瀘沽湖近岸表層沉積物環(huán)境質(zhì)量評估

陳毅良，徐趙紅

(1.云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室,云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明 650034；

2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642)

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瀘沽湖近岸表層沉積物環(huán)境質(zhì)量評估

陳毅良1，徐趙紅2

(1.云南高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室,云南省環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明 650034；

2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642)

摘要：對瀘沽湖近岸的8個沉積物樣品進行分析，分析指標(biāo)包括TN、TP、TOC、pH等。采用氮磷污染指數(shù)和有機污染指數(shù)相結(jié)合的評價標(biāo)準(zhǔn)評價近岸沉積物環(huán)境質(zhì)量。評價結(jié)果顯示：近岸沉積物環(huán)境質(zhì)量總體處于尚清潔水平，但某些區(qū)域已出現(xiàn)氮磷污染和有機污染，有機污染綜合排序為走婚橋>里格>小落水>三家村>里務(wù)比島>趙家灣>大落水>大嘴。進一步分析推斷，沉積物營養(yǎng)狀態(tài)很大程度受到地形條件、水動力以及人類活動的影響。相關(guān)關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)， TN與TOC存在顯著正相關(guān)，pH與TN存在顯著負(fù)相關(guān)。C/N范圍指示了湖泊有機質(zhì)的來源，反映了湖泊初級生產(chǎn)力的發(fā)展水平和內(nèi)源貢獻的大小。

關(guān)鍵詞：湖泊表層沉積物；總氮；有機碳；C/N；相關(guān)關(guān)系；環(huán)境質(zhì)量；瀘沽湖

TN、TP、TOC、pH等環(huán)境因子直接反映了沉積物的環(huán)境質(zhì)量，其空間結(jié)構(gòu)及濃度變化形成了不同類型的沉積層環(huán)境，進而決定了底棲生物構(gòu)成及其生命活動。在一定條件下，沉積物可通過沉積層-水界面與上層水體發(fā)生營養(yǎng)物質(zhì)交換。有機質(zhì)的分解，N、P等元素的遷移轉(zhuǎn)換使湖泊水質(zhì)產(chǎn)生變化，從而影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)演化。本文主要研究了瀘沽湖近岸500m范圍內(nèi)，表層沉積物中TN、TP、TOC、pH等環(huán)境理化指標(biāo)的濃度水平及其相互關(guān)系。

1研究區(qū)概況

瀘沽湖是云南省九大高原湖泊之一，地處滇川交界(N100°39′～27°45′、E100°45′～100°55′)，屬雅礱江(金沙江支流)水系，由亮海和草海組成(見圖1)。湖區(qū)面積55.9km2，湖面海拔2695m，最大水深93.5m，平均水深40.3m，蓄水量19.53×108m3[1]。屬中亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.8℃。湖水補給系數(shù)3.54，換水周期達(dá)18.5a，為半封閉湖泊[2]。2013—2014年度水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測顯示，瀘沽湖水質(zhì)全年總體保持Ⅰ類，受季節(jié)變化影響，個別月份水質(zhì)在Ⅰ類和Ⅱ類之間波動。表1水質(zhì)數(shù)據(jù)為沉積物—水同步采樣監(jiān)測結(jié)果。

2樣品分析

2.1樣品采集

本次實驗共采集樣品8個，采樣時間為2015年7月4日，采樣點分布見圖2。8個樣點沿湖岸由北至南順時針分別為里格、小落水、大嘴、趙家灣、里務(wù)比島、走婚橋、三家村和大落水，水深分布范圍為10～50m(走婚橋為0.5m)，離岸距離為50～450m。采樣工具為箱式采泥器，樣品帶回實驗室用恒溫干燥箱在105°C下烘干24h，冷卻后取出用研缽研磨至實驗要求。

2.2分析方法[3]

總氮：凱氏定氮法(海能K9860全自動凱氏定氮儀)。取過100目篩沉積物干樣1g放入定氮儀消煮裝置，按儀器操作步驟進行消解、蒸餾和滴定，根據(jù)儀器預(yù)設(shè)參數(shù)得出測定結(jié)果。

總磷：過硫酸鉀氧化分光光度計法。取過200目篩沉積物干樣0.7g放入50mL具塞比色管中，加入10mL 5%過硫酸鉀、5mL 30%硫酸，于120°C壓力鍋內(nèi)加熱30min，冷卻后稀釋至標(biāo)線。靜置后取上清液5mL于50mL比色管定容至刻線，先后加入1mL10%抗壞血酸溶液和2mL鉬酸鹽溶液充分混勻，于700nm波長比色，根據(jù)預(yù)先繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出總磷含量。

表1　采樣點水質(zhì)評價　(mg/L)

3結(jié)果與分析

3.1沉積物指標(biāo)描述性統(tǒng)計

8個沉積物樣品中，除走婚橋位于草海內(nèi)，其余7個均位于亮海。由于草海濕地內(nèi)部沉積物理化性質(zhì)與亮海區(qū)沉積物有較大差別，不宜進行類比分析，因此對其余7個近岸沉積物理化指標(biāo)數(shù)據(jù)進行Pearson統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

表2　沉積物理化指標(biāo)統(tǒng)計分析

3.2沉積物營養(yǎng)狀態(tài)評價

目前針對湖泊沉積物環(huán)境質(zhì)量評價尚無統(tǒng)一的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)，多采用有機指數(shù)及有機氮含量作為評價標(biāo)準(zhǔn)，但此方法沒有將磷納入到評價范圍內(nèi)，因此把海洋沉積物中的單因子指數(shù)評價法引入以作為綜合評價方法[4]。

3.2.1單因子評價法[5]

采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法進行評價，計算公式為：

Si=Ci/Cs

式中：Si為單項評價指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，Si>1表示含量超過評價標(biāo)準(zhǔn)值；Ci為評價因子i的實測值；Cs為評價因子i的評價標(biāo)準(zhǔn)值。Cs取評價指標(biāo)平均值，CTN=1.69，CTP=4.29。

表3　沉積物氮磷污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

由沉積物氮磷污染指數(shù)評價結(jié)果可知：TN方面，除大嘴、里務(wù)比島和大落水外，其余幾個區(qū)域的沉積物都不同程度受到氮的污染；TP方面，所有點位普遍受到磷污染，其中大嘴、趙家灣、三家村為輕度污染，里格、小落水、里務(wù)比島、走婚橋為中度污染，大落水則為重度污染。氮磷綜合污染水平排序為走婚橋>小落水>里格>大落水>里務(wù)比島>趙家灣>三家村>大嘴。

表4　瀘沽湖沉積物氮磷污染評價

3.2.2有機指數(shù)評價法

有機質(zhì)含量通常反映了湖泊沉積物的營養(yǎng)水平，是評價沉積物環(huán)境質(zhì)量的重要特征指標(biāo)。根據(jù)瀘沽湖自身情況，結(jié)合其他湖泊評價經(jīng)驗[6]，采用如下評價標(biāo)準(zhǔn)：

有機指數(shù)=有機碳(%)×有機氮(%)

式中：有機碳=有機質(zhì)(%)/1.724；有機氮(%)=總氮(%)×0.5。

表5　沉積物有機指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

表6　瀘沽湖沉積物有機指數(shù)評價結(jié)果

分析結(jié)果顯示，8個采樣點沉積物有機指數(shù)總體保持在Ⅱ～Ⅲ區(qū)間(表5)，營養(yǎng)評級為清潔水平。其中，位于里格的沉積物有機指數(shù)為0.53(Ⅳ級)，表示此區(qū)域沉積物受到一定程度的有機污染。位于草海濕地內(nèi)的走婚橋有機指數(shù)達(dá)14.08，有機氮含量達(dá)0.667%，嚴(yán)重超過清潔標(biāo)準(zhǔn)，反映了濕地環(huán)境中沉積物受棲息生物生命活動影響，新陳代謝和物質(zhì)交換為有機質(zhì)積淀創(chuàng)造了條件。有機污染水平排序為走婚橋>里格>小落水>三家村>里務(wù)比島>趙家灣>大落水>大嘴。

4討論

4.1沉積物C/N

一般情況下,沉積物C/N能夠有效指示有機質(zhì)來源情況[7]。湖泊水生生物產(chǎn)生的有機質(zhì)中蛋白質(zhì)含量豐富，纖維素含量低，當(dāng)有機質(zhì)以內(nèi)源為主時，C/N常常小于10；陸生高等植物的有機質(zhì)中纖維素含量高而蛋白含量低，當(dāng)有機質(zhì)以外源為主時，C/N在20甚至以上[8]，隨著外源有機質(zhì)增加，C/N也隨之增大[9]。

表7　各采樣點C/N

通過沉積物C/N分析可知，里格、大嘴、里務(wù)比島、三家村、大落水C/N均高于20(表6)，表明這一帶有機質(zhì)多為外源輸入。最高值位于大落水，C/N值達(dá)40，表明其有機質(zhì)外源輸入占絕對比例，并且很大程度上受到人類活動干擾。最小值出現(xiàn)在小落水，說明其有機質(zhì)以內(nèi)源物質(zhì)為主，受外源有機質(zhì)干擾較小。其余各點C/N在10～20，說明該區(qū)域有機質(zhì)受到內(nèi)源和外源的綜合影響。

另外，地形條件、水動力、外源輸入影響沉積物污染特征及空間分布。位于北岸獅子山腳下的里格和小落水，地處湖灣帶，周圍地勢陡峭，受氣流及內(nèi)湖水流擾動較弱，水流交換機會較小，形成相對適宜的沉積環(huán)境。從數(shù)據(jù)上看，兩點的總氮和總磷含量分別為1.84mg/g、4.41mg/g及3.13mg/g、4.83mg/g，其含量明顯高于其他檢測區(qū)域。再看C/N值發(fā)現(xiàn)，里格31.0大幅高于小落水9.8，可見里格景區(qū)有機質(zhì)幾乎全部為外源輸入，也就是旅游污染，而小落水則以內(nèi)源產(chǎn)生為主。與之相反的情況出現(xiàn)在北岸的大嘴，這一帶地勢開闊，受氣流影響較強，水體交換頻繁，氮、磷等元素較難被吸附沉降，所以沉積物污染物含量較低。但某些指標(biāo)可能由多方因素綜合作用，如大落水的TP達(dá)到6.58mg/g，里務(wù)比島TP達(dá)4.73 mg/g，高于平均濃度。C/N值分別為40.0和38.5，表明這些區(qū)域外源有機質(zhì)輸入對該區(qū)域有機質(zhì)積累造成絕對影響，與霍等[10]對瀘沽湖TP主要來自陸源輸入的推斷一致，且有機質(zhì)絕大部分由人類活動產(chǎn)生(旅游業(yè))。

4.2沉積物各指標(biāo)相關(guān)關(guān)系分析

沉積物各環(huán)境指標(biāo)存在顯著相關(guān)性。TN和TOC表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(見圖3)，這說明兩者具有相同或相近的物質(zhì)來源和輸入渠道，且TN多以有機氮的形態(tài)賦存于有機質(zhì)中，兩者在物質(zhì)循環(huán)過程中具有協(xié)同作用[11]。pH和TN表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖4)，TN含量隨pH的增大而減小。這是由于pH是沉積層中底棲生物類型以及氮磷釋放機制的重要影響因素，不同的酸堿環(huán)境控制了氮磷等營養(yǎng)元素在沉積物和上覆水中吸附或釋放的方式及其通量，并顯示出一定的變化規(guī)律和特性，這種規(guī)律作為引起湖泊富營養(yǎng)化的重要途徑，是目前湖泊沉積物-水界面過程研究領(lǐng)域的熱點[12]。

表8　瀘沽湖沉積物各指標(biāo)相關(guān)關(guān)系

4.2.1總氮與總有機碳相關(guān)關(guān)系

TN濃度在0.73～3.20 mg/g，TOC濃度在2.38%～6.06%。TN(或TOC)的增大使TOC(或TN)隨之增大，兩者之間表現(xiàn)出良好的線性擬合，相關(guān)關(guān)系顯著(相關(guān)系數(shù)為0.969，顯著水平為0.00<0.01)。這說明TN和TOC在沉積過程中有較高的協(xié)同性，且有機質(zhì)是有機氮的重要載體。

4.2.2pH與總氮相關(guān)關(guān)系

pH在6.56～7.16，TN濃度在0.73～3.20 mg/g。pH(或TN)的增大使TN(或pH)隨之減小，兩者之間表現(xiàn)出良好的線性擬合，相關(guān)關(guān)系顯著(相關(guān)系數(shù)為-0.862，顯著水平為0.006<0.01)。

5結(jié)論

近年來，隨著瀘沽湖景區(qū)旅游開發(fā)的持續(xù)升溫，每年數(shù)以百萬游客涌入，由此產(chǎn)生的環(huán)境污染給瀘沽湖的生態(tài)環(huán)境保護帶來極大挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段環(huán)保設(shè)施的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上旅游開發(fā)的節(jié)奏，這種影響已直接反映在水環(huán)境質(zhì)量的響應(yīng)上，甚至進一步影響沉積物環(huán)境質(zhì)量。

瀘沽湖近岸沉積物環(huán)境質(zhì)量按氮磷指數(shù)和有機指數(shù)的綜合評價方法，有機污染總體評定為尚清潔狀態(tài)，但應(yīng)當(dāng)引起注意的是，沿岸一些熱門景點區(qū)域近岸沉積物已經(jīng)出現(xiàn)氮磷污染和有機污染的狀況，其中里格有機指數(shù)達(dá)0.53，為輕度有機污染；小落水出現(xiàn)中度氮污染，TN含量達(dá)3.13mg/g；大落水出現(xiàn)重度磷污染，TP含量達(dá)6.59mg/g。

草海濕地沉積物與湖區(qū)水下沉積物在營養(yǎng)水平上存在差異。值得注意的是，位于草海濕地的走婚橋，總氮含量13.33mg/g，總磷含量4.59mg/g，總有機碳21.13%，各項指標(biāo)均超過平均水平?？陀^分析，該區(qū)域擁有整個湖泊水域最豐富的生物多樣性結(jié)構(gòu)，自由的光、水、氣、能源形成了活躍的初級生產(chǎn)力系統(tǒng)，生物的生命活動實現(xiàn)了物質(zhì)在食物鏈間的轉(zhuǎn)移，物質(zhì)的輸入輸出、生命的周期循環(huán)都促進了營養(yǎng)物質(zhì)的沉積，這讓沉積層擁有較高的營養(yǎng)水平，體現(xiàn)了濕地沉積物和湖體沉積物在有機質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成上的差異。但15.9的C/N指示了有機質(zhì)來源受到內(nèi)源與外源的相互作用，且有機質(zhì)以內(nèi)源產(chǎn)生為主。

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Environmental Quality Assessment of Surface Sediments in the Near Shore of Lugu Lake

CHEN Yi-liang1,XU Zhao-hong2

(1.Yunmam Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake-watershedYunnan Institute of Environmental Science, Kunming Yunnan 650034 ,China)

Abstract：Eight sediment samples from the near shore of Lugu Lake were analyzed. The indices covered total nitrogen(TN), total phosphorus(TP)，total organic carbon(TOC),pH and so on. Nitrogen and phosphorus pollution index combined with organic pollution index were adopted to assess the sediment environment. The results indicated that the near shore sediment has kept a clean status as a whole, but nitrogen, phosphorus pollution and organic pollution were found in several areas. The rank of organic pollution degree as follows: Zouhun Qiao>Lige>Xiao Luoshui>Sanjia Cun>Liwubi Dao>Zhaojia Wan>Da Luoshui>Dazui. It was assumed that landform, hydrodynamic, and human activities could significantly influence the nutrition state of the sediment. The correlation analysis revealed that the content of physicochemical indices in sediment have significantly positively correlated to TN. A significant negative correlation between pH and TN was found. This relationship explained that lacustrine deposit was a complex process of synergistic reaction and inter-reaction controlled by many factors. Meanwhile, the ratio of C and N indicated that the organic matter was the original source, which reflected the evolution standard of primary productivity and the size of internal source contribution of the lake.

Key words：surface sediment; TN; TOC; C/N ratio; correlation; environmental quality; Lugu Lake

收稿日期：2015-09-21

基金項目：省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃青年項目(2013FD076)。

作者簡介：陳毅良(1990-)，男，本科，工程師。

中圖分類號：X82

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)02-0055-06