洪泽湖湖滨带表层沉积物氮、磷、有机质分布及污染评价

2022-06-06盛路遥魏佳豪兰林龚志军毛劲乔蔡永久

环境监控与预警 2022年3期

盛路遥，魏佳豪，兰林，龚志军，毛劲乔，蔡永久*

(1.河海大学水利水电学院, 江苏南京 210098; 2. 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 湖泊与环境国家重点实验室, 江苏南京 210008; 3. 江苏省水利工程规划办公室, 江苏南京 210029)

湖滨带作为水陆生态系统的过渡和缓冲区域，是健康湖泊生态系统不可缺少的有机组成部分之一[1]，在保持物种多样性、调节物质流动和能量流动、净化水体等方面均十分重要[2-3]。沉积物是湖泊水中污染物质(包括氮、磷、有机质)沉积后的归宿地，并且一定环境条件下会释放出大量沉积其中的污染物质[4]，造成二次污染，从而威胁湖滨带乃至整个湖泊生态系统的安全。

洪泽湖作为环湖地区的重要水源地，也是南水北调东线工程重要的调蓄湖泊之一，其水质的好坏对环湖地区和南水北调东线工程受水区的水安全有着重要影响[5]。随着经济的高速发展，城镇化和工农业迅速发展都导致了大量氮、磷、有机质输入到湖泊中，以致洪泽湖整体生态环境出现退化[6]，削弱了其生态系统服务功能。目前，关于洪泽湖沉积物氮、磷、有机质分布及污染评价已有一些研究[7-8]，尚未见针对洪泽湖湖滨带沉积物氮、磷、有机质分布及评价的研究。因此，现以洪泽湖湖滨带表层沉积物为研究对象，分析了沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)和有机质(OM)的空间分布格局及污染特征，以期为洪泽湖湖滨带的保护、修复和管理提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区域概况和采样点布设

洪泽湖(118°10′～118°52′ E、33°06′～33°40′ N)是我国第四大淡水湖，位于苏北平原西部，承接淮河中上游来水，属于典型的过水性湖泊。正常蓄水位13.0 m(废黄河高程)，规划蓄水位13.50 m时，平均水深1.77 m，相应水域面积约1 780 km2，蓄水量39.57×108m3[9]。具有防洪、饮用水供给、多样性保护、生态渔业、航运等多种功能。

于2020年8月，在洪泽湖湖滨带共布设43个采样点，采集湖滨带区域内的表层沉积物，采样点分布见图1。根据洪泽湖的水文条件和生态状况，将湖滨带分为4个区域，分别为东部大堤、过水通道、西部区域和成子湖[10]。其中东部大堤布设7个采样点，为HB 1—7；过水通道布设18个采样点，为HB 8—25；西部区域布设9个采样点，为HB 26—34；成子湖布设9个采样点，为HB 35—43，因其西岸底泥沉积少，样点主要布设于成子湖北岸和东岸。

图1 洪泽湖湖滨带表层沉积物采样点分布

1.2 样品采集与处理分析

使用彼得森采泥器采集湖泊表层10 cm的沉积物样品，将采集的泥样混匀后装入清洁的聚乙烯自封袋中，冷冻保存送回实验室进行预处理及分析。沉积物样品使用冷冻干燥机进行干燥，样品至恒重，去除杂物及石块，经翻动、压碎和研磨后过100目(0.165 mm)尼龙筛，储存于牛皮纸袋中。TN、TP含量采用过硫酸钾联合消解法测定[11]；OM含量采用烧失量法(550 ℃，焙烧5 h)测定[12]。

1.3 评价方法

采用综合污染指数法[13]评价沉积物TN、TP污染程度，采用有机污染指数法加入OM指标对沉积物污染现状进行更进一步的评价。

1.3.1 综合污染指数法

由单项污染计算公式[14]计算综合污染指数(FF)，计算公式如下：

(1)

(2)

式中：Si——单项评价指数或标准指数，Si>1表示因子i含量超过评价标准值；Ci——评价因子i实测值；Cs——评价因子i的评价标准值，TN的Cs取1 000 mg/kg，TP的Cs取420 mg/kg[15]；F——n项污染指数的平均值(STN和STP的平均值)；Fmax——最大单项污染指数(STN和STP中最大者)。

参考王佩等[15]针对太湖湖滨带各分区底泥氮磷污染评价及污染程度的分级，对洪泽湖湖滨带各分区底泥氮磷综合污染程度进行了相应分级，见表1。

表1 沉积物综合污染程度分级

1.3.2 有机污染指数法

评价TN、TP可以通过综合污染指数评价法综合成一个指数值来表征沉积物的污染程度，相对于单一指数法，综合指数值输出综合信息。为进一步完善评价结果，同时采用有机污染指数法[16]加入OM指标对沉积物污染现状进行更进一步的评价，计算公式见式(3)—(5)，评价标准见表2。

表2 洪泽湖沉积物有机污染指数评价标准

OI=OC×ON

(3)

ON=ω(TN)×0.95

(4)

OC=ω(OM)/1.724

(5)

式中：OI——有机指数；OC——有机碳指数；ON——有机氮指数。

1.4 数据处理

数据统计采用Excel 2019；作图采用ArcGIS 10.4和Origin 2021；运用SPSS 20.0软件进行沉积物TN、TP、OM之间的Pearson相关性分析以探讨表层沉积物各营养盐的相关性。

2 结果与分析

2.1 ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)空间分布和相关性

2.1.1 空间分布特征

洪泽湖沉积物ω(TN)空间分布上呈现为东部大堤、成子湖和西部区域高于过水通道，空间分布差异较为显著[图2(a)(b)，表3]。全湖湖滨带ω(TN)为232～2 152 mg/kg，平均值为985 mg/kg，其中过水通道入湖口处ω(TN)最低，西部区域围网处最高。ω(TN)高值(≥1 500 mg/kg)主要分布在东部大堤、成子湖和西部区域的围网处。沉积物ω(TP)较高区域为东部大堤，其余3个区域空间分布差异不明显。全湖ω(TP)为123～439 mg/kg，平均值为276 mg/kg。ω(OM)为0.91～18.65 mg/kg，平均值为10.93 mg/kg，其中西部区域围网处含量最高，过水通道含量平均值为全湖最低。

表3 洪泽湖湖滨带不同区域ω(TN)、ω(TP)和ω(OM) mg/kg

图2 洪泽湖湖滨带沉积物ω(TN)和ω(TP)空间分布

2.1.2ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)相关性

表层沉积物ω(OM)与ω(TN)(r=0.705，P<0.01)呈显著正相关，且相关性最高，表明水体沉积物TN中很大一部分是以有机氮的形式存在的；ω(TN)与ω(TP)(r=0.504，P<0.01)呈显著正相关，表明氮、磷的形态、来源及其在水中的迁移转化过程具有一定的相似性；ω(OM)与ω(TP)相关性较小(r=0.095，P<0.01)，表明沉积物中OM的富集对TP影响不大[17]。根据洪泽湖湖滨带生态环境现状及开发利用特征，西部区域存在农田及圈圩养殖，沉积物中有机物可能主要来源于外源物质沉积；成子湖样点所属水域富营养化程度严重，存在水生植物和藻类聚集衰亡，且受入湖河流影响，表层沉积物中的有机物主要来源于生物残体及外源输入[18]。

2.2 表层沉积物污染评价

2.2.1 综合污染指数评价

表层沉积物TN、TP的单项污染指数范围分别为0.23～2.15和0.29～1.05，平均值分别为0.99和0.66。约有79%的点位TP处于轻度污染，而有56%的点位TN处于清洁。沉积物综合污染指数范围为0.45～1.88，全湖平均值为0.93，约35%的点位处于轻度—中度污染，约65%的点位处于清洁。东部大堤、过水通道、西部区域及成子湖4个湖区综合污染指数范围分别为0.73～1.69，0.47～1.23，0.54～1.88，0.45～1.72，平均值分别为1.14，0.76，0.98，1.08，总体处于清洁和轻度污染。

不同湖区STN、STP和FF评价的污染等级点位百分比组成见图3，横坐标中“E”为东部大堤，“S”为过水通道，“W”为西部区域，“N”为成子湖，“entire”为全湖。对比4个湖区的STN、STP及FF，发现东部大堤、成子湖和西部区域的TN单项污染以及综合污染均比过水通道严重，东部大堤TP单项污染较严重，这与ω(TN)、ω(TP)空间分布情况相一致。东部大堤TP污染较为严重，全区域都处于轻度—中度污染(轻度污染86%，中度污染14%)。

图3 不同湖区STN、STP和FF评价不同污染等级点位百分比组成

2.2.2 有机污染指数评价

洪泽湖表层沉积物有机污染指数范围为0.001～0.221，全湖均值为0.067，其中东部大堤有机污染指数范围为0.061～0.111，均值为0.087，整体处于轻度污染状态；过水通道范围为0.001～0.139，均值为0.038，仅有22%点位处于轻度污染，其余点位均为清洁；西部区域范围为0.018～0.221，均值为0.077，此评价方法中全湖唯一中度污染点位位于此区域，为HB29；成子湖范围为0.018～0.181，均值为0.100，有89%的点位处于轻度污染状态。不同湖区表层沉积物有机指数评价的污染等级点位百分比组成见图4。由图4可见，全湖污染程度较轻，处于清洁和轻度污染的点位分别占44%和54%。

图4 不同湖区表层沉积物有机指数评价不同污染等级点位百分比组成

3 讨论

ω(TN)空间分布上呈现为东部大堤、成子湖和西部区域高于过水通道，ω(TP)较高的区域为东部大堤，空间分布差异不显著，过水通道区域ω(OM)平均值为全湖最低，最高点位在西部围网处。洪泽湖东部大堤、成子湖和西部区域湖滨带沉积物ω(TN)平均值分别为1 251，1 106，1 219 mg/kg，均高于过水通道的705 mg/kg。分析造成整体污染较为严重的主要因素可能是沿湖农业、水产养殖业的发展和人类活动排入湖泊的污染物，加上水生植物衰亡和人类生产生活污水的影响。

在成子湖和西部区域内存在较为严重的农业面源污染，包括农田化肥农药的施用、湖滨带范围内及陆向缓冲区的水产养殖等[19]。环湖区域的农业灌溉大多采用传统大水漫灌，导致大量未被吸收以及农田土壤中的氮、磷元素随着大气沉降和地表径流等输入到水生生态系统中[20]，造成水体的氮、磷污染，并随之沉降到沉积物中[21-22]。而随着淡水养殖渔业的快速发展，参考宋学宏等[23]对阳澄湖围网养殖区水体营养盐变化的研究，洪泽湖水体资源被高度利用，高密度的水产养殖等活动导致湖区水草锐减，人为投喂的饵料加速水体富营养化，加之围网养殖过程中产生了大量饵料残渣、固体废物和化学农药等养殖污染物，都会加速湖泊富营养化，加剧湖滨带水质和沉积物的污染[24]。这些都可能导致西部区域OM含量较高，使得西部区域存在TN重度污染和OM中度污染点位。同时，除过水通道以外的3个区域湖滨带,均存在较多水生植物，其衰亡分解过程中存在氮、磷和有机质等营养物质的物理浸出过程，这也可能是导致成子湖、西部区域沉积物氮、磷含量相对偏高的一个原因[25]。由于水动力条件的影响，水流冲刷着入湖河口附近的区域，沉积物不易沉淀，由于入湖河流大部分处于中度污染，敞水区地势较低，出湖口门关闭可能使得其携带的部分污染物在东部大堤沉积[26-27]，这可能也是导致东部大堤区域内氮、磷含量较高的一个影响因素。

过水通道总体表现为污染程度较轻，位于淮河入湖口(HB 21)为所有点位中TN含量最低的点位，综合污染指数为0.689，有机污染指数仅为0.001，整体处于清洁状态，受污染程度低。洪泽湖作为典型的过水性湖泊，过水通道的主要特征为水动力条件强，水流流态变化较大，营养物质稀释的扩散作用增大，过水通道内部能发生富营养化的范围减小[28]，水质相对于其他区域更好。

洪泽湖湖滨带水环境质量对维持洪泽湖全湖健康状况起重要作用，湖滨带治理综合考虑外源和内源治理。外源控制方面，强化农业面源污染控制，加强种植业和水产养殖业的污染防控，构建生态沟渠、小微湿地等，削减入河入湖污染负荷，并加强整治入湖河道，建设入湖口拦截湿地，净化入湖径流水质，削减氮、磷输入[29]；内源控制方面，科学推进退圩(渔)还湖工程，对于退圩还湖腾让出来的区域，科学实施生态修复，可集成生态清淤、微地形改造、底质改良、植被恢复等技术，重建湖滨带草型生态系统，维持生态系统良性循环[30]。