2023, Vol. 44
沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分, 为底栖生物和水生植物提供重要物质基础的同时[1], 也担任着营养盐、重金属等污染物的“源”和“汇”[2~4].当前, 湖泊富营养化已成为近年来国内外关注的一个重要环境问题[5~7], 而沉积物是造成湖泊水体富营养化的主要来源之一[8, 9].沉积物中营养元素的分布特征在一定程度上能反映出湖库的污染程度及地球化学信息[1, 10], 因此, 开展湖泊沉积物中营养盐特征及污染的研究, 对提升湖泊生态环境质量具有重要意义.
氮、磷等既是水生生物生长所必需的营养盐分, 也是湖泊水体及沉积物富营养化的主要驱动因素, 而有机质为沉积物中重要的胶体, 影响污染物的迁移和转化[11~13].近年来, 国内外相关学者对沉积物总氮(TN)、总磷(TP)和有机质(OM)等营养元素的分布特征和污染状况开展了广泛研究, 研究的对象大体包括湖泊[9~15]、水库[16~18]、湿地[19, 20]和河流[21, 22]等.如国内卢少勇等[6]、张杰等[12]和王艳平等[14]分析了湖泊沉积物的TN、TP和OM, 基于污染指数法和有机指数法等方法评价湖区沉积物的污染状况, 采用C/N和C/P确定来源; 国外Lone等[23]利用C/N研究了印度3个淡水湖泊沉积物中OM的来源, Amor等[24]利用C/N和C/P研究了突尼斯Monastir湾沉积物中营养盐的来源.前人的研究为湖泊沉积物污染物分布特征和污染状况评价方面提供了良好的解决方法.然而以往的研究对象大多是比较典型而且单一的湖泊或水库, 但对于典型内陆同一地区不同湖泊的对比研究略显不足.
城东湖和城西湖是安徽省霍邱县城内的两个典型湖泊(图 1).近年来调查结果显示, 两湖水质及沉积物均有富营养化的趋势[25, 26].然而以往的研究仅集中于单一湖泊且采样点较少, 代表性不足, 尤其是对于城东湖和城西湖沉积物的营养状况和污染特征研究不足.鉴于此, 本研究采用野外调查和取样测试分析相结合的手段, 分析城东湖和城西湖沉积物TN、TP和OM等营养盐空间分布特征, 采用综合污染指数、有机氮指数和有机污染指数评价其污染等级和风险, 利用Pearson相关性分析C/N和C/P的关系来确定营养盐来源, 提出相应的防控措施, 以期为污染排放管控和水质提升提供科学依据.
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图 1 采样位置示意 Fig. 1 Location of the sampling sites in study area |
研究区地处安徽省西北部, 大别山北麓, 淮河中游南岸.地势南高北低, 自西南向北东呈变低缓趋势.西部为丘陵, 中部岗坳相间的浅丘状和波状平原, 北部和东部为河湖平原.区内年平均气温为14.6~15.6℃, 多年平均降水量为1 008.5~1 545.7 mm, 多年平均蒸发量1 395.0 mm.
城东湖位于淮河右岸支流汲河的下游, 城东湖地形狭长, 东西平均宽度5~6 km, 南北平均长度30 km, 湖底高程17.8 m, 面积约180 km2, 城东湖主要来水为汲河, 于三流集注入后, 穿湖而过, 河湖一体, 自南向北流, 至溜子口注入淮河.
城西湖位于淮河右岸沣河下游, 地处霍邱县城西侧, 南承沣河全部来水, 东西纳沿岗河全部来水及地面径流.城西湖正常水位在20.5 m左右, 高水位时达24.5 m.湖区汇水总面积1 750 km2, 是淮河中游最大的蓄洪区.洪水期受淮河顶托作用明显.湖区西部为深水区, 目前湖区周边已建成了防洪堤.
城西湖和城东湖目前在沿湖低洼地建设龙虾养殖带, 而在湖湾建设河虾围网养殖区, 湖区流域分布较多畜禽养殖场.城东湖和城西湖流域内大宗农业作物以水稻为主.
1.2 样品采集与测试基于GPS定位采用网格化方式布点, 采样密度为每4 km-2 1个点.利用重力式柱状采泥器采集湖底0~20 cm的连续土壤柱, 共采集沉积物样品60件, 其中城东湖30件, 城西湖30件(图 1).沉积物样品自然阴干, 用木锤加工后过20目筛, 送检样品重量约200 g, 平行样约350 g.然后送实验室测试.
选择使用离子选择性电极法(ISE)测定pH, TN和TP含量的测定按照《湖泊富营养化调查规范》[27]中TN和TP的测定方法进行.TN含量采用重铬酸钾-硫酸消化法测定; TP含量测定采用高氯酸-硫酸酸熔-钼锑抗比色法测定.OM含量采用烧失量法(550℃, 焙烧5 h)测定.为保证测定结果的准确性和精度, 测量过程中所有样品均平行试验3次, 并用国家一级标准物质(GBW07408)进行回收试验, 回收率的范围为90% ~110%, 所有样品分析误差均小于10%, 符合质量控制要求.
1.3 沉积物污染评估方法目前, 国内外对浅水湖泊沉积物污染状况的评价尚缺乏统一的标准与方法, 本研究采用综合污染指数法和有机污染指数法评价湖泊表层沉积物的污染状况.
1.3.1 综合污染指数法综合污染指数法以单项评价指数为基础[12].其单因子指数法计算公式如下：
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(1) |
式中, i为评价因子, Si为单因子的评价指数, Ci为评价因子的实测值, Cs为评价因子的标准值, 本文选取中国东部浅水湖泊的基准阈值作为标准值[14, 26].
综合污染指数公式如下：
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(2) |
式中, F为n项污染指数的平均值, Fmax为最大单项污染指数.沉积物综合污染程度分级标准见表 1.
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表 1 沉积物综合污染程度分级标准[12] Table 1 Standard of comprehensive pollution index in sediments |
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, 其分级标准见表 2, 计算公式如下[12, 28~32]：
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表 2 沉积物有机氮与有机指数评价标准[12] Table 2 Evaluation standard of organic nitrogen and organic index in sediments |
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(3) |
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(4) |
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(5) |
式中, OI表示有机指数, ω(OC)表示有机碳含量, %, ω(ON)表示有机氮含量, %, ω(OM)表示有机质含量, %, ω(TN)表示总氮含量, mg ·kg-1.
1.4 数据处理数据处理与分析采用Excel 2013和SPSS26.0软件, 基于Origin2021和ArcGIS10.8平台绘制图表.
2 结果与讨论 2.1 沉积物营养盐含量 2.1.1 沉积物TN含量和分布全区湖泊沉积物ω(TN)变幅为316.68~1 865.97 mg ·kg-1, 平均值为608.51 mg ·kg-1, 变异系数为51.47%.不同湖区TN含量差异显著, 其中城西湖沉积物ω(TN)在389.76~1 865.97 mg ·kg-1之间, 变异系数为52.25%; 城东湖沉积物ω(TN)在316.68~662.59 mg ·kg-1之间, 变异系数为16.78%, 城西湖沉积物ω(TN)平均值(746.23mg ·kg-1)显著高于城东湖(470.80 mg ·kg-1)(P＜0.001).
沉积物TN的空间分布差异明显, 高值区主要位于城西湖的北部, 尤其是在防洪堤内CX07和CX08附近(图 1和图 2), 由北往南呈递减趋势; 城东湖整体处于低值区(图 2).
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图 2 沉积物总氮含量及空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of total nitrogen(TN) content of the sediments |
全区湖泊沉积物ω(TP)在387.84~771.03mg ·kg-1之间, 平均值为515.33mg ·kg-1, 变异系数为13.18%.不同湖区的TP含量也差异明显, 其中城西湖沉积物的ω(TP)介于417.03~771.03mg ·kg-1, 变异系数为12.36%; 城东湖沉积物ω(TP)在387.84~636.60mg ·kg-1之间, 变异系数为12.39%.城西湖沉积物ω(TP)平均值(538.38mg ·kg-1)显著高于城东湖(492.08mg ·kg-1)(P＜0.01).
沉积物TP的空间分布差异明显, 与TN的空间分布不同, 城西湖和城东湖的北部均为高值区, 呈由北部向南呈递减趋势(图 3).
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图 3 沉积物总磷含量及空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of total phosphorus (TP) content of the sediments |
全区湖泊沉积物ω(OM)在0.18% ~3.23%之间, 平均值为0.92%, 变异系数为62.94%.不同湖区的ω(OM)也差异明显, 其中城西湖沉积物的ω(OM)在0.51% ~3.23%之间, 变异系数为62.10%; 城东湖沉积物ω(OM)在0.18% ~0.98%之间, 变异系数为27.82%.城西湖沉积物ω(OM)平均值(1.17%)显著高于城东湖(0.68%)(P＜0.001).
沉积物OM的空间分布与TN的空间分布基本一致, 其高值区位于城西湖的北部深水区域.城东湖整体为低值区(图 4).
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图 4 沉积物OM含量及空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of organic matter (OM) content of the sediments |
城西湖和城东湖沉积物TN、TP和OM的相关系数如表 3所示.研究区湖泊中TN、TP和OM三者之间呈极显著相关(P＜0.01), 且相关系数均大于0.5, 尤其是城西湖TN和OM的相关系数达0.990.相关研究表明, 沉积物中总氮的70% ~90%是以有机氮的形式存在[33], 城西湖和城东湖沉积物TN和OM的相关关系从侧面验证了以往研究成果.有研究表明沉积物中有机质与TP, 尤其是有机磷的生物地球化学循环有密切联系[34].卢少勇等[6]指出沉积物有机质的矿化过程与沉积物中氮、磷, 尤其是磷的物质来源和沉积变化过程有着密切的联系.Angeler等[35]研究也发现有机碎屑的分解过程中往往伴随着氮、磷营养元素的释放.TP和OM呈极显著相关表明有机质也是磷的载体[36].研究区沉积物中TN、TP和OM这3种营养盐的高值区均位于城西湖的北部(图 2和图 3).城西湖的TN、TP和OM具有相似的空间分布特征(图 2~4), 表明城西湖中TN、TP和OM可能具有相似的物质来源; 城东湖中仅有TN和OM具有相似的空间分布特征, 表明城东湖中TN和OM可能具有相似的物质来源.
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表 3 沉积物TN、TP和OM相关系数1) Table 3 Correlations of organic matter (OM), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) of sediments |
城西湖和城东湖北部靠近霍邱县城, 城镇生活污水的无序排放导致营养盐富集; 湖区流域为典型的水稻种植区, 农业种植中化肥、农药施用量大, 由于施用不合理造成大量氮磷流失, 近年来秸秆还田体量大, 秸秆浸沤产生大量氮磷等有机物, 遇雨天或河流退水, 大量农业化学和有机物随地表径流排入河道, 最终进入湖区并加剧了营养盐的富集.湖区流域内大量畜禽养殖场等点源由于粪污处理设施不配套, 导致大量粪污直排入养殖场附近的农田、沟、渠、堰和塘中, 终随地表径流进入河湖也导致营养盐富集累积.湖区也是水产养殖的主要区域, 在养殖过程中, 残存的饵料、鱼类的排泄物以及其他废物等也是营养盐富集的主要原因[37].
另外值得注意的是城西湖北部沉积物TN、TP和OM均为高值区(图 2~4), 城西湖北部湖区修建了防洪堤, 防洪堤修建导致水动力交换较弱, 泥沙淤积的时间较长, 淤积较严重, 导致氮富集严重, 表明营养盐的分布和富集受水动力交换程度有关, 这与国内外研究成果较为一致, 即水动力特征是影响沉积物污染空间分布的驱动因子之一[8, 32].此外, 发现城西湖北部水生植物较其它湖区异常茂盛, 水生植物的死亡、腐烂沉积也导致营养盐的富集[12].
综上所述, 农业面源径流、城镇生活污水和畜禽养殖污染物无序排放等是城西湖和城东湖沉积物TN和TP的重要来源, 沉积物中营养盐的内源负荷不容忽视.
2.2.2 沉积物C/N和C/P特征分析沉积物中的C/N值能大致反映有机来源的差异性, 一般情况下, 浮游动物的C/N小于7, 浮游植物的C/N在4~6之间; C/N大于20的为有纤维束植物碎屑, 介于4~12之间的为无纤维束植物[38~40].C/N≈10时, 表明沉积物内、外源有机质基本达到平衡状态, 小于10时有机质以内源为主, 大于10时以陆源为主.因此, C/N可用来区分湖泊、水库和海洋等水体沉积物中有机质的来源[38~40].
城西湖沉积物中C/N的分布范围为6.39~10.53, 平均值为8.76, 有4个样点的C/N＞10; 城东湖沉积物中C/N在3.32~12.20之间, 平均值为8.32, 有3个样点的C/N＞10.表明城西湖和城东湖沉积物有机质均以内源为主.除城东湖有一个样点(CD12)的C/N小于4和一个样点(CD26)的C/N大于12外, 其余均处于4~12之间, 表明研究区湖泊沉积物有机质主要来源于无纤维束植物和浮游植物.C/N的高值区主要分布在城西湖的西北部和城东湖的西南部(图 5).城西湖北部水深较深, 而且整个湖区周边已建成防洪堤, 导致换水周期长, 沉积物中的有机质难以迁移并长期淤积, 正是由于水深的原因湖区容易形成厌氧环境, 反硝化作用会导致N含量降低, 从而形成较高的C/N[18], 此外也有可能湖区养殖和城镇生活污水等陆源OM进入湖区后无法迅速彻底分解而沉淀下来, 是造成C/N高值的重要原因[12, 41].而城东湖的西南部主要是受养殖和城镇生活污水等陆源的影响.
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图 5 沉积物C/N及C/P的空间分布 Fig. 5 Distribution of C/N and C/P ratios of sediments |
C/P值可大致反映沉积物中有机碳和磷化合物的分解速率和磷的存在形态[39].城西湖沉积物C/P值在5.24~30.78之间, 平均值为12.11; 城东湖沉积物C/P值介于2.02~11.17, 平均值为8.04.C/P值的高值区位于城西湖的北部, 与前述的含量水平、污染状况分布极为相似.城西湖北部位于霍邱县城西边, 城镇生活污水和农业面源污染径流等导致有机质在沉积物表层累积, 形成表层富集现象, 导致北部湖区C/P值增大.相关研究发现, 沉积物中磷以无机磷形态为主(占总磷的79%以上), 铁结合态磷是无机磷的重要组成部分, 沉积物底层缺氧程度较表层严重, 促进了有机磷的矿化分解成溶解态[42].该区域水较深容易形成厌氧环境, 促进了铁结合态磷的富集; 调查时发现城西湖北部区域水生植物较为旺盛, 水生生物凋亡后, 生物中磷将快速分解释放, 尤其是Fe/Al-P和OP的释放, 从而导致沉积物中C/P处于较高值[12].
2.3 沉积物营养盐污染评价 2.3.1 综合污染指数城西湖沉积物STN介于0.35~1.68, 平均值为0.67; 城东湖的STN在0.29~0.60之间, 平均值为0.42, 城西湖的STN显著高于城东湖(P＜0.01).城东湖TN处于清洁状态, 而城西湖有5个样点处于轻度污染状态, 有1个样点(CX08)为中度污染状态, 其余样点均处于清洁状态.其污染区域位于北部(图 6), 这可能与湖区水生植被分布集中、水生生物量大密切相关, 也可能与城西湖防洪堤的修建导致湖区水动力缓慢而污染物易于沉积有关.
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图 6 沉积物STN空间分布特征 Fig. 6 Spatial distribution of STN of the sediments |
城西湖沉积物STP介于0.91~1.69, 平均值为1.18; 城东湖的STP在0.85~1.39之间, 平均值为1.08, 城西湖的STP显著高于城东湖(P＜0.01).城西湖绝大部分样点(86.7%)处于中度污染状态, 轻度污染状态的样点有3个, 重度污染状态有1个(CX07).城西湖的重度污染分布在防洪堤湖区中心位置, 轻度污染分布在湖区西北部边缘区域(图 7).城东湖绝大部分样点(73%)处于中度状态, 轻度污染状态的样点有8个, 轻度污染区域主要分布在湖区中心、东北部和南部(图 7).
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图 7 沉积物STP空间分布特征 Fig. 7 Spatial distribution of STP of the sediments |
城西湖沉积物综合污染程度(FF)介于1.12~2.31, 平均值为1.51; 城东湖的FF在1.04~1.70之间, 平均值为1.31, 城西湖的FF显著高于城东湖(P＜0.01).城西湖表层沉积物营养盐FF处于轻度、中度和重度污染状态的采样点占66.67%、26.67%和6.67%.中度污染以上区域主要分布在北部(图 8), 尤其是湖区样点CX07和CX08周边.而城东湖表层沉积物营养盐FF处于轻度和中度污染状态的采样点占86.67%和13.33%, 中度污染区域仅在城东湖的东北部靠近防洪闸处(图 8), 该处水动力交换弱, 泥沙淤积严重.
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图 8 沉积物综合污染指数空间分布特征 Fig. 8 Spatial distribution of comprehensive pollution index for nutrients in the surface sediments |
综上所述, 城西湖和城东湖的STN、STP和FF的空间分布与沉积物中TN和TP的空间分布相似.从污染的统计分析和分布特征分析, TP是研究区湖泊沉积物的主要污染物.应重点关注TP的污染源和防控措施.TP污染分布主要与城镇生活污水、畜禽养殖污染和农业面源降雨径流入湖有关, 另外也要关注水生植物沉积的内源负荷的影响.
2.3.2 有机氮和有机指数城西湖沉积物ω(ON)的变化范围为0.037% ~0.177%, 平均值为0.071%, 整体上处于较清洁状态.在所采样点中处于较清洁、尚清洁和有机氮污染的比例分别为76.67%、16.67%和6.67%.城东湖沉积物中ω(ON)的变化范围为0.030% ~0.063%, 平均值为0.045%, 整体上处于较清洁状态, 不存在有机氮污染.在所采样点中处于清洁和较清洁的比例分别为6.67%和93.33%.
城东湖沉积物有机指数变化范围为0.003~0.036, 平均值为0.018.整体处于清洁状态.城西湖沉积物有机指数变化范围为0.012~0.332, 平均值为0.063.整体上处于清洁~较清洁状态.其中清洁、较清洁和尚清洁所占比例分别为80.00%、13.33%和6.67%.城西湖和城东湖不存在有机污染.
有机氮和有机指数在空间分布上具有较好的一致性(图 9), 表现为城西湖北部, 在修建防洪堤的湖区中心位置存在有机氮污染和较高的有机指数分布区域, 其余区域处于清洁~较清洁状态(图 9).城西湖和城东湖北部靠近霍邱县城, 有机氮和有机污染主要与城镇生活污水、畜禽养殖污染和农业面源降雨径流入湖有关, 另外也要关注水生植物沉积的内源负荷的影响.另外, 该区域由于修建了防洪堤导致湖区水动力滞缓, 不利于污染物的迁移.
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图 9 表层沉积物有机氮和有机指数 Fig. 9 Organic nitrogen and organic index in the surface sediments of study area |
总磷是城东湖和城西湖沉积物的主要污染物, 城西湖全区属于中度污染以上, 城东湖除湖区西南部小范围处于清洁状态外, 其余区域均为轻度污染~中度污染.尽管有机污染整体较轻, 但在城西湖北部仍较严重.城西湖和城东湖是霍邱县城镇生活、工业和农业灌溉的主要取水源, 调查时发现, 城西湖及其主要支流沣河、沿岗河共有12处入河湖排污口.城东湖上有8处入河湖排污口.生活污水和工业废水对湖区污染也造成较大的影响.因此对湖区的沉积物的总磷和有机污染仍需加强管控.城西湖和城东湖总磷和有机物污染主要是由于该区农业面源污染、城镇生活污水和水产养殖的无序排放造成.水深较深形成厌氧环境, 水生植物茂盛, 水生植物残骸和凋落物大量腐烂沉积也造成一定的污染, 此外可能还接受淮河的顶托作用带来的污染.
城西湖和城东湖污染程度不一, 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磷和有机污染.就城西湖而言, 应该减少农业面源污染、养殖和城镇生活污染的无序排放, 建立长效机制, 增强全区人员的生态环保意识, 同时加强湖区大畜禽养殖场和散养户的管控, 尽量做到污染有序排水, 减少对湖区污染的排放.同时对湖区水生植物结构优化调控, 根据水生植物生长情况, 定期开展对生长茂盛的水生植物进行清理, 从而消除水生植物凋落后腐烂沉积造成的二次污染.从而降低城西湖沉积物中总磷和有机污染.考虑到城西湖水深, 防洪堤修建导致湖区水动力不足问题, 建议采取合理措施加快湖区的换水周期, 适当对湖区污染底泥进行疏浚, 消除总磷和有机污染.就城东湖而言, 主要是加强对农业面源污染、养殖和城镇生活污染的管控.
3 结论(1) 霍邱县城湖泊沉积物TN、TP和OM的空间分布较为一致, 表现为城西湖沉积物TN、TP和OM明显高于城东湖, 三者最高值均位于城西湖的北部, 大致呈由北向南呈递减趋势, 空间分布差异显著.
(2) 城西湖和城东湖沉积物TN、TP和OM大致具有相同的来源, 农业面源径流、城镇生活污水和畜禽养殖废物无序排放等是城西湖和城东湖沉积物TN和TP的重要来源, 并且TN和TP都受到湖区水动力因素的制约.沉积物有机质均以内源为主.
(3) 城西湖的STN、STP和FF显著高于城东湖, 而且最高值均位于城西湖的北部, TP是城西湖和城东湖的主要污染物.两湖泊不存在有机污染, 但城西湖北部存在有机氮污染.
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