衡水湖不同生態區沉積物與上覆水水質相關性研究

張志強

(衡水學院生命科學系，河北 衡水 053000)

近年來，隨著人類活動的加劇及氣候的變化，對河流、湖泊等水環境造成了嚴重的影響，其中最為突出的影響就是富營養化[1]。富營養化本是河流、湖泊自然演化過程中的一種自然現象，但是因為人類活動造成大量污染物質的流入，超過了河流、湖泊自身的自凈能力，從而大大地加速了富營養化的進度[2]。富營養化會造成藻類的過度繁殖、水體溶解氧下降、動植物的大量死亡。而氮和磷含量超標是水體富營養化的直接威脅因子[3]。水體中氮磷等營養物物質會沉積到水體底部，從而使沉積物成為氮磷等營養物質的儲存庫[4]。當沉積物受到風浪擾動、溫度急劇變化或者厭氧的情況下，就會加速向水體中釋放營養物質，從而對水體形成“二次污染”[5]。

目前，衡水湖的水位較淺，平均水深約為2～3m。衡水湖周邊河流眾多，但是沒有常年注水的徑流，每年只能依靠引用黃河水或者岳城水庫的水向衡水湖注水。常年引水帶來的大量營養物質沉積到衡水湖湖底，成為衡水湖“二次污染”的來源。一旦水位下降、水溫升高、溶解氧下降等情況發生，沉積物中各種物質的含量就會造成湖水水質下降。因此，為了治理和恢復衡水湖的水生態健康，除了對外源治理，還需要考慮湖泊內源的治理。本次研究衡水湖上覆水水質因子與沉積物理化特性的相關性，對衡水湖水體保護具有重要意義。

1 研究區域概述

衡水湖位于河北省衡水市，是華北平原上第1個國家級濕地自然保護區，同時也是華北地區珍稀鳥類和濕地生物多樣性保護的重要基地。衡水湖由東湖和西湖2個湖區組成，湖面面積約75km2，總庫容達1.88億m3。東湖被一條人工隔堤分為大庫和小庫2部分，其中大庫面積32.36km2，庫容9100萬m3，小庫面積10.14km2，庫容3200萬m3。衡水湖補水來源以引水為主，并以黃河水為主要來源。

2 材料與方法

2.1 采樣點布設

根據衡水湖的生態分布特征，按一定規則劃分網格進行采樣點布設，將衡水湖劃分為深水區、沉水植物區和挺水植物區。其中，沉水植物區設計2個采樣點(H1、H2)，挺水植物區設計3個采樣點(H3、H4、H5)，深水區設計4個采樣點(H6、H7、H8、H9)。具體采樣見圖1。

圖1 衡水湖采樣位點分布圖

2.2 樣品采集與預處理

2022年8—10月對衡水湖進行樣品的采集，采集頻率為每月2次。

2.2.1 水樣的采集

用有機玻璃取水器在水面以下50cm處采集水樣1000mL，裝入提前清洗過的樣品瓶中，加入硫酸，酸化至pH<2，在4℃的冰箱中保存待測。

2.2.2 沉積物的采集

選取抓斗式采泥器采取表層沉積物。樣品裝入干凈的聚乙烯袋，排出袋中空氣封口標記，保存于保溫箱中，立即帶回實驗室。將沉積物樣品運回實驗室后，用冷干機進行冷干，剔除雜物，研磨過100目篩后裝瓶密封，低溫(4℃)保存待用。

2.3 測定指標及方法

對上覆水的水溫、pH、DO、NH4+-N、TN、TP、COD、TOC等指標進行檢測。其中，pH值采用玻璃電極法測定；DO采用便攜式溶氧儀法測定；NH4+-N采用納氏試劑分光法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定；COD采用重鉻酸鹽滴定法測定；TOC采用燃燒氧化-非分散紅外法測定。

對沉積物中pH、NH4+-N、TN、TP、TOC等指標進行檢測。其中，pH值采用玻璃電極法測定；NH4+-N采用納氏試劑分光法測定；TN采用凱氏定氮法測定；TP采用SMT法提取加鉬酸銨分光光度法測定；TOC采用燃燒氧化-非分散紅外法測定。

3 實驗結果

3.1 上覆水水質因子測定結果

衡水湖上覆水各指標統計情況見表1。由表1可知，衡水湖pH值變化范圍為7.96～8.67，平均值為8.33，水體成弱堿性；不同生態區平均pH值相差不大，排布情況表現為深水區>挺水植物區>沉水植物區。衡水湖溶解氧的變化范圍為4～8.9mg·L-1，平均值為6.65mg·L-1；不同生態區的溶解氧存在一定的差異，其中，挺水植物區溶解氧平均含量最高，為7.2mg·L-1，沉水植物區溶解氧平均含量最低，為6.05mg·L-1。衡水湖總氮含量變化范圍為0.73～1.79mg·L-1，平均值為1.22mg·L-1；不同生態區平均總氮含量相差不大，排布情況表現為沉水植物區>深水區>挺水植物區。衡水湖總磷含量變化范圍為0.064～0.14mg·L-1，平均值為0.092mg·L-1；不同生態區的總磷含量存在一定的差異，其中沉水植物區和深水區的總磷含量明顯高于挺水植物區。衡水湖TOC含量變化范圍為12.64～17.92mg·L-1，平均值為14.87mg·L-1；不同生態區平均TOC含量相差不大，排布情況表現為挺水植物區>深水區>沉水植物區。衡水湖氨氮含量變化范圍為0.092～0.407mg·L-1，平均值為0.196mg·L-1；其中，挺水植物區的氨氮平均含量為0.147mg·L-1，沉水植物區氨氮平均含量為0.167mg·L-1，深水區氨氮平均含量為0.241mg·L-1，深水區氨氮平均含量高于沉水植物區和挺水植物區。衡水湖COD含量變化范圍為14.9～30.56mg·L-1，平均值為21.12mg·L-1；不同生態區平均COD含量相差不大，排布情況表現為沉水植物區>深水區>沉水植物區。

表1 衡水湖上覆水水質指標統計表

3.2 沉積物理化性質測定結果

衡水湖沉積物測定結果見表2。衡水湖沉積物pH值變化范圍為7.46～7.85，平均值為7.66；其中，挺水植物區pH值為7.65，沉水植物區pH值為7.66，深水區pH值為7.67，不同生態區pH值無明顯差異。衡水湖沉積物中總氮含量為443.1～2422.1mg·kg-1，總氮平均值為1345.3mg·kg-1；挺水植物區和深水區的總氮含量均高于1300mg·kg-1，而沉水植物區的總氮含量低于1000mg·kg-1。尹德超等研究發現白洋淀表層沉積物底泥層TN含量均值為2859.91mg·kg-1，與同為華北平原的白洋淀相比，衡水湖沉積物中總氮含量明顯偏低[6]。相關資料顯示，武漢黃家湖、貴州百花湖、大慶大通湖泊總氮平均值在800mg·kg-1左右，大通湖甚至達到1.2g·kg-1[7-9]，相對來說衡水湖沉積物中總氮含量偏高。衡水湖沉積物中總磷平均含量為495.92mg·kg-1，其中，沉水植物區總磷平均含量最低，為400.2mg·kg-1，而挺水植物區和深水區總磷平均含量分別為520.9mg·kg-1和533.34mg·kg-1，兩者之前差異不大。相關資料顯示，長沙市梅溪湖表層沉積物中總磷含量為512.60±281.39mg·kg-1，衡水湖沉積物中總磷含量與其相差不大[10]。衡水湖沉積物中TOC含量介于9.63～21.62g·kg-1，平均含量為14.92g·kg-1；其中，挺水植物區的TOC平均含量為14.38g·kg-1，沉水植物區的TOC平均含量為17.36g·kg-1，而深水區的TOC平均含量最低，為13.9g·kg-1。衡水湖沉積物中氨氮含量介于52.2～451.2mg·kg-1，平均值為243.31mg·kg-1，不同生態區氨氮含量排序為深水區>沉水植物區>挺水植物區。

表2 衡水湖沉積物主要化學指標統計表

3.3 上覆水水質因子與沉積物理化特性相關性分析

采用Spearman相關系數法對衡水湖上覆水水質因子與沉積物理化特性進行相關性分析，計算結果用秩相關系數rs進行表示，其中rs介于-1～1，rs<0為負相關，rs>0為正相關，絕對值越大，相關性越強[11]。衡水湖上覆水水質因子與沉積物理化特性相關性分析結果見表3，由表3可知，水體總磷與沉積物總磷呈極顯著正相關，水體總磷與沉積物總氮呈顯著正相關；水體總氮與沉積物總氮呈極顯著正相關；水體溶解氧與沉積物總氮呈極顯著負相關，水體溶解氧與沉積物氨氮呈顯著正相關；水體pH與沉積物pH呈極顯著正相關，水體pH與沉積物氨氮呈顯著正相關；水體TOC與沉積物TOC呈極顯著正相關；水體氨氮與沉積物氨氮呈顯著相關。衡水湖水體中溶解氧與沉積物總氮、沉積物總磷呈負相關，說明高溶解氧有利于抑制沉積物中氮、磷等營養物質的釋放。衡水湖水體中總氮與沉積物中總氮呈極顯著正相關，水體中總磷與沉積物中總磷呈極顯著正相關，說明衡水湖沉積物中營養鹽的釋放成為衡水湖污染的主要來源，因此在有效控制外源的情況下，加強對內源污染的防控。

表3 衡水湖上覆水水質因子與沉積物理化特性相關性分析

4 結果與建議

對衡水湖上覆水進行檢測，結果顯示，衡水湖pH值變化范圍為7.96～8.67；溶解氧變化范圍為4～8.9mg·L-1；總氮含量變化范圍為0.73～1.79mg·L-1；總磷含量變化范圍為0.064～0.14mg·L-1；TOC含量變化范圍為12.64～17.92mg·L-1，平均值為14.87mg·L-1；氨氮含量變化范圍為0.092～0.407mg·L-1，平均值為0.196mg·L-1；COD含量變化范圍為14.9～30.56mg·L-1，平均值為21.12mg·L-1。

衡水湖沉積物中pH平均值為7.66，沉積物中總氮平均值為1345.3mg·kg-1，沉積物中總磷平均含量為495.92mg·kg-1，沉積物中TOC平均含量為14.92g·kg-1，沉積物中氨氮平均值為243.31mg·kg-1。

衡水湖水體中總氮與沉積物中總氮呈極顯著正相關，水體中總磷與沉積物中總磷呈極顯著正相關，水體pH與沉積物pH呈極顯著正相關，水體中TOC與沉積物中TOC存在極顯著正相關，說明衡水湖沉積物中營養鹽的釋放成為衡水湖污染的主要來源，因此需加強對內源污染的防控。