邛海表層沉積物營養(yǎng)鹽分布特征及污染評價

郜志云 趙翠平 孫運海 劉偉江 孫宏亮

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，湖泊沉積物成為湖泊營養(yǎng)鹽的重要蓄積庫。20世紀(jì)80年代，國外已開展對河流、濕地[1-2]、湖泊[3-4]、海域、水庫等沉積物中TN和TP的含量、分布特征、釋放機制等方面的研究。研究表明，在外源逐步得到控制的情況下，蓄積在沉積物中的碳、氮、磷在一定條件下仍可通過形態(tài)變化、界面特征改變而釋放，嚴(yán)重影響上覆水體的環(huán)境質(zhì)量。因此，本研究通過研究湖泊沉積物中氮、磷、碳的空間分布及污染特征，為控制水體富營養(yǎng)化提供支撐。

邛海位于四川省西昌市境內(nèi)，屬于高原半開放淡水湖泊，是四川第二大天然湖泊，被譽為西昌市“母親湖”。邛海流域?qū)俳鹕辰?，邛海湖泊面積27.87 km2(以高程水位1 510.3 m計)，邛海湖盆南高北低，湖體水流由南向西北流動，平均水深10.32 m，蓄水量3.2×108m3，湖水換水周期為834 d。邛海有官壩河、鵝掌河、小清河3條主要入湖支流，西北部的海河是湖泊的唯一出水通道。

邛海是一個具有生態(tài)價值、飲用水源地、風(fēng)景旅游等功能的水體，隨著湖泊周邊社會經(jīng)濟迅速發(fā)展、生活和農(nóng)業(yè)污水排放、湖濱帶開發(fā)利用等，邛海出現(xiàn)面積萎縮、湖泊生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力下降以及富營養(yǎng)化加重等問題。本研究采用野外采樣和實驗室分析相結(jié)合的方法，通過對邛海沉積物總有機碳(TOC)、TN、TP的測定，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)地統(tǒng)計分析，分析邛海營養(yǎng)鹽空間分布特征，并將分布特征可視化；采用有機指數(shù)和有機氮污染評價法，評價邛海表層沉積物營養(yǎng)鹽的污染狀況；采用加拿大安大略省環(huán)境和能源部按生態(tài)毒性效應(yīng)制定的“沉積物質(zhì)量評價指南”以及邛海深層沉積物中的營養(yǎng)鹽均值為背景參照值，評價邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽的污染水平和富集特征。旨在系統(tǒng)揭示邛海沉積物污染現(xiàn)狀，為邛海湖泊環(huán)境保護提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2013年9月，根據(jù)邛海流域水系特點、水功能區(qū)情況，采用麥哲倫315型定位儀導(dǎo)航定位，分別在邛海主要入湖口、湖心、水源地、出湖口等布設(shè)9個采樣點，其中湖心點位分別采集表層和深層沉積物樣品，其他點位僅采集表層沉積物，具體點位分布見圖1。用彼得森采泥器采集表層沉積物(0～10 cm)和深層沉積物樣品，采集現(xiàn)場表層樣和深層樣分別混勻后裝入潔凈的聚乙烯自封袋中密封，運回實驗室低溫保存并處理分析。

圖1 邛海表層沉積物采樣點分布示意圖Fig.1 Surface sediment sampling site of Qionghai Lake

1.2 樣品處理與分析

所采集沉積物樣經(jīng)冷凍干燥機干燥后取出各種雜質(zhì)，再經(jīng)瑪瑙研缽研磨處理后過100目尼龍篩，分裝于磨口玻璃瓶中密封以備用。

針對邛海富營養(yǎng)化特征，主要分析項目：TN(半微量凱氏定氮法)、TP(歐洲標(biāo)準(zhǔn)測試委員會的SMT法)、TOC(重鉻酸鉀容量法)[5]。

2 表層沉積物營養(yǎng)鹽空間分布特征

湖泊沉積物中TN、TP和TOC含量是反映湖泊沉積物營養(yǎng)程度的重要標(biāo)志。邛海表層沉積物中TN、TP和TOC的統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。邛海9個采樣點表層沉積物TOC為1 479～15 197 mg/kg，平均為8 725 mg/kg；TN為270～2 030 mg/kg，平均為1 200 mg/kg；TP為380～630 mg/kg，平均為528 mg/kg。邛海表層沉積物中TOC、TN、TP變異系數(shù)分別為49.8%、48.0%、17.7%，TOC和TN屬于中等強度變異，TP數(shù)據(jù)分布離散程度相對集中，各采樣點TP含量接近。

湖泊表層沉積物中TOC、TN、TP含量可以用來直接反應(yīng)湖泊底泥的污染狀況。由表2可見，與其他具有相同水體功能的湖泊相比，邛海TOC僅高于巢湖和洪澤湖；TN高于巢湖、洪澤湖、太湖；TP高于鄱陽湖，總體上幾個湖泊TP含量相差不大。由此可見，邛海表層沉積物中TOC和TN含量呈中下水平。

表1 邛海表層沉積物營養(yǎng)鹽統(tǒng)計分析結(jié)果

表2 邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽平均質(zhì)量濃度與其他湖泊比較

圖2 邛海表層沉積物營養(yǎng)鹽空間分布Fig.2 Spatial distribution of nutrients content in surface sediment of Qionghai Lake

由圖2可見，邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽水平分布存在一定差異。邛海湖心、南部(核桃村)和西南部(海南鄉(xiāng))水域TOC最高，介于12 877～15 197 mg/kg，是整個湖泊最小值(1 479 mg/kg)的8.7～10.3倍；TN的空間分布與TOC分布特征相似；磷含量是影響湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素，邛海TP最高的區(qū)域分布在邛海中南部(核桃村、鵝掌河河口和湖心)，TP達到610～630 mg/kg，是整個湖泊最小值(380 mg/kg)的1.6～1.7倍，北岸的TP相對湖泊其他區(qū)域較低。

綜上所述，邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽的分布格局為南部高于北部，湖心區(qū)域高于東部和西部。其主要原因：(1)受外來源的影響，邛海流域周邊主要人口及主要農(nóng)業(yè)區(qū)分布在邛海南岸以及西北部海河河口等區(qū)域，生活污水、農(nóng)業(yè)面源徑流等帶來的污染物直接或間接排入造成；(2)受邛海湖盆地形影響，南高北低，邛海水體主要由南向西北流動，帶動污染物由南向北擴散。

3 表層沉積物營養(yǎng)鹽污染評價

3.1 有機指數(shù)和有機氮污染評價

國內(nèi)外對湖泊、河流沉積物環(huán)境質(zhì)量和污染狀況尚缺乏統(tǒng)一的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)。為了解掌握邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽的污染水平和富集特征，參考文獻[13～15]，本研究采用有機指數(shù)(見式(1))和有機氮(見式(2))污染評價邛海表層沉積物污染狀況。有機指數(shù)常用來評價水域沉積物的環(huán)境狀況，有機氮污染則是用來衡量湖泊表層沉積物是否受到氮污染的重要指標(biāo)。評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。

有機指數(shù)=TOC質(zhì)量分數(shù)×有機氮質(zhì)量分數(shù)

(1)

有機氮質(zhì)量分數(shù)=TN質(zhì)量分數(shù)×0.95

(2)

邛海表層沉積物污染狀況結(jié)果見表4。邛海表層沉積物有機指數(shù)分布介于0.004～0.293，變動范圍相對較大，平均為0.120，達到Ⅱ級，屬于較清潔范疇，優(yōu)于太湖、洪澤湖和長壽湖表層沉積物；邛海表層沉積物有機氮質(zhì)量分數(shù)為0.026%～0.193%，平均為0.114%，達到Ⅲ級，屬于尚清潔范疇。邛海南部的海南鄉(xiāng)和核桃村、北岸的大漁灣東以及湖心采樣點均為有機氮污染范疇，氮污染較重的區(qū)域周邊人口密集，農(nóng)業(yè)廣泛分布，因此可以判斷，農(nóng)業(yè)面源和生活污染是海南鄉(xiāng)、核桃村、大漁灣東等采樣點產(chǎn)生有機氮污染的重要原因。

表3 水體沉積物有機指數(shù)和有機氮污染評價標(biāo)準(zhǔn)

表4 邛海表層沉積物有機指數(shù)及有機氮質(zhì)量分數(shù)

表5 邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽評價標(biāo)準(zhǔn)和背景參照值

注：1)安全級-沉積物中污染物濃度低于此水平，在水生生物中未發(fā)現(xiàn)中毒效應(yīng)；最低級-沉積物已受污染，但多數(shù)底棲生物可以承受；嚴(yán)重級-底棲生物群落已遭受明顯損害。

3.2 基于生態(tài)毒性的沉積物質(zhì)量評價

本研究參照1992年加拿大安大略省環(huán)境和能源部按生態(tài)毒性效應(yīng)制定的“沉積物質(zhì)量評價指南”[16]開展生態(tài)毒性效應(yīng)評價。按該評價指南及邛海湖心深層沉積物中營養(yǎng)鹽均值為背景參照值(見表5)，分別計算沉積物中營養(yǎng)鹽的污染指數(shù)和富集系數(shù)，其計算公式如下：

(3)

(4)

式中：Pi為第i種營養(yǎng)鹽的污染指數(shù)；ci為第i種營養(yǎng)鹽實測值，mg/kg；c0i為第i種營養(yǎng)鹽評價標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg；CFi為第i種營養(yǎng)鹽的富集系數(shù)；cvi為第i種營養(yǎng)鹽的背景參照值，mg/kg。

根據(jù)式(3)、式(4)和表5，邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽的污染指數(shù)和富集系數(shù)見表6。邛海表層沉積物中TOC、TN和TP的污染指數(shù)分別為0.15～1.52、0.49～3.69和0.63～1.05，平均值分別為0.87、2.18、0.88。經(jīng)所有采樣點數(shù)據(jù)評價，邛海表層沉積物污染以安全級和最低級為主；TOC、TN和TP分別有30%、90%、30%的采樣點評價為最低級，無嚴(yán)重級。由此可知，邛海表層沉積物整體已受污染，且邛海表層沉積物以氮污染為主，但多數(shù)底棲生物可以承受，具有造成較小生態(tài)風(fēng)險的可能性。邛海表層沉積物中TOC、TN和TP的富集系數(shù)最大值分別為3.90、3.48、1.19，最小值分別為0.38、0.46和0.72，平均值分別為2.24、2.05和0.99，TOC和TN表現(xiàn)出顯著的富集效應(yīng)，邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽富集程度順序為TOC>TN>TP。

4 沉積物碳-氮-磷耦合研究

通過以往相關(guān)研究表明，湖泊沉積物中營養(yǎng)元素比值的不同可反映營養(yǎng)來源的不同特點，TOC/TN可以反映出有機質(zhì)來源，有機質(zhì)來源不同，TOC/TN有明顯的差異。一般，細菌等微生物的TOC/TN為2～4，高等植物為14～23，水生生物為2.8～3.4，浮游植物與浮游動物為6～13，藻類為5～14[17-20]。邛海表層沉積物中TOC/TN在5.5～8.5變化，均值為7.2，樣本數(shù)據(jù)集中分布在5～9，反映了邛海表層沉積物中有機質(zhì)來源可能以浮游植物為主。

表6 邛海表層沉積物中營養(yǎng)鹽的污染指數(shù)和富集系數(shù)1)

注：1)c0i取值“沉積物中營養(yǎng)鹽的環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)”中最低級；cvi取值邛海湖心深層沉積物中營養(yǎng)鹽均值。

圖3 邛海表層沉積物TOC與TN、TP相關(guān)性擬合Fig.3 Relation between TOC and TN and TP content in surface sediment of Qionghai Lake

邛海表層沉積物TOC與TN、TP相關(guān)性擬合結(jié)果見圖3，其中圖3(b)剔除了海南鄉(xiāng)和鵝掌河河口表層沉積物的數(shù)據(jù)。邛海表層沉積物中TOC與TN具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r2=0.98，P<0.01)。這表明，邛海表層沉積物中TOC與TN之間關(guān)系緊密，TN主要以有機氮形式存在，TOC和TN具有顯著同源性。剔除海南鄉(xiāng)和鵝掌河河口表層沉積物的數(shù)據(jù)后，TOC和TP呈現(xiàn)了顯著的正相關(guān)關(guān)系(r2=0.94，P<0.025)，TOC和TP具有顯著同源性；反之，保留海南鄉(xiāng)和鵝掌河河口表層沉積物數(shù)據(jù)時，TOC和TP整體相關(guān)性關(guān)系不顯著。分析可知，邛海大部分水域表層沉積物TP主要受有機磷的影響，其與TOC有直接關(guān)系。根據(jù)葉華香等[21]研究分析，在邛海南岸的海南鄉(xiāng)和鵝掌河河口兩處水域表層沉積物TOC和TP相關(guān)性不顯著，這兩處水域存在無機磷形態(tài)，TP含量受無機磷和有機磷共同作用；分析原因，由于邛海南岸為主要的農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)面源徑流排入水體對表層沉積物中無機磷含量貢獻較多。因此，對于邛海的保護應(yīng)注重控制外源性氮、磷對表層沉積物的影響。

5 結(jié) 論

(1) 邛海表層沉積物中TOC、TN和TP平均分別為8 725、1 200、528 mg/kg。邛海表層沉積物空間分布存在一定的差異性。從總體上看，營養(yǎng)鹽含量空間分布格局為南部高于北部，中心湖區(qū)高于東部和西部。其中，TOC和TN的空間分布規(guī)律相似。

(2) 邛海表層沉積物已受到一定程度污染，表層沉積物中TOC、TN、TP的污染指數(shù)均值分別為0.87、2.18、0.88，表層沉積物主要受氮污染。表層沉積物的營養(yǎng)鹽污染屬于多數(shù)底棲生物可承受的污染水平，具有造成較小生態(tài)風(fēng)險的可能性。各營養(yǎng)鹽的富集系數(shù)平均值為2.24、2.05和0.99，TOC和TN表現(xiàn)出顯著的富集效應(yīng)，邛海表層沉積物營養(yǎng)鹽富集程度順序為TOC>TN>TP。

(3) 邛海表層沉積物TOC和TN具有顯著同源性；除邛海南岸海南鄉(xiāng)和鵝掌河河口外其他區(qū)域TOC和TP具有顯著同源性。對于邛海的保護應(yīng)注重控制外源性氮、磷對表層沉積物的影響。

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