镇江市地处长江和京杭大运河“十字黄金水道”的唯一交汇处, 是我国历史上最为重要的水上交通要道之一, 市区内河网密布, 纵横交织.作为中国经济最为活跃的长三角城市之一, 近几十年来, 伴随着经济的快速发展和城市化进程的加剧, 大量污染物排入河湖水体, 加上古运河年久失修, 部分河段堵塞, 使得河湖水体自净能力严重下降, 水质恶化, 呈黑臭现状; 而镇江市区最大的景观湖泊-金山湖部分湖湾处在夏季亦有蓝藻水华的频繁暴发, 故河湖水环境质量治理和生态环境修复已成为镇江市北部滨水区及“山水花园城市”建设的重要目标.

目前, 针对河湖水体及沉积物污染现状已开展了大量的调查^[1~3].现有研究表明：受流域特征、污染物来源等自然因素和人类活动的干扰, 河湖水体及沉积物营养元素在空间及时间尺度上均具有一定的分异性^[4~6].因此, 针对特定区域, 调查及评价河湖水体营养元素在时间和空间上的差异对全面了解污染物的污染状况有重要的意义.

当前, 关于镇江市河湖水体污染现状已开展了一些调查.如周晓红等^[7]通过古运河电力路桥段和南水桥段沉积物柱状样的采集及沉积物氮素及有机质的污染垂向分布特征研究, 发现沉积物氮素及有机质污染水平在垂向上有差异, 且两个点位之间亦存在差异.周裔文等^[8]及储金宇等^[9]则分别对古运河河岸带沉积物氮素及重金属污染状况进行了研究, 结果进一步表明, 氮素及重金属含量均有空间分布上的差异.尽管关于该区域污染状况已经取得了一些成果, 但前期研究在时间和空间尺度均较为分散.由于镇江市河网纵横交织, 市区的一湖九河存在密切的关联及连通性, 故将金山湖及其与古运河相关联支流作为统一的整体, 开展镇江市河湖水体氮素及有机质污染现状的系统调查与评价, 以期为镇江市河湖水环境的治理方案的科学制定提供重要依据.

研究区域位于江苏省镇江市(32°09′53″N~32°14′08″N, 119°24′04″E~119°31′11″E), 该地区位于长江和京杭大运河“十字黄金水道”的唯一交汇处, 是我国历史上最为重要的水上交通要道之一.市内河网纵横密布, 主要湖泊及河流包括：金山湖、古运河、运粮河、虹桥港、光明河、玉带河、周家河和丁卯团结河等.该区域位于亚热带北端, 气候四季分明, 平均气温14.9~15.4℃, 多年平均年降水量1 044.5 mm, 多集中在5~10月.

其中, 金山湖湖区东西方向长约4 km, 南北宽约2 km, 丰水期面积约8.8 km², 占镇江城市地表水面积的80%以上, 是镇江市水量最大的城市景观湖泊, 该湖泊为闸坝型水体, 引航道闸坝将长江水引入金山湖, 并通过下游焦南坝回流至长江, 实现金山湖水位的调控^[10].

古运河起点为京口闸, 终点为谏壁三汊河口, 与京杭大运河相连, 其流经镇江市区段河长16.69 km, 汇水面积80.81 km², 平均水深4~6 m, 主要支流为运粮河、周家河、四明河、团结河、虹桥港和玉带河^{[7~9, 11]}.古运河是镇江市老城区最大的受纳水体^[7], 也是镇江老城区和官塘、丁卯、丹徒和谏壁等地表径流和南部山丘洪水的主要汇入河流, 担负着城市防洪排涝、调节水位、文脉传承和观光游览等功能.

在综合考虑镇江市河湖水体分布特征、水域面积及人类活动的影响程度等基础上, 在金山湖湖区(L1~L10)、古运河镇江段干流(R6~R10)和古运河6条主要支流(R1-虹桥港、R2-玉带河、R3-团结河、R4-四明河、R5-周家河、R11-运粮河), 共选取21个点位进行样品采集, 具体点位见图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 镇江市主要河湖采样点位示意 Fig. 1 Main rivers and lakes sampling locations in Zhenjiang City

于2019年1月(冬季)和2019年7月(夏季)在所选21个点位分别采集上覆水体及沉积物样品.具体采样方法为：

上覆水样品采用2 L的有机玻璃水样采集器分别采集21个点位的表层水样(距水面下25~30 cm处), 各点位采集3个水样, 并分别置于预先清洗干净的聚乙烯取样瓶中, 记为3次重复.采集的水样迅速带回实验室于4℃条件保存, 并立刻测定上覆水体氮素(TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N).在上覆水样采集的同时, 对每个点位的水温(T)、pH、电导率(EC)和溶解氧浓度(DO)进行原位监测, 每个点位测定3次, 计为3次重复, 同时记录各点位周边环境状况.

在采集水样的同一个点位, 采用彼得森抓斗式沉积物采样器分别随机采集沉积物各3次, 现场充分混匀后装入聚乙烯自封袋(排出空气), 作为该点位混合样品, 迅速带回实验室, 一部分-20℃条件下保存, 并一部分风干、研磨, 过100目筛装入自封袋, 4℃储存, 用于沉积物理化指标测定.

水体样品测定指标包括：温度(T)、pH、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总氮(TN)、氨氮(NH₄⁺-N)和硝态氮(NO₃^--N).其中, pH和T通过pH计(HI 98128防水型袖珍pH/温度计)现场原位测定; DO通过溶解氧仪(哈希HQ30d)现场原位测定; EC通过EC/TDS/温度测定仪(哈纳HI99301)进行现场原位测定.其余指标参考文献[12]进行测定, 其中TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定; NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法测定; NO₃^--N采用紫外分光光度法测定, NO₂^--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定.有机氮(Org-N)及溶解性无机氮(DIN)通过经验公式计算获得^[13], 具体为：

沉积物测定指标包括：pH、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和有机质(OM)含量.沉积物pH(水土比为2.5 ∶1)采用复合电极pH计测定(上海雷磁PHS-25型pH计, BNCQ9型探头).沉积物NH₄⁺-N通过2 mol ·L^-1 KCl浸提后采用靛酚蓝分光光度法测定; NO₃^--N采用酚二磺酸分光光度法测定^[14]; TN采用碱性过硫酸钾氧化消解-紫外分光光度法测定^[15]; OM采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定.有机碳根据之前研究结果^[16], 通过OM(%)/1.724计算获得.

采用有机指数[式(1)]和有机氮[式(2)]对沉积物污染现状及污染程度进行评价^[17].评价标准及污染等级见表 1所示.

(1)

(2)

表 1 (Table 1)

表 1 沉积物营养盐的污染状况评价标准及污染等级 Table 1 Evaluation standard and grade of sediment nutrient pollution 等级 有机指数[17, 18] 有机氮[17, 18] 有机指数 污染类型 有机氮/% 污染类型 Ⅰ < 0.05 清洁 < 0.033 清洁 Ⅱ 0.05≤有机指数 < 0.20 较清洁 0.033≤有机氮 < 0.066 较清洁 Ⅲ 0.20≤有机指数 < 0.50 尚清洁 0.066≤有机氮 < 0.133 尚清洁 Ⅳ ≥0.50 有机污染 ≥0.133 3 有机氮污染

表 1 沉积物营养盐的污染状况评价标准及污染等级 Table 1 Evaluation standard and grade of sediment nutrient pollution

通过皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient)进行相关性分析.采用单因素方差分析方法进行差异显著性检验(one-way ANOVA).通过Excel 2019、Origin 9.0、IBM SPSS 22.0软件和R语言进行数据计算、分析与图表绘制.

所采水样中氮素浓度在季节和空间方面存在明显差异(图 2和图 3).TN浓度在冬夏两季分别介于1.95~15.71 mg ·L^-1和0.64~12.09 mg ·L^-1之间, 其平均值为4.01 mg ·L^-1和4.07 mg ·L^-1.NH₄⁺-N浓度在冬夏两季介于0.17~2.97 mg ·L^-1和0.02~4.84 mg ·L^-1之间, 其平均值为0.63 mg ·L^-1和1.54 mg ·L^-1.硝态氮在冬夏两季平均浓度为2.09 mg ·L^-1和0.87 mg ·L^-1, 浓度范围为0.33~9.86 mg ·L^-1和0.07~1.68 mg ·L^-1.与《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)相比, 镇江市河湖水体TN平均浓度高于地表水Ⅴ类标准, 总氮污染较严重.

图 2

Fig. 2

P0：最小值; P25：下四分位数; P50：中位数; P75：上四分位数; P100：最大值 图 2 河湖水体氮素浓度统计结果 Fig. 2 Statistics of nitrogen concentration in rivers and lakes

图 3

Fig. 3

图 3 镇江市主要河湖上覆水体氮素浓度 Fig. 3 Nitrogen content in overlying water of main rivers and lakes in Zhenjiang City

对于金山湖而言, 上覆水体TN在夏季分别有20%、40%、30%和10%点位处于地表水Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ类水平, 而冬季所有点位TN浓度均高于地表水Ⅴ类标准, 表现为较为严重的TN污染.金山湖冬夏两季NH₄⁺-N浓度平均值分别为0.28 mg ·L^-1和0.06 mg ·L^-1, 低于NO₃^--N平均浓度(1.18 mg ·L^-1和0.74 mg ·L^-1).TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N污染程度均表现为冬季劣于夏季.对于古运河及其支流而言, 冬夏两季上覆水样TN平均值分别高于五类标准值的2.29和3.22倍, 且TN的污染程度表现为冬季 < 夏季.这一结果与赵丽等^[19]对岱海水体的研究结果一致.此外, 河流水体NH₄⁺-N平均值在冬夏两季分别为0.95 mg ·L^-1和2.87 mg ·L^-1, 浓度介于0.18~2.97 mg ·L^-1和0.09~4.84 mg ·L^-1; 而NO₃^--N则介于1.24~9.86 mg ·L^-1和0.20~1.68 mg ·L^-1之间, 平均值为冬季>夏季.以上数据表明季节对河湖上覆水体氮素浓度具有不同的影响.进一步, 将水体理化因子(DO、pH、EC、T)与湖泊、河流上覆水体氮素(TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N)之间做相关性分析后发现, 除了冬季河流水体NH₄⁺-N浓度与温度因子之间存在显著相关性(P < 0.05), 湖泊和河流其它氮素浓度与温度之间均不存在显著相关关系(P>0.05), 表明温度并非直接影响上覆水体氮素形态转化的关键因子(图 4).赵丽等^[19]对岱海水体的研究认为冬季总氮浓度高于其他季节的主要原因在于冬季湖水结冰导致了总氮浓度浓缩所致.本研究区域, 冬季湖水温度高于0℃, 故整个水域无结冰现象, 其冬季TN、NH₄⁺-N浓度较高的可能原因在于冬季湖水水位下降, 导致河湖水环境容量下降所致.

图 4

Fig. 4

(a)冬季-湖泊, (b)冬季-河流, (c)夏季-湖泊, (d)夏季-河流; 圆圈中数字表示相关系数, 颜色越深相关性越强; 向右偏的椭圆(蓝色)表示正相关, 向左偏的椭圆(橘色)表示负相关; 颜色越深且越趋于直线表明相关性越强 图 4 上覆水体营养盐相关性分析 Fig. 4 Correlation analysis of nutrient salt in overlying water

不同点位氮素浓度的变化趋势表明(图 3), TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度均表现为河流>湖泊, 表明河流水体氮素污染程度高于金山湖水体.从统计结果可知, 金山湖水体氮素变异系数介于11.04% ~51.56%之间, 而古运河水体氮素浓度变异系数介于44.15% ~91.49%, 表明较金山湖而言, 古运河水体氮素浓度具有较大的变幅, 这与河流周边污染源和人类活动等分布密切相关.其中古运河及其支流其水源主要受金山湖湖水的补给, 且其流经镇江市老城区, 流经区域污水以合流制排水模式为主, 河岸溢流污染等是古运河水质恶化的原因之一.如本研究发现, TN浓度最高值出现在R2点位, 该点位位于古运河的支流——玉带河, 玉带河水流缓慢, 水动力不足, 且周边有生活污水和生活垃圾排入, 导致了玉带河常年发黑发臭; R1点位(虹桥港)同样存在水动力不足等情况, 同样导致该河段水体氮素浓度较高.

相关性分析结果表明(图 4), 冬季河流TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度与水体DO浓度间均存在显著的负相关关系(P < 0.05), 而与EC值之间则存在显著的正相关关系(P < 0.01), 表明冬季河流水体氮素受水体DO和EC值的影响较大.研究表明, DO浓度对水体氮素形态及其氮素转化具有显著的影响^[20~22].当DO浓度大于2.0 mg ·L^-1时, 水体NH₄⁺-N将通过硝化作用转化为NO₃^--N, 而反硝化作用则受阻, 从而出现NO₃^--N浓度累积的现状.本研究中发现, 湖泊NH₄⁺-N平均值在冬夏两季分别占TN浓度的比值为8.36%和5.40%, 而NO₃^--N则分别占TN的33.94%和50.02%, 占比最高值达42.92%(冬季)和98.85%(夏季).这与湖泊水体DO浓度有密切关系.研究中发现, 除了L1点位在夏季DO浓度为3.07 mg ·L^-1之外, 其余点位均高于9.65 mg ·L^-1(冬季)和7.95 mg ·L^-1(夏季), 湖泊水体DO平均值达11.54 mg ·L^-1(冬季)和9.39 mg ·L^-1(夏季), 总体呈现好氧状态.但对于河流而言, 夏季水体氨氮平均值占TN浓度的58.07%, 这与夏季河流水体较低的DO浓度密切相关, 夏季河流部分点位DO浓度平均值仅为4.43 mg ·L^-1, 且在局部区域DO浓度低于2.0 mg ·L^-1或者在2.0 mg ·L^-1附近波动变化, 呈现出厌氧状态, 采样过程中发现这部分水域, 如R1、R2、R6和R7等, 水体污染较为严重, 水流非常缓慢, 且发黑发臭.较低的溶解氧浓度, 导致河流上覆水体硝化反应严重受阻, 故在河流水体中呈现出了高氨氮的污染状态.

镇江市河湖沉积物TN含量在冬夏两季分别介于394.61~3 288.09 mg ·kg^-1和869.21~3 598.04 mg ·kg^-1之间, 平均值为1 928.58 mg ·kg^-1和2 068.40 mg ·kg^-1, 该平均值高于太湖竺山湾表层沉积物TN含量^[17].与美国环保署(EPA)关于沉积物TN污染标准值对比后发现^[17], 冬季共有9.52%的沉积物样品属于清洁水平(沉积物TN含量低于1.0 g ·kg^-1), 38.10%的沉积物样品属于轻污染水平(沉积物TN含量介于1.0~2.0 g ·kg^-1), 而52.38%的沉积物样品则属于重污染水平(沉积物TN含量大于2.0 g ·kg^-1); 而夏季分别有4.76%、33.33%和61.90%的样品属于清洁、轻污染和重污染水平.总体来说, 镇江市河湖沉积物TN污染状况较为严重.

进一步, 将湖泊和河流沉积物氮素含量分别做统计分析, 结果见图 5所示.金山湖冬季表层沉积物TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Org-N含量平均值分别为2 124.13、16.49、2.13和2 017.92 mg ·kg^-1.夏季沉积物TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Org-N含量平均值分别为1 779.01、8.48、1.47和1 690.06 mg ·kg^-1.湖泊沉积物中各形态氮含量的大小顺序为：Org-N＞NH₄⁺-N＞NO₃^--N.冬夏两季, 金山湖沉积物NH₄⁺-N占TN的比例分别为0.50% ~1.91%和0.27% ~0.93%, NO₃^--N占TN的比例则分别为0.06% ~0.17%和0.03% ~0.21%, 沉积物中NH₄⁺-N浓度约为NO₃^--N的3~20倍.以上结果表明有机氮是表层沉积物氮营养盐的主要存在形式, 而NH₄⁺-N是沉积物无机氮的主要赋存形式.从季节来看, 湖泊沉积物TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Org-N含量均表现为冬季>夏季, 这与上覆水的研究结果一致.有研究表明, 沉积物Org-N一方面来自内源污染物, 即水体中浮游植物残体碎屑、水生动物代谢产物、水生高等植物残体等分解产物; 另一方面为外源输入, 即通过陆源性排放物质组成的有机氮^[23].对于金山湖而言, L1和L2点位有水生植物的繁茂生长, 而其余样点所在湖区水深超过6 m, 无水生植物的生长, 因此沉积物Org-N可能主要以外源输入性为主.此外, 采用R语言对金山湖上覆水体及沉积物营养盐做相关性分析, 结果见图 6所示.其中, 冬季金山湖沉积物TN与水体NH₄⁺-N间存在显著负相关关系(P＜0.05, n=20), 而沉积物NO₃^--N与NH₄⁺-N则与上覆水体理化及氮素浓度之间均无显著相关关系(P>0.05, n=20); 此外, 水体DO浓度则受到沉积物有机质含量的相关影响, 二者间存在显著负相关关系(P＜0.05, n=20), 表明沉积物有机质含量的高低将影响水体DO水平.对于夏季湖泊而言, 沉积物与上覆水NO₃^--N浓度间存在显著负相关关系(P＜0.05, n=20).

图 5

Fig. 5

P0：最小值; P25：下四分位数; P50：中位数; P75：上四分位数; P100：最大值 图 5 河湖沉积物氮素含量统计 Fig. 5 Statistics of nitrogen content in sediment in rivers and lakes

图 6

Fig. 6

(a)冬季, (b)夏季; 方块中数字表示相关系数, 颜色表示相关性水平(蓝色表示正相关, 橘色表示负相关, 颜色越深相关性越强); 圆圈中颜色表示相关性(蓝色表示正相关, 橘色表示负相关), 圆圈越大相关性越高; *表示在0.05水平上显著相关, **表示在0.01水平显著相关; W表示上覆水体, S表示沉积物, am.N表示氨氮, ni.N表示硝态氮; 下同 图 6 金山湖上覆水体及沉积物营养盐相关性分析 Fig. 6 Correlation analysis of nutrient salt in overlying water and sediment of Jinshan Lake

对于河流而言(图 5), 冬季表层沉积物TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Org-N含量分别介于394.61~3 288.09、5.51~53.56、0.87~1.78和374.88~3 123.68 mg ·kg^-1之间.夏季TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Org-N含量分别介于1 455.50~3 598.04、5.29~19.95、0.64~1.94和1 382.73~3 418.14 mg ·kg^-1之间.本研究发现, 古运河TN含量普遍高于2012年古运河上游河道沉积物TN调查值^[7], 也高于古运河河岸沉积物TN含量^[8], 表明沉积物氮素含量有明显增加.本研究发现, 河流沉积物中各形态氮含量的大小顺序同样表现为：Org-N＞NH₄⁺-N＞NO₃^--N. 河流冬夏两季表层沉积物NH₄⁺-N占TN的比例分别为0.24% ~4.17%和0.17% ~0.56%; NO₃^--N占TN的比例分别为0.04% ~0.32%和0.02% ~0.11%.此外, 河流沉积物氮素含量在季节上的分布无明显规律, TN平均含量为冬季 < 夏季, 而NH₄⁺-N和NO₃^--N则表现为冬季>夏季.采用R语言对河流上覆水体及沉积物营养盐做相关性分析后发现, 夏季河流沉积物NH₄⁺-N含量与温度因子之间存在显著正相关关系(P < 0.05, n=22), 而湖泊和河流沉积物其他氮素含量与温度之间均不存在显著相关关系(P>0.05, n=22), 表明温度并非直接影响沉积物氮素形态转化的关键因子(图 7).除了温度以外, 冬季上覆水NO₃^--N与沉积物TN和有机质含量间存在显著正相关关系(P < 0.05, n=22), 而夏季沉积物TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N与上覆水体氮素间均无显著相关关系(P>0.05, n=22).

图 7

Fig. 7

(a)冬季, (b)夏季 图 7 古运河上覆水体及沉积物营养盐相关性分析 Fig. 7 Correlation analysis of nutrient salt in overlying water and sediment of the ancient canal

与上覆水体不同, 河流与湖泊沉积物氮素含量在空间分布上变化较为复杂(图 6和图 8).其中, NO₃^--N含量在冬夏两季均表现为湖泊>河流, 而沉积物NH₄⁺-N含量则表现为湖泊 < 河流.对TN和Org-N而言, 冬季湖泊沉积物大于河流, 而夏季则反之.从方差分析统计结果可知, 湖泊和河流沉积物TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Org-N在空间分布上均具有显著的差异性(P < 0.01), 表明氮素在湖泊和河流各点位的含量具有较大的变化.对于湖泊而言, 沉积物TN最高值出现在L8点位, 该样点位于镇江市著名旅游景点焦山山脚下, 区域内水流较为缓慢, 且受到游船和人为活动的影响较频繁.而河流沉积物总氮TN峰值则出现在R2点位(与上覆水TN峰值为同一点位), 该样点该点位位于古运河的支流——玉带河, 该河水流缓慢, 水动力不足, 且周边有生活污水和生活垃圾排入, 导致玉带河河流沉积物污染最为严重.这一结果与周裔文等^[8]针对古运河河岸沉积物的研究结果一致, 其在研究中发现玉带河河岸沉积物同样是古运河6个点位中污染最为严重的一个点位.

图 8

Fig. 8

图 8 不同点位沉积物氮素含量的变化特征 Fig. 8 Variation characteristics of nitrogen content in sediments from different sampling sites

沉积物有机质主要包括沉积物中的腐殖质等, 与氮、磷和重金属等污染物质发生吸附、分配和络合等作用.有机质含量是反映沉积物有机污染程度的重要标志^[23~25].

镇江市主要河湖沉积物有机质含量(质量分数)变化特征见图 9所示.冬夏两季沉积物有机质含量变化范围分别为0.61% ~4.63%和0.44% ~2.82%, 平均值为1.72%和1.53%, 变异系数分别为68.78%和39.38%.湖泊沉积物有机质含量平均值为冬季>夏季, 而河流沉积物则表现为冬季 < 夏季.此外, 冬夏两季湖泊和河流沉积物有机质含量在空间上均具有显著差异(P < 0.01), L1和L2点位存在大量水生植物生长的点位, 点位区域分布有大量沉水植物, 季末水生植物衰亡后的残体在以上点位大量堆积导致有机质含量升高, 冬季沉积物有机质含量明显高于金山湖其他点位.对于河流而言, R2、R5和R8点位有机质含量则高于其他点位.相关性分析结果表明, 冬季湖泊沉积物有机质含量主要与水体NO₃^--N和DO含量间呈负相关关系(P < 0.05, n=20), 而夏季湖泊沉积物有机质含量则与上覆水TN间存在显著负相关关系(P < 0.05, n=20).对于河流而言, 沉积物有机质含量与水体NO₃^--N及pH值间有显著关系(P < 0.05, n=22), 而夏季沉积物有机质则主要受水体NH₄⁺-N的影响(P < 0.05, n=22).

图 9

Fig. 9

P0：最小值; P25：下四分位数; P50：中位数; P75：上四分位数; P100：最大值 图 9 镇江市主要河湖沉积物有机质含量变化特征 Fig. 9 Variation characteristics of sedimentary organic matter content in main rivers and lakes in Zhenjiang City

前人研究表明, 沉积物有机质的来源主要是水体自养生物合成(内源有机质)和陆源输入(外源有机质)^[26].C/N能够表征蛋白质含量, 有机质来源不同, 蛋白质含量则不同^[27].因此, 沉积物C/N可以用来判断有机质的来源^[28].Prahl等^[29]的研究表明, 对于湖泊沉积物而言, C/N小于8显示有机质来源于湖泊自身, 大于12则显示有机质来源于陆源输入.也有学者认为来源于陆源高等植物的有机质C/N比一般介于20~30, 来源于内源藻类的有机质C/N一般介于4~10^[17].还有研究表明, 有机质来源于高等水生植物的C/N比介于14~23, 来源于底栖动物的C/N比介于2.8~3.4, 来源于浮游动植物的C/N比平均值约为6.0~6.3, 来源于藻类的C/N比介于5~14^[17].

本研究中, 镇江市冬夏两季河湖沉积物C/N比分别介于1.24~12.29和1.53~17.64, 平均值分别为4.64和5.89, 变异系数分别为71.15%和50.54%.从空间分布上来看, 冬季沉积物除了L2和R2点位以外, 其余样点沉积物C/N均小于10; 而夏季沉积物仅L1样点C/N值为12.29, 其余点位均小于10, 表明研究区域沉积物有机质主要来源于内源污染, 并且可以判断大部分点位有机质主要来源于浮游动物和浮游植物.C/N比大于10的点位, 其点位附近河岸周围分布有少量高等水生植物, 水生植物的衰亡等可能引起该局部区域碳元素含量的升高.前期针对古运河的研究则表明老城区古运河有机质以内源为主^[7], 而古运河河岸则表现为外源输入为主^[8].

湖泊沉积物有机氮平均值分别为0.20%和0.17%, 河流沉积物有机氮则介于0.04% ~0.31%和0.14% ~0.34%之间(图 10).与有机氮分类标准对比后发现, 冬季湖泊沉积物和夏季河流沉积物样品全部属于有机氮污染Ⅳ水平.夏季湖泊沉积物样品中, 40%点位有机氮属于Ⅲ类等级, 即尚清洁水平, 而60%点位则为Ⅳ水平, 即有机氮污染.对于冬季河流沉积物样品而言, 分别有9.10%、27.27%和63.64%的点位属于有机氮污染Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类, 表示了9.10%、27.27%和63.64%的研究区域的分别处于较清洁、尚清洁和有机氮污染状态.

图 10

Fig. 10

P0：最小值; P25：下四分位数; P50：中位数; P75：上四分位数; P100：最大值 图 10 沉积物污染状况评价统计结果 Fig. 10 Statistical results of sediment nutrient pollution evaluation

沉积物有机指数在冬夏两季分别介于0.01~0.69和0.05~0.51, 平均值为0.19和0.18, 变异系数分别达89.56%和65.82%, 表明河湖沉积物有机指数在空间分布上具有较大的差异.其中, 湖泊沉积物冬季样品中分别有70%、10%和20%点位属于有机指数Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等级, 表明70%、10%和20%的研究区域其有机指数属于较清洁、尚清洁和有机污染水平, 而夏季样品则处于较清洁(70%)和尚清洁水平(30%).河流沉积物有72.73%的点位在冬季表现为较清洁状况, 夏季则有54.55%的点位表现为较清洁状况, 河流沉积物有机指数总体表现为较清洁.

(1) 镇江市河湖水体总氮污染较严重.河流水体氮素污染程度高于金山湖水体.

(2) 镇江市河湖沉积物表现为较严重的氮素污染状态.各形态氮含量的大小顺序表现为：Org-N＞NH₄⁺-N＞NO₃^--N.从季节来看, 湖泊沉积物TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N和Org-N含量均表现为冬季>夏季, 而河流沉积物氮素含量在季节上的分布无明显规律.冬季湖泊沉积物TN和Org-N含量大于河流, 而夏季则反之.

(3) 湖泊沉积物OM含量平均值为冬季>夏季, 而河流沉积物则表现为冬季 < 夏季, 沉积物C/N平均值分别为5.89和4.64, 以内源污染为主;

(4) 湖泊和河流沉积物超过60%点位属于有机氮污染Ⅳ水平, 表明本研究区域沉积物存在较为严重的有机氮污染.湖泊沉积物70%的点位属于有机指数Ⅱ等级, 表明70%的研究区域其有机指数属于较清洁水平.河流沉积物在冬夏两季分别有72.73%以及54.55%的点位属于有机指数Ⅱ等级, 表示了较清洁状况.