宜昌水源地水庫豐水期沉積物營養(yǎng)鹽特征分析

包宇飛，施鳳寧，吳興華，張 迪

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.云南省水環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650106；3.中國長江三峽集團(tuán)有限公司長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心，北京 100038）

水庫作為很多城市的水源地，是重要的水資源戰(zhàn)略儲備地，與人類的生活生產(chǎn)密切相關(guān)。然而，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及水庫資源的開發(fā)與利用，水庫水體富營養(yǎng)化及其帶來的生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，甚至已成為全球水庫面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題之一[1-3]。近年來，隨著流域外源污染物的輸入逐漸得到有效控制，沉積物日積月累的內(nèi)源污染已成為很多湖庫營養(yǎng)鹽的重要來源之一，如太湖[4]、潘家口水庫[5]等，歷史大量污染物的輸入導(dǎo)致沉積物大量吸附并儲存營養(yǎng)物質(zhì)，扮演“匯”的角色，而當(dāng)外源負(fù)荷減小時，沉積物可能由“匯”轉(zhuǎn)化為“源”，形成內(nèi)源污染。有關(guān)研究表明[6-8]，磷元素作為一種沉積型元素，超過99% 儲存在沉積物中，而沉積物中磷易受有機(jī)質(zhì)礦化降解等驅(qū)動，又釋放到水體中對水質(zhì)產(chǎn)生影響，因此磷是沉積物扮演“匯源”角色的主要變化元素之一。同時，磷作為水體富營養(yǎng)化的重要限制因子，其內(nèi)源磷的污染特征直接關(guān)系著水體的富營養(yǎng)化水平和水庫的水生態(tài)健康狀況[9]。因此，研究水庫沉積物中營養(yǎng)鹽的含量及其分布特征，對于控制水庫的富營養(yǎng)化和評價水庫的生態(tài)健康具有重要意義。

黃柏河位于宜昌市西部，是長江的一級支流，黃柏河?xùn)|支自上而下建有4 座大中型梯級水庫，即玄廟觀水庫、天福廟水庫、西北口水庫以及尚家河水庫，每年從尚家河水庫向東風(fēng)渠灌區(qū)輸送水量3億m3，為東風(fēng)渠沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)、宜昌城區(qū)、工業(yè)園區(qū)以及66.67 萬hm2農(nóng)田供水，供水人口達(dá)200 萬人，是宜昌市重要的水源地。黃柏河?xùn)|支流域磷礦資源豐富，約有54 家磷礦開發(fā)企業(yè)，其中絕大部分分布在黃柏河中上游區(qū)域的玄廟觀水庫和天福廟水庫流域內(nèi)[10]，研究表明上游2 座水庫的內(nèi)源磷污染及釋放風(fēng)險十分嚴(yán)重[11]，尚家河水庫流域內(nèi)雖無磷礦開采，然而流域上中游的磷污染對下游水庫的影響是怎樣的？大壩的攔截效應(yīng)是否顯著影響著流域沉積物磷元素的分布？目前因尚家河水庫的數(shù)據(jù)缺失還不得而知，因此亟需對尚家河水庫的沉積物營養(yǎng)鹽分布特征進(jìn)行研究。同時，考慮到尚家河水庫作為城市水源地水庫，其水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險控制十分重要，因此本研究也可為水源地水庫庫區(qū)的管理和水質(zhì)分析評價提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與采樣

尚家河水庫位于宜昌市夷陵區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)，是黃柏河?xùn)|支梯級開發(fā)的末級水庫，控制集水面積937 km2，多年平均徑流量4.48 億m3，是東風(fēng)渠灌區(qū)總干渠的取水樞紐水庫，現(xiàn)有總庫容1 646 萬m3，正常庫容1 074 萬m3，為中型水庫工程。本次采樣中，參考尚家河水庫的流域地形、周邊污染源等，選取了6個采樣點(diǎn)位（如圖1所示），采用便攜式GPS和自主研制的沉積物采樣器，于2016 年7 月在每個采樣點(diǎn)周邊1 m2范圍內(nèi)采集表層沉積物樣品（深約6 cm），以2 cm 為1 層（共3 層）進(jìn)行切割后裝入聚乙烯離心管，密封避免氧化。沉積物上覆水（離底部約4 cm）引流入洗干凈的PVC 瓶保存。所有樣品在8 h 內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并在24 h內(nèi)進(jìn)行處理和檢測。

圖1 尚家河水庫采樣點(diǎn)分布

1.2 測定方法

采用YSI EXO2多參數(shù)水質(zhì)在線分析儀，原位監(jiān)測表層水體的溫度（T）、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）、氧化還原點(diǎn)位（ORP）、pH 值和葉綠素a等；采用分光光度法，測定上覆水以及間隙水正磷酸鹽濃度（PO43-）。

本實(shí)驗(yàn)中沉積物環(huán)境因子由水利部水質(zhì)監(jiān)督檢測測試中心進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)過程中注意質(zhì)量控制和平行樣的設(shè)定。沉積物進(jìn)行冷干、研磨過100 目篩后，進(jìn)行營養(yǎng)鹽含量檢測。沉積物經(jīng)過1mol∕L 鹽酸（HCl）充分反應(yīng)后，用元素分析儀（Vario EL Ⅲ，Elementar公司，德國）測定總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）；本研究采用歐盟磷形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)測試法（SMT法）逐步分離提取磷，主要將磷分為總磷（TP）、有機(jī)磷（OP）、無機(jī)磷（IP）、鈣結(jié)合態(tài)磷（Ca-P）和鐵鋁結(jié)合態(tài)磷（Fe∕Al-P），對于探討磷的特征和潛在風(fēng)險有較好的指示意義。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個樣品取3 個平行樣品的平均值作為定值。

所有數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)采用Excel 2007 和SPSS 22.0 軟件完成，采用Origin 8.0 作圖，數(shù)據(jù)采用平均值或平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境因子分析

采樣點(diǎn)水體環(huán)境因子，詳見表1。

表1 采樣點(diǎn)水體環(huán)境因子

由表1 可以發(fā)現(xiàn)，尚家河水庫表層水體pH 值范圍為8.26～8.67，呈現(xiàn)弱堿性，主要受流域弱堿性地質(zhì)特性的影響；電導(dǎo)率反映水體離子的強(qiáng)度，變化范圍為455.4±18.2 μS∕cm；表層水體氧化還原電位為111.4±40.8 mV，屬于中度還原條件；溶解氧變化范圍為8.51±0.33 mg∕L，水庫水動力條件較好，溶解氧處于接近飽和狀態(tài)；葉綠素a 含量變化范圍為1.89±0.30 μg∕L，藻類繁殖使得水體溶解氧濃度增高，葉綠素和溶解氧兩者呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.886（P＜0.01）；表層水體PO43-濃度為0.08±0.01 mg∕L，符合我國地表水水環(huán)境質(zhì)量的Ⅲ～Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（湖庫）。

2.2 沉積物理化性質(zhì)

采樣點(diǎn)表層沉積物的理化性質(zhì)如圖2 所示，采用插值法得出尚家河水庫沉積物中TOC、TN 和TP的空間分布特征。

圖2 尚家河水庫沉積物TOC、TN和TP濃度空間分布

由圖2 可以看出，TOC 和TN 濃度空間上呈現(xiàn)出“兩頭高，中間低”的分布特點(diǎn)，含量分別為1.61～2.24 g∕kg和1 295.4～1 528.6 mg∕kg，均值分別為1.95 g∕L和1 407.0 mg∕kg，水庫沉積物有機(jī)質(zhì)一部分來源于水生生物的殘體，另一部分源于外源性輸入。根據(jù)Meyers 等人[12]研究，細(xì)菌的TOC∕TN 介于2.6～4.3，水生動植物的TOC∕TN 介于7.7～10.1，而維管束陸生植物的TOC∕TN 一般大于20，TOC∕TN 越高說明陸源性有機(jī)質(zhì)輸入的影響越大。尚家河水庫采樣點(diǎn)表層沉積物TOC∕TN 為14.5～17.2，均值為16.2，表明水庫沉積物有機(jī)質(zhì)大多數(shù)來源于陸源性污染物輸入。這與水庫的地理環(huán)境密不可分，尚家河水庫處于山谷峽口之間，周邊山上遍布森林和草地，流域內(nèi)有大量耕地，且在豐水期間（采樣時間為7月），入庫徑流量的增大及流域面源徑流污染物的增加增大了陸源性有機(jī)物的輸入量，導(dǎo)致表層沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來源于陸源性污染物的輸入。

沉積物TP 含量空間上整體呈現(xiàn)出從庫尾到庫首逐漸減小的趨勢，濃度介于572.2～768.5 mg∕L，均值為650.6 mg∕kg。黎睿等[13]根據(jù)生態(tài)毒性將600、2 000 mg∕kg 作為TP 污染低效應(yīng)和嚴(yán)重污染水平的分界線，可見尚家河水庫磷污染風(fēng)險較低。劉佳等人[11]的研究表明，黃柏河中上游的3座水庫水體具有高營養(yǎng)化風(fēng)險，玄廟觀水庫、天福廟水庫和西北口水庫TP平均含量分別為8 070.0 、2 681.2 和2 656.6 mg∕kg，約是尚家河水庫的4～12 倍，TP 含量在整個流域呈現(xiàn)從上游到下游的遞減趨勢，主要受礦點(diǎn)開采磷風(fēng)化輸入的影響（尚家河水庫流域內(nèi)無磷礦）并與水庫的攔截作用有關(guān)，因此尚家河水庫沉積物保持較低的TP污染風(fēng)險。

2.3 沉積物磷形態(tài)含量與空間分布特征

各采樣點(diǎn)磷賦存形態(tài)空間分布特征，如圖3所示。

圖3 各采樣點(diǎn)磷賦存形態(tài)空間分布特征

2.3.1 有機(jī)磷（OP）

OP主要包括沉積物中生物體內(nèi)所結(jié)合的各種磷化合物種類，其在微生物和酶的作用下可能轉(zhuǎn)化為生物活性磷。尚家河水庫表層沉積物OP含量為218.6～281.3 mg∕kg，平均值為251.1 mg∕kg，占TP 的38.6%，具體空間分布為S5（281.3 mg∕kg）＞S1（276.2 mg∕kg）＞S3（250.8 mg∕kg）＞S6（242.4 mg∕kg）＞S4（237.1 mg∕kg）＞S2（218.6 mg∕kg），差異性顯著（P＜0.01），整體呈現(xiàn)“兩頭高，中間低”的特點(diǎn)，與TOC 和TN 的空間變化趨勢類似。有機(jī)質(zhì)（TOC、TN和OP）主要來源于陸源性的有機(jī)輸入，所以其空間分布特征較一致。洱海[14]沉積物OP 含量為278.3 mg∕kg，太湖和鄱陽湖OP 含量分別為125.8、152.4 mg∕kg[15]；尚家河水庫沉積物OP 含量與洱海相似，約為太湖和鄱陽湖OP 含量的2 倍。相關(guān)研究表明[14-15]，OP 含量主要與人類的活動密切相關(guān)，主要來源于面源污染，調(diào)查表明尚家河匯水區(qū)上游村莊的畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動帶來一定的面源污染輸入。Spears 等人[16]研究認(rèn)為OP 降解造成的P 釋放是低強(qiáng)度和持久的，需引起足夠的重視。

2.3.2 鐵鋁磷（Fe∕Al-P）

Fe∕Al-P是指Fe、Al、Mn及其氫氧化物結(jié)合吸附的磷，是一種非穩(wěn)態(tài)磷形態(tài)。有關(guān)研究表明，F(xiàn)e∕Al-P主要與流域內(nèi)生活污水和工業(yè)廢水污染相關(guān)[17]，尚家河水庫沉積物Fe∕Al-P 含量為113.5～155.7 mg∕kg，均值為132.2 mg∕kg，占TP 的20.3%，各采樣點(diǎn)含量變化差異性不大。Fe∕Al-P 是沉積物中磷釋放參與多相界面循環(huán)轉(zhuǎn)化的主要賦存形態(tài)，對沉積物擾動以及沉積環(huán)境的變化（氧化還原電位和pH 等）較為敏感，是沉積物內(nèi)源磷釋放的主要形態(tài)。

2.3.3 鈣磷（Ca-P）

Ca-P 主要包括自生磷灰石和原生碎屑磷等，是一種穩(wěn)定態(tài)磷。Ca-P 含量與地區(qū)的地質(zhì)化學(xué)背景緊密相關(guān)，黃柏河流域堿性土壤的地球化學(xué)環(huán)境特點(diǎn)決定了流域內(nèi)水庫沉積物磷主要以Ca-P 形態(tài)存在，這與劉佳等人[11]對本流域內(nèi)其他水庫磷形態(tài)的研究結(jié)果一致。尚家河水庫沉積物Ca-P含量為228.4～334.4 mg∕kg，均值為267.4 mg∕kg，占TP 的41.1%，具體空間分布為S5（334.4 mg∕kg）＞S6（308.2 mg∕kg）＞S4（252.7 mg∕kg）＞S2（248.1 mg∕kg）＞S1（232.5 mg∕kg）＞S3（228.4 mg∕kg），差異性顯著（P＜0.01），整體呈現(xiàn)從庫首至庫尾逐漸增大的趨勢，與TP 空間分布類似，這主要與水庫水動力作用相關(guān)，部分顆粒狀磷灰石堆積在庫尾，導(dǎo)致庫尾（S5和S6）的Ca-P 含量相對偏高。Ca-P 被普遍認(rèn)為是偏惰性和生物難直接利用型磷，但有研究表明，在pH降低、弱酸條件以及特定微生物作用下Ca-P可產(chǎn)生一定的釋放[18]。

3 討論

國內(nèi)不同水體TP含量，詳見表2。

表2 國內(nèi)不同水體TP含量mg∕kg

不同湖庫生態(tài)系統(tǒng)沉積物磷濃度不同，從表2的對比結(jié)果可以看出，尚家河水庫沉積物TP含量處于較低水平，與太湖的TP 含量[19]類似，遠(yuǎn)小于滇池以及于橋水庫[20]、橫山水庫[21]、潘家口水庫[5]等的TP含量，大于三峽水庫[22]的TP 含量。與流域上游的3 座水庫[11]相比，可以看出，尚家河水庫沉積物TP含量較低，生態(tài)風(fēng)險性也較低，但上中游的玄廟觀水庫、天福廟水庫和西北口水庫沉積物磷污染十分嚴(yán)重，這主要與黃柏河流域磷礦分布的影響以及水庫的攔截作用有關(guān)，沉積物TP含量從上游至下游呈逐漸遞減的趨勢。考慮到流域生源物質(zhì)的循環(huán)性，上游沉積物磷可以釋放進(jìn)入水體，流動至下游水庫并產(chǎn)生吸附沉積等[6]，因此作為宜昌水源地的尚家河水庫沉積物磷風(fēng)險性仍需要引起足夠的重視。

4 結(jié)論

（1）尚家河水庫沉積物TOC 和TN 均值分別為1.95 g∕L 和1 407.0 mg∕kg，統(tǒng)計(jì)分析指出尚家河水庫沉積物TOC∕TN 為14.5～17.2，均值為16.2，表明水庫沉積物有機(jī)質(zhì)（TOC、TN、OP）大多數(shù)來源于陸源性污染物輸入，這主要與水庫的地理環(huán)境特征以及流域徑流侵蝕增大有關(guān)。

（2）水庫沉積物TP 含量為572.2～768.5 mg∕kg，均值為650.6 mg∕kg，對比分析指出TP污染風(fēng)險整體較低，空間上整體呈現(xiàn)出從庫尾到庫首逐漸減小的趨勢。沉積物磷形態(tài)含量變化表現(xiàn)為Ca-P＞OP＞Fe∕Al-P，這與流域內(nèi)堿性土壤地球化學(xué)環(huán)境特點(diǎn)有關(guān)。對比分析可知，尚家河水庫沉積物TP 含量較低，但考慮到黃柏河流域上游3 座水庫沉積物高磷的生態(tài)風(fēng)險性，因此對尚家河水庫沉積物環(huán)境狀況仍需加強(qiáng)監(jiān)管和做好防控措施。