張志強(qiáng)

(衡水學(xué)院生命科學(xué)系，河北 衡水 053000)

近年來(lái)，隨著人類活動(dòng)的加劇及氣候的變化，對(duì)河流、湖泊等水環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，其中最為突出的影響就是富營(yíng)養(yǎng)化[1]。富營(yíng)養(yǎng)化本是河流、湖泊自然演化過(guò)程中的一種自然現(xiàn)象，但是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)造成大量污染物質(zhì)的流入，超過(guò)了河流、湖泊自身的自凈能力，從而大大地加速了富營(yíng)養(yǎng)化的進(jìn)度[2]。富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)造成藻類的過(guò)度繁殖、水體溶解氧下降、動(dòng)植物的大量死亡。而氮和磷含量超標(biāo)是水體富營(yíng)養(yǎng)化的直接威脅因子[3]。水體中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物物質(zhì)會(huì)沉積到水體底部，從而使沉積物成為氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存庫(kù)[4]。當(dāng)沉積物受到風(fēng)浪擾動(dòng)、溫度急劇變化或者厭氧的情況下，就會(huì)加速向水體中釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而對(duì)水體形成“二次污染”[5]。

目前，衡水湖的水位較淺，平均水深約為2～3m。衡水湖周邊河流眾多，但是沒(méi)有常年注水的徑流，每年只能依靠引用黃河水或者岳城水庫(kù)的水向衡水湖注水。常年引水帶來(lái)的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉積到衡水湖湖底，成為衡水湖“二次污染”的來(lái)源。一旦水位下降、水溫升高、溶解氧下降等情況發(fā)生，沉積物中各種物質(zhì)的含量就會(huì)造成湖水水質(zhì)下降。因此，為了治理和恢復(fù)衡水湖的水生態(tài)健康，除了對(duì)外源治理，還需要考慮湖泊內(nèi)源的治理。本次研究衡水湖上覆水水質(zhì)因子與沉積物理化特性的相關(guān)性，對(duì)衡水湖水體保護(hù)具有重要意義。

1 研究區(qū)域概述

衡水湖位于河北省衡水市，是華北平原上第1個(gè)國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)，同時(shí)也是華北地區(qū)珍稀鳥類和濕地生物多樣性保護(hù)的重要基地。衡水湖由東湖和西湖2個(gè)湖區(qū)組成，湖面面積約75km2，總庫(kù)容達(dá)1.88億m3。東湖被一條人工隔堤分為大庫(kù)和小庫(kù)2部分，其中大庫(kù)面積32.36km2，庫(kù)容9100萬(wàn)m3，小庫(kù)面積10.14km2，庫(kù)容3200萬(wàn)m3。衡水湖補(bǔ)水來(lái)源以引水為主，并以黃河水為主要來(lái)源。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)衡水湖的生態(tài)分布特征，按一定規(guī)則劃分網(wǎng)格進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)，將衡水湖劃分為深水區(qū)、沉水植物區(qū)和挺水植物區(qū)。其中，沉水植物區(qū)設(shè)計(jì)2個(gè)采樣點(diǎn)(H1、H2)，挺水植物區(qū)設(shè)計(jì)3個(gè)采樣點(diǎn)(H3、H4、H5)，深水區(qū)設(shè)計(jì)4個(gè)采樣點(diǎn)(H6、H7、H8、H9)。具體采樣見(jiàn)圖1。

圖1 衡水湖采樣位點(diǎn)分布圖

2.2 樣品采集與預(yù)處理

2022年8—10月對(duì)衡水湖進(jìn)行樣品的采集，采集頻率為每月2次。

2.2.1 水樣的采集

用有機(jī)玻璃取水器在水面以下50cm處采集水樣1000mL，裝入提前清洗過(guò)的樣品瓶中，加入硫酸，酸化至pH<2，在4℃的冰箱中保存待測(cè)。

2.2.2 沉積物的采集

選取抓斗式采泥器采取表層沉積物。樣品裝入干凈的聚乙烯袋，排出袋中空氣封口標(biāo)記，保存于保溫箱中，立即帶回實(shí)驗(yàn)室。將沉積物樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，用冷干機(jī)進(jìn)行冷干，剔除雜物，研磨過(guò)100目篩后裝瓶密封，低溫(4℃)保存待用。

2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

對(duì)上覆水的水溫、pH、DO、NH4+-N、TN、TP、COD、TOC等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。其中，pH值采用玻璃電極法測(cè)定；DO采用便攜式溶氧儀法測(cè)定；NH4+-N采用納氏試劑分光法測(cè)定；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定；TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定；COD采用重鉻酸鹽滴定法測(cè)定；TOC采用燃燒氧化-非分散紅外法測(cè)定。

對(duì)沉積物中pH、NH4+-N、TN、TP、TOC等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。其中，pH值采用玻璃電極法測(cè)定；NH4+-N采用納氏試劑分光法測(cè)定；TN采用凱氏定氮法測(cè)定；TP采用SMT法提取加鉬酸銨分光光度法測(cè)定；TOC采用燃燒氧化-非分散紅外法測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 上覆水水質(zhì)因子測(cè)定結(jié)果

衡水湖上覆水各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。由表1可知，衡水湖pH值變化范圍為7.96～8.67，平均值為8.33，水體成弱堿性；不同生態(tài)區(qū)平均pH值相差不大，排布情況表現(xiàn)為深水區(qū)>挺水植物區(qū)>沉水植物區(qū)。衡水湖溶解氧的變化范圍為4～8.9mg·L-1，平均值為6.65mg·L-1；不同生態(tài)區(qū)的溶解氧存在一定的差異，其中，挺水植物區(qū)溶解氧平均含量最高，為7.2mg·L-1，沉水植物區(qū)溶解氧平均含量最低，為6.05mg·L-1。衡水湖總氮含量變化范圍為0.73～1.79mg·L-1，平均值為1.22mg·L-1；不同生態(tài)區(qū)平均總氮含量相差不大，排布情況表現(xiàn)為沉水植物區(qū)>深水區(qū)>挺水植物區(qū)。衡水湖總磷含量變化范圍為0.064～0.14mg·L-1，平均值為0.092mg·L-1；不同生態(tài)區(qū)的總磷含量存在一定的差異，其中沉水植物區(qū)和深水區(qū)的總磷含量明顯高于挺水植物區(qū)。衡水湖TOC含量變化范圍為12.64～17.92mg·L-1，平均值為14.87mg·L-1；不同生態(tài)區(qū)平均TOC含量相差不大，排布情況表現(xiàn)為挺水植物區(qū)>深水區(qū)>沉水植物區(qū)。衡水湖氨氮含量變化范圍為0.092～0.407mg·L-1，平均值為0.196mg·L-1；其中，挺水植物區(qū)的氨氮平均含量為0.147mg·L-1，沉水植物區(qū)氨氮平均含量為0.167mg·L-1，深水區(qū)氨氮平均含量為0.241mg·L-1，深水區(qū)氨氮平均含量高于沉水植物區(qū)和挺水植物區(qū)。衡水湖COD含量變化范圍為14.9～30.56mg·L-1，平均值為21.12mg·L-1；不同生態(tài)區(qū)平均COD含量相差不大，排布情況表現(xiàn)為沉水植物區(qū)>深水區(qū)>沉水植物區(qū)。

表1 衡水湖上覆水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.2 沉積物理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

衡水湖沉積物測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。衡水湖沉積物pH值變化范圍為7.46～7.85，平均值為7.66；其中，挺水植物區(qū)pH值為7.65，沉水植物區(qū)pH值為7.66，深水區(qū)pH值為7.67，不同生態(tài)區(qū)pH值無(wú)明顯差異。衡水湖沉積物中總氮含量為443.1～2422.1mg·kg-1，總氮平均值為1345.3mg·kg-1；挺水植物區(qū)和深水區(qū)的總氮含量均高于1300mg·kg-1，而沉水植物區(qū)的總氮含量低于1000mg·kg-1。尹德超等研究發(fā)現(xiàn)白洋淀表層沉積物底泥層TN含量均值為2859.91mg·kg-1，與同為華北平原的白洋淀相比，衡水湖沉積物中總氮含量明顯偏低[6]。相關(guān)資料顯示，武漢黃家湖、貴州百花湖、大慶大通湖泊總氮平均值在800mg·kg-1左右，大通湖甚至達(dá)到1.2g·kg-1[7-9]，相對(duì)來(lái)說(shuō)衡水湖沉積物中總氮含量偏高。衡水湖沉積物中總磷平均含量為495.92mg·kg-1，其中，沉水植物區(qū)總磷平均含量最低，為400.2mg·kg-1，而挺水植物區(qū)和深水區(qū)總磷平均含量分別為520.9mg·kg-1和533.34mg·kg-1，兩者之前差異不大。相關(guān)資料顯示，長(zhǎng)沙市梅溪湖表層沉積物中總磷含量為512.60±281.39mg·kg-1，衡水湖沉積物中總磷含量與其相差不大[10]。衡水湖沉積物中TOC含量介于9.63～21.62g·kg-1，平均含量為14.92g·kg-1；其中，挺水植物區(qū)的TOC平均含量為14.38g·kg-1，沉水植物區(qū)的TOC平均含量為17.36g·kg-1，而深水區(qū)的TOC平均含量最低，為13.9g·kg-1。衡水湖沉積物中氨氮含量介于52.2～451.2mg·kg-1，平均值為243.31mg·kg-1，不同生態(tài)區(qū)氨氮含量排序?yàn)樯钏畢^(qū)>沉水植物區(qū)>挺水植物區(qū)。

表2 衡水湖沉積物主要化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.3 上覆水水質(zhì)因子與沉積物理化特性相關(guān)性分析

采用Spearman相關(guān)系數(shù)法對(duì)衡水湖上覆水水質(zhì)因子與沉積物理化特性進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算結(jié)果用秩相關(guān)系數(shù)rs進(jìn)行表示，其中rs介于-1～1，rs<0為負(fù)相關(guān)，rs>0為正相關(guān)，絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)[11]。衡水湖上覆水水質(zhì)因子與沉積物理化特性相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表3，由表3可知，水體總磷與沉積物總磷呈極顯著正相關(guān)，水體總磷與沉積物總氮呈顯著正相關(guān)；水體總氮與沉積物總氮呈極顯著正相關(guān)；水體溶解氧與沉積物總氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，水體溶解氧與沉積物氨氮呈顯著正相關(guān)；水體pH與沉積物pH呈極顯著正相關(guān)，水體pH與沉積物氨氮呈顯著正相關(guān)；水體TOC與沉積物TOC呈極顯著正相關(guān)；水體氨氮與沉積物氨氮呈顯著相關(guān)。衡水湖水體中溶解氧與沉積物總氮、沉積物總磷呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明高溶解氧有利于抑制沉積物中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放。衡水湖水體中總氮與沉積物中總氮呈極顯著正相關(guān)，水體中總磷與沉積物中總磷呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明衡水湖沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放成為衡水湖污染的主要來(lái)源，因此在有效控制外源的情況下，加強(qiáng)對(duì)內(nèi)源污染的防控。

表3 衡水湖上覆水水質(zhì)因子與沉積物理化特性相關(guān)性分析

4 結(jié)果與建議

對(duì)衡水湖上覆水進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，衡水湖pH值變化范圍為7.96～8.67；溶解氧變化范圍為4～8.9mg·L-1；總氮含量變化范圍為0.73～1.79mg·L-1；總磷含量變化范圍為0.064～0.14mg·L-1；TOC含量變化范圍為12.64～17.92mg·L-1，平均值為14.87mg·L-1；氨氮含量變化范圍為0.092～0.407mg·L-1，平均值為0.196mg·L-1；COD含量變化范圍為14.9～30.56mg·L-1，平均值為21.12mg·L-1。

衡水湖沉積物中pH平均值為7.66，沉積物中總氮平均值為1345.3mg·kg-1，沉積物中總磷平均含量為495.92mg·kg-1，沉積物中TOC平均含量為14.92g·kg-1，沉積物中氨氮平均值為243.31mg·kg-1。

衡水湖水體中總氮與沉積物中總氮呈極顯著正相關(guān)，水體中總磷與沉積物中總磷呈極顯著正相關(guān)，水體pH與沉積物pH呈極顯著正相關(guān)，水體中TOC與沉積物中TOC存在極顯著正相關(guān)，說(shuō)明衡水湖沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放成為衡水湖污染的主要來(lái)源，因此需加強(qiáng)對(duì)內(nèi)源污染的防控。