項(xiàng)文霞， 陳金國， 李 釗， 劉明昊， 干文俊， 江 勇

(1.湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡 438000； 2.黃岡市黃州區(qū)自然資源和規(guī)劃局，湖北 黃岡 438000；3.黃岡市生態(tài)環(huán)境局，湖北 黃岡 438021)

湖泊沉積物是氮、磷營養(yǎng)鹽的重要蓄積庫[1]。沉積物中氮、磷營養(yǎng)鹽與水體發(fā)生物質(zhì)交換，其含量和比例影響著水體浮游植物和藻類的群落結(jié)構(gòu)及發(fā)育速度，進(jìn)而影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)化[2-3]，因此研究湖泊沉積物中氮、磷分布特征對(duì)水體富營養(yǎng)化污染風(fēng)險(xiǎn)分析具有重要意義[4-5]。當(dāng)前關(guān)于湖泊氮、磷富營養(yǎng)化污染特征及其與水體相互作用關(guān)系的研究很多[6-10]，普遍認(rèn)為氮、磷是造成湖泊富營養(yǎng)化污染的主要物質(zhì)，湖泊沉積物向上覆水體中釋放氮、磷，進(jìn)而影響水質(zhì)狀況，但是沉積物中氮、磷的釋放強(qiáng)度與環(huán)境因素間的關(guān)系仍有待進(jìn)一步研究。

白潭湖位于黃岡市城東新區(qū)，是鄂東地區(qū)典型的城市湖泊，主要功能為水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉、調(diào)蓄水量，已納入湖北省第一批湖泊保護(hù)名錄。近幾年白潭湖受周邊地區(qū)生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)面源污染的影響，污染物的輸入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了湖水的承載范圍，湖泊沼澤化和富營養(yǎng)化漸趨嚴(yán)重。目前已有研究人員對(duì)該湖泊的水質(zhì)及水體污染特征進(jìn)行了調(diào)查研究[11-12]，但對(duì)于湖泊沉積物污染狀況及特征還未開展研究。本文通過對(duì)白潭湖表層沉積物進(jìn)行系統(tǒng)取樣分析，討論表層沉積物中的氮、磷含量和污染狀況，分析不同水環(huán)境條件下表層沉積物中氮、磷的釋放情況，能夠?yàn)楦雍侠淼乜刂坪磧?nèi)源污染提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白潭湖位于長江之濱，湖汊眾多，湖岸曲折，南北長4.0 km，東西寬3.1 km，水面面積4.38 km2，正常水位18.5 m，湖泊容量828萬m3，來水面積289.5 km2。湖泊流域區(qū)內(nèi)地形地貌比較單一，北部為低丘陵崗地，南部為平原湖區(qū)；地勢(shì)總體較平坦，海拔高度低，相對(duì)高差10～30 m。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年降雨量1 273.3 mm，降雨多集中在6—7月份。根據(jù)黃岡市環(huán)境質(zhì)量狀況報(bào)告(2020年)[13]顯示，白潭湖水質(zhì)已下降到Ⅴ類，呈現(xiàn)中度富營養(yǎng)化。2021年7月采樣測(cè)試結(jié)果顯示白潭湖水體主要遭受氮、磷污染[12]。

2 材料和方法

2.1 樣品采集

本次研究采集白潭湖表層沉積物。根據(jù)白潭湖水面分布和周邊環(huán)境狀況，將采樣點(diǎn)布設(shè)在湖心、入湖口、出湖口和其他具代表性的位置，共設(shè)置采樣點(diǎn)13個(gè)，編號(hào)B1-B13(圖1)。所有采樣點(diǎn)采用GPS定位儀進(jìn)行定位，取樣時(shí)間為2021年12月中旬，采樣方法參照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)[14]。使用抓斗式采泥器進(jìn)行采樣，將樣品直接裝入聚乙烯自封袋冷凍保存。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sample points

2.2 檢測(cè)方法及污染評(píng)價(jià)方法

白潭湖表層沉積物的檢測(cè)項(xiàng)目為總氮(TN)、總磷(TP)，檢測(cè)方法參照《土壤 總磷的測(cè)定 堿熔—鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)[15]和《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第二版)》[16]。

當(dāng)前湖泊沉積物污染評(píng)價(jià)常用富集系數(shù)法、有機(jī)指數(shù)法、污染指數(shù)法等。本次研究采用有機(jī)氮指數(shù)(ON)評(píng)價(jià)表層沉積物的氮污染，采用總磷污染指數(shù)(STP)評(píng)價(jià)表層沉積物的磷污染。

2.2.1有機(jī)氮指數(shù)評(píng)價(jià)

有機(jī)氮指數(shù)表征湖泊沉積物是否遭受氮污染的標(biāo)準(zhǔn)見表1，其計(jì)算公式[17]如下：

ON=TN×95%

(1)

需要說明的是，總氮含量單位為mg/kg，參與公式(1)計(jì)算時(shí)需將單位轉(zhuǎn)換為%。

表1 湖泊沉積物有機(jī)氮指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standards of organic nitrogen in sediments

2.2.2總磷污染指數(shù)評(píng)價(jià)

總磷污染指數(shù)衡量湖泊沉積物是否遭受磷污染的標(biāo)準(zhǔn)見表2，其計(jì)算公式如下：

STP=CTP/Cs

(2)

式中：CTP為總磷實(shí)測(cè)含量，mg/kg；Cs為總磷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，取值440 mg/kg[18]。

表2 湖泊沉積物總磷污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation standards of total phosphorus in sediments

2.3 氮、磷釋放強(qiáng)度模擬試驗(yàn)方法

開展湖泊沉積物中氮、磷釋放強(qiáng)度模擬試驗(yàn)選用的環(huán)境影響因素主要有溫度(T)、pH、溶解氧濃度(DO)、水體擾動(dòng)強(qiáng)度等[19-20]。根據(jù)本次研究實(shí)際情況，選擇溫度、pH、溶解氧濃度作為模擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境影響因素，并將溫度設(shè)定為3種水平：15、20、25℃；采用緩沖溶液來調(diào)節(jié)pH，將pH設(shè)定為3種水平：5、7、9；通過充入氮?dú)夂脱鯕鈦碚{(diào)節(jié)溶解氧濃度，將溶解氧濃度設(shè)定為2種水平：4 mg/L(厭氧)、6 mg/L(好氧)。試驗(yàn)裝置中水土比為4∶1，表層沉積物中氮、磷釋放強(qiáng)度值取兩次試驗(yàn)結(jié)果的均值。選取原水作為初始樣，每間隔12 h取樣1次，單次取樣量為100 mL，120 h后結(jié)束取樣。完成1次取樣后，立即用原水加至初始刻度。水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目為總氮、總磷，檢測(cè)方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[21]。

表層沉積物中氮、磷釋放強(qiáng)度計(jì)算公式[21]為：

(3)

式中：R為氮、磷釋放強(qiáng)度，mg/m2；V為試驗(yàn)容器中水的體積，mL；Cn為第n次取樣時(shí)水樣總氮、總磷濃度，mg/L；C0為原水總氮、總磷濃度，mg/L；Vj-1為第(j-1)次取樣體積，取值均為100 mL;Cj-1為第(j-1)次取樣時(shí)總氮、總磷濃度，mg/L；A為試驗(yàn)容器中水與沉積物的接觸面積，m2。

3 結(jié)果與分析

3.1 表層沉積物氮、磷含量特征

檢測(cè)結(jié)果顯示，白潭湖表層沉積物中總氮含量為1 030～3 580 mg/kg，均值為1 886 mg/kg；總磷含量為813～1 920 mg/kg，均值為1 214 mg/kg。表層沉積物中氮、磷空間分布狀況如圖2所示，總體上氮、磷分布不均勻，總氮含量高值點(diǎn)(>3 000 mg/kg)主要分布于湖心及東南區(qū)域，總磷含量高值點(diǎn)(>1 200 mg/kg)以湖心向東、東南區(qū)域輻射。已有相關(guān)研究結(jié)果[7,22-23]表明，太湖、巢湖、鄱陽湖等城市湖泊沉積物的總磷含量均值為608～760 mg/kg，白潭湖表層沉積物與之相比，總磷含量明顯更高，存在較大的磷污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 白潭湖表層沉積物總氮、總磷含量分布圖Fig.2 Distribution map of total nitrogen and total phosphorus in surfacial sediment of Baitan Lake

3.2 表層沉積物氮、磷污染評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算出白潭湖表層沉積物的氮、磷污染評(píng)價(jià)指標(biāo)(表3)，結(jié)果顯示表層沉積物有機(jī)氮指數(shù)為0.098%～0.340%，均值為0.251%，其中>0.133%的點(diǎn)位占總數(shù)的92%；總磷污染指數(shù)為1.85～4.36，均值為2.76，全部>1.5。因此白潭湖表層沉積物的氮污染程度為污染(Ⅳ級(jí))，磷污染程度為重度污染(4級(jí))，說明表層沉積物可能構(gòu)成白潭湖水體

表3 白潭湖表層沉積物氮、磷污染評(píng)價(jià)結(jié)果表Table 3 Evaluation results of nitrogen and phosphorus pollution in surfacal sediments of Baitan Lake

氮、磷污染的內(nèi)源。該湖泊表層沉積物遭受氮、磷污染最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)楹闹翓|南區(qū)域，氮、磷污染如此分布可能受水體流速和含氮磷污水排泄的影響。湖心區(qū)域水位深，水體流速小，導(dǎo)致泥沙等易于沉積且淤積時(shí)間長；湖泊東南角有連通渠，水流從連通渠進(jìn)入白潭湖后，過水?dāng)嗝孀兇?，水體流速變小，導(dǎo)致湖泊東南區(qū)域泥沙等易于沉積；而相關(guān)區(qū)域及附近曾為白潭湖漁場(chǎng)，養(yǎng)殖歷史久遠(yuǎn)，推測(cè)養(yǎng)殖廢水的長期排放導(dǎo)致含氮磷物質(zhì)逐漸在沉積物中富集，從而導(dǎo)致湖心至東南區(qū)域的表層沉積物遭受嚴(yán)重的氮、磷污染。

3.3 環(huán)境因素對(duì)表層沉積物氮、磷釋放的影響

3.3.1溫度的影響

開展了基于不同溫度(15、20、25℃)條件下的白潭湖表層沉積物氮、磷釋放強(qiáng)度試驗(yàn)，繪制了氮、磷釋放強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線(圖3)。從圖3可以看出，水體溫度升高對(duì)表層沉積物中氮、磷釋放強(qiáng)度影響明顯，釋放強(qiáng)度呈現(xiàn)R3(T=25℃)>R2(T=20℃)>R1(T=15℃)的特點(diǎn)，說明水溫越高，氮、磷越容易釋放。其次，隨著時(shí)間的加長，氮、磷釋放強(qiáng)度不斷提高，在試驗(yàn)72 h后，表層沉積物氮、磷釋放強(qiáng)度逐步趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果顯示，25℃溫度條件下，表層沉積物的平均釋磷強(qiáng)度為20.0 mg/m2，是15℃溫度條件下表層沉積物平均釋磷強(qiáng)度(7.8 mg/m2)的2.5倍。溫度對(duì)表層沉積物釋磷影響機(jī)理較為復(fù)雜[23-25]，總的來看，一方面溫度升高提高了表層沉積物中有機(jī)物的礦化速率和可溶性磷的活性，導(dǎo)致可溶性磷加速釋放至水體中；另一方面溫度升高時(shí)表層沉積物中微生物活性增強(qiáng)，代謝產(chǎn)生的有機(jī)磷活化酶螯合基也會(huì)促使有機(jī)態(tài)磷的分解，促使磷向上覆水體中釋放[25]。

3.3.2pH的影響

圖4 不同pH條件下氮、磷釋放強(qiáng)度變化曲線Fig.4 The release intensity curve of nitrogen and phosphorus under different pH conditions

3.3.3溶解氧濃度的影響

4 結(jié)論

(1) 白潭湖表層沉積物中總氮含量為1 030～3 580 mg/kg，總磷含量為813～1 920 mg/kg，總氮和總磷含量高值點(diǎn)主要分布于湖心和東南區(qū)域。

圖5 不同溶解氧濃度條件下氮、磷釋放強(qiáng)度變化曲線Fig.5 The release intensity curve of nitrogen and phosphorus under different DO conditions

(2) 有機(jī)氮指數(shù)顯示白潭湖表層沉積物中氮污染等級(jí)為Ⅳ級(jí)(污染)，總磷污染指數(shù)顯示磷污染等級(jí)為4級(jí)(重度污染)，均處于高污染水平。建議對(duì)白潭湖采取清淤治理。

(3) 開展不同溫度、pH、溶解氧濃度等條件下的表層沉積物氮、磷釋放強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果顯示隨著溫度的升高，氮、磷釋放強(qiáng)度增大；在堿性或酸性條件下，氮、磷釋放強(qiáng)度高于中性條件；在低濃度溶解氧條件下，氮、磷釋放強(qiáng)度較大。建議夏季要重點(diǎn)關(guān)注氮、磷的內(nèi)源釋放污染。