郭西亞，凌 虹，周 旭，盛 潔，岳 強(qiáng)，沈辛怡，朱金格

（1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036；2.江蘇省環(huán)科院環(huán)境科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210036；3.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816；4.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008）

0 引言

湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外十分關(guān)注的水環(huán)境問(wèn)題之一[1]。多數(shù)研究成果表明，N，P 等元素的增加是湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素，N，P，C 的大量輸入與長(zhǎng)期累積使得湖泊沉積物成為湖泊水體營(yíng)養(yǎng)鹽的重要蓄積庫(kù)和難以削減的內(nèi)源污染負(fù)荷[2-3]。在能夠有效控制外源污染物輸入的情況下，當(dāng)沉積物-水界面環(huán)境條件發(fā)生改變或在生物擾動(dòng)、沉積物再懸浮等因素的作用下，蓄積在沉積物中的N，P，C 會(huì)再次釋放至湖泊水體中，嚴(yán)重影響湖泊上覆水體水質(zhì)[4-6]，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的威脅[7]。因此，沉積物能夠間接反映湖泊水體的污染以及人類活動(dòng)與自然因素對(duì)水體環(huán)境的長(zhǎng)期影響[8-9]。

陽(yáng)澄湖（31°35' ～31°49'N，120°66' ～120°84'E）位于蘇州市區(qū)東北，作為蘇州市戰(zhàn)略性水源地與大閘蟹養(yǎng)殖基地，其水質(zhì)安全對(duì)其周邊社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)陽(yáng)澄湖浮游植物和底棲動(dòng)物的研究報(bào)道較多[10-12]，對(duì)N，P，C的污染狀況與分布特征的研究報(bào)道尚為鮮見。研究陽(yáng)澄湖沉積物中N，P 和有機(jī)質(zhì)的含量及空間分布特征，利用有機(jī)污染指數(shù)和污染指數(shù)法對(duì)沉積物污染狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，闡明了陽(yáng)澄湖沉積物的污染現(xiàn)狀，對(duì)陽(yáng)澄湖內(nèi)源污染治理具有重要意義，并可為科學(xué)制定陽(yáng)澄湖污染防治管控策略及水環(huán)境質(zhì)量改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)與樣品處理

綜合考慮陽(yáng)澄湖湖體形態(tài)、湖泊水動(dòng)力特征、人類的干擾程度、流域河網(wǎng)水系分布、水質(zhì)、圍網(wǎng)養(yǎng)殖等多因素的空間差異性特征[13]，在陽(yáng)澄湖湖區(qū)共布設(shè)14 個(gè)沉積物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，見圖1。其中，陽(yáng)澄西湖區(qū)布設(shè)L1，L2，L3，L4 共計(jì)4 個(gè)點(diǎn)，陽(yáng)澄中湖區(qū)布設(shè)L5，L6，L7，L8 共計(jì)4 個(gè)點(diǎn)，陽(yáng)澄東湖區(qū)布設(shè)L9，L10，L11，L12，L13，L14 共計(jì)6 個(gè)點(diǎn)。于2018年2月在陽(yáng)澄湖采集沉積物樣品，借助全球定位系統(tǒng)GPS 導(dǎo)航定位。采用活塞式柱狀有機(jī)玻璃采樣器（Φ86 mm）采集柱狀沉積物，用分樣器取表層5 cm 泥樣置于聚氯乙烯密封袋密封，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室，于-20 ℃條件下冷凍保存并處理分析。沉積物中的TP 含量采用高氯酸-硫酸硝化-鉬銻抗分光光度法測(cè)定[14]，TN含量采用硒粉-硫酸銅-硫酸鉀-硫酸消煮法[15]。沉積物樣品粒度采用Malvern 公司生產(chǎn)的Mastersize2000激光粒度儀（Malvern Instruments Ltd）測(cè)定。有機(jī)質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀-硫酸氧化-硫酸亞鐵滴定法測(cè)定[16]。

圖1 陽(yáng)澄湖沉積物采樣點(diǎn)位布置

1.2 陽(yáng)澄湖沉積物污染狀況評(píng)價(jià)

目前，沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽狀況評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，常用的評(píng)價(jià)方法有富集系數(shù)法、有機(jī)污染指數(shù)法、污染指數(shù)法等[17-18]。采用最多的有機(jī)污染指數(shù)法缺乏對(duì)沉積物磷的評(píng)價(jià)，本研究在采用有機(jī)污染指數(shù)法。評(píng)價(jià)陽(yáng)澄湖沉積物C，N 污染狀況的同時(shí)，采用污染指數(shù)評(píng)價(jià)沉積物P 的污染狀況。

（1）有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)

有機(jī)污染指數(shù)法通常被用來(lái)評(píng)價(jià)湖庫(kù)沉積物的營(yíng)養(yǎng)狀況，而ON 則是判斷沉積物受N 污染程度的重要指標(biāo)，見表1 和表2。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算方法：

表1 沉積物有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 沉積物有機(jī)氮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（2）污染指數(shù)法

污染指數(shù)法通常被用來(lái)評(píng)價(jià)各個(gè)污染因子的污染狀況，本研究中采用污染指數(shù)法對(duì)陽(yáng)澄湖沉積物TP 的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

式中：PIi為污染指數(shù)；Ci為沉積物中i 污染因子的實(shí)際測(cè)得質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Cis為污染因子i 在沉積物中的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。Cis有的參考加拿大沉積物評(píng)價(jià)指南中的相關(guān)規(guī)定[19]來(lái)取值，但該指南起初是用來(lái)評(píng)價(jià)海洋沉積物的生態(tài)毒性，對(duì)于湖庫(kù)沉積物而言并不是適用的，因此本研究參照國(guó)內(nèi)湖泊沉積物評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]，TP 的Cis取440 mg/kg，污染程度分級(jí)見表3。

表3 沉積物污染程度分級(jí)

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel2016 (美國(guó)微軟公司) 對(duì)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，用Origin9.0(Origin Lab 公司)繪制圖形。運(yùn)用R(Mathsoft 公司)分析統(tǒng)計(jì)沉積物中TN、有機(jī)質(zhì)（OM）和TP 之間的Pearson(雙側(cè)檢驗(yàn))相關(guān)系數(shù)，以探究它們之間的相關(guān)性。采樣點(diǎn)位圖與TN，TP 和OM 空間分布圖采用ArcGIS10.2(ESRI 公司)繪制完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 陽(yáng)澄湖沉積物顆粒物理性質(zhì)

取表層沉積物測(cè)定沉積物的基本物理指標(biāo)，見圖2。含水率能夠反映沉積物疏松特性，直接影響沉積物的再懸浮，進(jìn)而影響營(yíng)養(yǎng)鹽在沉積物與上覆水之間的重新分配[21-22]。有研究表明頻繁擾動(dòng)可以使沉積物含水率顯著增加[23]。陽(yáng)澄湖新鮮沉積物含水率在52.90%～86.02%之間波動(dòng)，新鮮沉積物平均含水率為68.78%。沉積物容重在1.04 ～1.60 g/cm3之間，均值為1.25 g/cm3。pH 值在7.10 ～7.75，均值為7.55，陽(yáng)澄湖沉積物偏弱堿性。沉積物平均粒徑約為13.99 μm，根據(jù)粒徑對(duì)沉積物物的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，陽(yáng)澄湖沉積物小于0.004 mm 的粘粒占19.68%，0.004 ～0.064 mm之間的粉粒占76.67%，大于0.064 的砂粒占3.64%。

圖2 陽(yáng)澄湖沉積物含水率、粒度、容重與pH 值

2.2 陽(yáng)澄湖表層沉積物TN 含量及其空間分布

陽(yáng)澄湖表層沉積物TN 含量見表4。TN 質(zhì)量比變化范圍為1 272.66 ～5 399.56 mg/kg，均值為3 046.65 mg/kg。變異系數(shù)是反映各個(gè)樣點(diǎn)之間的平均變異程度參數(shù)[24]，TN 的變異系數(shù)為42.25%，大于20%，說(shuō)明陽(yáng)澄湖沉積物TN 含量在其空間分布上具有一定的差異性，空間分布見圖3。圖3 顯示TN 呈現(xiàn)出從西湖向中湖、東湖增加的趨勢(shì)，陽(yáng)澄東湖沉積物總氮污染最為嚴(yán)重，最高值在采樣點(diǎn)L14 為5 399.56 mg/kg，均值為3 994.29 mg/kg。

表4 陽(yáng)澄湖表層沉積物中C,N,P 含量

圖3 陽(yáng)澄湖沉積物TN 含量的空間分布

2.3 陽(yáng)澄湖表層沉積物TP 含量及其空間分布

陽(yáng)澄湖沉積物TP 含量及空間分布分別見表4和圖4。表層沉積物TP 的質(zhì)量比變化范圍為412.15～1 425.54 mg/kg，均值為721.90 mg/kg，其含量變異系數(shù)為38.49%，TP 含量空間分布也存在一定的差異性。由圖4 可以看出，陽(yáng)澄湖沉積物TP 含量空間上表現(xiàn)出從陽(yáng)澄西湖到中湖、東湖遞減的趨勢(shì)，與陽(yáng)澄湖TN 在空間上的分布相反，導(dǎo)致陽(yáng)澄西湖TP 含量較高的原因是由于陽(yáng)澄西湖周邊入湖河道較多，這些入湖河道將大量的工業(yè)廢水和未被植物吸收利用農(nóng)田肥料及城市生活污水輸運(yùn)到陽(yáng)澄西湖，進(jìn)入水體的P 很快通過(guò)水相被水體中的懸浮顆粒物吸附，隨著懸浮物的沉降進(jìn)入沉積物中，導(dǎo)致區(qū)域沉積物中P 含量偏高。其次，陽(yáng)澄東湖生長(zhǎng)著大量的水生植被，這些植物在生長(zhǎng)旺季對(duì)生物可利用P 的需求量非常大，從而間接導(dǎo)致了東湖沉積物TP 含量低于其它2 個(gè)湖區(qū)。陽(yáng)澄西湖南部湖區(qū)及中湖南部湖區(qū)（采樣點(diǎn)L4 和L8 附近），TP 質(zhì)量比均高于1 000 mg/kg，L4采樣點(diǎn)TP 質(zhì)量比更是達(dá)到1 425.54 mg/kg，污染甚為嚴(yán)重。根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)保署（US EPA）所制定的相關(guān)污染標(biāo)準(zhǔn)，陽(yáng)澄湖沉積物TP 整體上已經(jīng)達(dá)到了重度污染（650 mg/kg），部分區(qū)域已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了重度污染的閾值。

圖4 陽(yáng)澄湖沉積物TP 含量空間分布

2.4 陽(yáng)澄湖沉積物OM 含量及其空間分布

沉積物OM 是湖泊水環(huán)境中比較重要的一種膠體。它能夠與重金屬、有機(jī)污染物等發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)(吸附、分配與絡(luò)合反應(yīng)等)，且能夠較好地反應(yīng)湖泊沉積物營(yíng)養(yǎng)狀況。底泥中的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下礦化分解，能夠增加湖泊中N，P 濃度導(dǎo)致水質(zhì)惡化或富營(yíng)養(yǎng)化。陽(yáng)澄湖表層沉積物OM含量及空間分布見表4 和圖5。陽(yáng)澄湖表層沉積物OM 的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.28%，其變化范圍為1.24%～27.55%，OM 的變異系數(shù)為103.38%，屬于高等變異強(qiáng)度，這表明陽(yáng)澄湖表層沉積物中OM 含量在空間分布上極度不均勻，離散性相對(duì)較大。OM 從陽(yáng)澄湖西湖到中湖、東湖呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，與沉積物TN 含量分布特征相一致，西湖到中湖變化平穩(wěn)，再到東湖迅速增加。東湖OM 含量最大值在L14 采樣點(diǎn)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)27.55%，L13 采樣點(diǎn)OM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也達(dá)到了27.42%，OM 污染相對(duì)比較嚴(yán)重。根據(jù)對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)與周邊環(huán)境的考察，陽(yáng)澄東湖在夏季生長(zhǎng)著大量的水生植被，植被在死亡后由于沒(méi)有及時(shí)清理打撈，致使在冬季死亡后的植物殘?bào)w沉降的沉積物表層，腐爛分解，從而出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)M 嚴(yán)重污染。

圖5 陽(yáng)澄湖沉積物OM 含量空間分布

2.5 陽(yáng)澄湖沉積物中TN，TP 和OM 相關(guān)性分析

為探究陽(yáng)澄湖沉積物中TN，TP 和OM 的相關(guān)性關(guān)系，利用R 軟件Corrplot 程序包對(duì)污染因子進(jìn)行pearson 相關(guān)性分析，其結(jié)果見圖6。陽(yáng)澄湖沉積物TN 和OM 呈顯著正相關(guān)（R2= 0.75，p ＜0.01），這與TN 和OM 含量從西湖向中湖、東湖增加的空間分布特征是一致。有關(guān)研究表明湖泊沉積物TN 中的70%～90%是以O(shè)N 的形式存在[25]，陽(yáng)澄湖沉積物TN 和OM 的相關(guān)關(guān)系從側(cè)面驗(yàn)證了這一研究結(jié)果。陽(yáng)澄湖沉積物TN 與TP 的相關(guān)性不大（R2=0.07，p ＞0.05），表明TN 和TP 可能具有不同的來(lái)源。OM 和TP 的相關(guān)性較?。≧2= 0.14，p ＞0.05），這表明TP 可能并不是主要由沉積物中的OM 的富集造成的，OM 主要來(lái)自于水生植被死亡殘?bào)w的分解，而P 則有可能來(lái)源于西湖周邊入湖河道排入的農(nóng)業(yè)面源及部分工業(yè)和生活污廢水。

圖6 陽(yáng)澄湖沉積物TN，TP 和OM 相關(guān)性

2.6 沉積物污染狀況

采用有機(jī)污染指數(shù)（OI）和污染指數(shù)法（PI）對(duì)陽(yáng)澄湖區(qū)、陽(yáng)澄西湖區(qū)、陽(yáng)澄中湖區(qū)和陽(yáng)澄東湖區(qū)4 個(gè)區(qū)域進(jìn)行沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽狀況評(píng)價(jià)，其結(jié)果見表5 和表6。

表5 陽(yáng)澄湖沉積物有機(jī)氮指數(shù)及OI

表6 陽(yáng)澄湖沉積物TP 的PI

由表5 可知，陽(yáng)澄湖全湖的ON 與OI 波動(dòng)范圍均較大，分別為0.12 ～0.51 和0.17 ～8.20 之間。ON和OI 整體處于污染狀態(tài)，但仍有部分區(qū)域處于清潔和尚清潔的狀態(tài)。OI在陽(yáng)澄西湖區(qū)處于尚清潔狀態(tài)，達(dá)到III 級(jí)。ON 在采樣點(diǎn)L2 和L3 處均處于較清潔的狀態(tài)，達(dá)到II 級(jí)。OI在采樣點(diǎn)L2 處于較清潔狀態(tài)，達(dá)到II 級(jí)，在L3 處于尚清潔狀態(tài)，達(dá)到III 級(jí)。

由表6 可知，陽(yáng)澄湖沉積物TP 的PI 變化范圍在0.94 ～3.24，均值1.69，盡管陽(yáng)澄東湖區(qū)處于中度污染狀態(tài)，但陽(yáng)澄西湖和陽(yáng)澄中湖處于重度污染狀態(tài)，導(dǎo)致湖區(qū)整體上污染較為嚴(yán)重，全湖區(qū)處于重度污染狀態(tài)。陽(yáng)澄湖作為蘇州市的重要飲用水源地，當(dāng)前的沉積物污染狀況不容忽視.對(duì)于污染較為嚴(yán)重的N，P 而言，湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖投放的餌料及魚、蟹排泄物及死亡的水生植被腐爛分解是一方面的原因，另一方面排放入湖河道的工農(nóng)業(yè)廢水及居民生活污水也增加了N，P 污染負(fù)荷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)的131家工業(yè)污染企業(yè)中，印染、電鍍、化工醫(yī)藥等重污染企業(yè)就有91 家，占企業(yè)總數(shù)的69%[26]。因此，陽(yáng)澄湖內(nèi)除了農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻(xiàn)外，流域內(nèi)城鎮(zhèn)生活污染水排放、活躍的工業(yè)活動(dòng)也是沉積物中N，P 的重要來(lái)源。因此，集中對(duì)這些工業(yè)企業(yè)進(jìn)行整治和實(shí)施清潔生產(chǎn)并對(duì)入湖河流進(jìn)行疏浚治理，嚴(yán)格控制陽(yáng)澄湖周邊入湖河道工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排放是陽(yáng)澄湖沉積物N，P 污染治理的關(guān)鍵措施。

3 結(jié)論

（1）陽(yáng)澄湖沉積物TN 和OM 空間上呈現(xiàn)出由西湖向中湖、東湖增加的趨勢(shì)，TP 空間分布與TN 相反。全湖沉積物N，P 污染嚴(yán)重，陽(yáng)澄湖作為重要的水源地其內(nèi)源污染負(fù)荷削減迫在眉睫。

（2）對(duì)陽(yáng)澄湖沉積物TN，TP 和OM 進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，其結(jié)果表明TN 和OM 具有顯著正相關(guān)（p ＜0.05），TN 和OM 在一定程度上具有同源性。

（3）采用OI 和PI 對(duì)陽(yáng)澄湖沉積物的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果表明陽(yáng)澄湖沉積物的ON 處于污染狀態(tài)，陽(yáng)澄西湖有機(jī)指數(shù)達(dá)到尚清潔狀態(tài)，其它2個(gè)湖區(qū)均處于有機(jī)污染狀態(tài)，陽(yáng)澄東湖TP 處于中度污染，其它2 個(gè)湖區(qū)處于重度污染狀態(tài)。