太湖浅层底泥营养盐污染特征评价

陆 志 华，王 元 元，蔡 梅，钱 旭

(太湖流域管理局 水利发展研究中心，上海 200434)

0 引 言

湖泊富营养化与蓝藻暴发是湖泊目前面临的主要环境问题之一[1]。湖泊底泥是湖泊生态系统的重要组成部分，也是营养元素的聚集地，对湖泊富营养化贡献很大[2]。一方面含有大量营养盐的水体进入河湖，一部分被水生生物吸收利用，一部分以各种形式溶解于水中，还有一部分通过物理、化学和生物作用等最终沉积到表层底泥中；另一方面通过动植物、微生物等作用，蕴藏于底泥中的营养盐可重新释放至上覆水体，造成二次污染，使水体营养负荷增加[2-4]。水体中总氮、总磷浓度高是引起“水华”现象的重要因素[5]。底泥中氮磷含量是反映营养状况和污染程度的双重指标[6]，总氮、总磷含量的分布是外源污染物输入后在水体动力作用下在不同区域沉降的结果[7]。有机质是底泥中重要的自然胶体，是重金属、有机物等污染物发生吸附、分配、络合作用的活性物质，是反映底泥有机营养程度的重要标志[8]，也是内源污染的重要指标[6]。目前，随着国家与地方水环境保护法律法规的出台以及一批截污工程的实施，外源入湖污染物得到一定控制，内源营养负荷控制成为湖泊富营养化治理的重点[9]。因此，底泥中营养元素的分布特征在一定程度上能反映水体污染程度[10]，开展底泥中氮、磷、有机质等营养盐的含量及其分布特征研究非常有意义。

近年来，太湖富营养化和太湖治理持续受到社会各界关注[11-13]。太湖是典型的平原浅水湖泊，自20世纪80年代以来，流域经济社会高速发展，太湖水污染与富营养化问题日益突出[14]。氮磷是太湖水生生物生长的必要营养元素，影响着水体中浮游植物和藻类的生长，氮磷浓度升高会导致蓝藻暴发，甚至形成“水华”[15-16]。底泥中总磷、总氮、有机质含量越高，对上覆水体的污染越大。近年来地方政府对太湖进行清淤，但清淤效果并不明显，对太湖水质改善的贡献微乎其微[14]。已有大量研究表明，底泥中氮、磷、有机质的上层富集是一种较为普遍的现象[10]，太湖浅层(0～30 cm)底泥污染较重，是应该重点关注的泥层[17]。因此，有必要立足现状对太湖底泥营养盐污染进行评价研究，掌握不同湖区污染状况，为后期太湖精准治理、生态清淤提供方向。然而，目前国内外对于太湖底泥营养盐污染评价尚缺乏统一的方法和污染程度判别依据。

本研究基于已有底泥营养盐污染评价方法与成果、最新太湖大范围底泥勘察监测数据，提出了太湖底泥营养盐污染分级判别依据，采用ArcGIS空间分析法，评价了浅层底泥TP、TN、OM污染情况，分析了重度污染区域状况，阐明了太湖底泥污染现状，可为太湖底泥污染治理与富营养化防治提供一定参考和依据。

1 材料与方法

1.1 太湖底泥营养盐基础数据

本研究采用水利部太湖流域管理局于2018～2019年组织完成的太湖水下地形测量及污染底泥勘察项目中底泥营养盐含量数据。该项目底泥勘察覆盖太湖全部8个湖区，共布设316个采样点，其中对底泥污染较严重的重点区域(梅梁湖、竺山湖、西部沿岸区、南部沿岸区、东太湖、贡湖6个沿岸湖区)分5层(0～10，10～20，20～30，30～50，50～100 cm)采集底泥，其余一般区域(湖心区、东部沿岸区2个湖区)分3层采集0～30 cm浅层底泥(见图1)。调查取样化验时间为2018年10～11月，浅层底泥样品使用箱式采样器采集。样品于实验室进行化验分析，TP、TN、OM含量分别采用等离子体发射光谱法、凯氏定氮法、重铬酸钾氧化还原容量法测定。采样测试过程严格进行全流程质量控制，满足相关规范要求。

图1 太湖湖区划分示意

1.2 太湖底泥营养盐污染分级判别依据

1.2.1已有的判别依据

目前底泥营养盐污染分析主要采用有机指数法、有机氮法[18-19]、底泥吸附-解吸平衡法[20-21]、标准偏差倍数法、特征值频率分析控制法等，美国、加拿大也提出过底泥营养盐污染分级标准或安全限值[9]。水利部太湖流域管理局组织编制的《太湖污染底泥疏浚规划总报告》[22-23](以下简称《太湖疏浚规划》)综合采用标准偏差倍数法、特征值频率分析法，提出了太湖底泥营养盐(TP、TN、OM)的疏浚控制值。

环境介质中营养盐浓度分布在没有受到人类活动剧烈干扰情况下，通常遵循随机分布规律。标准偏差倍数法是对浅层底泥中的营养盐含量进行分析，基于样品数据统计求出其平均值(M)和标准偏差(σ)，然后根据随机误差理论，确定极限误差nσ下的置信度(p)水平，计算出置信区间[M-nσ，M+nσ]，其中n为自然数。当n取3时，在置信区间[M±3σ]内的置信度可达99.7%，通常认为当监测结果≥M+3σ时，判定底泥污染程度较重，进一步根据M及σ变动范围，划分底泥污染分级，该方法可以克服底泥背景值难以获取的问题。特征值频率分析法是将采样点营养盐浓度值按大小依次排序，采用数理统计方法进行频率计算，绘制浓度-频率曲线，只要有足够数量的样品数据，就可依据清淤原则，确定某一百分比下的营养盐污染分级标准。

《太湖疏浚规划》提出监测结果在(M-σ)～(M+σ)之间为清洁，相当于未受污染影响的背景值；(M+σ)～(M+2σ)之间为尚清洁；(M+2σ)～(M+3σ)之间为轻污染；≥(M+3σ)为严重污染，并作为确定是否疏浚的参考阈值。然后基于2003年全湖底泥调查数据中50～100 cm深度底泥作为背景值样本，得到太湖底泥营养盐污染分级依据，并认为≥M+3σ(即TP≥745 mg/kg或TN≥1 840 mg/kg或OM≥4.47%)时已达到需要进行疏浚的污染状态(见表1)。最后基于全湖浅层底泥样品数据，采用特征值频率分析法进行合理性分析，认为提出的污染分级判别依据成果合理，与当时调查结果基本相符。

表1 《太湖污染底泥疏浚规划总报告》中太湖底泥营养盐污染分级判别依据

1.2.2本研究提出的判别依据

2018年太湖大范围底泥勘察中50～100 cm深度仅勘察了6个沿岸区，未涵盖湖心区全域和东部沿岸区，50～100 cm样品数据不能合理地代表太湖底泥背景情况，不宜直接采用标准偏差倍数法进行分析。考虑到50 cm以下的底泥受近代人类活动影响已经非常微弱，本研究总体上仍沿用《太湖疏浚规划》提出的污染分级思路及相应界值，重点是结合本次浅层(0～30 cm)底泥样品数据进行复核分析。

TP、TN是底泥营养盐污染的主要表征，将其作为判别营养盐污染程度的主要控制指标，对2018年全湖浅层底泥TP、TN含量数据进行经验累积频率分析。分析发现《太湖疏浚规划》提出的TP、TN污染疏浚控制值745 mg/kg和1 840 mg/kg分别对应2018年浅层底泥数据的累积频率为84.6%和93.3%。若以此作为需要进行疏浚的污染程度判别标准，与最新调查结果基本一致。因此认为该TP、TN污染疏浚控制值仍较为合理，可以沿用作为本次判别最高污染程度的依据。污染分级方面，《中国湖泊志》[24]认为1960年太湖底泥尚未受到近代强烈人类活动影响，且太湖尚未发生严重的富营养化问题，其记载的1960年太湖底泥TP、TN实测值分别为440 mg/kg和670 mg/kg，可以作为底泥清洁程度的判断依据。同时，《太湖疏浚规划》基于2003年全太湖50～100 cm深度底泥数据得到的TP、TN的平均值为494 mg/kg和666 mg/kg，与《中国湖泊志》中背景值非常接近，因此认为2003年全太湖50～100 cm深度底泥数据仍可作为底泥污染状况的背景数据。将采用标准偏差倍数法得到的M+σ值、M+2σ值、M+3σ值作为污染分级的界值参考，进行适当取整，得到TP、TN污染分级依据，并结合太湖不同深度浅层底泥氮磷营养盐含量普遍增加的现状，将污染程度细分为清洁、尚清洁、轻度污染、中度污染、重度污染5类。

OM是底泥中相关营养元素的主要来源，间接影响底泥上覆水浓度，将其作为判别营养盐污染程度的辅助指标，对2018年全湖浅层底泥OM含量数据进行经验累积频率分析(见表2)。分析发现《太湖疏浚规划》提出的OM污染疏浚控制值为4.47%，对应2003年浅层底泥数据的累积频率为91.5%，而对应2018年浅层底泥数据的累积频率为98.6%，若仍以此进行是否疏浚的评价，会导致评价结果不符合污染现状，且因2018年50～100 cm监测未覆盖太湖全域，因此基于2018年0～30 cm底泥数据采用特征值频率分析法进行污染分级，对经验累积频率50%，75%，85%，95%的含量值进行适当取整，作为OM分级的界值，由低到高分为1，2，3，4，5级。

表2 2018年太湖浅层(0～30 cm)底泥TP、TN、OM含量经验累积频率分析

综上，形成了本研究提出的太湖底泥营养盐清洁、尚清洁、轻度污染、中度污染、重度污染的分级判别依据(见表3)。

表3 本研究太湖底泥营养盐污染分级判别依据

2 结果与分析

2.1 底泥营养盐污染情况分析

2.1.1不同营养盐污染分布

TP在0～10 cm深度底泥内含量为317～2 124 mg/kg，10～20 cm深度内为378～2 610 mg/kg，20～30 cm深度内为387～2 122 mg/kg。在0～30 cm不同深度，TP为清洁(<440 mg/kg)的区域极少，在湖心区南部、东部沿岸区的胥湖、东太湖西部有零星分布；尚清洁(440～580 mg/kg)、轻度污染(580～660 mg/kg)的区域除竺山湖外，其他湖区均有分布；中度污染(660～750 mg/kg)的区域主要分布在竺山湖、梅梁湖、贡湖、湖心区、西部沿岸区、南部沿岸区、东太湖；重度污染(≥750 mg/kg)的区域主要分布在竺山湖、湖心区靠近梅梁湖与贡湖的地方、贡湖西北部(见图2)。

图2 太湖不同深度浅层底泥TP、TN、OM污染评价

TN在0～10 cm深度底泥内含量为346～4 730 mg/kg，10～20 cm深度内为415～4 360 mg/kg，20～30 cm深度内为553～4 800 mg/kg。在0～30 cm不同深度，TN为清洁(<670 mg/kg)的区域极少，主要分布在南部沿岸区南侧；尚清洁(670～1 100 mg/kg)的区域主要为湖心区、南部沿岸区、西部沿岸区西部、东部沿岸区的部分区域；轻度污染(1 100～1 450 mg/kg)主要分布在梅梁湖、贡湖、东部沿岸区、湖心区的部分区域；中度污染(1 450～1 850 mg/kg)的区域主要分布在东太湖、竺山湖、梅梁湖、贡湖、东部沿岸区的部分区域；重度污染(≥1 850 mg/kg)的区域主要分布在东太湖中部、竺山湖北部、梅梁湖西侧。

OM在0～10 cm深度底泥内含量为0.36%～7.06%，10～20 cm深度内为0.74%～6.81%，20～30 cm深度内含量为0.83%～7.67%。在0～30 cm不同深度，OM为1级(<1.50%)的区域面积较大，主要分布在湖心区、南部沿岸区；为2级(1.50～1.80%)、3级(1.80～2.20%)主要分布在西部沿岸区、贡湖；为4级(2.20～3.00%)、5级(≥3.00%)的区域主要分布在东太湖、竺山湖北部、梅梁湖东北部、胥湖东南角。

2.1.2营养盐空间分布

太湖0～30 cm浅层底泥中不同营养盐分布空间差异较大，TN与OM分布特征较为相似，TP分布另具特征。TP污染表现为竺山湖最严重，梅梁湖和贡湖的北部湖湾、西部和南部沿岸区的部分区域以及梅梁湖、贡湖与湖心区水域相交处局部水域较为严重；TN、OM污染均表现为东太湖最严重，竺山湖、梅梁湖东部湖区以及东部沿岸区的东侧近岸水域次之。

竺山湖TP、TN含量较高与生活和工业废水的输入有关[17]，入湖污染负荷高，加之竺山湖水流不畅，常年处于背风、缓流状态[2]，污染物易于累积。已有研究表明，竺山湖是太湖西北部接纳上游来水的主要湖区，使得底泥TP、TN负荷较为严重，且竺山湖处于太湖盛行风的下风向，有利于蓝藻水华聚积，持续累积大量藻类有机碎屑增加了底泥磷负荷[25]。西部沿岸区承载着太湖上游湖西区诸多入湖河道来水[26]，目前入湖河道水质尚未完全达标、主要表现为TP超标[13]，导致底泥磷氮负荷也较为严重。梅梁湖受到周边入湖河道和城市污染影响，早前污染严重、属于重度富营养化湖泊[27]，底泥氮磷污染较为严重[28]，经过多年治理有所好转，但营养盐含量仍较高。贡湖是无锡和苏州市重要水源地，主要表现为底泥TP含量偏高。东太湖原是太湖内主要的围网养殖区域(已于2019年全面拆除)，自1984年开始围网养殖，养殖面积极高[29]，大量的饵料投加，加之养殖生物的排泄物，增加了底泥中氮负荷；东太湖也是太湖水生植物分布的主要湖区[30]，水生植物茂盛，植物腐烂在底泥中形成有机质及其他营养物质，故东太湖TN、OM含量高与生物沉积有关。此外，太湖为大型浅水湖泊，极易受到风场干扰，会引起底泥悬浮和沉积[31]，导致表层底泥中的氮磷及有机质一定程度上发生水平迁移、造成空间差异，也会导致底泥处于再悬浮状态、导致营养盐释放。另据统计，2004～2018年竺山湖、梅梁湖、贡湖、东太湖、西部沿岸区等湖区累计清除污染底泥3 910万m3，但由于清淤疏浚面积仅为太湖极小部分，且受湖流运动影响，清淤疏浚难以改变不同湖区底泥的营养盐分布状况。

2.2 底泥营养盐相关性分析

相关性分析是研究随机变量间相关关系的统计方法[32]。本研究采用Pearson相关系数进行分析，相关系数用r表示，0.8<|r|≤1.0，为极强相关；0.6<|r|≤0.8，为强相关；0.4<|r|≤0.6，为中等程度相关；0.2<|r|≤0.4，为弱相关；0<|r|≤0.2，为极弱相关或无相关[33]。

TP、TN、OM间相关系数见表4。发现TP、TN、OM之间两两之间均呈显著正相关(p<0.01)，这与太湖湖滨带表层底泥[34]、巢湖表层底泥[35]的研究结果类似。表4中不同深度内TP与TN的相关系数分别为0.341(弱相关)，0.362(弱相关)，0.453(中等程度相关)；TP与OM的相关系数分别为0.245，0.253，0.328，均为弱相关；TN与OM的相关系数分别为0.937，0.926，0.918，均为极强相关。这表明太湖浅层底泥TN、OM可能有相同的污染来源，这也验证了本研究中TN、OM具有基本一致的空间分布特征。综合相关研究[8，34]，OM在底泥中的富集是TN的主要来源，TN和OM的沉积具很高的协同性，主要来源于生物沉降，即通过水生植物残体的沉积过程进入底泥；TP的主要来源是外源输入，而并非由底泥中OM的富集造成。

表4 不用营养盐元素之间的Pearson相关系数

2.3 底泥营养盐重度污染区域分析

太湖浅层底泥营养盐重度污染区域是制定太湖生态清淤范围需要重点关注的区域，进一步整合不同深度底泥、不同污染物信息，综合分析重度污染状况(见图3)。

图3 太湖不同深度浅层底泥营养盐重度污染区分布

0～10 cm深度内，重度污染区域面积为216.14 km2，集中分布在竺山湖、贡湖北部、湖心区靠近竺山湖与梅梁湖处、东太湖中部。其中，竺山湖主要为TP、TN超标，双指标超标面积为22.56 km2，TP超标面积为37.35 km2；贡湖为TP超标，面积为38.50 km2；湖心区为TP超标，面积为41.81 km2；东太湖主要为TN、OM超标，双指标超标面积为38.62 km2，TN超标面积为10.49 km2。

10～20 cm深度内，重度污染区域面积为222.64 km2，较0～10 cm深度略有增加，也集中分布在竺山湖、贡湖北部、湖心区靠近竺山湖与梅梁湖处、东太湖中部。竺山湖主要为TP、TN超标，双指标超标面积为12.05 km2，TN超标面积为39.20 km2；贡湖为TP超标，面积为13.72 km2；湖心区为TP超标，面积为49.67 km2；南部沿岸区为TP超标，面积为12.02 km2；东太湖主要为TN、OM超标，双指标超标面积为60.80 km2，OM超标面积为27.07km2。

20～30 cm深度内，重度污染区域面积较0～20 cm深度明显减少，减少至147.31 km2，分布区域也有所变化，集中分布在竺山湖、贡湖北部、东太湖东部与北部、东部沿岸区胥湖东南角。竺山湖主要为TP超标，面积约44.92 km2；贡湖为TP超标，面积约11.47 km2；东太湖主要为TN、OM超标，双指标超标面积为50.43 km2，OM超标面积为26.97 km2；东部沿岸区(胥湖)主要为OM超标，面积为10.50 km2。

进一步进行叠加分析，发现0～30 cm深度内重度污染区域面积为145.37 km2，集中分布在竺山湖、贡湖北部、湖心区靠近竺山湖与梅梁湖处、东太湖中部。竺山湖主要为TP超标，超标面积为49.38 km2，TP、TN双指标超标面积为2.40 km2；贡湖主要为TP超标，面积为19.43 km2；湖心区主要为TP超标，面积为18.63 km2；东太湖主要为TN、OM超标，双指标超标面积为42.00 km2，TN超标面积为3.68 km2，OM超标面积为1.74 km2。

综合来看，太湖不同深度浅层底泥内，除梅梁湖东北角近五里湖区域(面积约0.3 km2)和东太湖西部近岸零星区域(约0.2 km2)存在TP、TN、OM 3个指标同时超标外，其他重度污染区均为1个或2个指标超标，具体表现为竺山湖、梅梁湖、贡湖、湖心区、西部、南部沿岸区为TP超标，初步分析与入湖河道污染物输入、蓝藻死亡沉积、种质区生物活动等有关；东太湖为TN、OM超标，东部沿岸区为OM超标，初步分析与水生植物死亡沉积、历史围网养殖等有关。

3 结 论

本研究提出了太湖底泥营养盐(TP、TN、OM)污染程度分级判别依据，评价了太湖浅层(0～30 cm深度)底泥营养盐污染状况，分析了不同营养盐之间的相关性以及重度污染区域状况，阐明了太湖底泥营养盐污染现状，可为太湖底泥污染治理与富营养化防治提供一定参考和依据。

分析发现：太湖浅层底泥中不同营养盐空间分布差异较大，TN与OM分布特征较为相似，TP分布另具特征，TP污染竺山湖最严重，TN、OM污染东太湖最严重；TN与OM之间呈极强正相关(r为0.918～0.937)，TP与OM之间呈弱相关(r为0.245～0.328)；重度污染区域主要分布在竺山湖、贡湖北部、湖心区靠近竺山湖与梅梁湖处、东太湖等区域，0～10，10～20，20～30，0～30 cm不同深度重度污染区域面积分别为216.14，222.64，147.31，145.37 km2。

太湖浅层底泥TP、TN、OM含量空间分布的差异性表明了太湖底泥的复杂性，不同营养盐受陆源输入、水生生物死亡沉积、湖体内负荷、水动力条件、沉积物的氧化还原性质、蓝藻水华与营养盐之间的反馈机制等多种复杂因素影响，各因素的影响机制还有待进一步研究。太湖生态清淤范围的科学确定，除了需考虑底泥营养盐污染之外，尚涉及重金属污染、间隙水污染、底泥污染释放潜力、底泥物理环境、表层水体水质、营养水平、蓝藻水华、湖泛、生态系统安全性、施工工艺等多方面的因素，建议后续予以综合考虑、深入研究。

致 谢

感谢水利部太湖流域管理局提供的太湖水下地形测量及污染底泥勘察项目中关于太湖底泥营养盐的监测化验数据，感谢中水北方勘测设计研究有限责任公司和广东地质实验测试中心在现场采样与监测化验等过程中付出的辛劳。