陽澄湖沉積物氮磷與有機(jī)質(zhì)分布及污染評價

郭西亞，凌 虹，周 旭，盛 潔，岳 強(qiáng)，沈辛怡，朱金格

（1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036；2.江蘇省環(huán)科院環(huán)境科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210036；3.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816；4.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008）

0 引言

湖庫富營養(yǎng)化問題一直是國內(nèi)外十分關(guān)注的水環(huán)境問題之一[1]。多數(shù)研究成果表明，N，P 等元素的增加是湖庫富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素，N，P，C 的大量輸入與長期累積使得湖泊沉積物成為湖泊水體營養(yǎng)鹽的重要蓄積庫和難以削減的內(nèi)源污染負(fù)荷[2-3]。在能夠有效控制外源污染物輸入的情況下，當(dāng)沉積物-水界面環(huán)境條件發(fā)生改變或在生物擾動、沉積物再懸浮等因素的作用下，蓄積在沉積物中的N，P，C 會再次釋放至湖泊水體中，嚴(yán)重影響湖泊上覆水體水質(zhì)[4-6]，對水生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的威脅[7]。因此，沉積物能夠間接反映湖泊水體的污染以及人類活動與自然因素對水體環(huán)境的長期影響[8-9]。

陽澄湖（31°35' ～31°49'N，120°66' ～120°84'E）位于蘇州市區(qū)東北，作為蘇州市戰(zhàn)略性水源地與大閘蟹養(yǎng)殖基地，其水質(zhì)安全對其周邊社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義。目前，國內(nèi)外對陽澄湖浮游植物和底棲動物的研究報(bào)道較多[10-12]，對N，P，C的污染狀況與分布特征的研究報(bào)道尚為鮮見。研究陽澄湖沉積物中N，P 和有機(jī)質(zhì)的含量及空間分布特征，利用有機(jī)污染指數(shù)和污染指數(shù)法對沉積物污染狀況進(jìn)行了評價，闡明了陽澄湖沉積物的污染現(xiàn)狀，對陽澄湖內(nèi)源污染治理具有重要意義，并可為科學(xué)制定陽澄湖污染防治管控策略及水環(huán)境質(zhì)量改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)與樣品處理

綜合考慮陽澄湖湖體形態(tài)、湖泊水動力特征、人類的干擾程度、流域河網(wǎng)水系分布、水質(zhì)、圍網(wǎng)養(yǎng)殖等多因素的空間差異性特征[13]，在陽澄湖湖區(qū)共布設(shè)14 個沉積物監(jiān)測點(diǎn)位，見圖1。其中，陽澄西湖區(qū)布設(shè)L1，L2，L3，L4 共計(jì)4 個點(diǎn)，陽澄中湖區(qū)布設(shè)L5，L6，L7，L8 共計(jì)4 個點(diǎn)，陽澄東湖區(qū)布設(shè)L9，L10，L11，L12，L13，L14 共計(jì)6 個點(diǎn)。于2018年2月在陽澄湖采集沉積物樣品，借助全球定位系統(tǒng)GPS 導(dǎo)航定位。采用活塞式柱狀有機(jī)玻璃采樣器（Φ86 mm）采集柱狀沉積物，用分樣器取表層5 cm 泥樣置于聚氯乙烯密封袋密封，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室，于-20 ℃條件下冷凍保存并處理分析。沉積物中的TP 含量采用高氯酸-硫酸硝化-鉬銻抗分光光度法測定[14]，TN含量采用硒粉-硫酸銅-硫酸鉀-硫酸消煮法[15]。沉積物樣品粒度采用Malvern 公司生產(chǎn)的Mastersize2000激光粒度儀（Malvern Instruments Ltd）測定。有機(jī)質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀-硫酸氧化-硫酸亞鐵滴定法測定[16]。

圖1 陽澄湖沉積物采樣點(diǎn)位布置

1.2 陽澄湖沉積物污染狀況評價

目前，沉積物營養(yǎng)鹽狀況評價方法與標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，常用的評價方法有富集系數(shù)法、有機(jī)污染指數(shù)法、污染指數(shù)法等[17-18]。采用最多的有機(jī)污染指數(shù)法缺乏對沉積物磷的評價，本研究在采用有機(jī)污染指數(shù)法。評價陽澄湖沉積物C，N 污染狀況的同時，采用污染指數(shù)評價沉積物P 的污染狀況。

（1）有機(jī)污染指數(shù)評價

有機(jī)污染指數(shù)法通常被用來評價湖庫沉積物的營養(yǎng)狀況，而ON 則是判斷沉積物受N 污染程度的重要指標(biāo)，見表1 和表2。評價標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算方法：

表1 沉積物有機(jī)污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 沉積物有機(jī)氮評價標(biāo)準(zhǔn)

（2）污染指數(shù)法

污染指數(shù)法通常被用來評價各個污染因子的污染狀況，本研究中采用污染指數(shù)法對陽澄湖沉積物TP 的污染狀況進(jìn)行評價，計(jì)算方法和評價標(biāo)準(zhǔn)：

式中：PIi為污染指數(shù)；Ci為沉積物中i 污染因子的實(shí)際測得質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Cis為污染因子i 在沉積物中的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg。Cis有的參考加拿大沉積物評價指南中的相關(guān)規(guī)定[19]來取值，但該指南起初是用來評價海洋沉積物的生態(tài)毒性，對于湖庫沉積物而言并不是適用的，因此本研究參照國內(nèi)湖泊沉積物評價相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]，TP 的Cis取440 mg/kg，污染程度分級見表3。

表3 沉積物污染程度分級

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel2016 (美國微軟公司) 對數(shù)據(jù)分析計(jì)算，用Origin9.0(Origin Lab 公司)繪制圖形。運(yùn)用R(Mathsoft 公司)分析統(tǒng)計(jì)沉積物中TN、有機(jī)質(zhì)（OM）和TP 之間的Pearson(雙側(cè)檢驗(yàn))相關(guān)系數(shù)，以探究它們之間的相關(guān)性。采樣點(diǎn)位圖與TN，TP 和OM 空間分布圖采用ArcGIS10.2(ESRI 公司)繪制完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 陽澄湖沉積物顆粒物理性質(zhì)

取表層沉積物測定沉積物的基本物理指標(biāo)，見圖2。含水率能夠反映沉積物疏松特性，直接影響沉積物的再懸浮，進(jìn)而影響營養(yǎng)鹽在沉積物與上覆水之間的重新分配[21-22]。有研究表明頻繁擾動可以使沉積物含水率顯著增加[23]。陽澄湖新鮮沉積物含水率在52.90%～86.02%之間波動，新鮮沉積物平均含水率為68.78%。沉積物容重在1.04 ～1.60 g/cm3之間，均值為1.25 g/cm3。pH 值在7.10 ～7.75，均值為7.55，陽澄湖沉積物偏弱堿性。沉積物平均粒徑約為13.99 μm，根據(jù)粒徑對沉積物物的分級標(biāo)準(zhǔn)，陽澄湖沉積物小于0.004 mm 的粘粒占19.68%，0.004 ～0.064 mm之間的粉粒占76.67%，大于0.064 的砂粒占3.64%。

圖2 陽澄湖沉積物含水率、粒度、容重與pH 值

2.2 陽澄湖表層沉積物TN 含量及其空間分布

陽澄湖表層沉積物TN 含量見表4。TN 質(zhì)量比變化范圍為1 272.66 ～5 399.56 mg/kg，均值為3 046.65 mg/kg。變異系數(shù)是反映各個樣點(diǎn)之間的平均變異程度參數(shù)[24]，TN 的變異系數(shù)為42.25%，大于20%，說明陽澄湖沉積物TN 含量在其空間分布上具有一定的差異性，空間分布見圖3。圖3 顯示TN 呈現(xiàn)出從西湖向中湖、東湖增加的趨勢，陽澄東湖沉積物總氮污染最為嚴(yán)重，最高值在采樣點(diǎn)L14 為5 399.56 mg/kg，均值為3 994.29 mg/kg。

表4 陽澄湖表層沉積物中C,N,P 含量

圖3 陽澄湖沉積物TN 含量的空間分布

2.3 陽澄湖表層沉積物TP 含量及其空間分布

陽澄湖沉積物TP 含量及空間分布分別見表4和圖4。表層沉積物TP 的質(zhì)量比變化范圍為412.15～1 425.54 mg/kg，均值為721.90 mg/kg，其含量變異系數(shù)為38.49%，TP 含量空間分布也存在一定的差異性。由圖4 可以看出，陽澄湖沉積物TP 含量空間上表現(xiàn)出從陽澄西湖到中湖、東湖遞減的趨勢，與陽澄湖TN 在空間上的分布相反，導(dǎo)致陽澄西湖TP 含量較高的原因是由于陽澄西湖周邊入湖河道較多，這些入湖河道將大量的工業(yè)廢水和未被植物吸收利用農(nóng)田肥料及城市生活污水輸運(yùn)到陽澄西湖，進(jìn)入水體的P 很快通過水相被水體中的懸浮顆粒物吸附，隨著懸浮物的沉降進(jìn)入沉積物中，導(dǎo)致區(qū)域沉積物中P 含量偏高。其次，陽澄東湖生長著大量的水生植被，這些植物在生長旺季對生物可利用P 的需求量非常大，從而間接導(dǎo)致了東湖沉積物TP 含量低于其它2 個湖區(qū)。陽澄西湖南部湖區(qū)及中湖南部湖區(qū)（采樣點(diǎn)L4 和L8 附近），TP 質(zhì)量比均高于1 000 mg/kg，L4采樣點(diǎn)TP 質(zhì)量比更是達(dá)到1 425.54 mg/kg，污染甚為嚴(yán)重。根據(jù)美國國家環(huán)保署（US EPA）所制定的相關(guān)污染標(biāo)準(zhǔn)，陽澄湖沉積物TP 整體上已經(jīng)達(dá)到了重度污染（650 mg/kg），部分區(qū)域已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了重度污染的閾值。

圖4 陽澄湖沉積物TP 含量空間分布

2.4 陽澄湖沉積物OM 含量及其空間分布

沉積物OM 是湖泊水環(huán)境中比較重要的一種膠體。它能夠與重金屬、有機(jī)污染物等發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)(吸附、分配與絡(luò)合反應(yīng)等)，且能夠較好地反應(yīng)湖泊沉積物營養(yǎng)狀況。底泥中的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下礦化分解，能夠增加湖泊中N，P 濃度導(dǎo)致水質(zhì)惡化或富營養(yǎng)化。陽澄湖表層沉積物OM含量及空間分布見表4 和圖5。陽澄湖表層沉積物OM 的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.28%，其變化范圍為1.24%～27.55%，OM 的變異系數(shù)為103.38%，屬于高等變異強(qiáng)度，這表明陽澄湖表層沉積物中OM 含量在空間分布上極度不均勻，離散性相對較大。OM 從陽澄湖西湖到中湖、東湖呈現(xiàn)出增加的趨勢，與沉積物TN 含量分布特征相一致，西湖到中湖變化平穩(wěn)，再到東湖迅速增加。東湖OM 含量最大值在L14 采樣點(diǎn)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)27.55%，L13 采樣點(diǎn)OM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也達(dá)到了27.42%，OM 污染相對比較嚴(yán)重。根據(jù)對野外現(xiàn)場與周邊環(huán)境的考察，陽澄東湖在夏季生長著大量的水生植被，植被在死亡后由于沒有及時清理打撈，致使在冬季死亡后的植物殘?bào)w沉降的沉積物表層，腐爛分解，從而出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)M 嚴(yán)重污染。

圖5 陽澄湖沉積物OM 含量空間分布

2.5 陽澄湖沉積物中TN，TP 和OM 相關(guān)性分析

為探究陽澄湖沉積物中TN，TP 和OM 的相關(guān)性關(guān)系，利用R 軟件Corrplot 程序包對污染因子進(jìn)行pearson 相關(guān)性分析，其結(jié)果見圖6。陽澄湖沉積物TN 和OM 呈顯著正相關(guān)（R2= 0.75，p ＜0.01），這與TN 和OM 含量從西湖向中湖、東湖增加的空間分布特征是一致。有關(guān)研究表明湖泊沉積物TN 中的70%～90%是以O(shè)N 的形式存在[25]，陽澄湖沉積物TN 和OM 的相關(guān)關(guān)系從側(cè)面驗(yàn)證了這一研究結(jié)果。陽澄湖沉積物TN 與TP 的相關(guān)性不大（R2=0.07，p ＞0.05），表明TN 和TP 可能具有不同的來源。OM 和TP 的相關(guān)性較?。≧2= 0.14，p ＞0.05），這表明TP 可能并不是主要由沉積物中的OM 的富集造成的，OM 主要來自于水生植被死亡殘?bào)w的分解，而P 則有可能來源于西湖周邊入湖河道排入的農(nóng)業(yè)面源及部分工業(yè)和生活污廢水。

圖6 陽澄湖沉積物TN，TP 和OM 相關(guān)性

2.6 沉積物污染狀況

采用有機(jī)污染指數(shù)（OI）和污染指數(shù)法（PI）對陽澄湖區(qū)、陽澄西湖區(qū)、陽澄中湖區(qū)和陽澄東湖區(qū)4 個區(qū)域進(jìn)行沉積物營養(yǎng)鹽狀況評價，其結(jié)果見表5 和表6。

表5 陽澄湖沉積物有機(jī)氮指數(shù)及OI

表6 陽澄湖沉積物TP 的PI

由表5 可知，陽澄湖全湖的ON 與OI 波動范圍均較大，分別為0.12 ～0.51 和0.17 ～8.20 之間。ON和OI 整體處于污染狀態(tài)，但仍有部分區(qū)域處于清潔和尚清潔的狀態(tài)。OI在陽澄西湖區(qū)處于尚清潔狀態(tài)，達(dá)到III 級。ON 在采樣點(diǎn)L2 和L3 處均處于較清潔的狀態(tài)，達(dá)到II 級。OI在采樣點(diǎn)L2 處于較清潔狀態(tài)，達(dá)到II 級，在L3 處于尚清潔狀態(tài)，達(dá)到III 級。

由表6 可知，陽澄湖沉積物TP 的PI 變化范圍在0.94 ～3.24，均值1.69，盡管陽澄東湖區(qū)處于中度污染狀態(tài)，但陽澄西湖和陽澄中湖處于重度污染狀態(tài)，導(dǎo)致湖區(qū)整體上污染較為嚴(yán)重，全湖區(qū)處于重度污染狀態(tài)。陽澄湖作為蘇州市的重要飲用水源地，當(dāng)前的沉積物污染狀況不容忽視.對于污染較為嚴(yán)重的N，P 而言，湖區(qū)圍網(wǎng)養(yǎng)殖投放的餌料及魚、蟹排泄物及死亡的水生植被腐爛分解是一方面的原因，另一方面排放入湖河道的工農(nóng)業(yè)廢水及居民生活污水也增加了N，P 污染負(fù)荷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)的131家工業(yè)污染企業(yè)中，印染、電鍍、化工醫(yī)藥等重污染企業(yè)就有91 家，占企業(yè)總數(shù)的69%[26]。因此，陽澄湖內(nèi)除了農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻(xiàn)外，流域內(nèi)城鎮(zhèn)生活污染水排放、活躍的工業(yè)活動也是沉積物中N，P 的重要來源。因此，集中對這些工業(yè)企業(yè)進(jìn)行整治和實(shí)施清潔生產(chǎn)并對入湖河流進(jìn)行疏浚治理，嚴(yán)格控制陽澄湖周邊入湖河道工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排放是陽澄湖沉積物N，P 污染治理的關(guān)鍵措施。

3 結(jié)論

（1）陽澄湖沉積物TN 和OM 空間上呈現(xiàn)出由西湖向中湖、東湖增加的趨勢，TP 空間分布與TN 相反。全湖沉積物N，P 污染嚴(yán)重，陽澄湖作為重要的水源地其內(nèi)源污染負(fù)荷削減迫在眉睫。

（2）對陽澄湖沉積物TN，TP 和OM 進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，其結(jié)果表明TN 和OM 具有顯著正相關(guān)（p ＜0.05），TN 和OM 在一定程度上具有同源性。

（3）采用OI 和PI 對陽澄湖沉積物的污染狀況進(jìn)行評價，其評價結(jié)果表明陽澄湖沉積物的ON 處于污染狀態(tài)，陽澄西湖有機(jī)指數(shù)達(dá)到尚清潔狀態(tài)，其它2個湖區(qū)均處于有機(jī)污染狀態(tài)，陽澄東湖TP 處于中度污染，其它2 個湖區(qū)處于重度污染狀態(tài)。