白潭湖表層沉積物氮磷污染評價及其釋放強度影響因素研究

項文霞， 陳金國， 李 釗， 劉明昊， 干文俊， 江 勇

(1.湖北省地質局 第三地質大隊，湖北 黃岡 438000； 2.黃岡市黃州區自然資源和規劃局，湖北 黃岡 438000；3.黃岡市生態環境局，湖北 黃岡 438021)

湖泊沉積物是氮、磷營養鹽的重要蓄積庫[1]。沉積物中氮、磷營養鹽與水體發生物質交換，其含量和比例影響著水體浮游植物和藻類的群落結構及發育速度，進而影響湖泊生態系統的能量流動和轉化[2-3]，因此研究湖泊沉積物中氮、磷分布特征對水體富營養化污染風險分析具有重要意義[4-5]。當前關于湖泊氮、磷富營養化污染特征及其與水體相互作用關系的研究很多[6-10]，普遍認為氮、磷是造成湖泊富營養化污染的主要物質，湖泊沉積物向上覆水體中釋放氮、磷，進而影響水質狀況，但是沉積物中氮、磷的釋放強度與環境因素間的關系仍有待進一步研究。

白潭湖位于黃岡市城東新區，是鄂東地區典型的城市湖泊，主要功能為水產養殖、農業灌溉、調蓄水量，已納入湖北省第一批湖泊保護名錄。近幾年白潭湖受周邊地區生活污水、工業廢水和農業面源污染的影響，污染物的輸入量遠遠超過了湖水的承載范圍，湖泊沼澤化和富營養化漸趨嚴重。目前已有研究人員對該湖泊的水質及水體污染特征進行了調查研究[11-12]，但對于湖泊沉積物污染狀況及特征還未開展研究。本文通過對白潭湖表層沉積物進行系統取樣分析，討論表層沉積物中的氮、磷含量和污染狀況，分析不同水環境條件下表層沉積物中氮、磷的釋放情況，能夠為更加合理地控制湖泊內源污染提供理論依據。

1 研究區概況

白潭湖位于長江之濱，湖汊眾多，湖岸曲折，南北長4.0 km，東西寬3.1 km，水面面積4.38 km2，正常水位18.5 m，湖泊容量828萬m3，來水面積289.5 km2。湖泊流域區內地形地貌比較單一，北部為低丘陵崗地，南部為平原湖區；地勢總體較平坦，海拔高度低，相對高差10～30 m。該區屬亞熱帶季風氣候，年降雨量1 273.3 mm，降雨多集中在6—7月份。根據黃岡市環境質量狀況報告(2020年)[13]顯示，白潭湖水質已下降到Ⅴ類，呈現中度富營養化。2021年7月采樣測試結果顯示白潭湖水體主要遭受氮、磷污染[12]。

2 材料和方法

2.1 樣品采集

本次研究采集白潭湖表層沉積物。根據白潭湖水面分布和周邊環境狀況，將采樣點布設在湖心、入湖口、出湖口和其他具代表性的位置，共設置采樣點13個，編號B1-B13(圖1)。所有采樣點采用GPS定位儀進行定位，取樣時間為2021年12月中旬，采樣方法參照《水質采樣技術指導》(HJ 494—2009)[14]。使用抓斗式采泥器進行采樣，將樣品直接裝入聚乙烯自封袋冷凍保存。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sample points

2.2 檢測方法及污染評價方法

白潭湖表層沉積物的檢測項目為總氮(TN)、總磷(TP)，檢測方法參照《土壤 總磷的測定 堿熔—鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)[15]和《湖泊富營養化調查規范(第二版)》[16]。

當前湖泊沉積物污染評價常用富集系數法、有機指數法、污染指數法等。本次研究采用有機氮指數(ON)評價表層沉積物的氮污染，采用總磷污染指數(STP)評價表層沉積物的磷污染。

2.2.1有機氮指數評價

有機氮指數表征湖泊沉積物是否遭受氮污染的標準見表1，其計算公式[17]如下：

ON=TN×95%

(1)

需要說明的是，總氮含量單位為mg/kg，參與公式(1)計算時需將單位轉換為%。

表1 湖泊沉積物有機氮指數評價標準Table 1 Evaluation standards of organic nitrogen in sediments

2.2.2總磷污染指數評價

總磷污染指數衡量湖泊沉積物是否遭受磷污染的標準見表2，其計算公式如下：

STP=CTP/Cs

(2)

式中：CTP為總磷實測含量，mg/kg；Cs為總磷評價標準值，取值440 mg/kg[18]。

表2 湖泊沉積物總磷污染指數評價標準Table 2 Evaluation standards of total phosphorus in sediments

2.3 氮、磷釋放強度模擬試驗方法

開展湖泊沉積物中氮、磷釋放強度模擬試驗選用的環境影響因素主要有溫度(T)、pH、溶解氧濃度(DO)、水體擾動強度等[19-20]。根據本次研究實際情況，選擇溫度、pH、溶解氧濃度作為模擬實驗的環境影響因素，并將溫度設定為3種水平：15、20、25℃；采用緩沖溶液來調節pH，將pH設定為3種水平：5、7、9；通過充入氮氣和氧氣來調節溶解氧濃度，將溶解氧濃度設定為2種水平：4 mg/L(厭氧)、6 mg/L(好氧)。試驗裝置中水土比為4∶1，表層沉積物中氮、磷釋放強度值取兩次試驗結果的均值。選取原水作為初始樣，每間隔12 h取樣1次，單次取樣量為100 mL，120 h后結束取樣。完成1次取樣后，立即用原水加至初始刻度。水質檢測項目為總氮、總磷，檢測方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》[21]。

表層沉積物中氮、磷釋放強度計算公式[21]為：

(3)

式中：R為氮、磷釋放強度，mg/m2；V為試驗容器中水的體積，mL；Cn為第n次取樣時水樣總氮、總磷濃度，mg/L；C0為原水總氮、總磷濃度，mg/L；Vj-1為第(j-1)次取樣體積，取值均為100 mL;Cj-1為第(j-1)次取樣時總氮、總磷濃度，mg/L；A為試驗容器中水與沉積物的接觸面積，m2。

3 結果與分析

3.1 表層沉積物氮、磷含量特征

檢測結果顯示，白潭湖表層沉積物中總氮含量為1 030～3 580 mg/kg，均值為1 886 mg/kg；總磷含量為813～1 920 mg/kg，均值為1 214 mg/kg。表層沉積物中氮、磷空間分布狀況如圖2所示，總體上氮、磷分布不均勻，總氮含量高值點(>3 000 mg/kg)主要分布于湖心及東南區域，總磷含量高值點(>1 200 mg/kg)以湖心向東、東南區域輻射。已有相關研究結果[7,22-23]表明，太湖、巢湖、鄱陽湖等城市湖泊沉積物的總磷含量均值為608～760 mg/kg，白潭湖表層沉積物與之相比，總磷含量明顯更高，存在較大的磷污染風險。

圖2 白潭湖表層沉積物總氮、總磷含量分布圖Fig.2 Distribution map of total nitrogen and total phosphorus in surfacial sediment of Baitan Lake

3.2 表層沉積物氮、磷污染評價

根據公式(1)、(2)計算出白潭湖表層沉積物的氮、磷污染評價指標(表3)，結果顯示表層沉積物有機氮指數為0.098%～0.340%，均值為0.251%，其中>0.133%的點位占總數的92%；總磷污染指數為1.85～4.36，均值為2.76，全部>1.5。因此白潭湖表層沉積物的氮污染程度為污染(Ⅳ級)，磷污染程度為重度污染(4級)，說明表層沉積物可能構成白潭湖水體

表3 白潭湖表層沉積物氮、磷污染評價結果表Table 3 Evaluation results of nitrogen and phosphorus pollution in surfacal sediments of Baitan Lake

氮、磷污染的內源。該湖泊表層沉積物遭受氮、磷污染最嚴重的區域為湖心至東南區域，氮、磷污染如此分布可能受水體流速和含氮磷污水排泄的影響。湖心區域水位深，水體流速小，導致泥沙等易于沉積且淤積時間長；湖泊東南角有連通渠，水流從連通渠進入白潭湖后，過水斷面變大，水體流速變小，導致湖泊東南區域泥沙等易于沉積；而相關區域及附近曾為白潭湖漁場，養殖歷史久遠，推測養殖廢水的長期排放導致含氮磷物質逐漸在沉積物中富集，從而導致湖心至東南區域的表層沉積物遭受嚴重的氮、磷污染。

3.3 環境因素對表層沉積物氮、磷釋放的影響

3.3.1溫度的影響

開展了基于不同溫度(15、20、25℃)條件下的白潭湖表層沉積物氮、磷釋放強度試驗，繪制了氮、磷釋放強度隨時間的變化曲線(圖3)。從圖3可以看出，水體溫度升高對表層沉積物中氮、磷釋放強度影響明顯，釋放強度呈現R3(T=25℃)>R2(T=20℃)>R1(T=15℃)的特點，說明水溫越高，氮、磷越容易釋放。其次，隨著時間的加長，氮、磷釋放強度不斷提高，在試驗72 h后，表層沉積物氮、磷釋放強度逐步趨于穩定。試驗結果顯示，25℃溫度條件下，表層沉積物的平均釋磷強度為20.0 mg/m2，是15℃溫度條件下表層沉積物平均釋磷強度(7.8 mg/m2)的2.5倍。溫度對表層沉積物釋磷影響機理較為復雜[23-25]，總的來看，一方面溫度升高提高了表層沉積物中有機物的礦化速率和可溶性磷的活性，導致可溶性磷加速釋放至水體中；另一方面溫度升高時表層沉積物中微生物活性增強，代謝產生的有機磷活化酶螯合基也會促使有機態磷的分解，促使磷向上覆水體中釋放[25]。

3.3.2pH的影響

圖4 不同pH條件下氮、磷釋放強度變化曲線Fig.4 The release intensity curve of nitrogen and phosphorus under different pH conditions

3.3.3溶解氧濃度的影響

4 結論

(1) 白潭湖表層沉積物中總氮含量為1 030～3 580 mg/kg，總磷含量為813～1 920 mg/kg，總氮和總磷含量高值點主要分布于湖心和東南區域。

圖5 不同溶解氧濃度條件下氮、磷釋放強度變化曲線Fig.5 The release intensity curve of nitrogen and phosphorus under different DO conditions

(2) 有機氮指數顯示白潭湖表層沉積物中氮污染等級為Ⅳ級(污染)，總磷污染指數顯示磷污染等級為4級(重度污染)，均處于高污染水平。建議對白潭湖采取清淤治理。

(3) 開展不同溫度、pH、溶解氧濃度等條件下的表層沉積物氮、磷釋放強度試驗，結果顯示隨著溫度的升高，氮、磷釋放強度增大；在堿性或酸性條件下，氮、磷釋放強度高于中性條件；在低濃度溶解氧條件下，氮、磷釋放強度較大。建議夏季要重點關注氮、磷的內源釋放污染。