白洋淀水质与沉积物理化特征及相关性研究

武连富,王新珍,赵会成

(1.安庆师范大学 生命科学学院,安徽 安庆 246133;2.中国科学院 遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心,河北 石家庄 050022)

白洋淀是位于华北平原最大的淡水湖泊湿地,属于浅水湖,对调节华北地区生态环境、维持生物多样性和维护区域生态平衡起着重要作用,具有重要的生态价值[1]。 然而大多数浅水湖泊易受到人为活动的影响,自20 世纪80 年代以来,大量的农田退水、生活污水和生产废水进入白洋淀,造成水质污染,引起严重的水体富营养化[2-3]。 为修复白洋淀生态环境,国家和地方政府颁布了多项环境修复和保护措施,使得白洋淀的外源污染得到了初步的控制。 但由于社会经济活动等人为因素以及气象、水文过程等自然因素的影响,白洋淀湿地景观斑块化不断加剧,环境异质性增加,造成了整个白洋淀区域管理的复杂和困难[4-5]。 同时,湖水-沉积物界面也不断发生着內源物质交换,也使得水体与沉积物形成一个联结系统,系统内发生的相互作用也增加了异质性的形成以及治理的难度。 因此对于白洋淀的生态修复,除外源污染控制外,对內源污染的治理也是重中之重。

目前学者对白洋淀整体水质生态评价研究较多,但往往忽略空间异质性的影响,为进一步了解白洋淀的空间异质性特征,本研究通过采用主成分分析等统计学方法,来揭示影响白洋淀水质和沉积物的主要环境因子以及水质-沉积物之间的关联性,为解决白洋淀的生态修复问题提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本研究于2021 年8 月,选取了位于白洋淀流域的漾堤口村入淀口(B1)、王家寨(B3)和采蒲台东(B14)三处典型断面作为研究区域(具体位置特征如表1 所示),分别收集了上覆水及沉积物。

表1 白洋淀采样点位置特征

在每个采样点区域随机选取3 个点作为该样点区域的重复,进行水样和沉积物的收集。 首先用聚乙烯塑料瓶采集约600 mL 水样,再用土钻钻取同一取水点水下的表层沉积物。 3 个采样区域共收集9 份水样和9 份沉积物样品(每份沉积物样品均采用多点混合的方法收集)。 收集到的水样和沉积物样品用装有冰袋的泡沫箱低温运输到实验室,于4 ℃冰箱保存。

1.2 样品分析方法

将收集的水样通过0.45 μm 滤膜过滤后,参照《水和废水监测分析方法》进行水质参数的分析测定[6];沉积物样品在经过过筛处理后,参照《土壤农业化学分析方法》进行理化参数分析[7]。

1.3 统计分析

利用R 语言进行水质和沉积物理化参数数据的统计分析(包括单因素方差分析和多重比较、主成分分析、Spearman 相关性分析)及可视化。

2 结果与讨论

2.1 水质参数空间分布特征

水质参数详细的统计分析如表2 所示。 结果显示,水质总体上呈弱碱性,变异系数为2.63%,属弱变异,表明水质pH 值在空间分布上基本稳定。 硝态氮、亚硝态氮和总氮(TN)3 种氮素类型在各样点间分布特征趋于一致,均在B3 样点平均含量最高,其中TN 含量较2018 年白洋淀年平均含量有所下降。 水中氨氮与其他氮素类型的分布趋势有所不同,且仅B1 和B3 两点间存在显著差异(p＜0.05)。整体水平上的平均含量为0.135 mg/L,达到了I 类水质标准,与韩玉丽等[8]的研究结果一致,相较于Zhu 等[9]在2019 年报道的白洋淀水体平均含量(0.36 mg/L)明显降低,说明自2018 年以来开展的白洋淀生态治理项目取得了明显的成果。

表2 水质参数及差异性分析

ANOVA 结果表明,水质参数在3 个样点间均呈现出显著差异(p＜0.05),且氮素和磷素的变异系数均超过了30%,说明白洋淀流域的漾堤口村入淀口(B1)、王家寨(B3)和采蒲台东(B14)水质参数存在明显的空间差异性。

2.2 沉积物理化参数空间分布特征

白洋淀流域漾堤口村入淀口(B1)、王家寨(B3)和采蒲台东(B14)3 个样点区域表层沉积物的理化参数如表3 所示,ANOVA 结果显示3 个取样点间仅和有效磷(AP)含量存在显著差异,其他参数在各样点间差异不显著。 沉积物中TN 的平均含量为1.53 g/kg,变异系数为59.77%,表明TN 在空间分布上存在较强的变异。 Li 等[14]对白洋淀淀区内南刘庄和采蒲台鱼塘沉积物理化参数进行了测定,结果显示沉积物中TN 含量在两个区域存在明显差异性,也证明了空间异质性的存在。 B1 样点区域沉积物中TN 含量最高,B14 样点TN 含量最低,呈现出该分布特征的可能原因是,B14 样点位于淀区内部无植被覆盖水域,相比于B1 入淀口受到人为活动干扰影响较小,而人为活动以及水文动力的干扰会加剧氮素通过生物沉降作用进而富集到沉积物中[15]。

表3 表层沉积物理化参数及差异性分析

不同样点区域沉积物的TP、AP 含量表现出与TN 相似的分布特征,Li 等[14]的研究结果同样发现,TP 与TN 的分布特征一致。 沉积物中TP的平均含量为0.74 g/kg,变异系数为44.63%,说明存在较强的空间变异,与Long 等[18]通过对白洋淀表层沉积物不同磷形式的分布及来源特征分析研究中得出的结果较为一致。 Ji 等[19]的研究表明沉积物中的元素分布受人为活动影响显著,其中沉积物中的碳氮比(C/N)亦可作为识别有机质(OM)来源和区分不同生境影响作用的指标。 本研究中沉积物C/N 的范围为3.84～15.25,平均值为8.78,变异系数为35.40%,不同样点区域间沉积物C/N范围变化较大,表明白洋淀有着较为多样的生境状况。 此外,根据Amir 等[20]的报道,C/N 越高,沉积物中有机质越有可能主要来源于陆生或水生维管植物。 结果显示B14 样点区域的C/N 最高,而OM 的平均含量在三个样点中最低(1.26%),可以推断出B14 样点区域沉积物中OM 主要来源于该区域内维管植物(如芦苇)枯落物的降解。

2.3 影响水质和沉积物空间分布差异的环境因子分析

主成分分析(PCA)通常可被用来评估空间变异以及分析水体和沉积物中养分的可能来源[21],为探讨引起白洋淀水质和沉积物空间分布差异和污染的主要驱动因素,这里选用主成分分析并结合相关性分析的方法。

2.3.1 水质主成分分析

对白洋淀流域漾堤口村入淀口(B1)、王家寨(B3)和采蒲台东(B14)3 个采样区域的14 个水质参数进行PCA 分析,排序结果如图1 所示,第一主成分和第二主成分分别获得了49.62%和33.80%的贡献率,累计贡献率为83.42%,提取的主成分能够反映原变量提供的大部分信息。 PCA结果显示,不同样点区域间的水质参数具有明显的差异,除人为因素外,水位变化可能也是引起这种差异的关键因素。

图1 水质参数PCA 排序

使用最大方差法得到旋转后的因子载荷矩阵,提取出三个主成分(表4),从结果中可以看出,主成分1 与EC、、TN、COD、TOC、TC、C/N 具有很强的相关性,属于强载荷(r＞0.75),其中主成分1 与、TN 呈现负相关,与COD、TOC、TC 呈正相关,且与COD 的相关系数值最大为0.990,说明当前导致白洋淀污染的限制环境因素是COD,而COD 同时也反映出白洋淀水体的有机污染情况,因此主成分1 能够代表水质中的碳氮元素。 而人为活动,例如生活和工业废水排放等点源污染以及农业活动、水产养殖等非点源污染,是白洋淀水质碳氮元素的一个主要来源[22]。主成分2 与pH 值、TP、、C/P、N/P 具有较高的相关性,属于强载荷(r＞0.75),其中与pH值、C/P、N/P 呈负相关。 主成分2 与TP 的相关系数最大为0.968,因此主成分2 可代表水质中的磷元素。 水体中磷素与氮素具有相同的来源特征,主要是由农业活动等非点源污染引起[10]。 主成分3 与和相关性最强,属于“中”强载荷(相关系数位于0.75～0.50 之间)。

表4 水质主成分分析因子载荷

李琳琳等[22]综述了白洋淀1998—2018 年间的水质变化,指出COD 与TP 为白洋淀的主要污染物,与本研究结果较为一致,其中COD 主要来源是生活污水及人粪尿。 综上,笔者发现COD 是影响白洋淀水质的主要因子,而人为活动是造成这一问题的主要因素。

水质各理化参数间Spearman 相关性分析结果如图2 所示,其中COD、EC、、TN、TC、TOC、C/N 分别与其他水质参数间存在着较强的相关性(|r|＞0.6,p＜0.05),说明各因子间存在相互影响关系。 其中COD 与EC、TC、TOC、C/N 之间有着较强的正相关性(r＞0.85,p＜0.001),与、TN 之间存在较强的负相关性(|r|＞0.85,p＜0.001),说明水体COD 与水中碳素可能具有相同来源,与氮素来源不同。 而TN 与TC 之间呈显著的负相关(r=-0.74,p＜0.001),也证明了白洋淀水质中碳素与氮素具有不同来源,二者分别由不同的点源污染引起。 TP 与pH 值之间存在着较强的负相关(r= -0.70,p＜0.01)。 原因可能是水体呈碱性,使得磷素的沉淀作用得到加强,导致水体中磷的含量降低[23]。

2.3.2 沉积物主成分分析

提取沉积物理化参数特征值大于1 的4 个主成分,在经使用最大方差法旋转后得到的载荷矩阵表中(表5)可以看出,4 个主成分的累计方差贡献率为87.30%。 主成分1 与EC、OM、TOC、TN、N/P 相关性较高,均呈现出负相关,属于强载荷因子(r＞0.75),因此主成分1 可认为是反映沉积物的碳氮养分因子。 目前国内外有很多对湖泊沉积物的碳氮磷养分来源进行解析的研究,其中发现由农业活动、生活和工业废水排放所引起的养分沉降等外源因素以及植物、藻类枯落物的分解释放等內源因素是沉积物污染的主要来源[19,24]。 主成分2 与pH 值、有较强的相关性。 Peng 等[25-26]通过对陈行水库沉积物中元素分布特征进行研究,发现沉积物中来源一方面是由于人为活动造成的离子大量输入到水体,增加了水中的沉降作用进而富集到沉积物中;另一方面,植物枯落物的输入也会加强沉积物中微生物的氨化作用,从而将有机态氮转化为,增加了沉积物中含量。TC 和分别为主成分3 和主成分4 的主要因子。 在Spearman 相关性分析结果中,沉积物中的TN 和TP 并未表现出显著的相关性,这与之前梁淑轩等[27]的结果一致,表明沉积物中的氮素和磷素具有非同源性。

表5 沉积物主成分分析因子载荷

2.3.3 上覆水和沉积物理化参数相关性分析

将三个采样点区域上覆水的水质参数与表层沉积物的理化参数进行Spearman 相关性分析,结果表明(图3)水质与沉积物理化参数间具有明显的关联性,其中水质pH 值与上表层沉积物中各理化参数存在更为显著的相关性,而表层沉积物中的磷元素与水质各参数存在较为明显的关联性。 沉积物中的TP 与上覆水中TP 呈现出显著的正相关关系(p＜0.05),可以推断出沉积物中的磷元素已经成为水体中磷素的主要来源之一,而且大量的外源磷素输入到水体中,也加剧了磷素的沉降作用从而富集到沉积物中逐渐形成“磷汇”,说明磷素在水体与沉积物之间发生着明显的吸附-解吸作用[28]。

图3 水质-沉积物理化参数相关性分析

3 结论

白洋淀水质和沉积物理化参数存在明显的空间差异性,主要是生境斑块化和人为活动的影响。除人为活动引起的外源污染外,水-沉积物界面发生着的物质交换,也成为白洋淀水环境污染的一个內源因素,因此沉积物中的內源污染也需要得到重视。 主成分分析结果显示,影响水质的主要环境因子为化学需氧量(COD),而碳氮养分是影响沉积物中理化参数的主要因子。 Spearman关联分析发现,水体pH 值与沉积物中各理化参数存在显著关联,推断出水体pH 值对沉积物中养分循环可能具有较大影响,但具体的生物地球化学循环影响机制,仍然需要进一步的实验验证。