湯浦水庫沉積物碳、氮、磷的分布與評價

劉 鵠, 孟 婷, 程 文, 王 敏, 張 豆

(西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安710048)

湯浦水庫沉積物碳、氮、磷的分布與評價

劉 鵠, 孟 婷, 程 文, 王 敏, 張 豆

(西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安710048)

[目的] 研究湯浦水庫沉積物中氮、磷及有機碳等污染物現(xiàn)狀，為水質(zhì)安全保障提供依據(jù)。 [方法] 在庫區(qū)采集沉積物柱狀樣品，分析其中碳、氮、磷的含量，并采用有機指數(shù)法對沉積物污染現(xiàn)狀進行評價。 [結(jié)果] 沉積物中有機碳平均含量12.23 g/kg，總氮平均含量1.22 g/kg，總磷平均含量為0.49 g/kg；氮、磷及有機碳等污染物主要集中于沉積物表層0—20 cm范圍內(nèi)。隨沉積物厚度的增加，各類污染物含量下降，40 cm以下的沉積物中污染物含量變化不大；有機指數(shù)評價結(jié)果顯示，水庫沉積物有機指數(shù)為0.13，等級為Ⅱ級，較清潔。 [結(jié)論] 湯浦水庫沉積物受到的污染較小，但沉積物中含氮物質(zhì)略多，應該引起重視。

水庫; 沉積物; 有機污染指數(shù); 湯浦水庫

文獻參數(shù)： 劉鵠, 孟婷, 程文, 等.湯浦水庫沉積物碳、氮、磷的分布與評價[J].水土保持通報，2017,37(2)：333-338.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170303001； Liu Hu, Meng Ting, Cheng Wen, et al. Spatial Distribution and Pollution Evaluation of Sediment Carbon, Nitrogen and Phosphorus in Tangpu Reservoir[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：333-338.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170303001

湖泊、水庫的內(nèi)源污染問題是國內(nèi)外水環(huán)境研究領(lǐng)域關(guān)注熱點問題之一。隨入庫水流進入庫區(qū)的各類營養(yǎng)鹽，大部分在輸移過程中經(jīng)過沉淀、吸附和生物吸收利用等方式最終沉積于水庫底部，成為水庫沉積物的重要組成部分。然而，當沉積物環(huán)境條件，如溫度、溶解氧和氧化還原電位等改變時，沉積物中營養(yǎng)鹽可能釋放進入水體，成為水庫內(nèi)污染源[1]，對水體富營養(yǎng)化有著非常重要的作用。湖泊、水庫沉積物中營養(yǎng)鹽的遷移和轉(zhuǎn)化制約著湖泊水庫的水質(zhì)變化[2]。因此研究湖泊水庫沉積物中氮磷及有機物的分布情況，并采取措施控制營養(yǎng)物釋放，對于改善湖泊、水庫生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和降低水體營養(yǎng)化具有重要作用[3]。本研究以浙江省湯浦水庫為研究對象，研究其沉積物中氮磷等污染物的分布特征，對于了解水源地水庫中營養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程，進而為有效保護和改善水源地水質(zhì)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

湯浦水庫位于浙江省中部寧紹平原地區(qū)，該壩址地理位置處于北緯30°52′，東經(jīng)120°47′，壩頂海拔為114 m，水庫總庫容為2.35×108mm3，水面面積為14 km2，設(shè)計日供水規(guī)模達1.00×106t，屬國家大(Ⅱ)型水庫。該水庫水質(zhì)整體較好，只有水體氮磷出現(xiàn)階段性超標，每年春夏之交(4—5月)，水質(zhì)較差，甚至發(fā)生局部水華現(xiàn)象。

根據(jù)水深及地形狀況，從庫尾到壩前，共設(shè)置10個沉積物采樣點，依次為庫尾河流段A，B和I；過渡段J，F(xiàn)，G和C，壩前主庫區(qū)H，D和E。

采用柱狀采樣器采集各點原狀沉積物，現(xiàn)場密封后冷藏保存，運回實驗室進行后續(xù)分析。各采樣點沉積物厚度詳見表1。

表1 各采樣點沉積物采樣深度

1.2 測定方法

由于目前中國沒有相應的沉積物質(zhì)量標準與檢測方法，本研究中沉積物氮、磷及有機碳含量的分析參照國內(nèi)外其他有關(guān)方法進行[4]。

沉積物各形態(tài)磷的測定采用SMT分類提取法，參照《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》[5]；TN采用凱氏定氮法，氨氮和硝態(tài)氮分別采用KCl提取—納氏比色法及飽和硫酸鈣提取—紫外分光光度法，參照《湖泊沉積物—水界面過程：基本理論與常用測定方法》[6]；有機碳測定采用multi NC 2100碳/氮分析儀(德國耶拿公司)分析檢測。

1.3 污染物評價方法

沉積物質(zhì)量評價的方法有很多種，其中綜合污染指數(shù)發(fā)和有機污染指數(shù)法最常用[7]。綜合污染指數(shù)評價法將選用的評價參數(shù)TN，TP綜合成一個概括的指數(shù)值來表征底泥污染程度，其相對于單一指數(shù)法而言具優(yōu)越性，是綜合信息輸出。但是綜合污染指數(shù)法忽略了有機質(zhì)指標[8]，而對本水庫而言，有機質(zhì)污染是該水庫面臨的主要威脅之一，因此本文用有機污染指數(shù)法對該水庫沉積物污染現(xiàn)狀進行評價更符合該水庫實際狀況。有機指數(shù)評價標準詳見表2。有機指數(shù)及有機氮計算方法為：

有機指數(shù)IO=有機碳(%)×有機氮(%)

(1)

有機氮ON(%)= 總氮(%)-氨氮(%)-硝態(tài)氮(%)

(2)

有機碳OC(%)=有機質(zhì)(%)/1.724

(3)

表2 沉積物有機指數(shù)及有機氮評價標準

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中污染物垂向分布特征

2.1.1 有機碳垂向分布特征 沉積物中有機碳膠體碎屑是與重金屬及有機污染物發(fā)生吸附—分配和絡(luò)合等作用的活性物質(zhì)，也是反映沉積物有機營養(yǎng)程度的重要標志。由圖1可知，在垂向上，隨著采樣深度的增加，沉積物有機碳含量逐漸降低。采樣深度超過40 cm后有機碳含量基本穩(wěn)定在8～9 g/kg，各點均表現(xiàn)出表層沉積物有機碳含量高的特征。在表層0—20 cm深度，有機碳含量均超過10 g/kg。沉積物中有機碳含量較高為G和H2個采樣點，含量最低為F采樣點。其中G點最高有機碳含量26.78 g/kg(表層0—5 cm)，最低含量14.05 g/kg(底層30 cm附近)，平均含量20.0 g/kg；H點最高有機碳含量26.29 g/kg(表層0—5 cm)，最低含量12.69 g/kg(底層40 cm附近)，平均含量21.4 g/kg；F點最高含量9.49 g/kg(表層)，最低含量5.06 g/kg(底層25 cm)，平均含量7.19 g/kg。

圖1 沉積物中有機碳垂向分布狀況

由此可見，在庫區(qū)由于各采樣點所處水力條件與沉積環(huán)境等的差異，各沉積物樣品中有機碳的含量差別很大。表層沉積物不斷接受沉降的泥沙及有機物顆粒碎屑，而且沉積物表層固相—液相—氣相并存，在微生物的作用下進行著頻繁的物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分解，因此表層有機碳含量較高，而越往沉積物底層，由于部分有機物被分解，而且氧化還原環(huán)境與表層沉積物有很大差異，一般處于缺氧或者厭氧狀態(tài)，沉積物中剩余的有機物質(zhì)分解非常緩慢，因此有機碳的含量基本保持穩(wěn)定，隨著深度的增加變化不大。G和H兩個點含量較高，主要是由于G采樣點位于凹岸，水力停留時間長，有利于沉積物累積，H采樣點周圍岸上植被覆蓋條件好，雨季常有大量植物枯枝敗葉等有機物被帶入采樣點附近，故有機碳含量增加。

2.1.2 沉積物中各形態(tài)氮的垂向分布特征 由圖2可以看出，隨著沉積物厚度的增加，越往底層總氮含量逐漸減小，表層以下35 cm沉積物中總氮含量基本保持在0.5～0.6 g/kg?？偟孔罡卟糠旨性诔练e物表層0—20 cm范圍(圖2)。隨著深度的增加，各形態(tài)氮在沉積物中的分布狀況整體相似，只有氨氮的分布狀況略有不同。隨著深度的增加，沉積物中氨氮含量先小幅度升高，在表層以下10—15 cm達到最大含量，繼而開始逐步降低，約在30 cm以下，沉積物氨氮含量隨厚度變化不大(圖2)。沉積物中有機氮含量也是由表層到底層逐步降低。表層0—20 cm段是有機氮存在的主要部分，40 cm以下沉積物樣品中，有機氮含量隨厚度變化不大，含量在500 mg/kg以下。從圖2 可以看出，沉積物中硝態(tài)氮的含量很低，也同樣表現(xiàn)出隨深度增加，含量逐步降低的趨勢。

圖2 沉積物中各形態(tài)氮的垂向分布狀況

由此可見，總氮在沉積物中的分布特征與有機碳相似，也是表層含量較高，越往底層含量逐步下降，并最終到達一定深度后含量穩(wěn)定在一定范圍。就各個采樣點而言，G和H采樣點沉積物中總氮含量較其他點高，最高含量2.85 g/kg，F(xiàn)采樣點含量最低(0.8 g/kg)，其中J采樣點底層65—70 cm段，沉積物中總氮含量略有增加。這跟這一段沉積物的性質(zhì)(顏色發(fā)黑、有機物含量高)有關(guān)。該水庫中污染物的表層富集現(xiàn)象，與其他有關(guān)湖泊沉積物研究結(jié)果一致[9]，一方面由于外源和內(nèi)源污染物不斷向沉積物表層沉積；另一方面沉積物中的N，P在微生物作用下不斷礦化分解，從而使其含量隨沉積物深度的增加呈下降趨勢。

各采樣點沉積物中氨氮含量差別較大，C點沉積物10 cm段氨氮含量最高(157.15 mg/kg)，在此段內(nèi)，沉積物中氨氮含量最小的采樣點為上川灣F，含量僅有46.25 mg/kg。沉積物氨氮含量在10—15 cm段含量增加，一方面是由于上層沉積物中氨氮在水—沉積物界面進行復雜的物理、化學及生物的交換作用，從而擴散進入上層水體；而在該段，由于沉積物中有機氮的大量存在，氨化作用顯著，銨態(tài)氮在此蓄積，但深度增加的話沉積物中氧含量降低，硝化作用將受到抑制，氨氮無法進一步轉(zhuǎn)化為其他形式，導致該層沉積物氨氮含量進一步增加；在此段以下的沉積物中，氨氮含量逐步降低，主要是由于氧含量迅速降低后，沉積物中各類微生物的活性與數(shù)量減少，氨化作用減弱，在缺氧或者厭氧條件下，返硝化作用開始進行，氨氮含量隨之下降。

沉積物表層有機氮是該水庫沉積物中含氮污染物的主要賦存形態(tài)，這與國內(nèi)其他研究結(jié)果一致[10-11]。其中有機氮含量最高的為H(2 452.6 mg/kg)和G(2 493.9 mg/kg)2個點，而含量最低的點為D(443.2 mg/kg)和C(448.6 mg/kg)2個點。各形態(tài)氮中硝態(tài)氮的含量在10個采樣點的沉積物中都很低，其中在入庫位置采樣的沉積物中硝態(tài)氮含量略高；而在D和E近大壩位置，沉積物中硝態(tài)氮含量最低。這兩個采樣點水深較大，沉積物粒徑很小，沉積物處于缺氧或厭氧狀態(tài)，各類微生物的反硝化作用可能比較顯著，導致沉積物硝態(tài)氮含量降低。

2.1.3 沉積物中有各形態(tài)磷的垂向分布特征 沉積物中總磷和有效磷的垂向分布狀況如圖3所示?？偭缀空w呈現(xiàn)出隨著沉積物深度的增加，含量逐步下降的趨勢，在沉積物表層20 cm以內(nèi)，總磷含量較高，這段以下的沉積物中總磷含量隨著深度增加迅速下降，40 cm以下的沉積物中總磷含量基本穩(wěn)定，保持0.30 g/kg左右。各沉積物樣品中有效磷含量差別較大，垂向分布特征也表現(xiàn)出隨著沉積物深度的增加，逐步下降，最后穩(wěn)定在10 mg/kg左右。

圖3 沉積物中磷的垂向分布狀況

就各個采樣點而言，I沉積物中總磷含量最高為0.76 g/kg，含量最低為F采樣點0.42 g/kg。沉積物中有效磷含量各點差別較大，F(xiàn)，C和J 3個采樣點中有效磷含量在垂向上波動較大，其他各點沉積物有效磷含量在20 cm以下有明顯下降趨勢。

2.2 沉積物污染物的水平分布特征

根據(jù)各采樣點沉積物中氮、磷及有機碳的垂向分布特征可以看出，各采樣點沉積物中污染物主要集中在表層，尤其在0—20 cm段含量最高，在40 cm以下的沉積物中，各類污染物含量變化變化不大。因此可以認為0—40 cm段是氮磷等污染物的主要蓄積段。以該段沉積物中各類污染物的平均值代表各采樣點污染物含量，來分析該水庫沉積物中污染物的水平分布狀況(表3)。

從表3可以看出，沉積物中有機碳、總氮的分布狀況相似，而總磷的分布狀況與其他兩個略有差別。在水庫河流區(qū)，包括A，B和I，3個采樣點，從上游到下游沉積物有機碳和總氮含量逐步升高；在水庫過渡區(qū)和湖泊區(qū)沉積物中，有機碳和總氮表現(xiàn)出右側(cè)高于左側(cè)的特征。沉積物中總磷的分布在庫尾及河流區(qū)也表現(xiàn)為，由上游到下游含量增加，且該段沉積物總磷含量高于庫區(qū)其他各部分。

表3 水庫沉積物中污染物空間分布狀況

由于沉積物中氮和碳的來源一般具有一致性，本研究中從氮碳分布圖中也可以看出，兩者的分布規(guī)律也比較相似；而沉積物總磷的來源一般與氮碳不同，因此其分布狀況與氮碳分布差異較大。沉積物中氮碳含量在河流段，從上游到下游逐漸增加，主要是由于河流入庫后過水斷面增加，水流速度減小，水流攜帶的各類物質(zhì)尤其是各類有機物顆粒逐步沉積，導致該部分沉積物中氮磷及有機碳含量增加；在水庫過渡區(qū)及湖泊區(qū)，右側(cè)沉積物中有機碳和總氮高于左側(cè)，可能是由于原河道靠近庫區(qū)右側(cè)，而且水庫右岸山勢陡峭，樹林茂盛，而左岸多為低山區(qū)，坡度緩和。在雨期尤其是暴雨季節(jié)，右岸水土流失狀況要比左岸嚴重，大量營養(yǎng)物質(zhì)及枯枝敗葉等進入水庫，并在水庫右側(cè)沉積，可能導致該部分沉積物中有機碳和總氮含量高于左側(cè)沉積物。

2.3 沉積物污染狀況評價

比較不同水庫沉積物與該水庫沉積物中氮、磷及有機碳含量可以看出(表4)，湯浦水庫沉積物中總氮含量與官廳水庫中總氮含量接近；總磷含量與阿哈水庫和于橋水庫中總磷含量相當。

表4 不同水庫沉積物中污染物含量 g/kg

注：b表示以有機質(zhì)(OM)計； 安全級：水生生物中未發(fā)現(xiàn)中毒效應;最低級：沉積物已受污染,但多數(shù)底棲生物可以承受;嚴重級：底棲生物群落已遭受明顯的損害； 沉積物中營養(yǎng)鹽的環(huán)境質(zhì)量評價標準為加拿大安大略省環(huán)境和能源部[18]。

全國范圍來看，不同地域不同流域，各水庫沉積物中碳、氮和磷含量的差異較大。本文采用有機污染指數(shù)法對各采樣點沉積物進行污染等級劃分，具體評價結(jié)果詳見表5。

表5 沉積物有機污染評價結(jié)果

從沉積物有機污染指數(shù)評價結(jié)果來看，整個庫區(qū)表層沉積物平均有機指數(shù)為0.13，屬于較清潔類型。河道區(qū)、過渡區(qū)及湖泊區(qū)沉積物有機污染指數(shù)分別為0.08，0.15，0.16，可見由入庫到壩前沉積物有機污染指數(shù)略有增加，但依然屬于較清潔的類型。以有機氮等級劃分狀況來看，整個庫區(qū)沉積物平均有機氮質(zhì)量分數(shù)為0.13%，屬于尚清潔類型。河道區(qū)沉積物有機氮平均質(zhì)量分數(shù)為0.11%，過渡區(qū)為0.1%，湖泊區(qū)為0.11%。整個庫區(qū)的所有采樣點中，只有A，G及H采樣點的沉積物有機氮質(zhì)量分數(shù)大于0.13%，表現(xiàn)為有機污染狀態(tài)。從評價結(jié)果看，湯浦水庫沉積物污染狀況較輕，有機指數(shù)等級為Ⅱ級，較清潔；有機氮污染等級為Ⅲ級，尚清潔。說明沉積物中含氮污染物的含量普遍較高，這與該水庫現(xiàn)狀相符合。

3 結(jié) 論

(1) 由于各采樣點的水力特性、沉積條件和生物活動等條件的不同，沉積物中有機碳、氮及磷的分布各不相同，有機碳平均含量12.23 g/kg，總氮含量1.22 g/kg，總磷含量為0.49 g/kg。

(2) 沉積物中污染物主要集中在沉積物表層0—20 cm段內(nèi)，隨著沉積物厚深度的增加，氮碳磷含量逐步下降，在40 cm以下的沉積物中碳氮磷含量趨于穩(wěn)定。沉積物中氮和有機碳含量在庫尾段表現(xiàn)出從上游到下游，含量逐漸增加的趨勢，在水庫過渡段和湖泊段表現(xiàn)為右側(cè)沉積物中含量高于左側(cè)。

(3) 有機指數(shù)評價結(jié)果顯示，庫區(qū)沉積物有機指數(shù)等級為Ⅱ級，說明沉積物較清潔，但是有機氮等級高于有機指數(shù)，說明沉積物中氮含量較高。

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Spatial Distribution and Pollution Evaluation of Sediment Carbon, Nitrogen and Phosphorus in Tangpu Reservoir

LIU Hu, MENG Ting, CHENG Wen, WANG Min, ZHANG Dou

(StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

reservoir; sediment; organic index; Tangpu Reservoir

2015-06-30

2016-08-06

廣東省水利科技創(chuàng)新項目“流溪河流域內(nèi)農(nóng)村飲用水中環(huán)境激素的污染與控制研究”(2015-06)； 陜西水利科技計劃項目(2014slkj-12)

劉鵠(1973—),男(漢族),河南省洛陽市人,博士研究生,高級工程師,主要從事水污染控制方面的研究。E-mail:1004761354@qq.com。

孟婷(1993—),女(漢族)，陜西省咸陽市人，碩士研究生，主要研究方向為水污染控制研究。E-mail:1570954140@qq.com。

A

1000-288X(2017)02-0333-06

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