王圣瑞，倪棟，2，焦立新，金相燦，馮明磊，劉志剛，張偉華

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院湖泊生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，國(guó)家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088

3.江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，江西 南昌 330029

4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)最大的通江過(guò)水性、吞吐型淺水湖泊［1］，也是國(guó)際重要濕地。由于長(zhǎng)期受長(zhǎng)江水倒灌及流域來(lái)水的影響，形成了獨(dú)特的生態(tài)水文過(guò)程［2］。鄱陽(yáng)湖巨大的湖容量不僅可以調(diào)蓄汛期長(zhǎng)江干流及“五河”的巨量洪水，有效地緩解長(zhǎng)江中下游地區(qū)的防洪壓力［3］，同時(shí)也可以緩解長(zhǎng)江中下游枯水期低水位狀態(tài)以及防止枯水期長(zhǎng)江口海水倒灌等風(fēng)險(xiǎn)［4］。另外，鄱陽(yáng)湖也是我國(guó)內(nèi)陸湖泊生物多樣性最為豐富的地區(qū)，它支持了世界上98%的國(guó)際瀕危物種白鶴和80%以上的東方白鸛以及占世界上整個(gè)種群數(shù)量1/4的長(zhǎng)江江豚［5］。因此，鄱陽(yáng)湖生態(tài)系統(tǒng)健康是生物多樣性保護(hù)及維系長(zhǎng)江中下游地區(qū)生態(tài)安全的重要保證。然而，隨著江西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鄱陽(yáng)湖生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較大變化［6-7］，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出［8-10］。其中，水文情勢(shì)變化，水質(zhì)下降，富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)加劇是鄱陽(yáng)湖主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。近年來(lái)，受“五河”來(lái)水的影響，鄱陽(yáng)湖入湖污染負(fù)荷逐年增加。氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽作為評(píng)價(jià)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的關(guān)鍵指標(biāo)，其濃度及“源”、“宿”關(guān)系已經(jīng)成為目前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域普遍關(guān)注的問(wèn)題［11-13］。沉積物是氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的主要蓄積庫(kù)［14］，它不僅是外來(lái)污染物的歸宿地，同時(shí)其自身營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放也可對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生重大影響［15-16］。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)湖泊沉積物氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)質(zhì)時(shí)空分布特征已經(jīng)有了大量報(bào)道，但針對(duì)鄱陽(yáng)湖這種特定生態(tài)水文特征及地理環(huán)境條件背景下，沉積物中有機(jī)質(zhì)的時(shí)空分布及年際演變規(guī)律鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者通過(guò)歷史資料調(diào)查及沉積物樣品分析，著重研究了鄱陽(yáng)湖沉積物有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷的時(shí)空分布特征及年際演變規(guī)律，旨在為揭示鄱陽(yáng)湖生態(tài)系統(tǒng)變化及尋求富營(yíng)養(yǎng)化防控措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

鄱陽(yáng)湖位于長(zhǎng)江南岸、江西省北部，地理位置為115°49'E ～ 116°46'E，28°24'N ～ 29°46'N，它與贛江、撫水、信江、饒河、修水五大河流(以下簡(jiǎn)稱“五河”)的尾閭區(qū)相接形成天然盆地，是受長(zhǎng)江、“五河”水位制約的連河湖。鄱陽(yáng)湖豐、枯水期的湖體面積、湖體容積相差極大:汛期“五河”洪水入湖而上漲、漫灘，湖面擴(kuò)大，洪水一片;冬春季節(jié)，湖水落槽，灘地顯露，水面縮?。?］。受河水的沖刷，主河道兩邊泥沙堆積，使得在湖中心區(qū)的西南部形成一個(gè)相對(duì)封閉的水區(qū)(滯留區(qū))［6］，該區(qū)的水體交換速度相對(duì)較緩慢。

鄱陽(yáng)湖表層沉積物調(diào)查于2007年10月(枯水期)和2008年7月(豐水期)進(jìn)行了樣品的采集工作。利用彼得森抓斗采樣器(自制)采集鄱陽(yáng)湖流域表層(0～10 cm)沉積物樣品67個(gè)(枯水期24個(gè)，豐水期33個(gè)，入湖河道10個(gè))。采樣點(diǎn)的分布以湖面為主，兼顧五條主要入湖河流尾閭區(qū)及河口區(qū)(圖1)。所有沉積物樣品均以聚乙烯薄膜封裝，于-20℃下低溫保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室處理并分析。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sites surface sediment from Poyang Lake

1.2 沉積物樣品分析

表層沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥，去雜質(zhì)、研磨過(guò)篩后備用?？偭?TP)濃度采用SMT法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)(OM)濃度采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;總氮(TN)濃度采用H2SO4-CuSO4-Se催化消煮后，用KDY-9820型凱氏定氮儀測(cè)定。試驗(yàn)所用器皿用稀酸浸泡過(guò)夜。

1.3 歷史數(shù)據(jù)的收集與整理

通過(guò)多種途徑全面開(kāi)展了鄱陽(yáng)湖最新沉積物研究成果及歷史資料的翻譯、調(diào)查、收集和整理工作。調(diào)查的文獻(xiàn)包括《鄱陽(yáng)湖水質(zhì)預(yù)測(cè)與規(guī)劃》、《中國(guó)鄱陽(yáng)湖水質(zhì)保護(hù)對(duì)策計(jì)劃調(diào)查》(日本國(guó)際協(xié)力事業(yè)團(tuán)、原國(guó)家環(huán)境保護(hù)局，1993年)、《江西省五大水系對(duì)鄱陽(yáng)湖生態(tài)環(huán)境影響研究報(bào)告》(江西省水文局、江西省科學(xué)院)等，收集整理了近30年鄱陽(yáng)湖水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及近20年鄱陽(yáng)湖沉積物數(shù)據(jù)(表1)。共獲得有關(guān)的數(shù)據(jù)434個(gè)。

表1 1987—2008年鄱陽(yáng)湖沉積物OM、TN和TP濃度概況Table 1 Forepart sediments nourishment content collect from 1987 to 2008

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。應(yīng)用Origin 7.0和Excel 2003軟件進(jìn)行相關(guān)分析和制圖，應(yīng)用Sufer 7.0軟件(Golden軟件有限公司，USA)進(jìn)行插值分析是樣點(diǎn)之間內(nèi)插值的一種地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可應(yīng)用于沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽濃度空間分布預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鄱陽(yáng)湖表層沉積物OM、TN和TP空間分布

鄱陽(yáng)湖表層沉積物中OM、TN和TP濃度空間分布規(guī)律相似(圖2)。由圖2可見(jiàn)，沉積物中OM和TN濃度主要分布在修水、贛江、撫水、信江和饒河等“五河”尾閭，其次是湖心，且由南向北至長(zhǎng)江入湖口呈降低趨勢(shì)。沉積物中TP濃度最高值出現(xiàn)在贛江、撫河及信江尾閭，而修河和饒河尾閭及湖心至長(zhǎng)江入湖口沉積物中TP濃度均較低?？傮w來(lái)講，鄱陽(yáng)湖有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度均表現(xiàn)為南部湖區(qū)高于北部湖區(qū)，湖灣高于湖心，“五河”尾閭高于長(zhǎng)江入湖口。其中，所有采樣點(diǎn)沉積物中OM濃度為0.420%～3.175%，平均值為1.590%;TN濃度為0.026%～0.235%，平均值為0.134%;TP濃度為0.010%～0.094%，平均值為0.046%，表明鄱陽(yáng)湖沉積物中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度已經(jīng)處于相對(duì)較高的水平。研究表明，“五河”輸入是入湖污染負(fù)荷的主要來(lái)源，其占污染負(fù)荷總量的80%左右，因此，源于“五河”來(lái)水的工農(nóng)業(yè)污染是鄱陽(yáng)湖沉積物中有機(jī)質(zhì)和氮磷營(yíng)養(yǎng)水平較高及其區(qū)域性分布差異的主要原因。同時(shí)隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，鄱陽(yáng)湖流域的農(nóng)業(yè)面源污染也對(duì)湖區(qū)沉積物有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽水平產(chǎn)生了較大影響。鄱陽(yáng)湖流域山地面積較大(山地面積占流域總面積的89%)、坡度陡長(zhǎng)(贛南坡度大于16°的山地面積達(dá)到75%)、徑流速度大，其特殊的地貌極易造成水土的流失［23］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄱陽(yáng)湖流域平均土壤侵蝕總量達(dá)1.66×108t，相當(dāng)于流失土壤5×104hm2。而0～20 cm耕作層土壤中有機(jī)質(zhì)和肥料豐富［24］，極易隨地表徑流進(jìn)入鄱陽(yáng)湖，從而使有機(jī)質(zhì)及氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽在湖灣內(nèi)聚集。因此，農(nóng)業(yè)面源污染也是影響沉積物中OM和氮磷分布的重要因素。除此之外，信江上游的朝陽(yáng)磷礦石華東地區(qū)的第一大磷礦，其Ca(H2PO4)2年生產(chǎn)量達(dá)到10×104～15×104t［7］。因此，磷礦生產(chǎn)廢水的直接排放也是信江下游及其尾閭區(qū)沉積物中TP濃度較高的主要原因。另外，南部尾閭區(qū)表層沉積物TP與OM濃度呈顯著正相關(guān)(圖3，R2=0.6393)，表明沉積物OM對(duì)磷的吸附作用也是導(dǎo)致磷在南部湖區(qū)積聚的重要因素之一［15-16］。

圖2 鄱陽(yáng)湖表層沉積物TP、OM和TN濃度的空間分布Fig.2 TP，OM，TN content distribution in surface sediments of Poyang Lake

圖3 南部尾閭區(qū)沉積物TP與OM濃度的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relation between TP and OM content in tail-end of Poyang Lake

2.2 枯豐水期沉積物中OM、TN和TP濃度變化

圖4 枯豐水期鄱陽(yáng)湖表層沉積物中TP、OM及TN濃度均值的變化Fig.4 The change of TP，OM，TN content between low water phase and high water phase in Poyang Lake surface sediments

由圖4可見(jiàn)，不同湖區(qū)沉積物中OM、TN和TP濃度在枯水期和豐水期存在明顯差異。鄱陽(yáng)湖北部湖區(qū)沉積物中OM、TN和TP濃度在豐水期顯著高于枯水期。盡管湖心區(qū)也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，但豐水期比枯水期的增幅明顯低于北部湖區(qū)。南部尾閭區(qū)沉積物中OM和TP濃度在豐水期和枯水期差異相對(duì)較小，并且枯水期沉積物中TN濃度高于豐水期。因此，豐水期“五河”來(lái)水量的增加顯著提高了湖心及北部湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，尤其北部湖區(qū)增加較明顯。根據(jù)1956—2005年泥沙資料統(tǒng)計(jì)，多年平均懸移質(zhì)入湖沙量1689×104t，其中“五河”入湖沙量占85.8%［26］。因此，豐水期“五河”來(lái)水?dāng)y帶的污染物隨懸浮泥沙由南至北逐漸沉積，從而導(dǎo)致豐水期沉積物中OM、TN和TP濃度由南至北增幅降低的趨勢(shì)。另外，鄱陽(yáng)湖地區(qū)豐水期正值晚稻插秧季節(jié)，農(nóng)田大量施用有機(jī)氮肥和化肥，地表徑流所導(dǎo)致的面源污染負(fù)荷增加。豐水期污染物隨地表徑流進(jìn)入湖體，從而促進(jìn)了泥沙的擾動(dòng)，而采砂業(yè)則加重了原本聚集在南部尾閭區(qū)泥沙的再懸浮，并隨湖流向北部湖區(qū)遷移［27］。枯水期“五河”來(lái)水減少，北部湖區(qū)污染物不斷由長(zhǎng)江中上游來(lái)水稀釋，從而導(dǎo)致北部湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低。因此，“五河”來(lái)水和面源污染負(fù)荷的季節(jié)變化是導(dǎo)致沉積物中OM、TN和TP濃度在枯水期和豐水期差異顯著的主要原因。

2.3 1988—2008年沉積物OM、TN和TP濃度變化

圖5顯示了鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度的年際變化。由圖5可見(jiàn)，1988年鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度均值均顯著高于1992年。這可能與1988年為枯水年，采集的沉積樣品多來(lái)自于河道和入湖河口有關(guān)。但1992—2008年鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度均呈明顯增加趨勢(shì)。與1992年相比，2008年鄱陽(yáng)湖沉積物中OM濃度增加了1.82倍，TN濃度增加了0.74倍，TP濃度增加了1.53倍。20世紀(jì)90年代以來(lái)，長(zhǎng)江流域氣候異常，頻繁發(fā)生特大洪水，加之工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，入湖污染負(fù)荷逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年江西全省廢污水排放量約9.59 ×108t，2008 年達(dá)13.89 ×108t，期間廢污水排放量平均每年約以0.48×108t的速度遞增，化學(xué)需氧量排放量平均每年約以1.2×104t的速度遞增，氨氮排放量平均每年約以0.13×104t的速度遞增。鄱陽(yáng)湖水質(zhì)已由20世紀(jì)80年代的Ⅱ類水為主，逐漸發(fā)展為目前的Ⅲ類和Ⅳ類水，富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)加劇，其中，總磷和氨氮為主要超標(biāo)項(xiàng)目。因此，20世紀(jì)90年代以來(lái)，鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度的增加主要與工農(nóng)業(yè)發(fā)展所導(dǎo)致的入湖污染負(fù)荷增加有關(guān)，而90年代的特大洪水則加速了陸源有機(jī)質(zhì)和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入。

圖5 鄱陽(yáng)湖表層沉積物中TP、OM及TN濃度變化Fig.5 Chronology variability of TP，OM and TN content in surface sediments

鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度與其他四大淡水湖比較結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，1992年鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度均低于或等于20世紀(jì)80年代巢湖、洪澤湖、太湖和洞庭湖。然而，2008年鄱陽(yáng)湖沉積物中OM濃度已明顯超過(guò)其他四大淡水湖泊，沉積物中TN濃度除低于太湖外，均明顯高于巢湖、洪澤湖和洞庭湖沉積物。盡管沉積物中TP濃度等于或低于其他四大淡水湖泊沉積物，但其與1992年相比，已增加了近2倍?？梢?jiàn)，1992—2008年近20年間，鄱陽(yáng)湖沉積物的污染水平已逐漸向富營(yíng)養(yǎng)湖泊沉積物的污染水平發(fā)展。與其他四大淡水湖泊相比，盡管鄱陽(yáng)湖目前水質(zhì)相對(duì)較好，但呈下降趨勢(shì)，高氮磷營(yíng)養(yǎng)底質(zhì)則增大了其富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

表2 鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度及與其他湖泊的比較Table 2 Sediments nourishment content difference between Poyang Lake and representative freshwater lake %

3 結(jié)論

(1)鄱陽(yáng)湖沉積物中OM濃度為0.420%～3.175%，TN濃度為0.026%～0.235%，TP濃度為0.010%～0.094%。沉積物中OM和TN濃度以“五河”尾閭較高，其次是湖心，而TP濃度最高值則出現(xiàn)在贛江、撫河及信江尾閭，并且均由南向北至長(zhǎng)江入湖口呈降低趨勢(shì)。

(2)鄱陽(yáng)湖沉積物中有機(jī)質(zhì)和氮磷污染主要源于“五河”來(lái)水，其次是農(nóng)業(yè)面源污染。豐水期“五河”來(lái)水量的增加顯著提高了湖心及北部湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，尤其以北部湖區(qū)增加較明顯。但南部尾閭區(qū)沉積物TN濃度在枯水期明顯高于豐水期。

(3)1992—2008年間鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP濃度均呈明顯增加趨勢(shì)，尤其是OM和TP濃度增幅較大。沉積物中OM、TN和TP濃度增加與“五河”來(lái)水量及入湖污染負(fù)荷增加密切相關(guān)，鄱陽(yáng)湖流域工農(nóng)業(yè)發(fā)展是湖區(qū)沉積物污染水平提高的主要原因。

(4)2008年鄱陽(yáng)湖沉積物中OM、TN和TP污染水平已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物的污染水平，與其他四大淡水湖泊相比，盡管鄱陽(yáng)湖目前水質(zhì)相對(duì)較好，但呈現(xiàn)出了下降趨勢(shì)，高氮磷營(yíng)養(yǎng)底質(zhì)則增大了其富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

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