洞庭湖及其入湖口表層沉積物氮、磷、有機質的分布及污染評價

李芬芳，黃代中，連花，郭晶，歐陽美鳳，尹宇瑩

湖南省洞庭湖生態環境監測中心，湖南 岳陽 414000

沉積物是湖泊生態系統的重要組成部分，可以間接地反映水體污染情況（余輝等，2010）。沉積物是營養鹽及其他污染物的主要蓄積庫，當環境條件發生改變時，沉積物中的有機質會礦化釋放出大量氮磷，并消耗水中的溶解氧，對水體造成二次污染（Shen et al.，2013；Wang et al.，2009；徐進等，2014）。因此，研究沉積物中TN、TP和OM的含量及其分布特征對控制水體富營養化和改善生態系統狀況具有重要意義（盧少勇等，2012）。

洞庭湖是中國第二大淡水湖，是承納湘、資、沅、澧四水和吞吐長江的過水性湖泊。近年來，洞庭湖氮、磷整體超標，水體富營養化日益嚴重，水質總體呈下降趨勢（黃代中等，2013）。目前關于洞庭湖沉積物中氮、磷及有機質污染已有一些研究，但主要針對洞庭湖部分監測斷面或某一種營養物質。如張光貴等（2014）針對洞庭湖的湖泊水域表層沉積物營養物質污染特征與生態風險評價進行了分析，結果表明洞庭湖表層沉積物營養物質存在較低程度的生態風險，主要來自 TN和 OM；王偉等（2010）研究了洞庭湖沉積物及上覆水氮的空間分布，結果表明洞庭湖各分區沉積物氮形態分布比例相差不大，主要形態為有機氮，而上覆水體氮形態分布不一，硝氮所占比例最大；王雯雯等（2013）對洞庭湖沉積物不同形態氮賦存特征及其釋放風險的研究顯示，沉積物中各形態氮含量空間差異較大，酸解態氮含量比例最高，生物可利用態氮主要受可交換態氮和酸解態氮的影響；王巖等（2014）研究了洞庭湖沉積物及其上覆水體氮磷的時空分布與水體營養狀態特征，結果表明氮、磷含量總體表現為入湖河口大于湖體和出湖口，并且入湖河流中以湘江支流較高，湖體以東洞庭湖區較高。以上這些研究主要針對2009—2012年期間洞庭湖部分監測斷面或某一兩種營養物質進行分析，很好地揭示了洞庭湖不同區域營養物質的污染情況。通過以上這些研究，可以在一定程度上了解洞庭湖早期不同區域營養鹽的污染程度，但不能從整體上把握近期整個洞庭湖及其入湖口氮、磷、有機質的污染現狀和綜合污染情況，為全面了解、分析洞庭湖及其入湖口表層沉積物的營養鹽污染情況，有必要進一步對整個洞庭湖及其入湖口進行研究。本研究以洞庭湖及其入湖口為研究對象，研究表層沉積物TN、TP和OM的空間分布特征，利用有機污染指數和綜合污染指數對洞庭湖沉積物污染狀況進行評價，以期為洞庭湖富營養化的控制與治理提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設與樣品采集

于2016年9月份對洞庭湖及其入湖口共19個斷面進行了表層沉積物樣品的采集（圖1），其中入湖口采樣斷面7個（湘江入湖口S1-樟樹港、資江入湖口S2-萬家嘴、沅江入湖口S3-坡頭、澧水入湖口S4-沙河口、松滋河東支入湖口S5-馬坡湖、汨羅江入湖口 S6-南渡和新墻河入湖口S7-八仙橋）；湖體采樣斷面12個，分別為西洞庭湖3個（S8-南嘴、S9-蔣家嘴、S10-小河嘴）；南洞庭湖4個（S11-萬子湖、S12-橫嶺湖、S13-虞公廟、S14-團林湖）；東洞庭湖5個（S15-鹿角、S16-扁山、S17-東洞庭湖、S18-岳陽樓、S19-洞庭湖出口）。所有采樣點通過便攜式GPS定位采樣（參照《HJ494—2009采樣技術規范》），使用抓斗式采泥器采集表層沉積物樣品，每個斷面同時采集3個樣品混勻后裝袋，樣品經風干、磨細后過100目尼龍篩，裝入塑料袋中密封，待測。

1.2 測定指標與方法

主要測定TN、TP和OM的含量。測定方法（張光貴，2016）如下：OM 采用經典的重鉻酸鉀法，TN采用凱氏定氮法（HJ717—2014），TP采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗分光光度法。為保證分析結果的準確性，以國家一級標準物質GSS-2、GSS-8和GSS-11為質控標樣，每個樣品加做平行樣，同時保證平行樣分析誤差<5%，取平均值進行分析評價。

1.3 評價方法

目前，國內外對湖泊沉積物污染狀況的評價尚缺乏統一的評價方法和標準，本研究采用綜合污染指數法和有機污染指數法評價洞庭湖表層沉積物的污染狀況，這兩種方法常被用于湖泊沉積物污染評價研究。

1.3.1 綜合污染指數法

采用綜合污染指數法（岳維忠等，2007）評價表層沉積物TN、TP污染程度，由單項污染指數公式計算綜合污染指數（FF）。根據王佩等（2012）評價標準，進行綜合污染程度分級（表1）。

圖1 沉積物采樣點示意圖Fig. 1 Geographical map of the sampling sections of sediments中國地圖的出處為國家測繪地理信息局、審圖號為GS（2016）1569號 The source of the map of China is the National Bureau of Surveying and Mapping Geographic Information, and the review number is GS (2016) No. 1569.

表1 沉積物綜合污染程度分級Table 1 Classification of comprehensive pollution of surface sediments

式中，Si為TN或TP的評價指數，Si>1表示因子i含量超過評價標準值；Ci為評價因子i的實測值；Cs為評價因子 i的評價標準值，TN的 Cs取 1000 mg·kg-1，TP 的 Cs取 420 mg·kg-1（張敏，2005）；F為n項污染指數平均值（STN和STP中平均值）；Fmax為最大單項污染指數（STN和STP中最大者）。

1.3.2 有機污染指數評價

綜合污染指數評價法相對單一指數法而言更具代表性，其將選用的評價參數TN、TP綜合成一個指數值來表征沉積物污染程度，是一種綜合信息的輸出指標，但是忽略了OM指標。為了使評價結果更能反映污染情況，本研究同時采用有機污染指數法（隋桂榮，1996；王永華等，2004）對沉積物的污染狀況進行評價（表2）。

表2 沉積物有機污染指數評價標準Table 2 Assessment standards of sediment organic pollution index

OI=OC×ON

ON=TN×0.95

OC=OM/1.724

式中，OI為有機指數，%；OC為有機碳，%；ON為有機氮，%。

1.4 數據分析

數據統計采用Excel 2013；作圖采用SigmaPlot 12.5；運用SPSS 19.0軟件計算沉積物TN、TP和OM之間的Pearson相關系數以探討表層沉積物各營養鹽的相關性。

2 結果與分析

2.1 TN、TP和OM含量的空間分布

圖2 洞庭湖及其入湖口表層沉積物中TN、TP、OM含量的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of TN, TP and OM contents in the surface sediments of Dongting Lake and its inlets

洞庭湖及其入湖口表層沉積物中TN、TP、OM的監測結果見圖2，由圖2可知，TN質量分數范圍為 402~2410 mg·kg-1，平均值為 1054 m·kg-1，其中東洞庭湖區岳陽樓（S18）處TN含量最高，松滋河東支入湖口（S5）處最低，空間分布差異性不顯著（P>0.05），各個區域TN平均含量呈現南洞庭湖（1320 mg·kg-1）>西洞庭湖（1048 mg·kg-1）>東洞庭湖（988 mg·kg-1）>入湖口（973 mg·kg-1），各個入湖口中湘江入湖口處TN含量最高，達1668 mg·kg-1。TP 質量分數范圍為 457~935 mg·kg-1，平均值為 624 mg·kg-1，其中東洞庭湖湖區岳陽樓（S18）處TP含量最高，東洞庭湖（S17）處TP含量最低，空間分布差異性不顯著（P>0.05），各個區域 TP平均含量呈現南洞庭湖（699 mg·kg-1）>入湖口（617 mg·kg-1）>西洞庭湖（615 mg·kg-1）>東洞庭湖（584 mg·kg-1），各個入湖口中湘江入湖口處TP含量最高，達736 mg·kg-1。OM質量分數范圍在1.02%~7.23%之間，平均值為2.24%，其中南洞庭湖湖區萬子湖（S11）處OM含量最高，新墻河入湖口（S7）處OM含量最低，空間分布差異性不顯著（P>0.05），各個區域OM平均含量呈現南洞庭湖（3.37%）>西洞庭湖（2.25%）>東洞庭湖（2.13%）>入湖口（1.83%），各個入湖口中湘江入湖口處OM含量最高，達4.2%。從空間上看，TN、TP和 OM 的含量分布均表現為南洞庭湖>西洞庭湖>東洞庭湖，各個入湖口中湘江入湖口處TN、TP和OM的含量均屬最高。

2.2 TN、TP和OM相關性

洞庭湖及入湖口表層沉積物OM與TN呈顯著正相關（r=0.574，P<0.05）（表3），相關研究表明水體沉積物總氮中的 70%~90%是以有機氮的形式存在的（李輝等，2011），洞庭湖沉積物TN與OM 的相關關系從側面驗證了該研究結果。TN與TP相關性不大（r=0.433，P>0.05），表明 TN與TP可能具有不同的來源。OM 與 TP相關性較小（r=0.073，P>0.05），表明TP可能并非主要由沉積物中OM的富集造成。由此可推測，湖區各種生物殘體的分解是洞庭湖表層沉積物OM的一個重要來源，且OM在沉積物中的富集可能是全湖中N的主要來源，而對P影響不大（余輝等，2010）。

表3 洞庭湖及入湖口表層沉積物TN、TP、OM相關性Table 3 Pearson correlation coefficients between TN, TP and OM in surface sediments of Dongting Lake and its inlets

2.3 表層沉積物污染評價

2.3.1 綜合污染指數評價

洞庭湖及其入湖口表層沉積物的污染狀況見圖3，TN的單項污染指數范圍分別為0.40~2.41，全湖及其入湖口的平均值為 1.05，屬于輕度污染，約有21%樣點TN處于中度-重度污染；TP的單項污染指數范圍分別為1.09~2.23，全湖及其入湖口的平均值為1.49，100%樣點的TP都處于中度-重度污染，TP的污染要比 TN嚴重。全湖及其入湖口的沉積物綜合污染指數范圍為1.00~2.23，平均值為1.42，屬于輕度污染，其中約37%樣點處于中度-重度污染。

對比東南西3個湖區和入湖口的STN、STP及FF，發現TN、TP單項污染以及綜合污染均表現為南洞庭湖區比其他兩個湖區及入湖口嚴重，這與 TN、TP的含量空間分布情況相一致。南洞庭湖區綜合污染指數范圍為1.42~1.92，均值1.73，25%樣點處于TN重度污染，75%樣點處于TP重度污染，75%樣點綜合污染指數達到中度污染；東洞庭湖區綜合污染指數范圍為1.00~2.23，均值1.35，20%樣點均處于TN、TP及綜合污染指數重度污染；西洞庭湖區綜合污染指數范圍為1.25~1.52，均值1.29，100%樣點處于TN輕度污染，67%樣點處于TP重度污染，33%樣點綜合污染指數達到中度污染；入湖口綜合污染指數范圍為1.22~1.73，均值1.38，約29%樣點處于TN中度污染，約43%樣點處于TP重度污染，其中湘江入湖口處綜合污染指數值最高，達1.73，沅江入湖口次之，達1.62，均呈中度污染，其余入湖口均為輕度污染。

2.3.2 有機污染指數評價

洞庭湖及其入湖口表層沉積物有機污染指數范圍為0.04~0.84，平均為0.13，屬于輕度污染。對比3個湖區及入湖口的OI，發現南洞庭湖的有機污染比其他兩個湖區及入湖口嚴重。南洞庭湖區范圍為0.13~0.84，均值0.24，25%樣點處于重度污染，25%樣點處于中度污染；東洞庭湖區范圍為0.06~0.44，均值為 0.11，20%樣點處于中度污染；西洞庭湖區范圍為0.09~0.19，均值為0.13，100%樣點處于輕度污染；入湖口有機污染指數范圍為0.04~0.38，均值為0.10，約29%樣點處于中度污染，其中湘江入湖口處有機污染指數值最高，達 0.38，沅江入湖口次之，達 0.28，均呈中度污染，其余入湖口均為輕度污染或清潔。由圖3可知，洞庭湖及其入湖口有機污染處于輕度污染水平，重度污染的樣點所占比例為5%，中度污染的樣點所占比例約為32%。

3 討論

圖3 洞庭湖表層沉積物STN、STP、FF和OI評價不同污染等級點位百分比組成Fig. 3 Percentage composition of the number of sites assigned to different pollution levels based on STN, STP, FF and OI indices

洞庭湖是長江出三峽后進入中下游平原的第一個通江大湖，也是典型的過水吞吐型湖泊。湖泊表層沉積物中TN、TP和OM的含量，可直接反映其污染狀況（隋桂榮，1996）。近年來，洞庭湖水質整體N、P超標，TN、TP含量總體呈上升趨勢，成為湖泊水質惡化和水體富營養化程度加劇的重要因子（黃代中等，2013），然而洞庭湖屬于過水性湖泊，湖泊水循環周期（約20 d）短，湖水更新、交換頻繁（趙運林等，2007），營養物質滯留能力較低，與流域內相鄰的其他湖泊，如大通湖、東湖和南湖（林素梅等，2009）相比，沉積物中TN含量水平較低，與國內其他湖泊相比，如長壽湖（盧少勇等，2012）、巢湖（苗慧等，2017）、山口湖（劉麗娜等，2018）和太湖（甘樹等，2012），洞庭湖表層沉積物TN、TP和OM的含量均處于中等水平，營養化程度屬于中等程度，其內源負荷不容忽視。另外，本研究與王巖等（2014）研究洞庭湖沉積物氮磷的總體含量水平結果變化不大。

TN、TP和OM的含量水平空間分布總體表現均為南洞庭湖>西洞庭湖>東洞庭湖，與張光貴等（2014）研究的結果不一致，可能受周邊面源污染、來水泥沙等外源變化的影響。盧少勇等（2017）研究表明洞庭湖區各區域農業面源污染排放 TN、TP年輸出負荷量存在差異，在空間上TN、TP污染分布基本一致，TN、TP污染排放總量總體上呈中、西部高，東部低的特征。南洞庭湖比其他兩個湖區污染較為嚴重，其綜合污染指數和有機污染指數分別是1.74和0.29，均屬于中度污染，東、西兩個湖區均屬于輕度污染。在南洞庭湖區域中萬子湖（S11）處OM的含量最高，達7.23%，TN含量較高，達2129 mg·kg-1，有機污染指數為0.84，達重度污染，這與張光貴等（2014）的研究結果相一致，其原因可能與所在水域水面開闊，水流相對緩慢，以湖泊性質為主，營養物質易于沉積，且沉積物粒徑偏細有關（張光貴等，2014）；也可能受到其上游沅江市區城鎮生活污染和工業企業長期排污的影響（郭建平等，2007；張光貴等，2014）。另外，在各個入湖口處，南洞庭湖來水湘江入湖口處TN、TP和OM含量均屬最高，綜合污染和有機污染比較嚴重，原因可能在于：一方面，湘江流域內人口密集，人口總數約占全省的60%，經濟、農業較發達，工業廢水、城鎮生活污水、農藥化肥、畜禽糞便等污染不斷上升，致使流域內大量氮、磷等污染物直接或間接排入湘江，最終流入南洞庭湖區（陳詠淑等，2004；田琪等，2016）；另一方面，湘江水體泥沙含量較高，且磷元素對泥沙有很強的親和力，因而攜磷量相對多（黃代中等，2013；王巖等，2014）。陳凌霄等（2014）研究結果表明，湖泊TN、TP主要受入湖河流污染物通量及周邊污染源匯入的影響。何介南等（2009）研究顯示，洞庭湖N、P等營養物質主要來源長江三口和湘、資、沅、澧四水等入湖河流，其中河道輸入量最大，分別占62.48%和 49.65%。田澤斌等（2014）研究顯示，洞庭湖污染物主要來源于四水水系（占總入湖污染負荷的82.82%~87.54%），湘江和沅江貢獻較大。本研究7條河流均為入湖河流，接納了來自流域內的工業、生活、農業灌溉及地表徑流等來水，這些來水的污染特征及排放量的不同導致各個入湖口的TN、TP和OM的含量水平也不同，因此可以推測，洞庭湖沉積物TN、TP和OM含量的空間分布差異主要與入湖河道污染物的輸入有關。除入湖河流輸入外，湖區污染物的來源仍有很多，如企業直排廢水等點源污染，湖區農村圍垸生活污水、畜禽糞尿、農藥化肥等面源污染（申銳莉等，2007），這些污染也可能會影響洞庭湖沉積物 TN、TP和OM含量的空間分布差異。

總體上，洞庭湖及入湖口表層沉積物綜合污染指數和有機污染指數均呈輕度污染，但局部點位（如岳陽樓）已處于重度污染，該點位的 TN、TP含量在全湖中均屬最高，分別為 2410 mg·kg-1和935 mg·kg-1，其綜合污染指數為2.23，已達到重度污染，有機污染指數為0.44，屬于中度污染。究其原因可能與作為湖南北部政治、經濟、文化中心的岳陽市坐落于此有關，其人類活動頻繁，土地墾殖率高，周邊水土流失、水產養殖、農藥化肥、畜禽糞便、生活污水等污染的影響可能會對周邊水質造成較大影響（王偉等，2010），其中在 2014年岳陽市排放的城鎮生活污水源TN、TP的排放量在洞庭湖區周邊地市中占比最大，分別高達10457 t和737 t，畜禽養殖業污染物TN、TP的排放量也較大，分別為2.5萬噸和3.22千噸（數據來源于《2014年湖南省環境統計數據和湖南省統計年鑒》），故其高排放量勢必對岳陽市周邊水域處沉積物污染造成較大的影響。從單項污染指數來看，洞庭湖及入湖口表層沉積物TN呈輕度污染、TP呈中度-重度污染，這與王巖等（2014）的研究洞庭湖沉積物氮磷污染程度得出的結論基本一致。TN、TP污染程度不同，一方面是由于洞庭湖沉積物本身就是一個極其復雜的體系，各個污染因子都有其特性，規律并不相同（邱祖凱等，2016），另一方面可能與氮磷的污染來源不同有關，TN和TP較小的相關性也從側面說明了這一點。洞庭湖氮污染主要來源于畜禽養殖、城鎮生活、工業和農田徑流污染，尤其是畜禽養殖污染居首位（秦迪嵐等，2011）；而磷污染除上述污染來源外，研究發現洞庭湖水體中懸浮顆粒態磷含量比例較高（李利強等，2014；田琪等，2016），而水體中顆粒態磷易沉降并貯存于沉積物中，因此每年入湖的大量泥沙也可能是洞庭湖沉積物中TP的重要來源之一（楊漢等，1999；王巖等，2014），這與沉積物中的TP含量在入湖河流尤其是湘江入湖口處較高相互印證。盡管洞庭湖表層沉積物整體上呈輕度污染，但TP污染已達中度-重度污染，其生態風險不容忽視，因此，洞庭湖污染治理應重點控制磷污染。

4 結論

（1）與國內其他湖泊相比，洞庭湖及其入湖口表層沉積物TN、TP和OM的含量均處于中間水平。空間格局均表現為南洞庭湖>西洞庭湖>東洞庭湖，各個入湖口中湘江入湖口處TN、TP和OM的含量均屬最高。

（2）Pearson相關性分析表明，OM與TN呈顯著正相關（r=0.574，P<0.05），TN與TP（r=0.433，P>0.05）和 OM 與 TP（r=0.073，P>0.05）相關性均不顯著。

（3）綜合污染指數和有機污染指數評價表明，洞庭湖及其入湖口表層沉積物整體上呈輕度污染，南洞庭湖污染比東、西洞庭湖及入湖口嚴重，各個入湖口中以湘江入湖口污染最高。