近年来，随着社会经济的发展和人口的激增，我国水体富营养化问题十分突出. 其主要原因是由于水体中营养盐的含量不断增高^{[1, 2]}. 而沉积物是湖库水体中营养盐的主要储蓄场所，当水体环境受到扰动时，沉积物中的营养盐就会再次进入水体，从而导致二次污染^{[3, 4, 5, 6]}，因此沉积物能很好地反映湖库水体的污染程度^[7]. 水库作为人工型湖泊，由于水较深、 水体停留时间较长，在外源污染得到有效控制后，若沉积物受到污染则会较难恢复，长期处于富营养状态^{[8, 9, 10]}. 而当前国内外对湖泊水体沉积物的营养盐含量、 形态、 空间分布以及释放机制有较多研究^{[11, 12, 13, 14]}，对水库沉积物的相关研究相对较少，水库是一种特殊的半人工半自然的水体，其物理、 化学及生态特征和湖泊相比会有所不同，Kaushik等^[15]和Burford等^[16]的研究表明，水库相比湖泊与河流对污染物的截留沉积效果更明显，因此水库沉积物具有较高的研究价值^{[17, 18, 19]}.

山美水库是泉州市一座以灌溉为主，结合防洪、 发电等综合利用的大型水库工程，也是泉州下属晋江、 惠安、 丰泽等8个市、 县、 区的主要供水水源地，担负着400多万人的生活及生产用水. 近年来，由于流域周边的工业、 农业以及畜牧业的影响，山美水库一直处于潜在的富营养化状态^[20]. 周真明等^[21]2006年对山美水库流域沉积物氮磷的污染状况进行过研究，解析了其污染物的分布特征及来源，但是监测点位布置的较少，而且时间上也较为久远. 本文主要对山美水库的水库区沉积物氮、 磷及有机质的含量、 分布特征及相关性进行研究，并对其污染现状进行评价，以期为水库水污染控制及富营养化治理提供基础数据及科学依据.

山美水库(25°09′-25°13′N，118°23′-118°27′E)是一座典型的亚热带山区深水水库.，1972年建成投产，主库区位于福建泉州九都镇西部，水库库容为4.72亿m³，集雨面积1 023 km²，正常蓄水位96.48，水深15.3-46.6 m，年均出库水量约为8.97亿m³.水库的主要来水有三处，即上游的桃溪和湖洋溪以及德化县大樟溪龙门滩水库跨流域调水. 山美水库污染来源主要是上游的农业面源污染以及桃溪流域永春县城的工业及生活污水. 山美水库作为当地重要水源地即承载着当地人口的生存与发展，也遭受了经济发展所带来的污染，整体呈现富营养化趋势^[22].

为获取沉积物的基础数据，根据山美水库的水域功能将其分为入库区、 中部区、 近坝区和库尾区，在4个区总共布置47个采样点(1-12号为入库区，13-23号为中部区，24-37号为近坝区，38-47号为库尾区)，采样点位见图 1. 其中在每个分区选取两个点位，采集柱状样(入库区的8和11号点位，中部区的19和21号点位，近坝区的29和36号点位，库尾区的45和46号点位)，在采集柱状沉积样时，根据沉积物的表观特性由上至下将其分为污染层、 过渡层和正常层，其中污染层是淤泥或以淤泥为主，流塑或流塑-软塑、 部分点位有臭味，厚度在3-40 cm之间. 过渡层位于污染层之下厚度在12-40 cm之间，为淤泥质、 流塑或半流塑、 有臭味，偶见腐殖质，部分点位有薄沙，可塑性较好. 正常层位于过渡层之下，厚度在10-40 cm之间，为淤泥粉质黏土，流塑-软塑，微臭，切面较光滑，可塑性较差. 每一层的样品在该层底部采取，其中过渡层一般再分为2-3层，以便更好地研究其分布特征.

图 1

Fig. 1

图 1 山美水库沉积物采样点位布置示意 Fig. 1 Location of sediment sampling sites of Shanmei Reservoir

于2015年4月采用彼得森采泥器采集沉积物污染层样，需要采集柱状样的采用沉积物柱状采集器采集，将采集的样品放入干净的聚乙烯自封袋中，然后带回实验室低温保存. 筛选一部分的样品进行冷冻干燥，另一部分保留以作备用. 冷冻干燥后的样品经研磨过100目的筛子分装于较小的聚乙烯袋中.

对山美水库的沉积物样品进行总氮、 总磷以及有机质的测定，其中总氮采用半微量凯氏定氮法，总磷采用SMT法，有机质采用重铬酸钾容量法^[23].

2 结果与讨论 2.1 污染层TN含量及其空间分布

山美水库沉积物污染层TN含量及空间分布见图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 山美水库沉积物污染层总氮含量的空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of total nitrogen (TN) content in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir

山美水库沉积物污染层TN的平均含量为1 180 mg ·kg^-1，其含量变化范围为262-2 307 mg ·kg^-1，空间分布差异较大. 部分区域污染较为严重，如17(图 2的中部)、 46、 47号点位(图 2的东北部)附近，沉积物总氮污染严重，均高于2 000 mg ·kg^-1，而部分区域沉积物污染程度较轻，如3、 28、 31、 38号点位附近(图 2中颜色较浅区域)，沉积物中总氮低于500 mg ·kg^-1. 从各个分区的污染状况来看，库尾区(1 340 mg ·kg^-1)＞中部区(1 320 mg ·kg^-1)＞入库区(1 082 mg ·kg^-1)＞近坝区(1 040 mg ·kg^-1)，其中库尾区与中部区的总氮含量明显高于入库区及近坝区，库尾区的总氮含量较高和该区域水较深且水动力交换较弱有关，泥沙淤积的时间较长，淤积较严重，另外水库东北边有村镇，村镇生活及农田面源带来污染物直接入库. 而中部区处于众水汇入的区域，水流从入库区流入中部区时，断面突然拓宽，流速减慢，泥沙都在此处沉积，并且受到水库水流顶托的影响，此处的泥沙淤积也较严重^[24]. 此次采样期间处于枯水期，大坝每天都向下游供水所以入库区及近坝区水流动较为明显，水动力交换较强，不利于污染物的沉积，另外近坝区的大坝对于水体具有明显的截留作用，这会使得周边区域的沉积物污染层发生剧烈的翻腾，使得本贮存在沉积物中的污染物吸附在坝上或者是悬浮于水体当中.

山美水库沉积物污染层TP含量及空间分布见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 山美水库沉积物污染层总磷含量的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of total phosphorus (TP) content in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir

山美水库沉积物污染层TP的平均含量为642mg ·kg^-1，其含量变化范围为161-1 115mg ·kg^-1，空间分布差异较大. 山美水库整体上TP污染较为严重，如7和11-17号点位所处区域(图 3中部及偏西部区域)，TP含量基本都高于800 mg ·kg^-1，在17号点位总磷更是达到1 115 mg ·kg^-1，污染十分严重. 按照US EPA(美国国家环保署) 所制定的相关污染标准^[25]，山美水库沉积物整体已经接近重度污染(650 mg ·kg^-1)，部分区域已严重超过重度污染的规定值. 另外TP的分布状况与TN的分布状况有所不同，TN在局部区域较高且污染严重区域较分散. 而TP则是存在一整片区域含量都较高的现象，如图 3中部及偏西部区域，这是由于TP来源与TN有所不同，TN主要来源于畜禽养殖、 城镇生活、 工业和农业污染，而TP除了上述来源外，上游泥沙的汇入是其主要来源之一^[7]，上述污染严重区域正处于水流速减缓，泥沙沉积的区域. 从各个分区的污染状况来看，中部区(749 mg ·kg^-1)＞入库区(670 mg ·kg^-1)＞库尾区(647 mg ·kg^-1)＞近坝区(530 mg ·kg^-1)，TP的区域污染状况也与TN有所差别，因为水库沉积物本身就是一个极其复杂的体系，各个污染因子都有其特性，规律并不相同. 其中入库区的TP较高是由于部分含磷较高的泥沙在入库区即沉淀. TP与TN的污染特征也有所相同的地方，一是它们整体都表现为中部区较高的规律，这与苟婷等^[26]在高州水库的研究结果类似. 二是近坝区的污染状况都相对较轻.

山美水库沉积物污染层OM含量及空间分布见图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 山美水库沉积物污染层有机质含量的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of organic matter (OM) content in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir

沉积物中的OM能够与重金属、 有机物等发生一系列复杂的物理、 化学反应，是自然界中比较重要的一种胶体，能较好地反映水体沉积物的营养状况^[27]. 山美水库沉积物污染层OM的平均含量(质量分数)为3.30%，其含量变化范围为1.22%-5.23%，空间分布差异较大，其中12、 15、 17、 20、 23和41号点位(图 4中颜色较深区域)OM含量较高都超过5%，污染相对比较严重，这与TN及TP的分布状况都有所不同，据现场采样考察，上述污染严重区域周边都有养殖鱼类，养鱼过程中投放的一些有机饲料，以及大量鱼类的排泄物等是上述点位OM较高的主要原因. 从各个分区的污染状况来看，中部区(4.09%)＞库尾区(3.36%)＞近坝区(2.95%)＞入库区(2.94%)，整体分布形势与TN及TP类似，即呈现中部区高、 入库区及近坝区较低的特征. 这表明入库及出库水流作用是山美水库沉积物污染空间分布的主要影响因素，这与国内相关研究成果较为相似，即认为水动力因素是影响沉积物污染空间分布的主要因素^[28].

山美水库沉积物TN和TP的垂直变化及空间分布见图 5.

图 5

Fig. 5

图 5 山美水库沉积物TN和TP含量及垂直分布 Fig. 5 Content and vertical distribution of total nitrogen and total phosphorus contents in sediments of Shanmei Reservoir

山美水库污染层、 过渡层和正常层三者之间的TN含量没有显著差异(P＞0.05)，其中污染层与正常层的TN含量呈显著差异(P＜0.05)，但过渡层与污染层及正常层都没有显著差异(P＞0.05)，这表明山美水库TN含量在垂向上变化并不大，只有当深度加深到一定程度，才有显著变化. 山美水库污染层、 过渡层和正常层三者之间的TP含量呈极显著差异(P＜0.01)，其中污染层与正常层的TP含量呈极显著差异(P＜0.01)，过渡层与污染层的TP含量呈显著差异(P＜0.05)，过渡层与正常层则没有显著差异(P＞0.05)，相对而言，TP含量在垂直剖面上的差异性比TN大，这可能与山美水库整体水深有关，由于水深较深，污染层就已经处于一定的厌氧环境，促进了反硝化，使得污染层TN含量较低，让TN的垂向差异不明显，而含氧量对TP影响不大. 所选8个柱状样的垂直变化并不完全相同，但就其正常层TN和TP含量来看，要么是所有分层中最小，要么与其上一层含量相近,即当深度达到正常层时，TN和TP含量较小且变化不大. 按TN和TP含量的垂直变化来看，入库区8号点位的TP和中部区19号点位TN与TP含量是随深度加深，逐渐降低，其余点位在过渡层都有所波动，并不是一直保持稳定的随深度下降趋势. 按照EPA制定的低污染标准(TN＜1 000 mg ·kg^-1，TP＜420 mg ·kg^-1)，入库区深度达到15 cm时，达到低污染标准，中部区的19号点位深度达到30 cm时，达到低污染标准，近坝区深度达到30 cm时，达到低污染标准. 剩余中部区21号点位及库尾区点位都处于高污染区域，深度达到正常层时，仍是不能达到低污染标准.

沉积物的C/N通常被利用来分析沉积物中有机质的来源，这是因为不同的生物具有不同的C/N，水生生物为2.8-3.4，浮游动物与浮游植物为6-13，藻类为5-14，高等植物为14-23，维管束陆生植物的C/N通常大于20，而陆生禾木科或莎草科植物C/N可以高达45-50^[19]，总体来说，C/N较高的一般表明为陆源有机质，较小的代表水体自身有机质. 山美水库沉积物污染层的C/N空间分布如图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 山美水库沉积物污染层C/N空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of C/N in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir

山美水库沉积物污染层C/N平均为17.6，其变化范围为6.1-46.2，空间分布差异非常大. 有59.6%都高于14，这表明陆源物质输入的有机质是山美水库中有机质的主要来源. 剩下的40.4%也都高于3.4，基本由浮游动植物及藻类转化而来. 就C/N而言，山美水库与一般湖泊相比有较大差异，一般湖泊沉积物的C/N处于6-14^{[29, 30]}，一方面可能是因为山美水库陆源物质输入相对较多，另一方面山美水库相比一般湖泊水深较深，换水周期较长，沉积物中的有机质基本没有迁移，长期淤积，另外正由于水深较深，容易形成厌氧环境，反硝化作用会降低N的含量，进一步使C/N增高.

为探究山美水库沉积物污染层TN、 TP和OM的相关性关系，采用SPASS 22.0对它们的含量进行Pearson相关性分析，具体结果见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 山美水库沉积物污染层中有机质、总氮及总磷相关性分析 1) Table 1 Correlations of organic matter(OM),total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir OM TN TP OM 1 TN 0.523** 1 TP 0.540** 0.587** 1 1)**表示极显著相关，(样本数=47，显著性水平P＜0.01)

表 1 山美水库沉积物污染层中有机质、总氮及总磷相关性分析 1) Table 1 Correlations of organic matter(OM),total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir

根据表 1，OM、 TN和TP三者之间均呈极显著相关，且相关系数接近，相关研究表明水体沉积物总氮中的70%-90%是以有机氮的形式存在的^[31]，山美水库沉积物TN与OM的相关关系从侧面验证了该研究结果. TP与有机质呈极显著相关是因为有机质也是磷的重要载体，相关研究表明，在沉积物中有机质和P尤其是Po(有机磷)的生物地球化学循环有密切联系^{[32, 33]}. TN与TP之间较好的相关性则表明TN与TP的来源具有一定的同源性，就本研究而言，上游区域农业面源以及部分工业及生活污废水是山美水库沉积物TN与TP的最主要来源之一，并且TN与TP都受到山美水库水动力因素的影响.

当前仍缺乏统一的评价沉积物中营养盐状况的方法，常用的方法有富集系数法、 有机指数法(包含有机氮评价)、 污染指数法等^{[34, 35]}. 其中采用最多的有机指数法缺乏对磷的评价，因此本研究在采用有机指数法(表 2)评价山美水库碳氮的污染状况的同时，采用污染指数法评价山美水库磷的污染状况.

表 2 (Table 2)

表 2 沉积物有机指数评价标准 Table 2 Evaluation standards of organic index in sediments 项目 有机指数 ＜0.05 0.05-0.2 0.2-0.5 ≥0.5 类型等级 清洁 较清洁 尚清洁 有机污染 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

表 2 沉积物有机指数评价标准 Table 2 Evaluation standards of organic index in sediments

有机指数法常常被用来评价沉积物的营养状况，而有机氮则是判断沉积物所受氮污染程度的重要指标(表 3). 计算方法和评价标准如下：

表 3 (Table 3)

表 3 沉积物有机氮评价标准 Table 3 Evaluation standards of organic nitrogen in sediments 项目 有机氮/% ＜0.033 0.033-0.066 0.066-0.133 ≥0.133 类型等级 清洁 较清洁 尚清洁 有机氮污染 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

表 3 沉积物有机氮评价标准 Table 3 Evaluation standards of organic nitrogen in sediments

有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)

有机碳(%)=有机质(%)÷1.724

有机氮(%)=总氮(%)×95%(其中总氮需换算成百分比单位形式，即1 000mg ·kg^-1=0.1%)

污染指数法常常被用于评价各个污染因子的污染状况，本文采用污染指数法对山美水库TP的污染状况进行评价. 计算方法和评价标准如下：

表 4 (Table 4)

表 4 沉积物污染指数评价标准 Table 4 Evaluation standards of pollution index in sediments PI ＜0.5 0.5-1.0 1.0-1.5 ＞1.5 污染程度 清洁 轻度污染 中度污染 重度污染

表 4 沉积物污染指数评价标准 Table 4 Evaluation standards of pollution index in sediments

采用上述方法对山美水库入库区、 中部区、 近坝区以及库尾区这4个区域进行沉积物污染层营养盐状况评价，具体结果见表 5和表 6.

表 5 (Table 5)

表 5 山美水库沉积物污染层有机氮及有机指数 Table 5 Values of organic index and organic nitrogen in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir 分区 有机氮 有机指数 最大值/% 最小值/% 平均值/% 类型 等级 最大值 最小值 平均值 类型 等级 入库区 0.141 0.041 0.103 尚清洁 Ⅲ 0.404 0.044 0.181 较清洁 Ⅱ 中部区 0.211 0.102 0.125 尚清洁 Ⅲ 0.639 0.126 0.305 尚清洁 Ⅲ 近坝区 0.164 0.025 0.099 尚清洁 Ⅲ 0.367 0.028 0.186 较清洁 Ⅱ 库尾区 0.219 0.035 0.127 尚清洁 Ⅲ 0.494 0.045 0.258 尚清洁 Ⅲ 全库 0.219 0.025 0.112 尚清洁 Ⅲ 0.639 0.028 0.228 尚清洁 Ⅲ

表 5 山美水库沉积物污染层有机氮及有机指数 Table 5 Values of organic index and organic nitrogen in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir

表 6 (Table 6)

表 6 山美水库沉积物污染层TP污染指数 Table 6 Pollution index of total phosphorus in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir 分区 TP 最大值 最小值 平均值 污染程度 入库区 2.26 0.97 1.52 重度污染 中部区 2.53 1.19 1.70 重度污染 近坝区 1.68 0.37 1.20 中度污染 库尾区 1.79 0.96 1.47 中度污染 全库 2.53 0.37 1.46 中度污染

表 6 山美水库沉积物污染层TP污染指数 Table 6 Pollution index of total phosphorus in the contaminated layer of sediments of Shanmei Reservoir

根据表 5，山美水库全库的有机氮与有机指数变化范围都较大，分别为0.025-0.219、 0.028-0.639之间. 有机氮与有机指数整体都处于尚清洁的状态，达到Ⅲ级，但是它们的最大值都达到了污染的级别，这表明库区内仍存部分区域污染较严重. 其中有机指数在入库区与近坝区处于较清洁的状 态，达到Ⅱ级. 根据表 6，山美水库TP污染指数变 化范围较大为0.37-2.53之间，整体上污染较为严重，全库TP处于中度污染，且接近重度污染，其中入库区与中部区的TP都处于重度污染，近坝区与库尾区处于中度污染. 整体评价结果表明山美水库的有机污染尚在可接受的范围内，但是山美水库作为当地重要水源地，当前的污染状况仍不容忽视. 而TP的污染则较为严重，人为干扰是一方面原因，另一方面山美水库是典型的亚热带深水水库，整体温度较高，相关研究表明温度较高会促进沉积物中微生物的矿化作用，从而使得部分有机质转化为无机磷，并且由于温度较高水生生物更新快，其死后残体等有机物也会大量分解矿化，进一步加剧山美水库沉积物中TP的积累. 而水较深则易形成厌氧环境，从而促进反硝化的进行，TN相对降低，TP则显得较高^{[37, 38]}.

(1)山美水库沉积物污染层中TN平均含量为1 180 mg ·kg^-1，变化范围为262-2 307 mg ·kg^-1； TP的平均含量为642mg ·kg^-1，变化范围为161-1 115 mg ·kg^-1； OM的平均质量分数为3.30%，变化范围为1.22%-5.23%. 其中TP污染较为严重，山美水库作为重要水源地内源负荷不容忽视.

(2)对山美水库沉积TN和TP含量的垂直分布进行研究，结果表明山美水库的沉积物TN和TP含量随着深度加深到正常层呈现稳定或较低的状态. 除了污染较严重的点位，当深度加深到一定程度，山美水库沉积物TN和TP基本处于低污染状态.

(3)对山美水库沉积物污染层C/N进行研究，结果表明山美水库沉积物中的C/N整体高于普通湖泊. 有机质大多由自然陆源及高等植物贡献. 少部分由浮游动植物及藻类转化而来.

(4)对山美水库沉积物污染层TN、 TP和OM进行Pearson 相关性分析，结果表明它们三者之间都呈极显著相关. 这说明沉积物中的氮磷多以有机形式存在，且来源上有一定的同源性.

(5)采用有机指数法和污染指数法对山美水库沉积物污染层的污染状况进行评价，结果表明山美水库沉积物污染层的有机氮及有机指数都处于尚清洁的状态，TP属于中度污染，接近重度污染.