紅楓湖水庫底質(zhì)污染物富集現(xiàn)狀分析

葉 鋒,張明時,劉漢林,李秋華

(1.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點實驗室,貴州貴陽 550001;2.貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,貴州貴陽 550001)

紅楓湖水庫底質(zhì)污染物富集現(xiàn)狀分析

葉 鋒1,2,張明時1,劉漢林1,李秋華1

(1.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點實驗室,貴州貴陽 550001;2.貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,貴州貴陽 550001)

通過測定紅楓湖水庫底質(zhì)樣品中有機(jī)碳、總氮、總磷、氨態(tài)氮、有機(jī)氮和亞鐵的含量,對紅楓湖水庫底質(zhì)與湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)系進(jìn)行了評價分析。結(jié)果表明:有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比平均值為38.43g/kg,含量豐富;總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為0.140%,含量高且在湖中各點差異明顯;湖泊底質(zhì)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.574%,總體偏高;總有機(jī)碳和總氮的相關(guān)系數(shù)r1=0.219(p＞0.05),相關(guān)性不顯著,有機(jī)碳與總磷的相關(guān)系數(shù)r2=0.809(p＜0.01),具有顯著相關(guān)性;底質(zhì)有機(jī)指數(shù)較高;底質(zhì)中碳氮比值表明其中的有機(jī)質(zhì)主要來源于藻類等浮游生物,總氮和總磷主要來源于外源污染物的排入。

底質(zhì);有機(jī)碳;總氮;總磷;富營養(yǎng)化;紅楓湖水庫

紅楓湖水庫位于貴州省貴陽清鎮(zhèn)市、平壩縣和安順市西秀區(qū)境內(nèi),地理坐標(biāo)為北緯 26°26′～26°35′、東經(jīng) 106°19′～ 106°28′,屬于長江中上游烏江水系。流域面積1596 km2,水面面積57.2km2,湖泊長度16km,湖泊平均寬度4km,最大水深45m,平均水深10.52 m,是貴州省最大的高原深水人工河道水庫,也是貴陽市最重要的飲用水源。紅楓湖水庫由北湖、南湖及后湖組成,北湖湖底地形、地勢復(fù)雜多變,高低起伏變化大。南湖湖底地形更趨復(fù)雜,湖面狹長,湖內(nèi)島嶼及半島星羅棋布,湖岸線蜿蜒曲折。后湖在地形上被山體與南湖分隔,由山體中地下溶洞與南湖連為一體,其湖面狹小,不足全湖的1/10。

隨著人口數(shù)量的增加、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加劇,紅楓湖水庫沿庫地區(qū)入庫污染負(fù)荷逐年增加,導(dǎo)致庫區(qū)水體和底質(zhì)中的污染物不斷累積,水體富營養(yǎng)化程度日趨嚴(yán)重,生物種群單一化趨勢明顯,生態(tài)系統(tǒng)正日益退化。自1994年以來“黑水”、“網(wǎng)箱缺氧死魚”以及嚴(yán)重的“水華”現(xiàn)象等水質(zhì)事故連年發(fā)生,庫區(qū)水質(zhì)由建庫初期的Ⅱ～Ⅲ類降到V類,甚至劣于V類。日趨惡化的水環(huán)境質(zhì)量使其喪失了應(yīng)有的水域功能[1]。

作為水庫、湖泊等水體的三大環(huán)境要素之一,底質(zhì)是水庫、湖泊調(diào)查研究的重要內(nèi)容之一。底質(zhì)作為水庫、湖泊的內(nèi)污染源早已為人們所認(rèn)識[2-5]。因為進(jìn)入湖泊水體的營養(yǎng)性污染物相當(dāng)一部分經(jīng)過各種物理、化學(xué)和生物過程在底質(zhì)中累積起來。即使在外源污染得到控制的條件下,底質(zhì)中蓄積的污染物質(zhì)也會向上覆水中產(chǎn)生釋放,而底質(zhì)中氮、磷等營養(yǎng)性污染物的釋放,會促進(jìn)水體中藻類的大量繁殖,使水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化態(tài)勢。因此,底質(zhì)中的營養(yǎng)鹽對水庫、湖泊富營養(yǎng)化有很大影響[6-9]。

本文通過分析紅楓湖水庫底質(zhì)中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷的分布及相關(guān)特征,綜合考慮了沉積物的含量和化學(xué)行為以及沉積物的釋放條件,評價了底質(zhì)中有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)鹽的污染程度,分析了底質(zhì)污染物來源及形成的原因,可為紅楓湖水庫進(jìn)一步開展污染治理工作提供依據(jù)。

1 采樣及分析方法

1.1 采樣點布置原則

采樣點采用GPS系統(tǒng)精確定位,基本按每1km×1km網(wǎng)格范圍密度布設(shè),并在河流出、入湖口及污染較嚴(yán)重區(qū)域局部加密布設(shè)。后湖由于受人為干擾影響較小,因此只在后湖設(shè)置1個采樣點。整個湖區(qū)共布設(shè)有代表性的采樣點16個,具體位置見圖1。

圖1 紅楓湖采樣點分布

1.2 采樣方法

采用彼得森采泥器采集湖底表層5cm的淤泥,除去表面的大塊異物后,裝入干凈的塑料袋中[10]。帶回實驗室之后,將樣品分為新鮮樣和風(fēng)干樣進(jìn)行處理,新鮮樣放置于4℃冰箱中保存,風(fēng)干樣的制備需要先將新鮮樣在自然條件下晾干,碾碎后過20目篩,以四分法萃取,留夠分析用量,碾碎過100目篩,裝瓶備用。

1.3 底質(zhì)分析項目與分析方法

參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[10],選擇的指標(biāo)為:含水率(烘干法)、pH值(pH計)、亞鐵(鄰菲羅啉分光光度法)、總氮(過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法)、總磷(鉬銻抗分光光度法)、氨氮(納氏試劑光度法)、有機(jī)氮、(高氯酸-硫酸消化法)、有機(jī)碳(重鉻酸鉀法)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

試驗數(shù)據(jù)均運(yùn)用 Excel2003和 SPSS16.0 for Windows程序進(jìn)行處理。

2 監(jiān)測結(jié)果

2.1 理化指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

從表1可以看出,紅楓湖水庫底質(zhì)含水率在2.9%～5.0%之間,以后午采樣點的含水率最高,而將軍灣采樣點的含水率最低,各點的含水率相差較大,說明各個采樣點表層沉積物具有較大的不穩(wěn)定性。紅楓湖水庫具有典型季節(jié)性水體分層,沉積物與上覆水體間常常以透明的膠質(zhì)為界面[11]。夏季分層期間,受溫度變化等環(huán)境外力影響,底質(zhì)與上覆水體間的膠質(zhì)界面受到破壞后底質(zhì)易發(fā)生再懸浮而污染水體。底質(zhì)呈中性(pH值6.5～7.5)或者微堿性(pH值7.5～8.5)。亞鐵質(zhì)量濃度基本上都在70～85mg/L之間,含量較高且整體分布比較均勻。亞鐵是浮游植物利用氮、磷合成葉綠素和細(xì)胞代謝的必需元素,在水體中起著重要的“生物泵”作用,也是限制浮游植物生長的主要因素之一[12]。

2.2 總氮富集現(xiàn)狀

從表1可以看出,紅楓湖水庫底質(zhì)總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.425%～0.809%之間,平均為0.574%。在16個采樣點中,所有樣點總氮含量豐富,其中最大值出現(xiàn)在貴州化肥廠(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.809%),高出湖泊底質(zhì)總氮含量豐富標(biāo)準(zhǔn)值0.15%[11,13]近5倍,最小值出現(xiàn)在后湖(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.425%),也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出湖泊底質(zhì)總氮含量豐富標(biāo)準(zhǔn)值。由此可知,紅楓湖水庫底質(zhì)中總氮含量是非常豐富的。

2.3 總磷富集現(xiàn)狀

底質(zhì)總磷含量豐富的標(biāo)準(zhǔn)值為0.15%,含量中等的標(biāo)準(zhǔn)值為 0.075%,含量缺乏的標(biāo)準(zhǔn)值為0.07%[11,13]。從監(jiān)測結(jié)果(表1)可以看出,紅楓湖水庫全庫的總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.087%～0.215%之間,平均為0.140%。16個采樣點中有6個采樣點的值高于總磷含量豐富標(biāo)準(zhǔn)值,分別是貴州化肥廠(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.181%)、羊昌河河口(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.184%)、楊家關(guān)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.151%)凹力(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.178%)、小巖坡(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.169%)和后午(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.215%)。大壩、紅楓湖管理處等7個采樣點總磷含量接近豐富標(biāo)準(zhǔn)值?？偭缀孔畹驮趯④姙巢蓸狱c,質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.087%。在紅楓湖水庫采集到的全部底質(zhì)樣品中,后午庫區(qū)底質(zhì)中總磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.215%,遠(yuǎn)高于全庫平均值0.140%。紅楓湖水庫底質(zhì)研究中的單個樣品總磷含量最高值出現(xiàn)在后午湖區(qū)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.002%)。同時紅楓湖水庫底質(zhì)總磷含量最大值為最小值的2.47倍,說明紅楓湖水庫底質(zhì)總磷含量高而且分布存在較大的空間差異。

表1 紅楓湖底質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

2.4 有機(jī)碳富集現(xiàn)狀

有機(jī)碳是水庫、湖泊底質(zhì)的主要理化性質(zhì)指標(biāo),它的含量與底質(zhì)中氮、磷含量密切相關(guān)。從表1可知,紅楓湖水庫底質(zhì)總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.198%～4.234%之間,平均為2.229%,最高值出現(xiàn)在后午湖區(qū),為4.234%。有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)之間存在著以下的換算關(guān)系:有機(jī)質(zhì)含量為總有機(jī)碳儲量乘以1.724,其中1.724為經(jīng)驗常數(shù)[13]。由此可得紅楓湖水庫底質(zhì)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.065%～7.299%,平均值為3.843%,即質(zhì)量比 38.43g/kg,可以看出,紅楓湖水庫底質(zhì)的有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量均比較高。根據(jù)水體底質(zhì)有機(jī)污染評價標(biāo)準(zhǔn)[14],紅楓湖水庫全部16個采樣點均受有機(jī)質(zhì)污染,其中重污染的有 1個,為后午采樣點,中污染3個,為大壩、凹力、小巖坡采樣點,其余12個采樣點中有6個采樣點為輕污染,有機(jī)質(zhì)檢測值評價為未受污染的采樣點有6個,但是有機(jī)質(zhì)含量均接近未受污染最大值34,表明底質(zhì)也受到了一定程度的有機(jī)污染。

圖2 有機(jī)碳與總氮、總磷關(guān)系

2.5 總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性

圖2反應(yīng)了總有機(jī)碳和總氮、總磷的關(guān)系,利用SPSS.16統(tǒng)計軟件分析得出總有機(jī)碳和總氮的相關(guān)系數(shù)r1=0.219(p＞0.05),相關(guān)性不顯著,而有機(jī)碳與總磷的相關(guān)系數(shù)r2=0.809(p＜0.01),具有極顯著的相關(guān)關(guān)系。這說明紅楓湖水庫有機(jī)碳與總磷的含量變化存在著相互關(guān)系。采用有機(jī)指數(shù)法對紅楓湖水庫底質(zhì)肥力狀況進(jìn)行評價,底質(zhì)有機(jī)指數(shù)等于有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮含量的乘積。由底質(zhì)肥力評價分級標(biāo)準(zhǔn)可知,當(dāng)有機(jī)指數(shù)小于0.03時為Ⅰ級(貧清潔),介于0.03～0.05之間時為Ⅱ級(中清潔),而大于0.05時為Ⅲ級(肥污染)[13,15],通過計算,所有樣品的有機(jī)指數(shù)均大于0.05,其平均值為1.35,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過肥污染標(biāo)準(zhǔn)值。尤其是在后午采樣點,高出標(biāo)準(zhǔn)50倍,肥污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

3 結(jié)果分析

3.1 總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)的富集

貴州化肥廠和距羊昌河河口2km的天峰公司,均為貴州省大型化工企業(yè)。貴州化肥廠和天峰公司的工業(yè)廢水直接排入紅楓湖水庫,是紅楓湖水庫最重要的氮污染源之一。貴州化肥廠和天峰公司年排廢水總量約2462.93萬m3,其中含總氮1481.46t,貴州化肥廠和羊昌河河口采樣點總氮含量較高應(yīng)該與企業(yè)的工業(yè)污水排放相關(guān)。后午毗鄰清鎮(zhèn)發(fā)電廠,因電廠冷卻水直接入湖,溫暖的湖水適合魚類生長繁殖,后午成為紅楓湖水庫主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),2005年網(wǎng)箱養(yǎng)魚被禁止,但該處未被魚類利用的餌料和魚類排泄物形成較厚的底層淤泥,是紅楓湖水庫污染最嚴(yán)重的區(qū)域。將軍灣、高關(guān)采樣點可能是由于偏離各入水口較遠(yuǎn)且靠近后湖,水體中的氮污染相對較輕,因此沉積在底質(zhì)中的氮較少。湖泊底層水體和底質(zhì)中相對缺氧,還原條件使得硝化作用強(qiáng)度減弱,底質(zhì)中有機(jī)氮通過氨化作用形成氨態(tài)氮,促進(jìn)藻類生長,加劇水體的富營養(yǎng)化水平[11]。

紅楓湖水庫底質(zhì)沉積磷中,有機(jī)態(tài)磷所占比例最大(平均約為沉積全磷的60%),其次為鐵結(jié)合態(tài)磷(約為沉積全磷的28%),上述2種形態(tài)的磷大約占了沉積物全磷的80%～90%[16]。有機(jī)磷可分解為溶解性的小分子有機(jī)磷或溶解磷酸根,這些溶解組分通過間隙水,在濃度梯度的驅(qū)動下向上覆水體遷移擴(kuò)散;或是被吸附、絡(luò)合而轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)的含磷礦物[17]。鐵結(jié)合態(tài)磷是紅楓湖水庫底質(zhì)總磷中占比例最大的無機(jī)態(tài)磷[16]。碳、氮、磷等營養(yǎng)元素在沉積物-水界面附近發(fā)生著劇烈的生物地球化學(xué)循環(huán),伴隨著有機(jī)質(zhì)的降解,沉積物中的有機(jī)磷和鐵結(jié)合態(tài)磷可釋放到間隙水中,并發(fā)生再遷移而進(jìn)入上覆水體,向湖水提供“源源不斷”的磷供給,形成“二次污染”,嚴(yán)重時可以造成藻類爆發(fā)等突發(fā)性水質(zhì)惡化事件[18]。

當(dāng)?shù)?、磷共同作為藻類生長的營養(yǎng)源時,如果氮磷比大于14,藻類的生長速率不受氮營養(yǎng)的制約,此時,磷濃度的高低成為控制藻類細(xì)胞生長的關(guān)鍵因子[19-20]。紅楓湖水庫就是典型的磷限制型水庫,磷含量的變化為浮游植物的生長提供了礦質(zhì)營養(yǎng),促進(jìn)了植物的生長,增加了紅楓湖水庫的有機(jī)質(zhì)負(fù)荷,因而總有機(jī)碳和總磷表現(xiàn)出了較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。可以通過對底質(zhì)中總磷含量的監(jiān)測來推算總有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量的變化。后午湖區(qū)高含量的有機(jī)質(zhì)還與后午多年的網(wǎng)箱養(yǎng)魚有關(guān),大壩處可能是由于湖水滯留時間相對較長,水中有機(jī)物質(zhì)沉積所致。

在深水大型湖庫,絕大部分有機(jī)質(zhì)在相對富含溶解氧的上覆水體中即被微生物氧化分解,并重新參加水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán),僅有很少一部分有機(jī)物能夠直接沉積到沉積物中[21]。萬國江[22]在210Pb和137Cs計年的基礎(chǔ)上,對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析,認(rèn)為洱海有機(jī)碳垂直剖面具有“沉降—降解—堆積”三階段分布特征。進(jìn)入湖泊沉積物-水界面的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過“沉降”“降解”階段后,總有機(jī)質(zhì)中很大一部分相對“易于分解的有機(jī)質(zhì)”礦化降解,剩余的相對“耐分解的有機(jī)質(zhì)”在沉積物中保存下來[22]。由此可見,紅楓湖水庫底質(zhì)真實的有機(jī)質(zhì)含量應(yīng)該高于檢測值。

3.2 總氮、總磷與有機(jī)質(zhì)的來源

不同來源的有機(jī)質(zhì)其碳氮比值具有明顯的差異。水生生物的碳氮比值為2.8～3.4[13];大多數(shù)細(xì)菌等微生物的碳氮比值分布在3～5之間;浮游植物的碳氮比值是5～8[23-25];藻類的碳氮比值為5～l4[13];陸地植物具有較高的碳氮比值,通常大于15[23-25];土壤有機(jī)質(zhì)的碳氮比值分布在8～15[24]。紅楓湖水庫底質(zhì)中的碳氮比值大致分布在2～7之間,最小值為2.24,最大值為6.86,平均值為4.15,表明紅楓湖水庫底質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)主要來源于藻類等湖泊浮游生物?？梢娂t楓湖水庫生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單,氮、磷的大量輸入為浮游藻類提供了營養(yǎng),引起藻類等浮游生物的大量增殖,增加了紅楓湖水庫有機(jī)質(zhì)負(fù)荷。

通常情況下,30a時間尺度內(nèi),湖泊沉積物還處于簡單堆積階段[26]。紅楓湖水庫不僅要承受大量的外部污染負(fù)荷,而且由于它的多功能性,旅游設(shè)施、湖內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)魚以及長期營養(yǎng)鹽累積又使它承受著難以削減的內(nèi)部負(fù)荷。紅楓湖水庫總氮和總磷主要來自于外源污染物的排入,主要外源污染以化工企業(yè)為主,后午湖區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖是最大的內(nèi)源污染源[27]。流域的農(nóng)業(yè)面源污染、湖區(qū)居民生活及水上娛樂、自然降水等也對湖泊底層沉積物有一定影響。

4 結(jié) 論

紅楓湖水庫底質(zhì)已經(jīng)嚴(yán)重污染,總體表現(xiàn)為:總氮含量高,湖水滯留時間長,外源含氮污染物滯留率特別高;底質(zhì)中總磷含量高且湖中各點差異顯著,有機(jī)態(tài)磷和鐵結(jié)合態(tài)磷占比例大,為藻類生長提供營養(yǎng),是湖泊富營養(yǎng)化的重要原因;有機(jī)質(zhì)含量豐富,整個湖泊有機(jī)指數(shù)偏高,湖泊處在嚴(yán)重的肥污染狀態(tài),所有監(jiān)測點有機(jī)質(zhì)指標(biāo)全部超標(biāo),最大值超過標(biāo)準(zhǔn)50倍,說明紅楓湖水庫底質(zhì)的有機(jī)污染已經(jīng)十分嚴(yán)重;總有機(jī)碳和總磷具有顯著相關(guān)性;底質(zhì)中碳氮比值表明其中的有機(jī)質(zhì)主要來源于藻類等浮游生物,總氮和總磷主要來源于外源污染物的排入。

由此看來,紅楓湖水庫的污染治理,首先應(yīng)削減營養(yǎng)鹽外負(fù)荷,控制污染物入湖總量。其次,通過湖內(nèi)外人工調(diào)控手段,調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,在對營養(yǎng)鹽外負(fù)荷進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行大型曝氣系統(tǒng)工程,通過向湖底泵氣,消除水體“有氧/無氧”的分層結(jié)構(gòu),控制底質(zhì)污染物向上釋放的方法對污染進(jìn)行治理,同時,有計劃地通過疏浚河道、清除淤泥、湖濱帶生態(tài)修復(fù)等方法減少底泥中營養(yǎng)鹽的釋放,從而削減內(nèi)負(fù)荷。

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Analysis of organic enrichment in the sediment of Red Maple Lake Reservoir

YE Feng1,2,ZHANG Ming-shi1,LIU Han-lin1,LI Qiu-hua1
(1.Key Laboratory for Information System of Mountainous Area and Protection of Ecological Environment of Guizhou Province,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China;2.School of LifeSciences,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China)

By means of measuring the content of organic carbon,total nitrogen,total phosphorus,ammonia nitrogen,organic nitrogen,and ferrous in the sediment of Red Maple Lake Reservoir,the relationship between the sediment and eutrophication was evaluated.The results showed that the average mass ratio of organic matter was 38.43g?kg-1,quite a high ratio;the average mass ratio of TP was high at 0.140%,and its value was significantly different at different monitoring sites of the lake;the average mass ratio of the nitrogen content in the sediment was 0.574%,and it was on the high side overall;the correlation coefficient between total organic carbon and total nitrogen wasr1=0.219(p＞0.05),which wasa not significant correlation,but therewas significant correlation between total organic carbon and total phosphorus,with a correlation coefficientr2=0.809(p＜0.01);the organic index of the sediment of Red Maple Lake Reservoir was high;and the carbon-nitrogen ratio in the sediment implied that the organics were mostly input from plankton such as algae,which would mean that TN and TP mainly come from extrinsic pollutants.

sediment;organic carbon;total nitrogen;total phosphorus;eutrophication;Red Maple Lake Reservoir

X523

A

1004-6933(2010)03-0008-05

國家自然科學(xué)基金(20367002);貴州省貴陽市科技局項目([2007]筑科農(nóng)合同字第21號)

葉鋒(1979—),男,陜西安康人,碩士研究生,研究方向為水環(huán)境化學(xué)。E-mail:baphear@163.com

張明時(1950—),男,吉林長春人,教授,碩士,主要從事水環(huán)境化學(xué)和色譜分析。E-mail:baphear@163.com

(收稿日期:2009-06-25 編輯:熊水斌)