洱海沉積物特征及其對上覆水的影響

奚滿松，黃明雨

（大理州洱海湖泊研究院，云南 大理 671000）

0 引言

沉積物-水界面是湖泊水環(huán)境理化性質(zhì)的躍變區(qū)、元素價態(tài)變化的敏感區(qū)和生物代謝活動的核心區(qū)，界面上物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化、交換過程極其活躍。從現(xiàn)有的相關(guān)研究來看，絕大部分的湖泊水環(huán)境和水生態(tài)問題都與沉積物-水界面密切相關(guān)[1]。洱海流域壩區(qū)耕地土壤肥沃，種植業(yè)發(fā)展迅猛，農(nóng)業(yè)面源污染凸顯，特別改革開放以來，大理地區(qū)城鎮(zhèn)化進程加速推進，流域人口飛速增長，城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活對湖體的侵蝕加重，環(huán)洱海27條主要入湖河流水質(zhì)持續(xù)下降，以大蒜等高水高肥作物為代表的農(nóng)業(yè)面源污染加重，導(dǎo)致洱海累積性污染問題嚴(yán)重，尤其是重點湖灣、河口區(qū)、魚塘區(qū)及村落沿岸區(qū)域是沉積物氮磷含量較高區(qū)域。

“十一五”以來，大理州開展了全面而系統(tǒng)的洱海保護治理工作，洱海的入湖污染負(fù)荷得到大幅削減，水質(zhì)下降的趨勢得到了遏制，湖內(nèi)水生態(tài)逐步恢復(fù)，然而水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，洱海依然面臨因富營養(yǎng)化加劇導(dǎo)致的水質(zhì)惡化、藍(lán)藻爆發(fā)的潛在風(fēng)險。有研究指出當(dāng)外源性污染負(fù)荷得到根本控制，處于富營養(yǎng)化的湖泊水體中TN、TP濃度卻下降不明顯，究其原因沉積物釋放引起的內(nèi)源性污染是影響水質(zhì)類別的重要因素[2]。洱海沉積物中全氮和總磷的含量較高，具備極大的釋放潛能。受外源入湖污染、藻屑沉積、沉水植被退化以及水文水動力等條件的影響，洱海沉積物污染分布不均，不同湖區(qū)沉積物淤積類型、污染程度和釋放風(fēng)險差別較大。本研究通過對洱海沉積物調(diào)查分析以及沉積物再懸浮模擬實驗，進一步掌握洱海沉積物粒徑及碳氮磷分布特征和底泥再懸浮氮磷營養(yǎng)鹽釋放通量對洱海水質(zhì)的影響，以期為洱海保護治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

根據(jù)《洱海及其主要入湖河流水質(zhì)監(jiān)測評價工作方案》，在洱海湖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測點位下方設(shè)置19個沉積物監(jiān)測點位，其中北部6個點位，中部7個點位，南部6個點位，具體點位布設(shè)如圖1。

圖1 洱海湖區(qū)沉積物采樣點位

在監(jiān)測點位測定水深，使用柱狀采泥器采集沉積物，現(xiàn)場測量并記錄各沉積層厚度，之后取沉積物樣品（0~30 cm）混勻后裝入自封袋，帶回實驗室風(fēng)干后研磨，之后過100目篩后干燥至恒重，定量測定理化指標(biāo)，應(yīng)用土壤檢測標(biāo)準(zhǔn)測定沉積物有機質(zhì)、總磷和全氮含量。

沉積物再懸浮模擬實驗如下：每個點位取三組1000 mL錐形瓶，將經(jīng)前處理的底泥風(fēng)干樣10 g置于錐形瓶中。每瓶加入模擬湖水（284國控點表層水，Ⅱ類）1000 mL，避光放置。分別于1 d、2 d、4 d、8 d、16 d、32 d、64 d用注射器抽取100 mL水樣測定不同形態(tài)氮和磷。氮形態(tài)測定包括TN、DTN、NH3-N（AN）、NO3-N（NN）、NO2-N（NIT），其中DON=DTN-AN-NN-NIT；磷形態(tài)測定包括TP、IP、DTP、PO4-P，其中OP=TP-IP。取樣后隨即補充至1000 mL，按下式計算釋放強度ω'：

式中：V—模擬湖水的體積，L；Cn—第n次取樣時氮磷濃度，mg/L；C0—起始氮磷濃度，mg/L；Ca—補充水后氮磷濃度，mg/L；n—采樣次數(shù)；Vn—每次取樣體積，mL；ω—每次釋放質(zhì)量，mg；ω'—釋放強度，mg/m2；β—釋放速度，mg/(m2?d)；t—釋放時間，d；S—沉積物-水界面面積，m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 洱海沉積物沉積特征

2.1.1 沉積物分層

根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，將洱海沉積物自上向下分為腐殖質(zhì)層、污染層、過渡層、沉積層。腐殖質(zhì)層厚度為0~20 cm，極大值出現(xiàn)在北部沙坪灣、東南部紅山灣和南部西洱河出湖口區(qū)域；污染層則以黑色為主，厚度0~55 cm，全湖污染層的厚度均值為31±9.8 cm，污染層最深區(qū)域南部西岸，次高值出現(xiàn)在雙廊附近；過渡層則多呈現(xiàn)黃色、灰色或黃灰色，軟塑狀，過渡層厚度為7~32 cm，全湖過渡層厚度均值為24±7.6 cm，最深區(qū)域在北部沙坪灣、西南部及原魚塘退湖區(qū)域（西部）；沉積層的顏色較淺，大多為灰色且硬度較大。

2.1.2 沉積物粒徑

在全湖不同位置的沉積物粒徑呈現(xiàn)較大差異，其中Dav最大點位在280采樣點處，其值為63.1 μm，而Dav最小點位的值僅為12.2 μm，位于286采樣點處。從洱海沉積物粒徑空間分布來看，粒徑較大的地區(qū)主要位于洱海西側(cè)近岸區(qū)域，其余區(qū)域粒徑均較小[3]。洱海湖區(qū)水體同時受到風(fēng)生流與吞吐流的作用，其中又以前者為主。洱海北部湖區(qū)和南部湖區(qū)的沉積物的中值粒徑相對較小，在風(fēng)生流作用下，沉積物中氮磷營養(yǎng)鹽的釋放速率更快、吸附-解析平衡釋放量更大，即存在極大的釋放風(fēng)險[4]。

表1 洱海湖區(qū)沉積物粒度分布

2.2 沉積物碳氮磷含量及分布特征

2.2.1 有機質(zhì)含量分布

湖泊沉積物中有機質(zhì)是指以各種形態(tài)存在于沉積物中的含碳的有機物，包括動植物殘體、微生物及其代謝的各種有機物質(zhì)。沉積物中的有機質(zhì)是植物營養(yǎng)的主要來源之一，能改善沉積物的物理性質(zhì)，加速沉積物中營養(yǎng)元素的分解，促進水生植被的生長發(fā)育，加快微生物和沉積物生物的新陳代謝，提高沉積物的緩沖性的作用[5]。洱海沉積物中污染層有機質(zhì)含量12.3~26.1 g/kg，均值為23.24±3.49 g/kg。中部（23.8 g/kg）＞北部（23.2 g/kg）＞南部（22.7 g/kg），沉積物有機質(zhì)含量極大值區(qū)域主要集中在北部湖灣、湖心平臺和東南部湖區(qū)。

2.2.2 全氮含量分布

湖泊沉積物中全氮是指沉積物中各形態(tài)氮素含量之和。沉積物全氮含量隨沉積物深度的增加而驟然降低，沉積物全氮含量始終處于動態(tài)變化，其含量增減取決于氮的積累和消耗的相對差，尤其是有機質(zhì)的生物積累和水解作用的博弈[6]。洱海沉積物污染層中總氮含量2190~8340 mg/kg，均值為5172±982.6 mg/kg，最高值出現(xiàn)在湖心平臺802點位，最低值出現(xiàn)在南部小關(guān)邑附近286點位。洱海沉積物全氮含量區(qū)域分布總體表現(xiàn)為南部（5913 mg/kg）＞中部（4907 mg/kg)）＞北部（4740 mg/kg）。沉積物污染層全氮含量極大值區(qū)域主要分布在湖心平臺和南部湖區(qū)。

2.2.3 總磷含量分布

湖泊沉積物中總磷是指沉積物中磷的總貯量，包括有機磷和無機磷。沉積物中的磷元素主要是以遲效性狀態(tài)存在，總磷（TP）含量增加主要來自鐵、鋁磷（Fe/Al-P），其次是有機磷（OP），并且TP和無機磷（IP）之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，同時，沉積物中TP分布主要受IP控制[7]。洱海沉積物總磷含量607~1240 mg/kg，均值為904±189.8 mg/kg，極大值區(qū)域出現(xiàn)在湖心平臺803附近，最低值出現(xiàn)在280點位。＞1000 mg/kg的點位共有5個，占總監(jiān)測點位的26.31%，主要集中在湖心平臺附近，其次位于雙廊。各分區(qū)污染層總磷含量分布總體表現(xiàn)為中部（958 mg/kg)）＞南部（882 mg/kg）＞北部（863 mg/kg）。洱海沉積物污染層總磷含量高值點位主要集中在湖心平臺深水區(qū)。

根據(jù)美國EPA制定的沉積物分類標(biāo)準(zhǔn)：沉積物中全氮＜1000 mg/kg為輕度污染區(qū)，全氮1000~2000 mg/kg為中度污染區(qū)，全氮＞2000 mg/kg為重度污染區(qū)；總磷＜420 mg/kg為輕度污染區(qū)，總磷420~650 mg/kg屬于中度污染區(qū)，總磷＞650 mg/kg為重度污染區(qū)。洱海沉積物全氮均值5172±982.6 mg/kg，屬于重度污染，總磷均值904±189.8 mg/kg也屬于重度污染，可見長期的沉積過程使得洱海沉積物中累積了大量污染物。

表2 洱海沉積物碳氮磷含量測定結(jié)果

2.3 沉積物再懸浮營養(yǎng)鹽釋放特征

洱海沉積物再懸浮實驗表明，氨氮吸附-解析平衡濃度0.32~2.74 mg/L，洱海水體氨氮濃度在0.1~0.2 mg/L，沉積物中氨氮總體表現(xiàn)為釋放狀態(tài)，氨氮的最大釋放量為9.98~28.32 mg/kg，遠(yuǎn)低于長江中下游湖泊，氨氮釋放能力相對較小，氨氮沉積空間格局呈中部區(qū)域較高，而南北區(qū)域較低的特征；沉積物中磷的吸附-解析平衡濃度（0.013~0.043 mg/L）遠(yuǎn)低于長江中下游湖泊（0.012~0.416 mg/L），目前洱海沉積物釋放磷較少，但磷的最大釋放通量（6.14~15.34 mg/kg）遠(yuǎn)高于長江中下游湖泊（0.38~9.46 mg/kg），表明洱海沉積物具備較強的磷釋放潛能。洱海全湖沉積物年氮釋放量為179.39~609.6 t/a，其中氨氮170.26~559.3 t/a、硝氮9.13~50.3 t/a，總磷釋放通量為12.09 t/a。按洱海蓄水量為30億m3推算，總氮對內(nèi)源污染的貢獻最大為0.2032 mg/L，其中氨氮0.1862 mg/L（占總氮的91%）、硝氮0.0172 mg/L（占總氮的9%）；總磷的釋放通量為12.09 t/a，正磷酸鹽年釋放通量為6.02~12.09 t/a，總磷對于內(nèi)源污染的貢獻為0.004 mg/L。

洱海沉積物無機氮磷擴散通量低于我國五大淡水湖，但是有機氮磷含量比卻遠(yuǎn)高于五大淡水湖[8]。模擬實驗表明洱海沉積物有機磷對污染負(fù)荷有更大的貢獻，其潛在釋放風(fēng)險和對藻類生長的營養(yǎng)鹽供給作用不可忽視。洱海沉積物中有機氮的釋放通量為6.05~12.95 mg/（m2·d），均值為8.42 mg/（m2·d），占總氮釋放通量的60%；有機磷釋放通量0.03~0.06 mg/（m2·d），均值為0.05 mg/（m2·d），占總磷釋放通量的33%。浮游植物吸收無機磷中約25%~41%來自于有機磷分解轉(zhuǎn)化，微囊藻生長可利用溶解態(tài)有機磷作為磷源，而使其成為優(yōu)勢種[9]?？梢?，有機氮磷在洱海水環(huán)境中可能具有關(guān)鍵作用，沉積物有機氮磷釋放帶來的污染負(fù)荷值得重視。

3 結(jié)論

（1）洱海沉積物厚度空間差異顯著，洱海西側(cè)近岸區(qū)域粒徑較大其余區(qū)域粒徑較小；

（2）長期的沉積過程使得洱海沉積物中積蓄了大量污染物，全氮和總磷含量均已處于重度污染；

（3）沉積物氮磷釋放通量總體較低局部較高，氮磷營養(yǎng)鹽內(nèi)源性污染負(fù)荷對全湖水質(zhì)影響不大，其中有機氮磷釋放通量較大，其影響不可忽視。

4 建議

深入開展洱海沉積物-水界面過程的細(xì)化研究，試點沉積物疏浚工程。提升洱海沉積物-水界面信息獲取技術(shù)應(yīng)用和開發(fā)，三維表征和斷層掃描影像分析的應(yīng)用有助于過程機理的研究；推進沉積物-水界面過程和效應(yīng)研究模型的構(gòu)建和應(yīng)用，實際復(fù)雜環(huán)境中物質(zhì)遷移和轉(zhuǎn)化需要借助模型的分析才能揭示其機制；結(jié)合沉積物研究和勘測結(jié)果，選擇合適區(qū)域開展洱海污染沉積物環(huán)保疏浚工程試點。

改善洱海入湖河流水質(zhì)[10]，及時清理藍(lán)藻堆積打撈死亡水草，減少污染物沉積。沉積物主要來自于入湖河流裹挾的碎屑和顆粒填充物，其次是湖體內(nèi)形成的化學(xué)沉積和生物沉積物。加強初期雨水防控、河道清淤及河道排污口整治，最大限度減少入湖溝渠、地表徑流的輸入性沉積物；藻屑在高密度堆積下，會引起水體缺氧甚至厭氧，繼而導(dǎo)致氮、磷營養(yǎng)鹽及溶解性有機物的大量釋放；死亡水草在湖區(qū)的大量和長時間堆積，也同樣會使沉積物-水界面發(fā)生高通量營養(yǎng)物釋放。

提升洱海淺水區(qū)植物覆蓋度，恢復(fù)底棲動物生境[11]，減小水力擾動引發(fā)沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放。風(fēng)浪所引發(fā)的動力事件導(dǎo)致沉積物磷的爆發(fā)性釋放，水力擾動引起沉積物-水界面的壓力差是氨氮向上覆水?dāng)U散的主要原因，提高水草覆蓋面積有利于降低風(fēng)浪和湖流的擾動。底棲動物是有機碎屑食物網(wǎng)的基礎(chǔ)成員，提高其密度和生物多樣性有助于碎屑的生物轉(zhuǎn)移。