洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)鹽污染特征與評價

張光貴，黃博

1.湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 岳陽 414000

2.岳陽市環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 岳陽 414000

近年來湖泊富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重，成為國內(nèi)外十分關(guān)注的環(huán)境問題之一。一般情況下，湖泊沉積物充當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)的“匯”，但其吸附和接納能力是有限度的，當(dāng)超過其負(fù)荷時，累積在其中的營養(yǎng)物質(zhì)則在一定條件下釋放到上覆水中，沉積物轉(zhuǎn)成水體污染的“源”［1］，嚴(yán)重影響湖泊上覆水體的質(zhì)量［2-5］。因此，沉積物能間接反映出水體污染情況［6-9］，研究沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的含量及其分布特征對控制湖泊水體富營養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)狀況有重要指導(dǎo)意義。

洞庭湖是目前長江中游荊江段唯一與長江干流直接相通的湖泊，具有調(diào)蓄、飲用、漁業(yè)、灌溉、航運(yùn)、調(diào)節(jié)湖區(qū)氣候、旅游和生物多樣性保護(hù)等重要生態(tài)功能。隨著洞庭湖流域社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，氮、磷整體超標(biāo)，水體富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重，水質(zhì)呈總體下降趨勢［10-11］。盡管近年來有學(xué)者針對洞庭湖沉積物營養(yǎng)鹽開展了相關(guān)研究，如王偉等［12］對洞庭湖沉積物及上覆水體氮的空間分布進(jìn)行了研究;王雯雯等［13］對洞庭湖沉積物不同形態(tài)氮賦存特征及其釋放風(fēng)險進(jìn)行了研究;王巖等［14］對洞庭湖沉積物及其上覆水體氮磷的時空分布與水體營養(yǎng)狀態(tài)特征進(jìn)行了研究，但對洞庭湖沉積物中有機(jī)質(zhì)含量以及營養(yǎng)物質(zhì)污染狀況評價研究尚不多見。筆者通過對洞庭湖表層沉積物中有機(jī)質(zhì)(OM)、總氮(TN)和總磷(TP)濃度的測定，分析營養(yǎng)鹽的空間分布特征，利用有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮對洞庭湖沉積物污染狀況進(jìn)行評價，以期為了解和掌握洞庭湖富營養(yǎng)化內(nèi)源污染狀況、防治洞庭湖水體富營養(yǎng)化提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洞庭湖位于湖南省北部、長江中游荊江南岸，北接長江松滋、太平、藕池三口，南納湘、資、沅、澧四水，經(jīng)城陵磯匯入長江，湖體呈近似“U”字形，總流域面積25.72 萬km2，集水面積104 萬km2，水位33.50 m 時(岳陽站，黃?；?，湖長143.00 km，最大湖寬30.00 km，平均湖寬17.01 km，湖泊面積2 625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相應(yīng)蓄水量167 億m3，是我國第二大淡水湖。受泥沙淤積、筑堤建垸等自然和人類活動的影響，洞庭湖現(xiàn)已明顯地分化為西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖3個不同的湖泊水域。洞庭湖為一典型的過水性洪道型湖泊［15］，兼具河流與湖泊雙重屬性，其水流方向大致為西洞庭湖→南洞庭湖→東洞庭湖→長江［16］。

1.2 樣品采集

分別于2012年2月和2013年4月，采用抓斗式采泥器采集洞庭湖表層沉積物樣品，每個采樣點采集3 個平行樣品現(xiàn)場混勻，裝入封口袋，4 ℃保存。采樣點的布設(shè)參考了洞庭湖水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測斷面，共設(shè)置9 個采樣點，其中西洞庭湖區(qū)3 個，分別是南嘴(S1)、蔣家嘴(S2)和小河嘴(S3);南洞庭湖區(qū)3 個，分別是萬子湖(S4)、橫嶺湖(S5)和虞公廟(S6);東洞庭湖區(qū)3 個，分別是鹿角(S7)、東洞庭湖(S8)和洞庭湖出口(S9)。所有采樣點采用便攜式GPS 定位，采樣點位置見圖1。

圖1 洞庭湖采樣點分布Fig.1 Sampling sites in Dongting Lake

1.3 樣品處理及分析

所采沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后去除各種雜質(zhì)，再經(jīng)瑪瑙研缽研磨處理，過100 目尼龍篩，分裝于塑料袋中密封以待測。

OM 濃度的測定方法:用定量的標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀-硫酸溶液，在加熱的條件下，使沉積物樣品中的有機(jī)碳氧化，多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量計算有機(jī)碳量，再乘以系數(shù)1.724，即為沉積物樣品中OM 濃度［17］。TN 濃度采用半微量開氏法測定。TP 濃度采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗分光光度法測定。為保證分析的準(zhǔn)確性，每個樣品設(shè)置2 個平行樣，平行分析誤差＜5%，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物營養(yǎng)鹽濃度

洞庭湖表層沉積物中OM、TN、TP 濃度的監(jiān)測結(jié)果見表1。由表1 可知，洞庭湖表層沉積物中OM濃度為1.48% ～4.22%，平均值為2.06%，變異系數(shù)為0.31;TN 濃度為382 ～2 217 mg/kg，平均值為1 340 mg/kg，與王雯雯等［13］的研究結(jié)果相近，變異系數(shù)為0.35;TP 濃度為142 ～716 mg/kg，平均值為294 mg/kg，變異系數(shù)為0.49。

表1 洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)鹽監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計Table 1 Statistics of nutrients monitoring results of surface sediments in Dongting Lake

與國內(nèi)其他湖泊(水庫)相比(表2)，洞庭湖表層沉積物中OM 的平均濃度高于鄱陽湖、太湖、洪澤湖和天鵝湖，低于烏梁素海、長壽湖、青海湖和程海，與巢湖相當(dāng);TN 濃度的平均值高于太湖、巢湖、洪澤湖和天鵝湖，低于烏梁素海、長壽湖、天目湖、青海湖和程海，與鄱陽湖相等;TP 平均濃度較低，與天目湖接近。由此可見，洞庭湖表層沉積物中OM 和TN濃度處于中等水平，位居我國五大淡水湖泊之首，其內(nèi)源負(fù)荷不容忽視。

表2 不同湖庫表層沉積物營養(yǎng)鹽濃度對比Table 2 Comparison of nutrients contents in surface sediments of different lakes(reservoirs)

與1985年的研究結(jié)果［25］相比，OM 和TN 濃度分別上升了63.5% 和21.6%，TP 濃度下降了65.1%，表明近30年來洞庭湖表層沉積物中OM 和TN 等內(nèi)源負(fù)荷呈增加趨勢。研究［26］表明，每年入湖的大量泥沙是洞庭湖水體TP 的重要來源。洞庭湖表層沉積物中TP 濃度的下降可能與三峽工程運(yùn)行后入湖泥沙的大量減少有關(guān)，三峽運(yùn)行期(2003—2011年)洞庭湖年均入湖泥沙量為1 911.2 萬t，比三峽蓄水前(1999—2002年)減少了72%［27］。

2.2 沉積物中營養(yǎng)鹽的空間分布

洞庭湖表層沉積物中OM 濃度的空間分布見圖2。由圖2 可知，以南洞庭湖區(qū)的萬子湖(S4)最高，為2.87%;東洞庭湖區(qū)的東洞庭湖(S8)最低，為1.53%。最大值與最小值的比值為1.88，空間分布差異較小，西洞庭湖區(qū)、南洞庭湖區(qū)和東洞庭湖區(qū)沉積物中OM 濃度平均值分別為1.79%、2.43% 和1.96%，總體表現(xiàn)為南洞庭湖區(qū)＞東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)。

圖2 洞庭湖表層沉積物中OM 的空間分布Fig.2 Spatial distribution of OM contents in the surface sediments of Dongting Lake

洞庭湖表層沉積物中TN、TP 濃度的空間分布見圖3。由圖3 可知，TN 濃度以南洞庭湖區(qū)的萬子湖(S4)最高(1 818 mg/kg)，西洞庭湖區(qū)的南嘴(S1)最低(868 mg/kg)，最大值與最小值的比值為2.09，空間分布差異較小，西洞庭湖區(qū)、南洞庭湖區(qū)和東洞庭湖區(qū)沉積物中TN 濃度的平均值分別為1 264、1 458 和1 297 mg/kg，總體表現(xiàn)為南洞庭湖區(qū)＞東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)，與OM 濃度的空間分布相似，但與王偉等［12］的研究結(jié)果剛好相反。TP濃度以東洞庭湖區(qū)的東洞庭湖(S8)最高(488 mg/kg)，南洞庭湖區(qū)的橫嶺湖(S5)最低(204 mg/kg)，最大值與最小值的比值為2.39，空間分布差異較大，西洞庭湖區(qū)、南洞庭湖區(qū)和東洞庭湖區(qū)沉積物中TP 濃度的平均值分別為295、262 和326 mg/kg，總體表現(xiàn)為東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)＞南洞庭湖區(qū)。

圖3 洞庭湖表層沉積物中TN、TP 濃度的空間分布Fig.3 Spatial distribution of TN and TP contents in the surface sediments of Dongting Lake

洞庭湖沉積物中營養(yǎng)鹽的空間分布與其水文特征有關(guān)。從總體上看，由于西洞庭湖區(qū)離出湖口較遠(yuǎn)，受出湖口長江水流頂托的影響小，營養(yǎng)物質(zhì)相對不易沉積，而東、南洞庭湖區(qū)離出湖口較近，受出湖口長江水流頂托的影響較大，營養(yǎng)物質(zhì)相對容易沉積，因而沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)含量較高。萬子湖(S4)所在水域水面開闊，水流相對緩慢，以湖泊性質(zhì)為主，營養(yǎng)物質(zhì)易于沉積，且沉積物粒徑偏細(xì)，因而OM 和TN 濃度相對較高;相反，南嘴(S1)所在水域?qū)黉铃⒑榈?，河道平直，水流較快，以河流性質(zhì)為主，主要接納含沙量較高的長江三口和澧水來水，營養(yǎng)物質(zhì)不易沉積，且沉積物粒徑偏粗，因而營養(yǎng)物質(zhì)含量相對較低。東洞庭湖(S8)所在水域地處東洞庭湖區(qū)西部，受藕池東支河泥沙淤積和湘江洪道水流頂托的影響［28］，相對封閉，水動力學(xué)條件較弱，從而有利于水體中營養(yǎng)物質(zhì)特別是磷的沉積，致使沉積物中TP 相對較高。此外，萬子湖(S4)沉積物中OM和TN 濃度較高可能受到其上游沅江市區(qū)城鎮(zhèn)生活污染和沅江紙業(yè)有限責(zé)任公司等企業(yè)長期排污的影響，小河嘴(S3)沉積物中TN 濃度較高可能與其上游蔣家嘴鎮(zhèn)工業(yè)與生活污水排放有關(guān)［29］，蔣家嘴(S2)沉積物中TP 濃度較高可能與其上游來水沅江水體TP 濃度較高有關(guān)［30］。

2.3 沉積物中的C/N

洞庭湖屬過水性吞吐型湖泊，其沉積物以碎屑沉積為主，其次是生物沉積，碎屑沉積主要源于洞庭湖流域水土流失以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的排放。研究［31］表明，洞庭湖氮、磷主要來源于入湖河道與生活污染，二者占總量的95%以上。從生物沉積而言，湖泊沉積物中C/N 在一定程度上可以反映OM的來源，因為生物種類不同，C/N 不同。高等植物的C/N 為14 ～23，水生生物為2.8 ～3.4，浮游動物與浮游植物為6 ～13，藻類為5 ～14［32］。相關(guān)資料［33-35］表明，許多湖泊表層沉積物中的C/N 為6 ～14。洞庭湖表層沉積物C/N 空間分布見圖4。由圖4 可見，洞庭湖表層沉積物中C/N 變化范圍為6.1 ～14.8，平均為10.2，78%的C/N 介于6 ～13，表明洞庭湖表層沉積物OM 主要來源于浮游動物與浮游植物。

圖4 洞庭湖表層沉積物中C/N 的空間分布Fig.4 Spatial distribution of C/N ratio in the surface sediments of Dongting Lake

3 沉積物污染狀況評價

3.1 評價方法與標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)外對湖泊沉積物環(huán)境的評價尚缺乏統(tǒng)一的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)，針對洞庭湖表層沉積物的實際，利用有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評價洞庭湖沉積物污染狀況。有機(jī)指數(shù)常用來評價水域沉積物的環(huán)境狀況，有機(jī)氮則是衡量湖泊表層沉積物是否遭受氮污染的重要指標(biāo)，其計算方法［25］如下:

有機(jī)指數(shù)= 有機(jī)碳濃度(%)× 有機(jī)氮濃度(%)

有機(jī)碳濃度(%)=有機(jī)質(zhì)濃度(%)÷1.724

有機(jī)氮濃度(%)=總氮濃度(%)×K

式中，K 為有機(jī)氮濃度在總氮中所占比例，該研究K取0.60［12］。

沉積物有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評價標(biāo)準(zhǔn)分別見表3和表4。

表3 沉積物有機(jī)指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)［25，36-37］Table 3 Sediment evaluation standards by organic index

表4 沉積物有機(jī)氮評價標(biāo)準(zhǔn)［25，36-37］Table 4 Sediment evaluation standards by organic nitrogen

3.2 評價結(jié)果

用3.1節(jié)的方法和標(biāo)準(zhǔn)，洞庭湖各監(jiān)測點表層沉積物污染狀況評價結(jié)果見表5。從表5 可見，洞庭湖各監(jiān)測點沉積物有機(jī)指數(shù)為0.06 ～0.20，全湖平均為0.10，達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，湖體沉積物環(huán)境狀況屬較清潔。南洞庭湖區(qū)的萬子湖(S4)污染程度相對較重，達(dá)到Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，水體沉積物環(huán)境狀況屬尚清潔。

洞庭湖各監(jiān)測點沉積物有機(jī)氮濃度為0.052%～0.109%，全湖平均值為0.080%，達(dá)到Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，氮污染程度屬尚清潔。西洞庭湖區(qū)南嘴(S1)污染程度相對較輕，屬較清潔。有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮均表現(xiàn)為南洞庭湖區(qū)＞東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)，但污染程度差異較小，3 個湖區(qū)沉積物污染類型和程度相同。

表5 洞庭湖表層沉積物污染狀況評價結(jié)果Table 5 Evaluation results of surface sediments in Dongting Lake by the sediment evaluation standards

4 結(jié)論

(1)洞庭湖表層沉積物中OM 濃度為1.48% ～4.22%，平均值為2.06%;TN 濃度為382 ～2 217 mg/kg，平均值為1 340 mg/kg;TP 濃度為142 ～716 mg/kg，平均值為294 mg/kg。與國內(nèi)其他湖泊(水庫)相比，洞庭湖表層沉積物中OM 和TN 濃度處于中等水平，近30年來洞庭湖表層沉積物中OM 和TN 濃度呈增加趨勢，其內(nèi)源負(fù)荷不容忽視。

(2)洞庭湖表層沉積物中OM 和TN 濃度的空間分布相似，總體表現(xiàn)為南洞庭湖區(qū)＞東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)，TP 濃度總體表現(xiàn)為東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)＞南洞庭湖區(qū)。

(3)從生物沉積角度而言，洞庭湖表層沉積物中C/N 介于6.1 ～14.8，平均為10.2，有78%的C/N介于6 ～13，表明洞庭湖表層沉積物OM 主要來源于浮游動物與浮游植物。

(4)洞庭湖表層沉積物有機(jī)指數(shù)平均為0.10，達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，湖體沉積物環(huán)境狀況屬較清潔;有機(jī)氮平均為0.080%，達(dá)到Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，氮污染程度屬尚清潔。洞庭湖表層沉積物污染程度總體表現(xiàn)為南洞庭湖區(qū)＞東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)，但污染程度差異較小。

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