江西省典型水庫沉積物碳·氮·磷分布及污染評(píng)價(jià)

胡 強(qiáng) ，吳曉彬 ，王 姣 ，虞 慧 ，彭圣軍

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌，330029）

0 引 言

水庫沉積物作為容納污染物的載體，對(duì)水體中氮、磷等富營養(yǎng)化的主要污染因子具有匯集和釋放的雙重作用[1]。因此，研究水庫沉積物中碳、氮、磷含量的空間分布特征并評(píng)價(jià)污染水平，可為控制水體富營養(yǎng)化和保障水安全提供科學(xué)依據(jù)。

水體富營養(yǎng)化是水庫、湖泊水污染問題最為嚴(yán)重的類型之一，水庫沉積物能間接反映水庫水體的安全程度，營養(yǎng)鹽含量成為環(huán)境監(jiān)測中的重要指標(biāo)，近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)湖泊、水庫沉積物營養(yǎng)元素的時(shí)空分布特征開展了大量研究[2-6]，主要對(duì)某一水庫不同部位、不同深度進(jìn)行沉積物采集并檢測其營養(yǎng)鹽含量，進(jìn)而獲取庫區(qū)范圍內(nèi)水平向、垂直向的營養(yǎng)鹽含量變化特征。目前對(duì)于某座水庫營養(yǎng)鹽的分布特征研究的多，在流域?qū)用娴难芯肯鄬?duì)較少。

江西省水庫總數(shù)位居全國第二，目前對(duì)水庫沉積物污染性的研究鮮有報(bào)道。為了解江西省水庫沉積物的有機(jī)物污染水平，筆者測定了鄱陽湖流域5大水系15座中型水庫沉積物中TP、TN、TOC含量并研究了其分布特征和來源，采用有機(jī)指數(shù)法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，以期為流域水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

截至2018年底，江西省建有水庫1.08萬座，其中大中型水庫285座。鄱陽湖流域由贛江、撫河、信江、饒河、修河五大河以及直接入湖河流組成，其中，鄱陽湖流域面積占江西省國土面積的96.6%。江西省地形以江南丘陵、山地為主，盆地、谷地廣布，略帶平原。地貌上屬江南丘陵的主要組成部分。省境東、西、南三面環(huán)山地，中部丘陵和河谷平原交錯(cuò)分布，北部則為鄱陽湖平原。江西省地處中亞熱帶，季風(fēng)氣候顯著，氣候類型復(fù)雜多樣，降水季節(jié)分配不均、易澇易旱。大部分地區(qū)的多年平均降水量為1 400～1 900mm，局部略小于1 400mm，或略大于1 900mm。

1.2 樣品采集及測定

2020年12月，采用水上作業(yè)平臺(tái)搭載便攜式鉆機(jī)采集了江西省15座中型水庫沉積物樣品，采樣點(diǎn)分布情況見表1。采樣的水庫涵蓋了江西省贛江、撫河、信江、饒河、修水五大水系及鄱陽湖環(huán)湖區(qū)，能較好地代表江西省水庫沉積物的特點(diǎn)。本次分別在水庫壩前、庫中、庫尾位置采集樣品8～10組，取壩前的一組進(jìn)行有機(jī)物含量檢測。TP、TN、TOC分別采用堿熔-鉬銻抗分光光度法、凱氏法、重鉻酸鉀氧化-外加熱法進(jìn)行測定。

表1 典型水庫詳情

1.3 評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)沉積物中營養(yǎng)鹽污染狀況，我國尚無統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前常用的評(píng)價(jià)方法主要包括有機(jī)指數(shù)法（包括有機(jī)氮）、污染指數(shù)法、富集系數(shù)法等。其中采用最多的是有機(jī)指數(shù)法。本文結(jié)合加拿大安大略省環(huán)境和能源部制定的沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指南以及有機(jī)指數(shù)（IO）和有機(jī)氮（WON）評(píng)價(jià)水庫沉積物有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽污染程度[7-9]，見表2和表3。

表2 淡水沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)mg/kg

表3 有機(jī)指數(shù)及有機(jī)氮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 營養(yǎng)鹽含量及分布特征

2.1.1 TP含量及分布特征

江西省典型水庫沉積物總磷含量見圖1，TP含量為178～1 310mg/kg，平均值609.13mg/kg。最大值為位于贛江下游的7號(hào)水庫，最小值為位于贛江上游的1號(hào)水庫。根據(jù)沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生生態(tài)毒性效應(yīng)的閾值為600mg/kg；當(dāng)沉積物濃度超過2 000mg/kg時(shí)，底棲生物將遭到明顯破壞[9，10]。江西省典型水庫沉積物TP含量平均值稍大于600mg/kg的閾值，表明有機(jī)物含量總體處于輕度污染狀態(tài)。與國內(nèi)其它流域湖泊水庫（海河流域100～1 142mg/kg，太湖流域128～2 655mg/kg）[9]相比，江西省典型水庫沉積物TP含量處于中等水平。

圖1 各水庫沉積物總磷含量分布圖

2.1.2 TN含量及分布特征

江西省典型水庫沉積物總氮含量見圖2，其TN含量為753～1 630mg/kg，平均值950.93mg/kg。最大值為位于撫河下游的9號(hào)水庫，最小值為位于贛江中游的4號(hào)水庫。相比于沉積物中TP含量，TN含量差異相對(duì)較小，最大值與最小值相差2倍。與國內(nèi)外部分水庫相比，TN含量處較低水平[7]。除8號(hào)、9號(hào)水庫較大外，其余水庫TN含量變化較為平穩(wěn)，表明研究區(qū)內(nèi)水庫沉積物TN含量差異較小，總體變幅不大。與沉積物環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比[10]，TN含量均處于污染最低級(jí)，表明水庫沉積物已經(jīng)受污染。

圖2 各水庫沉積物總氮質(zhì)含量分布圖

2.2 TOC含量及分布特征

江西省典型水庫沉積物總有機(jī)碳含量分布情況見圖 3，TOC 含量為 8 100～27 700mg/kg，平均值 14 907mg/kg。最大值為位于信江下游的10號(hào)水庫，最小值為位于贛江中游的5號(hào)水庫，最大值與最小值相差3.42倍，總體來看TOC含量相差不大。與國內(nèi)外部分水庫相比，TOC含量處中等水平[7]。

圖3 各水庫沉積物總有機(jī)碳質(zhì)含量分布圖

2.3 來源解析

沉積物有機(jī)碳與總氮比值TOC/TN是判斷有機(jī)質(zhì)來源的重要依據(jù)，其值越大，表明陸源輸入的占比越多。現(xiàn)有研究成果表明，水生生物由于含有較高的蛋白質(zhì)和脂類，通常TOC/TN比值較低，在4～10之間；若TOC/TN比值在10～20之間，表明為水生生物和陸生生物的混合來源；陸生維管植物TOC/TN比值范圍一般大于 20[7，8，11]。

江西省典型水庫沉積物有機(jī)質(zhì)的TOC/TN比值見圖4，其數(shù)值在7.18～30.04之間，平均值16.53。86.67%的水庫TOC/TN比值大于10。其中，TOC/TN比值10～20占總數(shù)的53.33%，表明水生動(dòng)物和陸地動(dòng)物是沉積物有機(jī)質(zhì)的主要來源；TOC/TN比值大于20的水庫5座，占總數(shù)的33.33%，該5座水庫沉積物有機(jī)質(zhì)的主要來源為陸生維管植物。

圖4 各水庫沉積物TOC/TN分布圖

2.4 污染狀況評(píng)價(jià)

研究區(qū)水庫沉積物有機(jī)指數(shù)IO的變化范圍為0.06～0.24（見表 4），平均值 0.13，總體呈較清潔等級(jí)（II級(jí)）。除10號(hào)水庫外，其它水庫沉積物有機(jī)指數(shù)均在0.05～0.2之間，為較清潔，占水庫總數(shù)的93.33%。有機(jī)氮 WON的變化范圍為 0.07～0.15（見表 1），平均值0.09，總體呈尚清潔等級(jí)。其中8號(hào)、9號(hào)水庫為IV級(jí)，處于有機(jī)氮污染狀態(tài)，占水庫總數(shù)的13.33%；其它13座水庫均處于尚清潔等級(jí)（III級(jí)）。

表4 水庫沉積物有機(jī)質(zhì)污染評(píng)價(jià)分析表

3 結(jié)論

（1）江西省典型水庫沉積物中TP含量為178～1 310 mg/kg，平均值609.13mg/kg，表明有機(jī)物含量總體處于輕度污染狀態(tài)；TN含量為753～1630mg/kg，平均值950.93mg/kg，表明水庫沉積物已經(jīng)受污染；TOC含量為8 100～27 700mg/kg，平均值14 907mg/kg。在空間分布上，TN、TOC含量差異較小，總體變幅不大。從流域尺度上看，贛江上游及中游水庫沉積物中TP、TN、TOC含量整體較低。

（2）TOC/TN 比值為 7.18～30.04，平均值 16.53。86.67%的水庫TOC/TN比值大于10，表明水生動(dòng)物和陸地動(dòng)物是沉積物有機(jī)質(zhì)的主要來源。與國內(nèi)其它流域湖泊水庫相比，江西省典型水庫沉積物TP、TOC含量處于中等水平，TN處于較低水平。

（3）有機(jī)指數(shù)IO的變化范圍為0.06～0.24，平均值0.13，總體呈較清潔等級(jí)（II級(jí)）；有機(jī)氮WON的變化范圍為0.07～0.15，平均值0.09，總體呈尚清潔等級(jí)（III級(jí)）。