兴凯湖沉积物营养盐分布特征及来源解析

2023-11-30孙黛茜谢自建汪洋叶春李春华魏伟伟王昊郑向勇

环境工程技术学报 2023年6期

孙黛茜，谢自建，汪洋,3，叶春*，李春华*，魏伟伟，王昊，郑向勇

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 中国环境科学研究院

2.温州大学生命与环境科学学院

3.新疆农业大学资源与环境学院

随着人类活动加剧，污染源增加，跨境湖泊的水质安全受到严重影响。由于跨境湖泊地理位置的特殊性，其水环境管理和水污染治理存在难点。扎实开展跨境湖泊生态环境调查研究，科学界定其生态环境问题，是遏制该类湖泊水环境恶化趋势和改善生态环境的坚实基础，也有利于推动水环境监测和水污染防控体系的建立。

湖泊沉积物位于水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈的交汇处，是湖泊生态系统碳、氮、磷等营养元素的重要蓄积库[1]。湖泊沉积物的内源释放是造成水质恶化的重要原因之一。湖泊沉积物中的营养盐会通过扩散、对流、再悬浮等方式重新释放至上覆水体[2]，影响湖泊水质，进而影响湖泊生态系统。沉积物的物理化学特性是影响沉积物中营养盐迁移转化的重要参数，探明湖泊沉积物的空间分布特征和营养盐状况，对于研究湖泊沉积物内源释放特征及富营养化湖泊的修复与治理具有重要意义[3]。

兴凯湖是中俄跨境湖泊，其良好的流域生态环境是两国农业灌溉、水产养殖和旅游业健康发展的重要保障。兴凯湖中国湖区由大、小兴凯湖组成。近年来，由于人类活动影响加剧及流域生态环境退化，湖泊水环境质量下降，根据2021 年《黑龙江省生态环境状况公报》，大兴凯湖水质为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类，小兴凯湖为Ⅳ类[4]。兴凯湖湖内地形平坦，风浪侵蚀严重，沉积物中的营养盐易受风浪扰动进入上覆水，增加上覆水中营养盐浓度[5]，进而引起湖泊水质下降。特别是在外源污染排放得到有效控制的情况下，湖泊沉积物营养盐释放可能成为重要的污染源。因此，探究兴凯湖沉积物营养盐的污染状况，并对其来源进行分析，对跨境湖泊水质改善和水生态功能提升具有重要意义。

目前，有关兴凯湖的研究多集中在水质评价、水体富营养化等方面，研究区域多位于小兴凯湖[6-8]，有关沉积物营养盐污染特征，特别是以大、小兴凯湖为整体的研究较少。笔者以兴凯湖中国湖区为研究区域，通过调查沉积物中营养盐的分布状况及来源，估算沉积物营养盐的埋藏通量，并评价其污染现状，以期为兴凯湖水体污染治理提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区为兴凯湖中国湖区，位于黑龙江省东南部鸡西市。其中小兴凯湖全部在我国境内，湖面面积约176 km2，大兴凯湖中国湖区（简称大兴凯湖）湖面面积约1 240 km2，大、小兴凯湖通过泄洪闸相连。大兴凯湖呈葫芦状，湖面风浪大，底部泥沙易悬浮；小兴凯湖由大兴凯湖湖水退缩分离形成，呈“牛轭”状，水生植物覆盖度较高。我国境内直接流入大兴凯湖的河流包括洛格河、北沟、白泡子和金银库河等；直接流入小兴凯湖的河流包括承紫河、大西地河和穆棱河等（图1）。穆棱河是兴凯湖的主要水源，约95%以上穆棱河水沿穆兴分洪道注入小兴凯湖后排入大兴凯湖。

图1 兴凯湖沉积物采样点及航线布设示意Fig.1 Schematic diagram for distribution of sampling points and survey lines in Xingkai Lake

根据湖区湖滨带土地利用类型及水文水动力状况，结合遥感矢量图，将小兴凯湖划分为五大湖区，大兴凯湖划分为四大湖区（图1）。小兴凯湖周围以湿地、农田（含水田和旱地）和自然林地为主，西部湖区面积约58.3 km2；中部湖区面积约46.5 km2；东部湖区位于穆棱河河口区域，面积约60.1 km2；西泡子位于小兴凯湖西部湖湾区域，面积约2.0 km2；东北泡子位于小兴凯湖东部湖湾区域，面积约10.6 km2。大兴凯湖沿湖以农田、自然林地为主，西部湖区面积约247.0 km2；中部湖一区面积约295.7 km2；中部湖二区为泄洪一闸、二闸影响区域，面积约326.7 km2；东部湖区面积约180.2 km2。

1.2 沉积物样品采集与测定

参照《湖泊调查技术规程》[9]在兴凯湖进行网格化布点，共布置表层沉积物采样点53 个（大、小兴凯湖分别为31 和22 个），柱状沉积物采样点36 个（大、小兴凯湖分别为19 和17 个）（图1），调查时间为2021 年7 月。利用彼得森抓泥斗、ZXPMC50 柱状采样器分别采集表层和柱状沉积物。柱状沉积物采样深度结合地层扫描结果确定，采样深度为10~50 cm。样品采集后密封在聚乙烯袋内，迅速运回实验室，将沉积物自然风干后去除动植物残体和石块等明显杂质，然后研磨过100 目筛，装袋存用。沉积物中总氮（TN）、总磷（TP）和有机质（OM）浓度分别采用凯氏定氮法、过硫酸钾氧化分光光度法、低温外热重铬酸钾氧化—比色法[10-12]测定；含水率和容重分别采用称重法和重量法测定。

1.3 沉积物扫描

浅地层剖面仪是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅地层结构和构造的地球物理方法[13]。该方法利用声波在不同介质中传播性质不同，获得声波有效穿透地层的特征与性质[14]；通过连续巡航获得高分辨率的地层剖面，从而计算出沉积物总埋藏量[15]。与传统方法相比，浅地层剖面仪可以探测湖底沉积地层的结构、分布和埋深等特征。目前，我国利用浅地层剖面仪进行湖泊沉积物调查的应用较少，沈吉等[16-17]利用浅地层剖面仪探测太湖和镜泊湖湖底沉积地层的结构和沉积物厚度，为清淤和污染防治工作提供了参考。

采用双波段（24 和200 kHz）浅地层剖面仪（stratabox, SyQwest）扫描获得兴凯湖水下地形及沉积物埋藏信息，进而估算兴凯湖沉积物厚度及蓄积量。调查工作走航路线由DGPS 实时记录，并与浅地层剖面信号相匹配，走航线呈网状布局，总长度为355 km，控制区域为小兴凯湖（含西泡子和东北泡子）和大兴凯湖全域（图1）。

1.4 沉积物污染评价方法

采用有机污染指数法[18]评价沉积物污染状况，该方法将TN、OM 等参数综合成一个指数值来表征沉积物污染程度，计算公式如下：

式中：OI 为有机污染指数，无量纲；CON为有机氮浓度，%；COC为有机碳浓度，%；CTN为沉积物总氮浓度，%；COM为沉积物有机质浓度，%。有机污染指数评价标准：OI<0.05，属清洁；0.05≤OI<0.20，属轻度污染；0.20≤OI<0.50，属中度污染；OI≥0.50，属重度污染。

1.5 沉积物营养盐埋藏通量估算方法

假设同一湖区的沉积环境相似，将各湖区沉积物中TN、TP、OM 平均浓度作为埋藏部分的平均浓度，估算各湖区的TN、TP、OM 埋藏通量[19-20]。计算公式如下：

式中：Ø为孔隙度，%；WC为沉积物含水率，%；ρwater为水的密度，取1.027 g/cm3；ρsed为沉积物干密度，g/cm3；M为沉积物蓄积量，t；Vi为沉积层体积，m3；Dsed为沉积速率，取0.19 cm/a[21]；CTP为沉积物总磷浓度，%；FTN、FTP、FOM分别为TN、TP、OM 的埋藏通量，t/a；S为湖区面积，km2。

1.6 数据分析

采用Excel 2020 软件统计分析兴凯湖沉积物中TN、TP 和OM 浓度，采用SPSS 26 软件进行Pearson相关性分析，采用StrataBox HD 和Hypack 2018 软件提取水深和沉积物厚度，采用Arc GIS v10.2 软件分析兴凯湖水深深度分布和沉积物厚度分布，采用Origin 2022b 软件绘制兴凯湖柱状沉积物TN、TP、OM 浓度及C/N、C/P 的垂直分布图。

2 结果与分析

2.1 沉积物营养盐分布特征

2.1.1 沉积物TN 空间分布及垂直变化

大、小兴凯湖表层沉积物TN 浓度分别为210.30~765.99 mg/kg（平均值519.24 mg/kg）和473.10~4 718.41 mg/kg（平均值1 587.43 mg/kg）。TN 浓度分布特征在小兴凯湖表现为西泡子>西部湖区>东部湖区>东北泡子>中部湖区；大兴凯湖表现为西部湖区>中部湖一区>中部湖二区>东部湖区（图2）。小兴凯湖西部湖区和东部湖区TN 浓度明显高于其他湖区，水生植物空间分布差异可能是影响不同湖区沉积物营养盐浓度差异的重要因素[22]；此外，由于超过95%的穆棱河水沿穆兴分洪道进入小兴凯湖东部湖区，穆棱河流域内大量的畜禽养殖污染和种植业面源污染对小兴凯湖有重要影响[23]。于淑玲等[8]的研究表明，小兴凯湖中氮主要来源于农业面源污染，持续输入的农业废水和生活污水携带的污染物质沉积在湖泊中，导致沉积物TN 浓度一直处于较高水平。

图2 兴凯湖表层沉积物中TN 浓度空间分布Fig.2 Spatial distribution of TN concentration in surface sediments of Xingkai Lake

由图3 可知，大、小兴凯湖柱状沉积物TN 浓度分别为194.33~805.08 mg/kg（平均值473.57 mg/kg）和371.29~4 718.41 mg/kg（平均值1 332.77 mg/kg）。大部分湖区20~50 cm 沉积物随深度增加TN 浓度呈上升趋势，这可能与沉积物本底浓度较高有关[24]。小兴凯湖西泡子、西部湖区和大兴凯湖西部湖区沉积物TN 浓度随深度增加呈现下降趋势，这可能是由于大、小兴凯湖西部湖区水生植物覆盖度高，水生植物残体堆积使得表层沉积物有机氮浓度较高。随着深度的增加，溶解氧浓度降低，厌氧环境加速了厌氧氨氧化过程使氮浓度下降[25]。

图3 兴凯湖不同湖区沉积物中TN 浓度垂直变化Fig.3 Vertical distribution of TN concentration in the sediments from different lake areas of Xingkai Lake

2.1.2 沉积物TP 空间分布及垂直变化

大、小兴凯湖表层沉积物TP 浓度分别为95.76~402.39 mg/kg（平均值246.55 mg/kg）和14.41~1 272.23 mg/kg（平均值212.38 mg/kg）。TP 浓度分布特征在小兴凯湖表现为西泡子>东部湖区>西部湖区>中部湖区>东北泡子；大兴凯湖表现为中部湖一区>东部湖区>中部湖二区>西部湖区（图4）。小兴凯湖沉积物TP 空间分布差异大，西泡子区域污染严重，这可能是由于西泡子位于湖湾区域，地势低洼，水生植物覆盖度高，水生植物腐解及外源输入的含磷污染物易蓄积；此外，该区域表层沉积物以粉粒为主，磷吸附效率较高[26]。

图4 兴凯湖表层沉积物中TP 浓度空间分布Fig.4 Spatial distribution of TP concentration in surface sediments of Xingkai Lake

由图5 可知，大、小兴凯湖柱状沉积物TP 浓度分别为58.21~702.77 mg/kg（平均值244.04 mg/kg）和8.15~1 272.23 mg/kg（平均值243.67 mg/kg）。TP在垂直分布上的差异与沉积环境密切相关[27]。小兴凯湖西泡子表层和次表层沉积物TP 浓度远高于其他湖区，除西泡子外，兴凯湖其余各湖区沉积物TP浓度在10~30 cm 随深度增加整体呈现上升趋势，这可能与沉积物本底浓度较高且沉积环境不稳定有关。

图5 兴凯湖不同湖区沉积物中TP 浓度垂直变化Fig.5 Vertical distribution of TP concentration in the sediments from different lake areas of Xingkai Lake

2.1.3 沉积物OM 空间分布及垂直变化

大、小兴凯湖表层沉积物OM 浓度分别为2.92~14.78 g/kg（平均值7.51 g/kg）和11.74~63.27 g/kg（平均值32.18 g/kg）。OM 浓度分布特征在小兴凯湖表现为西泡子>东北泡子>西部湖区>中部湖区>东部湖区；大兴凯湖表现为中部湖一区>西部湖区>中部湖二区>东部湖区（图6）。小兴凯湖OM 浓度最高点在西泡子，该区域生物量高，与主湖区连通性较差，大型水生植物、浮游生物和微生物等生物死亡后在底泥中沉积，导致沉积物OM 浓度上升。大兴凯湖湖心区域沉积物OM 浓度较高，表明入湖和出湖的水流作用对沉积物中有机质的空间分布产生了重要影响，这与对太湖[28]和山美水库[29]的研究结果一致。

图6 兴凯湖表层沉积物中OM 浓度空间分布Fig.6 Spatial distribution of OM concentration in surface sediments of Xingkai Lake

由图7 可知，大、小兴凯湖沉积物柱状样品OM 浓度分别为1.88~16.36 g/kg（平均值7.77 g/kg）和11.74~67.15 g/kg（平均值26.88 g/kg）。小兴凯湖西泡子、东北泡子、西部湖区和大兴凯湖西部湖区OM 随深度增加呈现下降趋势。西泡子和东北泡子为自然湿地，生物活动频繁，水生生物代谢产生的有机污染物在湖底沉积，随深度增加，有机质被矿化分解，OM 浓度下降；大、小兴凯湖西部湖区周围近年被不断开发利用，垦殖率高，黑土流失较严重，这可能是造成表层沉积物OM 浓度较高的主要原因。

图7 兴凯湖不同湖区沉积物中OM 浓度垂直变化Fig.7 Vertical distribution of OM concentration in the sediments from different lake areas of Xingkai Lake

2.2 兴凯湖沉积物营养盐埋藏通量

2.2.1 兴凯湖水深及泥厚分布特征

大、小兴凯湖平均水深分别为6.58 和2.45 m，沉积物平均厚度分别为0.23 和0.18 m（图8），小兴凯湖水深和沉积物厚度均低于大兴凯湖。小兴凯湖沿岸基本无沉积物堆积，但水深处沉积物较厚。小兴凯湖沉积物厚度与水深呈显著正相关（P<0.05），深水区地形平坦，有利于沉积物迁移，浅水区沉积物受外界水环境影响易再悬浮，因此沉积物厚度较薄。大兴凯湖西部湖区沉积物堆积严重，中部湖区和东部湖区的沉积物厚度明显下降。大兴凯湖西部区域存在多条入湖河流和排干，其入湖时携带的泥沙颗粒物可能是导致西部湖区泥沙淤积严重的主要原因。

图8 兴凯湖水深和沉积物厚度分布Fig.8 Distribution of water depth and sediment thickness in Xingkai Lake

2.2.2 兴凯湖沉积物营养盐埋藏通量

根据兴凯湖沉积物TN、TP、OM 浓度，结合沉积物厚度和湖区面积，估算现状条件下兴凯湖各湖区沉积物蓄积量和TN、TP、OM 埋藏通量，结果如表1 所示。小兴凯湖沉积物蓄积量为2.55×107t，TN、TP、OM 的埋藏通量分别为386.10、45.16、8 116.61 t/a；大兴凯湖沉积物蓄积量为2.39×108t，TN、TP、OM 的埋藏通量分别为800.60、391.32、11 886.27 t/a。

表1 兴凯湖沉积物蓄积量和TN、TP、OM 埋藏通量Table 1 Sediment accumulation and burial fluxes of TN, TP and OM in Xingkai Lake

小兴凯湖沉积物蓄积量及TN、TP 和OM 埋藏通量分布特征为西部湖区>东部湖区>中部湖区>东北泡子>西泡子。西部湖区沉积物蓄积量和营养盐埋藏通量与其他湖区相比较高，这可能是由于周围农业活动集中，且以旱地为主，地表径流携带农业污染物进入湖泊，使得湖区沉积物蓄积，营养盐浓度升高。大兴凯湖沉积物蓄积量和TN、OM 埋藏通量的分布特征为中部湖一区>中部湖二区>西部湖区>东部湖区，TP 埋藏通量的分布特征为中部湖一区>中部湖二区>东部湖区>西部湖区。

2.3 兴凯湖沉积物污染特征评价

小兴凯湖表层沉积物有机污染指数为0.031~1.645（平均值0.335），属中度污染，各湖区有机污染程度为西泡子>西部湖区>东北泡子>东部湖区>中部湖区。西泡子有机污染严重（1.645），属重度污染，其余湖区以中度污染为主，其中西部湖区、东部湖区、中部湖区分别有60.0%、57.1%和37.5%的采样点处于中度及以上污染〔图9（a）〕。大兴凯湖表层沉积物有机污染指数为0.005~0.050，平均值为0.023，属清洁等级，各湖区有机污染程度为西部湖区>中部湖一区>中部湖二区>东部湖区。除中部湖一区有12.5%的采样点处于轻度污染外，其余湖区采样点均属清洁等级〔图9（b）〕。

图9 兴凯湖表层沉积物有机指数评价的污染等级占比Fig.9 Percentage of different degrees of pollution in surface sediments of Xingkai Lake based on organic index

与巢湖（基本处于重度污染）[30]、鄱阳湖（整体处于轻度污染）[31]、太湖竺山湾（整体处于轻度污染）[32]等我国典型湖泊/湖区相比，兴凯湖沉积物整体上属轻度污染，但小兴凯湖沉积物有机污染较为严重。考虑到小兴凯湖水体通过泄洪闸进入大兴凯湖，并可能对大兴凯湖沉积物污染状况产生潜在影响，因此，小兴凯湖沉积物污染应引起重视。

2.4 兴凯湖沉积物营养盐来源解析

2.4.1 兴凯湖沉积物C/N 与C/P 特征

由图10 可知，大、小兴凯湖表层沉积物C/N 分别为4.29~18.13（平均值8.72）和7.71~24.89（平均值12.51）。一般情况下，沉积物C/N 可以反映有机质来源的差异性[33]，藻类有机质C/N 通常为4~10，而陆生维管束高等植物的C/N 不小于20[34]。当沉积物C/N 大于8 时，常认为是受到2 种物源的共同影响，C/N 愈大，说明陆源输入的有机质成分愈大[35]。兴凯湖沉积物不同湖区间C/N 存在较大差异，OM来源同时受湖泊自生和外源输入的影响。小兴凯湖C/N 高于大兴凯湖，表明小兴凯湖OM 来源受陆源输入影响更大。

图10 兴凯湖沉积物C/N 垂直分布特征Fig.10 Vertical distribution characteristics of C/N in the sediments of Xingkai Lake

大、小兴凯湖柱状沉积物C/N 分别为4.87~20.25（平均值9.59）和6.13~27.59（平均值12.75）。柱状沉积物C/N 反映了有机质的分解输入与矿化分解输出间的平衡[36]，表层和次表层沉积物C/N 主要受物质来源和水动力条件的影响，而深层沉积物C/N 主要受氧化还原环境的影响，与成岩作用有关[37]。随深度增加，小兴凯湖中部湖区底层沉积物C/N 较低，可能与有机物被完全分解及无机氮的富集有关，这与杨洪等[38]对武汉东湖的研究结论一致；大兴凯湖西部湖区沉积物C/N 在不同深度无明显变化，其余各湖区沉积物C/N 随深度的增加呈上升趋势。

沉积物C/P 在一定程度上可以反映沉积物中有机碳和磷化合物的分解速率。由图11 可知，小兴凯湖表层沉积物C/P 为28.84~1 005.10（平均值232.55），柱状样品中C/P 为11.59~1 182.53（平均值176.11）；大兴凯湖表层沉积物C/P 为7.54~67.30（平均值19.25），柱状样品中C/P 为4.07~67.30（平均值20.67）。小兴凯湖表层沉积物C/P 高于大兴凯湖，可能是由于生物死亡后，磷快速地分解释放，而碳的释放较慢[27]，导致小兴凯湖沉积物表层C/P 相对较高；此外，大兴凯湖中部湖区C/P 呈现随深度增加而上升的趋势，表明随着沉积深度的增加，沉积物中含磷化合物的分解比有机碳分解更为迅速[39]，故C/P升高。

图11 兴凯湖沉积物C/P 垂直分布特征Fig.11 Vertical distribution characteristics of C/P in the sediments of Xingkai Lake

2.4.2 兴凯湖沉积物营养盐相关性分析

由表2 可知，兴凯湖表层沉积物中OM 和TN 之间呈极显著正相关（P<0.01），表明OM 和TN 具有相似来源，沉积物氮主要以有机氮的形式存在[40]。TP 与OM 的相关性不显著，表明TP 受沉积物OM 分布影响小。贾雪莹等[41]研究指出，兴凯湖沉积物磷以无机磷为主，其中Fe-P 较多。

表2 兴凯湖表层沉积物中营养盐指标相关性分析Table 2 Pearson correlation coefficients of nutrients in surface sediments of Xingkai Lake

由表3 可知，与我国其他湖泊相比，小兴凯湖表层沉积物中TN 和OM 浓度高于我国四大淡水湖，沉积物C/N 与乌梁素海（12.70）[42]相近，C/P 与衡水湖（233.1）[43]相近。大兴凯湖沉积物TN、TP、OM 处于低浓度水平，C/N 与太湖（8.32）[44]相近，水体富营养化风险相对较低。小兴凯湖表层沉积物OM 和TN 浓度相对较高，湖泊水体富营养化风险较高，并且可能影响大兴凯湖水质状况。