巢湖及其入湖河流表層沉積物營養(yǎng)鹽和粒度的分布及其關系研究

李強，霍守亮，王曉偉,3，席北斗*，張靖天，譚遠友

1.武漢紡織大學環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430073 2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 3.北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875

巢湖及其入湖河流表層沉積物營養(yǎng)鹽和粒度的分布及其關系研究

李強1,2，霍守亮2，王曉偉2,3，席北斗2*，張靖天2，譚遠友1

1.武漢紡織大學環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430073 2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 3.北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875

為識別巢湖及其入湖河流的主要污染特征及其來源，測定了巢湖及其入湖河流34個采樣點表層沉積物總氮(TN)、總磷(TP)、無機磷(IP)、有機磷(OP)及有機質(OM)濃度，分析了TN、TP、IP、OP、OM濃度及粒度分布間的相關性。結果表明，巢湖西半湖區(qū)沉積物營養(yǎng)鹽濃度明顯高于東半湖區(qū)，巢湖中部沉積物營養(yǎng)鹽濃度明顯偏低。南淝河沉積物營養(yǎng)鹽濃度明顯高于其他入湖河流，并在流經(jīng)合肥市的下游處達到最高值。相關性研究表明，沉積物中TOC與TN，TN與OM，TP與IP表現(xiàn)出顯著相關性，表明沉積物中氮主要以有機氮的形態(tài)存在，與有機氮相比，沉積物中無機氮濃度相對恒定，沉積物中磷主要以無機磷的形態(tài)存在；TN與TP、IP也表現(xiàn)出顯著相關性，表明沉積物中氮磷來源具有同源性。隨著沉積物粒徑的增大，沉積物粒徑與TOC、TN、TP、IP的相關性變差。

巢湖；入湖河流；沉積物；營養(yǎng)鹽；粒度

近年來湖泊富營養(yǎng)化日益嚴重，已成為國內外十分關注的環(huán)境問題之一。研究認為，碳、氮、磷的過量輸入及長期積累，使湖泊沉積物成為湖泊營養(yǎng)鹽的重要蓄積庫和難削減的內負荷[1-2]。在湖泊生物地球化學循環(huán)中，沉積物同時扮演著源與匯的雙重角色，沉積物中營養(yǎng)鹽和有機物的釋放、遷移及生物轉化效應循環(huán)制約著湖泊水質的變化[3]。因此研究湖泊沉積物中氮、磷、有機質濃度及其分布特征對控制水體富營養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)狀況具有重要指導意義。入湖河流及入湖口作為聯(lián)系流域和湖泊兩個生態(tài)系統(tǒng)的主要通道，在物理、化學和生物過程的耦合作用下，大量陸源物質在此積累，造就了入湖河流及入湖口區(qū)特有的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)[4-5]，并已成為湖泊富營養(yǎng)化最大的驅動力[6]。同時粒度作為沉積物的重要物理特征，對沉積物吸附和釋放營養(yǎng)鹽的能力有重要影響。目前對沉積物中碳、氮、磷濃度進行了大量研究，但鮮有從整個湖泊流域，并聯(lián)系入湖河流的角度來系統(tǒng)研究內源沉積物負荷。

筆者以巢湖及其入湖河流為研究目標，從整個巢湖流域出發(fā)，研究了巢湖及其入湖河流表層沉積物中營養(yǎng)鹽和粒度的分布特征，分析了營養(yǎng)鹽間及與粒度間的相關關系，對了解巢湖沉積物中營養(yǎng)物質的循環(huán)進程有重要意義，以期為制定其水體恢復和保護措施提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

巢湖(116°23′59″E～118°22′5″E，30°52′25″N～32°7′53″N)位于安徽省中部，江淮丘陵之間，屬長江下游左岸水系，其流域總面積13 350 km2，為我國五大淡水湖泊之一，在流域社會經(jīng)濟發(fā)展中起到至關重要的作用。湖面面積為760 km2，正常水文年均深度3 m左右，主要環(huán)湖河流有九條，以姥山島為界，將巢湖分為東、西兩湖區(qū)，是一個半封閉的湖泊[7]。

采樣時間為2011年8月，采用GPS定位，在巢湖區(qū)內設置16個采樣點，附近入湖河流設置18個采樣點，巢湖區(qū)內采樣點主要位于各河流入湖口附近(圖1)。采用彼得森采泥器采集各點表層沉積物樣品，裝入密封袋，用干冰覆蓋低溫密閉保存，運回實驗室，低溫冷凍。取部分樣品冷凍干燥后研磨過100目篩，密封后冷藏保存待分析用。

圖1 巢湖及其入湖河流表層沉積物采樣點位置Fig.1 Location of surface sediment sampling sites in Lake Chaohu and its inflow rivers

1.2 分析測定方法

1.2.1 理化性質分析

稱取兩份沉積物樣品各0.25 g，對其中一份進行灰化(500 ℃下灰化2 h)，經(jīng)酸提取后(1 molL HCl提取16 h)，采用鉬銻抗比色法測定TP濃度；另一份直接經(jīng)酸提取(1 molL HCl提取16 h)后測定無機磷(IP)濃度。TP和IP濃度之差即為有機磷(OP)濃度[8]。沉積物中有機質(OM)濃度用燒失量(LOI)表示，即樣品先經(jīng)(105±2)℃烘干至恒重，在馬弗爐中(550±5)℃灼燒6 h。燒失量的計算公式：

LOI=(mb-ma)×100mb

式中，mb為灼燒前的烘干質量；ma為灼燒后質量[9]。

稱取0.1 g沉積物樣品于50 mL比色管中，加入20 mL氧化劑(0.24 molL NaOH，0.074 molL K2S2O8)，于135 ℃下消解30 min，冷卻后離心并用紫外分光光度法測定TN濃度[10]。

1.2.2 粒度分析

將新鮮樣品混合均勻，取0.3 g左右樣品入100 mL燒杯，加入5 mL 10％雙氧水溶液，在電熱板上加熱，不斷用水沖洗燒杯壁，避免燒開，燒至變清沒有細小泡沫時，加入5 mL 10％鹽酸溶液，再注滿水，浸泡12 h。待樣品浸泡好后，用皮管將上清液抽出，抽取約10 mL。向樣品中加入10 mL六偏磷酸鈉，在超聲波振蕩儀中振蕩15 min。振蕩后的樣品采用激光粒度儀(英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型)測定粒徑，測量范圍為0.02～2 000 μm，三次重復測量誤差小于2％。采用Excel、SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，確定沉積物粒徑和氮、磷、有機碳、有機質濃度之間的Pearson相關系數(shù)，分析各指標間的相關關系。

2 結果與討論

2.1 沉積物中氮的分布

巢湖及其入湖河流表層沉積物TN和OM濃度如圖2所示。由圖2可見，TN濃度為378.53～3 510.42 mgkg，平均值為1 162.26 mgkg。巢湖表層沉積物TN濃度為378.53～1 653.21 mgkg，平均值為918.01 mgkg；巢湖入湖河流表層沉積物TN濃度分布不均，因地而異，分布范圍為661.44～3 510.42 mgkg，其平均值表現(xiàn)為南淝河gt;雙橋河gt;柘皋河gt;十五里河gt;豐樂河gt;杭埠河gt;派河。南淝河TN濃度平均值最高，派河表層沉積物TN濃度平均值最低；TN濃度最低值出現(xiàn)在位于巢湖中部的C8和C9點。TN濃度最高值出現(xiàn)在NF-3，該點位于南淝河流經(jīng)合肥市的下游。而太湖沉積物TN濃度的變化范圍為430～930 mgkg，平均值為640 mgkg[11]，可見巢湖沉積物TN濃度明顯高于太湖。

圖2 巢湖及其入湖河流表層沉積物TN和OM濃度Fig.2 Content of TN and organic matter in the surface sediments of Lake Chaohu and its inflow rivers

巢湖及其入湖河流表層沉積物OM濃度變化范圍為2.15％～8.88％，平均值為4.76％。其中巢湖表層沉積物OM濃度范圍為2.15％～7.13％，平均值為4.79％；入湖河流為2.48％～8.88％，平均值為4.72％。OM濃度最低值出現(xiàn)在位于巢湖中部的C8和C9點，最高值出現(xiàn)在NF-3，與TN濃度的分布一致。

由圖2可見，TN和OM濃度均在巢湖中部處為最小值，說明巢湖中部沉積物污染較輕，受人類活動影響較小；而最高值均位于南淝河的NF-3點，其比位于合肥市上游的NF-2點高1倍左右，這與南淝河接納大量人類活動的工業(yè)廢水和生活污水密切相關。整體來看，OM與TN表現(xiàn)出顯著的相關性(R=0.764，Plt;0.01)，說明沉積物中TN和有機質的消漲關系趨于一致，沉積物中碳源和氮源具有同源性。

2.2 沉積物中磷的分布

巢湖表層沉積物TP、IP和OP濃度分布如圖3所示。由圖3可見，TP濃度分布在251.92～1 392.21 mgkg，平均值為684.40 mgkg；IP濃度分布在199.64～1 310.47 mgkg，平均值為537.17 mgkg；OP濃度分布在34.10～274.46 mgkg，平均值為147.23 mgkg。巢湖西半湖區(qū)TP、IP和OP濃度平均值分別為861.58、707.10和154.48 mgkg，東半湖區(qū)TP、IP和OP濃度平均值分別為456.59，318.69和137.90 mgkg。從空間分布看，TP、IP濃度最大值都出現(xiàn)在C1，即南淝河入湖口附近，位于十五里河入湖口附近的C2次之。

圖3 巢湖表層沉積物TP、IP和OP濃度Fig.3 Content of TP, IP and OP in the surface sediments of Lake Chaohu

圖4 巢湖入湖河流表層沉積物TP、IP和OP濃度Fig.4 Content of TP, IP and OP in the surface sediments of inflow rivers of Lake Chaohu

沉積物中TP濃度是反映湖泊富營養(yǎng)化程度的重要指標之一，劉成等[12]研究認為，進入環(huán)境水域的磷90％與人類活動有關。研究發(fā)現(xiàn)，西半湖TP、IP和OP濃度較高，這與張敏等[13-15]的研究結果相一致，一方面與巢湖流域北部富磷區(qū)較高的自然本底營養(yǎng)值有關；另一方面與人類活動，包括上游植被的破壞與礦山的開采，及河流的陸源輸入密切相關，如南淝河、十五里河、派河、杭埠-豐樂河等入湖河流帶來的大量非點源污染[16]。

巢湖入湖河流表層沉積物TP、IP和OP濃度分布如圖4所示。由圖4可見，TP濃度分布在414.40～3 279.40 mgkg，平均值為1 167.03 mgkg；IP濃度分布在309.40～2 959.40 mgkg，平均值為1 009.59 mgkg；OP濃度分布在17.50～375.00 mgkg，平均值為157.44 mgkg。入湖河流表層沉積物TP和IP濃度表現(xiàn)為南淝河gt;雙橋河gt;杭埠河gt;十五里河gt;柘皋河gt;派河gt;豐樂河；OP濃度表現(xiàn)為杭埠河gt;雙橋河gt;南淝河gt;十五里河gt;豐樂河gt;柘皋河gt;派河。

IP約占TP的56％～98％，平均為80％，可見巢湖流域沉積物中無機磷是總磷的主要賦存形態(tài)，IP主要是沉積過程中吸附在沉積物上的溶解態(tài)磷酸鹽與水體中部分金屬離子結合后以不同形態(tài)存在的磷，OP可在微生物作用下分解成IP[17]；OP約占TP的2％～44％，平均為20％，有機磷的分布不均，差異性很大。

研究發(fā)現(xiàn)，南淝河TP、IP和OP濃度遠高于其他河流，一方面與巢湖流域的含磷地層有關，巢湖水域北岸地層富含磷礦石，地表風化及開采過程中，大量含磷物質匯入河水并沉積下來，致使南淝河及其入湖口底泥沉積物中磷濃度增高；另一方面與肥東縣及合肥市的工業(yè)廢水和生活污水的排放也密切相關[18]。雙橋河表層沉積物TP、IP和OP濃度也較高，這與人類經(jīng)濟活動有關，雙橋河一直是巢湖市流入巢湖的一條重要污染源，人類的大量排放導致沉積物營養(yǎng)鹽本底值一直居高不下。

2.3 沉積物營養(yǎng)鹽累積分析

巢湖及其入湖河流表層沉積物中TOC濃度為1 050～73 700 mgkg，平均值為12 765 mgkg，各采樣點差異較大(圖5)。其中巢湖表層沉積物中TOC濃度平均值為5 987 mgkg，遠低于南淝河，這是因為南淝河的徑流量大，有機物的沉積量高；同時南淝河長期接納了合肥市的大量生活污水和工業(yè)廢水。

圖5 巢湖及其入湖河流表層沉積物中TOC濃度Fig.5 Concent of TOC in the surface sediments of Lake Chaohu and its inflow rivers

圖6 巢湖及其入湖河流表層沉積物TOCNFig.6 TOCN ratios in the surface sediments of Lake Chaohu and its inflow rivers

圖7 巢湖及其入湖河流表層沉積物NPFig.7 NP ratios in the surface sediments of Lake Chaohu and its inflow rivers

2.4 沉積物粒度分布

湖泊沉積物粒度是用來重建環(huán)境演化的常用物理指標之一，具有測試簡單、快速、經(jīng)濟，對環(huán)境反應敏感，信息量大及基本不受生物擾動影響等優(yōu)勢。不同類型湖泊在人為活動干擾的情況下，沉積物粒度可以指示人類活動的強度、流域人口的變化、土壤流失等情況[30-33]。巢湖及其入湖河流表層沉積物粒度分布如圖8所示。

巢湖及其入湖河流表層沉積物中，粒徑小于4 μm的沉積物占6.74％～25.99％，平均為14.46％；巢湖、南淝河、十五里河、派河、豐樂河、杭埠河、柘皋河和雙橋河粒徑小于4 μm的沉積物比例分別占13.72％、14.39％、17％、12.48％、11.21％、19.1％、16.1％和22.92％。粒徑4～8 μm的沉積物占6.51％～28.36％，平均為15.97％，巢湖及上述七條入湖河流分別占15.2％、17.15％、19.5％、12.17％、11.19％、22.85％、19.08％和19.27％。粒徑為8～16 μm的沉積物占8.86％～36.27％，平均為23.98％，巢湖及上述七條入湖河流分別占25.23％、26.02％、25％、15.95％、17.57％、28.35％、26.59％和20.52％。粒徑為16～63 μm的沉積物占14.15％～69.92％，平均為36.41％，巢湖及上述七條入湖河流分別占38.67％、36.8％、33.5％、38.67％、35.13％、28.71、34.65％和22.21％。粒徑大于63 μm的沉積物占0～49.63％，平均為8.4％，巢湖及上述七條入湖河流分別占7.06％、5.64％、5％、20.89％、16.53％、1.01％、3.59％和15.09％。一般研究湖泊沉積物粒徑主要集中在63 μm以下[34-35]，不同入湖河流表層沉積物表現(xiàn)出不同的粒徑分布特征，即采樣點沉積物氮磷濃度高，粒度分布更細。

圖8 巢湖及其入湖河流表層沉積物粒度分布Fig.8 The distribution of particle size in the surface sediments of Lake Chaohu and its inflow rivers

2.5 沉積物營養(yǎng)鹽間及與粒度間的相關關系

表層沉積物碳氮磷之間及其與粒度間的相關關系見表1。由表1可以看出，表層沉積物中TOC與TN(R=0.837，Plt;0.01)，TN與OM(R=0.764，Plt;0.01)呈顯著相關，表明沉積物中氮主要以有機氮的形態(tài)存在，與有機氮相比，沉積物中無機氮相對恒定[36]。TOC與TP表現(xiàn)出顯著相關性(R=0.856，Plt;0.01)，說明沉積物中有機質與磷的生物地球化學循環(huán)有密切的聯(lián)系。TP與IP的相關性最好(R=0.993，Plt;0.01)，說明沉積物中磷主要以無機磷的形態(tài)存在[37]，有機磷濃度低。TN與TP、IP也表現(xiàn)出顯著相關性，表明沉積物中氮磷來源的同源性。隨著沉積物粒徑的增大，沉積物粒徑與TOC、TN、TP、IP的相關性變差。

表1 各指標間的Pearson相關系數(shù)表(n=34)

注： * 表示顯著相關，Plt;0. 05；**表示極顯著相關，Plt;0.01。

3 結論

(1)巢湖及其入湖河流表層沉積物TN濃度為378.53～3 510.42 mgkg，平均值為1 162.26 mgkg。巢湖表層沉積物TN濃度為378.53～1 653.21 mgkg，平均值為918.01 mgkg；巢湖入湖河流表層沉積物TN濃度為661.44～3 510.42 mgkg，入湖河流TN濃度平均值依次為南淝河gt;雙橋河gt;柘皋河gt;十五里河gt;豐樂河gt;杭埠河gt;派河。南淝河在合肥市接納大量人類活動的工業(yè)污水和生活廢水，沉積物中TN濃度明顯高于其他河流。

(2)巢湖及其入湖河流表層沉積物有機質濃度為2.15％～8.88％，平均值為4.76％。其中，巢湖表層沉積物有機質濃度為2.15％～7.13％，平均值為4.79％；入湖河流有機質濃度為2.48％～8.88％，平均值為4.72％。巢湖中部有機質濃度最低，說明巢湖中部沉積物污染較輕，受人類活動影響較小。

(3)巢湖表層沉積物TP濃度為251.92～1 392.21 mgkg，平均值為684.40 mgkg；巢湖入湖河流表層沉積物TP濃度為414.40～3 279.40 mgkg，平均值為1 167.03 mgkg。入湖河流表層沉積物TP和IP濃度表現(xiàn)為南淝河gt;雙橋河gt;杭埠河gt;十五里河gt;柘皋河gt;派河gt;豐樂河。巢湖西半湖沉積物TP和IP濃度明顯高于東半湖區(qū)，同時南淝河TP和IP濃度遠遠高于其他河流，一方面與巢湖流域北部富磷區(qū)較高的自然本底營養(yǎng)值有關；另一方面與人類活動，包括上游植被的破壞與礦山的開采，對河流的陸源輸入密切相關。

(4)對巢湖及其入湖河流表層沉積物各指標的相關性分析發(fā)現(xiàn)，TOC與TN(R=0.837，Plt;0.01)，TN與OM(R=0.764，Plt;0.01)，TOC與TP(R=0.856，Plt;0.01)，TP與IP(R=0.993，Plt;0.01)呈顯著相關性，表明沉積物中的氮主要以有機氮形態(tài)存在。與有機氮相比，沉積物中的無機氮濃度相對恒定；沉積物中有機質與磷的生物地球化學循環(huán)有密切的聯(lián)系，說明沉積物中的磷主要以無機磷形態(tài)存在，有機磷濃度較低。TN與TP、IP也呈顯著相關性，表明沉積物中氮磷來源的同源性。隨著沉積物粒徑的增大，粒徑與TOC、TN、TP、IP的相關性變差。

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歡迎訂閱2013年《環(huán)境工程技術學報》

《環(huán)境工程技術學報》是由中華人民共和國環(huán)境保護部主管，中國環(huán)境科學研究院主辦的綜合性學術期刊。主要刊載國內外環(huán)境工程技術領域的最新研究成果，報道環(huán)境工程及環(huán)保實用技術應用的典型案例，關注環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策和行業(yè)動態(tài)，以及環(huán)境工程新技術、新成果的轉化應用。本刊主要面向環(huán)境、生態(tài)、管理工程技術學領域的科研人員、技術研發(fā)人員、各級環(huán)保管理人員、環(huán)保企業(yè)經(jīng)營者與生產(chǎn)者以及相關專業(yè)大專院校師生。

《環(huán)境工程技術學報》為雙月刊，大16開，單月20日出版。每期定價30元，全年180元。歡迎國內讀者到當?shù)剜]局訂閱，郵發(fā)代號：2-620；中國國際圖書貿易總公司承擔本刊國外發(fā)行，發(fā)行代號：6338BM。如有漏訂可直接與編輯部聯(lián)系。

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DistributionandCorrelationofNutrientsandParticleSizeinSurfaceSedimentsofLakeChaohuandItsInflowRivers

LI Qiang1,2，HUO Shou-liang2，WANG Xiao-wei2,3，XI Bei-dou2，ZHANG Jing-tian2，TAN Yuan-you1

1.School of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China 2.Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China 3.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

In order to identify the main pollution sources and characteristics of Lake Chaohu and its inflow rivers, contents of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), inorganic phosphorus (IP), organic phosphorus (OP) and organic matter (OM) of 34 surface sediments samples were determined, and the correlation of TN, TP, IP, OP, OM and particle size distribution also analyzed separately. The results showed that the nutrients content of sediments in the west part of Lake Chaohu was significantly higher than that of the east part, and the nutrients content of sediments in the middle part was strikingly low. The nutrients content of Nanfei River sediments was much higher than that of other inflow rivers, and reached its peak down the river which flowed through the Hefei City. Furthermore, it was founded that the contents between TOC and TN, TN and OM, TP and IP of sediments were significantly correlated, which indicated that organic nitrogen and inorganic phosphorus were the main fractions of TN and TP respectively, and content of inorganic nitrogen remained relatively constant comparing with organic nitrogen. However, TN was significantly correlated with TP and IP, indicating the homology between nitrogen and phosphorus of sediments. The results of sediment particle size analysis also showed that the correlation between sediment particle size and TOC, TN, TP, IP became less significant with the increase of the particle size.

Lake Chaohu; inflow river; sediment; nutrient; particle size

1674-991X(2013)02-0147-09

2012-08-17

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07106-001)；國家自然科學基金項目(40901248)

李強(1987—)，男，碩士研究生，主要從事水沉積物營養(yǎng)鹽生物地球化學研究，lqspecial@163.com

*責任作者:席北斗(1969—)，男，研究員，博士，主要從事流域水污染控制研究，xibeidou@263.net

X524

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.024