中國東部淺水湖泊沉積物總氮總磷基準閾值研究

王健 ，張靖天，昝逢宇 ，席北斗，霍守亮*

1.安徽師范大學環境科學與工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.中國環境科學研究院，北京 100012

湖泊沉積物接納了來自水環境中大量的營養鹽，并將它們儲存在沉積物或間隙水中（ZHANG等，2013）。在外源污染物得到有效控制的情況下，湖泊沉積物中營養鹽會持續釋放到水體中，這種影響會持續幾十年（S?NDERGAARD 等，1999）。沉積物中營養鹽的含量、空間分布對湖泊內源消減和富營養化狀況有指導意義（余輝等，2010）。由于水深較淺，東部淺水湖泊沉積物-上覆水擾動劇烈，表層沉積物通過吸附-解吸等交換作用向上覆水體釋放，影響水體的水環境質量（秦伯強等，2005）。

早期對沉積物中營養鹽的研究主要集中在湖泊、河流、近海水域沉積物中氮、磷的賦存形態、分布特征、釋放過程以及遷移轉化，從不同角度闡述沉積物的污染現狀變化趨勢、及其對水體富營養化的貢獻（昝逢宇等，2010；HUO等，2011；HUO等，2013）。已有這些工作多針對某個湖泊開展現場調查、室內模擬等研究，對整個流域內多數湖泊的整體研究并不多見。隨著湖泊水環境治理工作的開展，流域內湖泊沉積物氮、磷污染風險引起了人們的關注。東部淺水湖泊沉積物中營養鹽含量高且差異較大，沉積物中 TN均值在 594.61～3362.50 mg/kg，TP均值在352.69～644.32 mg/kg（劉清學等，2011），因而急需開展湖泊沉積物營養鹽評價標準研究，為不同類型湖泊沉積物污染控制和水生態系統健康保障提供支撐。目前，國內外一些研究者先后提出了背景值比較法、頻度分布法、有機指數評價法、生物毒性效應法等多種評價方法，用于評價湖泊沉積物氮、磷污染等級（盧少勇等，2012；王菊英等，2003；康麗娟等，2012）。在已有的評價方法中，尤以背景值比較法和頻度取值法應用較多。背景值比較法選用氮、磷含量穩定的沉積物層作為污染背景樣本，采用偏差分析方法，檢驗表層沉積物氮、磷含量的污染等級，該方法應用方便、操作性強。頻度分布法是基于統計學原理，選擇流域內所有湖泊沉積物氮、磷調查數據，根據頻度分布的不同百分點位劃分沉積物污染等級，但該法需要大量的樣本數據。根據這些方法，國內外學者建立了相應的沉積物氮、磷評價標準，如加拿大安大略省環境和能源部頒布的《沉積物質量評價指南》（MUDROCH等，1995），我國《第二次全國海洋污染基線調查技術規程》（翟濱，2006）。然而，關于各種評價方法之間的比較研究較少。

本文以東部湖區100個湖泊表層沉積物和8個典型湖泊柱狀沉積物為研究對象，通過現場調查，研究不同湖泊沉積物中氮、磷的剖面分布特征，同時采用背景值比較法和頻度分布法確定典型東部淺水湖泊沉積物總氮總磷基準，并對8個典型湖泊沉積物氮、磷污染現狀進行評價。

1 材料與方法

1.1 研究區域及樣品采集

在我國東部湖區安徽、江蘇、浙江、江西、湖北、湖南和山東選擇100個面積大于10km2湖泊采集表層沉積物896個，選擇安徽省、湖南省8個面積大于10 km2不同類型的湖泊：焦崗湖、城東湖、瓦埠湖、花園湖、七里湖、沱湖、大通湖、北民湖采集沉積物柱芯樣。采集柱芯樣湖泊分別設置 1～2個采樣點，利用柱狀沉積物采樣器采集30～40 cm深的沉積物柱芯樣，共采集 11個柱狀樣，各湖泊的位置如圖1所示。利用虹吸法將采集的樣品中上覆水抽出，現場1 cm間隔切割分樣裝入自封袋后放入保溫箱中，低溫密閉保存。運回實驗室后經超低溫冷凍干燥后研磨過100目篩（孔徑0.15 mm），密封后冷藏保存待分析。

1.2 樣品分析

稱取2份0.5 g沉積物樣品，對其中一份進行灰化(500 ℃下灰化2 h)，經酸提取后(1 mol·L-1HCl提取 16 h)，采用鉬銻抗比色法測定總磷(TP)含量（HUO等，2011）。

稱取0.1 g沉積物樣品于50 mL比色管中，加入 25 mL 氧化劑(各 0.15 mol·L-1NaOH 和 K2S2O8)，于125 ℃下高壓消解1 h后，取上清液利用紫外分光光度法測定TN（HUO等，2013）。

1.3 數據處理

采用SPSS 16.0對100個湖泊表層沉積物的總氮、總磷的頻度分布進行分析。8個湖泊沉積物總氮、總磷的背景值采用PIRLA法（Binford, 1990；Zan等, 2011）：首先計算底部沉積物中總氮、總磷含量相對穩定的一組值的平均值（x）與標準差（δ），然后將下一個濃度值與平均值相比較，如果該值小于平均值與標準差之和（x+δ），則將該值包括在該組中，重新計算平均值和標準差，重復此步驟，直至濃度值大于平均值與標準差之和（x+δ）。

2 結果與討論

2.1 典型湖泊沉積物營養鹽剖面分布特征

2.1.1 典型湖泊沉積物總氮含量剖面分布

整個東部湖區11個采樣點沉積物TN含量剖面如圖2所示。從圖2可以得出，沉積物總氮含量整體上表現出隨著深度增加而下降變化趨勢，各采樣點下層沉積物(20～30 cm)中TN含量保持穩定。近些年來，隨著流域社會經濟的發展，湖泊周邊大量工業廢水和生活污水以及農業生產活動產生的污染物排入湖泊中，從而導致表層沉積物中氮含量迅速增加（HUO等，2011）。所調查湖泊沉積物 TN均值為 1443.83 mg·kg-1，變化范圍為 247.45～3719.46 mg·kg-1。其中，花園湖、沱湖、焦崗湖、七里湖、北民湖沉積物中TN含量較高，均值在1900 mg·kg-1以上，這些湖泊沉積物的TN本底值較高，在900 mg·kg-1以上；在0～15 cm深度沉積物TN含量大于2000 mg·kg-1，受人類活動影響嚴重。城東湖、瓦埠湖沉積物中TN含量相對于其他湖泊較低，TN均值在1000 mg·kg-1以下，受人類活動影響較小。

2.1.2 典型湖泊沉積物總磷含量的剖面分布

沉積物中磷主要來源于工業、生活和農業面源污染物經地表徑流進入水體后在一系列物理化學作用下最終沉積于湖底，水生生物殘骸及排泄物的沉降，以及養殖餌料的投加等。從表1可以看出，沉積物TP含量變化范圍：225.41～1944.89 mg·kg-1，均值為519.62 mg·kg-1。北民湖、大通湖、焦崗湖、七里湖的TP污染較重，城東湖和瓦埠湖的TP污染較輕，與沉積物TN污染情況基本一致。

表1 典型湖泊沉積物中營養鹽統計分析結果Table 1 Statistical results of sediment nutrients in typical lakes

沉積物中TP含量總體上表現出隨著深度的增加逐漸降低，這與流域內人類活動有關，也可能是深層沉積物中磷向上層遷移、轉化所致（張路等，2004；ZAN等，2012）。下層沉積物(15～30 cm)TP的累積速率較低，且變化幅度不大，應歸結為自然環境演化的結果。部分采樣點沉積物剖面中TP含量基本保持不變，這可能是營養物沉積不均勻所引起的(圖 3)。

2.2 東部淺水湖泊沉積物總氮總磷基準閾值確定

2.2.1 背景值比較法

環境背景值常用來表征水體沉積物的環境污染狀況，計算時先由樣本的均值或中位值來集中反映污染元素背景含量的集中趨勢，再利用樣本的標準偏差來確定元素含量分布的隨機性和離散程度，綜合二者則可給出一定置信度下的背景值區間（翟濱，2006）。本研究選用總氮和總磷含量相對穩定的沉積物層作為污染背景樣本（張遠輝等，2005），首先計算底部沉積物中總氮、總磷含量相對穩定的一組值的平均值（x）與標準差（δ），然后將下一個濃度值與平均值相比較，如果該值小于平均值與標準差之和（x+δ），則將該值包括在該組中，重新計算平均值和標準差，重復此步驟，直至濃度值大于平均值與標準差之和（x+δ）。所調查 8個典型湖泊沉積物總氮、總磷背景值統計分析結果見表2所示。

沉積物柱芯下層氮磷數據進行統計分析(表2)，均值與中位數均較為接近。對11個點總磷、總磷平均值分別進行排序分析，得出總氮、總磷的背景值分別為 1115.19 mg·kg-1和 454.51 mg·kg-1。其中，焦崗湖、沱湖、七里湖、花園湖、北民湖沉積物總氮背景值較高；而城東湖、瓦埠湖和大通湖總氮背景值較低。對于總磷而言，焦崗湖、七里湖、北民湖和大通湖高于所確定背景值，污染狀況較嚴重，城東湖、瓦埠湖、沱湖和花園湖污染較輕。不同湖泊氮磷污染狀況的差異可能與氮、磷的污染來源有關。

2.2.2 頻度分布法

頻度分布法是基于沉積物營養鹽對藻類生物量生物效應方法。這個方法的前提條件就是沉積物營養鹽含量較高的地區對應的上覆水體營養鹽含量也較高。本文依據東部平原湖區100個湖泊表層沉積物總氮、總磷的調查數據，通過對氮、磷的頻度分析，選擇變量頻數分布的上25%點位作為參照(表3)。從表3可以看出25%點位對應的TP質量分數 398.51 mg·kg-1，TN 質量分數為 1106.24 mg·kg-1。焦崗湖、沱湖、七里湖、花園湖、北民湖表層沉積物總氮含量大于參考值，受人為污染較重；而城東湖、瓦埠湖和大通湖總氮含量小于參考值，污染較輕。對于總磷而言，焦崗湖、七里湖、北民湖和大通湖高于所確定的參考值，污染狀況較嚴重，而城東湖、瓦埠湖、沱湖和花園湖污染較輕。

表2 典型沉積物總氮總磷背景值統計分析Table 2 Stastical sediment background values in taypical lakes

表3 東部100個湖泊沉積物總氮總磷頻數分布Table 3 TN and TP frequency distribution of 100 lake sediments in eastern region

2.2.3 兩種評價方法的對比

由以上結果可知，所調查8個典型湖泊均受到不同程度的污染，這是因為東部平原湖泊水深較淺，營養鹽在水體和沉積物間交換條件好，近些年來大量工農業污染物的輸入進一步加劇了沉積物的污染。對比以上兩種方法的結果可見，背景值法與頻數分布法上25%點位總氮指標較為接近，分別為 1115.19 mg·kg-1和 1106.24 mg·kg-1；對比總磷值存在一定差異，但是與上40%位對應良好。統計學方法能夠充分利用歷史和現狀的實測數據，并能保證通過該方法制定的基準閾值能保護大多數湖泊（周啟星等，2007；陳奇等，2010）。由于東部湖泊受人為干擾較大，綜合考慮可行性，需要在統計學方法制定湖泊沉積物總氮、總磷基準閾值范圍選擇適當的百分點位，因此確定東部典型湖泊沉積物總氮基準閾值為1106.24～1115.19 mg·kg-1，總磷基準閾值為454.51～459.03 mg·kg-1。采用確定的基準值對8個典型湖泊表層沉積物的污染狀況進行評價，結果發現，就總氮而言，焦崗湖、沱湖、七里湖、花園湖、北民湖沉積物污染較嚴重，受人為污染較重；而城東湖、瓦埠湖和大通湖則屬于污染狀況較好。對于總磷，焦崗湖、七里湖、北民湖和大通湖污染狀況較嚴重，城東湖、瓦埠湖、沱湖和花園湖污染較輕。

3 結論

1）東部典型淺水湖泊沉積物TN質量分數范圍247.45～3719.46 mg·kg-1，平均為 1443.83 mg·kg-1；不同湖泊沉積物TN含量的大小變化順序為：花園湖>沱湖>焦崗湖>七里湖>北民湖>大通湖>瓦埠湖>城東湖，沉積物剖面TN自表層至底層逐漸降低的趨勢表明，到達一定深度后，TN含量趨于穩定。

2）東部典型淺水湖泊沉積物TP質量分數范圍225.41～1944.89 mg·kg-1，平均為 519.62 mg·kg-1；不同湖泊TP含量變化順序為北民湖>大通湖>七里湖>焦崗湖>沱湖>瓦埠湖>城東湖>花園湖。

3）綜合對比背景值法與頻數分布法結果，最終確定東部典型湖泊沉積物總氮基準閾值為1106.24～1115.19 mg·kg-1， 總 磷 基 準 閾 值 為454.51～459.03 mg·kg-1。

BINFORD M W.1990.Calculation and uncertainty analysis of Pb dates for PIRLA project lake sediments core[J].Journal of Paleolimnology, 3:253-276.

HUO S L, ZHANG J T, XI B D, et al.2013.Distribution of nitrogen forms in surface sediments of lakes from different regions, China[J].Environmental Earth Sciences, DOI 10.1007/s12665-013-2622-6.

HUO S L, ZAN F Y, XI B D, et al.2011.Phosphorus fractionation in different trophic sediments of lakes from different regions, China[J].Journal of Environmental Monitoring, 13:1088-1095.

MUDROCH A, AZCUE D J M.1995.Manual of aquatic sediment sampling[M].Bocaraton: Lewis Publications.

S?NDERGAARD M, JENSEN J P, JEPPESEN E.1999.Internal phosphorus loading in a shallow eutrophic Danish lake[J].Hydrobiologia, 408/409: 145-152.

ZAN F Y, HUO S L, XI B D, et al.2011.A 100 year sedimentary record of heavy metal pollution in a shallow eutrophic lake, Lake Chaohu,China[J].Journal of Environmental Monitoring, 13:2788-2797.

ZAN F Y, HUO S L, XI B D, et al.2012.A 100-year sedimentary record of natural and anthropogenic impacts on a shallow eutrophic lake, Lake Chaohu[J].Journal of Environmental Monitoring, 14(3):804-816.

ZHANG L, WANG S, JIAO L, et al.2013.Characteristics of phosphorus species identified by31P NMR in different trophic lake sediments from the Eastern Plain, China[J].Ecological Engineering, 60: 336-343.

陳奇, 霍守亮, 席北斗, 等.2010.湖泊營養物參照狀態建立方法研究[J].生態環境學報, 19(3):544-549.

康麗娟.2012.淀山湖沉積物碳、氮、磷分布特征與評價[J].長江流域資源與環境, 21(Z1): 105-110.

劉清學, 霍守亮, 昝逢宇, 席北斗.2011.安徽省湖泊富營養化現狀調查與評價[J].安徽農業科學, 39(8):4626-4629.

盧少勇, 許夢爽, 金相燦, 等.2012.長壽湖表層沉積物氮磷和有機質污染特征評價[J].環境科學, 33(2): 393-398.

秦伯強, 朱廣偉.2005.長江中下游地區湖泊水和沉積物中營養鹽的賦存、循環及其交換特征[J].中國科學: D輯, 35(S2):1-10.

王菊英, 馬德毅, 鮑永恩, 等.2003.黃海和東海海域沉積物的環境質量評價[J].海洋環境科學, 22(4):21-24.

余輝, 張文斌, 盧少勇, 等.2010.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, 31(4):961-968.

昝逢宇, 霍守亮, 席北斗, 等.2010.巢湖近代沉積物及其間隙水中營養物的分布特征[J].環境科學學報, 30(10): 2088-2096.

翟濱.2006.象山港表層沉積物中氮和磷的分布特征、影響因素及其污染評價[D].青島: 中國海洋大學.

張路, 范成新, 池俏俏, 等.2004.太湖及其主要入湖河流沉積磷形態分布研究[J].地球化學, 33(4): 423-432.

張遠輝, 杜俊民.2005.南海表層沉積物中主要污染物的環境背景值[J].海洋學報, 27(4):161-166.

周啟星, 羅義, 祝凌燕.2007.環境基準值的科學研究與我國環境標準的修訂[J].農業環境科學學報, 26(1):1-5.