梅溪湖表層沉積物營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)分布特征及污染評價

張小春　代丹　秦成　王瑞　王竹　韓增輝　呂克強　王輝　胡菊香　胡俊

摘要：探究梅溪湖沉積物營養(yǎng)物的空間分布特征及污染程度，為梅溪湖等城市景觀湖泊富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。2020年11月至2021年7月，分季節(jié)采集了梅溪湖表層沉積物（0～10 cm），分析其氮磷和有機質(zhì)等指標的時空分布特征和污染程度。結(jié)果表明：沉積物（0～10 cm）總氮、氨氮、硝氮、總磷、有效磷和有機質(zhì)的平均含量分別為（1 654.68±754.22）、（24.66±20.02）、（13.60±2.33）、（512.60±281.39）、（8.58±6.81） mg/kg和（2.84±1.43）%。湖區(qū)東部受人類活動影響較大，營養(yǎng)物和有機質(zhì)含量最高。沉積物總磷和硝氮含量在春季最高（4月），冬季（1月）最低；有效磷含量在春季（4月）最高，夏季（7月）最低；沉積物總氮、氨氮和有機質(zhì)含量沒有明顯的季節(jié)差異。梅溪湖沉積物總氮和總磷的含量變幅分別為667～4 000 mg/kg和184～1 475 mg/kg，均已超出我國東部淺水湖泊沉積物營養(yǎng)物參考閾值范圍；總氮和總磷的標準指數(shù)變幅分別為1.21～7.27和0.31～2.46，總氮全部超標，梅溪湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受氮元素污染較為嚴重。相關(guān)分析表明，沉積物有機質(zhì)與各形態(tài)氮磷營養(yǎng)鹽均顯著正相關(guān)，說明沉積物有機質(zhì)的降解和釋放對梅溪湖氮磷營養(yǎng)鹽具有重要影響。

關(guān)鍵詞：表層沉積物；有機質(zhì)；營養(yǎng)鹽；污染風(fēng)險；梅溪湖

中圖分類號：Q142? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2023）05-0107-07

與深水湖泊受人為干擾較小不同，淺水湖泊極易受到風(fēng)浪擾動和人類活動的影響，從而引發(fā)物質(zhì)在沉積物-水界面頻繁而復(fù)雜的交換過程（王新建等， 2013; 林建宇等， 2021）。沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，記錄著湖泊自身的生物-物理和地球化學(xué)過程，能直觀反映湖泊污染現(xiàn)狀及演變過程。另外，沉積物也是湖泊養(yǎng)分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)（高澤晉等， 2016），是湖泊外源污染負荷的匯。在一定的地球化學(xué)條件下，沉積物中的一部分營養(yǎng)物會通過孔隙水向上覆水釋放，成為湖泊營養(yǎng)鹽的內(nèi)源污染負荷（Singh et al， 2005）。近年來，隨著外源污染物輸入得到有效控制，長期累積的內(nèi)源污染物的釋放已成為我國東部一些湖泊富營養(yǎng)化及藍藻水華暴發(fā)的重要原因之一（孫洪波等， 2019；張嘉雯等， 2020）。已有研究表明，在湖泊外源氮、磷輸入得到有效控制的情況下，湖泊內(nèi)源氮、磷的釋放依舊會使水體富營養(yǎng)化狀態(tài)維持數(shù)年甚至數(shù)十年之久（Jeppesen et al， 2007）。因此，湖泊沉積物氮磷形態(tài)及內(nèi)源負荷的研究對于防止湖泊富營養(yǎng)化具有重要意義（杜奕衡等， 2018）。研究淺水湖泊沉積物中氮、磷和有機質(zhì)的含量及其形態(tài)分布空間特征，評價湖泊沉積物污染狀況，可以間接反映出湖泊水體污染情況（李運奔等， 2020），有助于深入探究淺水湖泊富營養(yǎng)化形成機制，對控制湖泊水體富營養(yǎng)化和建立水生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系具有重要意義。

長沙市梅溪湖屬于城市人工湖泊，于2012年修建完成，并投入運行。梅溪湖所在位置屬于岳麓山桃花嶺景區(qū)，原以農(nóng)田荒地為主。梅溪湖的功能定位是國家級新區(qū)湘江新區(qū)的城市“海綿體”，兼顧雨水調(diào)蓄、景觀觀賞等功能，對湘江新區(qū)的環(huán)境改善以及經(jīng)濟發(fā)展具有極其重要的作用（張小春等， 2021）。目前，尚未有學(xué)者對梅溪湖沉積物開展調(diào)查研究，本文以典型的城市淺水湖泊梅溪湖為研究區(qū)域，以該區(qū)域表層沉積物為研究對象，探究其沉積物營養(yǎng)物的空間分布特征并對其污染程度進行評價，以期為梅溪湖富營養(yǎng)化形成機制的科學(xué)研究提供第一手資料，從而更好地控制和調(diào)控梅溪湖的富營養(yǎng)化進程，為城市景觀湖泊水生態(tài)環(huán)境保護提供一定的理論依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)域概況

梅溪湖位于湘江一級支流龍王港的右岸，水域面積約170 hm2，正常蓄水位35.00 m，最高運行水位35.40 m，正常蓄水位以下庫容434.10萬m3，集雨面積12.31 km2，最大水深5 m，平均水深2.6 m （張小春等， 2021）。

1.2? ?樣品采集

梅溪湖表層沉積物調(diào)查于2020年11月和2021年1、4和7月進行，按照東區(qū)、西區(qū)和中部區(qū)域分7個點位進行樣品采集。利用北京新地標土壤設(shè)備有限公司的桿持重力兩用柱狀采泥器XDB0211和抓斗采樣器采集梅溪湖表層（0～10 cm）沉積物樣品28個。采樣點的分布見圖1，樣點按照湖區(qū)西南部（S1、S2、S3）、中部（S4、S5）和東北部（S6、S7）進行編號。所有沉積物樣品均以聚乙烯薄膜封裝，于-20℃下低溫保存，運回實驗室處理并分析。

1.3? ?沉積物樣品分析

表層沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥、去雜質(zhì)、研磨過篩后備用。沉積物總磷（TP）含量的測定采用HNO3--HF-HClO4法（Presley et al， 1992）。有效磷（AP）含量采用SMTS（Standard Measurements Testing Program of European Union）連續(xù)提取法測定（張文強等， 2016），有機質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀外加熱法測定，總氮（TN）濃度采用H2SO4-CuSO4-Se催化消煮后，用KDY-9820型凱氏定氮儀測定。各形態(tài)氮元素的測定首先需用KCl溶液經(jīng)定容、振蕩、靜置后制備沉積物浸提液。樣品浸提液經(jīng)堿性過硫酸鉀硝煮、0.45 μm濾膜過濾后直接上機用于氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）的測量。測定過程中所用試劑均為優(yōu)級純，所用的水均取自超純水儀（Milli-Q Advantage A10，Millipore，USA）。試驗所用器皿用稀酸浸泡過夜。

1.4? ?沉積物氮、磷風(fēng)險評價

針對沉積物環(huán)境污染風(fēng)險評價，目前我國尚未形成統(tǒng)一的評價方法和標準體系。部分學(xué)者采用有機質(zhì)指數(shù)和有機氮指數(shù)來衡量沉積物環(huán)境質(zhì)量（華江環(huán)等， 2021; 邱祖凱等，2016）。沉積物污染指數(shù)法是當(dāng)前普遍采用的一種評價方法，常常被用于評價各個污染因子的污染狀況（邱祖凱等， 2016; 王佩等， 2012）。對梅溪湖表層沉積物氮、磷的風(fēng)險評價采用單一因子標準指數(shù)法（岳維忠等， 2007; 盧少勇等， 2012）。單一污染因子i的一般標準計算關(guān)系為：[Pi=Ci/Cs]。式中，[Pi]為污染指數(shù)，[ Ci]為污染因子的實測值，[Cs]為污染因子在環(huán)境中的評價標準值，[Si]>1表示含量超過評價標準值，存在污染風(fēng)險。本研究采用的沉積物總氮和總磷的評價標準值與加拿大安大略省環(huán)境和能源部1992年發(fā)布的指南（Leivuori & Niemistoe， 1995）中能引起最低級別生態(tài)風(fēng)險效應(yīng)的總氮、總磷含量相一致。另外，參考我國學(xué)者對東部淺水湖泊沉積物總氮、總磷的閾值范圍（1 106～1 115 mg/kg和455～459 mg/kg）研究結(jié)果 （王健等， 2014; 高澤晉等， 2016），對梅溪湖表層沉積物營養(yǎng)鹽風(fēng)險狀況做進一步評價。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要采用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法，并在SPSS Statistics 23中進行。采樣點和沉積物空間分布圖用ArcGIS 10.3制作，數(shù)據(jù)制圖在Origin 2021上完成。

2? ?結(jié)果與討論

2.1? ?表層沉積物氮磷營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)空間分布

2.1.1? ?空間分布特征? ?梅溪湖表層沉積物（0～10 cm）營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)的空間分布特征如圖 2。監(jiān)測期間梅溪湖表層沉積物TN、NH4+-N、NO3--N、TP和AP的平均含量依次為（1 654.68±754.22）、（24.66±20.02）、（13.60±2.33）、（512.60±281.39）、（8.58±6.81）mg/kg，OM的平均含量為（2.84±1.43）%。表明梅溪湖沉積物中有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽濃度已經(jīng)處于相對較高的水平，其表層沉積物TN和TP含量已高于我國洞庭湖和鄱陽湖表層沉積物（王圣瑞等， 2012; 劉俊等， 2019）。整體來看，湖區(qū)東部（S6、S7）營養(yǎng)物和有機質(zhì)含量最高（P<0.05），湖區(qū)西部（S1、S2、S3）TN和NO3--N和OM高于湖區(qū)中部（S4、S5），但TP、AP和NO3--N卻低于湖區(qū)中部。

梅溪湖西南部湖區(qū)水生植物生長茂盛，水中氧含量較高，促進沉積物中NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化。此外，水生植物對磷的吸收較多，因此湖區(qū)西南部沉積物磷含量最低，但水生植物腐爛死亡過程可能會產(chǎn)生大量的有機質(zhì)和氮污染物，導(dǎo)致湖區(qū)西南部TN和NO3--N和OM高于湖區(qū)中部。梅溪湖東北部是人類活動較為頻繁的區(qū)域，該區(qū)域建有白沙灘，是居民休閑娛樂活動的場所，人類活動產(chǎn)生的污染物可直接進入湖體，導(dǎo)致表層沉積物各營養(yǎng)鹽指標和有機質(zhì)在此處均呈現(xiàn)最高的含量。湖區(qū)中部建有浮橋，水深較小，沉積物受水流和風(fēng)浪擾動較大，可能會對和營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)含量產(chǎn)生一定的影響。由此可見，對城市景觀型淺水湖泊來講，人類活動產(chǎn)生的污染物輸入和湖區(qū)水生植物分布對梅溪表層沉積物營養(yǎng)鹽的空間分布有著較大的影響。

2.1.2? ?季節(jié)變化? ?梅溪湖表層沉積物中TP、AP和NO3--N含量季節(jié)變化如圖3。營養(yǎng)鹽和OM在不同季節(jié)存在明顯差異（P<0.05）。梅溪湖區(qū)沉積物TP和NO3--N含量在在春季（4月）最高，冬季（1月）最低。AP含量在春季（4月）最高，在夏季（7月）最低。這可能是因為冬季梅溪湖來水較少，入湖河流攜帶的外源輸入的磷污染物較少，加之冬天溫度最低，沉積物中硝化細菌的硝化作用減弱，導(dǎo)致沉積物NO3--N含量較低。春季開始，氣溫升高降水增多，入湖磷污染物增加，導(dǎo)致TP和AP含量升高，而夏季水生植物大量增長，對AP的需求不斷加大，使得AP含量在夏季出現(xiàn)最低值。因此，梅溪湖水生植物生長和外源磷營養(yǎng)鹽輸入對沉積物營養(yǎng)鹽含量具有重要的調(diào)節(jié)作用。

表層沉積物不僅是氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)在水-沉積物界面交換的重要場所，還是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中水生植物、底棲生物和各類微生物的重要棲息地，也是水生植物重要的營養(yǎng)鹽來源（姚程等， 2021）。水生植物在生長過程中受到TN、NH4+-N濃度的影響，但是在形成成熟穩(wěn)定的群落后可以有效固氮，減少了外源型氮在湖泊生境中的積累（姚程等， 2021），但其周期性的衰亡也給水環(huán)境帶來不容忽視的負效應(yīng)（戚美俠等， 2017; Yu et al， 2018）。梅溪湖水生生物生長茂盛，水生植物的殘體和腐爛的枝葉的沉積，以及大量的浮游動物、魚類和底棲動物的代謝產(chǎn)物的長期持續(xù)累積，導(dǎo)致部分同化的氮磷和有機質(zhì)重新返回到沉積物中，為表層沉積物貢獻了大量的TN、NH4+-N和有機質(zhì)，這可能是梅溪湖表層沉積物TN、NH4+-N和OM含量沒有明顯的季節(jié)差異的重要原因。這也再次說明，在梅溪湖生態(tài)修復(fù)過程中，水生植物、浮游動物、魚類和底棲動物的生長代謝與水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的保持和水環(huán)境質(zhì)量的提升之間的關(guān)系需要更深入地研究。

2.2? ?表層沉積物營養(yǎng)鹽污染風(fēng)險評價

湖區(qū)沉積物表層（0～10 cm）TN和TP的標準指數(shù)見圖4。梅溪湖沉積物總氮和總磷的標準指數(shù)變化范圍分別為1.21～7.27和0.31～2.46，均值分別為3.01和0.85。梅溪湖表層沉積物總氮標準指數(shù)均大于1，可見表層沉積物TN含量全部超標。而TP大部分并未超標，只有湖區(qū)東北部表層沉積物TP的標準指數(shù)大于1。說明梅溪湖流域的環(huán)境質(zhì)量受到氮素的影響更為嚴重。

學(xué)者們對我國東部湖泊沉積物TN和TP的基準閾值進行了大量的研究，確定我國東部典型湖泊沉積物TN和TP的參考閾值范圍分別為1 106～1 115和455～459 mg/kg （王健等， 2014；高澤晉等， 2016）。當(dāng)前梅溪湖表層沉積物總氮和總磷含量分別為667～4 000 mg/kg（均值1 654.68 mg/kg）和184～1 475 mg/kg（均值512.60 mg/kg），已超出我國東部淺水湖泊沉積物的氮磷營養(yǎng)物參考閾值范圍（圖5），對湖泊生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了一定的威脅。雖然目前梅溪湖尚未觀測到大面積的藻華暴發(fā)，但存在富營養(yǎng)化潛在風(fēng)險。

2.3? ?表層沉積物營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)相關(guān)性分析

對梅溪湖表層沉積物氮磷形態(tài)和有機質(zhì)進行Pearson相關(guān)性分析（表1）?？梢钥闯觯废练e物中TN與TP、AP、NH4+-N、NO3--N和OM均呈顯著正相關(guān)。這說明梅溪湖沉積物氮磷和OM可能具有相同的來源（張杰等， 2019; 張嘉雯等， 2020）。沉積物各形態(tài)氮中NH4+-N與TN、TP、AP、和OM呈顯著正相關(guān)，而NO3--N只與TN和OM呈顯著正相關(guān)，這說明與NO3--N相比，NH4+的來源可能更為復(fù)雜，而NO3--N大多來源于沉積物有機質(zhì)中氮素的轉(zhuǎn)化。沉積物AP只與TN、NH4+-N和OM顯著相關(guān)，這說明沉積物有機質(zhì)的分解可釋放AP。沉積物OM與TN、TP、AP、NH4+-N、NO3--N均顯著正相關(guān)，這再次說明沉積物有機質(zhì)的降解和釋放對梅溪湖氮磷營養(yǎng)鹽具有重要影響。

通常，環(huán)境介質(zhì)中OM來自生活和農(nóng)業(yè)污染、水生植物以及陸源植物碎屑（余輝與張文斌等， 2010）。梅溪湖表層沉積物中的有機質(zhì)（OM）和總氮（TN）具有很強的相關(guān)性（r=0.958，P<0.01），這表明沉積物中的 OM 和 TN 主要來源于湖內(nèi)生長茂盛的水生植被，以及水生生物殘體和凋落物的腐爛分解。就梅溪湖而言，應(yīng)該加強湖內(nèi)水生植物結(jié)構(gòu)調(diào)整，依據(jù)水生植物生長特征，定期對生長過于茂盛的水生植物進行收割，消除因水生植物凋落、死亡以及腐爛分解造成的二次污染，從而降低表層沉積物中TN和OM含量?？紤]到梅溪湖屬于城市淺水湖泊，湖泊水域面積小，沉積物極容易受風(fēng)浪擾動，引起沉積物的再懸浮以及營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)中污染物的釋放。因此，梅溪湖沉積物中有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽內(nèi)源釋放風(fēng)險應(yīng)引起足夠關(guān)注。

3? ?結(jié)論

（1）? ?梅溪湖表層沉積物（0～10 cm）TN、NH4+-N、NO3--N、TP、AP和OM的平均含量依次為（1 654.68±754.22）、（24.66±20.02）、（13.60±2.33）、（512.60±281.39）、（8.58±6.81） mg/kg和2.84%±1.43%。湖區(qū)東部營養(yǎng)物和有機質(zhì)含量最高，湖區(qū)西部TN和NO3--N和OM高于湖區(qū)中部。人類活動對梅溪湖表層沉積物營養(yǎng)鹽的空間分布有著較大的影響。

（2）? ?梅溪湖沉積物TP和NO3--N含量在在春季最高（4月），冬季（1月）最低。AP含量在春季（4月）最高，在夏季最低（7月份）。沉積物TN、NH4+-N和OM含量沒有明顯的季節(jié)差異。梅溪湖水生植物生長和外源磷營養(yǎng)鹽輸入對沉積物營養(yǎng)鹽含量具有重要的調(diào)節(jié)作用。

（3）? ?梅溪湖沉積物總氮和總磷的標準指數(shù)變化范圍分別為1.2～7.27和0.31～2.46，湖區(qū)表層沉積物總氮含量全部超標，而梅溪湖大部分湖區(qū)磷的標準指數(shù)均值僅為0.85。梅溪湖的環(huán)境質(zhì)量受到氮素的影響更為嚴重。湖區(qū)表層沉積物總氮和總磷含量分別為667～4 000 mg/kg（均值1 654.68 mg/kg）和184～1 475 mg/kg（均值512.60 mg/kg），均已超出我國東部淺水湖泊沉積物的營養(yǎng)物參考閾值范圍，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)安全構(gòu)成了一定的威脅。

（4） 梅溪湖表層沉積物TN與TP、AP、NH4+-N、NO3--N和OM均呈顯著正相關(guān)。沉積物各形態(tài)氮中NH4+-N與TN、TP、AP、和OM呈顯著正相關(guān)；而NO3--N只與TN和OM呈顯著正相關(guān)；OM與TN、TP、AP、NH4+-N、NO3--N均顯著正相關(guān)，說明沉積物有機質(zhì)的降解和釋放對梅溪湖氮磷營養(yǎng)鹽具有重要影響。梅溪湖沉積物中有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽釋放風(fēng)險應(yīng)引起足夠關(guān)注。

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（責(zé)任編輯? ?鄭金秀）

Distribution and Pollution Assessment of Nutrients and Organic Matter

in Surface Sediments of Meixi Lake

ZHANG Xiao‐chun1， DAI Dan2， QIN Cheng1， WANG Rui2， WANG Zhu1， HAN Zeng‐hui1，

LV Ke‐qiang2， WANG Hui1， HU Ju‐xiang2，HU Jun2

（1. Hunan Xiangxin Water Environmental Protection Investment and

Construction Co.， Ltd.， Changsha? ?410006， P.R. China;

2. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic Projects and Restoration of Aquatic Ecosystems

of Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology of MWR and CAS， Wuhan? ?430079，P.R. China）

Abstract：Meixi Lake is a shallow urban lake， and its sediments reflect the aquatic ecology of the lake and greatly influence lake eutrophication. In this study， we explored the temporal and spatial distribution and nutrient levels in the surface sediment of Meixi Lake， aiming to provide basic data and theoretical evidence for preventing eutrophication of Meixi Lake and protecting water quality in urban lakes. From November 2020 to July 2021， surface sediments （0-10 cm） of Meixi Lake were sampled seasonally at seven sites （S1-S3 in the southwest area， S4-S5 in the central area， and S6-S7 in the northeast area） for the determination of TN， NH[+4]-N， NO[-3]-N， TP， available phosphorus （AP）， and organic matter （OM）. Sediment （0-10 cm） concentrations （mean±SD） of TN， NH[+4]-N， NO[-3]-N， TP， AP and OM were， respectively， （1 654.68±754.22）， （24.66±20.02）， （13.60±2.33）， （512.60±281.39）， （8.58±6.81） mg/kg and （2.84±1.43）%. Human activities greatly influence the spatial distribution of nutrients in Meixi Lake sediments. Spatially， the highest nutrient and organic matter concentrations occurred in the eastern area of the lake. Seasonally， sediment concentrations of TP and NO[-3]-N were highest in spring （April） and lowest in winter （January）， while AP was highest in spring （April） and lowest in summer （July）. There were no obvious seasonal differences in sediment levels of TN， NH[+4]-N or OM. Sediment TN and TP in Meixi Lake ranged from 667 mg/kg to 4 000 mg/kg and 184 mg/kg to 1 475 mg/kg， respectively， exceeding the reference threshold range for nutrients in the sediments of shallow lakes in eastern China， with TN and TP standard index ranges of 1.21-7.27 and 0.31-2.46， respectively. TN levels in surface sediments at all sites exceeded the standard， and excess nitrogen seriously affects the ecological environment quality of Meixi Lake， threatening the lake ecosystem. Correlation analysis shows a significant positive correlation between sediment OM and TN， TP， AP， NH[+4]-N， and NO[-3]-N， indicating that degradation of organic matter and subsequent release of nutrients in Meixi Lake sediments has a large impact on nitrogen and phosphorus levels.

Key words： surface sediment; organic matters; nutrients; pollution risk; Meixi Lake

收稿日期：2021-11-22? ? ? 修回日期：2023-08-25

基金項目：國家自然科學(xué)基金（42007433）；長沙市科技計劃項目（kh2201040）；湖南省投資項目《梅溪湖水質(zhì)保障工程》（2020-430101-46-01-017317）。

作者簡介：張小春，男，高級工程師，研究方向為河湖流域治理技術(shù)、城鎮(zhèn)生活污水處理技術(shù)等。E-mail：2987967176@qq.com

通信作者：胡俊，男，研究員，研究方向為環(huán)境生態(tài)學(xué)。E-mail：jhu@ihe.ac.cn