洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)污染特征與生態(tài)風險評價

張光貴

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

洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)污染特征與生態(tài)風險評價

張光貴

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

為揭示洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)的空間分布特征與生態(tài)風險, 分別于2012年2月和2013年4月采集了該湖具有代表性的9個點位的表層沉積物, 測定了其OM、TN和TP的含量, 分析了營養(yǎng)物質(zhì)的空間分布特征, 并采用沉積物質(zhì)量基準法對其潛在生態(tài)風險進行了評價。結(jié)果表明, 洞庭湖表層沉積物中OM含量在1.48%—4.22%之間, 平均值為2.06%, TN含量在382—2217 mg·kg-1之間, 平均值為1340 mg·kg-1, TP含量在142—716 mg·kg-1之間, 平均值為294 mg·kg-1, 與國內(nèi)其它湖泊(水庫)相比, 洞庭湖表層沉積物中OM和TN含量處于中等水平, 其內(nèi)源負荷不容忽視; OM和TN含量的空間分布相似, 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含量總體表現(xiàn)為東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)＞南洞庭湖區(qū); 初步評價結(jié)果表明, 洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)存在較低程度的生態(tài)風險, 主要來自TN和OM。

營養(yǎng)物質(zhì); 空間分布; 生態(tài)風險評價; 洞庭湖; 表層沉積物

1 前言

近年來湖泊富營養(yǎng)化問題日益嚴重, 成為國內(nèi)外十分關(guān)注的環(huán)境問題之一。一般情況下, 湖泊沉積物充當營養(yǎng)物質(zhì)的“匯”, 但其吸附和接納能力是有限度的, 當超過其負荷時, 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)的含量分布和潛在生態(tài)風險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、調(diào)節(jié)湖區(qū)氣候、旅游和生物多樣性保護等重要生態(tài)功能。隨著洞庭湖流域社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展,氮、磷整體超標, 水體富營養(yǎng)化日益嚴重, 水質(zhì)呈總體下降趨勢[10-11]。盡管近年來有學者針對洞庭湖沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)開展了相關(guān)研究, 但主要集中在有機質(zhì)及其組分的賦存特征、氮、磷含量的時空分布以及不同形態(tài)氮賦存特征與釋放風險等方面[12-15],對洞庭湖沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)風險研究還較少。目前, 沉積物中污染物質(zhì)生態(tài)風險評價研究以重金屬較多, 營養(yǎng)物質(zhì)相對較少, 生態(tài)風險評價方法主要有地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、沉積物質(zhì)量基準法等[16], 與其它方法相比, 沉積物質(zhì)量基準法更加直觀、可靠[17], 已成為常用且具代表性的生態(tài)風險評價方法之一[16]。本研究通過對洞庭湖表層沉積物中有機質(zhì)(OM)、總氮(TN)、總磷(TP)含量的測定, 分析營養(yǎng)物質(zhì)的空間分布特征, 并采用沉積物質(zhì)量基準法對其潛在生態(tài)風險進行評價,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)。

2 材料與方法

2.1 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, 黃海基面), 湖長143.00 km,最大湖寬30.00 km, 平均湖寬17.01 km, 湖泊面積2625 km2, 最大水深23.5 m, 平均水深6.39 m, 相應蓄水量 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[18], 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[19]。

2.2 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, 采樣深度約0--10 cm, 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。

2.3 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)瑪瑙研缽研磨處理后過 100目尼龍篩, 分裝于塑料袋中密封以待測。

OM含量采用經(jīng)典的重鉻酸鉀法測定, TN含量采用半微量開氏法測定, TP含量采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗分光光度法測定。為保證分析的準確性, 實驗每個樣品設(shè)置2個平行樣, 平行分析誤差＜5%, 取平均值為結(jié)果。

2.4 沉積物質(zhì)量基準法

沉積物質(zhì)量基準是指特定化學物質(zhì)在沉積物中實際允許數(shù)值, 是底棲生物免受特定化學物質(zhì)致害的保護性臨時水平, 是底棲生物劑量-效應關(guān)系的反映[20]。沉積物質(zhì)量基準法即以沉積物中污染物質(zhì)的含量與沉積物質(zhì)量基準作比較, 從而判定風險程度高低的評價方法。

水體沉積物中污染物質(zhì)重新釋放進入水體會形成二次污染, 對環(huán)境具有潛在和持久的危害, 其含量水平?jīng)Q定了對水生生物的危害程度和性質(zhì)[21]。目前國內(nèi)尚無系統(tǒng)的針對湖泊沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)生態(tài)風險的質(zhì)量基準。本研究以加拿大安大略省為保護和管理淡水水生環(huán)境沉積物質(zhì)量指導值[22]為基準進行潛在生態(tài)風險評價, 其基準值具體見表 1, 其中LEL為最低效應水平, 該水平是大多數(shù)底棲生物的耐受含量, SEL為嚴重影響水平, 在此含量下, 污染物可能對底棲生物產(chǎn)生不利影響。當污染物含量低于 LEL時, 則認為其無生態(tài)風險; 當污染物含量高于 SEL時, 則認為其具有較高生態(tài)風險; 當污染物含量在LEL與SEL之間時, 則認為其具有較低生態(tài)風險。

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

表1 沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)生態(tài)風險評價基準Tab. 1 Ecological risk evaluation criterion of nutrients in sediments

3 結(jié)果與分析

3.1 沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的含量

洞庭湖表層沉積物中OM、TN、TP的監(jiān)測結(jié)果見表2。由表2可知, 洞庭湖表層沉積物中OM含量在 1.48%—4.22%之間, 平均值為 2.06%, 標準差為0.64%; TN含量在382--2217 mg·kg-1之間, 平均值為1340 mg·kg-1, 與王雯雯等[14]的研究結(jié)果相近, 標準差為472 mg·kg-1; TP含量在142—716 mg·kg-1之間, 平均值為294 mg·kg-1, 標準差為143 mg·kg-1。

表2 洞庭湖表層沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(n=18)Tab. 2 Statistics of nutrients monitoring results of surface sediment in Dongting Lake(n=18)

3.2 沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的空間分布

洞庭湖表層沉積物中OM含量的空間分布見圖2, 由圖2可知, OM含量以南洞庭湖區(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含量的平均值分別為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含量的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of OM contents in surface sediment of Dongting Lake

洞庭湖表層沉積物中TN、TP含量的空間分布見圖3。由圖3可知, TN含量以南洞庭湖區(qū)的萬子湖(S4)最高(1818 mg·kg-1), 西洞庭湖區(qū)的南嘴(S1)最低(868 mg·kg-1), 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含量的平均值分別為1264 mg·kg-1、1458 mg·kg-1和1297 mg·kg-1, 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含量的空間分布相似, 但與王偉等的研究結(jié)果剛好相反[13]; TP含量以東洞庭湖區(qū)的東洞庭湖(S8)最高(488 mg·kg-1),南洞庭湖區(qū)的橫嶺湖(S5)最低(204 mg·kg-1), 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含量的平均值分別為295 mg·kg-1、262 mg·kg-1和326 mg·kg-1, 總體表現(xiàn)為東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)＞南洞庭湖區(qū)。

3.3 沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)風險

洞庭湖表層沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)生態(tài)風險評價結(jié)果見表3。由表3可知, 全湖100%的點位TN含量在LEL—SEL之間, 為較低生態(tài)風險; 77.8%的點位OM含量在LEL—SEL之間, 為較低生態(tài)風險, 22.2%的點位OM含量小于LEL, 為無生態(tài)風險; 100%的點位TP含量小于LEL, 為無生態(tài)風險; 各湖區(qū)生態(tài)風險程度相當?？梢? 洞庭湖表層沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)存在一定的生態(tài)風險, 但風險較低, 營養(yǎng)物質(zhì)生態(tài)風險主要來自TN和OM。

4 討論

表3 洞庭湖表層沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)生態(tài)風險評價結(jié)果Tab. 3 Ecological risk evaluation results of surface sediment nutrients in Dongting Lake

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

表4 不同湖庫表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)含量對比Tab. 4 Comparison of nutrients contents in surface sediment of different lakes (reservoirs)

與國內(nèi)其它湖泊(水庫)相比(表 4), 洞庭湖表層沉積物中OM 的平均含量高于鄱陽湖、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; TN的平均含量高于太湖、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的平均含量較低, 與天目湖接近。由此可見, 洞庭湖表層沉積物中OM和TN含量在國內(nèi)湖泊(水庫)中處于中等水平, 位居我國五大淡水湖泊之首, 其內(nèi)源負荷不容忽視。

與1985年的研究結(jié)果[30]相比, OM和TN含量分別上升了63.5%和21.6%, TP含量下降了65.1%,表明近30年來洞庭湖表層沉積物中OM和TN等內(nèi)源負荷呈增加趨勢。有研究結(jié)果表明, 每年入湖的大量泥沙是洞庭湖水體 TP的重要來源[31], 洞庭湖表層沉積物中 TP含量的下降可能與三峽工程截流后入湖泥沙的大量減少有關(guān), 三峽工程運行期(2003—2011年)洞庭湖年均入湖泥沙量為1911.2 萬t,比三峽蓄水前(1999—2002年)減少了72 %[32]。

洞庭湖沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)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, 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,因而OM和TN含量相對較高; 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[33], 相對封閉, 水動力學條件較弱, 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含量相對較高。此外, 萬子湖(S4)沉積物中OM和TN含量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)有限責任公司等企業(yè)長期排污的影響, 小河嘴(S3)沉積物中TN含量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)[34],蔣家嘴(S2)沉積物中TP含量較高可能源于其上游來水沅江水體TP含量較高[35]。

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。有研究結(jié)果表明, 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[36], 因此, 洞庭湖沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的控制應以入湖河道與生活污染為主。

在洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)生態(tài)風險評價過程中, 以加拿大安大略省為保護和管理淡水水生環(huán)境沉積物質(zhì)量指導值為基準, 沒有考慮地域及生物種類的不同可能造成的評價結(jié)果差異[37], 這本身就存在一些不確定性, 因此本研究所得生態(tài)風險評價結(jié)論僅僅是初步結(jié)果。

5 結(jié)論

(1) 洞庭湖表層沉積物中 OM 含量在 1.48%—4.22%之間, 平均值為 2.06%, TN含量在 382—2217 mg·kg-1之間, 平均值為1340 mg·kg-1, TP含量在142—716 mg·kg-1之間, 平均值為294 mg·kg-1。與國內(nèi)其它湖泊(水庫)相比, 洞庭湖表層沉積物中OM和TN含量處于中等水平, 近30年來洞庭湖表層沉積物中OM和TN含量呈增加趨勢, 其內(nèi)源負荷不容忽視。

(2) 洞庭湖沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的空間分布與其水文特征有關(guān)。OM和TN含量的空間分布相似, 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含量總體表現(xiàn)為東洞庭湖區(qū)＞西洞庭湖區(qū)＞南洞庭湖區(qū)。

(3) 沉積物質(zhì)量基準法評價結(jié)果表明, 洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)存在較低程度的生態(tài)風險, 主要來自TN和OM。

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Pollution characteristics and ecological risk assessment of surface sediment nutrients in Dongting Lake

ZHANG Guanggui
Dongting Lake Eco-Environmental Monitoring Center of Hunan Province, Yueyang 414000, China

In order to explore the spatial distribution characteristics and ecological risk of surface sediment nutrients in Dongting Lake, sediment samples at nine representative sampling stations were collected in February of 2012 and April of 2013, and contents of OM, TN and TP in sediment of each station were measured, the spatial distribution characteristics of nutrients were analyzed, and ecological risk of nutrients was evaluated using the sediment quality criteria method. The results showed that the OM was 1.48%-4.22%, with the average value of 2.06%, the TN was 382-2217 mg·kg-1, with the average value of 1340 mg·kg-1, and the TP was 142-716 mg·kg-1, with the average value of 294 mg·kg-1. Compare with other lakes or reservoirs in China, the contents of OM and TN in Dongting Lake were in the middle level, its endogenous load should not be ignored. The spatial distribution of OM content was similar to that of TN, generally in the order of South Dongting Lake ＞ East Dongting Lake ＞ West Dongting Lake, while TP content was generally in the order of East Dongting Lake ＞ West Dongting Lake ＞ South Dongting Lake. The preliminary analysis results showed that there was lower level ecological risk of surface sediment nutrients in Dongting Lake, mainly from TN and OM.

nutrient; spatial distribution; ecological risk assessment; Dongting Lake; surface sediment

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.025

524

A

1008-8873(2016)01-161-06

2014-08-01;

2014-12-01

張光貴(1964—), 男, 湖南南縣人, 學士, 高級工程師, 主要從事水環(huán)境監(jiān)測與生態(tài)研究, E-mail： zhangguanggui64@163.com

張光貴. 洞庭湖表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)污染特征與生態(tài)風險評價[J]. 生態(tài)科學, 2016, 35(1)： 161-166.

ZHANG Guanggui. Pollution characteristics and ecological risk assessment of surface sediment nutrients in Dongting Lake[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 161-166.