異龍湖表層沉積物有機質含量空間分布初步研究

和向東，陳枳穎，丁德鼎，周躍光，孔德平

(1.云南省生態環境科學研究院，云南 昆明 650034； 2.云南大學生態學與環境學院，云南 昆明 650091)

0 引言

湖泊是地球表層系統中各個圈層相互作用的聯結點，在流域尺度上的各類物質通過地表徑流最終匯集到湖泊中，而湖泊沉積物是湖泊三大環境要素之一(水體、水生生物和沉積物)，是湖泊中營養物質的重要蓄積庫[1]。以滇池草海為例[2]，1995—1996年進入草海的TN、TP、COD約有90%儲存于沉積物中，水體中所占比例微乎其微，因此，沉積物可能成為水體污染物的匯或源[3]。

沉積物-水界面是水生態系統中最重要的界面之一[4]，是物質參與地球化學循環和生物耦合的“熱區”。在微生物參與下，沉積物-水界面附近物質發生一系列的物理化學及生物反應(如遷移、轉化、吸附/解吸、擴散、掩埋以及生物擾動等)，是調節和控制沉積物與水體之間物質交換和輸送的重要途徑。Russell等的研究表明[5]，沉積物在水體污染物的傳輸過程中起到重要的作用。沉積物中大量溶解性物質主要以孔隙水作為媒介通過擴散向上覆水體遷移，從而影響上覆水水質。其中，有機質總體上反應出表層沉積物中所存在的有機污染物的含量。研究結果表明[6-8]，表層沉積物中的有機質是表征湖泊富營養化程度的重要指標，尤其對于湖泊表層沉積物中營養鹽的釋放研究具有重要的意義。

異龍湖為云南省九大高原湖泊中的富營養化淺水湖泊，湖泊水位為1414.20m時，異龍湖最大水深3.7m，平均水深2.9m，湖泊需水量1.16億m3。異龍湖在20世紀80年代開始網箱養魚，至1996年湖區網箱達萬個[9]，漁產量達39.5kg/m2，大量餌料的投入直接導致湖體有機質的劇增，水質迅速惡化。20世紀80年代異龍湖的水生植物種類豐富，覆蓋率達到95%以上[10]，2008年以前，覆蓋率也在60%以上[11]，然而到了2011年，由于富營養化程度的加劇，水體透明度下降，再加上受氣候等因素的影響，水位下降，不合理的魚種投放等原因，導致了沉水植物大量消亡，由原來的11種銳減至5種[12]，植物殘體沉積于湖底，導致異龍湖表層沉積物中富含大量的有機質。本文初步分析了異龍湖表層沉積物中有機質含量的空間分布特征，以期為更進一步了解不同湖區沉積物營養鹽釋放的風險，同時如何進行湖泊生態系統的修復提供基礎資料。

1 研究方法

1.1 采樣點位設置

根據異龍湖的湖泊形狀、湖區面積、出入河口位置等因素，將全湖分為異龍湖西、異龍湖中和異龍湖東三個區，每個區設置4個點位，共12個點位：在異龍湖西設置湖西(1#)、毛木咀(2#)、湖西中(3#)、獅子灣(4#)等4個點位；在異龍湖中設置湖中(5#)、白浪(6#)、湖西中(7#)和湖東中(8#)等4個點位；在異龍湖東設置龍井(9#)、陸來(10#)、沙咀(11#)和湖東(12#)等4個點位，表層沉積物采樣點位設置見圖1。

1.2 采樣時間

采樣時間為2019年3月。

1.3 采樣方法

應用彼得遜氏采泥器，在選定的點位進行表層沉積物的采集，對采集上來的沉積物進行拍照之后，將樣品裝入透明自封塑料袋并用記號筆在袋外記錄采樣信息，包括采樣時間和采樣點位。

1.4 樣品保存

所采的沉積物樣品剔除植物根系、沙石、動植物殘骸等雜質后，采用風干方式進行保存。

1.5 樣品分析

湖泊沉積物有機質的測定方法主要有油浴加熱法、消化爐加熱法和完全濕燒法[13]，綜合考慮實驗條件以及方法的精確性，本研究采用油浴加熱法進行樣品分析。此方法的原理是用一定濃度的重鉻酸鉀硫酸溶液氧化沉積物有機質，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量來計算有機質的含量。

(1)每個風干沉積物樣分別稱取0.5g放入玻璃試管中，加入Ag2SO4粉末0.1g，再加入0.4mol/L K2CrO7硫酸溶液10.0mL，之后放入水浴鍋進行加熱；

(2)將試液轉入250mL錐形瓶中，洗滌試管2～3次，保持試液體積為40～50mL；

(3)向試液中加入鄰菲羅啉指示劑2～3滴，用FeSO4標準溶液滴定至棕紅色，記錄FeSO4溶液消耗量V(mL)；

(4)用經過灼燒的土樣進行空白試驗，記錄FeSO4溶液消耗量V0(mL)；

(5)根據每個樣品的測定情況，將對應值代入以下公式，求出有機質含量：

有機質(%)=

式中：V0—空白試驗消耗的FeSO4體積；V—樣品消耗的FeSO4體積；0.03—碳的毫克摩爾；1.724—有機碳換算為有機質的經驗系數；1.08—氧化校正系數；W—風干樣品重。

為了保證數據的可靠性，對每個點位的有機質含量進行相對偏差分析。相對偏差是用來表征單項測定結果對平均值的偏離程度，允許偏差為±5%以內，在±5%以內都認為數據是可靠的，若相對偏差超過±5%，應加測一次。相對偏差的計算方法：

式中：A—土樣測定結果；B—平行樣測定結果。

2 結果分析與討論

2.1 有機質測定結果

沉積物有機質的測定受樣品氧化程度的影響，為了排除實驗系統對實驗結果產生干擾，使結果更具準確性，實驗采用平行雙樣法，測定結果如圖2。同一點位的樣品測定結果差值在0.3%～0.7%，4#、9#、10#、12#差值都為0.7%，11#點位的差值最小，為0.3%。

12個點位的相對偏差結果如表1。相對偏差均未超過允許偏差范圍，表明有機質的測定數據可靠。

表1 各點位樣品相對偏差分析 (%)

2.2 有機質空間分布特征

異龍湖表層沉積物有機質含量如圖3。有機質含量在6.0%～19.8%，多分布在12.00%～15.00%范圍內，占樣本總數的50%,全湖區平均值為13.16%，最高值位于湖區最東部12#點位的19.8%。湖東部的沙咀(11#)、湖東(12#)分別為19.7%和19.8%，這兩個高值均位于湖區的東部，推測的原因是：1971年異龍湖南岸青魚灣隧道鑿通后，異龍湖的出水從原有湖東北部壩心鎮的新街海河流向珠江水系的瀘江，改為由湖中部的青魚灣隧洞流向紅河水系。至此，湖區東部水體水動力完全被改變，幾乎靜止不流動，導致沉積物淤積嚴重，雖然在2007年青魚灣隧道已被封堵，但異龍湖常年盛行西南風，水流方向為由西向東，由于水深較淺，風浪對表層沉積物的攪動較大，大量的懸浮物仍然不斷在東部沉積，再加上東部湖區挺水植物繁茂，植物殘體也會淤積較多，東南部的漁村河與龍港河的陸源輸入也增加了該湖區的沉積物有機質含量。最低值為湖西中(3#)的6.0%，該湖區沉水植物生長較好，水體透明度較高，是全湖水生生態恢復較好的區域，且外源輸入對其的干擾較小。

為了進一步了解有機質含量在湖區的分布狀況，分別計算了異龍湖西部、中部和東部三個區域有機質含量的平均值，計算結果如表2。異龍湖西部與異龍湖中部有機質含量相差不大，異龍湖東部最高，為16.7%。湖區最西部的兩個點位均高于平均值，這與湖區西部緊挨城區，城北河、城河、城南河三條河流的外源輸入密不可分(三條河流入湖水量占河流入湖水量的85%，城河入湖水量最大，占59%[14])。

表2 不同湖區有機質含量分布表 (%)

2.3 討論

從分析檢驗結果來看，異龍湖表層沉積物有機質含量與滇池、撫仙湖等高原湖泊相比[15-16]，含量明顯較高。一般來說，湖泊沉積物有機質主要來源于兩部分，一部分來源于工業污水、農田退水以及生活污水直排所攜帶的有機質，另一部分來源于動植物殘骸的降解及轉化[17]。結合異龍湖的歷史變遷及其水文條件現狀，對表層沉積物有機質的來源途徑做初步的分析：

(1)1971年，由于青魚灣隧道開通，加上持續大旱，水位明顯下降，圍湖造田興起：種植水稻、甘蔗等農作物；大量化肥及農藥施用，異龍湖流域年均施用氮肥6482.3t、磷肥4066.8t、有效鉀546t、農藥65.4.t，平均有效利用率30%，其中氮肥利用率為40%～50%，磷肥利用率為10%～20%[18]，未被利用的農藥化肥通過雨水沖刷和農田退水等過程進入異龍湖。圍湖造田也造成濕地面積的削減，削弱了湖濱帶對入湖徑流攜帶污染物的凈化能力。

(2)1985年，異龍湖開始大規模網箱養魚，為了追求經濟利益，向湖中投入大量有機飼料，年均投入2000t[9]，致使湖體納污自凈能力降低，水質惡化加劇。

(3)水體透明度降低，水位的下降，以及富營養化程度的加劇，2011年沉水植物衰減，且群落單一，大量的植物殘體留在湖中。植物腐爛后堆積，形成大量沉積物，經過一系列降解、轉化，蓄積了大量有機質。

(4)異龍湖有7條主要入湖河流，包括城河、城南河、城北河、大水河、漁村河、龍港河、大沙河，COD首要污染源為城河，占入湖總量的34%[19]，城河COD主要來源于豆制品加工企業以及農村生活污染，COD的大量匯入不僅加劇了水質惡化，也使污染物顆粒沉積于湖底。

(5)異龍湖土地利用方式以耕地和林地為主，由于湖周經濟的發展，土地開發強度不斷加大，周邊山上擁有32個采石、采沙、采土廠以及6家采礦企業，森林植被遭到破壞，陸地生態系統脆弱，水土流失嚴重，異龍湖流域包含壩心、寶秀、異龍三個鄉鎮，水土流失率達到72.24%[20]，夾雜有機質的泥沙匯入異龍湖，淤積在湖底，使沉積物越積越厚。

3 結論

現階段異龍湖處于草藻混合的中度富營養化狀態，水質穩定達到V類還有待進一步的系統治理工作。異龍湖沉積物有機質含量在整個湖區呈現東高西低的特征。根據沉積物有機質的初步溯源分析，因勢利導，采取相應的工程措施，控制外源有機質的輸入和內源有機質的釋放，通過構建結構完整，功能完善的健康水生態系統，促進沉積物有機質含量不斷下降，進一步防控沉積物營養鹽釋放的風險，對于異龍湖水質改善以及湖周的社會經濟發展都具有重要意義。