潘 雄，顧文俊，李 歡，胡 園，張 為，林 莉

(1.長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430010； 3.荊州市生態(tài)環(huán)境局，湖北 荊州 434000)

1 研究背景

富營養(yǎng)化是導(dǎo)致湖泊藍(lán)藻水華頻發(fā)的重要原因，嚴(yán)重影響了湖泊水生態(tài)系統(tǒng)和水體功能的穩(wěn)定[1]。我國是一個(gè)多湖泊國家，近年來，湖泊富營養(yǎng)化問題愈發(fā)突出。大量外源輸入的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在湖泊沉積物中沉降富集，超出了湖泊自身的修復(fù)凈化能力，這也使得許多湖泊的沉積物成為了氮磷污染的源和匯[2-4]。沉積物中積累的氮磷影響湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)，并間接反映湖泊水體污染狀況[5]。除此之外，氮磷在沉積物中的積累也顯著影響湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力，改變氮磷營養(yǎng)鹽在整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)[6-7]。因此，研究湖泊沉積物中碳氮磷含量與分布特征，對(duì)掌握其富營養(yǎng)化現(xiàn)狀與氮磷污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

洪湖所處的長江中下游地區(qū)是世界上湖泊富營養(yǎng)化問題最嚴(yán)重的區(qū)域之一[8-9]。洪湖水域面積332.7 km2，是湖北省第一大、中國第七大淡水湖。多年來，長期的圍湖造田、酷漁濫捕、過度養(yǎng)殖等不合理的開發(fā)利用以及上游來水污染的匯入，導(dǎo)致洪湖富營養(yǎng)化嚴(yán)重。目前關(guān)于洪湖沉積物中有機(jī)質(zhì)、氮、磷污染分布特征的研究很少，已有報(bào)道只是對(duì)洪湖湖區(qū)個(gè)別點(diǎn)位的分析，沒有就全湖范圍開展研究，也缺乏對(duì)導(dǎo)致洪湖富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標(biāo)的分析探討。如鄭煌等[10]采集了洪湖中部區(qū)域的一根沉積柱，重點(diǎn)關(guān)注洪湖沉積物各形態(tài)磷的垂直分布，研究發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)80年代以來，洪湖沉積物中磷主要來源于人類活動(dòng)。胡立嵩和祁士華[11]利用在洪湖東部湖區(qū)采集的一根70 cm沉積物柱，首次測定分析了洪湖沉積物氮磷含量的垂直分布。

為全面了解洪湖富營養(yǎng)化狀態(tài)，本文開展了洪湖湖區(qū)柱狀沉積物TN、TP 和有機(jī)質(zhì)的含量和空間分布特征研究，并評(píng)價(jià)了各營養(yǎng)鹽的污染等級(jí)，以期為洪湖富營養(yǎng)化的控制與治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

洪湖(29°39′N—30°12′N，113°7′E—114°05′E)地處江漢平原中下游，流域水系網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均降雨量約1 200 mm，其中近70%的降雨集中于每年的5—8月份。考慮到洪湖湖區(qū)出入湖水文特點(diǎn)，并參考洪湖現(xiàn)有國控及省控水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位，包括4個(gè)國控?cái)嗝?湖心A、湖心B、排水閘、楊柴湖)以及4個(gè)省控?cái)嗝?小港、下新河、藍(lán)田、桐梓湖)，于2019年10月在以上8個(gè)斷面中各設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，如圖1所示。利用重力式柱狀采泥器采集湖底0～50 cm柱狀沉積物樣品，并現(xiàn)場對(duì)采集的柱狀沉積物分5層取樣，每層10 cm，分別裝入聚乙烯封口袋中，4 ℃冷藏保存。樣品送達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，24 h內(nèi)冷凍干燥，充分研磨過200目(目是指每英寸篩網(wǎng)上的孔限數(shù)目)篩后，置于陰涼干燥處備用。

圖1 洪湖沉積物污染調(diào)查采樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Sampling sites in Honghu Lake for sediment pollution survey

2.2 樣品分析

沉積物TN的測定。稱取0.1 g沉積物樣品于25 mL比色管中，分別加入10 mL過硫酸鉀溶液，搖勻。置于高壓滅菌鍋，125 ℃下消解1 h。待樣品冷卻后轉(zhuǎn)入500 mL燒杯，用無氨水稀釋至500 mL。經(jīng)過常壓過濾，得濾液并調(diào)節(jié)pH值至7.0，參照《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法(試行)》(HJ/T 346—2007)[12]測定濾液TN含量，進(jìn)而測定沉積物TN。

沉積物TP的測定。用Ruban等[13]發(fā)展的沉積物磷形態(tài)分級(jí)連續(xù)浸提法(SMT)分級(jí)方法測定。首先將沉積物樣品置于瓷坩堝中高溫灼燒，冷卻后用3.5 mol/L的鹽酸溶液20 mL沖洗坩堝中的樣品，并將沖洗液全部轉(zhuǎn)移至離心管中，窒溫下振蕩16 h后離心，取一定體積的上清液，用0.45 μm水系濾頭過濾于25 mL比色管中定容，加濕色劑，采用鉬銻抗比色法測定。

沉積物有機(jī)質(zhì)的測定。參考《土壤有機(jī)質(zhì)測定法》(GB 9834—88)[14]分析測試。

2.3 污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

洪湖沉積物氮、磷污染現(xiàn)狀采用的TN和TP的綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.55和0.60 g/kg，與加拿大安大略省環(huán)境和能源部給出的沉積物中能引起最低級(jí)別生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)的TN和TP含量相一致(見表1)。單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式為：

Si=Ci/Cs；

(1)

(2)

式中：Si為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Si>1表明含量超過評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；Ci為評(píng)價(jià)因子i的實(shí)測值(g/kg)；Cs為評(píng)價(jià)因子i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(g/kg)，TN的Cs為0.55 g/kg，TP的Cs為0.60 g/kg；FF為綜合污染指數(shù)；F為n項(xiàng)污染物污染指數(shù)平均值(TN的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)STN和TP的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)STP的平均值)；Fmax為最大單項(xiàng)污染指數(shù)(STN和STP的最大值)。洪湖表層沉積物氮、磷污染評(píng)價(jià)及污染程度分級(jí)依據(jù)見表2。

表1 加拿大安大略省沉積物營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量基準(zhǔn)Table 1 Ontario quality baseline for nutrients in sediment

表2 表層沉積物綜合污染程度分級(jí)Table 2 Rating standard for comprehensive pollution of surface sediments

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPASS 19.0單因素方差分析(One Way ANOVA)進(jìn)行不同點(diǎn)位沉積物碳氮磷含量差異的顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)圖表制作在Origin 8.0與Excel 2010軟件中完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 沉積物中TN分布特征

非汛期采集洪湖柱狀沉積物，湖區(qū)TN含量在467.8～8 454.5 mg/kg之間，不同深度沉積物TN含量變化相差近18倍。分析洪湖湖區(qū)各采樣點(diǎn)0～50 cm柱狀沉積物TN含量變化(如圖2所示)，結(jié)果顯示其變異系數(shù)在49.1～113.2之間，且絕大部分地區(qū)表層0～20 cm的沉積物TN含量顯著高于20～50 cm段沉積物TN含量，其中表層0～10 cm沉積物TN含量在2 193～8 454.5 mg/kg之間，30～50 cm段沉積物TN含量則在467.8～2 337 mg/kg之間。進(jìn)一步比較洪湖各采樣點(diǎn)沉積物TN含量發(fā)現(xiàn)，隨著洪湖柱狀沉積物垂向深度增加，TN含量呈明顯下降趨勢，這與其他各種淡水湖沉積物TN含量垂向分布特征研究結(jié)果一致[15-17]。在沉積物深度0～30 cm范圍內(nèi)，各采樣點(diǎn)TN含量隨深度的增加而急劇下降，30 cm以下含量變化趨于穩(wěn)定，表明洪湖沉積物中氮在表層存在顯著的積累。

圖2 洪湖不同深度沉積物TN含量分布特征Fig.2 Distribution of TN content in sediments at different depths in Honghu Lake

鄭煌等[10]于2014年在洪湖中部較為穩(wěn)定的區(qū)域采集了一根沉積柱，分析其TN含量在1 480～4 920 mg/kg之間，遠(yuǎn)小于本項(xiàng)目對(duì)洪湖沉積物中TN含量調(diào)查結(jié)果。就全湖范圍來說，洪湖沉積物TN平均含量為2 167 mg/kg，高于太湖(1 748 mg/kg)、巢湖(1 818 mg/kg)等長江中下游地區(qū)典型富營養(yǎng)化湖泊[18-19]。對(duì)比近年來研究者在太湖、洞庭湖、鄱陽湖、巢湖等湖泊的調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鮮有湖泊表層沉積物TN含量>5 000 mg/kg，而洪湖湖區(qū)表層0～20 cm沉積物含量>5 000 mg/kg的地點(diǎn)占比一半。杜奕衡等[20]報(bào)道，白洋淀沉積物TN含量為1 230.8～9 559.0 mg/kg之間，平均值為2 379.5 mg/kg。與太湖、巢湖等典型富營養(yǎng)化湖泊不同的是，白洋淀水陸交錯(cuò)，淀內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，生長著大量的大型水生植物，如蘆葦、菹草等，它們長期腐爛累積可能是導(dǎo)致沉積物中氮素富集的重要原因。洪湖過去同樣常年生長大片水生植物，與白洋淀較為類似，再加上洪湖為半封閉性湖泊，上游污染來水停留時(shí)間較長，污染物易于沉積到湖泊底部，這些都可能是洪湖沉積物中TN含量不斷提升的重要原因[21-22]。在全國范圍內(nèi)，洪湖沉積物TN含量要較云貴高原地區(qū)湖泊低，這主要是因?yàn)樵瀑F高原湖泊沉積物氮的本底值較長江中下游地區(qū)高，如：對(duì)滇池全湖表層沉積物的調(diào)查顯示TN含量在1 775.4～22 384.1 mg/kg之間，其柱狀沉積物TN平均含量在1 266.9～3 242.7 mg/kg之間[23-24]，而常年水質(zhì)保持在Ⅰ類的撫仙湖，柱狀沉積物中TN 濃度的平均值在3 200～3 440 mg/kg之間[25]，均高于洪湖沉積物中氮的含量水平。

3.2 沉積物中TP分布特征

非汛期采集洪湖柱狀沉積物，湖區(qū)TP含量在502.7～1 252.4 mg/kg之間。分析各采樣點(diǎn)0～50 cm柱狀沉積物TP含量(如圖3所示)，其變異系數(shù)在8.3～32.4之間。在沉積物深度0～30 cm范圍內(nèi)，各采樣點(diǎn)TP含量隨深度的增加而急劇下降，沉積物深度>30 cm后其TP含量變化趨于穩(wěn)定，這一結(jié)果表明洪湖沉積物中磷總體上存在明顯的積累。胡立嵩和祁士華[11]采集洪湖東部湖區(qū)一根70 cm沉積柱，測得不同深度沉積物TP含量均在500～800 mg/kg范圍內(nèi)。鄭煌等[10]利用SMT法對(duì)洪湖中部區(qū)域采集的一根37 cm沉積柱進(jìn)行了TP的分析，其含量在427～963 mg/kg之間。二者均小于本文對(duì)洪湖沉積物TP含量調(diào)查結(jié)果，進(jìn)一步表明洪湖湖區(qū)沉積物中磷近年來存在明顯的積累。

圖3 洪湖不同深度沉積物TP含量分布特征Fig.3 Distribution of TP content in sediments at different depths in Honghu Lake

中國湖泊沉積物中的TP很少>750 mg/kg[26]，長江中下游地區(qū)湖泊沉積物磷的地質(zhì)背景則要更低。就全湖范圍來說，洪湖沉積物平均TP含量為693.8 mg/kg，略低于太湖流域湖泊(760 mg/kg)，高于白洋淀(608.4 mg/kg)，而與巢湖(691 mg/kg)、鄱陽湖(689 mg/kg)等含量水平相當(dāng)[17-18,27-28]。對(duì)比洪湖湖區(qū)8個(gè)采樣點(diǎn)沉積物TP含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除楊柴湖TP明顯偏高外，其他大部分地區(qū)與長江中下游流域內(nèi)湖泊磷沉積相當(dāng)。著名的富營養(yǎng)化湖泊太湖大部分湖區(qū)TP含量在1 000 mg/kg左右，顯著高于洪湖沉積物中TP含量[29]。

3.3 沉積物中有機(jī)質(zhì)分布特征

非汛期采集洪湖柱狀沉積物，湖區(qū)有機(jī)質(zhì)含量在5.0%～24.9%之間。分析各采樣點(diǎn)0～50 cm柱狀沉積物有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(如圖4所示)，各采樣點(diǎn)變異系數(shù)在21.9～69.4之間。表層20 cm以內(nèi)沉積物有機(jī)質(zhì)含量顯著高于20 cm以下，其中表層0～10 cm沉積物有機(jī)質(zhì)含量在9.5%～24.9%之間，而30～50 cm段沉積物有機(jī)質(zhì)含量則在5.0%～9.7%之間，有機(jī)質(zhì)含量平均值為9.6%。在沉積物深度0～30 cm范圍內(nèi)，各采樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量隨深度的增加而急劇下降，30 cm以下含量變化趨于穩(wěn)定。

圖4 洪湖不同深度沉積物有機(jī)質(zhì)含量分布特征Fig.4 Distribution of OM content in sediments at different depths in Honghu Lake

鄭煌等[10]對(duì)洪湖中部區(qū)域采集的一根37 cm沉積柱有機(jī)質(zhì)最小含量11.2%，最大含量則達(dá)到37.3%?？梢?，洪湖沉積物中有機(jī)質(zhì)含量有著顯著的下降，這可能是2016—2017年湖區(qū)養(yǎng)殖圍網(wǎng)拆除后的直接結(jié)果。分析各采樣點(diǎn)沉積物有機(jī)質(zhì)平均含量發(fā)現(xiàn)楊柴湖有機(jī)質(zhì)含量最高，其次是桐梓湖。楊柴湖和桐梓湖生長著大量沉水植物，沉水植物長期腐爛累積可能是導(dǎo)致其沉積物中有機(jī)質(zhì)富集的重要原因。2017年，苗慧等[19]對(duì)我國第五大淡水湖巢湖的調(diào)查報(bào)道指出其沉積物中有機(jī)質(zhì)含量范圍為1.8%～10.4%，平均含量5.9%，其中西湖片區(qū)有機(jī)質(zhì)范圍為1.8%～8.8%，平均值6.5%；東湖片區(qū)為2.3%～10.4%，平均值5.5%。巢湖是長江流域典型的富營養(yǎng)化湖泊，但其沉積物中有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)小于洪湖。同樣的，鄱陽湖表層沉積物中有機(jī)質(zhì)含量為0.4%～3.2%[30]，也遠(yuǎn)小于洪湖。2014年，楊洋等[28]報(bào)道太湖平均有機(jī)質(zhì)含量為10.5%，與洪湖相當(dāng)。太湖湖底有機(jī)質(zhì)含量偏高的主要原因在于周邊城市密布，工農(nóng)業(yè)廢水排放量大，湖區(qū)藻類凋亡沉降等[31]。洪湖素有“湖北之腎”的美稱，是國際重要濕地，歷史上湖底長年水草豐茂，面積曾多達(dá)44萬畝(1畝≈666.67 m2)，加上水面上的蓮、菱、芡實(shí)等浮葉植物，菰、葦、荻等挺水植物，相較于我國其他著名淡水湖泊而言，沉水植物長期腐爛累積現(xiàn)象尤為明顯，這可能是洪湖沉積物有機(jī)質(zhì)含量偏高的主要原因之一。因此可建議對(duì)重點(diǎn)區(qū)域如楊柴湖、桐梓湖、湖心A等考慮構(gòu)建圍網(wǎng)，減少有機(jī)質(zhì)等懸浮物隨風(fēng)浪進(jìn)行擴(kuò)散。

3.4 沉積物中氮磷污染評(píng)價(jià)

依據(jù)加拿大安大略省沉積物營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量基準(zhǔn)(表1)，采樣點(diǎn)湖心A、小港、楊柴胡、桐梓湖表層沉積物(0～20 cm)TN含量處于重度污染級(jí)別，其他采樣點(diǎn)表層沉積物(0～20 cm)TN含量處于中度污染級(jí)別。就TP含量而言，所有采樣點(diǎn)均處于中度污染級(jí)別，而所有采樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)均處于重度污染級(jí)別。根據(jù)加拿大安略省環(huán)境和能源部發(fā)布的綜合污染指數(shù)方法對(duì)洪湖表層沉積物(0～20 cm)氮、磷污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)[32]，結(jié)果如表3所示。洪湖湖區(qū)8個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物綜合污染指數(shù)均超過了2，為重度污染。其中8個(gè)采樣點(diǎn)氮的單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)均>2，為重度污染；磷的單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)除楊柴湖采樣點(diǎn)>1.5，為重度污染，其他各點(diǎn)為中度污染。依據(jù)洪湖內(nèi)源污染的調(diào)查與評(píng)價(jià)結(jié)果，可建議適當(dāng)調(diào)整游船的旅游線路，減少快艇等擾動(dòng)劇烈船只的出動(dòng)頻率，增加靜緩型游船的比例，減少對(duì)重污染區(qū)域的擾動(dòng)。

表3 洪湖表層沉積物綜合污染程度評(píng)級(jí)結(jié)果Table 3 Result of comprehensive pollution assessment for surface sediments in Honghu Lake

4 結(jié) 論

(1)洪湖的沉積物TN含量在467.8～8 454.5 mg/kg之間，平均值2 167 mg/kg；TP含量在502.7～1 252.4 mg/kg之間，平均值693.8 mg/kg；有機(jī)質(zhì)含量在5.0%～24.9%之間，平均值9.6%。

(2)在垂直空間上，洪湖沉積物碳、氮、磷含量均表現(xiàn)為表層富集特征，在表層0～20 cm深度范圍內(nèi)TN、TP、OM含量較高，之后隨深度的增加含量迅速降低。

(3)依據(jù)加拿大安大略省沉積物營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量基準(zhǔn)，洪湖近一半?yún)^(qū)域的沉積物 TN 為重度污染，一半為中度污染；洪湖沉積物 TP 屬于中度污染，有機(jī)質(zhì)屬于重度污染。目前來看，沉積物中氮和有機(jī)質(zhì)存在內(nèi)源釋放風(fēng)險(xiǎn)，在今后的研究中應(yīng)予以關(guān)注。