太湖湖濱帶底泥氮、磷、有機(jī)質(zhì)分布與污染評(píng)價(jià)

王 佩,盧少勇,王殿武,許夢(mèng)爽,甘 樹,金相燦 (.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 保定0700；.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊工程技術(shù)中心,國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 000)

底泥是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,底泥不僅可間接反映水體的污染情況、水動(dòng)力狀態(tài),且在外界水動(dòng)力因素制約下向上覆水體釋放營(yíng)養(yǎng)成分,影響湖泊水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化過程[1].

太湖位于長(zhǎng)江三角洲南緣,介于N30°55′42″～31°33′50″,E119°53′45″～120°36′15″ 之間,是我國(guó)第三大淡水湖[2].內(nèi)湖濱帶是湖泊流域中水域與陸地相鄰生態(tài)系統(tǒng)間的過渡地帶,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)影響最敏感的部分.內(nèi)湖濱帶在促淤造地、維持生物多樣性和生態(tài)平衡及提升生態(tài)旅游品質(zhì)等方面[3-4]均十分重要.近年來,由于濱湖地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,入湖污染負(fù)荷增加,太湖水體和底泥中的污染物不斷積累,湖泊富營(yíng)養(yǎng)化有加重趨勢(shì)[5].

目前,針對(duì)太湖水體及底泥已有大量研究,如鄧建才等[6]研究了太湖水體氮磷的空間分布;金相燦等[7]研究了太湖東北部底泥可溶性氮、磷的季節(jié)性變化;趙興青等[8]采集了不同季節(jié)太湖梅梁灣和貢湖底泥柱樣,研究了底泥營(yíng)養(yǎng)鹽含量的垂直變化;雷澤湘等[9]研究了水生植物氮磷與湖水和底泥氮磷含量的關(guān)系;張明禮等[10]研究了太湖竺山灣底泥中有害物質(zhì)含量.但對(duì)太湖湖濱帶底泥的研究鮮有報(bào)道.本文通過對(duì)太湖湖濱帶不同分區(qū)底泥的分析,揭示太湖湖濱帶底泥有機(jī)質(zhì)(OM)、總氮(TN)、總磷(TP)的污染現(xiàn)狀、分布特征并對(duì)其進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià),旨在系統(tǒng)全面的揭示太湖湖濱帶底泥污染現(xiàn)狀,為太湖富營(yíng)養(yǎng)化控制提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)的布設(shè)與采集

本次全湖湖濱帶大規(guī)模調(diào)查,旨在全面了解環(huán)太湖湖濱帶底泥的污染現(xiàn)狀.調(diào)查范圍為環(huán)太湖防洪大堤內(nèi),水向輻射帶 50～100m內(nèi)的區(qū)域,平均水深1.4m.采樣時(shí)間為2010年08月.用彼德森采泥器,采集表層底泥,泥厚 10cm.環(huán)太湖湖濱帶共布50個(gè)點(diǎn),湖濱帶分區(qū)及點(diǎn)位布置見圖1.

圖1 太湖湖濱帶分區(qū)及底泥采樣點(diǎn)位Fig.1 The regional classification and sampling sits in the lakeside zones of Taihu Lake由太湖水專項(xiàng)湖濱帶課題組繪制

樣品采后冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室,待底泥冷凍干燥后,去除樣品中貝殼、雜草、沙粒等雜物,經(jīng)研磨、過篩(100目)后,保存于密封袋中,置于冰箱待用.

1.2 底泥測(cè)定項(xiàng)目與方法

底泥主要測(cè)定項(xiàng)目包括 OM(重鉻酸鉀容量法)、TP(SMT法)、TN(全自動(dòng)凱式定氮法)[11].

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及其相關(guān)分析用 Excel2007與 SPSS16.0軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 OM分布特征

OM 是底泥中重要的自然膠體之一,也是反映有機(jī)營(yíng)養(yǎng)程度的重要標(biāo)志[12].由圖2可知,湖濱帶各分區(qū)底泥中OM含量在1.42%～9.96%間,各分區(qū)平均值由高到低依次為:東太湖＞竺山灣＞貢湖＞梅梁灣＞南部沿岸＞東部沿岸＞西部沿岸.東太湖OM最大值、最小值、平均值分別為:9.95%、2.85%和5.66%,均為各分區(qū)中最高,其它各區(qū)差異不大.

圖2 太湖湖濱帶底泥有機(jī)質(zhì)分布Fig.2 Distribution of organic matter in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

研究表明,富營(yíng)養(yǎng)化水體中底泥所含OM,一般來自城市生活污水和水生生物死亡殘骸長(zhǎng)期積累[13-14].東太湖周圍多為出湖河流[15],因此受生活污水影響較小.東太湖湖濱底泥OM較高,可能與圍網(wǎng)養(yǎng)殖及水生植物大量生長(zhǎng)有關(guān).2009年初雖完成了圍網(wǎng)大規(guī)?？s減,2010年東太湖圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積約2600hm2[16],但楊再福等[17]認(rèn)為,東太湖的圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積至少應(yīng)控制在1000hm2以內(nèi),才能保證東太湖生態(tài)可持續(xù)發(fā)展,因此由圍網(wǎng)養(yǎng)殖導(dǎo)致魚蟹餌料及排泄物沉積;圍網(wǎng)引起的湖面狹窄,吹程減小,風(fēng)浪減弱等問題仍存在,再加上沼澤化加劇,1959～ 1997年東太湖沼澤化綜合指數(shù)由1.47增至2.41[16],由此導(dǎo)致挺水植物及浮葉植物的大量生長(zhǎng),2009年水生植物覆蓋率達(dá)97%,為全湖水生植物發(fā)育最好的區(qū)域[18],大量水生植物殘?bào)w沉積可能是導(dǎo)致東太湖比其他各區(qū)OM高的主要原因.

2.2 TN、TP分布特征及分析

由圖3(a)可知:太湖湖濱帶底泥TN空間分布差異顯著,TN含量在 458～5211mg/kg間.各分區(qū)TN含量平均值變化趨勢(shì):東太湖＞竺山灣＞東部沿岸＞貢湖＞南部沿岸＞梅梁灣＞西部沿岸.根據(jù) EPA制定的底泥分類標(biāo)準(zhǔn),各區(qū) TN平均值:梅梁灣和西部沿岸 TN＜1000mg/kg,屬輕度污染區(qū);東太湖在2000mg/kg以上,屬重度污染區(qū);其他各區(qū)均在1000～2000mg/kg間,屬中度污染區(qū).

從圖4(a)可見,TN與OM之間極顯著正相關(guān)(r=0.903, P＜0.01),說明OM在底泥中的富集是TN的主要來源,TN和OM的沉積具很高的協(xié)同性,它們主要通過水生植物殘?bào)w的沉積過程進(jìn)入底泥[19-20].因此東太湖底泥中 TN 也比 其他各區(qū)高.

圖4 太湖湖濱帶底泥TN、TP與OM回歸分析Fig.4 Regressions of TN, TP to OM in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

由圖 3(b)可見太湖湖濱帶底泥中 TP含量在128.56～1392.16mg/kg間,各分區(qū)TP平均值變化趨勢(shì):竺山灣＞梅梁灣＞東太湖＞南部沿岸＞貢湖＞東部沿岸＞西部沿岸.根據(jù)EPA制定的底泥分類標(biāo)準(zhǔn),各分區(qū)TP平均值:梅梁灣在420～650mg/kg間,屬中度污染區(qū);竺山灣大于 650mg/kg,屬重度污染區(qū);其他各區(qū)均小于420mg/kg,屬輕度污染區(qū).

由圖 4(b)可知,TP與 OM 之間弱相關(guān)(r=0.073,P＜0.332),表明 TP主要并非由底泥中OM 的富集造成.根據(jù)對(duì)湖濱帶底泥進(jìn)行的磷形態(tài)分析及文獻(xiàn)[20]可知,無機(jī)磷是太湖湖濱帶底泥中磷的主要存在形式,外源輸入是無機(jī)磷的重要來源.竺山灣和梅梁灣磷污染顯著高于其它各區(qū)可能因?yàn)?兩區(qū)位于太湖北部重工業(yè)污染區(qū),湖濱區(qū)有多條入湖河流河口,形成較長(zhǎng)的河口型湖濱帶.根據(jù)課題組同期河流調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):竺山灣附近有太滆運(yùn)河、漕橋、殷村等入湖河流,各河流水體中TP平均超過0.17mg/L,超出地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),河流底泥中 TP含量平均約800mg/kg,超過 EPA制定的底泥重度污染標(biāo)準(zhǔn)(650mg/kg),梅梁灣附近入湖河流武進(jìn)、直湖等水體中TP平均濃度和底泥中TP平均含量分別為0.18mg/L和 412.06mg/kg;因此竺山灣受入湖河流污染較重;再加上竺山灣獨(dú)特的地理環(huán)境,又處于下風(fēng)向,為藍(lán)藻堆積嚴(yán)重區(qū),藻類死亡堆積,就全湖看,易形成厭氧環(huán)境,利于反硝化作用,故 N含量會(huì)降低,而P含量高,藻類沉積帶來的N、P及OM多.

3 太湖湖濱帶底泥營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)

目前對(duì)淺水湖泊底泥的污染狀況尚無統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn),多用有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評(píng)價(jià)法[21],只考慮了OM和有機(jī)氮,而忽略了P;有的參用加拿大安大略省環(huán)境和能源部(1992)制定的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[22-27],該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)底泥中污染物對(duì)底棲生物的生態(tài)毒性效應(yīng)進(jìn)行分級(jí),雖然后者考慮到磷,但此標(biāo)準(zhǔn)源于對(duì)海洋底泥的生態(tài)毒性分析.因此本文針對(duì)太湖湖濱帶各區(qū)底泥 N、P、OM的分布特點(diǎn),用綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法和有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)法來評(píng)價(jià)太湖湖濱表層帶底泥污染現(xiàn)狀.

3.1 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

以1960年太湖底泥中TN、TP實(shí)測(cè)值的平均值作為背景值(即評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)),由單項(xiàng)污染指數(shù)計(jì)算公式[28]:

式中: Si為單項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù), Si大于 1表示含量超過評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值; Ci為評(píng)價(jià)因子i的實(shí)測(cè)值; Cs為評(píng)價(jià)因子 i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值 CSTN= 0.067%, CSTP=0.044%[29]. F為n項(xiàng)污染物污染指數(shù)平均值, Fmax為最大單項(xiàng)污染指數(shù).

太湖湖濱帶各分區(qū)底泥氮磷污染評(píng)價(jià)及污染程度分級(jí)結(jié)果見表1和表2.

表1 太湖湖濱帶各分區(qū)底泥綜合污染評(píng)價(jià)Table 1 Comprehensive pollution assessment for the sediments in lakeside zones of Taihu Lake

表2 太湖湖濱帶底泥綜合污染程度分級(jí)Table 2 Standard and level of comprehensive pollution in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

根據(jù)表1中綜合污染指數(shù),可得湖濱帶其各分區(qū)底泥污染分布(圖5).

依據(jù)表 2,太湖湖濱帶各分區(qū)底泥污染平均水平依次是東太湖＞竺山灣＞南部沿岸＞梅梁灣＞貢湖＞西部沿岸＞東部沿岸.東太湖和竺山灣屬重度污染區(qū),南部沿岸屬中度污染區(qū),梅梁灣屬輕度污染區(qū),貢湖、西部沿岸、東部沿岸屬清潔區(qū).

3.2 有機(jī)污染指數(shù)評(píng)價(jià)

綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法將選用的評(píng)價(jià)參數(shù)TN、TP綜合成一個(gè)概括的指數(shù)值來表征底泥污染程度,其相對(duì)于單一指數(shù)法而言具優(yōu)越性,是綜合信息輸出[31].

綜合污染指數(shù)法忽略了OM指標(biāo),所以本文用有機(jī)污染指數(shù)法[25]對(duì)太湖湖濱帶底泥污染現(xiàn)狀進(jìn)一步評(píng)價(jià),使評(píng)價(jià)結(jié)果更完善.

式中: OC為有機(jī)碳,%;ON為有機(jī)氮,%.

太湖湖濱帶各分區(qū)底泥有機(jī)污染評(píng)價(jià)結(jié)果見表3,太湖底泥有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4.

表3 太湖湖濱帶各分區(qū)底泥有機(jī)污染評(píng)價(jià)Table 3 Organic pollution assessment for the sediments in lakeside zones of Taihu Lake

表4 太湖底泥有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[32]Table 4 Assess standards of organic index in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

由表 4各分區(qū)平均有機(jī)污染指數(shù)繪出有機(jī)污染分布圖(圖6).從圖6可見各分區(qū)有機(jī)污染分布情況:東太湖＞竺山灣＞南部沿岸＞梅梁灣＞貢湖＞西部沿岸＞東部沿岸.根據(jù)表4的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),東太湖屬有機(jī)污染區(qū),其它湖區(qū)除竺山灣屬尚清潔湖區(qū)外,都屬較清潔湖區(qū).

有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果一致,均顯示東太湖湖濱帶底泥氮磷污染及有機(jī)污染屬重污染區(qū),但在實(shí)際調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn),東太湖湖濱區(qū)是各區(qū)中水質(zhì)環(huán)境最好的區(qū)域,如2.1所述,東太湖水生植物越來越多,水生植物及藻類殘?bào)w沉降是東太湖營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的的主要來源.其次是竺山灣.其污染嚴(yán)重的原因主要是外源輸入,生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)面源排放隨入湖河流注入太湖,且受太湖東南風(fēng)影響,污染物不易擴(kuò)散,從而使藻類大量生長(zhǎng)積聚,導(dǎo)致該區(qū)污染嚴(yán)重,藍(lán)藻頻生,因此,控制外源貢獻(xiàn)仍是竺山灣污染控制的重要對(duì)象.

4 結(jié)論

4.1 太湖湖濱帶底泥中 OM 為 1.42%～9.96%,空間變化趨勢(shì)為東太湖＞竺山灣＞梅梁灣＞東部沿岸＞南部沿岸＞貢湖＞西部沿岸;TN 含量在458～ 5211mg/kg間,空間變化趨勢(shì)為東太湖＞竺山灣＞東部沿岸＞貢湖＞南部沿岸＞梅梁灣＞西部沿岸;TP含量變化在 128.6～1392.16mg/kg間,空間變化趨勢(shì)為竺山灣＞梅梁灣＞東太湖＞南部沿岸＞貢湖＞東部沿岸＞西部沿岸,其空間分布與OM、TN不同,最大值出現(xiàn)在竺山灣,其原因可能竺山灣處于下風(fēng)向,易于藻類堆積、形成底泥還原環(huán)境,從而使該區(qū)成為重污染區(qū).

4.2 太湖湖濱帶底泥中TN含量與OM含量極顯著正相關(guān)(r=0.903, P＜0.01),TP含量與OM之間弱相關(guān)(r=0.073, P＜0.332).用污染指數(shù)法與有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)太湖湖濱帶表層底泥的分析表明,太湖湖濱帶底泥環(huán)境質(zhì)量整體較好,N、P污染除東太湖和竺山灣屬重度污染外其他各區(qū)屬輕中度污染;有機(jī)污染除東太湖外大部分區(qū)域?qū)佥^清潔區(qū).

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