太湖湖濱帶底泥氮、磷、有機質分布與污染評價

王 佩,盧少勇,王殿武,許夢爽,甘 樹,金相燦 (.河北農業大學資源與環境科學學院,河北 保定0700；.中國環境科學研究院湖泊工程技術中心,國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室,北京 000)

底泥是生態系統的重要組成部分,底泥不僅可間接反映水體的污染情況、水動力狀態,且在外界水動力因素制約下向上覆水體釋放營養成分,影響湖泊水質和富營養化過程[1].

太湖位于長江三角洲南緣,介于N30°55′42″～31°33′50″,E119°53′45″～120°36′15″ 之間,是我國第三大淡水湖[2].內湖濱帶是湖泊流域中水域與陸地相鄰生態系統間的過渡地帶,是湖泊生態系統受人類活動影響最敏感的部分.內湖濱帶在促淤造地、維持生物多樣性和生態平衡及提升生態旅游品質等方面[3-4]均十分重要.近年來,由于濱湖地區社會經濟迅速發展,入湖污染負荷增加,太湖水體和底泥中的污染物不斷積累,湖泊富營養化有加重趨勢[5].

目前,針對太湖水體及底泥已有大量研究,如鄧建才等[6]研究了太湖水體氮磷的空間分布;金相燦等[7]研究了太湖東北部底泥可溶性氮、磷的季節性變化;趙興青等[8]采集了不同季節太湖梅梁灣和貢湖底泥柱樣,研究了底泥營養鹽含量的垂直變化;雷澤湘等[9]研究了水生植物氮磷與湖水和底泥氮磷含量的關系;張明禮等[10]研究了太湖竺山灣底泥中有害物質含量.但對太湖湖濱帶底泥的研究鮮有報道.本文通過對太湖湖濱帶不同分區底泥的分析,揭示太湖湖濱帶底泥有機質(OM)、總氮(TN)、總磷(TP)的污染現狀、分布特征并對其進行營養評價,旨在系統全面的揭示太湖湖濱帶底泥污染現狀,為太湖富營養化控制提供理論指導和技術支撐.

1 材料與方法

1.1 樣點的布設與采集

本次全湖湖濱帶大規模調查,旨在全面了解環太湖湖濱帶底泥的污染現狀.調查范圍為環太湖防洪大堤內,水向輻射帶 50～100m內的區域,平均水深1.4m.采樣時間為2010年08月.用彼德森采泥器,采集表層底泥,泥厚 10cm.環太湖湖濱帶共布50個點,湖濱帶分區及點位布置見圖1.

圖1 太湖湖濱帶分區及底泥采樣點位Fig.1 The regional classification and sampling sits in the lakeside zones of Taihu Lake由太湖水專項湖濱帶課題組繪制

樣品采后冷藏帶回實驗室,待底泥冷凍干燥后,去除樣品中貝殼、雜草、沙粒等雜物,經研磨、過篩(100目)后,保存于密封袋中,置于冰箱待用.

1.2 底泥測定項目與方法

底泥主要測定項目包括 OM(重鉻酸鉀容量法)、TP(SMT法)、TN(全自動凱式定氮法)[11].

1.3 數據處理

數據處理及其相關分析用 Excel2007與 SPSS16.0軟件.

2 結果與討論

2.1 OM分布特征

OM 是底泥中重要的自然膠體之一,也是反映有機營養程度的重要標志[12].由圖2可知,湖濱帶各分區底泥中OM含量在1.42%～9.96%間,各分區平均值由高到低依次為:東太湖＞竺山灣＞貢湖＞梅梁灣＞南部沿岸＞東部沿岸＞西部沿岸.東太湖OM最大值、最小值、平均值分別為:9.95%、2.85%和5.66%,均為各分區中最高,其它各區差異不大.

圖2 太湖湖濱帶底泥有機質分布Fig.2 Distribution of organic matter in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

研究表明,富營養化水體中底泥所含OM,一般來自城市生活污水和水生生物死亡殘骸長期積累[13-14].東太湖周圍多為出湖河流[15],因此受生活污水影響較小.東太湖湖濱底泥OM較高,可能與圍網養殖及水生植物大量生長有關.2009年初雖完成了圍網大規模縮減,2010年東太湖圍網養殖面積約2600hm2[16],但楊再福等[17]認為,東太湖的圍網養殖面積至少應控制在1000hm2以內,才能保證東太湖生態可持續發展,因此由圍網養殖導致魚蟹餌料及排泄物沉積;圍網引起的湖面狹窄,吹程減小,風浪減弱等問題仍存在,再加上沼澤化加劇,1959～ 1997年東太湖沼澤化綜合指數由1.47增至2.41[16],由此導致挺水植物及浮葉植物的大量生長,2009年水生植物覆蓋率達97%,為全湖水生植物發育最好的區域[18],大量水生植物殘體沉積可能是導致東太湖比其他各區OM高的主要原因.

2.2 TN、TP分布特征及分析

由圖3(a)可知:太湖湖濱帶底泥TN空間分布差異顯著,TN含量在 458～5211mg/kg間.各分區TN含量平均值變化趨勢:東太湖＞竺山灣＞東部沿岸＞貢湖＞南部沿岸＞梅梁灣＞西部沿岸.根據 EPA制定的底泥分類標準,各區 TN平均值:梅梁灣和西部沿岸 TN＜1000mg/kg,屬輕度污染區;東太湖在2000mg/kg以上,屬重度污染區;其他各區均在1000～2000mg/kg間,屬中度污染區.

從圖4(a)可見,TN與OM之間極顯著正相關(r=0.903, P＜0.01),說明OM在底泥中的富集是TN的主要來源,TN和OM的沉積具很高的協同性,它們主要通過水生植物殘體的沉積過程進入底泥[19-20].因此東太湖底泥中 TN 也比 其他各區高.

圖4 太湖湖濱帶底泥TN、TP與OM回歸分析Fig.4 Regressions of TN, TP to OM in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

由圖 3(b)可見太湖湖濱帶底泥中 TP含量在128.56～1392.16mg/kg間,各分區TP平均值變化趨勢:竺山灣＞梅梁灣＞東太湖＞南部沿岸＞貢湖＞東部沿岸＞西部沿岸.根據EPA制定的底泥分類標準,各分區TP平均值:梅梁灣在420～650mg/kg間,屬中度污染區;竺山灣大于 650mg/kg,屬重度污染區;其他各區均小于420mg/kg,屬輕度污染區.

由圖 4(b)可知,TP與 OM 之間弱相關(r=0.073,P＜0.332),表明 TP主要并非由底泥中OM 的富集造成.根據對湖濱帶底泥進行的磷形態分析及文獻[20]可知,無機磷是太湖湖濱帶底泥中磷的主要存在形式,外源輸入是無機磷的重要來源.竺山灣和梅梁灣磷污染顯著高于其它各區可能因為:兩區位于太湖北部重工業污染區,湖濱區有多條入湖河流河口,形成較長的河口型湖濱帶.根據課題組同期河流調查監測數據:竺山灣附近有太滆運河、漕橋、殷村等入湖河流,各河流水體中TP平均超過0.17mg/L,超出地表水環境質量Ⅳ類標準,河流底泥中 TP含量平均約800mg/kg,超過 EPA制定的底泥重度污染標準(650mg/kg),梅梁灣附近入湖河流武進、直湖等水體中TP平均濃度和底泥中TP平均含量分別為0.18mg/L和 412.06mg/kg;因此竺山灣受入湖河流污染較重;再加上竺山灣獨特的地理環境,又處于下風向,為藍藻堆積嚴重區,藻類死亡堆積,就全湖看,易形成厭氧環境,利于反硝化作用,故 N含量會降低,而P含量高,藻類沉積帶來的N、P及OM多.

3 太湖湖濱帶底泥營養評價

目前對淺水湖泊底泥的污染狀況尚無統一的評價方法和標準,多用有機指數和有機氮評價法[21],只考慮了OM和有機氮,而忽略了P;有的參用加拿大安大略省環境和能源部(1992)制定的環境質量評價標準[22-27],該標準根據底泥中污染物對底棲生物的生態毒性效應進行分級,雖然后者考慮到磷,但此標準源于對海洋底泥的生態毒性分析.因此本文針對太湖湖濱帶各區底泥 N、P、OM的分布特點,用綜合污染指數評價法和有機指數評價法來評價太湖湖濱表層帶底泥污染現狀.

3.1 綜合污染指數評價

以1960年太湖底泥中TN、TP實測值的平均值作為背景值(即評價標準),由單項污染指數計算公式[28]:

式中: Si為單項評價指數或標準指數, Si大于 1表示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 CSTN= 0.067%, CSTP=0.044%[29]. F為n項污染物污染指數平均值, Fmax為最大單項污染指數.

太湖湖濱帶各分區底泥氮磷污染評價及污染程度分級結果見表1和表2.

表1 太湖湖濱帶各分區底泥綜合污染評價Table 1 Comprehensive pollution assessment for the sediments in lakeside zones of Taihu Lake

表2 太湖湖濱帶底泥綜合污染程度分級Table 2 Standard and level of comprehensive pollution in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

根據表1中綜合污染指數,可得湖濱帶其各分區底泥污染分布(圖5).

依據表 2,太湖湖濱帶各分區底泥污染平均水平依次是東太湖＞竺山灣＞南部沿岸＞梅梁灣＞貢湖＞西部沿岸＞東部沿岸.東太湖和竺山灣屬重度污染區,南部沿岸屬中度污染區,梅梁灣屬輕度污染區,貢湖、西部沿岸、東部沿岸屬清潔區.

3.2 有機污染指數評價

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[31].

綜合污染指數法忽略了OM指標,所以本文用有機污染指數法[25]對太湖湖濱帶底泥污染現狀進一步評價,使評價結果更完善.

式中: OC為有機碳,%;ON為有機氮,%.

太湖湖濱帶各分區底泥有機污染評價結果見表3,太湖底泥有機指數評價標準見表4.

表3 太湖湖濱帶各分區底泥有機污染評價Table 3 Organic pollution assessment for the sediments in lakeside zones of Taihu Lake

表4 太湖底泥有機指數評價標準[32]Table 4 Assess standards of organic index in sediments of lakeside zones of Taihu Lake

由表 4各分區平均有機污染指數繪出有機污染分布圖(圖6).從圖6可見各分區有機污染分布情況:東太湖＞竺山灣＞南部沿岸＞梅梁灣＞貢湖＞西部沿岸＞東部沿岸.根據表4的評價標準,東太湖屬有機污染區,其它湖區除竺山灣屬尚清潔湖區外,都屬較清潔湖區.

有機指數評價結果與綜合污染指數評價結果一致,均顯示東太湖湖濱帶底泥氮磷污染及有機污染屬重污染區,但在實際調查過程中發現,東太湖湖濱區是各區中水質環境最好的區域,如2.1所述,東太湖水生植物越來越多,水生植物及藻類殘體沉降是東太湖營養鹽負荷的的主要來源.其次是竺山灣.其污染嚴重的原因主要是外源輸入,生活污水、工業廢水及農業面源排放隨入湖河流注入太湖,且受太湖東南風影響,污染物不易擴散,從而使藻類大量生長積聚,導致該區污染嚴重,藍藻頻生,因此,控制外源貢獻仍是竺山灣污染控制的重要對象.

4 結論

4.1 太湖湖濱帶底泥中 OM 為 1.42%～9.96%,空間變化趨勢為東太湖＞竺山灣＞梅梁灣＞東部沿岸＞南部沿岸＞貢湖＞西部沿岸;TN 含量在458～ 5211mg/kg間,空間變化趨勢為東太湖＞竺山灣＞東部沿岸＞貢湖＞南部沿岸＞梅梁灣＞西部沿岸;TP含量變化在 128.6～1392.16mg/kg間,空間變化趨勢為竺山灣＞梅梁灣＞東太湖＞南部沿岸＞貢湖＞東部沿岸＞西部沿岸,其空間分布與OM、TN不同,最大值出現在竺山灣,其原因可能竺山灣處于下風向,易于藻類堆積、形成底泥還原環境,從而使該區成為重污染區.

4.2 太湖湖濱帶底泥中TN含量與OM含量極顯著正相關(r=0.903, P＜0.01),TP含量與OM之間弱相關(r=0.073, P＜0.332).用污染指數法與有機指數評價法對太湖湖濱帶表層底泥的分析表明,太湖湖濱帶底泥環境質量整體較好,N、P污染除東太湖和竺山灣屬重度污染外其他各區屬輕中度污染;有機污染除東太湖外大部分區域屬較清潔區.

[1] 朱元容,張潤宇,吳豐昌.滇池沉積物中氮的地球化學特征及其對水環境的影響 [J]. 中國環境科學, 2011,31(6):978-983.

[2] 張 雷,鄭丙輝,田自強.西太湖典型河口區湖濱帶表層沉積物營養評價 [J]. 環境科學與技術, 2006,29(5):4-7.

[3] David Pearson. From wasteland to wetland [J]. Eco. Design, 2000,8(2):12-14.

[4] 郭來喜.中國生態旅游-可持續旅游的基石 [J]. 地理科學進展, 1997,16(4):1-10.

[5] 2008年太湖健康狀況報告.[EB/ OL]. http://news.h2o-china. com/html/2010/04/.

[6] 鄧建才,陳 橋,翟水晶,等.太湖水體中氮磷空間分布特征及環境效應 [J].環境科學, 2008,29(12):3382-3386.

[7] 金相燦,姜 霞,徐玉慧,等.太湖東北部沉積物可溶性氮、磷的季節性變化 [J]. 中國環境科學, 2006,26(4):409-413.

[8] 趙興青,楊柳燕,于振洋,等.太湖沉積物理化性質及營養鹽的時空變化 [J]. 湖泊科學, 2007,19(6):698-704.

[9] 雷澤湘,徐德蘭,謝貽發,等.太湖水生植物氮磷與湖水和沉積物氮磷含量的關系 [J]. 植物生態學報, 2008,32(2):402-407.

[10] 張明禮,楊 浩,林振山,等.太湖竺山灣底泥中有害物質含量與環境污染評價 [J]. 中國環境科學, 2011,31(5):852-857.

[11] 中國土壤學會.土壤農業化學分析方法 [M]. 北京:中國農業科技出版社, 1999:22-26.

[12] 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.

[13] 譚 鎮.廣東城市湖泊沉積物營養鹽垂直變化特征研究 [D].廣州:暨南大學, 2005.

[14] 李文朝.東太湖沉積物中氮的積累與水生植物沉積 [J]. 中國環境科學, 1997,17(5):418-421.

[15] 陳 雷,遠 野,盧少勇,等.環太湖主要河流入出湖口表層沉積物污染特征研究 [J]. 中國農學通報, 2011,27(01):294-299.

[16] 秦惠平,焦 鋒.東太湖縮減圍網后的水質分布特征探討 [J].環境科學與管理, 2011,36(5):51-55.

[17] 楊再福,施煒剛,陳立僑,等.東太湖生態環境的演變與對策 [J].中國環境科學, 2003,23(1):64-68.

[18] 徐德蘭,雷澤湘,韓寶平.大型水生植物對東太湖河湖交匯區礦質元素分布特征的影響 [J]. 中國生態環境學報, 2009, 18(5):1644-1648.

[19] 倪兆奎,李躍進,王圣瑞,等.太湖沉積物有機碳與氮的來源 [J].生態學報, 2011,31(16):4661-4670.

[20] 袁旭音,陳駿,季峻峰,等.太湖沉積物和湖岸土壤的污染元素特征及環境變化效應 [J]. 沉積學報, 2002,20(3):427-434.

[21] 陳如海,詹良通,陳云敏,等.西溪濕地底泥氮磷和有機質含量豎向分布規律 [J]. 中國環境科學, 2010,30(4):493-490.

[22] Calmano W Ahlf, Forstner U. Sediment quality assessment: chemical and biological approaches[C]. Calmano W Ahlf, Forstner U,eds. Sediment and Toxic Substances: Environmental Effects and Ecotoxity . Berlin: Springer, 1995:1-36.

[23] 吳 明,邵學新,蔣科毅.西溪國家濕地公園水體和底泥 N-P營養鹽分布特征及評價 [J]. 林業科學研究, 2008,21(4):587-591.

[24] Leivuori M, Niemisto L. Sedimentation of trace metals in the Gulf of Bothnia [J]. Chemosphere, 31(8):3839-3856.

[25] 李任偉,李 禾,李 原,等.黃河三角洲沉積物重金屬氮和磷污染研究 [J]. 沉積學報, 2001,19(4):622-629.

[26] 魏琳瑛,卜獻衛.六橫大岙附近海域環境質量現狀評價 [J]. 東海海洋, 1991,17(1):66-71.

[27] 方宇翹,裘祖楠,馬梅芳,等.河流底泥污染類型標準的制定 [J].環境科學, 1989,10(1):27-30.

[28] 岳維忠,黃小平,孫翠慈.珠江口表層沉積物中氮、磷的形態分布特征及污染評價 [J]. 海洋與湖沼, 2007,38(2):111-117.

[29] 王蘇民,竇鴻身.中國湖泊志 [M]. 北京:科學出版社, 1998.

[30] 范志杰.淺談海洋沉積物標準的幾個問題 [J]. 交通環保, 1999,20(1):21-25.

[31] 丁 靜.太湖氮磷分布特征及其吸附-解吸特征研究 [D]. 南京理工大學,南京.2010.

[32] 隋桂榮.太湖表層沉積物中 OM-TN-TP的現狀與評價 [J]. 湖泊科學, 1996,8(4):319-324.