP平均含量分别为8 070.0 、2 681.2 和2 656.6 mg∕kg，约是尚家河水库的4～12 倍，TP 含量在整个流域呈现从上游到下游的递减趋势，主要受矿点开采磷风化输入的影响（尚家河水库流域内无磷矿）并与水库的拦截作用有关，因此尚家河水库沉积物保持较低的TP污染风险。

2.3 沉积物磷形态含量与空间分布特征

各采样点磷赋存形态空间分布特征，如图3所示。

图3 各采样点磷赋存形态空间分布特征

2.3.1 有机磷（OP）

OP主要包括沉积物中生物体内所结合的各种磷化合物种类，其在微生物和酶的作用下可能转化为生物活性磷。尚家河水库表层沉积物OP含量为218.6～281.3 mg∕kg，平均值为251.1 mg∕kg，占TP 的38.6%，具体空间分布为S5（281.3 mg∕kg）＞S1（276.2 mg∕kg）＞S3（250.8 mg∕kg）＞S6（242.4 mg∕kg）＞S4（237.1 mg∕kg）＞S2（218.6 mg∕kg），差异性显著（P＜0.01），整体呈现“两头高，中间低”的特点，与TOC 和TN 的空间变化趋势类似。有机质（TOC、TN和OP）主要来源于陆源性的有机输入，所以其空间分布特征较一致。洱海[14]沉积物OP 含量为278.3 mg∕kg，太湖和鄱阳湖OP 含量分别为125.8、152.4 mg∕kg[15]；尚家河水库沉积物OP 含量与洱海相似，约为太湖和鄱阳湖OP 含量的2 倍。相关研究表明[14-15]，OP 含量主要与人类的活动密切相关，主要来源于面源污染，调查表明尚家河汇水区上游村庄的畜禽养殖、农业生产等活动带来一定的面源污染输入。Spears 等人[16]研究认为OP 降解造成的P 释放是低强度和持久的，需引起足够的重视。

2.3.2 铁铝磷（Fe∕Al-P）

Fe∕Al-P是指Fe、Al、Mn及其氢氧化物结合吸附的磷，是一种非稳态磷形态。有关研究表明，Fe∕Al-P主要与流域内生活污水和工业废水污染相关[17]，尚家河水库沉积物Fe∕Al-P 含量为113.5～155.7 mg∕kg，均值为132.2 mg∕kg，占TP 的20.3%，各采样点含量变化差异性不大。Fe∕Al-P 是沉积物中磷释放参与多相界面循环转化的主要赋存形态，对沉积物扰动以及沉积环境的变化（氧化还原电位和pH 等）较为敏感，是沉积物内源磷释放的主要形态。

2.3.3 钙磷（Ca-P）

Ca-P 主要包括自生磷灰石和原生碎屑磷等，是一种稳定态磷。Ca-P 含量与地区的地质化学背景紧密相关，黄柏河流域碱性土壤的地球化学环境特点决定了流域内水库沉积物磷主要以Ca-P 形态存在，这与刘佳等人[11]对本流域内其他水库磷形态的研究结果一致。尚家河水库沉积物Ca-P含量为228.4～334.4 mg∕kg，均值为267.4 mg∕kg，占TP 的41.1%，具体空间分布为S5（334.4 mg∕kg）＞S6（308.2 mg∕kg）＞S4（252.7 mg∕kg）＞S2（248.1 mg∕kg）＞S1（232.5 mg∕kg）＞S3（228.4 mg∕kg），差异性显著（P＜0.01），整体呈现从库首至库尾逐渐增大的趋势，与TP 空间分布类似，这主要与水库水动力作用相关，部分颗粒状磷灰石堆积在库尾，导致库尾（S5和S6）的Ca-P 含量相对偏高。Ca-P 被普遍认为是偏惰性和生物难直接利用型磷，但有研究表明，在pH降低、弱酸条件以及特定微生物作用下Ca-P可产生一定的释放[18]。

3 讨论

国内不同水体TP含量，详见表2。

表2 国内不同水体TP含量mg∕kg

不同湖库生态系统沉积物磷浓度不同，从表2的对比结果可以看出，尚家河水库沉积物TP含量处于较低水平，与太湖的TP 含量[19]类似，远小于滇池以及于桥水库[20]、横山水库[21]、潘家口水库[5]等的TP含量，大于三峡水库[22]的TP 含量。与流域上游的3 座水库[11]相比，可以看出，尚家河水库沉积物TP含量较低，生态风险性也较低，但上中游的玄庙观水库、天福庙水库和西北口水库沉积物磷污染十分严重，这主要与黄柏河流域磷矿分布的影响以及水库的拦截作用有关，沉积物TP含量从上游至下游呈逐渐递减的趋势。考虑到流域生源物质的循环性，上游沉积物磷可以释放进入水体，流动至下游水库并产生吸附沉积等[6]，因此作为宜昌水源地的尚家河水库沉积物磷风险性仍需要引起足够的重视。

4 结论

（1）尚家河水库沉积物TOC 和TN 均值分别为1.95 g∕L 和1 407.0 mg∕kg，统计分析指出尚家河水库沉积物TOC∕TN 为14.5～17.2，均值为16.2，表明水库沉积物有机质（TOC、TN、OP）大多数来源于陆源性污染物输入，这主要与水库的地理环境特征以及流域径流侵蚀增大有关。

（2）水库沉积物TP 含量为572.2～768.5 mg∕kg，均值为650.6 mg∕kg，对比分析指出TP污染风险整体较低，空间上整体呈现出从库尾到库首逐渐减小的趋势。沉积物磷形态含量变化表现为Ca-P＞OP＞Fe∕Al-P，这与流域内碱性土壤地球化学环境特点有关。对比分析可知，尚家河水库沉积物TP 含量较低，但考虑到黄柏河流域上游3 座水库沉积物高磷的生态风险性，因此对尚家河水库沉积物环境状况仍需加强监管和做好防控措施。