太湖淺層底泥營養鹽污染特征評價

陸 志 華，王 元 元，蔡 梅，錢 旭

(太湖流域管理局 水利發展研究中心，上海 200434)

0 引 言

湖泊富營養化與藍藻暴發是湖泊目前面臨的主要環境問題之一[1]。湖泊底泥是湖泊生態系統的重要組成部分，也是營養元素的聚集地，對湖泊富營養化貢獻很大[2]。一方面含有大量營養鹽的水體進入河湖，一部分被水生生物吸收利用，一部分以各種形式溶解于水中，還有一部分通過物理、化學和生物作用等最終沉積到表層底泥中；另一方面通過動植物、微生物等作用，蘊藏于底泥中的營養鹽可重新釋放至上覆水體，造成二次污染，使水體營養負荷增加[2-4]。水體中總氮、總磷濃度高是引起“水華”現象的重要因素[5]。底泥中氮磷含量是反映營養狀況和污染程度的雙重指標[6]，總氮、總磷含量的分布是外源污染物輸入后在水體動力作用下在不同區域沉降的結果[7]。有機質是底泥中重要的自然膠體，是重金屬、有機物等污染物發生吸附、分配、絡合作用的活性物質，是反映底泥有機營養程度的重要標志[8]，也是內源污染的重要指標[6]。目前，隨著國家與地方水環境保護法律法規的出臺以及一批截污工程的實施，外源入湖污染物得到一定控制，內源營養負荷控制成為湖泊富營養化治理的重點[9]。因此，底泥中營養元素的分布特征在一定程度上能反映水體污染程度[10]，開展底泥中氮、磷、有機質等營養鹽的含量及其分布特征研究非常有意義。

近年來，太湖富營養化和太湖治理持續受到社會各界關注[11-13]。太湖是典型的平原淺水湖泊，自20世紀80年代以來，流域經濟社會高速發展，太湖水污染與富營養化問題日益突出[14]。氮磷是太湖水生生物生長的必要營養元素，影響著水體中浮游植物和藻類的生長，氮磷濃度升高會導致藍藻暴發，甚至形成“水華”[15-16]。底泥中總磷、總氮、有機質含量越高，對上覆水體的污染越大。近年來地方政府對太湖進行清淤，但清淤效果并不明顯，對太湖水質改善的貢獻微乎其微[14]。已有大量研究表明，底泥中氮、磷、有機質的上層富集是一種較為普遍的現象[10]，太湖淺層(0～30 cm)底泥污染較重，是應該重點關注的泥層[17]。因此，有必要立足現狀對太湖底泥營養鹽污染進行評價研究，掌握不同湖區污染狀況，為后期太湖精準治理、生態清淤提供方向。然而，目前國內外對于太湖底泥營養鹽污染評價尚缺乏統一的方法和污染程度判別依據。

本研究基于已有底泥營養鹽污染評價方法與成果、最新太湖大范圍底泥勘察監測數據，提出了太湖底泥營養鹽污染分級判別依據，采用ArcGIS空間分析法，評價了淺層底泥TP、TN、OM污染情況，分析了重度污染區域狀況，闡明了太湖底泥污染現狀，可為太湖底泥污染治理與富營養化防治提供一定參考和依據。

1 材料與方法

1.1 太湖底泥營養鹽基礎數據

本研究采用水利部太湖流域管理局于2018～2019年組織完成的太湖水下地形測量及污染底泥勘察項目中底泥營養鹽含量數據。該項目底泥勘察覆蓋太湖全部8個湖區，共布設316個采樣點，其中對底泥污染較嚴重的重點區域(梅梁湖、竺山湖、西部沿岸區、南部沿岸區、東太湖、貢湖6個沿岸湖區)分5層(0～10，10～20，20～30，30～50，50～100 cm)采集底泥，其余一般區域(湖心區、東部沿岸區2個湖區)分3層采集0～30 cm淺層底泥(見圖1)。調查取樣化驗時間為2018年10～11月，淺層底泥樣品使用箱式采樣器采集。樣品于實驗室進行化驗分析，TP、TN、OM含量分別采用等離子體發射光譜法、凱氏定氮法、重鉻酸鉀氧化還原容量法測定。采樣測試過程嚴格進行全流程質量控制，滿足相關規范要求。

圖1 太湖湖區劃分示意

1.2 太湖底泥營養鹽污染分級判別依據

1.2.1已有的判別依據

目前底泥營養鹽污染分析主要采用有機指數法、有機氮法[18-19]、底泥吸附-解吸平衡法[20-21]、標準偏差倍數法、特征值頻率分析控制法等，美國、加拿大也提出過底泥營養鹽污染分級標準或安全限值[9]。水利部太湖流域管理局組織編制的《太湖污染底泥疏浚規劃總報告》[22-23](以下簡稱《太湖疏浚規劃》)綜合采用標準偏差倍數法、特征值頻率分析法，提出了太湖底泥營養鹽(TP、TN、OM)的疏浚控制值。

環境介質中營養鹽濃度分布在沒有受到人類活動劇烈干擾情況下，通常遵循隨機分布規律。標準偏差倍數法是對淺層底泥中的營養鹽含量進行分析，基于樣品數據統計求出其平均值(M)和標準偏差(σ)，然后根據隨機誤差理論，確定極限誤差nσ下的置信度(p)水平，計算出置信區間[M-nσ，M+nσ]，其中n為自然數。當n取3時，在置信區間[M±3σ]內的置信度可達99.7%，通常認為當監測結果≥M+3σ時，判定底泥污染程度較重，進一步根據M及σ變動范圍，劃分底泥污染分級，該方法可以克服底泥背景值難以獲取的問題。特征值頻率分析法是將采樣點營養鹽濃度值按大小依次排序，采用數理統計方法進行頻率計算，繪制濃度-頻率曲線，只要有足夠數量的樣品數據，就可依據清淤原則，確定某一百分比下的營養鹽污染分級標準。

《太湖疏浚規劃》提出監測結果在(M-σ)～(M+σ)之間為清潔，相當于未受污染影響的背景值；(M+σ)～(M+2σ)之間為尚清潔；(M+2σ)～(M+3σ)之間為輕污染；≥(M+3σ)為嚴重污染，并作為確定是否疏浚的參考閾值。然后基于2003年全湖底泥調查數據中50～100 cm深度底泥作為背景值樣本，得到太湖底泥營養鹽污染分級依據，并認為≥M+3σ(即TP≥745 mg/kg或TN≥1 840 mg/kg或OM≥4.47%)時已達到需要進行疏浚的污染狀態(見表1)。最后基于全湖淺層底泥樣品數據，采用特征值頻率分析法進行合理性分析，認為提出的污染分級判別依據成果合理，與當時調查結果基本相符。

表1 《太湖污染底泥疏浚規劃總報告》中太湖底泥營養鹽污染分級判別依據

1.2.2本研究提出的判別依據

2018年太湖大范圍底泥勘察中50～100 cm深度僅勘察了6個沿岸區，未涵蓋湖心區全域和東部沿岸區，50～100 cm樣品數據不能合理地代表太湖底泥背景情況，不宜直接采用標準偏差倍數法進行分析。考慮到50 cm以下的底泥受近代人類活動影響已經非常微弱，本研究總體上仍沿用《太湖疏浚規劃》提出的污染分級思路及相應界值，重點是結合本次淺層(0～30 cm)底泥樣品數據進行復核分析。

TP、TN是底泥營養鹽污染的主要表征，將其作為判別營養鹽污染程度的主要控制指標，對2018年全湖淺層底泥TP、TN含量數據進行經驗累積頻率分析。分析發現《太湖疏浚規劃》提出的TP、TN污染疏浚控制值745 mg/kg和1 840 mg/kg分別對應2018年淺層底泥數據的累積頻率為84.6%和93.3%。若以此作為需要進行疏浚的污染程度判別標準，與最新調查結果基本一致。因此認為該TP、TN污染疏浚控制值仍較為合理，可以沿用作為本次判別最高污染程度的依據。污染分級方面，《中國湖泊志》[24]認為1960年太湖底泥尚未受到近代強烈人類活動影響，且太湖尚未發生嚴重的富營養化問題，其記載的1960年太湖底泥TP、TN實測值分別為440 mg/kg和670 mg/kg，可以作為底泥清潔程度的判斷依據。同時，《太湖疏浚規劃》基于2003年全太湖50～100 cm深度底泥數據得到的TP、TN的平均值為494 mg/kg和666 mg/kg，與《中國湖泊志》中背景值非常接近，因此認為2003年全太湖50～100 cm深度底泥數據仍可作為底泥污染狀況的背景數據。將采用標準偏差倍數法得到的M+σ值、M+2σ值、M+3σ值作為污染分級的界值參考，進行適當取整，得到TP、TN污染分級依據，并結合太湖不同深度淺層底泥氮磷營養鹽含量普遍增加的現狀，將污染程度細分為清潔、尚清潔、輕度污染、中度污染、重度污染5類。

OM是底泥中相關營養元素的主要來源，間接影響底泥上覆水濃度，將其作為判別營養鹽污染程度的輔助指標，對2018年全湖淺層底泥OM含量數據進行經驗累積頻率分析(見表2)。分析發現《太湖疏浚規劃》提出的OM污染疏浚控制值為4.47%，對應2003年淺層底泥數據的累積頻率為91.5%，而對應2018年淺層底泥數據的累積頻率為98.6%，若仍以此進行是否疏浚的評價，會導致評價結果不符合污染現狀，且因2018年50～100 cm監測未覆蓋太湖全域，因此基于2018年0～30 cm底泥數據采用特征值頻率分析法進行污染分級，對經驗累積頻率50%，75%，85%，95%的含量值進行適當取整，作為OM分級的界值，由低到高分為1，2，3，4，5級。

表2 2018年太湖淺層(0～30 cm)底泥TP、TN、OM含量經驗累積頻率分析

綜上，形成了本研究提出的太湖底泥營養鹽清潔、尚清潔、輕度污染、中度污染、重度污染的分級判別依據(見表3)。

表3 本研究太湖底泥營養鹽污染分級判別依據

2 結果與分析

2.1 底泥營養鹽污染情況分析

2.1.1不同營養鹽污染分布

TP在0～10 cm深度底泥內含量為317～2 124 mg/kg，10～20 cm深度內為378～2 610 mg/kg，20～30 cm深度內為387～2 122 mg/kg。在0～30 cm不同深度，TP為清潔(<440 mg/kg)的區域極少，在湖心區南部、東部沿岸區的胥湖、東太湖西部有零星分布；尚清潔(440～580 mg/kg)、輕度污染(580～660 mg/kg)的區域除竺山湖外，其他湖區均有分布；中度污染(660～750 mg/kg)的區域主要分布在竺山湖、梅梁湖、貢湖、湖心區、西部沿岸區、南部沿岸區、東太湖；重度污染(≥750 mg/kg)的區域主要分布在竺山湖、湖心區靠近梅梁湖與貢湖的地方、貢湖西北部(見圖2)。

圖2 太湖不同深度淺層底泥TP、TN、OM污染評價

TN在0～10 cm深度底泥內含量為346～4 730 mg/kg，10～20 cm深度內為415～4 360 mg/kg，20～30 cm深度內為553～4 800 mg/kg。在0～30 cm不同深度，TN為清潔(<670 mg/kg)的區域極少，主要分布在南部沿岸區南側；尚清潔(670～1 100 mg/kg)的區域主要為湖心區、南部沿岸區、西部沿岸區西部、東部沿岸區的部分區域；輕度污染(1 100～1 450 mg/kg)主要分布在梅梁湖、貢湖、東部沿岸區、湖心區的部分區域；中度污染(1 450～1 850 mg/kg)的區域主要分布在東太湖、竺山湖、梅梁湖、貢湖、東部沿岸區的部分區域；重度污染(≥1 850 mg/kg)的區域主要分布在東太湖中部、竺山湖北部、梅梁湖西側。

OM在0～10 cm深度底泥內含量為0.36%～7.06%，10～20 cm深度內為0.74%～6.81%，20～30 cm深度內含量為0.83%～7.67%。在0～30 cm不同深度，OM為1級(<1.50%)的區域面積較大，主要分布在湖心區、南部沿岸區；為2級(1.50～1.80%)、3級(1.80～2.20%)主要分布在西部沿岸區、貢湖；為4級(2.20～3.00%)、5級(≥3.00%)的區域主要分布在東太湖、竺山湖北部、梅梁湖東北部、胥湖東南角。

2.1.2營養鹽空間分布

太湖0～30 cm淺層底泥中不同營養鹽分布空間差異較大，TN與OM分布特征較為相似，TP分布另具特征。TP污染表現為竺山湖最嚴重，梅梁湖和貢湖的北部湖灣、西部和南部沿岸區的部分區域以及梅梁湖、貢湖與湖心區水域相交處局部水域較為嚴重；TN、OM污染均表現為東太湖最嚴重，竺山湖、梅梁湖東部湖區以及東部沿岸區的東側近岸水域次之。

竺山湖TP、TN含量較高與生活和工業廢水的輸入有關[17]，入湖污染負荷高，加之竺山湖水流不暢，常年處于背風、緩流狀態[2]，污染物易于累積。已有研究表明，竺山湖是太湖西北部接納上游來水的主要湖區，使得底泥TP、TN負荷較為嚴重，且竺山湖處于太湖盛行風的下風向，有利于藍藻水華聚積，持續累積大量藻類有機碎屑增加了底泥磷負荷[25]。西部沿岸區承載著太湖上游湖西區諸多入湖河道來水[26]，目前入湖河道水質尚未完全達標、主要表現為TP超標[13]，導致底泥磷氮負荷也較為嚴重。梅梁湖受到周邊入湖河道和城市污染影響，早前污染嚴重、屬于重度富營養化湖泊[27]，底泥氮磷污染較為嚴重[28]，經過多年治理有所好轉，但營養鹽含量仍較高。貢湖是無錫和蘇州市重要水源地，主要表現為底泥TP含量偏高。東太湖原是太湖內主要的圍網養殖區域(已于2019年全面拆除)，自1984年開始圍網養殖，養殖面積極高[29]，大量的餌料投加，加之養殖生物的排泄物，增加了底泥中氮負荷；東太湖也是太湖水生植物分布的主要湖區[30]，水生植物茂盛，植物腐爛在底泥中形成有機質及其他營養物質，故東太湖TN、OM含量高與生物沉積有關。此外，太湖為大型淺水湖泊，極易受到風場干擾，會引起底泥懸浮和沉積[31]，導致表層底泥中的氮磷及有機質一定程度上發生水平遷移、造成空間差異，也會導致底泥處于再懸浮狀態、導致營養鹽釋放。另據統計，2004～2018年竺山湖、梅梁湖、貢湖、東太湖、西部沿岸區等湖區累計清除污染底泥3 910萬m3，但由于清淤疏浚面積僅為太湖極小部分，且受湖流運動影響，清淤疏浚難以改變不同湖區底泥的營養鹽分布狀況。

2.2 底泥營養鹽相關性分析

相關性分析是研究隨機變量間相關關系的統計方法[32]。本研究采用Pearson相關系數進行分析，相關系數用r表示，0.8<|r|≤1.0，為極強相關；0.6<|r|≤0.8，為強相關；0.4<|r|≤0.6，為中等程度相關；0.2<|r|≤0.4，為弱相關；0<|r|≤0.2，為極弱相關或無相關[33]。

TP、TN、OM間相關系數見表4。發現TP、TN、OM之間兩兩之間均呈顯著正相關(p<0.01)，這與太湖湖濱帶表層底泥[34]、巢湖表層底泥[35]的研究結果類似。表4中不同深度內TP與TN的相關系數分別為0.341(弱相關)，0.362(弱相關)，0.453(中等程度相關)；TP與OM的相關系數分別為0.245，0.253，0.328，均為弱相關；TN與OM的相關系數分別為0.937，0.926，0.918，均為極強相關。這表明太湖淺層底泥TN、OM可能有相同的污染來源，這也驗證了本研究中TN、OM具有基本一致的空間分布特征。綜合相關研究[8，34]，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，主要來源于生物沉降，即通過水生植物殘體的沉積過程進入底泥；TP的主要來源是外源輸入，而并非由底泥中OM的富集造成。

表4 不用營養鹽元素之間的Pearson相關系數

2.3 底泥營養鹽重度污染區域分析

太湖淺層底泥營養鹽重度污染區域是制定太湖生態清淤范圍需要重點關注的區域，進一步整合不同深度底泥、不同污染物信息，綜合分析重度污染狀況(見圖3)。

圖3 太湖不同深度淺層底泥營養鹽重度污染區分布

0～10 cm深度內，重度污染區域面積為216.14 km2，集中分布在竺山湖、貢湖北部、湖心區靠近竺山湖與梅梁湖處、東太湖中部。其中，竺山湖主要為TP、TN超標，雙指標超標面積為22.56 km2，TP超標面積為37.35 km2；貢湖為TP超標，面積為38.50 km2；湖心區為TP超標，面積為41.81 km2；東太湖主要為TN、OM超標，雙指標超標面積為38.62 km2，TN超標面積為10.49 km2。

10～20 cm深度內，重度污染區域面積為222.64 km2，較0～10 cm深度略有增加，也集中分布在竺山湖、貢湖北部、湖心區靠近竺山湖與梅梁湖處、東太湖中部。竺山湖主要為TP、TN超標，雙指標超標面積為12.05 km2，TN超標面積為39.20 km2；貢湖為TP超標，面積為13.72 km2；湖心區為TP超標，面積為49.67 km2；南部沿岸區為TP超標，面積為12.02 km2；東太湖主要為TN、OM超標，雙指標超標面積為60.80 km2，OM超標面積為27.07km2。

20～30 cm深度內，重度污染區域面積較0～20 cm深度明顯減少，減少至147.31 km2，分布區域也有所變化，集中分布在竺山湖、貢湖北部、東太湖東部與北部、東部沿岸區胥湖東南角。竺山湖主要為TP超標，面積約44.92 km2；貢湖為TP超標，面積約11.47 km2；東太湖主要為TN、OM超標，雙指標超標面積為50.43 km2，OM超標面積為26.97 km2；東部沿岸區(胥湖)主要為OM超標，面積為10.50 km2。

進一步進行疊加分析，發現0～30 cm深度內重度污染區域面積為145.37 km2，集中分布在竺山湖、貢湖北部、湖心區靠近竺山湖與梅梁湖處、東太湖中部。竺山湖主要為TP超標，超標面積為49.38 km2，TP、TN雙指標超標面積為2.40 km2；貢湖主要為TP超標，面積為19.43 km2；湖心區主要為TP超標，面積為18.63 km2；東太湖主要為TN、OM超標，雙指標超標面積為42.00 km2，TN超標面積為3.68 km2，OM超標面積為1.74 km2。

綜合來看，太湖不同深度淺層底泥內，除梅梁湖東北角近五里湖區域(面積約0.3 km2)和東太湖西部近岸零星區域(約0.2 km2)存在TP、TN、OM 3個指標同時超標外，其他重度污染區均為1個或2個指標超標，具體表現為竺山湖、梅梁湖、貢湖、湖心區、西部、南部沿岸區為TP超標，初步分析與入湖河道污染物輸入、藍藻死亡沉積、種質區生物活動等有關；東太湖為TN、OM超標，東部沿岸區為OM超標，初步分析與水生植物死亡沉積、歷史圍網養殖等有關。

3 結 論

本研究提出了太湖底泥營養鹽(TP、TN、OM)污染程度分級判別依據，評價了太湖淺層(0～30 cm深度)底泥營養鹽污染狀況，分析了不同營養鹽之間的相關性以及重度污染區域狀況，闡明了太湖底泥營養鹽污染現狀，可為太湖底泥污染治理與富營養化防治提供一定參考和依據。

分析發現：太湖淺層底泥中不同營養鹽空間分布差異較大，TN與OM分布特征較為相似，TP分布另具特征，TP污染竺山湖最嚴重，TN、OM污染東太湖最嚴重；TN與OM之間呈極強正相關(r為0.918～0.937)，TP與OM之間呈弱相關(r為0.245～0.328)；重度污染區域主要分布在竺山湖、貢湖北部、湖心區靠近竺山湖與梅梁湖處、東太湖等區域，0～10，10～20，20～30，0～30 cm不同深度重度污染區域面積分別為216.14，222.64，147.31，145.37 km2。

太湖淺層底泥TP、TN、OM含量空間分布的差異性表明了太湖底泥的復雜性，不同營養鹽受陸源輸入、水生生物死亡沉積、湖體內負荷、水動力條件、沉積物的氧化還原性質、藍藻水華與營養鹽之間的反饋機制等多種復雜因素影響，各因素的影響機制還有待進一步研究。太湖生態清淤范圍的科學確定，除了需考慮底泥營養鹽污染之外，尚涉及重金屬污染、間隙水污染、底泥污染釋放潛力、底泥物理環境、表層水體水質、營養水平、藍藻水華、湖泛、生態系統安全性、施工工藝等多方面的因素，建議后續予以綜合考慮、深入研究。

致 謝

感謝水利部太湖流域管理局提供的太湖水下地形測量及污染底泥勘察項目中關于太湖底泥營養鹽的監測化驗數據，感謝中水北方勘測設計研究有限責任公司和廣東地質實驗測試中心在現場采樣與監測化驗等過程中付出的辛勞。