中國東部淺水湖泊沉積物總氮總磷基準(zhǔn)閾值研究

王健 ，張靖天，昝逢宇 ，席北斗，霍守亮*

1.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

湖泊沉積物接納了來自水環(huán)境中大量的營養(yǎng)鹽，并將它們儲(chǔ)存在沉積物或間隙水中（ZHANG等，2013）。在外源污染物得到有效控制的情況下，湖泊沉積物中營養(yǎng)鹽會(huì)持續(xù)釋放到水體中，這種影響會(huì)持續(xù)幾十年（S?NDERGAARD 等，1999）。沉積物中營養(yǎng)鹽的含量、空間分布對(duì)湖泊內(nèi)源消減和富營養(yǎng)化狀況有指導(dǎo)意義（余輝等，2010）。由于水深較淺，東部淺水湖泊沉積物-上覆水?dāng)_動(dòng)劇烈，表層沉積物通過吸附-解吸等交換作用向上覆水體釋放，影響水體的水環(huán)境質(zhì)量（秦伯強(qiáng)等，2005）。

早期對(duì)沉積物中營養(yǎng)鹽的研究主要集中在湖泊、河流、近海水域沉積物中氮、磷的賦存形態(tài)、分布特征、釋放過程以及遷移轉(zhuǎn)化，從不同角度闡述沉積物的污染現(xiàn)狀變化趨勢(shì)、及其對(duì)水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)（昝逢宇等，2010；HUO等，2011；HUO等，2013）。已有這些工作多針對(duì)某個(gè)湖泊開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)模擬等研究，對(duì)整個(gè)流域內(nèi)多數(shù)湖泊的整體研究并不多見。隨著湖泊水環(huán)境治理工作的開展，流域內(nèi)湖泊沉積物氮、磷污染風(fēng)險(xiǎn)引起了人們的關(guān)注。東部淺水湖泊沉積物中營養(yǎng)鹽含量高且差異較大，沉積物中 TN均值在 594.61～3362.50 mg/kg，TP均值在352.69～644.32 mg/kg（劉清學(xué)等，2011），因而急需開展湖泊沉積物營養(yǎng)鹽評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究，為不同類型湖泊沉積物污染控制和水生態(tài)系統(tǒng)健康保障提供支撐。目前，國內(nèi)外一些研究者先后提出了背景值比較法、頻度分布法、有機(jī)指數(shù)評(píng)價(jià)法、生物毒性效應(yīng)法等多種評(píng)價(jià)方法，用于評(píng)價(jià)湖泊沉積物氮、磷污染等級(jí)（盧少勇等，2012；王菊英等，2003；康麗娟等，2012）。在已有的評(píng)價(jià)方法中，尤以背景值比較法和頻度取值法應(yīng)用較多。背景值比較法選用氮、磷含量穩(wěn)定的沉積物層作為污染背景樣本，采用偏差分析方法，檢驗(yàn)表層沉積物氮、磷含量的污染等級(jí)，該方法應(yīng)用方便、操作性強(qiáng)。頻度分布法是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，選擇流域內(nèi)所有湖泊沉積物氮、磷調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)頻度分布的不同百分點(diǎn)位劃分沉積物污染等級(jí)，但該法需要大量的樣本數(shù)據(jù)。根據(jù)這些方法，國內(nèi)外學(xué)者建立了相應(yīng)的沉積物氮、磷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如加拿大安大略省環(huán)境和能源部頒布的《沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》（MUDROCH等，1995），我國《第二次全國海洋污染基線調(diào)查技術(shù)規(guī)程》（翟濱，2006）。然而，關(guān)于各種評(píng)價(jià)方法之間的比較研究較少。

本文以東部湖區(qū)100個(gè)湖泊表層沉積物和8個(gè)典型湖泊柱狀沉積物為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究不同湖泊沉積物中氮、磷的剖面分布特征，同時(shí)采用背景值比較法和頻度分布法確定典型東部淺水湖泊沉積物總氮總磷基準(zhǔn)，并對(duì)8個(gè)典型湖泊沉積物氮、磷污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣品采集

在我國東部湖區(qū)安徽、江蘇、浙江、江西、湖北、湖南和山東選擇100個(gè)面積大于10km2湖泊采集表層沉積物896個(gè)，選擇安徽省、湖南省8個(gè)面積大于10 km2不同類型的湖泊：焦崗湖、城東湖、瓦埠湖、花園湖、七里湖、沱湖、大通湖、北民湖采集沉積物柱芯樣。采集柱芯樣湖泊分別設(shè)置 1～2個(gè)采樣點(diǎn)，利用柱狀沉積物采樣器采集30～40 cm深的沉積物柱芯樣，共采集 11個(gè)柱狀樣，各湖泊的位置如圖1所示。利用虹吸法將采集的樣品中上覆水抽出，現(xiàn)場(chǎng)1 cm間隔切割分樣裝入自封袋后放入保溫箱中，低溫密閉保存。運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)超低溫冷凍干燥后研磨過100目篩（孔徑0.15 mm），密封后冷藏保存待分析。

1.2 樣品分析

稱取2份0.5 g沉積物樣品，對(duì)其中一份進(jìn)行灰化(500 ℃下灰化2 h)，經(jīng)酸提取后(1 mol·L-1HCl提取 16 h)，采用鉬銻抗比色法測(cè)定總磷(TP)含量（HUO等，2011）。

稱取0.1 g沉積物樣品于50 mL比色管中，加入 25 mL 氧化劑(各 0.15 mol·L-1NaOH 和 K2S2O8)，于125 ℃下高壓消解1 h后，取上清液利用紫外分光光度法測(cè)定TN（HUO等，2013）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0對(duì)100個(gè)湖泊表層沉積物的總氮、總磷的頻度分布進(jìn)行分析。8個(gè)湖泊沉積物總氮、總磷的背景值采用PIRLA法（Binford, 1990；Zan等, 2011）：首先計(jì)算底部沉積物中總氮、總磷含量相對(duì)穩(wěn)定的一組值的平均值（x）與標(biāo)準(zhǔn)差（δ），然后將下一個(gè)濃度值與平均值相比較，如果該值小于平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之和（x+δ），則將該值包括在該組中，重新計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，重復(fù)此步驟，直至濃度值大于平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之和（x+δ）。

2 結(jié)果與討論

2.1 典型湖泊沉積物營養(yǎng)鹽剖面分布特征

2.1.1 典型湖泊沉積物總氮含量剖面分布

整個(gè)東部湖區(qū)11個(gè)采樣點(diǎn)沉積物TN含量剖面如圖2所示。從圖2可以得出，沉積物總氮含量整體上表現(xiàn)出隨著深度增加而下降變化趨勢(shì)，各采樣點(diǎn)下層沉積物(20～30 cm)中TN含量保持穩(wěn)定。近些年來，隨著流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖泊周邊大量工業(yè)廢水和生活污水以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物排入湖泊中，從而導(dǎo)致表層沉積物中氮含量迅速增加（HUO等，2011）。所調(diào)查湖泊沉積物 TN均值為 1443.83 mg·kg-1，變化范圍為 247.45～3719.46 mg·kg-1。其中，花園湖、沱湖、焦崗湖、七里湖、北民湖沉積物中TN含量較高，均值在1900 mg·kg-1以上，這些湖泊沉積物的TN本底值較高，在900 mg·kg-1以上；在0～15 cm深度沉積物TN含量大于2000 mg·kg-1，受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重。城東湖、瓦埠湖沉積物中TN含量相對(duì)于其他湖泊較低，TN均值在1000 mg·kg-1以下，受人類活動(dòng)影響較小。

2.1.2 典型湖泊沉積物總磷含量的剖面分布

沉積物中磷主要來源于工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)面源污染物經(jīng)地表徑流進(jìn)入水體后在一系列物理化學(xué)作用下最終沉積于湖底，水生生物殘骸及排泄物的沉降，以及養(yǎng)殖餌料的投加等。從表1可以看出，沉積物TP含量變化范圍：225.41～1944.89 mg·kg-1，均值為519.62 mg·kg-1。北民湖、大通湖、焦崗湖、七里湖的TP污染較重，城東湖和瓦埠湖的TP污染較輕，與沉積物TN污染情況基本一致。

表1 典型湖泊沉積物中營養(yǎng)鹽統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 1 Statistical results of sediment nutrients in typical lakes

沉積物中TP含量總體上表現(xiàn)出隨著深度的增加逐漸降低，這與流域內(nèi)人類活動(dòng)有關(guān)，也可能是深層沉積物中磷向上層遷移、轉(zhuǎn)化所致（張路等，2004；ZAN等，2012）。下層沉積物(15～30 cm)TP的累積速率較低，且變化幅度不大，應(yīng)歸結(jié)為自然環(huán)境演化的結(jié)果。部分采樣點(diǎn)沉積物剖面中TP含量基本保持不變，這可能是營養(yǎng)物沉積不均勻所引起的(圖 3)。

2.2 東部淺水湖泊沉積物總氮總磷基準(zhǔn)閾值確定

2.2.1 背景值比較法

環(huán)境背景值常用來表征水體沉積物的環(huán)境污染狀況，計(jì)算時(shí)先由樣本的均值或中位值來集中反映污染元素背景含量的集中趨勢(shì)，再利用樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差來確定元素含量分布的隨機(jī)性和離散程度，綜合二者則可給出一定置信度下的背景值區(qū)間（翟濱，2006）。本研究選用總氮和總磷含量相對(duì)穩(wěn)定的沉積物層作為污染背景樣本（張遠(yuǎn)輝等，2005），首先計(jì)算底部沉積物中總氮、總磷含量相對(duì)穩(wěn)定的一組值的平均值（x）與標(biāo)準(zhǔn)差（δ），然后將下一個(gè)濃度值與平均值相比較，如果該值小于平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之和（x+δ），則將該值包括在該組中，重新計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，重復(fù)此步驟，直至濃度值大于平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之和（x+δ）。所調(diào)查 8個(gè)典型湖泊沉積物總氮、總磷背景值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2所示。

沉積物柱芯下層氮磷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)，均值與中位數(shù)均較為接近。對(duì)11個(gè)點(diǎn)總磷、總磷平均值分別進(jìn)行排序分析，得出總氮、總磷的背景值分別為 1115.19 mg·kg-1和 454.51 mg·kg-1。其中，焦崗湖、沱湖、七里湖、花園湖、北民湖沉積物總氮背景值較高；而城東湖、瓦埠湖和大通湖總氮背景值較低。對(duì)于總磷而言，焦崗湖、七里湖、北民湖和大通湖高于所確定背景值，污染狀況較嚴(yán)重，城東湖、瓦埠湖、沱湖和花園湖污染較輕。不同湖泊氮磷污染狀況的差異可能與氮、磷的污染來源有關(guān)。

2.2.2 頻度分布法

頻度分布法是基于沉積物營養(yǎng)鹽對(duì)藻類生物量生物效應(yīng)方法。這個(gè)方法的前提條件就是沉積物營養(yǎng)鹽含量較高的地區(qū)對(duì)應(yīng)的上覆水體營養(yǎng)鹽含量也較高。本文依據(jù)東部平原湖區(qū)100個(gè)湖泊表層沉積物總氮、總磷的調(diào)查數(shù)據(jù)，通過對(duì)氮、磷的頻度分析，選擇變量頻數(shù)分布的上25%點(diǎn)位作為參照(表3)。從表3可以看出25%點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的TP質(zhì)量分?jǐn)?shù) 398.51 mg·kg-1，TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1106.24 mg·kg-1。焦崗湖、沱湖、七里湖、花園湖、北民湖表層沉積物總氮含量大于參考值，受人為污染較重；而城東湖、瓦埠湖和大通湖總氮含量小于參考值，污染較輕。對(duì)于總磷而言，焦崗湖、七里湖、北民湖和大通湖高于所確定的參考值，污染狀況較嚴(yán)重，而城東湖、瓦埠湖、沱湖和花園湖污染較輕。

表2 典型沉積物總氮總磷背景值統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Stastical sediment background values in taypical lakes

表3 東部100個(gè)湖泊沉積物總氮總磷頻數(shù)分布Table 3 TN and TP frequency distribution of 100 lake sediments in eastern region

2.2.3 兩種評(píng)價(jià)方法的對(duì)比

由以上結(jié)果可知，所調(diào)查8個(gè)典型湖泊均受到不同程度的污染，這是因?yàn)闁|部平原湖泊水深較淺，營養(yǎng)鹽在水體和沉積物間交換條件好，近些年來大量工農(nóng)業(yè)污染物的輸入進(jìn)一步加劇了沉積物的污染。對(duì)比以上兩種方法的結(jié)果可見，背景值法與頻數(shù)分布法上25%點(diǎn)位總氮指標(biāo)較為接近，分別為 1115.19 mg·kg-1和 1106.24 mg·kg-1；對(duì)比總磷值存在一定差異，但是與上40%位對(duì)應(yīng)良好。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能夠充分利用歷史和現(xiàn)狀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并能保證通過該方法制定的基準(zhǔn)閾值能保護(hù)大多數(shù)湖泊（周啟星等，2007；陳奇等，2010）。由于東部湖泊受人為干擾較大，綜合考慮可行性，需要在統(tǒng)計(jì)學(xué)方法制定湖泊沉積物總氮、總磷基準(zhǔn)閾值范圍選擇適當(dāng)?shù)陌俜贮c(diǎn)位，因此確定東部典型湖泊沉積物總氮基準(zhǔn)閾值為1106.24～1115.19 mg·kg-1，總磷基準(zhǔn)閾值為454.51～459.03 mg·kg-1。采用確定的基準(zhǔn)值對(duì)8個(gè)典型湖泊表層沉積物的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，就總氮而言，焦崗湖、沱湖、七里湖、花園湖、北民湖沉積物污染較嚴(yán)重，受人為污染較重；而城東湖、瓦埠湖和大通湖則屬于污染狀況較好。對(duì)于總磷，焦崗湖、七里湖、北民湖和大通湖污染狀況較嚴(yán)重，城東湖、瓦埠湖、沱湖和花園湖污染較輕。

3 結(jié)論

1）東部典型淺水湖泊沉積物TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍247.45～3719.46 mg·kg-1，平均為 1443.83 mg·kg-1；不同湖泊沉積物TN含量的大小變化順序?yàn)椋夯▓@湖>沱湖>焦崗湖>七里湖>北民湖>大通湖>瓦埠湖>城東湖，沉積物剖面TN自表層至底層逐漸降低的趨勢(shì)表明，到達(dá)一定深度后，TN含量趨于穩(wěn)定。

2）東部典型淺水湖泊沉積物TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍225.41～1944.89 mg·kg-1，平均為 519.62 mg·kg-1；不同湖泊TP含量變化順序?yàn)楸泵窈?大通湖>七里湖>焦崗湖>沱湖>瓦埠湖>城東湖>花園湖。

3）綜合對(duì)比背景值法與頻數(shù)分布法結(jié)果，最終確定東部典型湖泊沉積物總氮基準(zhǔn)閾值為1106.24～1115.19 mg·kg-1， 總 磷 基 準(zhǔn) 閾 值 為454.51～459.03 mg·kg-1。

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