在我国的各种水环境问题中，最为突出的是湖泊富营养化^[1]. 沉积物是湖泊内源营养盐蓄积库和缓冲器，而沉积物中的有机质则是参与营养盐生态系统过程中最为活跃的化学成分之一^[2]. 沉积物中的有机质矿化会影响N、 P等营养盐的释放^[3]. 沉积物中有机质的组成和结构影响着营养盐、 污染物在水生态系统中的吸附/解吸、 迁移转化过程，在湖泊富营养化及其修复过程中扮演重要角色.

因密度不同，土壤和沉积物中的有机质可分为轻组有机质(LFOM)和重组有机质(HFOM)，二者的环境效应不同^[4]. LFOM主要包括那些新形成、 易降解的植物碎屑，一般密度小于2.0 g ·cm^-3； 而HFOM主要包括那些吸附在矿质表面或者掩蔽在土壤团聚体里面的难降解有机质^[5]. LFOM和HFOM在氮磷的循环上发挥着不同的作用. LFOM具有较高的周转速率、 相对高的碳氮比和显著较低的相对密度,50%以上的土壤微生物和酶活性与LFOM有关^[6]. LFOM是无机氮的潜在汇，而HFOM是潜在可矿化氮的主要来源，LFOM中平均有机磷含量是整个土壤有机质的1.5倍，远小于碳和氮，因此通常情况下,土壤中LFOM的选择性降解也会导致磷在土壤中的净固定^{[6, 7, 8]}. 而HFOM具有更强的磷固定能力^[6].

湖泊沉积物中有机质含量和组分特征也会影响沉积物氮、 磷的释放，研究沉积物有机质的组分特征对认识湖泊的富营养化机制有重要意义. 沉积物净矿化氮量和净矿化磷量要远高于土壤，这是因为沉积物有机氮、 磷含量远高于土壤^[6]. 沉积物LFOM含量与磷释放能力有关，HFOM含量与氮释放有关^{[9, 10, 11]}. 虽然沉积物中LFOM的有机碳和TN含量占沉积物总有机碳和TN含量的比例低于土壤，但对沉积物氮、 磷矿化的影响很大^{[12, 13, 14]}. 洱海的研究表明，沉积物磷释放潜能随着沉积物中有机质含量的增加而增大，而沉积物磷的最大释放速率及最大释放量均随沉积物中LFOM含量的增加而增大^[11,12].

“香灰土”是浙江、 江苏等地民间对高有机质、 土质疏松、 适宜种植茶树的土壤的一种称谓^[15]，明朝有关茶的诗词中已有提及^[16]. 杭州西湖底泥有机质含量很高、 容易再悬浮^[17]，管理部门和当地群众称其为“香灰土”沉积物. 由于城市湖泊沉积物有机质含量可以高于自然湖泊5倍以上^[12]，“香灰土”沉积物是杭州西湖等城市湖泊治理中的难点所在. 杭州西湖在采取了环湖截污、 底泥疏浚及钱塘江引水工程使外污染源得到了较大的控制，但水体营养盐浓度仍然很高^[18,19]. 杭州市政府于1999~2003年对西湖实施了1950年以来的第三次疏浚，尽管底泥有机质含量有所降低，但与其他城市内湖相比，其含量仍然很高^[19].

本研究通过对杭州西湖不同湖区底泥有机质的轻、 重组分特征和底泥氮磷营养盐含量的分析，以及与国内相关富营养化浅水湖泊底泥有机质含量特征的比较，探讨浅水湖泊沉积物有机质在湖泊富营养化及其修复中的作用，以期为我国城市湖泊的生态修复提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 采样点概况

杭州西湖东临杭州市城区，其余三面环山，南北长3.2 km，东西宽约2.8 km，面积6.39 km²，平均水深2.2 m，水体容量约为1 429万m³,属亚热带季风气候区^[19]. 西湖底质是一种有机质含量特别高的湖沼相沉积^[17]，入湖河流都是短小的溪涧，主要补水河流有金沙涧、 龙泓涧和长桥溪. 1.2 样品采集

在西湖的不同湖湾布设8个采样点(如图 1). 样点代表性特征如表 1. 利用柱状采样器采集40 cm左右的沉积物柱状样，上岸后按照0~2、 2~5、 5~10、 10~15、 15~20、 20~25、 25~30、 30~35 cm分层切割，样品装入封口袋带回实验室. 样品经风干、 研碎后进行总氮、 总磷、 有机质含量的测定，选取表层(0~2 cm)、 中层(5~10 cm)和底层(25~30 cm)泥样进行有机质的轻组、 重组分离.

图 1

Fig. 1

图 1 西湖沉积物采样点位置示意 Fig. 1 Location of the sediment sampling sites at West Lake

表 1(Table 1)

表 1 西湖采样点基本概况 Table 1 Description of the sampling sites at West Lake 采样湖区 编号 地理坐标 水深/m 自然概况 小南湖 XH1 30.139 47°N，120.082 74°E 1.7 引水入口区 茅家埠 XH3 30.145 39°N，120.074 45°E 1.5 新开湖区，引水入口区 西里湖 XH4 30.147 12°N，120.078 79°E 2.2 沉积历史长 外湖南 XH5 30.142 30°N，120.084 28°E 1.8 沉积历史长 外湖中 XH6 30.148 77°N，120.087 53°E 2.0 沉积历史长，2000年疏浚过 外湖北 XH7 30.153 59°N，120.089 42°E 1.5 沉积历史长，2000年疏浚过 北里湖 XH8 30.154 93°N，120.085 34°E 1.6 相对封闭，引水死角，未疏浚 岳湖 XH9 30.150 89° N，120.078 38°E 0.8 引水入口区，底质改造过

表 1 西湖采样点基本概况 Table 1 Description of the sampling sites at West Lake

沉积物含水率测定采用105℃烘干法. 沉积物风干、 研碎样品中总氮、 总磷的测定采用碱性过硫酸钾消解、 分光光度法^[20]. 沉积物有机质总量(OM)的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法测定^[21].

LFOM和HFOM均采用比重分离法测定^[22]. 称取1 g 过 20 目筛风干样品于50 mL已称重的离心管中，加入20 mL比重为1.7的NaI溶液，超声波分离10 min，4 200 r ·min^-1下离心10 min，将悬浮物经GF/A滤膜(马弗炉450℃烧4 h)过滤收集LFOM. 再往离心管中加入 10~20 mL NaI 溶液，按同样步骤分离、 离心和收集LFOM(重复 2~3 次). 将收集的LFOM用 0.01 mol ·L^-1 CaCl₂溶液淋洗(共约200 mL)，再用蒸馏水淋洗至无 Cl^-反应(用 AgNO₃溶液检验，白色絮状沉淀). 将LFOM连同滤膜，60℃下烘干(24 h)，称重，重铬酸钾外加热法测定其有机质含量，获得LFOM含量. 沉积于离心管底的HFOM测定时，加入0.01mol ·L^-1 CaCl₂，充分搅拌后离心10 min，倒掉上清液后重复3次至无I^-反应(用 AgNO₃溶液检验，黄色絮状沉淀)，再以蒸馏水离心1次，将离心管于60℃下烘干(24 h)，称重，重铬酸钾外加热法测定其有机质含量，即HFOM含量.

2 结果与讨论 2.1 含水率及其剖面变化

沉积物的含水率如图 2所示. 从中可知，沉积物的含水率在27%~88%之间变化. 8个不同湖区沉积物的含水率不同，其中茅家埠和岳湖沉积物的平均含水率较低，分别为54%和43%，因为这两个区域属“西湖西进”及“印象西湖”工程改造区，茅家埠成湖时间约10年，又是引水入口区，水体透明度高，浮游藻类相对少，沉积慢； 而岳湖因“印象西湖”工程实施，对底泥进行了疏浚，并进行了部分覆土改造，底质相对较硬.

图 2

Fig. 2

图 2 西湖沉积物含水率、 总氮、 总磷、 有机质含量的垂直变化 Fig. 2 Vertical profile of water content,total nitrogen (TN),total phosphorus (TP) and organic matter (OM) content in sediment cores of West Lake

外湖南、 北里湖和西里湖沉积物的平均含水率较高，分别为84%、 80%和75%(图 2)，与这些湖区的湖相沉积历史长、 淤积厚度大有关.

垂直方向，岳湖和茅家埠两个沉积历史短的区域沉积物含水率随着深度增加很快速地下降，说明底泥淤积的历史短，厚度小. 而其余湖区底泥含水率随深度增加的下降趋势并不明显，反映了西湖长期沼泽化形成的深厚淤泥层问题. 2.2 氮、 磷含量及分布

沉积物中TP和TN 含量能指示湖泊历史上的富营养化程度. 西湖8个湖区沉积物总氮如图 2所示. 与国内相关富营养化湖泊相比^[10,23]，西湖沉积物的总氮含量非常高，各层底泥中氮含量在1 064~11 921 mg ·kg^-1范围内变化，平均值为5 259 mg ·kg^-1，其中外湖南和西里湖的沉积物总氮含量较高，垂向平均分别为8 465 mg ·kg^-1和6 986 mg ·kg^-1，北里湖沉积物氮含量也比较高，垂向平均值为6 057 mg ·kg^-1，岳湖沉积物总氮含量最低，垂向平均值仅为2 036 mg ·kg^-1. 茅家埠沉积物氮污染也比相对较轻，垂向平均值为3 256 mg ·kg^-1.

垂向上，沉积物中TN含量并未出现一般湖泊表现出的随深度增加而快速下降的特征，而是总体下降趋势不明显，8个点位中有5个点位表现出下层高于表层的特征. 这一方面表明在2003年疏浚之后，近年来西湖氮污染有明显下降，另一方面也反映出西湖沉积物氮污染的复杂性，如此大量的氮蓄积在西湖底泥中，对西湖的水质影响必然很大.

与氮的情况不同，西湖底泥中磷的含量并不是突出的高(图 2). 8个样点55个分层沉积物样品的磷平均含量为630 mg ·kg^-1. 与之相比，长江中下游地区22个湖泊底泥总提取态磷含量为885 mg ·kg^-1[24]. 底泥磷含量的最大值为1 641 mg ·kg^-1(小南湖次表层底泥)，最低值为267 mg ·kg^-1(西里湖最底层底泥). 泥柱平均来看，由高到低的顺序为小南湖(1 033 mg ·kg^-1)、 茅家埠(748 mg ·kg^-1)、 岳湖(724 mg ·kg^-1)、 外湖南(660 mg ·kg^-1)、 外湖中(538 mg ·kg^-1)、 西里湖(507 mg ·kg^-1)、 外湖北(456 mg ·kg^-1)、 北里湖(401 mg ·kg^-1).

特别值得关注的是，水质较差的北里湖、 外湖北总体磷含量反而较低，而水质最好的小南湖表层磷含量却是最高. 小南湖沉积物总磷平均含量为1 033 mg ·kg^-1，最大值出现在3~5 cm，为1 641 mg ·kg^-1. 北里湖、 外湖北、 外湖中等点位的磷含量相对较低，说明西湖的水体透明度、 营养盐含量等并不完全受底泥因素的影响，还可能受换水状况、 扰动状况、 渔业状况、 水生植被状况等的影响. 小南湖表层磷的高值非常值得关注，可能该区域存在一定强度的磷污染源，如周边的园林绿化或者观赏鱼区污染等. 小南湖换水周期很快，周边既有大量的园林绿地，也有“花港观鱼”水系大量的鲤鱼存在，都可能对表层底泥磷富集产生影响. 而茅家埠也是换水量仅次于小南湖的湖区，周边也有大量园林绿地. 但具体原因仍需进一步调查. 2.3 有机质含量及分布

沉积物的有机质总量高低是内源污染的一个重要指标. 西湖8个湖区沉积物有机质如图 2所示. 与过去调查反映的情况一样^[17]，西湖沉积物的有机质含量仍较高，总体上有机质含量在28~251 g ·kg^-1之间变化，8个湖区沉积物泥柱平均有机质含量由高到低依次为：外湖南(251 g ·kg^-1)、 西里湖(215 g ·kg^-1)、 北里湖(144 g ·kg^-1)、 外湖中(132 g ·kg^-1)、 小南湖(117 g ·kg^-1)、 外湖北(87 g ·kg^-1)、 茅家埠(58 g ·kg^-1)、 岳湖(28 g ·kg^-1).

与一般湖泊表层有机质高、 下层低的规律不同的是，西湖底泥普遍存在底泥有机质含量随深度增加而增加的现象，如小南湖、 北里湖、 外湖南、 外湖中、 外湖北和西里湖(图 2). 这种规律可能与西湖底泥大量有机质积累历史长、 多次疏浚的情况有关. 特别是1999~2003年的再次疏浚，使表层有机质含量明显下降，但对历史遗存的高有机质含量底泥并未彻底清除. 这也说明大规模疏浚也很难改变西湖这种一千多年来城市湖泊长期有机质淤积形成高腐殖质底质的格局. 与李震宇1995年的调查相比^[17]，小南湖、 西里湖的有机污染甚至还有所加剧，表明西湖底泥有机污染控制的难度很大. 2.4 有机质轻、 重组分特征

西湖8个湖区沉积物(每个湖区选取表层、 中层和底层进行分析)轻组和重组有机质含量如表 2所示. 无论是LFOM，还是HFOM，与沉积物总有机碳的关系都比较密切，其皮尔逊相关系数分别为0.73和0.94(P=0.001，n=24). 相比较而言，重组有机质与总有机质的关系更密切，二者的总量也比较接近. 轻组有机质可以代表新鲜有机质部分，因量级小，波动大，相关系数略低一些.

表 2(Table 2)

表 2 西湖8个湖区沉积物轻组和重组有机质含量 /g ·kg-1 Table 2 Contents of LFOM and HFOM in eight sediment cores of West Lake/g ·kg-1 样点1) LFOM (0~2 cm) LFOM (5~10 cm) LFOM (底层) 1) LFOM平均 HFOM (0~2 cm) HFOM (5~10 cm) HFOM (底层) HFOM平均 XH1 4.59 4.13 4.69 4.47 71.51 67.56 129.61 89.56 XH3 1.61 2.63 2.75 2.33 61.98 59.88 39.83 53.90 XH4 1.45 3.79 0.57 1.94 172.48 194.13 82.43 149.68 XH5 1.26 2.75 9.17 4.39 89.12 166.63 347.41 201.05 XH6 1.37 1.95 2.52 1.95 144.43 92.41 176.87 137.90 XH7 1.15 1.03 1.72 1.30 69.96 77.90 95.74 81.20 XH8 1.03 1.49 1.38 1.30 126.93 134.40 143.07 134.80 XH9 1.37 0.92 0.92 1.07 39.71 36.59 5.35 27.22 1)XH1~XH9这8个泥柱底层对应的泥层深度分别为25~30、 20~25、 30~35、 30~35、 25~30、 30~35、 15~20、 20~25 cm深度泥层

表 2 西湖8个湖区沉积物轻组和重组有机质含量 /g ·kg-1 Table 2 Contents of LFOM and HFOM in eight sediment cores of West Lake/g ·kg-1

由表 2数据可知：西湖湖区沉积物LFOM含量在0.57~9.17 g ·kg^-1范围内变化，平均占总有机质含量的2.83%. 点位泥柱平均值从大到小依次为小南湖、 外湖南、 茅家埠、 外湖中、 西里湖、 北里湖、 外湖北、 岳湖. LFOM样点泥柱平均值在总有机质中所占比例为0.95%~4.76%，大小依次为小南湖(4.76%)、 茅家埠(4.14%)、 岳湖(3.78%)、 外湖南(2.14%)、 外湖北(1.57%)、 外湖中(1.39%)、 西里湖(1.28%)、 北里湖(0.95%).

HFOM有机质含量总体占总有机质含量的90%，最高为347.41 g ·kg^-1，出现在外湖南泥柱的底层，该泥柱的总有机质含量也是8个点位中最高的. 而最低值仅为5.35 g ·kg^-1，出现在岳湖的底层泥中，该层底泥总有机碳也很低，应该已经采到该点的底层生土层.

从垂向上看，总体上表层的LFOM高一些，而下层HFOM高一些. 但规律不是特别明显，有些反常的情况，如XH5下层LFOM非常高，而XH9下层HFOM非常低. 这是因为有机质轻重组分测定时泥层没有连续，底层属性与其他层的差别可能较大. 2.5 有机质组分与氮、 磷的关系

无论是LFOM，还是HFOM，均与沉积物总氮含量关系密切(图 3). 这说明沉积物中的有机质积累与氮的积累密切关联，有机氮是沉积物中总氮的主要成分. 相比较而言，HFOM与总氮的相关性更好，皮尔逊相关系数为0.89(P<0.001，n=24)，而LFOM与总氮的相关系数为0.64(P=0.001，n=24). 这表明重组有机质可能含有较多的有机氮，是沉积物氮的一种重要赋存形式. 而轻组有机质也含有较多的易矿化的氮. 据杨春霞等^[6]实验研究，轻组有机质的矿化分解有利于底泥氮的释放，轻组有机质去除后氮的矿化释放能力可以下降15%~40%^[6]. 这相对于LFOM占总有机质的比例而言，贡献很大.

图 3

Fig. 3

图 3 西湖沉积物氮、 磷含量与LFOM及HFOM的关系 Fig. 3 Relationship between nitrogen and phosphorus contents and LFOM and HFOM contents in sediments of West Lake

总体上，磷与LFOM及HFOM的关系明显较氮与二者的关系差，表明沉积物中磷的积累受到的影响因素更多，有机质吸附态或者有机磷只是底泥蓄积磷中的一部分. 与氮不同，磷与LFOM的相关关系明显好于与HFOM的(图 3). 磷与LFOM的皮尔逊相关系数为0.25(P=0.24，n=24). 而剔除了XH5下层LFOM异常高值后(LFOM=9.17 g ·kg^-1)，相关系数为0.51(P=0.01，n=23)，达到显著相关. 而总磷与HFOM的相关系数为-0.20(P=0.34，n=24)，剔除异常高值后为-0.20(P=0.37，n=23)，仍不显著. 这说明有机质对沉积物中磷的控制主要体现与轻组有机质. 杨春霞等^[6]的实验研究表明，剔除了LFOM后，底泥磷的释放量下降了50%~74%，显示出极大的决定作用. 2.6 西湖有机质与其他湖泊的对比

西湖是一个历史悠久的城市浅水湖泊. 尽管历史上疏浚不断，但是大多数疏浚都是在湖泊面临沼泽化或者污染不能忍受的条件下实施的，所以西湖底泥的有机质积累量非常高^[17]. 这是西湖底泥具备“香灰土”特质的前提.

与长江中下游湖泊、 洱海、 太湖、 白洋淀、 南四湖，以及西辽河底泥的有机质含量、 轻重组有机质含量相比^{[9, 10, 12, 25]}，西湖的有机质含量、 HFOM含量均是最高的(图 4). 从图 4可以看出，水体的水力停留时间等水文交换能力对底泥有机质含量有很大的控制能力. 西辽河、 鄱阳湖、 洞庭湖、 太湖、 洪泽湖等过水型湖泊底泥有机质含量都比较低，而白洋淀、 南四湖、 洱海等相对缺水地区湖泊的有机质含量偏高，沼泽化的可能性较大. 玄武湖、 月湖、 西湖等城市湖泊总体上有机质含量更高，总有机质含量介于58.7~136.9 g ·kg^-1之间，平均值显著高于其余非城市湖泊(平均值为28.7 g ·kg^-1).

图 4

Fig. 4

图 4 西湖底泥有机质及其组分含量与相关水体的对比 Fig. 4 Comparison of organic matter fractions of sediment from West Lake with related water bodies in China

HFOM因代表了有机质中的主要部分，其含量特征与有机质含量一致. 而LFOM的含量则不同，与总有机质含量、 HFOM的含量关系不大(图 4). 月湖、 玄武湖、 鄱阳湖及西湖的含量相对较高. 由于LFOM在底泥氮、 磷污染释放上的特殊作用，这种高LFOM底泥具有更强的氮磷释放潜力，对湖泊富营养化生态修复的阻碍能力更强.

3个城市湖泊相比，杭州西湖有机质含量尤其高，即便是在大规模疏浚之后，现存的底泥及下层底泥中有机质含量仍很高^[19]. 作为一个有一千多年历史积淀的城市湖泊，西湖流域一致得到较好的保护，少有大量无机颗粒物冲刷入湖，而流域植被繁茂，植物凋落物多，有机质来源丰富，以及大量莲、 藕等水生植物凋落物沉积到湖底，使得杭州西湖具有悠久的高有机质污染负荷历史. 经历了千年的降解与沉淀，形成西湖独特的有机质含量高、 重组有机质比例高、 底泥总体密度轻、 营养盐含量高等特征的“香灰土”特质. 西湖“香灰土”的存在，为西湖富营养化控制、 水质改善都增加了难度. 无论是在湖泊富营养化治理的技术选择上，还是在考量底泥的污染贡献上，城市湖泊都有其特殊性. 简单的疏浚很难改变西湖“香灰土”的基本特征，需要进一步实施底泥改性技术、 生态系统调控技术等其他相关措施，以达到水质明显改善的目标.

3 结论

(1)杭州西湖“香灰土”沉积物具有有机质含量高、 氮含量高、 磷含量较高的特征，有机质与氮污染之间关系密切. 与长江中下游等相关湖泊对比，西湖沉积物中有机质含量及氮含量都非常高.

(2)西湖沉积物中重组有机质平均占总有机质的90%，总含量平均为109.41 g ·kg^-1，最高为347.41 g ·kg^-1，在国内报道的相关湖泊中也是最高的. 重组有机质含量与氮含量显著相关，与磷相关性差. 轻组有机质含量在0.57~9.17 g ·kg^-1范围内变化，平均占总有机质含量的2.83%，与国内相关湖泊相比不算高，低于玄武湖、 月湖等城市湖泊. 轻组有机质含量与磷存在显著相关，与氮的关系也很密切，表明对西湖内源氮、 磷释放上具有重要的作用.

(3)与其他城市湖泊相比，西湖轻组有机质平均含量较低，腐殖化程度高，更难分解，西湖这种高有机质含量、 高度腐殖化、 高营养盐含量的“香灰土”底质为水体营养水平控制增加了难度.

致谢： 感谢杭州西湖水域管理处在野外工作中的帮助，感谢施坤、 李枫、 薛静琛在野外采样和实验中的帮助.