鄱陽湖南昌湖區(qū)典型斷面總磷超標(biāo)成因

朱利英,鄭利兵,王亞煒,張 洪,束禮敏,桂雙林,夏 嵩,閆 冰,劉吉寶,胡大洲,4,陶茂梁,高 婕,魏源送,4*(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 10008；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,水污染控制實(shí)驗(yàn)室,北京 10008；3.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 10008；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；.江西省科學(xué)院能源研究所,江西 南昌 330029；.南昌市新建生態(tài)環(huán)境局,江西南昌 330100；.南昌市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江西 南昌 330038)

鄱陽湖是我國(guó)最大的淡水湖泊[1-3],總磷(TP)污染問題突出.當(dāng)前,對(duì)于鄱陽湖P 污染已經(jīng)開展了一系列研究[4-9],但針對(duì)P 污染來源結(jié)論存在差異.基于流域源-匯過程,鄱陽湖匯水范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)農(nóng)田水、城市廢水等外來輸入面源污染是鄱陽湖P 的主要來源,貢獻(xiàn)率分別為56.4%和30.6%[2,6,10].而在流域湖庫群等連通水系的調(diào)研發(fā)現(xiàn),逐級(jí)支流P 輸送并非各級(jí)流域P 的主要來源,內(nèi)源是其主要貢獻(xiàn)源,且伴隨氣候變化和支流水環(huán)境改善,底泥將在P 循環(huán)中主要表現(xiàn)為源[11-12].

在表層水中,水體活性磷包括有機(jī)磷和無機(jī)溶解態(tài)磷,以顆粒態(tài)有機(jī)磷的形式存在[13].溶解性有機(jī)物(DOM)作為河湖水體顆粒物重要化學(xué)組成部分之一,是一種脂肪族和芳香族聚合物的非均相混合物,其組成會(huì)隨時(shí)間和空間的變化而發(fā)生變化[14-15],不同污染來源的DOM 其結(jié)構(gòu)組成具有特異性,因此DOM 作為天然示蹤劑,已被廣泛用于定性識(shí)別和監(jiān)測(cè)水體環(huán)境中有機(jī)污染來源[16-17].當(dāng)死亡有機(jī)體下沉?xí)r,P 會(huì)流失到深層水或沉積物中,而這部分P 能否到達(dá)表層水則取決于湖水水動(dòng)力和表層沉積物分布特征及其運(yùn)移趨勢(shì)[13,18].研究發(fā)現(xiàn),沉積物粒徑及元素組成特性等影響水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分布,且對(duì)P有環(huán)境指示作用[19-20].

近年來隨著長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)行動(dòng)方案的持續(xù)實(shí)施,城市水環(huán)境質(zhì)量取得明顯改善.鄱陽湖主要入湖河流-贛江III 類(《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002) )以上水質(zhì)占比由81.3%(2013 年)上升至98.7%(2021 年);且近年贛江磷負(fù)荷輸入處于波動(dòng)下降趨勢(shì)[21].然而,鄱陽湖南昌湖區(qū)南磯山國(guó)家控制斷面水質(zhì)的日數(shù)據(jù)顯示,該斷面2019～2021 年TP全年超標(biāo)天數(shù)平均占比為74.96%,2021 年甚至達(dá)92.90%[9].鄱陽湖入湖支流水環(huán)境改善情況下,湖區(qū)水質(zhì)并未隨之改善.基于此,本研究選擇南磯山斷面及其匯入?yún)^(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,通過實(shí)地調(diào)查,深入開展水環(huán)境因子、DOM 指紋圖譜和沉積物分布及運(yùn)移特征分析,探究斷面TP超標(biāo)成因,為鄱陽湖水環(huán)境質(zhì)量改善和污染控制措施實(shí)施提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

鄱陽湖是長(zhǎng)江流域最大的過水性、季節(jié)性通江淡水湖泊,位于江西省北部及長(zhǎng)江中下游南岸[22].南磯山斷面是鄱陽湖入湖徑流最大的贛江河口斷面,位于鄱陽湖南磯山濕地國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)(圖1),水環(huán)境質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002) 湖庫III 類標(biāo)準(zhǔn);其周邊神宕湖、紅興湖、北甲湖等碟形湖是越冬候鳥的重要棲息地[23-25].

圖1 采樣點(diǎn)位置示意[17]Fig.1 Location of sample sites

1.2 樣品采集與處理

采樣點(diǎn)分布如圖1 所示,鄱陽湖南昌湖區(qū)南磯山斷面及其匯入河段共6 個(gè)采樣點(diǎn)(NJ1、NJ2、NJ3、NJ4、NJ5 和NJ6),其中NJ6 為南磯山斷面自動(dòng)監(jiān)測(cè)船點(diǎn)位,NJ1 為主要匯入河流-太子河末端點(diǎn)位,NJ2為主要匯入河流-雙嶺河末端點(diǎn)位,NJ3、NJ4 和NJ5分別為斷面周邊主要碟形湖-紅興湖、下北甲湖和神宕湖匯入口.

基于鄱陽湖季節(jié)性水位波動(dòng)特征[27-28],本研究采用鄱陽湖4 個(gè)水位變化期,即漲水期(4～6 月)、洪水期(7～9 月)、退水期(10～11 月)與枯水期(12～次年3 月),開展典型斷面水環(huán)境質(zhì)量調(diào)查.于2021 年10月(退水期)和12 月(枯水期)、2022 年5 月(漲水期)和7 月(洪水期)采用SN-300 型采樣器在水面下約50cm 混合收集斷面及匯水區(qū)域表層水,存放于帶有標(biāo)簽的1L 聚乙烯瓶中.為探索沉積物狀況,于2021 年10 月同步采用自重力柱狀采泥器采集沉積物柱狀樣,采樣過程中盡量保持沉積物-水界面不受擾動(dòng);現(xiàn)場(chǎng)采用虹吸法收集上覆水后,將沉積物柱芯1～5cm 按照每1cm 進(jìn)行分層,5cm 以下按照每5cm 進(jìn)行分層.上覆水和1～5cm 的分層沉積柱狀樣存放于帶有標(biāo)簽的50mL 聚乙烯離心管中,5cm 以下分層樣品存放于帶有標(biāo)簽的自封袋中.表層水和沉積物樣品避光低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)分析處理.

1.3 樣品分析測(cè)定

1.3.1 表層水 樣品采集現(xiàn)場(chǎng)采用多功能水質(zhì)檢測(cè)儀(HQ43d,德國(guó)WTW)測(cè)定pH 值和濁度(NTU);實(shí)驗(yàn)室采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定總磷(TP,mg/L).采用總有機(jī)碳測(cè)定儀(multi N/C 2100,德國(guó)耶拿)測(cè)定總有機(jī)碳(TOC,mg/L).表層水溶解性有機(jī)物(DOM)測(cè)定采用三維熒光光譜儀(F-7000,日本日立).將分析水樣預(yù)先經(jīng)0.45μm 濾膜過濾,通過超純水稀釋樣品直至其吸光度A254<0.05.熒光分光光度計(jì)激發(fā)光源為150W 氙燈,PMT 電壓為400V;激發(fā)波長(zhǎng)(λEx)范圍為200～400nm,發(fā)射波長(zhǎng)(λEm)范圍為220～550nm,激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)狹縫寬度均為5nm,掃描速度為12000nm/min.使用Milli-Q 超純水拉曼光譜強(qiáng)度進(jìn)行空白校訂[29].使用 MATLAB R2020b 消除瑞利散射峰和拉曼散射峰后,采用區(qū)域積分法將不同激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)組成的三維熒光光譜區(qū)域劃分為I,II,III,IV 和V 等共5 個(gè)區(qū)域(表1)[30-32]. 平行因子分析(PARAFAC) 建模采用DOMFluor 工具箱進(jìn)行DOM 組分分析[29].

表1 三維熒光不同區(qū)域劃分及組分類型Table 1 3D-fluorescence of different regions and component types

1.3.2 沉積物 采用激光粒度儀(Mastersizer 3000,英國(guó)Malvern 公司)測(cè)定沉積物粒度,采用Folk-Ward方法計(jì)算沉積物的粒度參數(shù)(平均粒度Mz、分選系數(shù)Sd、偏度Sk和峰態(tài)KG)[33];采用冷凍干燥機(jī)(FD-1A-50 型,北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)干燥沉積物樣品,去除貝殼、石子、植物殘?jiān)入s質(zhì),研磨過100 目篩后進(jìn)行后續(xù)分析.根據(jù)《土壤總磷的測(cè)定堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ-632-2011)測(cè)定沉積物TP;采用一維孔隙水?dāng)U散模型法計(jì)算沉積物P的釋放通量,該模型假定沉積物和上覆水之間的物質(zhì)交換過程為平衡狀態(tài),主要受濃度擴(kuò)散控制,因此其擴(kuò)散通量(F)可運(yùn)用Fick 第一定律進(jìn)行估算,該方法更適合評(píng)價(jià)沉積物物質(zhì)長(zhǎng)期釋放特征,能夠反映出沉積物對(duì)物質(zhì)是釋放或吸附狀態(tài),并計(jì)算通量[34-35].

式中:F 為沉積物-水界面擴(kuò)散通量,mg/(m2·d);? c/ ? x為沉積物-水界面物質(zhì)濃度梯度,mg/(L·cm);Ds為考慮了沉積物彎曲效應(yīng)的實(shí)際分子擴(kuò)散系數(shù),m2/s,其與孔隙度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:Ds=φD0(φ < 0.7);Ds= φ2D0(φ > 0.7),其中D0為無限稀釋溶液的理想擴(kuò)散系數(shù).對(duì)于 HPO42-,D0=6.12×10-6cm2/s.φ 為沉積物孔隙度,其計(jì)算方法見下式:

式中:Ww為沉積物鮮重,g;Wd為沉積物干重,g;ρ 為表層沉積物平均密度與水密度比值,一般取2.5.

2 結(jié)果與討論

2.1 水環(huán)境質(zhì)量特征

2.1.1 水質(zhì) 如圖2(a)所示,4 個(gè)水期南磯山斷面及其匯入河段pH值變化范圍為6.79～8.79,平均值為7.44.退水期平均pH 值最低(7.11),洪水期平均pH 值最高(7.80),且兩者具有極顯著性差異(P<0.01,ANOVA).相比其他水期,洪水期和漲水期pH 值的變異系數(shù)(CV)較高,分別為8.14%和6.52%,說明在洪水期和漲水期,匯入河流及周邊碟形湖水體對(duì)斷面水質(zhì)的影響較大.從圖2(b)中可以看出,枯水期水體濁度最高(均值為320.83NTU),分別是漲水期和洪水期的24.06 倍和3.81 倍;其次為退水期,濁度均值為228.83NTU.統(tǒng)計(jì)分析表明,枯水期和退水期的濁度與漲水期和洪水期具有極顯著性差異(P<0.01,ANOVA).從鄱陽湖退水沿程來講,除漲水期外,采樣點(diǎn)NJ5在各水期的濁度明顯較高;NJ5位于距離斷面最近的碟形湖-神宕湖出口,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),受長(zhǎng)江十年禁漁政策影響,鄱陽湖碟形湖原有閘門受到嚴(yán)重破壞,基本處于全年開放狀態(tài),其與河道水體的自由交換對(duì)斷面水環(huán)境質(zhì)量影響較大.

圖2 不同水文期的采樣點(diǎn)水質(zhì)特征和TOC 含量Fig.2 Characteristics of water quality and TOC of sampling sites in different hydrological periods

朱利英等[9]研究發(fā)現(xiàn)TP 是南磯山斷面水環(huán)境質(zhì)量的主要超標(biāo)因子,且枯水期超標(biāo)倍數(shù)最高(2.28倍).本研究2021～2022 各水期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與其研究結(jié)果一致(圖2(c));枯水期和退水期斷面TP 超標(biāo)倍數(shù)分別為3.06 倍和2.78 倍,漲水期斷面TP 濃度最低,為0.08mg/L.從退水沿程來講,除洪水期外,各水期匯入支流采樣點(diǎn)NJ1 和NJ2 的TP 濃度均高于NJ6(斷面);進(jìn)入?yún)R合河道后,受各碟形湖水體影響,NJ4～NJ6采樣點(diǎn)TP 濃度差異不明顯,變異系數(shù)均值為3.44%.

2.1.2 溶解性有機(jī)物 TOC 含量可用于表征水體中有機(jī)物含量[36].如圖2(d)所示,2021～2022 年斷面TOC 濃度各采樣點(diǎn)變化范圍為2.44～21.82mg/L,均值為10.95mg/L,高于長(zhǎng)江干流TOC 濃度(范圍為1.30～3.30mg/L)[37],而與受陸域人為污染嚴(yán)重的河流-河口系統(tǒng)的濃度相似,如渤海小清河河口[38]和波羅的海芬蘭河流河口[39].申釗穎等[40]采集2018 年4 月南磯濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)水樣監(jiān)測(cè)其水體TOC濃度均值為3.89mg/L,與本研究5 月監(jiān)測(cè)結(jié)果相似(3.34mg/L).各水期TOC 濃度變化趨勢(shì)與濁度、TP濃度一致,其在退水期和枯水期的濃度顯著高于漲水期和洪水期(P<0.01,ANOVA).

采用區(qū)域積分法將熒光光譜劃分為5 個(gè)組分分區(qū)[18,41-42],如圖3 所示,南磯山斷面水體DOM 熒光強(qiáng)度在退水期、枯水期、漲水期和洪水期差異明顯,其中退水期和枯水期熒光強(qiáng)度顯著高于漲水期和洪水期.由各區(qū)域熒光組分占比可以看出(圖4(a)),4個(gè)水期各采樣點(diǎn)5 個(gè)熒光組分積分標(biāo)準(zhǔn)體積在總積分中占比均值從大到小依次為III 富里酸類物質(zhì)(37.49%～42.72%)>II 色氨酸類蛋白質(zhì)(31.73%～33.17%)>V 腐殖酸類物質(zhì)(13.86%～16.87%)>I 酪氨酸類蛋白質(zhì)(5.19%～13.57%)>IV 溶解性微生物代謝產(chǎn)物(3.48%～3.86%),鄱陽湖南磯山斷面及其周邊區(qū)域表層水DOM 主要為III 富里酸類,屬于類腐殖質(zhì)類物質(zhì),廣泛存在于水域中[43],通常來自于植物等在水中腐爛、降解的產(chǎn)物[44].南磯山斷面處于江西鄱陽湖南磯濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(圖1),鄱陽湖獨(dú)特的水文節(jié)律使該區(qū)域成為典型的干濕交替洲灘濕地,其中大量的如蘆葦(Phragmites),南荻(Triarrhena lutarioriparia)和薹草(Carex)等挺水和濕生植物在秋冬季為濕地提供了大量的枯落物[8].此外,斷面匯水范圍上游雙嶺河和太子河周邊土地利用類型以農(nóng)田為主,其中主要農(nóng)作物為雙季稻,其灌溉退水去向?yàn)檑蛾柡?因此推測(cè)該斷面水體溶解性有機(jī)物來源主要由周邊碟形湖濕地和上游農(nóng)業(yè)面源輸入組成.

圖3 不同水文期南磯山斷面DOM 的三維熒光光譜圖Fig.3 3D-EEM of DOM of Nanjishan site in different hydrological periods

通過PARAFAC 分析,4 個(gè)水期所有樣點(diǎn)的三維熒光光譜包括3個(gè)組分,分別為組分C1、C2和C3(圖5).其中組分C1(Ex/Em=235/460)是腐殖質(zhì)類物質(zhì),其較長(zhǎng)的發(fā)射波長(zhǎng),與腐殖質(zhì)峰A 相似[45],該類腐殖質(zhì)物質(zhì)具有較高的分子量和芳香特性,其來源可能與陸地植物或者土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)[46].從圖4(b)可以看出,枯水期組分C1 占比最高,達(dá)41.24%;枯水期(12 月～次年3 月)各匯水?dāng)嗔?南磯山濕地植物枯落物進(jìn)入快速分解期[8],為水體帶來了大量的腐殖質(zhì)物質(zhì).組分C2(Ex/Em=230/390)與組分C1 呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),同屬腐殖質(zhì)類物質(zhì),與以往研究中的腐殖質(zhì)峰A+M 相似[45],研究發(fā)現(xiàn)其通常存在于受人為有機(jī)污染和農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響的水樣中[47].組分C2 在洪水期占比最大(40.46%),該時(shí)期受長(zhǎng)江頂托影響,各匯水連成一片[27].組分 C3(Ex/Em=220/300)是酪氨酸蛋白質(zhì)類物質(zhì)[48],研究發(fā)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)水體中類蛋白物質(zhì)占主體[49],如朱愛菊等[50]發(fā)現(xiàn)蝦塘水體DOM 類蛋白組分占比約51.31%～89.07%.太子河和周邊碟形湖作為南磯山斷面主要來水水源,太子河周邊水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)達(dá),周邊碟形湖又稱“鏨秋湖”,是禁捕之前鄱陽湖區(qū)居民重要的魚獲捕撈場(chǎng)所[5].圖4(b)所示,漲水期組分C3 占比最大,為33.70%,其次為退水期(31.88%),說明基于流域“源-匯”理論,南磯山斷面周邊水體DOM 組分C3除漲水期河道匯入來源外,退水期碟形湖出水也是其主要來源之一.

圖4 不同水文期DOM 各熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積占比和組分占比Fig.4 Integral standard volume proportion and component proportion of DOM in different hydrological periods

圖5 不同水文期研究區(qū)域水樣中DOM 熒光特征組分Fig.5 Various components identified by the EEM-PARAFAC analysis for the samples

2.2 沉積物特征

2.2.1 粒度 沉積物粒徑分布模式與水體環(huán)境中顆粒物的來源、搬運(yùn)及沉積過程密切相關(guān)[51].如圖6(a)～6(c)所示,DX(10)、DX(50)和DX(90)分別代表了南磯山斷面及其周邊匯入水體1～5cm 表層10%、50%和90%的沉積物顆粒所測(cè)得的尺寸值,其范圍分別為0.73～3.71μm、7.24～22.90μm 和51.8～917μm,均值為2.19,12.07,212.73μm.參照Shepard分類三角圖[52]對(duì)沉積物粒度進(jìn)行命名(圖6(d)),發(fā)現(xiàn)南磯山斷面及其周邊匯入水體1～5cm 表層底質(zhì)主要包括粉砂、砂質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂,屬于粉砂質(zhì)沉積物;其中中值粒徑DX(50)屬于粉砂中的細(xì)粉砂(2～16μm).這與鄱陽湖南磯濕地細(xì)粉砂均值占比達(dá)55.35%,沉積類型為粉砂質(zhì)沉積物的研究結(jié)果一致[53].

沉積物粒徑參數(shù)是綜合反映沉積物粒度特征及沉積環(huán)境的量化指標(biāo)[33,54].依據(jù)現(xiàn)有研究通常采集 0～2cm 表層沉積物獲取水體懸浮顆粒物樣品[19,55],因此本文選擇0～2cm 分層沉積物的粒徑參數(shù)算數(shù)平均值進(jìn)行分析(表2).平均粒度(Mz)代表沉積物粒度頻率分布的中心趨向,可反映沉積物的平均動(dòng)能情況.南磯山斷面及其匯入?yún)^(qū)域沉積物平均粒徑大于Φ5,為中粉砂沉積物,這與Shepard 分類結(jié)果一致.分選系數(shù)(Sd)指示分選性,可用于分析沉積環(huán)境的動(dòng)力條件和沉積物的物質(zhì)來源,分選作用與介質(zhì)性質(zhì)和搬運(yùn)距離密切相關(guān).從表2 可以看出,南磯山斷面區(qū)域分選系數(shù)范圍為2.11～2.75,分布于分選性差區(qū)間(2.00～4.00).偏度(Sk)反映了粒度分布的不對(duì)稱程度,即介質(zhì)類型及搬運(yùn)能力的強(qiáng)弱;南磯山斷面區(qū)域沉積物粒度偏度范圍為-0.18～-0.07,除NJ2(近對(duì)稱-0.1～0.1)外,其余屬于負(fù)偏(-0.3～-0.1),峰偏向細(xì)粒度一側(cè),沉積物樣品粒徑偏細(xì),以細(xì)組分為主,分選性差.峰態(tài)(KG)是表現(xiàn)粒度數(shù)據(jù)在平均粒度兩側(cè)集中的程度,正態(tài)分布的KG=1,KG>1 是尖頂峰,反之為平頂峰;南磯山斷面區(qū)域沉積物粒徑1

表2 沉積物粒徑參數(shù)Table 2 Sediment grain size parameters

C-M 圖是反映沉積環(huán)境和搬運(yùn)介質(zhì)狀況的有效工具[56,57],其中C 為從粗顆粒端累積至1%所對(duì)應(yīng)的沉積物粒度值,M 為累積頻率曲線中50%含量處對(duì)應(yīng)的沉積物粒徑值,分別代表了搬運(yùn)動(dòng)力的最大和平均狀態(tài).將南磯山斷面區(qū)域沉積物0～2cm 樣品粒度的C 和M 值投影至C-M 圖中(圖7),樣品多位于底邊懸浮和均勻懸浮搬運(yùn)區(qū),說明其沉積環(huán)境水動(dòng)力較弱;結(jié)合表2 中各樣品沉積物粒徑參數(shù),結(jié)果表明,南磯山斷面及周邊水域沉積物粒徑以細(xì)組分為主,分選性差,搬運(yùn)能力弱;沉積水動(dòng)力弱,懸浮顆粒物不易沉積.

圖7 沉積物C-M 圖Fig.7 C-M figure of sediments

2.2.2 TP 和P 釋放通量 沉積物是水體中P 的主要蓄積庫,同時(shí)表層沉積物P釋放也是水體P含量增加的重要途徑[7,58-59].如圖8 所示,表層0～5cm 沉積物TP 的平均含量為180.53～966.13mg/kg,其中平均含量最高的為 NJ2(916.44mg/kg), 其次為 NJ1(628.75mg/kg),分別為斷面匯入河流采樣點(diǎn).沿水流方向,采樣點(diǎn)0～5cm 沉積物TP 含量自河流匯入至碟形湖匯入口依次降低.而在深度方向上NJ1、NJ2 和NJ3 采樣點(diǎn)的沉積物TP 含量呈現(xiàn)波浪式分布特征,在0～5cm 深度較高;而NJ5 采樣點(diǎn)的TP 含量在10～20cm 含量較高,NJ6 斷面采樣點(diǎn)的TP 含量在0～20cm 深度方向上基本保持穩(wěn)定.一般認(rèn)為,當(dāng)湖泊沉積物中TP 含量≥600mg/kg 時(shí),湖泊生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)加大[58];《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南》中太湖磷污染底泥環(huán)保疏浚范圍為TP 含量≥625mg/kg,南磯山斷面附近樣點(diǎn)底泥TP 含量達(dá)到太湖底泥環(huán)保疏?？刂浦?

圖8 各采樣點(diǎn)沉積物TP 含量和磷釋放通量Fig.8 Sediment TP content and phosphorus release fluxes at sampling sites

分析P 釋放通量(圖8(b)),南磯山斷面各采樣點(diǎn)沉積物表觀通量均為正,表明實(shí)際沉積物界面上P表現(xiàn)為沉積物向上覆水的釋放過程,這與張洪等[7]研究南磯山斷面沉積物P 釋放通量的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.本研究中,NJ6 斷面采樣點(diǎn)的釋放通量最大,為0.21mg/(m2·d),其次為NJ3 采樣點(diǎn),位于兩個(gè)匯入支流和碟形湖退水口(紅興湖)的交匯處;NJ6 采樣點(diǎn)表層沉積物Mz 最小(表2),泥沙顆粒物作為水環(huán)境中P的主要載體[60],復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境下P 釋放通量會(huì)增加[7],且細(xì)顆粒物TP 濃度大于粗顆粒物,也更容易被搬運(yùn)[61].沉積物P 通過水體中濃度梯度或外力擾動(dòng)從沉積物→間隙水→上覆水逐級(jí)擴(kuò)散完成的過程屬于自由擴(kuò)散過程,是沉積物P 釋放到水體中的主要途徑之一[58,62];通過對(duì)表層沉積物TP 含量和P 釋放通量的分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)域表層沉積物TP 含量高,泥-水界面P 為沉積物向上覆水釋放狀態(tài),從而影響水體TP 濃度.

2.3 TP 超標(biāo)成因

如圖9所示,Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明,水體TP濃度與水環(huán)境因子顯著相關(guān),TP 與濁度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),這與朱利英等研究南磯山斷面水環(huán)境影響因素結(jié)果一致[9].TP 與TOC、類腐殖質(zhì)物質(zhì)(III富里酸類物質(zhì)、V 腐殖酸類物質(zhì)和C1 腐殖質(zhì)類物質(zhì))呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),說明TP 與富里酸、腐殖酸等類腐殖質(zhì)物質(zhì)存在共源性[32],其主要是由沉積物中微生物降解高等生物殘?bào)w形成,這與南磯山濕地頻繁枯豐交替和繁茂濕地植物枯落物大量分解的實(shí)際相符[3,7-8].有機(jī)質(zhì)組分中C1 腐殖質(zhì)類物質(zhì)與C3 蛋白質(zhì)類物質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),三維熒光光譜5 區(qū)域中代表類腐殖質(zhì)物質(zhì)分區(qū)(III 和V)與代表類蛋白質(zhì)物質(zhì)分區(qū)(I 和IV)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),表明南磯山斷面區(qū)域水體有機(jī)物類腐殖質(zhì)物質(zhì)與類蛋白質(zhì)物質(zhì)具有一定的異源性.從圖4可以看出,分區(qū)I 和IV 和組分C3 的熒光強(qiáng)度在漲水期占比明顯增加,說明南磯山區(qū)域水體有機(jī)質(zhì)類蛋白質(zhì)物質(zhì)以外源輸入為主,農(nóng)業(yè)和人為活動(dòng)干擾下的壓力會(huì)使微生物活動(dòng)強(qiáng)度增大,導(dǎo)致微生物腐殖質(zhì)類、蛋白質(zhì)類等污染更豐富[63];斷面匯水范圍上游土地利用類型以農(nóng)田和集鎮(zhèn)為主,漲水期斷面來水主要由贛江中支和南支匯集沿岸農(nóng)田灌溉退水及城鎮(zhèn)生活污水等組成.TP 與類蛋白質(zhì)物質(zhì)(I 酪氨酸類蛋白質(zhì)、IV 溶解性微生物代謝產(chǎn)物和C3 酪氨酸蛋白質(zhì)類物質(zhì))呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),這與漲水期水位升高,TP 濃度達(dá)到0.05mg/L(《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)湖庫III 類標(biāo)準(zhǔn)))占比升高[9]的研究結(jié)果表現(xiàn)一致,表明TP 濃度受外源輸入影響相對(duì)較弱.因此,從水環(huán)境因子分析可以看出,南磯山斷面TP 濃度超標(biāo)與該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的客觀條件(如濁度、生物等)密切相關(guān).

圖9 水環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Fig.9 Pearson correlations of water environment factors

濁度是水體懸浮顆粒物及膠體微粒對(duì)光散射特性的表征[9,60,64].枯水期南磯山斷面匯入支流及碟形湖來水均斷流,因此表層沉積物再懸浮是該斷面水體顆粒物的主要來源[57],此外沉積物再懸浮過程也是沉積物P 釋放到水體中的主要途徑[58,62],該過程除受沉積顆粒物本身粒徑和形態(tài)影響,粒徑較小的沉積顆粒物比表面積更大,再懸浮能力更強(qiáng),其釋放P 的速率也更快[7,60-61].通過對(duì)斷面表層沉積物特征分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)域表層沉積物屬于粉砂質(zhì),平均粒徑偏細(xì),以細(xì)組分為主,分選性差;C-M 圖顯示沉積物多位于底邊懸浮和均勻懸浮搬運(yùn)區(qū),搬運(yùn)能力弱,沉積水動(dòng)力弱;此外,水體擾動(dòng)也是沉積物再懸浮過程的主要影響因素,文獻(xiàn)調(diào)研[65]和本研究于2021 年12月對(duì)該區(qū)域的魚類實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),該區(qū)域中底層魚類物種的捕撈漁獲量占總漁獲量的83.90%,較多數(shù)量的底層魚類和廣泛活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域沉積環(huán)境易受到擾動(dòng),從而使沉積物磷釋放通量增加,水體懸浮顆粒物不易沉積,造成斷面濁度較高,TP 濃度超標(biāo).

3 結(jié)論

3.1 4 個(gè)水期南磯山斷面及其匯入?yún)^(qū)域的水環(huán)境因子變化具有顯著差異,枯水期、退水期的TP 濃度顯著高于其它水期,其超標(biāo)倍數(shù)分別達(dá)3.06 倍和2.78 倍,漲水期斷面TP 濃度最低.水體濁度和TOC濃度在四個(gè)水期的變化趨勢(shì)與TP 濃度一致.

3.2 表層水DOM 的三維熒光光譜和PARAFAC 分析發(fā)現(xiàn),DOM 主要組成為類腐殖質(zhì)物質(zhì),其占比最高(55.47%),主要來源為枯水期南磯山濕地植物枯落物降解;類蛋白質(zhì)物質(zhì)在漲水期占比升高,其主要來源為匯入支流及周邊碟形湖退水.

3.3 表層沉積物界面上表現(xiàn)為沉積物P 向上覆水的釋放過程,其中斷面的P 釋放通量最大(0.21mg/(m2·d));沉積物底質(zhì)屬于粉砂質(zhì),平均粒徑偏細(xì),以細(xì)組分為主,分選性差,多位于底邊懸浮和均勻懸浮搬運(yùn)區(qū);沉積水動(dòng)力弱,懸浮顆粒物不易沉積.

3.4 TP 濃度與類蛋白質(zhì)物質(zhì)(I 酪氨酸類蛋白質(zhì)、IV 溶解性微生物代謝產(chǎn)物和C3 酪氨酸蛋白質(zhì)類物質(zhì))呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與濁度、腐殖質(zhì)類物質(zhì)(III 富里酸類物質(zhì)、V 腐殖酸類物質(zhì)和C1 腐殖質(zhì)類物質(zhì))呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明TP 與腐殖質(zhì)類物質(zhì)具有共源性.