白潭湖表层沉积物氮磷污染评价及其释放强度影响因素研究

2023-01-03项文霞陈金国刘明昊干文俊

资源环境与工程 2022年6期

项文霞，陈金国，李钊，刘明昊，干文俊，江勇

(1.湖北省地质局第三地质大队，湖北黄冈 438000； 2.黄冈市黄州区自然资源和规划局，湖北黄冈 438000；3.黄冈市生态环境局，湖北黄冈 438021)

湖泊沉积物是氮、磷营养盐的重要蓄积库[1]。沉积物中氮、磷营养盐与水体发生物质交换，其含量和比例影响着水体浮游植物和藻类的群落结构及发育速度，进而影响湖泊生态系统的能量流动和转化[2-3]，因此研究湖泊沉积物中氮、磷分布特征对水体富营养化污染风险分析具有重要意义[4-5]。当前关于湖泊氮、磷富营养化污染特征及其与水体相互作用关系的研究很多[6-10]，普遍认为氮、磷是造成湖泊富营养化污染的主要物质，湖泊沉积物向上覆水体中释放氮、磷，进而影响水质状况，但是沉积物中氮、磷的释放强度与环境因素间的关系仍有待进一步研究。

白潭湖位于黄冈市城东新区，是鄂东地区典型的城市湖泊，主要功能为水产养殖、农业灌溉、调蓄水量，已纳入湖北省第一批湖泊保护名录。近几年白潭湖受周边地区生活污水、工业废水和农业面源污染的影响，污染物的输入量远远超过了湖水的承载范围，湖泊沼泽化和富营养化渐趋严重。目前已有研究人员对该湖泊的水质及水体污染特征进行了调查研究[11-12]，但对于湖泊沉积物污染状况及特征还未开展研究。本文通过对白潭湖表层沉积物进行系统取样分析，讨论表层沉积物中的氮、磷含量和污染状况，分析不同水环境条件下表层沉积物中氮、磷的释放情况，能够为更加合理地控制湖泊内源污染提供理论依据。

1 研究区概况

白潭湖位于长江之滨，湖汊众多，湖岸曲折，南北长4.0 km，东西宽3.1 km，水面面积4.38 km2，正常水位18.5 m，湖泊容量828万m3，来水面积289.5 km2。湖泊流域区内地形地貌比较单一，北部为低丘陵岗地，南部为平原湖区；地势总体较平坦，海拔高度低，相对高差10～30 m。该区属亚热带季风气候，年降雨量1 273.3 mm，降雨多集中在6—7月份。根据黄冈市环境质量状况报告(2020年)[13]显示，白潭湖水质已下降到Ⅴ类，呈现中度富营养化。2021年7月采样测试结果显示白潭湖水体主要遭受氮、磷污染[12]。

2 材料和方法

2.1 样品采集

本次研究采集白潭湖表层沉积物。根据白潭湖水面分布和周边环境状况，将采样点布设在湖心、入湖口、出湖口和其他具代表性的位置，共设置采样点13个，编号B1-B13(图1)。所有采样点采用GPS定位仪进行定位，取样时间为2021年12月中旬，采样方法参照《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)[14]。使用抓斗式采泥器进行采样，将样品直接装入聚乙烯自封袋冷冻保存。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution map of sample points

2.2 检测方法及污染评价方法

白潭湖表层沉积物的检测项目为总氮(TN)、总磷(TP)，检测方法参照《土壤总磷的测定碱熔—钼锑抗分光光度法》(HJ 632—2011)[15]和《湖泊富营养化调查规范(第二版)》[16]。

当前湖泊沉积物污染评价常用富集系数法、有机指数法、污染指数法等。本次研究采用有机氮指数(ON)评价表层沉积物的氮污染，采用总磷污染指数(STP)评价表层沉积物的磷污染。

2.2.1有机氮指数评价

有机氮指数表征湖泊沉积物是否遭受氮污染的标准见表1，其计算公式[17]如下：

ON=TN×95%

(1)

需要说明的是，总氮含量单位为mg/kg，参与公式(1)计算时需将单位转换为%。

表1 湖泊沉积物有机氮指数评价标准Table 1 Evaluation standards of organic nitrogen in sediments

2.2.2总磷污染指数评价

总磷污染指数衡量湖泊沉积物是否遭受磷污染的标准见表2，其计算公式如下：

STP=CTP/Cs

(2)

式中：CTP为总磷实测含量，mg/kg；Cs为总磷评价标准值，取值440 mg/kg[18]。

表2 湖泊沉积物总磷污染指数评价标准Table 2 Evaluation standards of total phosphorus in sediments

2.3 氮、磷释放强度模拟试验方法

开展湖泊沉积物中氮、磷释放强度模拟试验选用的环境影响因素主要有温度(T)、pH、溶解氧浓度(DO)、水体扰动强度等[19-20]。根据本次研究实际情况，选择温度、pH、溶解氧浓度作为模拟实验的环境影响因素，并将温度设定为3种水平：15、20、25℃；采用缓冲溶液来调节pH，将pH设定为3种水平：5、7、9；通过充入氮气和氧气来调节溶解氧浓度，将溶解氧浓度设定为2种水平：4 mg/L(厌氧)、6 mg/L(好氧)。试验装置中水土比为4∶1，表层沉积物中氮、磷释放强度值取两次试验结果的均值。选取原水作为初始样，每间隔12 h取样1次，单次取样量为100 mL，120 h后结束取样。完成1次取样后，立即用原水加至初始刻度。水质检测项目为总氮、总磷，检测方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[21]。

表层沉积物中氮、磷释放强度计算公式[21]为：

(3)

式中：R为氮、磷释放强度，mg/m2；V为试验容器中水的体积，mL；Cn为第n次取样时水样总氮、总磷浓度，mg/L；C0为原水总氮、总磷浓度，mg/L；Vj-1为第(j-1)次取样体积，取值均为100 mL;Cj-1为第(j-1)次取样时总氮、总磷浓度，mg/L；A为试验容器中水与沉积物的接触面积，m2。

3 结果与分析

3.1 表层沉积物氮、磷含量特征

检测结果显示，白潭湖表层沉积物中总氮含量为1 030～3 580 mg/kg，均值为1 886 mg/kg；总磷含量为813～1 920 mg/kg，均值为1 214 mg/kg。表层沉积物中氮、磷空间分布状况如图2所示，总体上氮、磷分布不均匀，总氮含量高值点(>3 000 mg/kg)主要分布于湖心及东南区域，总磷含量高值点(>1 200 mg/kg)以湖心向东、东南区域辐射。已有相关研究结果[7,22-23]表明，太湖、巢湖、鄱阳湖等城市湖泊沉积物的总磷含量均值为608～760 mg/kg，白潭湖表层沉积物与之相比，总磷含量明显更高，存在较大的磷污染风险。

图2 白潭湖表层沉积物总氮、总磷含量分布图Fig.2 Distribution map of total nitrogen and total phosphorus in surfacial sediment of Baitan Lake

3.2 表层沉积物氮、磷污染评价

根据公式(1)、(2)计算出白潭湖表层沉积物的氮、磷污染评价指标(表3)，结果显示表层沉积物有机氮指数为0.098%～0.340%，均值为0.251%，其中>0.133%的点位占总数的92%；总磷污染指数为1.85～4.36，均值为2.76，全部>1.5。因此白潭湖表层沉积物的氮污染程度为污染(Ⅳ级)，磷污染程度为重度污染(4级)，说明表层沉积物可能构成白潭湖水体

表3 白潭湖表层沉积物氮、磷污染评价结果表Table 3 Evaluation results of nitrogen and phosphorus pollution in surfacal sediments of Baitan Lake

氮、磷污染的内源。该湖泊表层沉积物遭受氮、磷污染最严重的区域为湖心至东南区域，氮、磷污染如此分布可能受水体流速和含氮磷污水排泄的影响。湖心区域水位深，水体流速小，导致泥沙等易于沉积且淤积时间长；湖泊东南角有连通渠，水流从连通渠进入白潭湖后，过水断面变大，水体流速变小，导致湖泊东南区域泥沙等易于沉积；而相关区域及附近曾为白潭湖渔场，养殖历史久远，推测养殖废水的长期排放导致含氮磷物质逐渐在沉积物中富集，从而导致湖心至东南区域的表层沉积物遭受严重的氮、磷污染。

3.3 环境因素对表层沉积物氮、磷释放的影响

3.3.1温度的影响

开展了基于不同温度(15、20、25℃)条件下的白潭湖表层沉积物氮、磷释放强度试验，绘制了氮、磷释放强度随时间的变化曲线(图3)。从图3可以看出，水体温度升高对表层沉积物中氮、磷释放强度影响明显，释放强度呈现R3(T=25℃)>R2(T=20℃)>R1(T=15℃)的特点，说明水温越高，氮、磷越容易释放。其次，随着时间的加长，氮、磷释放强度不断提高，在试验72 h后，表层沉积物氮、磷释放强度逐步趋于稳定。试验结果显示，25℃温度条件下，表层沉积物的平均释磷强度为20.0 mg/m2，是15℃温度条件下表层沉积物平均释磷强度(7.8 mg/m2)的2.5倍。温度对表层沉积物释磷影响机理较为复杂[23-25]，总的来看，一方面温度升高提高了表层沉积物中有机物的矿化速率和可溶性磷的活性，导致可溶性磷加速释放至水体中；另一方面温度升高时表层沉积物中微生物活性增强，代谢产生的有机磷活化酶螯合基也会促使有机态磷的分解，促使磷向上覆水体中释放[25]。

3.3.2pH的影响