环境科学  2023, Vol. 44 Issue (10): 5546-5555   PDF    
引用本文
程新宇, 李岩, 李晔, 王艮梅, 张焕朝, 温佳乐, 李柠, 虞叶, 叶子, 郑捷翔, 李志龙, 刘敏. 太湖沉积物好氧细菌空间分布与氮磷来源及风险[J]. 环境科学, 2023, 44(10): 5546-5555.
CHENG Xin-yu, LI Yan, LI Ye, WANG Gen-mei, ZHANG Huan-chao, WEN Jia-le, LI Ning, YU Ye, YE Zi, ZHENG Jie-xiang, LI Zhi-long, LIU Min. Spatial Distribution of Aerobic Bacteria, Sources and Risks of Nitrogen and Phosphorus in Taihu Lake Sediments[J]. Environmental Science, 2023, 44(10): 5546-5555.
太湖沉积物好氧细菌空间分布与氮磷来源及风险
程新宇1, 李岩1,2, 李晔2, 王艮梅1, 张焕朝1, 温佳乐1, 李柠1, 虞叶1, 叶子1, 郑捷翔1, 李志龙3, 刘敏2     
1. 南京林业大学林学院, 南京 210037;
2. 华东师范大学地理科学学院, 上海 200062;
3. 临汾市吉县林业与草原局, 临汾 042299
收稿日期: 2022-10-10; 修订日期: 2022-11-19
基金项目: 国家自然科学基金项目（42101079）；湖泊与环境国家重点实验室开放基金项目（2022SKL002）；中国博士后科学基金项目（2021M701208）
作者简介: 程新宇(1999~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为沉积物微生物和氮磷污染, E-mail: cxyszs@163.com
通信作者: 李岩, E-mail: Lyle@njfu.edu.cn
摘要: 沉积物中氮磷释放到湖水中会加剧湖泊的富营养化，危害生态安全和人类健康.微生物在氮磷转换中不可或缺，准确分析沉积物中氮磷分布特征和来源以及与微生物的关系是湖泊富营养化管控的重要前提.以太湖为研究区，采集30个表层沉积物样品，测定并分析了粒度、pH、有机质（OM）、溶解性有机碳（DOC）、全磷（TP）、全氮（TN）、硝态氮（NO3--N）和溶解性有机氮（DON）等指标含量及空间分布特征，同时利用营养琼脂（NA）培养基以平板计数法测定好氧细菌（AB）数量.结合主成分分析（PCA）和Pearson相关分析探究了太湖沉积物和AB空间分布特征和来源.采用综合污染指数法和有机污染指数法研究了太湖沉积物污染特征.结果表明，太湖表层沉积物指标平均值如下：AB为9.25×104 CFU·g-1，平均粒径（MZ）为17.59 μm，pH为7.62，ω（OM）为15.05g·kg-1，ω（DOC）为71.60mg·kg-1，ω（TP）为598.13mg·kg-1，ω（TN）为1113.92 mg·kg-1，ω（NO3--N）为3.22mg·kg-1，ω（DON）为22.60mg·kg-1.综合污染指数（FF）显示太湖中的点位13%为中度污染，87%为重度污染.TN除在湖心区、南部湖区和东太湖西部的部分湖区为轻度污染外，其余区域为中重度污染.除竺山湾为重度污染外，太湖中TP整体上为轻中度污染.有机污染指数（OI）表明，太湖沉积物有机污染较轻，主要与有机氮（ON）污染有关.太湖中DOC、DON、TN和OM主要来源于水生植物的影响，TP和AB主要来源于河流外源输入的影响.研究将为湖泊富营养化治理提供理论支撑，也为进一步研究AB去除沉积物中氮磷污染提供新思路.
关键词: 沉积物      富营养化      好氧细菌(AB)      源解析      污染评估     
Spatial Distribution of Aerobic Bacteria, Sources and Risks of Nitrogen and Phosphorus in Taihu Lake Sediments
CHENG Xin-yu1 , LI Yan1,2 , LI Ye2 , WANG Gen-mei1 , ZHANG Huan-chao1 , WEN Jia-le1 , LI Ning1 , YU Ye1 , YE Zi1 , ZHENG Jie-xiang1 , LI Zhi-long3 , LIU Min2     
1. College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;
2. School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200062, China;
3. Forestry and Grassland Bureau of Jixian County, Linfen 042299, China
Abstract: The release of nitrogen and phosphorus from sediments into lake water will exacerbate the eutrophication of lakes and endanger ecological safety and human health. Microorganisms are indispensable in nitrogen and phosphorus conversion, and accurate analysis of the distribution characteristics and sources of nitrogen and phosphorus in sediments as well as their relationship with microorganisms is an important prerequisite for lake eutrophication control. Taking Taihu Lake as the study area, 30 surface sediment samples were collected, and the grain size, pH, organic matter (OM), dissolved organic carbon (DOC), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), nitrate nitrogen (NO3--N), and dissolved organic nitrogen (DON) along with some other index contents were measured and analyzed; accordingly, spatial distribution characteristics were analyzed. While using nutrient agar (NA), the number of aerobic bacteria (AB) was determined by plate counting in the medium. Combined with principal component analysis (PCA) and Pearson correlation analysis, the spatial distribution characteristics and sources of sediments and AB in Taihu Lake were explored. The characteristics of sediment pollution in Taihu Lake were studied using the comprehensive pollution index and the organic pollution index methods. The results revealed that the average sediment indicators of the surface layer of Taihu Lake were as follows: AB was 9.25×104 CFU·g-1, average particle size (MZ) was 17.59 μm, pH was 7.62, ω(OM) was 15.05 g·kg-1, ω(DOC) was 71.60 mg·kg-1, ω(TP) was 598.13 mg·kg-1, ω(TN) was 1113.92 mg·kg-1, ω(NO3--N) was 3.22 mg·kg-1, and ω(DON) was 22.60 mg·kg-1. The comprehensive pollution index (FF) showed that 13% of the Taihu Lake was moderately polluted, while 87% was heavily polluted. Excluding the area in the center of the lake, the southern lake area, and some lakes in the western part of the East Taihu Lake, TN in the rest of the area was moderately and severely polluted. In addition to the heavy pollution of Zhushan Bay, the TP in Taihu Lake was generally at light and moderate pollution. The organic pollution index (OI) showed that the organic pollution of the sediments of Taihu Lake was relatively light, majorly caused by organic nitrogen (ON) pollution. DOC, DON, TN, and OM in Taihu Lake were primarily derived from the influence of aquatic plants, and TP And AB were primarily derived from the influence of the external input of rivers. This research will provide theoretical support for lake eutrophication treatment and also provide new ideas for further analysis of AB to remove nitrogen and phosphorus pollution from sediments.
Key words: sediment      eutrophication      aerobic bacteria (AB)      source analysis      pollution assessment     

太湖是典型的淡水型湖泊(采样实测平均水深1.95 m), 稀释输入养分的能力较弱, 更容易受沉积物重悬影响.在强烈的人为干扰(农业和城市发展)下的湖泊内部负荷增加, 富营养化会加剧[1].湖泊的富营养化在世界很多国家都有发生, 针对湖泊富营养化已进行许多研究, 探究湖泊富营养化的原因和找到湖泊富营养化的解决方案是各国生态专家和学者的不懈追求.有研究发现沉积物会缓慢释放氮磷在水体中, 湖泊富营养化与沉积物释放到湖水中氮磷密切相关[2].湖泊中氮磷80% ~90%存在于沉积物中, 表层沉积物在水动力学作用下不断释放氮磷会导致湖泊富营养化[3].严重湖泊富营养化推动湖泊生态系统由浮游植物主导的自养型变为由微生物主导的异养型[4], 并引起藻类大量繁殖导致湖水黑臭[5].同时藻类碎屑沉降在沉积物中会促进氮磷矿化释放到水体中不断加剧富营养化[6].好氧细菌(AB)是湖泊生态系统循环重要组成成分, 好氧反硝化细菌能够高效地将富营养化水体的沉积物氮生物去除[7], 聚磷菌在好氧条件下能够吸收沉积物中的磷从而达到去除的目的[8].研究太湖沉积物AB的空间分布特征能够为太湖的氮磷生物去除提供理论依据.

明确湖泊中氮磷的分布特征和来源能够为解决湖泊富营养化问题提供理论依据.近些年太湖沿岸高耗能高污染企业关停减少了点源性输入, 湖泊流域农业生产等广泛、随机且具有潜伏期的非点源性输入成为湖泊污染的主要影响因素[9].非点源性污染输入加大了太湖治理的难度, 太湖的治理需要更加精准地识别污染源.针对太湖五里湖的研究发现, 氮是雨季时湖水富营养化的主要影响因素而磷是旱季时湖水富营养化的主要影响因素[10], 雨季时限制氮输入到湖水中而在旱季限制磷输入将减轻富营养化程度.太湖梅梁湾特定时期限制磷释放能够显著降低有害藻华(HABs)的发生几率[11]. 太湖竺山湾的氮磷分布特征和污染评价研究中发现竺山湾在受到地形和水动力作用下表层沉积物负荷较高[12].这些研究测定了氮磷的空间分布定性分析了太湖富营养化的来源, 但缺少非点源性污染背景下太湖氮磷在太湖空间分布特征和定量分析氮磷来源研究.主成分分析是一种对多变量进行降维后再分析的统计方法[13], 该方法已被广泛用于河流、湖泊和海洋等沉积物的污染物因子解析[14~16].通过该方法对太湖沉积物中氮磷来源贡献进行分析, 能够量化氮磷污染源, 在治理时结合相关数据能够降低污染控制成本.基于上述考虑, 本研究的主要目的是: ①探究太湖沉积物的理化指标含量和氮磷污染的空间分布特征; ②分析AB空间分布特征和生长限制因素; ③识别分析太湖氮磷污染来源, 以期为下一步太湖生态环境治理提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

太湖是中国五大淡水湖之一, 位于长江三角洲以南, 湖泊面积2 427.8 km2, 平均年出湖径流量约75亿m3, 蓄水量约44亿m3[17].全湖入湖水主要来自湖西区和浙西区, 占全湖入湖水量的75%左右, 出湖水主要在太浦河、阳澄淀泖区和杭嘉湖区, 占全湖出湖水量70%左右[18, 19].根据太湖地理位置特征并结合以往针对太湖相关研究, 整个太湖可分为8个区域: 南部湖区、东部湖区、东太湖、湖心区、西部湖区、贡湖湾、梅梁湾和竺山湾[20, 21](如图 1).

图 1 太湖湖区采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in Taihu Lake area

1.2 样点布设

为保证研究质量在研究区内根据以下原则收集表层沉积物样品: ①样本涵盖整个太湖区域所有湖区; ②湖底无底泥时在样点周围50 m内采样; ③采样点间隔原则上大于3 km.

1.3 样品采集

2021年12月, 采集沉积物样品30个并记录经纬度和水深, 挑出肉眼可见底栖生物和植物根茎, 采集过程中记录采集位置水深、水温、沉积物颜色和动植物生长情况.用彼得逊采泥器采集太湖表层0~10 cm沉积物, 分别放入采样管与采样盒中并在干冰中保存.用于微生物培养沉积物直接置于-80℃冰箱冷冻.用于理化指标测定沉积物冻干后, 去除小贝壳等杂物后研磨过筛(2 mm和0.149 mm)保存于密封袋中.

1.4 样品分析

表层沉积物AB数量测定采用连续稀释法, 取-80℃冰箱内沉积物样品在室温25℃活化, 在37℃培养箱培养24 h计数, 并在48 h后再次计数防止出现假阳性[22].

取过筛后的沉积物测定理化指标.沉积物有机质(OM)用重铬酸钾-外加热法, pH用雷磁PHS-3C型pH计测定, 含水率(SM)用烘干法测定, 全氮(TN)用半微量凯氏法测定, 全磷(TP) 用HClO4-H2SO4法测定, 硝态氮(NO3--N)用紫外分光光度法测定[23].沉积物溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机氮(DON)在K2SO4提取, 上清液用0.45 μm滤膜过滤, 用TOC-LCPH型总有机碳分析仪测定[24].

粒度测定取过2 mm筛后的沉积物用MICROTRAC S3500激光粒度分析仪测定粒度并得到平均粒径(MZ)[25].按照Udden-Went-wort沉积物分类标准对太湖全湖30个表层沉积物样品粒度划分为黏粒(COS, 小于4 μm)、粉粒(PP, 4~64 μm)和沙粒(SG, 大于64 μm)这3种组分[26, 27].

1.5 质量控制

在测定过程中严格保证实验数据的可靠性和准确性, 每批样品设置1个空白样, 每5个样品设置一个平行实验样品, 当平行样品的误差大于国标要求, 则当前批次样品重新测定.

1.6 数据处理

根据实际采样点的地理坐标在ArcGIS 10.8中对每个点TN、TP和OM等用Kriging插值法绘制空间分布图.在Origin 2021中运用Pearson相关分析反映各环境因子与好氧细菌数量的相关系数及显著性, 在SPSS中通过Bartlett检验后再用PCA分析反映各因素之间关系.

1.7 污染评价方法 1.7.1 综合污染指数法

以综合污染指数评价太湖沉积物中营养盐的污染程度, 以1992年加拿大安大略省环境部沉积物质量评价指南中能够引起最低级别生态毒性效应的TN和TP浓度为评价标准[28].沉积物营养盐的评价等级见表 1, 评价公式如下:

(1)
(2)
表 1 沉积物营养盐污染程度等级 Table 1 Sediment nutrient salt contamination levels

式中, Pi表示污染物i的污染指数; Ci表示沉积物中污染物i的实际含量; Si表示污染物i的评价标准, STN=550 mg·kg-1和STP=600 mg·kg-1; FF表示综合污染指数; F表示STN和STP的平均值; Fmax表示STN和STP中的最大值[29].

1.7.2 有机污染指数法

有机污染指数法常作为沉积物有机污染程度的评价指标[30, 31], 评价等级见表 2, 计算公式如下:

(3)
(4)
表 2 沉积物有机指数和有机氮指数 Table 2 Sediment organic index and organic nitrogen index

2 结果与讨论 2.1 太湖沉积物理化性质和AB空间分布特征 2.1.1 太湖沉积物碳氮分布特征

经过测试分析太湖表层沉积物中ω(OM)在10.16~23.91g·kg-1之间, 平均值为15.05g·kg-1.OM高值区主要出现在梅梁湾、东太湖东部区域和东部湖区, OM低值区主要出现在竺山湾、湖心区、南部湖区和东太湖西部区域[图 2(a)和表 3].太湖表层沉积物中ω(DOC)在42.26~137.76mg·kg-1之间, 平均值71.60 mg·kg-1.DOC高值区主要出现在竺山湾、贡湖湾、梅梁湾、西部湖区和东部湖区, DOC低值区主要出现在湖心区、南部湖区和东太湖[图 2(b)和表 3].太湖表层沉积物中ω(TN)在0.74~1.75g·kg-1之间, 平均值为1.11g·kg-1.TN高值区主要出现在贡湖湾、梅梁湾、东太湖东部区域、东部湖区和西部湖区, TN低值区主要出现在竺山湾北部区域、湖心区、南部湖区和东太湖西部区域[图 2(c)和表 3].太湖表层沉积物中ω(DON)在9.29~64.87mg·kg-1之间, 平均值为22.60mg·kg-1.DON高值区主要出现在竺山湾、贡湖湾、梅梁湾、湖心区北部和西部湖区北部, DON低值区主要出现在湖心区南部、南部湖区和东太湖[图 2(d)和表 3].

图 2 太湖沉积碳氮磷和好氧细菌(AB)空间分布插值 Fig. 2 Interpolation of spatial distribution of sedimentary carbon, nitrogen, phosphorus, and aerobic bacteria (AB) in Taihu Lake

表 3 太湖沉积物测定指标的最小值、最大值和平均值 Table 3 Minimum, maximum, and average values of sediment determination indicators in Taihu Lake

在湖泊生态系统中, OM和TN能反映沉积物有机营养程度[32].DOC和DON是能够代表湖泊生态系统中碳氮的可利用性的重要指标[33].结合卫星遥感影像资料发现太湖中水生植物以浮水植物和沉水植物为主, 沉水植物主要分布在竺山湾外湾、东太湖和东部湖区的胥湖, 浮水植物主要分布在西部湖区沿岸、竺山湾内湾、梅梁湾和贡湖湾, 拥有少量的挺水植物且其大多分布在太湖沿岸地带[34].这些植物的分布与OM、TN、DOC和DON的分布相对应.沉水植物和浮水植物的生长能够减少沉积物被水流扰动, 影响沉积物氮磷释放和沉积[35], 但水生植物枯枝落叶的腐化会使沉积物中OM、TN、DOC和DON的含量增多[36].

2.1.2 太湖沉积物TP和AB分布特征

太湖表层沉积物中ω(TP)在0.36~1.43g·kg-1之间, 平均值为0.60g·kg-1.TP高值区主要出现在竺山湾、梅梁湾、西部湖区和南部湖区, TP低值区主要出现在贡湖湾、东部湖区和东太湖[图 2(e)和表 3].太湖表层沉积物中AB在1.79×104~8.28×105 CFU·g-1之间, 平均值为9.25×104 CFU·g-1.AB高值区主要出现在竺山湾、梅梁湾和西部湖区, AB低值区主要出现在湖心区、南部湖区和东部湖区[图 2(f)和表 3].

在2010~2017年太湖入湖河流中的TP浓度一直高于太湖中TP浓度[22].其原因主要有两方面: 一方面太湖中的植物会富集水中的磷, 随着植物根茎叶枯落进入沉积物中; 另一方面磷会被太湖中铁、锰等氧化物络合吸附沉积在底泥中.磷元素会在河水进入湖泊后很快沉积, 靠近湖西区和浙西区入湖口沉积物中TP是高值区, 靠近太浦河、阳澄淀泖区和杭嘉湖区出湖口TP是低值区.沉积物中微生物的生长与其所处环境的养分状况、水深和温度等有关, 适宜的生长环境将有助于微生物的繁衍[37].河流冲刷进入湖泊中的物质为AB提供了大量养分, 同时受益于竺山湾地理环境和风向影响, 太湖中藻类及其他漂浮物会随风进入竺山湾后逐渐堆积不易扩散, 为沉积物中AB提供更多的养分使其数量增多[38].在东太湖东部AB数量要比周边湖区多, 通过卫星地图结合太湖近些年相关报道发现, 在东太湖存在大范围的围网养殖并于2018全面清退, 但围网养殖留下的养分依然能为AB生长提供较充足条件[39].但总体上AB数量的空间分布特征和太湖河流外源输入相关.

2.1.3 太湖沉积物粒度空间分布特征

沉积物粒度粒径以PP为主, COS占比在4.37% ~14.62%之间, 平均值8.23%; PP占比在81.23% ~91.86%之间, 平均值88.63%; SG占比在0.97% ~9.18%之间, 平均值3.14%; MZ的范围在13.83~25.05 μm之间, 平均值为17.59 μm(图 3和表 3).太湖是典型的浅水型湖泊, 拥有竺山湾、梅梁湾和贡湖湾等众多湖湾, 表层沉积物粒度组分受湖泊流向和水生植物等影响呈现不同的空间分布特征[40]. 湖泊流向会对沉积物MZ产生直接影响.通过太湖表层沉积物MZ分布情况发现靠近湖西区和浙西区的MZ是低值区; 靠近太浦河、阳澄淀泖区和杭嘉湖区为高值区.原因可能是河流流入扰动时大粒径泥沙先沉积而小粒径泥沙带入太湖中后沉积, 同时湖水在出湖扰动时将小粒径泥沙带离而留下大粒径泥沙沉积[41].PP具有与MZ相似的空间分布格局, 但在竺山湾和梅梁湾中有PP的最高值和SG的最低值, 出现这种情况的可能原因是: 一方面这些地区拥有较多入湖河流, 带入湖中较多小颗粒泥沙; 另一方面太湖盛行东南风, 浮水植物会在风力作用下漂浮至此, 这些区域浮水植物死后沉积, 在微生物作用下分解生成更多具有PP粒径无定形物[42].

图 3 太湖沉积物粒度组分插值 Fig. 3 Interpolation of sediment particle size components in Taihu Lake

2.2 沉积物综合污染评价和有机污染评价

太湖表层沉积物全氮污染指数[Pi(TN)]在1.34~3.18, 平均值为2.03; 太湖表层沉积物全磷污染指数[Pi(TP)]在0.59~2.38, 平均值为1.00; 太湖表层沉积物综合污染指数[Pi(FF)]在1.76~3.79, 平均值为2.55(图 4). TN除在湖心区、南部湖区和东太湖西部的部分湖区为轻度污染外, 其余区域太湖中TN是中重度污染.除竺山湾为重度污染外太湖中TP整体上为轻中度污染.综合污染显示在太湖中的点位13%为中度污染, 87%为重度污染.

图 4 太湖沉积物综合污染评价和有机污染评价插值 Fig. 4 Interpolation of comprehensive pollution evaluation and organic pollution evaluation of sediment in Taihu Lake

太湖表层沉积物有机污染指数(OI)在0.041~0.210间, 平均值为0.096; 太湖表层沉积物有机氮指数(ON)在0.07~0.17间, 平均值为0.11(图 4).OI显示除在东太湖东部和梅梁湾北部尚清洁外, 其余区域太湖基本上是清洁和较清洁状态.ON显示在东太湖东部和梅梁湾有有机氮污染, 其余区域是尚清洁状态.

太湖有机污染评价和综合污染评价都显示梅梁湾和东太湖的部分湖区表层沉积物存在较严重的氮污染.在竺山湾、梅梁湾西部、西部湖区和南部湖区存在较严重的磷污染.结合氮磷的空间分布特征, 沉积物氮污染的最主要原因是太湖中藻类和浮水植物的生长, 磷污染的最主要原因是外源输入沉积在底泥中.在梅梁湾依然存在氮磷污染, 有研究指出造成这种污染的可能原因是太湖常年盛行东南风导致藻类在西北部沉积在底泥中从而使该地区成为重灾区[29].在东太湖东部区域存在较重氮污染时磷污染较轻, 可能原因是随着2018年东太湖全面清退围网养殖后, 在没有主要污染源的情况下湖泊环境改善, 沉积物磷浓度降低[43].

2.3 沉积物对AB影响研究和氮磷来源解析

太湖沉积物中好氧细菌(AB)与TP极显著正相关(r=0.84, P＜0.01), 与沉积物所处水深显著负相关(r=-0.36, P＜0.05), 与沉积物粒度的PP显著正相关(r=0.38, P＜0.05).沉积物中TN与DOC、OM和SM极显著正相关(r=0.71, 0.85, 0.69, P＜0.01), 与NO3--N显著正相关(r=0.37, P＜0.05), 与SG显著负相关(r=-0.45, P＜0.05)[图 5(a)].AB与TP之间的极显著正相关, 可能与磷是微生物生长限制因子有关[44].AB与太湖沉积物所处水深之间的显著负相关与AB的好氧的生活习性密切有关, 随着水深的增加而水中含氧量降低, 需要氧气生存的AB数量减少[45].在湖泊沉积物中AB存在与土壤中所表现出的与PP显著相关, 在很多研究中发现可能与PP为AB提供适宜生长条件有关, 即在(4~64 μm)粒径水平上可能存在最适合AB生长的粒径范围[46].

1.AB, 2.TN, 3.TP, 4.DOC, 5.DON, 6.NO3--N, 7.OM, 8.SM, 9.水深, 10.pH, 11.MZ, 12.COS, 13.PP, 14.SG; *为P＜0.05, **为P＜0.01 图 5 太湖沉积物AB热图和主成分分析(PCA) Fig. 5 Sediment AB heat map and principal component analysis map (PCA) in Taihu Lake

利用SPSS 21软件对沉积物数据做KMO抽样适切性量数和Bartlett球形度检验, P值分别为0.599和0.000, 因此, 数据可进行因子分析[表 4和图 5(b)].Varimax正交旋转提取出特征值大于1的4个主成分.其贡献率分别为33.4%、23.9%、11.7%和9.8%, 解释了沉积物总方差的78.7%.这说明对前4个主成分进行分析即可得到AB、TN、TP、DOC、DON、OM、NO3--N、SM、水深、pH和PP这11种数据包含的大部分信息.主成分PC1和PC2的总解释度为57.3%[图 5(b)], 箭头线长度表示样本分布之间的关联程度, 箭头线之间的角度表示相关性, 从图中可以直观看到AB和TP之间、水深和PP之间具有较强的关联性和相关性.

表 4 旋转成分矩阵 Table 4 Rotational composition matrix

主成分1贡献率为33.4%, 在TN、DOC、OM、SM上载荷较高(表 4).这4种沉积物性质都与水生植物密切相关联, TN、DOC和OM的空间分布结合太湖湿地水生植物空间分布情况, 可以发现二者在空间分布上高度重合[35], 因此, 主成分1被认定为水生植物的贡献[47].主成分2贡献率为23.9%, 在TP、AB和PP上载荷较高, 主要揭示了TP、AB和PP的信息.TP、AB和PP的空间分布与太湖出入湖水空间分布相吻合, 说明主成分2是由外源河流输入贡献[22, 48].主成分3贡献率为11.7%, 在水深和NO3--N上载荷较高, 主要揭示了水深和NO3--N的信息. 表层沉积物处在不同的深度上覆水和间隙水中溶氧量随深度增加而减少, NO3--N与水深呈现极显著负相关.主要体现在对水中溶氧量的影响, 溶氧量高硝化细菌硝化作用生成NO3--N, 溶氧量低氨氮细菌会将NO3--N矿化为NH4+-N[49], 因此, 主成分3为溶氧源.主成分4贡献率为9.8%, 在pH上载荷较高, 主要揭示pH的信息.太湖沉积物整体上呈现弱碱性.弱碱性湖泊一般处在生态环境恶化的初级阶段, 生物多样性丰富同时生产力高, 但该生态系统稳定性差, 抗干扰能力弱, 弱碱性受水生生物和多种自然因素影响[50, 51], 因此主成分4为酸碱源.

3 结论

(1) 太湖表层沉积物OM、TN、TP、AB、DOC和DON等整体分布呈现出竺山湾、西部湖区和梅梁湾西北部地区是高值区, 东部湖区和东太湖东南部地区相对是低值区.

(2) 太湖表层沉积物氮磷污染比较严重.综合污染指数显示太湖底泥整体处于中重度污染状态, 重度污染区分布在梅梁湾、竺山湾和东太湖东部地区.有机污染指数显示除在东太湖东部和梅梁湾北部尚清洁外, 其余区域太湖基本上是清洁状态和较清洁状态.

(3) 主成分分析定量了造成太湖富营养化问题原因贡献率, 太湖表层沉积物中OM、TN、DOC和SM的空间分布和水生植物相关联, 水生植物贡献率为33.4%; 太湖表层沉积物PP、AB和TP的空间分布和太湖入湖水外源输入相关联, 外源输入贡献率为23.9%.

(4) TP是AB在太湖空间分布的最主要影响因素; PP(4~64 μm)粒径中存在最适合AB生长的团粒结构.重度污染区的较高TP含量和PP团粒结构有利于AB的生长, 为太湖利用微生物去除氮磷污染提供了理论依据.

参考文献
[1] Zhou J, Leavitt P R, Zhang Y B, et al. Anthropogenic eutrophication of shallow lakes: Is it occasional?[J]. Water Research, 2022, 221. DOI:10.1016/j.watres.2022.118728
[2] 刘鑫, 史斌, 孟晶, 等. 白洋淀水体富营养化和沉积物污染时空变化特征[J]. 环境科学, 2020, 41(5): 2127-2136.
Liu X, Shi B, Meng J, et al. Spatio-temporal variations in the characteristics of water eutrophication and sediment pollution in Baiyangdian Lake[J]. Environmental Science, 2020, 41(5): 2127-2136.
[3] 荣楠, 周道坤, 郭灿斌, 等. 不同释放模式下网湖沉积物氮磷释放通量估算[J]. 环境科学学报, 2022, 42(5): 345-354.
Rong N, Zhou D K, Guo C B, et al. Estimation of nitrogen and phosphorus release fluxes from sediments of the Wanghu Lake under different release modes[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2022, 42(5): 345-354.
[4] Qin B Q, Gao G, Zhu G W, et al. Lake eutrophication and its ecosystem response[J]. Chinese Science Bulletin, 2013, 58(9): 961-970. DOI:10.1007/s11434-012-5560-x
[5] 吴锋, 战金艳, 邓祥征, 等. 中国湖泊富营养化影响因素研究——基于中国22个湖泊实证分析[J]. 生态环境学报, 2012, 21(1): 94-100.
Wu F, Zhan J Y, Deng X Z, et al. Influencing factors of lake eutrophication in China——A case study in 22 lakes in China[J]. Ecology and Environment Sciences, 2012, 21(1): 94-100.
[6] 杜先, 荀凡, 王亚蕊, 等. 蓝藻碎屑堆积对湖泊沉积物矿化特征的影响[J]. 湖泊科学, 2020, 32(6): 1671-1682.
Du X, Xun F, Wang Y R, et al. Effects of algal-detritus accumulation on the mineralization characteristics of lake sediment[J]. Journal of Lake Sciences, 2020, 32(6): 1671-1682.
[7] 朱云, 龚望宝, 谢骏, 等. 好氧反硝化细菌的鉴定及其脱氮特性研究[J]. 水生生物学报, 2020, 44(4): 895-903.
Zhu Y, Gong W B, Xie J, et al. Identification and denitrification characteristics of the aerobic denitrifying bacteria Pseudomonas furukawaii ZS1[J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2020, 44(4): 895-903.
[8] 郝晓地, 陈峤, 刘然彬. Tetrasphaera聚磷菌研究进展及其除磷能力辨析[J]. 环境科学学报, 2020, 40(3): 741-753.
Hao X D, Chen Q, Liu R B. Research advances of Tetrasphaera as polyphosphate accumulating organisms and analysis on their P-removal potential[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020, 40(3): 741-753.
[9] Nielsen A, Trolle D, Søndergaard M, et al. Watershed land use effects on lake water quality in Denmark[J]. Ecological Applications, 2012, 22(4): 1187-1200. DOI:10.1890/11-1831.1
[10] Baldwin A K, Corsi S R, Oliver S K, et al. Primary sources of polycyclic aromatic hydrocarbons to streambed sediment in great lakes tributaries using multiple lines of evidence[J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2020, 39(7): 1392-1408. DOI:10.1002/etc.4727
[11] Tang N, Yu Y J, Cai L Q, et al. Distribution characteristics and source analysis of microplastics in urban freshwater lakes: a case study in Songshan Lake of Dongguan, China[J]. Water, 2022, 14(7). DOI:10.3390/w14071111
[12] 范成新. 湖泊沉积物—水界面研究进展与展望[J]. 湖泊科学, 2019, 31(5): 1191-1218.
Fan C X. Advances and prospect in sediment-water interface of lakes: A review[J]. Journal of Lake Sciences, 2019, 31(5): 1191-1218.
[13] Wang J L, Fu Z S, Qiao H X, et al. Assessment of eutrophication and water quality in the estuarine area of Lake Wuli, Lake Taihu, China[J]. Science of the Total Environment, 2019, 650: 1392-1402. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.09.137
[14] Ding S M, Chen M S, Gong M D, et al. Internal phosphorus loading from sediments causes seasonal nitrogen limitation for harmful algal blooms[J]. Science of the Total Environment, 2018, 625: 872-884. DOI:10.1016/j.scitotenv.2017.12.348
[15] 方家琪, 祁闯, 张新厚, 等. 太湖竺山湾沉积物碳氮磷分布特征与污染评价[J]. 环境科学, 2019, 40(12): 5367-5374.
Fang J Q, Qi C, Zhang X H, et al. Spatial distribution and pollution evaluation of carbon, nitrogen, and phosphorus in sediments of Zhushan Bay at Taihu Lake[J]. Environmental Science, 2019, 40(12): 5367-5374.
[16] Jiang Q C, Yan X F, Huang B. Performance-driven distributed PCA process monitoring based on fault-relevant variable selection and Bayesian inference[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(1): 377-386. DOI:10.1109/TIE.2015.2466557
[17] 常翔宇, 蔡宇, 柯长青. 基于卫星测高数据的2002~2018年太湖水位变化监测[J]. 中国环境科学, 2022, 42(3): 1295-1308.
Chang X Y, Cai Y, Ke C Q. Monitoring of water level variation in Tai Lake from 2002~2018 based on satellite altimeter data[J]. China Environmental Science, 2022, 42(3): 1295-1308.
[18] 季海萍, 吴浩云, 吴娟. 1986-2017年太湖出、入湖水量变化分学[J]. 湖泊科学, 2019, 31(6): 1525-1533.
Ji H P, Wu H Y, Wu J. Variation of inflow and outflow of Lake Taihu in 1986~2017[J]. Journal of Lake Sciences, 2019, 31(6): 1525-1533.
[19] 汪院生, 柳子豪, 展永兴, 等. 环太湖出入湖水量变化探析[J]. 江苏水利, 2022(4): 14-17, 56.
Wang Y S, Liu Z H, Zhan Y X, et al. Analysis on the variation of water inflow and outflow of the Taihu Lake[J]. Jiangsu Water Resources, 2022(4): 14-17, 56.
[20] 彭兆亮, 胡维平. 基于水生态改善的太湖分区分时动态水质目标制定方法[J]. 湖泊科学, 2019, 31(4): 988-997.
Peng Z L, Hu W P. A modelling approach for dynamic water quality target setting on multiple time-scales for subzones of Lake Taihu based on ecosystem improvement[J]. Lake Science, 2019, 31(4): 988-997.
[21] 王华, 陈华鑫, 徐兆安, 等. 2010-2017年太湖总磷浓度变化趋势分析及成因探讨[J]. 湖泊科学, 2019, 31(4): 919-929.
Wang H, Chen H X, Xu Z A, et al. Variation trend of total phosphorus and its controlling factors in Lake Taihu, 2010-2017[J]. Lake Science, 2019, 31(4): 919-929.
[22] 戴欣, 王保军, 黄燕, 等. 普通和稀释培养基研究太湖沉积物可培养细菌的多样性[J]. 微生物学报, 2005, 45(2): 161-165.
Dai X, Wang B J, Huang Y, et al. Bacterial diversity in the sediments of Taihu Lake by using traditional nutrient medium and dilution nutrient medium[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2005, 45(2): 161-165.
[23] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. (第三版). 北京: 中国农业出版社, 2000.
[24] 李忠佩, 张桃林, 陈碧云. 可溶性有机碳的含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系[J]. 土壤学报, 2004, 41(4): 544-552.
Li Z P, Zhang T L, Chen B Y. Dynamics of soluble organic carbon and its relation to mineralization of soil organic carbon[J]. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(4): 544-552.
[25] 陶建霜, 陈光杰, 陈小林, 等. 多重环境压力下大屯海硅藻群落结构的长期变化[J]. 应用生态学报, 2015, 26(8): 2525-2533.
Tao J S, Chen G J, Chen X L, et al. Long-term pattern of diatom community structure changes in response to multiple environmental stressors at Datun Lake, Southeast Yunnan, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(8): 2525-2533.
[26] Udden J A. Mechanical composition of clastic sediments[J]. GSA Bulletin, 1914, 25(1): 655-744.
[27] Wentworth C K. A scale of grade and class terms for clastic sediments[J]. The Journal of Geology, 1922, 30(5): 377-392.
[28] 黄廷林, 刘飞, 史建超. 水源水库沉积物中营养元素分布特征与污染评价[J]. 环境科学, 2016, 37(1): 166-172.
Huang T L, Liu F, Shi J C. Distribution characteristics and pollution status evaluation of sediments nutrients in a drinking water reservoir[J]. Environmental Science, 2016, 37(1): 166-172.
[29] 王佩, 卢少勇, 王殿武, 等. 太湖湖滨带底泥氮、磷、有机质分布与污染评价[J]. 中国环境科学, 2012, 32(4): 703-709.
Wang P, Lu S Y, Wang D W, et al. Nitrogen, phosphorous and organic matter spatial distribution characteristics and their pollution status evaluation of sediments nutrients in lakeside zones of Taihu Lake[J]. China Environmental Science, 2012, 32(4): 703-709.
[30] 代静, 赵玉强, 李欣, 等. 小清河济南段表层沉积物重金属和营养盐污染现状评价与来源分析[J]. 环境化学, 2021, 40(6): 1795-1807.
Dai J, Zhao Y Q, Li X, et al. Pollution assessment and source analysis of heavy metals and nutrients in surface sediments of Jinan section of Xiaoqing River[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(6): 1795-1807.
[31] 陈书琴, 储昭升, 胡社荣, 等. 巢湖周边表土中有机质、全氮和全磷空间分布及其相关性[J]. 环境科学, 2012, 33(9): 3031-3037.
Chen S Q, Chu Z S, Hu S R, et al. Spatial distribution characteristics and correlation analysis of organic matter, total nitrogen and total phosphorus in topsoil around Chaohu Lake[J]. Environmental Science, 2012, 33(9): 3031-3037.
[32] 李文章, 张莉, 王圣瑞, 等. 洱海沉积物水提取态有机氮特征及与其他来源溶解性有机氮的差异[J]. 环境科学, 2017, 38(7): 2801-2809.
Li W W, Zhang L, Wang S R, et al. Characteristics of water extractable organic nitrogen from erhai lake sediment and its differences with other sources[J]. Environmental Science, 2017, 38(7): 2801-2809.
[33] 邹锋, 武鑫鹏, 张万港, 等. 鄱阳湖典型湿地土壤微生物活性对季节性水位变化的响应[J]. 生态学报, 2018, 38(11): 3838-3847.
Zou F, Wu X P, Zhang W G, et al. Responses of soil microbial functional traits to seasonal water level changes in a typical wetland of the Poyang Lake[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(11): 3838-3847.
[34] 李静泰, 闫丹丹, 戚丽萍, 等. 太湖湿地植被时空变化特征及其驱动机制[J]. 北京师范大学学报(自然科学版), 2021, 57(1): 94-103.
Li J T, Yan D D, Qi L P, et al. Temporal and spatial variations in vegetation in Taihu wetland and driving mechanisms[J]. Journal of Beijing Normal University (Natural Science), 2021, 57(1): 94-103.
[35] 马久远, 王国祥, 李振国, 等. 太湖两种水生植物群落对沉积物中氮素的影响[J]. 环境科学, 2013, 34(11): 4240-4250.
Ma J Y, Wang G X, Li Z G, et al. Influence of two different species of aquatic plant communities on the concentration of various nitrogen forms in sediment of Lake Taihu[J]. Environmental Science, 2013, 34(11): 4240-4250.
[36] 居琪, 章奇, 曹驰程, 等. 湖泊沉积物中微生物群落对天然有机质输入的响应[J]. 环境科学, 2021, 42(7): 3263-3271.
Ju Q, Zhang Q, Cao C C, et al. Response of microbial community to natural organic matter input in lake sediments[J]. Environmental Science, 2021, 42(7): 3263-3271.
[37] 何玉实, 何彤慧, 赵明涛, 等. 鄂尔多斯台地盐沼滩地微生物群落与土壤条件分析[J]. 微生物学通报, 2022, 49(3): 911-923.
He Y S, He T H, Zhao M T, et al. Microbial communities and soil conditions in the salt marshes of Ordos platform[J]. Microbiology China, 2022, 49(3): 911-923.
[38] 何肖微, 储瑜, 曾巾, 等. 东太湖渔业养殖对沉积物营养盐的影响[J]. 环境科学, 2017, 38(11): 4562-4569.
He X W, Chu Y, Zeng J, et al. Effects of optimized fish farming on the sediment nutrients of eastern Lake Taihu[J]. Environmental Science, 2017, 38(11): 4562-4569.
[39] 杨井志成, 罗菊花, 陆莉蓉, 等. 东太湖围网拆除前后水生植被群落遥感监测及变化[J]. 湖泊科学, 2021, 33(2): 507-517.
Yang J Z C, Luo J H, Lu L R, et al. Changes in aquatic vegetation communities based on satellite images before and after pen aquaculture removal in East Lake Taihu[J]. Journal of Lake Sciences, 2021, 33(2): 507-517.
[40] 章婷曦, 文莹亭, 董丹萍, 等. 太湖西北部表层沉积物粒度特征与沉积环境[J]. 湖泊科学, 2018, 30(3): 836-846.
Zhang T X, Wen Y T, Dong D P, et al. Grain size features and sedimentary environment of surficial sediments in the northwest Lake Taihu[J]. Journal of Lake Sciences, 2018, 30(3): 836-846.
[41] 柳肖竹, 刘群群, 王文静, 等. 水力扰动对河口沉积物中重金属再释放的影响[J]. 生态与农村环境学报, 2020, 36(11): 1460-1467.
Liu X Z, Liu Q Q, Wang W J, et al. Effect of hydraulic disturbance on re-release of heavy metals in estuarine sediments[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2020, 36(11): 1460-1467.
[42] 蔡进功, 曾翔, 韦海伦, 等. 从水体到沉积物: 探寻有机质的沉积过程及其意义[J]. 古地理学报, 2019, 21(1): 49-66.
Cai J G, Zeng X, Wei H L, et al. From water body to sediments: Exploring the depositional processes of organic matter and their implications[J]. Journal of Palaeogeography, 2019, 21(1): 49-66.
[43] 王友文, 徐杰, 李继影, 等. 东太湖围网全面拆除前后水生植被及水质变化[J]. 生态与农村环境学报, 2022, 38(1): 104-111.
Wang Y W, Xu J, Li J Y, et al. Changes of aquatic vegetation and water quality after removal of pen aquaculture in Lake East Taihu[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2022, 38(1): 104-111.
[44] 王强, 耿增超, 许晨阳, 等. 施用生物炭对塿土土壤微生物代谢养分限制和碳利用效率的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(5): 2425-2433.
Wang Q, Geng Z C, Xu C Y, et al. Effects of biochar application on soil microbial nutrient limitations and carbon use efficiency in lou soil[J]. Environmental Science, 2020, 41(5): 2425-2433.
[45] 闫苗苗, 陈胜男, 黄廷林, 等. 分层型水库藻类垂向演替的水质与细菌种群调控[J]. 环境科学, 2020, 41(7): 3285-3296.
Yan M M, Chen S N, Huang T L, et al. Water quality and bacterial population driving mechanism of algae vertical succession in stratified reservoir[J]. Environmental Science, 2020, 41(7): 3285-3296.
[46] 齐翠翠, 张雨笛, 胡淑恒, 等. 巢湖东湖心沉积物重金属的分布及其在外力扰动下的释放特征[J]. 环境化学, 2022, 41(10): 3267-3278.
Qi C C, Zhang Y D, Hu S H, et al. Distribution and release characteristics of heavy metals in sediments from the East Chaohu Lake under external disturbance[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(10): 3267-3278.
[47] 张喆, 黄永珍, 张超, 等. 不同林龄杉木人工林土壤团聚体磷素分布特征[J]. 应用生态学报, 2022, 33(4): 939-948.
Zhang Z, Huang Y Z, Zhang C, et al. Distribution of phosphorus fractions in soil aggregates in Chinese fir plantations with different stand ages[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2022, 33(4): 939-948.
[48] 王倩, 吴亚东, 丁庆玲, 等. 西太湖入湖河流水系污染时空分异特征及解析[J]. 中国环境科学, 2017, 37(7): 2699-2707.
Wang Q, Wu Y D, Ding Q L, et al. Temporospatial variations and influential factors of water quality in the flowing river systems of western Taihu Lake Basin[J]. China Environmental Science, 2017, 37(7): 2699-2707.
[49] 文艳, 单保庆, 张文强. 低温期浅水湖泊氮的分布及无机氮扩散通量: 以白洋淀为例[J]. 环境科学, 2021, 42(6): 2839-2847.
Wen Y, Shan B Q, Zhang W Q. Nitrogen distribution and inorganic nitrogen diffusion flux in a shallow lake during the low temperature period: a case study of the Baiyangdian Lake[J]. Environmental Science, 2021, 42(6): 2839-2847.
[50] 石瑞洁, 马杰, 吕成旭, 等. 富营养化湖泊蓝藻—芦苇碎屑堆积分解过程及其潜在的共代谢效应[J]. 湖泊科学, 2021, 33(4): 1062-1071.
Shi R J, Ma J, Lv C X, et al. Accumulation and decomposition of cyanobacteria and reed debris in eutrophic lakes and its potential co-metabolism effects[J]. Journal of Lake Sciences, 2021, 33(4): 1062-1071.
[51] 付绪金, 贾克力, 史小红, 等. 乌梁素海沉积物腐殖质的组成及分布特征[J]. 湖泊科学, 2013, 25(4): 489-496.
Fu X J, Jia K L, Shi X H, et al. The humus composition and distribution of Lake Wuliangsuhai sediment[J]. Journal of Lake Sciences, 2013, 25(4): 489-496.