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      杞麓湖表層底質(zhì)營養(yǎng)鹽的時空分布特征及評價

      2012-12-25 00:56:34吳獻花秦潔吳斌趙斌王泉郭紅
      環(huán)境工程技術(shù)學報 2012年4期
      關(guān)鍵詞:底質(zhì)湖泊表層

      吳獻花,秦潔,吳斌,趙斌,王泉,郭紅

      玉溪師范學院玉溪高原湖泊生態(tài)環(huán)境研究中心,云南 玉溪 653100

      氮磷是生命體的重要組成元素,也是引起水體污染、水體富營養(yǎng)化的主要因素[1]。湖泊水體氮磷的來源包括外源輸入及內(nèi)源釋放。對于淺水湖泊來說,當外源輸入得到控制后,內(nèi)源釋放對水環(huán)境的影響顯得尤為重要[2-3]。湖泊底質(zhì)與上覆水體之間不斷進行著物理、化學和生物的交換,因此底質(zhì)作為湖泊水環(huán)境中營養(yǎng)鹽的重要源與匯,在其生物地球化學循環(huán)中具有非常重要的意義[4]。湖泊底質(zhì)的性質(zhì)不僅可以在一定程度上反映湖泊生物的生產(chǎn)力水平,而且可以間接地反映該水域水體的污染狀況[5]。

      2009年開始云南發(fā)生了罕見的秋冬春連旱現(xiàn)象[6],干旱使湖泊流域內(nèi)入湖河流干涸,流域內(nèi)降水量少。干旱持續(xù)時間較長,直至2010年雨季才得以緩解。據(jù)彭貴芬等[7]研究,隨著全球的不斷變暖,云南干旱發(fā)生頻率將會呈增多、增強、增長的趨勢。而云南的湖泊大多數(shù)分布在高原山嶺地帶,湖面海拔達1500 m以上,降雨及入湖河流是湖泊的重要補給源。旱災期間云南高原湖泊失去了重要的補給來源,在湖體營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過程中,內(nèi)源釋放成為湖體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的主要來源。杞麓湖是云南省九大高原湖泊之一,目前對于杞麓湖底質(zhì)方面的研究報道較少[8-9]。筆者以杞麓湖為研究對象,研究旱災前后杞麓湖表層底質(zhì)及水體營養(yǎng)鹽各形態(tài)分布及差異性,一方面了解高原湖泊內(nèi)源釋放對湖泊水體的影響,另一方面了解旱災前后湖泊污染狀況的變化,以期為杞麓湖及其他高原湖泊的富營養(yǎng)化治理和合理開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)域概況

      杞麓湖(102°33'48″E ~102°52'36″E,24°4'36″N~24°14'2″N)屬珠江流域西江水系,是上新世末以后的新構(gòu)造運動中斷塊差異升降運動中形成的湖泊,湖盆呈現(xiàn)一定程度的懸湖狀態(tài)。湖泊無明顯出流口,為一天然封閉型高原湖泊,水源主要靠大氣降水補給。湖體東西長約10.4 km,南北平均寬約3.5 km,岸線長32 km。在正常蓄水位1797.25 m時,湖面面積37.26 km2,最大水深6.8 m,平均水深4 m,湖泊容積1.676億m3。杞麓湖流域?qū)僦衼啛釒駶櫅龆咴撅L氣候,年平均降水量為887 mm,有雨旱兩季之分[10]。周圍有紅旗河、大新河、者灣河等十多條季節(jié)性入湖河流。杞麓湖具有工農(nóng)業(yè)用水、調(diào)蓄、防洪、航運、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能,是通??h的母親湖。

      1.2 樣品采集

      于2009年11月(冬季)及2010年7月(夏季)先后兩次對杞麓湖實施現(xiàn)場觀測和樣品采集。全湖共設(shè)置六個采樣點:西部湖灣(Q1)、六街村(Q2)、東部湖灣(Q3)、湖心(Q4)、王家營(Q5)、湖管站(Q6)。杞麓湖流域主要入湖河流及采樣點設(shè)置見圖1。

      圖1 杞麓湖采樣點設(shè)置Fig.1 Distribution of sampling sites in Qiluhu Lake

      上覆水體采集:用分層采樣器于水面下0.5 m處采集水樣。水溫、透明度(SD)、pH等參數(shù)現(xiàn)場測定。水樣采集后放入保溫箱中低溫避光保存,運回實驗室后,立即進行處理。

      底質(zhì)采集:用彼得森采樣器在各采樣點采集10 cm的表層底質(zhì),為確保所取樣品具有代表性,各采樣點均取3個平行樣品,并混合均勻。樣品采集后冷藏保存帶回實驗室處理。

      1.3 監(jiān)測方法

      水體中總氮、總磷的形態(tài)分析參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》第4版[11],總氮濃度采用過硫酸鉀消解分光光度法測定,總磷濃度采用堿性過硫酸鉀消解-鉬銻鈧光度法測定。

      底質(zhì)全氮濃度采用凱氏定氮法測定,有機質(zhì)濃度采用重鉻酸鉀容量法測定,底質(zhì)中的磷濃度用歐洲標準測量和測試方法(SMT法)測定[12-13],弱吸附態(tài)磷(NH4Cl-P)參照文獻[14]中的方法提取。

      1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

      數(shù)據(jù)處理采用Excel2003和SPSS軟件處理。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 杞麓湖上覆水體的環(huán)境因子

      湖泊污染物的內(nèi)源釋放與環(huán)境因子有著密切的關(guān)系。從表1可以看出,冬季水體溫度較低,平均為16.3℃,而夏季水溫較高,平均為23.9℃,整體趨勢呈邊緣區(qū)低,湖心高的特征。透明度冬季與夏季相比較高,最高達到55 cm。杞麓湖pH較高,整體呈堿性,時空差異性較小,平均為9.7左右。DO濃度時空差異性較大,冬季約為夏季的3倍。

      表1 杞麓湖環(huán)境因子變化Table 1 Variation of environmental factors in Qiluhu Lake

      2.2 表層底質(zhì)營養(yǎng)鹽的分布特征

      2.2.1 總氮

      對杞麓湖表層底質(zhì)全氮濃度分布進行分析(圖2),結(jié)果表明,杞麓湖冬季底質(zhì)中全氮濃度為3308.59~6309.41 mg/kg,最大值位于西部湖灣,呈現(xiàn)從西南向東北逐漸遞減的趨勢;夏季底質(zhì)中全氮濃度為2412.05~4376.23 mg/kg,最大值位于六街村,呈現(xiàn)從湖周向湖心遞減的趨勢。上覆水體中總氮濃度顯示,杞麓湖在冬季與夏季均處于劣Ⅴ類水質(zhì)(GB 3838—2002),冬季表現(xiàn)出由湖周向湖心遞減的趨勢,而夏季表現(xiàn)出從西南向東北遞減的趨勢。

      綜合冬季和夏季上覆水體和底質(zhì)總氮的分布可知,杞麓湖底質(zhì)和上覆水體總氮濃度表現(xiàn)出湖周高,湖心低,且西南比東北高的分布特征。這是由于杞麓湖流域農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)非常發(fā)達,在湖四周分布有密集的農(nóng)田、村落,且在湖泊西南區(qū)域,分布有紅旗河、者灣河、中河等比較大的入湖河流,入湖河流攜帶大量由面源污染產(chǎn)生的污染物進入湖體中,同時,在杞麓湖西南岸自云龍村至二街村有15 km堤岸被修建為硬質(zhì)人工堤岸,使該區(qū)域湖濱帶遭到破壞,降低了其對污染物的降解,致使各種污染物直接進入湖體,并在底質(zhì)中長期積累,這就造成了杞麓湖周邊尤其是西南區(qū)域的全氮濃度高于其他區(qū)域。

      冬季大部分區(qū)域底質(zhì)及水體中的總氮濃度高于夏季。這是由于冬季正值云南旱災比較嚴重的時期,湖泊基本無外來水源補給,使得總氮平均濃度增加。夏季由于水溫的升高,湖體內(nèi)物理、化學和生物的交換加速,導致底質(zhì)中氮向上覆水體釋放;此外,7月為水生植物的生長期,在杞麓湖內(nèi)沉水植物尤其是篦齒眼子菜占絕對優(yōu)勢,沉水植物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)主要從底泥中獲得,但是當水體中的氮濃度超過0.1 mg/L時,沉水植物會優(yōu)先利用水體中的氮[15],杞麓湖水體中總氮濃度達到了劣Ⅴ類水標準,因此,夏季沉水植物對底質(zhì)及水體中氮的吸收以及7月云南降雨的正?;瘜λw氮的稀釋,造成了夏季底質(zhì)及水體中的總氮濃度低于冬季的現(xiàn)象。但是杞麓湖整體總氮濃度仍處于較高水平。

      圖2 杞麓湖水體及表層底質(zhì)總氮時空分布Fig.2 Spatiotemporal variations of TN in water and the wurface sediments of Qiluhu Lake

      2.2.2 總磷

      杞麓湖表層底質(zhì)中總磷濃度很高,冬季為920.79~1313.43 mg/kg,平均值為1099.92 mg/kg;夏季為860.00~1120.00 mg/kg,平均值為1029.80 mg/kg(圖3)。冬季和夏季總磷濃度的分布趨勢大致相同,總體呈現(xiàn)由西南向東北遞增的趨勢。這樣的分布特征可能與湖體內(nèi)不同時期水生植物及浮游植物的生物量及其分布有關(guān)。而在上覆水體中,冬季總磷濃度遠低于夏季,且總磷濃度空間變化較小。這是由于夏季水溫升高,一定范圍的高溫有利于表層底質(zhì)氮磷向上覆水體釋放。此外,夏季沉水植物處于生長期,大量吸收底泥中的磷,但是對于水體中磷的吸收卻有一定的條件限制,只有當水體中的磷濃度與底泥中的磷濃度之比達到一定數(shù)值時,沉水植物才會吸收水體中的磷[16-17]。因此沉水植物對底質(zhì)磷的吸收以及底質(zhì)磷的釋放,造成了杞麓湖夏季底質(zhì)中磷濃度低于冬季,但是由于沉水植物對水體中磷吸收的限制條件以及底質(zhì)磷向上覆水體的釋放,致使夏季上覆水體中總磷濃度遠高于冬季。杞麓湖為淺水湖泊,水動力條件差,水體混合均勻,因此上覆水體中總磷濃度的空間差異性較小。

      不同形態(tài)的磷在湖泊底質(zhì)中具有不同的意義。對各形態(tài)的磷進行調(diào)查可知,冬季總磷中無機磷濃度稍高于有機磷,無機磷濃度為457.29~673.27 mg/kg,在總磷中所占比例為49.66%~64.53%;有機磷濃度為335.27~640.17 mg/kg,在總磷中所占比例為35.47%~50.34%。夏季無機磷在總磷中所占比例較大,無機磷濃度為545.00~835.00 mg/kg,在總磷中所占比例為63.37%~74.63%;而有機磷濃度為283.81~345 mg/kg,在總磷中所占比例為30.10%~36.63%。

      圖3 杞麓湖水體和底質(zhì)總磷濃度的時空分布Fig.3 Spatiotemporal variations of TP in Qiluhu Lake

      杞麓湖內(nèi)無機磷和有機磷濃度的變化趨勢均與總磷保持一致,總體呈現(xiàn)由西南向東北遞增的趨勢。冬季無機磷的濃度低于夏季,而有機磷與之相反。有機磷主要來源于陸源輸入和食物鏈等生物過程,不易直接被藻類等水生植物吸收,只能通過微生物礦化降解后,分解為活性可溶性磷進入到水體參與生物循環(huán)[18-19]。因此,沉積的活性有機磷組分是富營養(yǎng)化湖泊磷釋放的主要原因[20-21]。夏季水溫升高,使底棲生物的活性增強,加大了生物的干擾程度,使表層底質(zhì)中有機磷大量轉(zhuǎn)化為無機磷并釋放,致使夏季表層底質(zhì)中有機磷濃度低于冬季,而上覆水體中總磷濃度卻遠高于冬季。

      無機磷中各形態(tài)磷的濃度由高到低依次是Ca-P>Fe/Al-P>NH4Cl-P(圖4)。

      圖4 表層底質(zhì)各形態(tài)無機磷時空分布Fig.4 Spatiotemporal distribution of phosphorus fractions

      由圖4可見,三種無機磷中Ca-P濃度最高,冬季Ca-P的濃度為95.24~497.62 mg/kg,在總磷中所占比例為8.00%~52.37%。夏季Ca-P濃度為364.29~537.50 mg/kg,在總磷中所占比例為40.60%~49.31%,最大值出現(xiàn)在東部湖灣(Q3)。Ca-P易受pH的影響[22],在弱酸性條件下,Ca-P會有少量的釋放[23]。杞麓湖水體偏堿性,冬夏季pH均值為9.69。堿性的水環(huán)境使底質(zhì)中的Ca-P很難向上覆水體中釋放,導致Ca-P成為杞麓湖底質(zhì)中無機磷的主要形態(tài)。

      杞麓湖底質(zhì)中Fe/Al-P濃度低于Ca-P,冬季Fe/Al-P濃度為66.50~192.50 mg/kg,在總磷中所占比例為7.22%~16.31%,最大值出現(xiàn)在王家營(Q5)。夏季Fe/Al-P濃度為106.67~250.00 mg/kg,在總磷中所占比例為12.40%~22.35%,最大值出現(xiàn)在湖管站(Q6)。Fe/Al-P濃度易隨水體中氧化還原條件的變化而變化,當水環(huán)境的氧化還原電位降低時,底質(zhì)中的Fe/Al-P就可能由于鐵的還原溶解而釋放到上覆水中,提高了上覆水中磷的負荷[14]。

      NH4Cl-P是松散吸附的磷,在環(huán)境條件發(fā)生變化時,NH4Cl-P能夠迅速地向上覆水中釋放,并被生物吸收利用[24-25]。在杞麓湖水體中,冬季NH4Cl-P濃度為7.35~23.04 mg/kg,在總磷中所占比例為0.62%~1.38%,最大值出現(xiàn)在湖管站。夏季NH4Cl-P濃度為2.00~19.50 mg/kg,在總磷中所占比例為0.18%~1.89%,最大值出現(xiàn)在六街村。冬季與夏季相比,底質(zhì)中松散結(jié)合態(tài)磷濃度較高,這與其弱吸附性有很大關(guān)系,夏季水溫升高,水體環(huán)境發(fā)生變化,使NH4Cl-P向上覆水體中釋放并被生物吸收利用。

      2.2.3 有機質(zhì)

      有機質(zhì)在底質(zhì)中具有重要作用,它可以通過礦化作用大量耗氧,同時釋放碳、氨、磷等,造成水體富營養(yǎng)化[26-27]。有機質(zhì)是底質(zhì)中極為重要的自然膠體之一,可以通過吸附、分配、絡(luò)合作用對重金屬、有機物的生態(tài)毒性和環(huán)境遷移起決定作用[28]。杞麓湖表層底質(zhì)有機質(zhì)非常豐富,在冬季有機質(zhì)濃度為69.77~102.68 g/kg,平均值為87.91 g/kg;夏季有機質(zhì)濃度為68.35~105.53 g/kg,平均值為93.5 g/kg,呈現(xiàn)出由湖周向湖心逐漸降低的趨勢(圖5)。

      2.2.4 杞麓湖與云南其他湖泊差異性比較

      將杞麓湖表層底質(zhì)中總氮、總磷和有機質(zhì)濃度與云南其他高原湖泊相比較,結(jié)果見圖6。由圖6可知,杞麓湖總氮和有機質(zhì)濃度在云南省其他湖泊中處于較高的水平,而總磷濃度偏高則是云南省所有湖泊共同的特點。因此杞麓湖底質(zhì)營養(yǎng)鹽濃度的控制刻不容緩。

      2.3 底質(zhì)污染狀況評價

      2.3.1 評價方法及標準

      采用有機指數(shù)法和有機氮評價方法,對杞麓湖表層底質(zhì)污染狀況進行評價。有機指數(shù)通常用作水體底質(zhì)環(huán)境狀況的指標,有機氮常用來衡量湖泊表層底質(zhì)有否遭受氮污染的重要指標[29-30],計算方法:Iorg=OC×ON。式中,Iorg為有機指數(shù);ON為有機氮濃度,%;OC為有機碳濃度,%,OC=OM/1.724,OM為有機質(zhì)濃度。評價標準見表2。

      2.3.2 評價結(jié)果

      根據(jù)有機指數(shù)和有機氮評價標準,杞麓湖各采樣點的表層底質(zhì)評價結(jié)果見表3。由表3可以看出,杞麓湖各采樣點有機指數(shù)較高,冬季平均值為2.247,夏季平均值為1.900,全湖都處于嚴重污染狀態(tài)。有機氮的評價結(jié)果顯示,杞麓湖整個湖體有機氮污染嚴重,冬季平均值為0.430,夏季平均值為0.341。冬季污染較夏季嚴重。整個湖區(qū)內(nèi)西部湖灣污染最嚴重。

      底質(zhì)中的C/N在某種程度上可以反映出營養(yǎng)鹽主要來源,不同來源的有機質(zhì)中C/N具有明顯的差異。高等植物的 C/N為14~23,水生生物為218~314,浮游動物與浮游植物為6~13,藻類為5~14[7]。杞麓湖冬季底質(zhì)中 C/N 為9~13.76,平均值為11.52,表明冬季杞麓湖有機質(zhì)主要來自于浮游動物和浮游植物;夏季底質(zhì)中C/N為13.73~16.44,平均值為15.26,表明夏季杞麓湖有機質(zhì)部分來源于藻類,其余主要來自于高等植物;這與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。冬季杞麓湖內(nèi)高等植物分布較少,而到夏季水生植物大量生長,主要分布在杞麓湖西部及南部湖區(qū),其他區(qū)域呈塊狀分布。

      表2 底質(zhì)有機指數(shù)及有機氮評價標準Table 2 Sediment evaluation standards by organic index and organic nitrogen index

      表3 杞麓湖底質(zhì)營養(yǎng)程度評價結(jié)果Table 3 Evaluation results of surface sediments in Qiluhu Lake by the sediment evaluation standards

      底質(zhì)中氮磷濃度及比值通常為水中氮磷聚積、沉積及底質(zhì)溶出、釋放兩種動態(tài)過程的綜合反映,從某種程度上反映了湖泊的富營養(yǎng)狀態(tài)[31]。杞麓湖冬季表層底質(zhì)中 N/P平均值為4.24,最高值為6.67,位于西部湖灣,其次為湖管站;夏季表層底質(zhì)中N/P平均值為3.54,最高值為4.37,位于西部湖灣。這說明杞麓湖西南區(qū)域水體富營養(yǎng)化程度較其他區(qū)域嚴重。

      3 結(jié)論

      (1)杞麓湖底質(zhì)和上覆水體總氮濃度表現(xiàn)出湖周高,湖心低,且西南比東北高的分布特征。冬季大部分區(qū)域底質(zhì)及水體中的總氮濃度高于夏季,這與杞麓湖內(nèi)沉水植物的生物量及其分布有密切關(guān)系。

      (2)杞麓湖表層底質(zhì)中總磷濃度很高,冬季和夏季總磷的分布趨勢大致相同,總體呈現(xiàn)出由西南向東北遞增的趨勢。冬季杞麓湖底質(zhì)中總磷濃度高于夏季,而水體中總磷濃度遠低于夏季。這與底質(zhì)向水體的釋放以及沉水植物和浮游植物的生物量及其分布有關(guān)。底質(zhì)中無機磷濃度稍高于有機磷,無機磷及有機磷的變化趨勢與總磷保持一致。冬季無機磷濃度低于夏季,而有機磷與之相反。無機磷中各形態(tài)磷濃度由高到低依次是Ca-P>Fe/Al-P>NH4Cl-P。

      (3)杞麓湖表層底質(zhì)有機質(zhì)非常豐富,呈現(xiàn)出由湖周向湖心逐漸降低的趨勢。

      (4)與云南其他高原湖泊相比較,杞麓湖總氮和有機質(zhì)濃度在云南省其他湖泊中處于較高的水平,杞麓湖底質(zhì)營養(yǎng)鹽濃度的控制刻不容緩。

      (5)有機指數(shù)和有機氮評價結(jié)果顯示,杞麓湖各采樣點有機指數(shù)較高,全湖都處于嚴重污染狀態(tài),且整個湖體有機氮污染嚴重,西部湖灣為污染最嚴重的區(qū)域。

      (6)底質(zhì)中的C/N表明,冬季杞麓湖有機質(zhì)主要來自于浮游動物和浮游植物,夏季有機質(zhì)部分來源于藻類,其余主要來自于高等植物。N/P表明,杞麓湖西南區(qū)域水體富營養(yǎng)化程度較其他區(qū)域嚴重。

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