2019, Vol. 40
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司, 苏州 215128
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Jiangsu Taihu Planning and Design Institute of Water Resources Co., Ltd., Suzhou 215128, China
氮和磷是水生生物赖以生存的必需元素, 也是水体富营养化的限制因素; 有机质则影响环境介质中污染物的迁移和转化行为[1].沉积物是氮和磷等生源要素的重要储存库, 上覆水体中的氮磷吸附在悬浮颗粒物表面, 在重力作用下随着颗粒物沉降至沉积物中, 当沉积物-水界面环境条件(pH、溶解氧、氧化还原电位和温度等)发生变化时, 沉积物蓄积的营养盐以及污染物会进入上覆水, 增加水体氮磷负荷, 进而恶化水体环境[2, 3].碱解氮和有效磷易被植物或藻类生长所利用, 一定程度上可反映沉积物中营养盐内源释放潜力[4].
基于沉积物营养盐含量, 前人开展了沉积物污染等级及风险评价, 其中综合污染指数法和有机指数法应用较为广泛.黄廷林等[5]和于佳佳等[6]采用综合污染指数法发现水源水库和太湖流域河流均处于重度污染状态, 卢少勇等[7]、张光贵等[8]和余辉等[9]利用有机指数和有机氮评价法发现长寿湖存在有机氮污染, 而洞庭湖和洪泽湖则处于尚清洁状态.这些研究阐明了河流、湖库沉积物中营养盐污染状态及其程度, 并识别出关键污染因子.
沉水植物具有降低水体氮磷营养盐、增加溶解氧、提高透明度、促进悬浮颗粒物沉降、抑制底泥再悬浮与藻类生长等水质改善功能, 但在其死亡阶段大量营养盐以及有机碎屑再次进入沉积物中, 在水动力作用下沉积物再悬浮会导致二次污染[10].目前, 国内外学者已经开展了湖泊、河流和水库等沉积物中氮磷营养盐空间分布特征和释放机制研究[7, 10~12], 但有关沉水植物分布区沉积物营养盐分布特征及其污染评价研究仍有待加强.胥口湾是苏州市重要的水源地, 也是沉水植物生长的区域.本研究采用野外调查与室内分析相结合的方法, 探讨胥口湾表层沉积物中营养盐空间分布特征, 评价其污染等级及其风险, 确定其来源, 并提出相应的控制策略, 以期为胥口湾污染物排放管控、水质提升提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况太湖属于典型的多生态类型湖泊, 根据生境差异可将其分为不同的湖区：北部以竺山湾和梅梁湾为代表的“藻型湖区”、以胥口湾、东太湖为代表的“草型湖区”以及中间过渡区[13].胥口湾位于太湖东南部, 湖区西面毗邻西山岛, 西北部和西南部与大太湖相连通, 其湾周边分布的新麓港、寺前港、黄墅港和西大缺港等闸口与出湖河流相连通, 同时也是苏州市重要的水源地.胥口湾水生植被生长旺盛, 空间分布范围广, 且沉积物以含有机碎屑的软泥为主[14].近年来, 由于大太湖藻类入侵、持续高水位以及水生植被打捞、收割等人类活动影响, 水生植被多样性呈下降趋势, 其空间分布面积萎缩, 且主要分布在东北部湖区.
1.2 样品采集及处理分析2018年6月, 借助全球定位系统(GPS)在胥口湾布设60个采样点(图 1).利用彼得森采泥器, 采集表层沉积物样品(0~10 cm), 将混合后的样品放入干净的聚乙烯自封袋中冷冻保存运回实验室.沉积物样品用冷冻干燥机冻干, 经玛瑙研钵研磨处理后过100目(0.154 mm)尼龙筛保存待测, 总氮(TN)采用半微量开氏法测定, 总磷(TP)采用HClO4-H2SO4法测定, 采用碱解扩散法测定沉积物中的碱解氮(AN), 沉积物中有效磷(AP)的测定则采用钼锑比色法, 有机质(OM)采用重铬酸钾容量法测定.为保证测定结果的准确性和精度, 对样品进行了重复分析, 所有样品分析误差均小于10%, 符合质量控制要求, 所有分析结果均以沉积物干重计.
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图 1 太湖胥口湾采样点位置示意 Fig. 1 Location of the sampling sites in Xukou Bay, Lake Taihu |
综合污染指数法是以单项评价指数为基础, 整体考虑总氮、总磷共同对水体沉积物的污染影响, 以研究区域未受人类污染和破坏时, 水体沉积物中总氮、总磷实测值的平均值作为评价标准值, 对沉积物中总氮、总磷的综合污染状况进行评价, 沉积物综合污染程度分级标准见表 1.计算方法如下：
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表 1 沉积物综合污染程度分级标准[16] Table 1 Standard of comprehensive pollution index in sediments |
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式中, Si为单项评价指数; Ci为第i种营养盐实测含量; Cs为环境质量评价标准, 由于缺少胥口湾总氮和总磷的背景值, 故选取太湖流域沉积物总氮和总磷的背景值作为该区域背景值, 即TN的Cs=670 mg·kg-1, TP的Cs=440 mg·kg-1[15]; F为n项评价指数平均值, FMAX为最大单项评价指数.
1.3.2 有机指数法和有机氮评价法有机指数法是表征水体沉积物环境状况的重要指标, 由有机氮和有机碳两个部分组成.沉积物有机氮和有机指数评价分级标准分别见表 2, 其计算表达式为：
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表 2 沉积物有机氮与有机指数评价标准[17] Table 2 Evaluation standards of organic nitrogen and organic index in sediments |
有机氮(%)=总氮(%)×0.95
有机碳(%)=有机质(%)/1.724
有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)
1.4 统计分析本研究描述性统计参数包括平均值、最小值、最大值、标准差和变异系数(CV), 利用ArcGIS 10.2绘制表层沉积物营养盐的空间分布图及营养盐污染状况空间分布图; 利用SPSS 22.0软件, 计算沉积物有机质与营养盐之间的Pearson系数.
2 结果与讨论 2.1 草型湖区表层沉积物营养盐空间分布胥口湾表层沉积物营养盐含量空间差异大(图 2), 其中TN含量变幅为262.2~2 979.6 mg·kg-1, 平均值为1 027.5 mg·kg-1, 变异系数为50.1%, 东北部湖区表层沉积物中TN含量较高; TP含量变幅为41.2~728.7 mg·kg-1, 平均值为423.2 mg·kg-1, 变异系数为29.6%, 东北部、中部和西南部沿岸湖区表层沉积物中TP含量较高. AN含量变幅为8.6~150.0 mg·kg-1, 平均值为46.4 mg·kg-1, 变异系数为54.3%, 东北部湖区以及东部湖湾区表层沉积物中AN含量较高, 这与TN的空间分布特征较一致; AP含量变幅为4.4~36.4 mg·kg-1, 平均值为15.3 mg·kg-1, 变异系数为39.7%, 与TP空间分布趋势基本一致, 即北部和中部湖区含量较高.
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图 2 胥口湾表层沉积物营养盐的空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of nutrients in the surface sediments of Xukou Bay |
水生植物生物量及其空间分布是影响沉积物营养盐含量动态变化的重要因素.通常, 水生植物生物量对沉积物中氮含量影响较大, 二者具有较好地正相关关系, 但对沉积物中总磷含量影响不明显[18, 19].胥口湾东北部湖区水生植物生长繁茂、密度较高、生物量较大, 沉积物中TN含量也较高; 然而TP含量变化不明显.因此, 东北部湖区表层沉积物中TN含量与该区域水生植被相关密切.水生动植物死亡凋落、腐烂分解后的营养物质经过长时间的沉降积累进入湖泊沉积物中, 加之沉水植物根系拦截、固定作用, 导致胥口湾东北部表层沉积物中TN含量升高.胥口湾表层沉积物碱解氮和有效磷的空间分布与总氮和总磷大致相似, 但在局部也有不同, 这可能与湖区氧化还原条件、微生物种类和数量存在差异有关[20, 21].
与国内其他湖泊(水库)相比(表 3), 胥口湾表层沉积物中TN平均含量高于洪泽湖和太湖全湖平均, 低于巢湖、鄱阳湖和洞庭湖; TP平均含量较低, 低于鄱阳湖、巢湖、洪泽湖和太湖全湖平均, 但其含量高于洞庭湖.可见, 胥口湾表层沉积物中TN含量仍相对较高, 特别是东北部湖区, 由于胥口湾是苏州市重要的水源地, 对水环境安全, 尤其是取水口水质有更高要求, 因此, 胥口湾沉积物中总氮内源污染负荷应加强管控.
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表 3 不同湖库表层沉积物营养盐含量对比 Table 3 Comparison of nutrient contents in surface sediments from different lakes and reservoirs |
通常, 环境介质中OM来自生活和农业污水、水生植物以及陆源植物碎屑, 是反映沉积物有机营养程度的重要指标[9]. OM可吸附、络合重金属和持久性有机污染物, 使这些污染物活性、生态风险增加.胥口湾表层沉积物中OM含量变幅为3 727.9~50 145.1 mg·kg-1, 均值为17 096.6 mg·kg-1, 变异系数为51.7%.在空间分布上, 胥口湾中部湖区表层沉积物OM含量低, 东北部、西南部湖区则较高(图 3).由于东北部湖区水生植被密布、生物量大, 水生植被凋落残体堆积是导致该湖区表层沉积物中OM含量高的主要原因; 此外, 沉水植物阻碍了水体流动, 减少了沉积物中营养盐与上覆水体交换, 为水生植被腐烂残体堆积创造了有利的水动力条件, 也是该区域表层沉积物中OM含量高的重要原因.西南部湖区受到西山岛城镇居民生活污水排放、农业面源污染以及土地利用类型的影响, 导致该湖区表层沉积物中OM含量也较高.与国内其他湖库相比(表 3), 胥口湾表层沉积物中OM平均含量高于鄱阳湖、洪泽湖和太湖全湖平均, 低于洞庭湖, 可见, 胥口湾表层沉积物中有机质含量相对较高, 特别是东北部和西南部湖区, 可能会对该湖区水质和水生态安全产生较大的影响.
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图 3 胥口湾表层沉积物有机质的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of organic matters in the surface sediments of Xukou Bay |
基于TN、TP以及综合污染评价标准(表 1), STN、STP和FF平均值分别为1.75、0.91和1.57, 胥口湾表层沉积物整体分别处于中度污染、轻度污染和中度污染状态. TN在绝大多数样点(90%)均处于污染状态, 其中轻度、中度和重度污染采样点分别占35%、33.3%和21.7%; TP处于轻度、中度和重度污染状态的采样点分布占51.7%、36.7%和3.3%.胥口湾表层沉积物营养盐综合污染程度处于轻度、中度和重度污染状态的采样点占45%、25%和16.7%, 表明胥口湾表层沉积物中营养盐的内源负荷不容忽视. TN中度、重度污染的湖区主要位于东北部和西南部湖区, 其他湖区多为低污染状态, 这与综合污染评价指数结果较一致, 可见, TN是胥口湾表层沉积物中的主要污染物. TP污染的空间分布相对单一, 除北部湖区部分属于中度污染, 其他湖区处于轻度污染状态(图 4).东北部湖区TN污染较重与该湖区水生植被分布集中、水生生物量大密切相关; 西南部湖区TN污染较重则可能与西山岛村镇居民的生活污水直接排入湖区以及农业面源污染物降雨径流入湖有关.
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图 4 胥口湾表层沉积物营养盐综合污染指数 Fig. 4 Comprehensive pollution index for nutrients in the surface sediments of Xukou Bay |
胥口湾表层沉积物的有机指数变化范围为0.005~0.823, 平均值为0.156, 整体处于较清洁状态; 有机氮变化范围为0.025%~0.283%, 平均值为0.112%, 整体也处于较清洁状态.在所有采样点中, 6.7%的样点处于有机污染状态, 清洁的占13.3%, 较清洁的占68.3%, 尚清洁的占11.7%; 20%的样点处于有机氮污染状态, 处于清洁状态的占2.3%, 较清洁的占10%, 尚清洁的占66.7%.这表明胥口湾表层沉积物有机污染状态整体较轻, 但湖区内仍有部分区域污染较严重.由图 5可知, 有机氮和有机指数在空间分布上具有较好地一致性, 均呈现出东北部湖区的污染高于其他湖区的特点, 即东北部湖区处于污染状态, 而其余湖区则处于无污染状态.东北部湖区沉水植被生长茂盛, 水生生物量大, 该湖区有机污染和有机氮污染严重与生物沉积密切相关.
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图 5 胥口湾表层沉积物有机指数及有机氮 Fig. 5 Organic index and organic nitrogen in the surface sediments of Xukou Bay |
从生物沉积角度来看, 沉积物中C/N值可反映有机质来源差别, 有纤维束植物碎屑C/N值大于20, 无纤维束植物C/N值为4~12, 浮游动物C/N值小于7, 浮游植物C/N值为6~14, 藻类C/N值为4~10[5].一般认为沉积物C/N>10时有机质以陆源为主, C/N < 10时以内源为主, C/N≈10时内、外源有机质基本达到平衡状态[24].胥口湾表层沉积物C/N值分布范围为4.8~18.0(图 6), 均值为9.96, 近半数采样点(48.3%)的C/N值>10, 则表明胥口湾沉积物内、外源的有机质基本达到平衡状态.同时, 绝大多数样点(98.3%)的C/N均处于4~12, 表明胥口湾表层沉积物有机质主要来自于无纤维束植物和浮游植物.西南部湖区表层沉积物中C/N值较高, 表明该区域受外源输入影响较大, 即西山岛生活污水等陆源OM进入水体后无法迅速彻底分解而沉积下来(图 3), 是造成C/N值较高的重要因素.
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图 6 胥口湾表层沉积物C/N及C/P值的空间分布 Fig. 6 Distribution of C/N and C/P ratios in the surface sediments of Xukou Bay |
C/P值可反映沉积物中有机碳、磷化合物的分解速率以及磷形态[5].胥口湾表层沉积物中C/P值分布范围为5.4~205.8(图 6), 平均值为26.5.胥口湾东北部和西南部湖区表层沉积物中C/P值较大, 西山岛生活污水、农业废水排放等导致有机质在沉积物表层积累, 形成表层富集现象, 导致西南部湖区C/P值增大; 东北部湖区水生生物凋亡后, 生物中磷快速分解释放, 尤其是Fe/Al-P和OP, 而有机质的分解则较慢[1], 使得沉积物中有机质相对累积, 因此该湖区表层沉积物中C/P值也较高.
2.3.2 沉积物营养盐相关性分析由表 4可知, 胥口湾表层沉积物中OM、TN和AN之间存在较高程度的相关性(P < 0.01), 表明OM、TN和AN具有相似的污染来源; 而TP与TN、OM之间的相关性弱, 表明TP与TN、OM的污染来源可能不具有同源性.基于磷空间分布特征以及大太湖总磷平均含量[22]比较, 表明大太湖总磷平均含量高于胥口湾湖区, 且胥口湾作为太湖的出水湖区, 大太湖的水流携带了大量悬浮颗粒物, 由太湖大桥断面进入到胥口湾区域, 水流流速变缓, 水体中悬浮颗粒物在重力作用下逐渐沉积, 并在表层沉积物累积, 因此临近太湖大桥区域沉积物中磷含量相对较高, 这不同于胥口湾表层沉积物中氮较均匀的空间分布特征(图 2), 表明大太湖的污染物输移对氮磷空间分布影响程度存在差异, 也可能是因为动力作用下氧化还原条件的变化促使悬浮颗粒物吸附的氮处于硝化-反硝化不断交替中, 导致悬浮颗粒物中氮损失, 而氧化还原条件的变化对磷元素影响相对小.胥口湾表层沉积物中的有机质和总氮则主要由于东北部湖区水生植被生长茂盛, 水生生物的残骸、凋落物等腐烂分解后使得表层沉积物中的OM和TN含量增加, 即与水生植被空间分布以及水生生物量密切相关.
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表 4 胥口湾表层沉积物有机质与营养盐的Pearson相关系数1) Table 4 Pearson's correction coefficients for organic matter and nutrients in the surface sediments of Xukou Bay |
2.4 草型湖区沉积物营养盐污染重点控制区域与建议
总氮是胥口湾表层沉积物中的主要污染物, 且东北部、西南部湖区污染较严重; 尽管表层沉积物有机污染整体较轻, 但在东北部部分湖区仍较严重, 且该区域邻近浦庄取水口, 取水产生的定向湖流可能会导致底泥再悬浮以及污染物进入上覆水.因此, 该湖区表层沉积物中有机污染仍需加强管控.胥口湾东北部湖区氮污染、有机污染主要是由于该湖区水生植被茂盛、水生生物残骸和凋落物大量腐烂沉积引起; 西南部湖区总氮污染则与西山岛生活污水排放、农业面源污染等人为活动有关, 西山岛多以果树和茶树种植为主, 传统的施肥方式造成了该地区农业面源污染, 再加上金庭镇污水处理设施不完善, 居民生活污水大量排放进入湖区.
胥口湾东北部湖区以及西南部湖区是总氮、有机质污染较严重的区域, 而污染产生的原因各异.因此, 需要采取不同污染治理措施减轻总氮和有机污染.就东北部湖区而言, 应该加强该湖区水生植被结构优化调控, 根据水生植物的生长规律, 定期对生长茂盛的水生植物进行收割, 消除因水生植物死亡、凋落以及腐烂分解造成的二次污染, 从而降低该区域表层沉积物中总氮、有机污染.对于西南湖区, 一方面投入资金, 改造金庭镇污水处理厂基础设施, 使得分散型生活污水纳管, 然后实行集中处理, 提高污水处理厂的生活污水处理能力与效率, 减少生活污水的直接入湖量; 另一方面, 对于茶果园产生的农业面源污染, 首先要改变施肥方式, 由过去的撒施改为挖坑深施, 其次是根据果园坡降, 开挖沟渠, 拦截直接入湖的降雨径流量.有研究表明, 底泥疏浚能够在一定程度上去除表层沉积物中的营养盐和有机质, 降低其污染程度和生态风险[25, 26].胥口湾西南部湖区是总氮污染的高风险区域, 且底泥深度在50 cm以上, 这为污染底泥生态疏浚提供了有利条件, 可对该区域的污染底泥进行适当疏浚, 消除表层沉积物中总氮污染.
3 结论(1) 胥口湾表层沉积物总氮和有机质含量相对较高, 且东北部湖区营养盐含量高于其他湖区, 而东北部和西南部湖区有机质含量较高.
(2) 总氮、总磷单项评价指数表明, 胥口湾表层沉积物处于中、轻度污染状态; 综合污染指数处于中度污染状态.胥口湾东北部湖区表层沉积物处于有机氮和有机污染状态.
(3) 有机质、总氮含量与同区域水生植物生长状态有关, 而磷空间分布与大太湖来水有关.基于总氮、有机质含量空间分布与污染来源, 应加强水生植被结构优化调控与生活污水管控、削减农业面源污染以及生态疏浚污染底泥.
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