王圣瑞，倪棟，2，焦立新，金相燦，馮明磊，劉志剛，張偉華

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088

3.江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，江西 南昌 330029

4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022

鄱陽湖是我國最大的通江過水性、吞吐型淺水湖泊［1］，也是國際重要濕地。由于長期受長江水倒灌及流域來水的影響，形成了獨(dú)特的生態(tài)水文過程［2］。鄱陽湖巨大的湖容量不僅可以調(diào)蓄汛期長江干流及“五河”的巨量洪水，有效地緩解長江中下游地區(qū)的防洪壓力［3］，同時(shí)也可以緩解長江中下游枯水期低水位狀態(tài)以及防止枯水期長江口海水倒灌等風(fēng)險(xiǎn)［4］。另外，鄱陽湖也是我國內(nèi)陸湖泊生物多樣性最為豐富的地區(qū)，它支持了世界上98%的國際瀕危物種白鶴和80%以上的東方白鸛以及占世界上整個(gè)種群數(shù)量1/4的長江江豚［5］。因此，鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)健康是生物多樣性保護(hù)及維系長江中下游地區(qū)生態(tài)安全的重要保證。然而，隨著江西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較大變化［6-7］，生態(tài)環(huán)境問題日益突出［8-10］。其中，水文情勢(shì)變化，水質(zhì)下降，富營養(yǎng)化趨勢(shì)加劇是鄱陽湖主要生態(tài)環(huán)境問題之一。近年來，受“五河”來水的影響，鄱陽湖入湖污染負(fù)荷逐年增加。氮磷營養(yǎng)鹽作為評(píng)價(jià)湖泊富營養(yǎng)化程度的關(guān)鍵指標(biāo)，其濃度及“源”、“宿”關(guān)系已經(jīng)成為目前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域普遍關(guān)注的問題［11-13］。沉積物是氮磷營養(yǎng)鹽的主要蓄積庫［14］，它不僅是外來污染物的歸宿地，同時(shí)其自身營養(yǎng)鹽的釋放也可對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生重大影響［15-16］。目前，國內(nèi)外有關(guān)湖泊沉積物氮磷營養(yǎng)鹽及有機(jī)質(zhì)時(shí)空分布特征已經(jīng)有了大量報(bào)道，但針對(duì)鄱陽湖這種特定生態(tài)水文特征及地理環(huán)境條件背景下，沉積物中有機(jī)質(zhì)的時(shí)空分布及年際演變規(guī)律鮮見報(bào)道。筆者通過歷史資料調(diào)查及沉積物樣品分析，著重研究了鄱陽湖沉積物有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷的時(shí)空分布特征及年際演變規(guī)律，旨在為揭示鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)變化及尋求富營養(yǎng)化防控措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

鄱陽湖位于長江南岸、江西省北部，地理位置為115°49'E ～ 116°46'E，28°24'N ～ 29°46'N，它與贛江、撫水、信江、饒河、修水五大河流(以下簡(jiǎn)稱“五河”)的尾閭區(qū)相接形成天然盆地，是受長江、“五河”水位制約的連河湖。鄱陽湖豐、枯水期的湖體面積、湖體容積相差極大:汛期“五河”洪水入湖而上漲、漫灘，湖面擴(kuò)大，洪水一片;冬春季節(jié)，湖水落槽，灘地顯露，水面縮?。?］。受河水的沖刷，主河道兩邊泥沙堆積，使得在湖中心區(qū)的西南部形成一個(gè)相對(duì)封閉的水區(qū)(滯留區(qū))［6］，該區(qū)的水體交換速度相對(duì)較緩慢。

鄱陽湖表層沉積物調(diào)查于2007年10月(枯水期)和2008年7月(豐水期)進(jìn)行了樣品的采集工作。利用彼得森抓斗采樣器(自制)采集鄱陽湖流域表層(0～10 cm)沉積物樣品67個(gè)(枯水期24個(gè)，豐水期33個(gè)，入湖河道10個(gè))。采樣點(diǎn)的分布以湖面為主，兼顧五條主要入湖河流尾閭區(qū)及河口區(qū)(圖1)。所有沉積物樣品均以聚乙烯薄膜封裝，于-20℃下低溫保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室處理并分析。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sites surface sediment from Poyang Lake

1.2 沉積物樣品分析

表層沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥，去雜質(zhì)、研磨過篩后備用。總磷(TP)濃度采用SMT法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)(OM)濃度采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;總氮(TN)濃度采用H2SO4-CuSO4-Se催化消煮后，用KDY-9820型凱氏定氮儀測(cè)定。試驗(yàn)所用器皿用稀酸浸泡過夜。

1.3 歷史數(shù)據(jù)的收集與整理

通過多種途徑全面開展了鄱陽湖最新沉積物研究成果及歷史資料的翻譯、調(diào)查、收集和整理工作。調(diào)查的文獻(xiàn)包括《鄱陽湖水質(zhì)預(yù)測(cè)與規(guī)劃》、《中國鄱陽湖水質(zhì)保護(hù)對(duì)策計(jì)劃調(diào)查》(日本國際協(xié)力事業(yè)團(tuán)、原國家環(huán)境保護(hù)局，1993年)、《江西省五大水系對(duì)鄱陽湖生態(tài)環(huán)境影響研究報(bào)告》(江西省水文局、江西省科學(xué)院)等，收集整理了近30年鄱陽湖水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及近20年鄱陽湖沉積物數(shù)據(jù)(表1)。共獲得有關(guān)的數(shù)據(jù)434個(gè)。

表1 1987—2008年鄱陽湖沉積物OM、TN和TP濃度概況Table 1 Forepart sediments nourishment content collect from 1987 to 2008

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。應(yīng)用Origin 7.0和Excel 2003軟件進(jìn)行相關(guān)分析和制圖，應(yīng)用Sufer 7.0軟件(Golden軟件有限公司，USA)進(jìn)行插值分析是樣點(diǎn)之間內(nèi)插值的一種地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可應(yīng)用于沉積物營養(yǎng)鹽濃度空間分布預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鄱陽湖表層沉積物OM、TN和TP空間分布

鄱陽湖表層沉積物中OM、TN和TP濃度空間分布規(guī)律相似(圖2)。由圖2可見，沉積物中OM和TN濃度主要分布在修水、贛江、撫水、信江和饒河等“五河”尾閭，其次是湖心，且由南向北至長江入湖口呈降低趨勢(shì)。沉積物中TP濃度最高值出現(xiàn)在贛江、撫河及信江尾閭，而修河和饒河尾閭及湖心至長江入湖口沉積物中TP濃度均較低?？傮w來講，鄱陽湖有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)鹽濃度均表現(xiàn)為南部湖區(qū)高于北部湖區(qū)，湖灣高于湖心，“五河”尾閭高于長江入湖口。其中，所有采樣點(diǎn)沉積物中OM濃度為0.420%～3.175%，平均值為1.590%;TN濃度為0.026%～0.235%，平均值為0.134%;TP濃度為0.010%～0.094%，平均值為0.046%，表明鄱陽湖沉積物中有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽濃度已經(jīng)處于相對(duì)較高的水平。研究表明，“五河”輸入是入湖污染負(fù)荷的主要來源，其占污染負(fù)荷總量的80%左右，因此，源于“五河”來水的工農(nóng)業(yè)污染是鄱陽湖沉積物中有機(jī)質(zhì)和氮磷營養(yǎng)水平較高及其區(qū)域性分布差異的主要原因。同時(shí)隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，鄱陽湖流域的農(nóng)業(yè)面源污染也對(duì)湖區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽水平產(chǎn)生了較大影響。鄱陽湖流域山地面積較大(山地面積占流域總面積的89%)、坡度陡長(贛南坡度大于16°的山地面積達(dá)到75%)、徑流速度大，其特殊的地貌極易造成水土的流失［23］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄱陽湖流域平均土壤侵蝕總量達(dá)1.66×108t，相當(dāng)于流失土壤5×104hm2。而0～20 cm耕作層土壤中有機(jī)質(zhì)和肥料豐富［24］，極易隨地表徑流進(jìn)入鄱陽湖，從而使有機(jī)質(zhì)及氮磷營養(yǎng)鹽在湖灣內(nèi)聚集。因此，農(nóng)業(yè)面源污染也是影響沉積物中OM和氮磷分布的重要因素。除此之外，信江上游的朝陽磷礦石華東地區(qū)的第一大磷礦，其Ca(H2PO4)2年生產(chǎn)量達(dá)到10×104～15×104t［7］。因此，磷礦生產(chǎn)廢水的直接排放也是信江下游及其尾閭區(qū)沉積物中TP濃度較高的主要原因。另外，南部尾閭區(qū)表層沉積物TP與OM濃度呈顯著正相關(guān)(圖3，R2=0.6393)，表明沉積物OM對(duì)磷的吸附作用也是導(dǎo)致磷在南部湖區(qū)積聚的重要因素之一［15-16］。

圖2 鄱陽湖表層沉積物TP、OM和TN濃度的空間分布Fig.2 TP，OM，TN content distribution in surface sediments of Poyang Lake

圖3 南部尾閭區(qū)沉積物TP與OM濃度的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relation between TP and OM content in tail-end of Poyang Lake

2.2 枯豐水期沉積物中OM、TN和TP濃度變化

圖4 枯豐水期鄱陽湖表層沉積物中TP、OM及TN濃度均值的變化Fig.4 The change of TP，OM，TN content between low water phase and high water phase in Poyang Lake surface sediments

由圖4可見，不同湖區(qū)沉積物中OM、TN和TP濃度在枯水期和豐水期存在明顯差異。鄱陽湖北部湖區(qū)沉積物中OM、TN和TP濃度在豐水期顯著高于枯水期。盡管湖心區(qū)也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，但豐水期比枯水期的增幅明顯低于北部湖區(qū)。南部尾閭區(qū)沉積物中OM和TP濃度在豐水期和枯水期差異相對(duì)較小，并且枯水期沉積物中TN濃度高于豐水期。因此，豐水期“五河”來水量的增加顯著提高了湖心及北部湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽濃度，尤其北部湖區(qū)增加較明顯。根據(jù)1956—2005年泥沙資料統(tǒng)計(jì)，多年平均懸移質(zhì)入湖沙量1689×104t，其中“五河”入湖沙量占85.8%［26］。因此，豐水期“五河”來水?dāng)y帶的污染物隨懸浮泥沙由南至北逐漸沉積，從而導(dǎo)致豐水期沉積物中OM、TN和TP濃度由南至北增幅降低的趨勢(shì)。另外，鄱陽湖地區(qū)豐水期正值晚稻插秧季節(jié)，農(nóng)田大量施用有機(jī)氮肥和化肥，地表徑流所導(dǎo)致的面源污染負(fù)荷增加。豐水期污染物隨地表徑流進(jìn)入湖體，從而促進(jìn)了泥沙的擾動(dòng)，而采砂業(yè)則加重了原本聚集在南部尾閭區(qū)泥沙的再懸浮，并隨湖流向北部湖區(qū)遷移［27］?？菟凇拔搴印眮硭疁p少，北部湖區(qū)污染物不斷由長江中上游來水稀釋，從而導(dǎo)致北部湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)鹽濃度降低。因此，“五河”來水和面源污染負(fù)荷的季節(jié)變化是導(dǎo)致沉積物中OM、TN和TP濃度在枯水期和豐水期差異顯著的主要原因。

2.3 1988—2008年沉積物OM、TN和TP濃度變化

圖5顯示了鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度的年際變化。由圖5可見，1988年鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度均值均顯著高于1992年。這可能與1988年為枯水年，采集的沉積樣品多來自于河道和入湖河口有關(guān)。但1992—2008年鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度均呈明顯增加趨勢(shì)。與1992年相比，2008年鄱陽湖沉積物中OM濃度增加了1.82倍，TN濃度增加了0.74倍，TP濃度增加了1.53倍。20世紀(jì)90年代以來，長江流域氣候異常，頻繁發(fā)生特大洪水，加之工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，入湖污染負(fù)荷逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年江西全省廢污水排放量約9.59 ×108t，2008 年達(dá)13.89 ×108t，期間廢污水排放量平均每年約以0.48×108t的速度遞增，化學(xué)需氧量排放量平均每年約以1.2×104t的速度遞增，氨氮排放量平均每年約以0.13×104t的速度遞增。鄱陽湖水質(zhì)已由20世紀(jì)80年代的Ⅱ類水為主，逐漸發(fā)展為目前的Ⅲ類和Ⅳ類水，富營養(yǎng)化趨勢(shì)加劇，其中，總磷和氨氮為主要超標(biāo)項(xiàng)目。因此，20世紀(jì)90年代以來，鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度的增加主要與工農(nóng)業(yè)發(fā)展所導(dǎo)致的入湖污染負(fù)荷增加有關(guān)，而90年代的特大洪水則加速了陸源有機(jī)質(zhì)和氮磷營養(yǎng)鹽的輸入。

圖5 鄱陽湖表層沉積物中TP、OM及TN濃度變化Fig.5 Chronology variability of TP，OM and TN content in surface sediments

鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度與其他四大淡水湖比較結(jié)果見表2。由表2可見，1992年鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度均低于或等于20世紀(jì)80年代巢湖、洪澤湖、太湖和洞庭湖。然而，2008年鄱陽湖沉積物中OM濃度已明顯超過其他四大淡水湖泊，沉積物中TN濃度除低于太湖外，均明顯高于巢湖、洪澤湖和洞庭湖沉積物。盡管沉積物中TP濃度等于或低于其他四大淡水湖泊沉積物，但其與1992年相比，已增加了近2倍?？梢?，1992—2008年近20年間，鄱陽湖沉積物的污染水平已逐漸向富營養(yǎng)湖泊沉積物的污染水平發(fā)展。與其他四大淡水湖泊相比，盡管鄱陽湖目前水質(zhì)相對(duì)較好，但呈下降趨勢(shì)，高氮磷營養(yǎng)底質(zhì)則增大了其富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

表2 鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度及與其他湖泊的比較Table 2 Sediments nourishment content difference between Poyang Lake and representative freshwater lake %

3 結(jié)論

(1)鄱陽湖沉積物中OM濃度為0.420%～3.175%，TN濃度為0.026%～0.235%，TP濃度為0.010%～0.094%。沉積物中OM和TN濃度以“五河”尾閭較高，其次是湖心，而TP濃度最高值則出現(xiàn)在贛江、撫河及信江尾閭，并且均由南向北至長江入湖口呈降低趨勢(shì)。

(2)鄱陽湖沉積物中有機(jī)質(zhì)和氮磷污染主要源于“五河”來水，其次是農(nóng)業(yè)面源污染。豐水期“五河”來水量的增加顯著提高了湖心及北部湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽濃度，尤其以北部湖區(qū)增加較明顯。但南部尾閭區(qū)沉積物TN濃度在枯水期明顯高于豐水期。

(3)1992—2008年間鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP濃度均呈明顯增加趨勢(shì)，尤其是OM和TP濃度增幅較大。沉積物中OM、TN和TP濃度增加與“五河”來水量及入湖污染負(fù)荷增加密切相關(guān)，鄱陽湖流域工農(nóng)業(yè)發(fā)展是湖區(qū)沉積物污染水平提高的主要原因。

(4)2008年鄱陽湖沉積物中OM、TN和TP污染水平已經(jīng)達(dá)到或超過富營養(yǎng)化湖泊沉積物的污染水平，與其他四大淡水湖泊相比，盡管鄱陽湖目前水質(zhì)相對(duì)較好，但呈現(xiàn)出了下降趨勢(shì)，高氮磷營養(yǎng)底質(zhì)則增大了其富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

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