湯浦水庫沉積物碳、氮、磷的分布與評價

劉 鵠, 孟 婷, 程 文, 王 敏, 張 豆

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安710048)

湯浦水庫沉積物碳、氮、磷的分布與評價

劉 鵠, 孟 婷, 程 文, 王 敏, 張 豆

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地， 陜西 西安710048)

[目的] 研究湯浦水庫沉積物中氮、磷及有機碳等污染物現狀，為水質安全保障提供依據。 [方法] 在庫區采集沉積物柱狀樣品，分析其中碳、氮、磷的含量，并采用有機指數法對沉積物污染現狀進行評價。 [結果] 沉積物中有機碳平均含量12.23 g/kg，總氮平均含量1.22 g/kg，總磷平均含量為0.49 g/kg；氮、磷及有機碳等污染物主要集中于沉積物表層0—20 cm范圍內。隨沉積物厚度的增加，各類污染物含量下降，40 cm以下的沉積物中污染物含量變化不大；有機指數評價結果顯示，水庫沉積物有機指數為0.13，等級為Ⅱ級，較清潔。 [結論] 湯浦水庫沉積物受到的污染較小，但沉積物中含氮物質略多，應該引起重視。

水庫; 沉積物; 有機污染指數; 湯浦水庫

文獻參數： 劉鵠, 孟婷, 程文, 等.湯浦水庫沉積物碳、氮、磷的分布與評價[J].水土保持通報，2017,37(2)：333-338.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170303001； Liu Hu, Meng Ting, Cheng Wen, et al. Spatial Distribution and Pollution Evaluation of Sediment Carbon, Nitrogen and Phosphorus in Tangpu Reservoir[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：333-338.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170303001

湖泊、水庫的內源污染問題是國內外水環境研究領域關注熱點問題之一。隨入庫水流進入庫區的各類營養鹽，大部分在輸移過程中經過沉淀、吸附和生物吸收利用等方式最終沉積于水庫底部，成為水庫沉積物的重要組成部分。然而，當沉積物環境條件，如溫度、溶解氧和氧化還原電位等改變時，沉積物中營養鹽可能釋放進入水體，成為水庫內污染源[1]，對水體富營養化有著非常重要的作用。湖泊、水庫沉積物中營養鹽的遷移和轉化制約著湖泊水庫的水質變化[2]。因此研究湖泊水庫沉積物中氮磷及有機物的分布情況，并采取措施控制營養物釋放，對于改善湖泊、水庫生態環境質量和降低水體營養化具有重要作用[3]。本研究以浙江省湯浦水庫為研究對象，研究其沉積物中氮磷等污染物的分布特征，對于了解水源地水庫中營養物質的遷移轉化過程，進而為有效保護和改善水源地水質提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

湯浦水庫位于浙江省中部寧紹平原地區，該壩址地理位置處于北緯30°52′，東經120°47′，壩頂海拔為114 m，水庫總庫容為2.35×108mm3，水面面積為14 km2，設計日供水規模達1.00×106t，屬國家大(Ⅱ)型水庫。該水庫水質整體較好，只有水體氮磷出現階段性超標，每年春夏之交(4—5月)，水質較差，甚至發生局部水華現象。

根據水深及地形狀況，從庫尾到壩前，共設置10個沉積物采樣點，依次為庫尾河流段A，B和I；過渡段J，F，G和C，壩前主庫區H，D和E。

采用柱狀采樣器采集各點原狀沉積物，現場密封后冷藏保存，運回實驗室進行后續分析。各采樣點沉積物厚度詳見表1。

表1 各采樣點沉積物采樣深度

1.2 測定方法

由于目前中國沒有相應的沉積物質量標準與檢測方法，本研究中沉積物氮、磷及有機碳含量的分析參照國內外其他有關方法進行[4]。

沉積物各形態磷的測定采用SMT分類提取法，參照《沉積物質量調查評估手冊》[5]；TN采用凱氏定氮法，氨氮和硝態氮分別采用KCl提取—納氏比色法及飽和硫酸鈣提取—紫外分光光度法，參照《湖泊沉積物—水界面過程：基本理論與常用測定方法》[6]；有機碳測定采用multi NC 2100碳/氮分析儀(德國耶拿公司)分析檢測。

1.3 污染物評價方法

沉積物質量評價的方法有很多種，其中綜合污染指數發和有機污染指數法最常用[7]。綜合污染指數評價法將選用的評價參數TN，TP綜合成一個概括的指數值來表征底泥污染程度，其相對于單一指數法而言具優越性，是綜合信息輸出。但是綜合污染指數法忽略了有機質指標[8]，而對本水庫而言，有機質污染是該水庫面臨的主要威脅之一，因此本文用有機污染指數法對該水庫沉積物污染現狀進行評價更符合該水庫實際狀況。有機指數評價標準詳見表2。有機指數及有機氮計算方法為：

有機指數IO=有機碳(%)×有機氮(%)

(1)

有機氮ON(%)= 總氮(%)-氨氮(%)-硝態氮(%)

(2)

有機碳OC(%)=有機質(%)/1.724

(3)

表2 沉積物有機指數及有機氮評價標準

2 結果與討論

2.1 沉積物中污染物垂向分布特征

2.1.1 有機碳垂向分布特征 沉積物中有機碳膠體碎屑是與重金屬及有機污染物發生吸附—分配和絡合等作用的活性物質，也是反映沉積物有機營養程度的重要標志。由圖1可知，在垂向上，隨著采樣深度的增加，沉積物有機碳含量逐漸降低。采樣深度超過40 cm后有機碳含量基本穩定在8～9 g/kg，各點均表現出表層沉積物有機碳含量高的特征。在表層0—20 cm深度，有機碳含量均超過10 g/kg。沉積物中有機碳含量較高為G和H2個采樣點，含量最低為F采樣點。其中G點最高有機碳含量26.78 g/kg(表層0—5 cm)，最低含量14.05 g/kg(底層30 cm附近)，平均含量20.0 g/kg；H點最高有機碳含量26.29 g/kg(表層0—5 cm)，最低含量12.69 g/kg(底層40 cm附近)，平均含量21.4 g/kg；F點最高含量9.49 g/kg(表層)，最低含量5.06 g/kg(底層25 cm)，平均含量7.19 g/kg。

圖1 沉積物中有機碳垂向分布狀況

由此可見，在庫區由于各采樣點所處水力條件與沉積環境等的差異，各沉積物樣品中有機碳的含量差別很大。表層沉積物不斷接受沉降的泥沙及有機物顆粒碎屑，而且沉積物表層固相—液相—氣相并存，在微生物的作用下進行著頻繁的物質轉化與分解，因此表層有機碳含量較高，而越往沉積物底層，由于部分有機物被分解，而且氧化還原環境與表層沉積物有很大差異，一般處于缺氧或者厭氧狀態，沉積物中剩余的有機物質分解非常緩慢，因此有機碳的含量基本保持穩定，隨著深度的增加變化不大。G和H兩個點含量較高，主要是由于G采樣點位于凹岸，水力停留時間長，有利于沉積物累積，H采樣點周圍岸上植被覆蓋條件好，雨季常有大量植物枯枝敗葉等有機物被帶入采樣點附近，故有機碳含量增加。

2.1.2 沉積物中各形態氮的垂向分布特征 由圖2可以看出，隨著沉積物厚度的增加，越往底層總氮含量逐漸減小，表層以下35 cm沉積物中總氮含量基本保持在0.5～0.6 g/kg。總氮含量最高部分集中在沉積物表層0—20 cm范圍(圖2)。隨著深度的增加，各形態氮在沉積物中的分布狀況整體相似，只有氨氮的分布狀況略有不同。隨著深度的增加，沉積物中氨氮含量先小幅度升高，在表層以下10—15 cm達到最大含量，繼而開始逐步降低，約在30 cm以下，沉積物氨氮含量隨厚度變化不大(圖2)。沉積物中有機氮含量也是由表層到底層逐步降低。表層0—20 cm段是有機氮存在的主要部分，40 cm以下沉積物樣品中，有機氮含量隨厚度變化不大，含量在500 mg/kg以下。從圖2 可以看出，沉積物中硝態氮的含量很低，也同樣表現出隨深度增加，含量逐步降低的趨勢。

圖2 沉積物中各形態氮的垂向分布狀況

由此可見，總氮在沉積物中的分布特征與有機碳相似，也是表層含量較高，越往底層含量逐步下降，并最終到達一定深度后含量穩定在一定范圍。就各個采樣點而言，G和H采樣點沉積物中總氮含量較其他點高，最高含量2.85 g/kg，F采樣點含量最低(0.8 g/kg)，其中J采樣點底層65—70 cm段，沉積物中總氮含量略有增加。這跟這一段沉積物的性質(顏色發黑、有機物含量高)有關。該水庫中污染物的表層富集現象，與其他有關湖泊沉積物研究結果一致[9]，一方面由于外源和內源污染物不斷向沉積物表層沉積；另一方面沉積物中的N，P在微生物作用下不斷礦化分解，從而使其含量隨沉積物深度的增加呈下降趨勢。

各采樣點沉積物中氨氮含量差別較大，C點沉積物10 cm段氨氮含量最高(157.15 mg/kg)，在此段內，沉積物中氨氮含量最小的采樣點為上川灣F，含量僅有46.25 mg/kg。沉積物氨氮含量在10—15 cm段含量增加，一方面是由于上層沉積物中氨氮在水—沉積物界面進行復雜的物理、化學及生物的交換作用，從而擴散進入上層水體；而在該段，由于沉積物中有機氮的大量存在，氨化作用顯著，銨態氮在此蓄積，但深度增加的話沉積物中氧含量降低，硝化作用將受到抑制，氨氮無法進一步轉化為其他形式，導致該層沉積物氨氮含量進一步增加；在此段以下的沉積物中，氨氮含量逐步降低，主要是由于氧含量迅速降低后，沉積物中各類微生物的活性與數量減少，氨化作用減弱，在缺氧或者厭氧條件下，返硝化作用開始進行，氨氮含量隨之下降。

沉積物表層有機氮是該水庫沉積物中含氮污染物的主要賦存形態，這與國內其他研究結果一致[10-11]。其中有機氮含量最高的為H(2 452.6 mg/kg)和G(2 493.9 mg/kg)2個點，而含量最低的點為D(443.2 mg/kg)和C(448.6 mg/kg)2個點。各形態氮中硝態氮的含量在10個采樣點的沉積物中都很低，其中在入庫位置采樣的沉積物中硝態氮含量略高；而在D和E近大壩位置，沉積物中硝態氮含量最低。這兩個采樣點水深較大，沉積物粒徑很小，沉積物處于缺氧或厭氧狀態，各類微生物的反硝化作用可能比較顯著，導致沉積物硝態氮含量降低。

2.1.3 沉積物中有各形態磷的垂向分布特征 沉積物中總磷和有效磷的垂向分布狀況如圖3所示。總磷含量整體呈現出隨著沉積物深度的增加，含量逐步下降的趨勢，在沉積物表層20 cm以內，總磷含量較高，這段以下的沉積物中總磷含量隨著深度增加迅速下降，40 cm以下的沉積物中總磷含量基本穩定，保持0.30 g/kg左右。各沉積物樣品中有效磷含量差別較大，垂向分布特征也表現出隨著沉積物深度的增加，逐步下降，最后穩定在10 mg/kg左右。

圖3 沉積物中磷的垂向分布狀況

就各個采樣點而言，I沉積物中總磷含量最高為0.76 g/kg，含量最低為F采樣點0.42 g/kg。沉積物中有效磷含量各點差別較大，F，C和J 3個采樣點中有效磷含量在垂向上波動較大，其他各點沉積物有效磷含量在20 cm以下有明顯下降趨勢。

2.2 沉積物污染物的水平分布特征

根據各采樣點沉積物中氮、磷及有機碳的垂向分布特征可以看出，各采樣點沉積物中污染物主要集中在表層，尤其在0—20 cm段含量最高，在40 cm以下的沉積物中，各類污染物含量變化變化不大。因此可以認為0—40 cm段是氮磷等污染物的主要蓄積段。以該段沉積物中各類污染物的平均值代表各采樣點污染物含量，來分析該水庫沉積物中污染物的水平分布狀況(表3)。

從表3可以看出，沉積物中有機碳、總氮的分布狀況相似，而總磷的分布狀況與其他兩個略有差別。在水庫河流區，包括A，B和I，3個采樣點，從上游到下游沉積物有機碳和總氮含量逐步升高；在水庫過渡區和湖泊區沉積物中，有機碳和總氮表現出右側高于左側的特征。沉積物中總磷的分布在庫尾及河流區也表現為，由上游到下游含量增加，且該段沉積物總磷含量高于庫區其他各部分。

表3 水庫沉積物中污染物空間分布狀況

由于沉積物中氮和碳的來源一般具有一致性，本研究中從氮碳分布圖中也可以看出，兩者的分布規律也比較相似；而沉積物總磷的來源一般與氮碳不同，因此其分布狀況與氮碳分布差異較大。沉積物中氮碳含量在河流段，從上游到下游逐漸增加，主要是由于河流入庫后過水斷面增加，水流速度減小，水流攜帶的各類物質尤其是各類有機物顆粒逐步沉積，導致該部分沉積物中氮磷及有機碳含量增加；在水庫過渡區及湖泊區，右側沉積物中有機碳和總氮高于左側，可能是由于原河道靠近庫區右側，而且水庫右岸山勢陡峭，樹林茂盛，而左岸多為低山區，坡度緩和。在雨期尤其是暴雨季節，右岸水土流失狀況要比左岸嚴重，大量營養物質及枯枝敗葉等進入水庫，并在水庫右側沉積，可能導致該部分沉積物中有機碳和總氮含量高于左側沉積物。

2.3 沉積物污染狀況評價

比較不同水庫沉積物與該水庫沉積物中氮、磷及有機碳含量可以看出(表4)，湯浦水庫沉積物中總氮含量與官廳水庫中總氮含量接近；總磷含量與阿哈水庫和于橋水庫中總磷含量相當。

表4 不同水庫沉積物中污染物含量 g/kg

注：b表示以有機質(OM)計； 安全級：水生生物中未發現中毒效應;最低級：沉積物已受污染,但多數底棲生物可以承受;嚴重級：底棲生物群落已遭受明顯的損害； 沉積物中營養鹽的環境質量評價標準為加拿大安大略省環境和能源部[18]。

全國范圍來看，不同地域不同流域，各水庫沉積物中碳、氮和磷含量的差異較大。本文采用有機污染指數法對各采樣點沉積物進行污染等級劃分，具體評價結果詳見表5。

表5 沉積物有機污染評價結果

從沉積物有機污染指數評價結果來看，整個庫區表層沉積物平均有機指數為0.13，屬于較清潔類型。河道區、過渡區及湖泊區沉積物有機污染指數分別為0.08，0.15，0.16，可見由入庫到壩前沉積物有機污染指數略有增加，但依然屬于較清潔的類型。以有機氮等級劃分狀況來看，整個庫區沉積物平均有機氮質量分數為0.13%，屬于尚清潔類型。河道區沉積物有機氮平均質量分數為0.11%，過渡區為0.1%，湖泊區為0.11%。整個庫區的所有采樣點中，只有A，G及H采樣點的沉積物有機氮質量分數大于0.13%，表現為有機污染狀態。從評價結果看，湯浦水庫沉積物污染狀況較輕，有機指數等級為Ⅱ級，較清潔；有機氮污染等級為Ⅲ級，尚清潔。說明沉積物中含氮污染物的含量普遍較高，這與該水庫現狀相符合。

3 結 論

(1) 由于各采樣點的水力特性、沉積條件和生物活動等條件的不同，沉積物中有機碳、氮及磷的分布各不相同，有機碳平均含量12.23 g/kg，總氮含量1.22 g/kg，總磷含量為0.49 g/kg。

(2) 沉積物中污染物主要集中在沉積物表層0—20 cm段內，隨著沉積物厚深度的增加，氮碳磷含量逐步下降，在40 cm以下的沉積物中碳氮磷含量趨于穩定。沉積物中氮和有機碳含量在庫尾段表現出從上游到下游，含量逐漸增加的趨勢，在水庫過渡段和湖泊段表現為右側沉積物中含量高于左側。

(3) 有機指數評價結果顯示，庫區沉積物有機指數等級為Ⅱ級，說明沉積物較清潔，但是有機氮等級高于有機指數，說明沉積物中氮含量較高。

[1] Pant H K, Reddy K R. Phosphorus sorption characteristics of estuarine sediments under different redox conditions[J]. Journal of Environmental Quality, 2001,30(4):1474-1480.

[2] 姜敬龍.吳云海.底泥磷釋放的影響因素[J].環境科學與管理,2008,33(6):43-46.

[3] 張路,范成新,池俏俏,等.太湖及其主要人湖河流沉積磷形態分布研究[J].地球化學,2004,33(4):423-432.

[4] 陸敏,張衛國,師育新,等.太湖北部沉積物金屬和營養元素的垂向變化及其影響因索[J].湖泊科學,2003,15(3):213-220.

[5] 姜霞,王書航.沉積物質量調查評估手冊[M].北京:科學出版社,2012.

[6] 王圣瑞.湖泊沉積物—水界面過程:基本理論與常用測定方法[M].北京:科學出版社,2014.

[7] Yasuhiro Satoh, Toshiya Katano, Takeshi Satoh, et al. Nutrient limitation of the primary production of phytoplankton in Lake Baikal [J]. Limnology, 2006,7(3):225-229.

[8] Xu Hai, Hans W P, Qin Boqiang, et al. Nitrogen and phosphorus inputs control phytoplankton growth in eutrophic Lake Taihu, China[J]. Limnology and Oceanography, 2010,55(1):420-432.

[9] 吳光紅,曹珊珊,于雅琴,等.天津典型水環境表層沉積物中營養鹽含量及動態特征[J].環境科學,2009,30(3):726-732.

[10] 余輝,張文斌,盧少勇,等.洪澤湖表層底質營養鹽的形態分布特征與評價[J].環境科學,2010,31(4):961-968.

[11] 甘樹,盧少勇,秦普豐,等.太湖西岸湖濱帶沉積物氮磷有機質分布及評價[J].環境科學,2012,33(9):3064-3069.

[12] 茍婷,李思陽,許振成,等.高州水庫沉積物中總氮與總磷的分布特征研究[J].環境科學與管理.2014,39(7):31-35.

[13] 徐清,劉曉瑞,王輝鋒,等.密云水庫沉積物內源磷負荷的研究[J].中國科學(D)：地球科學,2005,35(S):281-287.

[14] 蘇德純,胡育峰,宋崇渭,等.官廳水庫壩前疏浚沉積物的理化特征和土地利用研究[J].環境科學,2007,28(6):1319-1323.

[15] 金丹越,黃艷菊.天津于橋水庫主要環境問題及其防治對策[J].環境科學研究,2004,17(S1):77-79.

[16] 蔣曉霞.阿哈水庫表層沉積物中重金屬時空變化對硅藻分布影響的研究[D].貴州 貴陽:貴州師范大學,2009.

[17] 盛菊江,范德江,楊東方,等.長江口及其鄰近海域沉積物重金屬分布特征和環境質量評價[J].環境科學,2008,29(9):2405-2412.

[18] Mudroch A, Azcue J. Manual of Aquatic Sediment Sampling[M]. Boca Raton, Florid: Lewis Publishers, 1995.

Spatial Distribution and Pollution Evaluation of Sediment Carbon, Nitrogen and Phosphorus in Tangpu Reservoir

LIU Hu, MENG Ting, CHENG Wen, WANG Min, ZHANG Dou

(StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China)

reservoir; sediment; organic index; Tangpu Reservoir

2015-06-30

2016-08-06

廣東省水利科技創新項目“流溪河流域內農村飲用水中環境激素的污染與控制研究”(2015-06)； 陜西水利科技計劃項目(2014slkj-12)

劉鵠(1973—),男(漢族),河南省洛陽市人,博士研究生,高級工程師,主要從事水污染控制方面的研究。E-mail:1004761354@qq.com。

孟婷(1993—),女(漢族)，陜西省咸陽市人，碩士研究生，主要研究方向為水污染控制研究。E-mail:1570954140@qq.com。

A

1000-288X(2017)02-0333-06

X524