南湖水系水-沉積物磷時空分布、影響因素及控制對策

車霏霏，陳俊伊，王書航*，鄭朔方，姜霞

1.國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

磷作為環(huán)境中最重要的營養(yǎng)元素之一，是生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)研究的重要內(nèi)容，也是湖泊富營養(yǎng)化的主要限制因子[1-2]。湖泊水環(huán)境中的磷通常受到外源與內(nèi)源污染的共同影響，其中外源磷主要通過農(nóng)田土壤流失、城市雨水徑流、大氣干濕沉降以及生活污水和工業(yè)廢水排放等方式進(jìn)入水體；而進(jìn)入水體的磷除對水質(zhì)產(chǎn)生直接影響外，還可累積在沉積物中，成為污染內(nèi)源[3-5]。在溫度升高、風(fēng)浪擾動或生物量增加等特定的環(huán)境條件下，沉積物中的磷可成為上覆水體中磷的重要補(bǔ)給源，與外源污染相結(jié)合，共同影響水體中磷的時空分布格局[6-7]。目前，國內(nèi)外學(xué)者在湖泊水體及沉積物的磷分布、形態(tài)組成和影響因素等方面已開展了大量研究[7-11]，這些研究成果有助于湖泊磷污染控制措施的制定。

南湖位于嘉興市中心城區(qū)，以南湖為中心，有京杭運(yùn)河北段及西段、長纖塘、海鹽塘、平湖塘、長水塘、新塍塘等主干河道呈輻射狀分布，且主河道之間又由環(huán)狀河道、支流、湖蕩連接貫通，因此南湖水系縱橫交錯、河網(wǎng)密布，是杭嘉湖水網(wǎng)的重要組成部分[12]。隨著城市化進(jìn)程的加快，來自工業(yè)廢水、生活污染，以及化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致以南湖為中心的水系自凈能力降低，水環(huán)境質(zhì)量不斷下降。其中，作為水質(zhì)考核重要指標(biāo)之一的磷在南湖水體中長年超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[12]，是南湖水質(zhì)提升的關(guān)鍵指標(biāo)?；谀虾w的磷污染現(xiàn)狀，筆者調(diào)查了南湖及周邊水體中磷的時空分布特征，在此基礎(chǔ)上對南湖水系中磷的主要來源進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的控制對策，以期為南湖水系的磷污染治理提供數(shù)據(jù)及理論支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 樣品采集

根據(jù)南湖及周邊水體分布特征，分別于2018年8月(豐水期)及2019年1月(枯水期)采集南湖水系表層水體樣品，并于2018年10月加密采集南湖表層水體樣品；于2018年8月和10月分別采集周邊水體及南湖的表層(0～10 cm)沉積物樣品。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。水樣置于保溫箱中低溫保存，并在48 h內(nèi)完成相關(guān)指標(biāo)的分析測定；沉積物封裝在干凈的自封袋中低溫保存，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成冷凍、干燥、研磨過篩(100目)等預(yù)處理工作。

圖1 南湖周邊水體及南湖采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Sampling sites in Nanhu Lake and its surrounding river network

1.2 監(jiān)測指標(biāo)和歷史數(shù)據(jù)來源

水樣監(jiān)測指標(biāo)包括總磷(TP)、溶解態(tài)總磷(DTP)、顆粒態(tài)磷(PP)和溶解態(tài)無機(jī)磷(DIP)，其中TP濃度使用采集的原水樣進(jìn)行測定，將原水經(jīng)0.45 μm的混合纖維濾膜過濾后測定DTP和DIP濃度。沉積物樣品監(jiān)測指標(biāo)包括TP和無機(jī)及有機(jī)磷賦存形態(tài)，其中無機(jī)磷(IP)形態(tài)分為弱吸附態(tài)無機(jī)磷(WA-Pi)、潛在活性無機(jī)磷(PA-Pi)、FeAl結(jié)合態(tài)無機(jī)磷(FeAl-Pi)和Ca結(jié)合態(tài)無機(jī)磷(Ca-Pi)；有機(jī)磷(OP)形態(tài)分為弱吸附態(tài)有機(jī)磷(WA-Po)、潛在活性有機(jī)磷(PA-Po)、中活性有機(jī)磷(MA-Po，包括NaOH及HCl分別提取的中活性有機(jī)磷)和非活性有機(jī)磷(NA-Po，包括NaOH提取的非活性有機(jī)磷和殘?jiān)鼞B(tài)磷)。

水樣TP和DTP濃度采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定，PP濃度等于TP濃度與DTP濃度差值，DIP濃度采用磷鉬藍(lán)分光光度法測定。沉積物TP濃度采用SMT總磷測定法完成分析測試，磷形態(tài)的提取及測定根據(jù)文獻(xiàn)[13]進(jìn)行。另外，采用重量法對水樣的總懸浮物濃度進(jìn)行同步測定。具體分析測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14]以及《沉積物質(zhì)量調(diào)查評估手冊》[15]。

南湖總磷濃度歷史變化數(shù)據(jù)(2010—2018年)和季節(jié)變化數(shù)據(jù)采用嘉興市生態(tài)環(huán)境局的南湖監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，監(jiān)測點(diǎn)位于南湖中心。

2 結(jié)果與討論

2.1 水體中磷濃度的變化

2.1.1南湖水體磷的季節(jié)變化

2010—2018年南湖水體TP濃度季節(jié)變化如圖2所示。由圖2可知，2010—2018年南湖中心斷面水體的TP濃度為0.110～0.496 mgL，均值為0.212 mgL；各月TP濃度均超過湖庫Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(0.1 mgL)，特別是3—8月TP濃度均值超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值(0.2 mgL)。從季節(jié)變化來看，春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—翌年2月)的TP濃度分別為(0.221±0.075)、(0.267±0.103)、(0.184±0.044)、(0.177±0.065)mgL，夏季水體TP濃度顯著高于其他季節(jié)(P< 0.01)。南湖水體中TP濃度的季節(jié)變化趨勢與太湖[2,16]相似，可能與夏季暴雨期地表徑流匯入有關(guān)。

圖2 南湖水體TP濃度季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of TP concentrations in Nanhu Lake

2.1.2南湖水體磷的空間分布

2018年10月對南湖水體磷的調(diào)查結(jié)果(圖3)顯示，TP濃度為0.121～0.388 mgL，均值為0.246 mgL，全湖TP濃度超過Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且部分區(qū)域超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水體中TP的空間分布差異顯著，TP濃度較高的區(qū)域主要集中在西南及東南側(cè)的南湖入湖河道，而低值主要分布在南部堤岸附近。

從磷的組成來看，南湖水體中PP濃度為0.055～0.258 mgL，均值為0.156 mgL，除西南及東南側(cè)的高值分布外，湖心島東、西側(cè)的PP濃度也有明顯升高。DTP濃度為0.041～0.147 mgL，均值為0.089 mgL，西南、東南部區(qū)域以及北部出口附近均呈現(xiàn)相對較高的濃度水平，且DTP在湖中的分布與PP呈大致相反趨勢。南湖水體中DIP濃度相對較低(0.025～0.055 mgL)，均值為0.038 mgL；DIP濃度高值主要分布在湖心島東、西兩側(cè)至堤岸處，而南部及北部濃度相對較低。

總的來說，西南、東南側(cè)入湖河道中磷濃度高于南湖湖體，這表明南湖水系中上游入湖河流高磷來水是造成南湖湖體中磷濃度居高不下的主要外因。值得注意的是，PP和DIP在湖心島的東、西兩側(cè)也呈現(xiàn)出較高濃度水平。由于嘉興南湖是江南著名的游覽勝地，每年有大量游客乘游船至湖心島瞻仰“南湖紅船”，因此游船船行波造成的水體擾動可能促使底泥中磷釋放，使上述磷形態(tài)在以湖心島為中心的游船航線附近水體中產(chǎn)生富集。此外，水體擾動下發(fā)生再懸浮的沉積物細(xì)顆粒能夠吸附水體中的溶解態(tài)磷[17]，這可能是造成PP與DTP空間分布趨勢相反的原因。

2.1.3南湖周邊水體磷的空間變化

對南湖周邊水體磷的調(diào)查結(jié)果(圖4)顯示，南湖周邊河網(wǎng)水體的TP濃度為0.026～0.588 mgL，均值為0.234 mgL；其中豐水期(8月)的TP濃度〔(0.237±0.096)mgL〕略高于枯水期(1月)〔(0.231±0.108)mgL〕，二者無顯著差異(P> 0.05)。

圖3 南湖水體TP、PP、DTP和DIP濃度的空間分布Fig.3 Spatial distributions of concentrations of TP, PP, DTP and DIP in Nanhu Lake

圖4 不同月份南湖周邊水體TP濃度的空間分布Fig.4 Spatial distribution of TP concentrations in the surrounding river waters of Nanhu Lake in different months

由圖4可見，西部及北部河網(wǎng)水體中TP濃度相對較高，特別是在蘇州塘及長纖塘與外環(huán)河道交叉處，以及杭州塘和西部外環(huán)河道；低值主要出現(xiàn)在姚家蕩，以及包括海鹽塘在內(nèi)的東南部大部分河網(wǎng)區(qū)。該空間分布特征可能與位于西、北部外環(huán)河網(wǎng)的京杭運(yùn)河主航道有關(guān)。過去的調(diào)查結(jié)果顯示[18]，京杭運(yùn)河嘉興段年貨運(yùn)量約為10 564.195萬t，且60%以上船舶超過4級航道規(guī)定的500 t載重噸位。頻繁的大噸位船舶航運(yùn)對河道底泥擾動較強(qiáng)烈，極易造成底泥再懸浮，從而促進(jìn)磷的內(nèi)源釋放。同時，南湖西部、北部區(qū)域也是嘉興市主城區(qū)，人類活動頻繁，生活污水以及地表徑流的輸入可能造成南湖河網(wǎng)的外源磷污染[12]。

2.2 沉積物的磷濃度及其賦存形態(tài)

2.2.1沉積物中TP的分布特征

對表層沉積物中磷的調(diào)查結(jié)果顯示，南湖沉積物中TP濃度為586.83～3 086.11 mgkg，均值為1 718.71 mgkg；周邊河網(wǎng)沉積物中TP濃度為479.91～3 456.55 mgkg，均值為1 286.89 mgkg。南湖及周邊水體表層沉積物中TP濃度的空間分布如圖5所示。由圖5(a)可知，南湖西南側(cè)入湖口附近及湖心島周邊沉積物中TP濃度均較高，反映了高磷來水匯入及南湖游船擾動對南湖沉積物磷累積的影響。同時，從整個南湖水系〔圖5(b)〕來看，沉積物TP濃度大體上呈由南湖向周邊河網(wǎng)逐漸減小的分布趨勢，該分布趨勢可能與南湖不斷接納上游來水中的磷并將其蓄積在沉積物中有關(guān)；且西北部河網(wǎng)沉積物的TP濃度相對南部外圍河道更高，該分布趨勢受到西北部區(qū)域更高強(qiáng)度的人為污染的影響。

圖5 南湖及周邊水體表層沉積物中TP濃度空間分布Fig.5 Spatial distribution of TP concentrations in surface sediments of Nanhu Lake and the surrounding river network

與我國其他湖泊相比較(表1)，南湖表層沉積物中TP濃度約為東部湖區(qū)其他湖泊的2.0～2.5倍，且顯著高于我國其他四大湖區(qū)的部分湖泊，僅有滇池沉積物的TP濃度與南湖相似；研究顯示[19]，滇池沉積物中的高磷累積主要與磷礦開采、磷肥生產(chǎn)以及生活生產(chǎn)污水排入有關(guān)。南湖在2015年已經(jīng)實(shí)施了大規(guī)模的底泥清淤工程，但本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，南湖表層沉積物中的TP濃度與我國其他大部分湖泊相比仍處于較高水平，反映了外源輸入對沉積物中磷累積的顯著貢獻(xiàn)。

表1 南湖沉積物中TP濃度與我國其他湖泊的對比

2.2.2沉積物中磷的賦存形態(tài)

南湖水系沉積物中的磷以IP為主(表2)，其形態(tài)總和為349.90～2 216.40 mgkg(均值為931.08 mgkg)，占TP的64%～91%。其中，WA-Pi主要來自于間隙水或經(jīng)物理吸附存在于碳酸鹽、氧化物、氫氧化物或黏土礦物等表面的無機(jī)磷，極易發(fā)生遷移[28-29]；PA-Pi主要包括NaHCO3提取的一定量活性的FeAl-P及少量活性較大的Ca-P，是生物可利用磷的重要組成部分[9,30]；FeAl-Pi主要包括與Fe、Al(氫)氧化物結(jié)合的磷，可在還原條件下轉(zhuǎn)化為可溶性磷并進(jìn)入水體再循環(huán)[29-30]；而Ca-Pi主要來源于自生磷灰石、沉積碳酸鈣及生物骨骼等含磷礦物有關(guān)的磷形態(tài)，一般不易發(fā)生轉(zhuǎn)化[9]。各IP形態(tài)均值由大到小分別為FeAl-Pi>Ca-Pi>PA-Pi>WA-Pi。

表2 南湖水系沉積物不同賦存形態(tài)磷濃度

Table 2 Phosphorus concentrations of various species in the sediments of Nanhu Lake water system mgkg

表2 南湖水系沉積物不同賦存形態(tài)磷濃度

項(xiàng)目無機(jī)磷有機(jī)磷WA-PiPA-PiFe∕Al-PiCa-PiWA-PoPA-PoMA-PoNA-Po最大值20.70241.621409.04605.066.8741.78226.85300.71最小值0.2222.2434.88183.480.334.535.565.19平均值7.09129.07415.36379.572.2618.7954.74144.29標(biāo)準(zhǔn)偏差4.3961.06319.4690.991.659.7644.0571.33

相關(guān)性分析結(jié)果顯示，活性較強(qiáng)的WA-Pi、PA-Pi、FeAl-Pi、WA-Po和PA-Po之間存在顯著相關(guān)性(R為0.596～0.842，P< 0.01)，且上述磷形態(tài)與TP均呈顯著正相關(guān)(R為0.721～0.966，P< 0.01)，表明與較穩(wěn)定的磷形態(tài)相比，沉積物中的活性磷組分與TP的變化更為一致。

2.3 磷的組成特點(diǎn)及影響因素

南湖及周邊水體中的磷由顆粒態(tài)和溶解態(tài)共同組成，其中PP濃度平均占水體TP濃度的60.15%〔圖6(a)〕，是南湖水系中磷的主要賦存形態(tài)，且PP與TP之間的相關(guān)性更強(qiáng)〔圖6(b)〕，也表明南湖水系中磷的時空分布主要由顆粒態(tài)磷決定。同時，TP及DTP與水體懸浮物呈顯著正相關(guān)(P< 0.01)〔圖6(c)〕，顯示了懸浮物對南湖水系中磷的顯著影響。結(jié)合南湖水體TP濃度在夏季的顯著增高，推測夏季充沛降水量造成的地表徑流可能是南湖水系磷的主要外源貢獻(xiàn)渠道。已有研究表明[33-34]，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，平原河網(wǎng)地區(qū)的城鎮(zhèn)地表逐漸成為污染物輸出的關(guān)鍵源區(qū)，受人為活動影響累積在地表的污染物在降雨過程中隨地表徑流匯入河道，而降雨造成的地表徑流中懸浮物濃度增加是影響受納水體中污染物濃度的重要因素；馮萃敏等[34]也指出TP和懸浮物是嘉興市道路雨水徑流中的主要污染物。因此，夏季暴雨期地表徑流中的大量細(xì)顆粒物可作為磷的載體使其進(jìn)入河道，從而促使夏季南湖水體中磷的富集。

圖6 水體中磷的形態(tài)組成、季節(jié)變化及其與懸浮物的相關(guān)性Fig.6 Species and seasonal variation of P in the water and its correlation with suspended solids

高磷來水的持續(xù)輸入導(dǎo)致南湖水系沉積物TP濃度水平顯著高于我國東部湖區(qū)其他湖泊；IP是沉積物中主要磷形態(tài)，其中，PA-Pi和FeAl-Pi作為沉積物生物可利用磷的重要組成部分[13]，分別占IP的13.86%和44.61%，WA-Pi作為極易遷移的形態(tài)，占IP的0.76%，三者占比總和高于較穩(wěn)定的Ca-Pi在IP中的占比(40.77%)。簡而言之，南湖水系沉積物中磷的生物有效性較高，意味著較大一部分的磷可能在物理、化學(xué)、生物過程的作用下參與再循環(huán)過程，是南湖水系水體中磷的重要內(nèi)源。有研究表明[17]，細(xì)顆粒沉積物中累積的生物可利用磷較粗粒沉積物中更多；因此，河網(wǎng)中頻繁的船舶運(yùn)輸以及南湖游船船行波造成的強(qiáng)烈水體擾動引起沉積物細(xì)顆粒再懸浮，進(jìn)一步促進(jìn)了南湖航道附近及周邊西、北部河網(wǎng)水體中TP濃度的升高。值得注意的是，與南湖湖體不同，豐水期(8月)南湖周邊水體的TP濃度與枯水期(1月)相比無顯著增加〔圖6(d)〕，可能是豐水期水量增加對磷濃度有一定程度的稀釋。

2.4 南湖水系水體磷改善的控制對策

綜上，受外源磷的持續(xù)輸入和內(nèi)源磷釋放的共同影響，南湖水體中磷濃度持續(xù)維持在較高水平，且顆粒態(tài)磷是南湖水系中磷的主要賦存形態(tài)。據(jù)此，在外源控制方面，可從降低水體懸浮物濃度著手去除顆粒態(tài)磷，同時結(jié)合區(qū)域零直排區(qū)的建設(shè)降低整個區(qū)域水體磷的濃度。在內(nèi)源控制方面，應(yīng)對磷濃度較高、淤泥層較厚且易受船舶航行擾動影響的區(qū)域的底泥進(jìn)行環(huán)保疏浚。另外，可結(jié)合水生植物(特別是沉水植物)恢復(fù)，在水深適宜區(qū)域逐步開展沉水植物恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)南湖“水清岸綠，魚翔淺底”的美好愿景。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)多年逐月監(jiān)測資料，夏季南湖水體TP濃度顯著高于其他季節(jié)，且超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；空間分布調(diào)查顯示，南湖水體TP濃度為0.121～0.388 mgL，均值為0.246 mgL，高值多出現(xiàn)在西南及東南側(cè)的入湖河道附近，且顆粒態(tài)磷和無機(jī)磷在湖心島東、西兩側(cè)也呈現(xiàn)較高濃度；南湖周邊水體TP濃度為0.026～0.588 mgL，高值多出現(xiàn)在西部及北部河網(wǎng)。

(2)南湖及周邊水體表層沉積物中的TP濃度均值分別為1 718.71和1 286.89 mgkg，顯著高于我國東部湖區(qū)其他湖泊，且在空間上呈現(xiàn)由南湖向周邊河網(wǎng)逐漸減小的分布趨勢；IP是沉積物中磷的主要形態(tài)，且其中生物可利用磷(包括WA-Pi、PA-Pi和FeAl-Pi)在IP中的占比高于生物有效性較差的Ca-Pi。

(3)南湖水系水體中的磷主要以顆粒態(tài)(占比為60.15%)形式存在，TP和DTP均與水體懸浮物濃度呈顯著正相關(guān)，表明懸浮物對水體磷分布的顯著影響。

(4)基于南湖內(nèi)、外源磷污染對水體磷的貢獻(xiàn)，主要應(yīng)從降低水體懸浮物濃度，有針對性地進(jìn)行底泥環(huán)保疏浚和開展水生植物恢復(fù)3個方面入手，通過對內(nèi)、外源輸入的控制實(shí)現(xiàn)水體磷濃度的下降。