太湖底泥主要營養(yǎng)物質(zhì)污染特征分析

毛新偉，仵薈穎，徐 楓

(1.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心,江蘇 無錫 214024； 2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300202)

底泥是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，底泥的污染狀況可間接反映上覆水體的污染狀況和湖泊水動力狀態(tài)[1]。底泥承接了水體中各類污染物包括營養(yǎng)鹽、重金屬及有機(jī)污染物等，對污染物的遷移轉(zhuǎn)化起著顯著的源和匯的作用[2-4]。20世紀(jì)80年代以來，太湖周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會迅速發(fā)展，但因環(huán)境保護(hù)措施相對滯后，多年來沉積在底泥中的污染物在某些條件下不斷溶出，加上外界污染源的不斷流入，導(dǎo)致太湖水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化程度加劇,目前以中度富營養(yǎng)化程度為主，個別水體已達(dá)重度富營養(yǎng)化狀態(tài)[5-6]。

太湖是一個淺水型湖泊，已有研究表明，當(dāng)外源污染得到控制時，底泥內(nèi)源污染釋放對水質(zhì)和藍(lán)藻生成的影響較為明顯，其中的營養(yǎng)物質(zhì)釋放將直接影響太湖水質(zhì)和藻類的聚集暴發(fā)[7-8]。2006—2012年，相關(guān)學(xué)者針對太湖底泥有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷的污染現(xiàn)狀開展了一系列的研究，包括沉積物中氮磷的空間分布特征、沉積物的物理特征及營養(yǎng)鹽的時空變化，水生植物氮磷與湖水、底泥氮磷含量的關(guān)系，太湖濱湖帶底泥氮磷、有機(jī)質(zhì)分布與污染評價情況等[9-12]。為有效控制底泥對太湖水質(zhì)的污染，太湖周邊各地方政府組織開展了多次生態(tài)清淤工作，清除底泥表層的有機(jī)質(zhì)、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)富集層，切斷湖底的物質(zhì)循環(huán)鏈[13]。相關(guān)研究表明，生態(tài)清淤工程可去除大部分底泥污染物，有利于改善水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境；然而另有研究表明，99.7%的持續(xù)性有害污染物被吸附在直徑小于74 μm的細(xì)顆粒上,疏浚產(chǎn)生的強(qiáng)烈擾動易引起細(xì)顆粒泥沙再懸浮,從而增大了底泥污染物釋放的概率[4，14-16]。2007年太湖藍(lán)藻暴發(fā)事件發(fā)生后，太湖西北沿岸區(qū)、竺山湖、梅梁湖的西部和北部湖區(qū)、貢湖北部沿岸區(qū)、東太湖東部等湖區(qū)先后實施了生態(tài)疏浚，工程量累計達(dá) 3 910萬m3[17]。但生態(tài)疏浚能否有效降低底泥中營養(yǎng)物質(zhì)的含量，也需不同時期的底泥調(diào)查歷史資料進(jìn)行對比分析。

為進(jìn)一步推進(jìn)太湖水環(huán)境綜合治理工作，預(yù)防藍(lán)藻暴發(fā)造成的生態(tài)災(zāi)害，給太湖生態(tài)清淤工作提供決策參考，本文結(jié)合太湖流域管理局2018年組織開展的太湖污染底泥勘察項目調(diào)查結(jié)果，主要對太湖底泥中的有機(jī)質(zhì)、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的含量及其平面和垂向分布特征進(jìn)行分析，并與太湖流域管理局2003年組織開展的底泥調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比，研究太湖底泥營養(yǎng)物質(zhì)污染特征的變化，為下一步實施太湖生態(tài)清淤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設(shè)

本次調(diào)查采樣點根據(jù)2003年太湖底泥調(diào)查得到的污染底泥分布情況分重點區(qū)域和一般區(qū)域布設(shè)，共在全太湖布設(shè)316個采樣點。重點區(qū)域布設(shè)在底泥污染較嚴(yán)重的梅梁湖、竺山湖、西北沿岸區(qū)、西南沿岸區(qū)、東太湖和貢湖，按照2 km×2 km正方形網(wǎng)格布設(shè)取樣點，主要入湖河道河口在沿水流方向向湖區(qū)1 km處布設(shè)采樣點，沿岸區(qū)一般沿距岸線50 m、1.5 km布設(shè)采樣線，在采樣線上間隔1.5 km布設(shè)采樣點。一般區(qū)域布設(shè)在湖心區(qū)、胥湖、箭湖和漫山湖，按照5 km×5 km正方形網(wǎng)格布設(shè)采樣點。

表1 不同湖區(qū)表層底泥營養(yǎng)物質(zhì)含量

1.2 底泥采樣與分析方法

調(diào)查取樣和化驗時間為2018年10—12月。底泥采樣分層進(jìn)行，重點區(qū)域采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～100 cm的泥樣，一般區(qū)域采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的泥樣。將采集的不同深度底泥進(jìn)行實驗室化驗分析，測定總氮(凱氏定氮法)、總磷(等離子體發(fā)射光譜法)和有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀氧化-還原容量法)含量。

本文主要研究太湖底泥營養(yǎng)物質(zhì)的平面和垂向分布特征，并結(jié)合2003年太湖底泥調(diào)查結(jié)果對營養(yǎng)物質(zhì)變化情況進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)對比分析。平面分布特征分析表層底泥有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷各湖區(qū)的分布情況，垂向分布特征分析有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷垂向分布變化情況，歷史數(shù)據(jù)對比分析2003年和2018年兩次調(diào)查中表層底泥營養(yǎng)物質(zhì)的均值前后變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 平面分布特征

2018年太湖表層底泥(0～10 cm)調(diào)查結(jié)果(表1)顯示，全湖有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在0.36%～7.06%之間，均值為1.62%。全湖有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值可以分為3個區(qū)間，1.0%～1.5%的湖區(qū)為西南沿岸區(qū)和湖心區(qū)，1.5%～2.0%的湖區(qū)為梅梁湖、西北沿岸區(qū)、貢湖、胥湖和箭湖，大于2.0%的湖區(qū)為竺山湖、東太湖和漫山湖。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值0.36%出現(xiàn)在胥湖，最大值7.06%出現(xiàn)在東太湖，極值相差較大。研究表明，造成表層底泥有機(jī)質(zhì)含量差異的原因與各湖區(qū)環(huán)境有關(guān)。東太湖作為太湖主要的圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域，養(yǎng)殖生物的排泄物和殘余飼料含有豐富的有機(jī)物及其他營養(yǎng)物質(zhì)；東太湖水生植物茂盛，每年近百萬噸的生物量腐爛在底泥中形成有機(jī)質(zhì)及其他營養(yǎng)物質(zhì)。黎麗雯等[18]的研究表明有機(jī)質(zhì)的分布與人為污染正相關(guān)，竺山湖作為太湖主要的來水湖區(qū)，生活廢水和工業(yè)廢水通過太滆運河、殷村港、雅浦港和沙塘港進(jìn)入竺山湖，外源污染的不斷輸入導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)含量較高。漫山湖、箭湖周邊區(qū)域水草生長旺盛，水生植物死亡沉積使得該區(qū)域總氮和有機(jī)質(zhì)含量較高。

全湖總氮質(zhì)量比范圍在346.0～4 730.0 mg/kg之間，均值為1 169.7 mg/kg。全湖總氮質(zhì)量比均值可分為3個區(qū)間，小于1 000 mg/kg的湖區(qū)為西南沿岸區(qū)，1 000～1 500 mg/kg的湖區(qū)為梅梁湖、西北沿岸區(qū)、貢湖、湖心區(qū)、胥湖、箭湖和漫山湖，大于 1 500 mg/kg 的湖區(qū)為竺山湖和東太湖。總氮含量高低的原因與有機(jī)質(zhì)相似。

全湖總磷質(zhì)量比范圍在317.0～2 124.0 mg/kg之間，均值為674.8 mg/kg。全湖總磷質(zhì)量比均值可分為3個區(qū)間，小于500 mg/kg的湖區(qū)為胥湖和箭湖，500～800 mg/kg的湖區(qū)為梅梁湖、西北沿岸區(qū)、西南沿岸區(qū)、東太湖、貢湖、湖心區(qū)和漫山湖，大于 800 mg/kg 的湖區(qū)為竺山湖。竺山湖高含量總磷與生活和工業(yè)廢水的輸入有關(guān)，加之竺山湖水流不暢，污染物易于累積。

(a) 有機(jī)質(zhì)(重點區(qū)域)

(b) 總氮(重點區(qū)域)

(c) 總磷(重點區(qū)域)

(d) 有機(jī)質(zhì)(一般區(qū)域)

(e) 總氮(一般區(qū)域)

(f) 總磷(一般區(qū)域)

2.2 垂向分布特征

圖1為太湖重點區(qū)域 0～100 cm和一般區(qū)域 0～30 cm深度內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)垂向變化情況?？梢钥闯?，重點區(qū)域有機(jī)質(zhì)和總氮含量一般隨深度增加呈現(xiàn)“S”形變化，有機(jī)質(zhì)和總氮高含量主要集中分布在0～30 cm深度區(qū)間內(nèi)。一般區(qū)域有機(jī)質(zhì)和總氮含量在0～30 cm深度區(qū)間內(nèi)變化趨勢相似，在此深度區(qū)間內(nèi)整體差異不大。太湖底泥多年研究結(jié)果表明，近百年來太湖現(xiàn)代沉積物的沉積速率在0.6～3.6 mm/a，均值約為2.1 mm/a，因此30 cm以下的沉積物受近代人類活動影響已經(jīng)非常微弱。本次調(diào)查中營養(yǎng)物質(zhì)的分布基本符合此規(guī)律，在0～30 cm深度內(nèi)受人類活動的影響營養(yǎng)物質(zhì)含量較高。外源污染的輸入，湖體內(nèi)大量繁殖的水生動植物在底泥中聚集沉降，并且有機(jī)碎屑的沉降速率高于分解速率，導(dǎo)致沉積物中有機(jī)質(zhì)和總氮在淺層底泥中負(fù)荷量增加[19]。

由圖1(c)(f)可以看出，除竺山湖外，總磷含量在重點區(qū)域和一般區(qū)域垂直變化整體差異較小，竺山湖在0～30 cm深度內(nèi)總磷含量明顯高于其他湖區(qū)，在30～100 cm深度內(nèi)含量與其他區(qū)域差異較小。王華等[20]的研究結(jié)果表明，入湖總磷污染負(fù)荷量大導(dǎo)致太湖總磷含量居高不下。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)竺山湖主要入湖河口太滆運河、殷村港、雅浦港和沙塘港的入湖區(qū)域底泥總磷含量較高，分析認(rèn)為竺山湖主要入湖河道水質(zhì)較差，外源污染的進(jìn)入加之竺山湖水流不暢，污染物易于在竺山湖沉積，造成竺山湖總磷在0～30 cm深度的底泥中不斷蓄積。另一方面，風(fēng)浪對底泥的擾動促進(jìn)底泥再懸浮，造成底泥內(nèi)源磷釋放。此外，藻類的堆積、沉積作用增加了底泥中磷的負(fù)荷量，進(jìn)一步導(dǎo)致了底泥中磷含量的升高[19]。

2.3 歷史數(shù)據(jù)對比

2018年與2003年表層底泥營養(yǎng)物質(zhì)數(shù)據(jù)對比結(jié)果(表2)顯示，2018年全湖表層底泥有機(jī)質(zhì)含量略有降低，竺山湖、西北沿岸區(qū)、西南沿岸區(qū)、湖心區(qū)、胥湖和箭湖呈升高趨勢，梅梁湖、東太湖、貢湖和漫山湖呈降低趨勢。2018年全湖表層底泥總氮含量略有升高，竺山湖、西北沿岸區(qū)、西南沿岸區(qū)、東太湖、湖心區(qū)、胥湖、箭湖和漫山湖呈升高趨勢，梅梁湖和貢湖呈降低趨勢。2018年全湖表層底泥總磷含量呈升高趨勢，竺山湖、西北沿岸區(qū)、西南沿岸區(qū)、東太湖、湖心區(qū)、胥湖、箭湖和漫山湖呈升高趨勢，梅梁湖和貢湖呈降低趨勢。

表2 太湖表層底泥2003年與2018年營養(yǎng)物質(zhì)含量對比

營養(yǎng)物質(zhì)在竺山湖、西北沿岸區(qū)、西南沿岸區(qū)、湖心區(qū)、胥湖和箭湖的升高趨勢與外源污染和藻類的大量堆積有關(guān)。太湖浮游植物監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2003年調(diào)查期間太湖浮游植物堆積數(shù)量總體約為100萬個/L，而2018年約為9 000萬個/L，大量的水生植物堆積、死亡沉積到底泥中對太湖水體和底泥中營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生了巨大的影響。此外，生活污水和工業(yè)廢水通過太湖西部的入湖河口將污染物排入到湖體中，外源污染不斷堆積導(dǎo)致表層底泥營養(yǎng)物質(zhì)含量呈升高趨勢。

梅梁湖和貢湖營養(yǎng)物質(zhì)有明顯的降低趨勢主要與太湖的水系變化和必要的生態(tài)清淤工程有關(guān)。梁溪河和武進(jìn)港在2003年調(diào)查期間是梅梁湖的主要入湖河口，在2018年調(diào)查期間，原本通過武進(jìn)港進(jìn)入梅梁湖的生活污水和工業(yè)廢水改為通過雅浦河和百瀆港進(jìn)入到竺山湖中；貢湖的望虞河由于引江濟(jì)太工程變?yōu)槌鋈牒涌?，長江水進(jìn)入太湖使得水流停留時間縮短，水流條件發(fā)生變化，太湖湖流及藻類分布發(fā)生根本性變化。在此基礎(chǔ)上，太湖自2008年起實施的生態(tài)清淤工程使得梅梁湖和貢湖表層底泥營養(yǎng)物質(zhì)含量有降低趨勢。

外源污染及水生植物的大量繁殖可能導(dǎo)致底泥營養(yǎng)物質(zhì)含量升高。在外源污染控制好后，生態(tài)清淤工程有利于降低湖區(qū)內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的含量。建議有關(guān)部門下一步控制好外源污染，治理藍(lán)藻等水生植物，可繼續(xù)開展太湖底泥污染嚴(yán)重的主要湖區(qū)生態(tài)清淤工作，清淤的重點湖區(qū)是梅梁湖、竺山湖、西北沿岸區(qū)、東太湖、貢湖等，生態(tài)疏浚主要對象為表層底泥。

3 結(jié) 論

a. 全太湖底泥營養(yǎng)物質(zhì)含量最高的湖區(qū)是竺山湖和東太湖，其次是梅梁湖、貢湖、漫山湖等湖區(qū)，其他湖區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)含量相對較低。

b. 就全湖區(qū)平均值而言，太湖底泥中營養(yǎng)物質(zhì)的分布總體上為上層高、下層低，高含量營養(yǎng)物質(zhì)主要分布在0～30 cm深度內(nèi)。

c. 外源污染和水生植物的大量繁殖可能導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)含量升高，而當(dāng)控制好外源污染后，生態(tài)清淤可減少表層底泥的營養(yǎng)物質(zhì)含量。