湖北省保安湖沉积物污染评价及其影响因子分析

2023-10-19刘佳豪李艳申东方马硕楠乔瑞婷毛卉

大连海洋大学学报 2023年4期

刘佳豪，李艳，申东方，马硕楠，乔瑞婷，毛卉

(1.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连 116023；2.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，湖北武汉 430072；3.中国科学院大学，北京 100049；4.宁波大学海洋学院，浙江宁波 315211；5.保安湖国家湿地公园管理委员会，湖北黄石 435112)

保安湖地处湖北省大冶市西北部，毗邻鄂州市和武汉市，该湖于2011年获批成为国家湿地公园，也是鳜种质资源保护区，其健康发展对区域生态环境质量的提升具有重要意义。近几十年来，由于持续的渔业活动及农业面源污染的影响，大量氮、磷元素进入保安湖，导致其富营养化问题较为严重，沉水植物群落也由多种植被共存退化为菹草单优状态，生态环境健康状况不容乐观。本研究中，以保安湖为研究对象，分析了其沉积物氮、磷和有机质的时空分布特征及主要影响因子，并通过单因子污染指数、综合污染指数和有机污染指数对沉积物污染程度进行评价，以期为保安湖的富营养化控制和生态修复等管理工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

保安湖位于湖北省大冶市西北部，东抵三山湖，西接梁子湖，南临保安镇，北濒长江，属于梁子湖水系，是长江中游南岸的一个浅水草型湖泊。保安湖水域面积约39.3 km2，分为4个湖区，即主体湖(26.7 km2)、桥墩湖(8.0 km2)、扁担塘(3.3 km2)和肖四海(1.3 km2)。平均水深约2 m，最大深度约3.7 m，常年水位17.5 m。保安湖湖水由东沟港经长港和樊口大闸泄入长江，这也是其水体交换的主要途径之一。

1.2 方法

1.2.1 样品采集保安湖共设置12个采样点(图1)，其中主体湖3个(1～3号样点)，桥墩湖3个(4～6号样点)，扁担塘3个(7～9号样点)，肖四海3个(10～12号样点)。于2020年7月—2021年4月期间每个季度采样1次。

图1 保安湖沉积物采样点Fig.1 Sampling sites of sediments in Bao’an Lake

水样的采集使用有机玻璃采水器进行，采集表层(水深0.5 m处)、中层(水深1.0 m处)和底层(沉积物以上0.1 m处)水样后混合，装在1 L的聚乙烯塑料瓶中。沉积物的采集使用重力式柱状采泥器(KC-Denmark，Kajak，丹麦)，采集表层0～10 cm的底泥样品，装入聚乙烯自封袋中，带回实验室。

1.2.2 样品分析参照《水和废水监测分析方法》(第4版)[11]检测水样。其中，采用钼酸铵分光光度法(普析，TU-1810，北京)测定总磷(TP)含量；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(普析，TU-1810，北京)测定总氮(TN)含量；采用丙酮溶液萃取20～24 h后，用分光光度计(普析，TU-1810，北京)测定665、750 nm处的吸光度值，并计算浮游藻类叶绿素a(Chl-a)[12]含量。

沉积物经自然风干、研磨，过孔径为0.15 mm的筛，参照《土壤农业化学分析方法》[13]检测沉积物。其中，采用凯氏定氮法(Buchi，K-355，瑞士)测定TN含量，采用高氯酸-硫酸酸溶-钼锑抗比色法(普析，TU-1810，北京)测定TP含量，采用水合热重铬酸钾氧化-比色法(普析，TU-1810，北京)测定有机质(OM)含量。

1.2.3 评价方法

1)单因子污染指数法。先将每种环境因子的实测值与标准值进行比较，对照评价标准进行沉积物的单因子污染评价，再取各个指标中的最高等级作为最终评级[14]。其计算公式为

Pi=Ci/Ai。

(1)

式中：Pi为环境因子i的单因子污染指数；Ci为环境因子i的实测值；Ai为环境因子i的标准值。TN、TP和OM的标准值参考加拿大安大略省环境和能源部发布的沉积物评价指南中能引起最低级别生态风险效应的含量[15](TN为0.55 g/kg，TP为0.60 g/kg，OM为17.24 g/kg)。不同Pi值对应的单因子污染类型及污染等级划分标准为：Pi≤0.70，良好，Ⅰ级；0.702.00，重度污染，Ⅴ级[14]。

2)综合污染指数法。首先通过计算多种环境因子的单因子污染指数，然后计算综合污染指数，最后对照评价标准进行沉积物的综合污染评价[16]。其计算公式为

(2)

式中：FF为综合污染指数；F为各单因子污染指数的平均值；Fmax为最大单因子污染指数，沉积物综合污染指数评价标准见表1[17]。

表1 沉积物综合污染指数评价标准

3)有机污染指数法。有机污染指数法通常用来评价沉积物的营养状况，该方法在综合污染指数法的基础上增加了有机质的指标，完善了对沉积物污染现状的评价[18]。其计算公式为

IO=CO×NO，

(3)

NO=NT×0.95，

(4)

CO=MO/1.724。

(5)

式中：IO为有机污染指数；CO为有机碳含量(%)；NO为有机氮含量(%)；NT为总氮含量(%)；MO为有机质含量(%)。不同IO值对应的有机污染类型与等级划分标准为：IO<0.05，清洁，Ⅰ级；0.05≤IO<0.20，较清洁，Ⅱ级；0.20≤IO<0.50，尚清洁，Ⅲ级；IO≥0.50，有机污染，Ⅳ级[19]。

1.3 数据处理

调查数据均采用平均值±标准差(mean±S.D.)表示，采用ArcGIS 10.2和R 4.22软件对上覆水和沉积物数据进行处理与分析。使用反距离权重法分析沉积物营养含量空间分布特征；分析上覆水TN、TP及Chl-a在湖区间的差异时，由于数据不满足方差齐性，先使用Kruskal-Wallis进行总体差异检验，再使用Dunn法进行多重比较；分析季节和湖区对沉积物N、P、OM和碳氮比(C/N)的影响时，由于数据不满足双因素方差分析条件，先采用非参数双因素方差分析(Scheirer-Ray-Hare Test)进行检验，再使用Dunn法进行多重比较[20]。显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 上覆水水质指标

从表2可见，保安湖上覆水TN含量为(1.01±0.60)mg/L，TP含量为(0.08±0.04)mg/L，Chl-a含量为(27.57±11.05)μg/L，TN和TP在肖四海最高，在扁担塘和桥墩湖较低，而Chl-a在主体湖最高，在扁担塘最低。

表2 保安湖各湖区上覆水化学指标

2.2 沉积物氮、磷、有机质含量的时空分布

保安湖沉积物TN、TP、OM含量分别为(3.56±0.79)、(0.57±0.20)、(59.66±16.27)g/kg。非参数双因素方差分析显示，保安湖沉积物TN、TP、OM及C/N在湖区和季节间未出现交互作用。事后检验结果显示：沉积物TN含量在季节间和湖区间均无显著性差异(P>0.05)；TP含量在湖区间有显著性差异(P<0.05)，其中，肖四海TP含量显著高于其他湖区(P<0.05)，而在季节间无显著性差异(P>0.05)；OM含量在季节间有显著性差异(P<0.05)，其中，冬季OM含量显著高于夏季和秋季(P<0.05)，而在湖区间无显著性差异(P>0.05)；C/N在季节间有显著性差异(P<0.05)，其中，夏季C/N显著低于其他季节(P<0.05)，而在湖区间无显著性差异(P>0.05)(图2、表3、表4)。

表3 保安湖不同湖区沉积物中总氮、总磷、有机质含量及碳氮比

表4 保安湖不同季节沉积物中总氮、总磷、有机质含量及碳氮比

图2 2020—2021年保安湖沉积物总氮、总磷、有机质含量及碳氮比的时空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of total nitrogen，total phosphorus，and total organic matter contents，and carbon nitrogen ratio in sediments of Bao’an Lake from 2020 to 2021

2.3 沉积物污染状况评价

2.3.1 单因子污染指数从表5可见：保安湖各湖区沉积物TN、TP和OM的单因子污染指数分别为2.98～9.13、0.29～1.85、1.17～5.06，其中，TN单因子污染等级为Ⅴ级(重度污染)，OM为Ⅲ～Ⅴ级(轻度污染～重度污染)，TP为Ⅰ～Ⅳ级(良好～中度污染)；TN和OM单因子污染指数扁担塘最高、主体湖最低，TP污染指数肖四海最高、扁担塘最低。

表5 保安湖沉积物单因子、综合污染指数评价结果Tab.5 Results of single-factor and comprehensive pollution index evaluation in sediments of Bao’an Lake

2.3.2 综合污染指数从表5可见，保安湖各湖区沉积物综合污染指数为2.58～7.50，平均值为5.28，肖四海综合污染指数最高，主体湖最低，各湖区综合污染等级均为Ⅳ级(重度污染)。

2.3.3 有机污染指数从表6可见，保安湖各湖区沉积物有机污染指数为0.18～2.25，平均值为1.21，扁担塘有机污染指数最高，主体湖最低，各湖区有机污染等级均为Ⅳ级(有机污染)。

表6 保安湖沉积物有机污染指数评价结果

3 讨论

3.1 保安湖沉积物营养含量的季节分布特征

保安湖各湖区沉积物TN、TP和OM在时间分布上均呈现冬季最高，TP和OM含量在夏季最低，TN含量则在秋季最低(图2)。水温季节性变化引起的浮游藻类、水生植物、微生物活性及溶氧含量等因素的变化可能是引起沉积物营养含量季节差异的主要原因。夏季水温较高，藻类大量繁殖，通过“泵吸作用”促进沉积物磷释放[21-22]。同时，大量繁殖的藻类还能够分泌碱性磷酸酶，促进沉积物中有机磷化合物的水解与释放，使得沉积物中TP含量降低[23]。除此之外，随着夏季水温升高，沉积物中以藻类、水生生物残体为主的有机质分解速率也会加快。因此，相比其他季节，此时有机质中氮、磷元素等更易释放到上覆水中[24]。在有机质分解过程中也会消耗大量的氧气，导致沉积物-水界面溶氧下降，氧化还原电位降低，内源释放作用与反硝化作用加强[25-26]。根据以往监测数据显示，夏季保安湖各湖区底层溶氧明显低于其他季节，在本研究调查期间，肖四海夏季底层溶氧平均值仅为0.79 mg/L(未发表数据)。因此，夏季时保安湖沉积物表面的低氧条件同样会促进其中的营养迁移至水中或大气中，从而导致其氮、磷含量较低。

菹草(Potamogetoncrispus)萌发后死亡形成的有机碎屑也是冬季沉积物营养较高的原因之一。保安湖作为长江中游一个典型的浅水草型湖泊，在大部分区域生长有菹草。在2020年夏季至秋季，由于极端降雨事件，保安湖水位较往年增加约2 m。高水位导致水下光照不足，大量菹草石芽(约70 粒/m2)在秋季萌发后未能成功定植而死亡，其分解形成的有机碎屑等进入沉积物中，使得秋冬季沉积物TN、TP和OM含量上升。

外源有机质输入量的变化也是加剧湖泊沉积物营养含量季节差异的因素之一。保安湖作为一个郊野湖泊，其滨湖区的土地利用类型以农业用地、草地和林地为主，同时湖滨带还分布有芦苇等挺水植物，这些陆生植物和挺水植物的季节性死亡给保安湖沉积物输入大量以纤维素为主的有机质。沉积物的C/N能够指示沉积物中的有机质来源。湖泊中的藻类由于富含蛋白质，其C/N一般为4～10，而陆生维管植物由于富含纤维素，其C/N通常在20以上[27]，当C/N为10～20时，表明沉积物中有机质来源于藻类与维管植物[28]。保安湖秋季、冬季和春季沉积物C/N均为10～20，明显高于夏季(<10)，这表明，秋冬季陆生植物死亡后的残体输入也是导致沉积物营养含量增加的重要原因之一。

本研究中，虽然沉积物TN和TP含量在时间分布上均呈现冬季最高、夏季和秋季较低的变化特点，但统计检验结果显示差异未达到显著水平。夏季时周边精养鱼池养殖废水的排放及夏、秋季洪水淹没带来的外源污染，可能造成夏、秋季沉积物营养含量升高，在一定程度上减小了其与冬季的差异。在夏季连续降雨时，保安湖周边精养池塘水位迅速上升，大量富含氮、磷元素的养殖废水被养殖户排入保安湖，从而提高了保安湖夏季沉积物中氮、磷含量。自2020年夏季极端降雨后，保安湖周边大量的集约化养殖池塘被淹没，池塘中富含氮、磷元素的池塘水汇入保安湖，也使得沉积物中氮、磷元素升高。除此之外，工业及生活污水在雨季的排放也可能是造成夏季保安湖沉积物氮、磷元素升高的重要原因之一。

3.2 保安湖沉积物营养含量的空间分布特征

保安湖沉积物TN和OM在空间分布上均表现为肖四海和扁担塘较高，其他区域略低。TP的空间分布则表现为肖四海最高，其他湖区较低。外源污染可能是造成湖泊沉积物营养含量空间差异的主要原因之一，包括面源污染和点源污染。在桥墩湖沿岸及主体湖南部沿岸有较多的农田，这些区域可能存在更多面源污染。但本次周年监测数据显示，桥墩湖和主体湖南部的沉积物营养元素含量相对于其他区域未出现显著升高(图2)，因此，面源污染不是造成保安湖沉积物营养含量空间差异的主要原因。在保安湖周边分布着许多与周边精养鱼塘相连的排水沟渠，这些沟渠排出的养殖废水可能形成点源污染。这些沟渠主要分布在扁担塘和主体湖东部。因此，渔业养殖废水形成的点源污染可能是造成扁担塘沉积物TN和OM含量较高的原因之一。而主体湖沉积物TN和OM含量较低可能是由于主体湖区域面积较大，营养输入后被稀释，导致沉积物营养含量相对较低。

渔业活动作为导致湖泊营养输入增加的一个主要来源，是造成湖泊富营养化的重要因素。在实施《长江十年禁渔计划》之前，保安湖进行了多年的渔业活动。为了给鱼类提供充足的食物并提高鱼产量，养殖户在养殖过程中投放了大量的饲料及化肥，这是造成沉积物营养元素升高的主要原因之一[29]。但由于在禁渔前各湖区分别承包给了不同养殖户，无法确定养殖期间的营养输入与输出，因此无法评估渔业活动对沉积物营养含量的影响。随着禁渔活动的开展，渔业活动引起的营养输入停止，预计未来一段时间内渔业活动不会对保安湖沉积物营养含量造成较大影响。此外，随着保安湖周边乡镇经济的不断发展，城镇居民的生活污水也会影响湖泊水质，如春季时位于主体湖南部的保安镇和还地桥镇，以及扁担塘东部的东风农场附近的入湖河流水体总磷含量普遍高于0.10 mg/L(未发表数据)，远高于保安湖的Ⅲ类(0.05 mg/L)水质管理目标。因此，经由入湖河流进入保安湖的生活污水也是湖泊水质恶化的诱因之一。其中主体湖由于水域面积较大，进入的生活污水更易被稀释，对沉积物营养含量的影响相对较弱。而扁担塘湖区由于水域面积相对较小且水体交换较慢，相对于主体湖更易受到污染。因此，在未来一段时间内保安湖污染状况存在继续恶化的风险，尤其是北部的扁担塘和肖四海。

3.3 保安湖沉积物污染评价

保安湖沉积物的单因子评价、综合评价和有机污染评价结果均表明，保安湖沉积物处于重度污染状态(表5、表6)。保安湖沉积物单因子评价结果显示，除总磷外，总氮和有机质的单因子污染指数均大于1，可见保安湖沉积物主要受氮污染和有机质污染。而总磷的单因子污染指数除在肖四海大于1以外，其余大部分区域均小于1，这表明，肖四海除了受氮污染和有机质污染外，还受到磷污染。保安湖沉积物综合污染指数在时空变化上与总氮的单因子污染指数呈现相同趋势，这也证明了氮污染是保安湖沉积物最主要的污染来源。

与历史状况相比，保安湖沉积物污染程度随时间变化呈现先上升后下降趋势。根据笔者对保安湖的长期监测，2003年夏季桥墩湖总磷单因子污染指数为0.57，2004年上升至0.88，此后一直维持在较高水平(1.03～1.54，未发表数据)，在本研究调查期间(2020—2021年)，夏季桥墩湖的总磷单因子污染指数下降至0.80，主体湖和扁担塘也呈现类似的变化规律。这可能是由于2000年前后，随着渔业活动的增加，外源营养(人工施肥)大量输入，导致此后十几年保安湖沉积物营养含量上升并持续维持在较高水平。2018年以后，随着保安湖开始全面禁渔，渔业活动带来的营养输入减少，保安湖沉积物营养含量明显下降。然而，由于周边城镇的发展及精养鱼池的存在，虽然近年来保安湖沉积物污染水平持续好转，但其污染状况仍不容乐观。

相对于湖北省其他郊野湖泊，如梁子湖、龙感湖和洪湖，保安湖沉积物综合污染指数(平均为5.28)明显高于前两者(梁子湖为1.51，龙感湖为3.30)，但低于洪湖(6.75)(表7)[30-32]。相对于湖北省一些城市湖泊，如东湖和南湖，保安湖沉积物综合污染指数虽低于南湖(5.90)(未发表数据)，但高于东湖(4.13)(表7)[33]。以上分析表明，相较于湖北省其他郊野湖泊，保安湖沉积物污染状况不容乐观，其污染程度甚至高于一些城市湖泊，因此，亟需开展一系列生态修复措施以控制保安湖的富营养化。