陽(yáng)澄湖沉積物中氮、磷及有機(jī)質(zhì)空間分布特征與污染評(píng)價(jià)

王欣，陳欣瑤，鄒云，陳界江，李鳳彩

(蘇州工業(yè)園區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 蘇州 215027)

近年來(lái)，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題已成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)關(guān)注的水環(huán)境問題之一[1-2]，氮(N)、磷(P)等元素的增加是湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素[1, 3]，而中國(guó)東部淺水湖泊沉積物中N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽含量高且差異較大[4]。沉積物能夠反映水體區(qū)域環(huán)境變遷和水體類型，是生源要素特別是N、P、碳(C)的重要蓄積庫(kù)，對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化和湖泊營(yíng)養(yǎng)元素內(nèi)部循環(huán)具有重要意義，能間接體現(xiàn)河流受污染程度和水體區(qū)域環(huán)境變化[5-6]。因而研究淺水湖泊沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的含量及分布特征，并對(duì)其開展污染評(píng)價(jià)，有利于初步了解湖泊污染現(xiàn)狀，為湖泊沉積物污染控制和水生態(tài)系統(tǒng)健康保障及受污染水體的改善提供理論支撐[5, 7]。

陽(yáng)澄湖位于蘇州市區(qū)東北方向，作為蘇州市戰(zhàn)略性水源地與大閘蟹養(yǎng)殖基地，其水質(zhì)安全對(duì)周邊社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的意義[1]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)陽(yáng)澄湖浮游植物、底棲動(dòng)物的研究報(bào)道較多[8-12]，對(duì)N、P、C污染狀況與分布特征的研究報(bào)道尚不多見[1]?，F(xiàn)對(duì)陽(yáng)澄湖沉積物樣品中總磷(TP)、總氮(TN)、有機(jī)質(zhì)(OM)的空間分布特征及污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為闡明陽(yáng)澄湖內(nèi)源污染提供理論支持，為污染治理提供思路。

1 研究方法

1.1 點(diǎn)位布設(shè)

采取網(wǎng)格布點(diǎn)法布設(shè)沉積物采樣點(diǎn)位，網(wǎng)格間距為1.2 km，綜合考慮陽(yáng)澄湖湖體形態(tài)，在全湖劃定東湖南、東湖北、中湖南、中湖北、西湖南及西湖北6個(gè)分區(qū)，共布設(shè)63個(gè)沉積物采樣點(diǎn)位，點(diǎn)位分布及編號(hào)見圖1。其中1—12為東湖南樣點(diǎn)；13—22為東湖北樣點(diǎn)，23—25、35—41為中湖南樣點(diǎn)，26—34、63為中湖北樣點(diǎn)，42—53為西湖南樣點(diǎn)，54—62為西湖北樣點(diǎn)。

圖1 陽(yáng)澄湖沉積物采樣點(diǎn)位分布

1.2 采樣時(shí)間

2020年2月。

1.3 樣品采集、制備與分析

使用Ekman-Birge采泥器采集點(diǎn)位垂直正下方的表層5 cm沉積物樣品1～2 kg，瀝干水分后密封于聚乙烯自封袋中，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。采集的樣品經(jīng)風(fēng)干、去雜物、研磨后，過100目土壤篩，混勻裝入磨口瓶密閉保存，待測(cè)備用。分別采用《土壤 總磷的測(cè)定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)、堿性過硫酸鉀消解百里酚光度法[13]和《土壤檢測(cè) 第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》(NY/T 1121.6—2006)分析測(cè)定沉積物中TP、TN和OM質(zhì)量比。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 綜合污染指數(shù)法

采用綜合污染指數(shù)(FF)評(píng)價(jià)表層沉積物TN、TP污染程度。根據(jù)相關(guān)研究[4, 14-16]的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合污染程度分級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。單項(xiàng)污染指數(shù)和FF計(jì)算公式如下：

表1 沉積物綜合污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Sj=Cj/Cs

(1)

(2)

式中：Sj——因子j單項(xiàng)污染指數(shù)；Cj——評(píng)價(jià)因子j實(shí)測(cè)值；Cs——評(píng)價(jià)因子j評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，TN、TP的Cs分別取1 000，420 mg/kg[14-17]；FF——綜合污染指數(shù)；F——n項(xiàng)污染指數(shù)均值；Fmax——最大單項(xiàng)污染指數(shù)。

1.4.2 有機(jī)污染指數(shù)法

有機(jī)污染指數(shù)(OI)通常被用來(lái)評(píng)價(jià)湖庫(kù)沉積物的營(yíng)養(yǎng)狀況，該方法在FF指數(shù)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充考慮OM指標(biāo)，進(jìn)一步完善對(duì)湖泊沉積物污染現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)[16, 18-20]。OI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2，計(jì)算公式如下：

表2 沉積物OI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

OI=OC×ON

(3)

OC=OM/1.724

(4)

ON=TN×0.95

(5)

式中：OI——有機(jī)污染指數(shù)；OC——有機(jī)碳含量，%；ON——有機(jī)氮含量，%；OM——有機(jī)質(zhì)含量，%；TN——總氮含量，%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，用Origin 2017進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 TN、TP、OM質(zhì)量比及空間分布特征

湖區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉積物中ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖2(a)(b)(c)。由圖2可見，沉積物中ω(TN)為183～6 251 mg/kg，均值為1 102 mg/kg，變異系數(shù)為80.4%(>20%)，變異系數(shù)是反映各個(gè)樣點(diǎn)間的平均變異程度參數(shù)[1]，故ω(TN)在空間分布上具有高差異性。6個(gè)湖區(qū)ω(TN)均值為：東湖南(2 037 mg/kg)>西湖北(1 353 mg/kg)>西湖南(1 112 mg/kg)>東湖北(733 mg/kg)>中湖南(676 mg/kg)>中湖北(541 mg/kg)；各湖區(qū)ω(TN)的變異系數(shù)為：東湖南>東湖北>中湖南>中湖北>西湖南>西湖北，變異系數(shù)均>20%，說明各分區(qū)沉積物ω(TN)均具有一定的空間差異性。

圖2 湖區(qū)沉積物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位TN、TP和OM質(zhì)量比

ω(TP)為587～1 494 mg/kg，均值為822 mg/kg，變異系數(shù)為20.9%，即全湖沉積物中ω(TP)在空間分布上具有一定的差異性。各湖區(qū)ω(TP)均值為：西湖南(889 mg/kg)>西湖北(882 mg/kg)>中湖北(859 mg/kg)>中湖南(810 mg/kg)>東湖北(771 mg/kg)>東湖南(725 mg/kg)，整體趨勢(shì)為自東湖向中湖、西湖逐漸增加；而ω(TP)變異系數(shù)>20%的區(qū)域僅有西湖南、西湖北，說明西湖沉積物中ω(TP)的空間分布具有一定的差異性，東湖、中湖ω(TP)的空間分布差異性不大。

ω(OM)為8.5～89.9 g/kg，均值為32.8 g/kg，變異系數(shù)為50.5%，空間分布整體上存在較高差異性。各湖區(qū)ω(OM)均值為：東湖南(50.7 g/kg)>東湖北(36.0 g/kg)>中湖南(30.5 g/kg)>西湖北(29.8 g/kg)>中湖北(27.6 g/kg)>西湖南(20.6 g/kg)，整體趨勢(shì)為自東湖向中湖、西湖減少；各湖區(qū)ω(OM)的變異系數(shù)為：中湖南>東湖北>西湖南>東湖南>西湖北>中湖北。

2.2 ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)相關(guān)性分析

對(duì)沉積物中ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明：ω(TP)和ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)的相關(guān)性不大(p>0.05)，ω(TN)和ω(OM)存在顯著性正相關(guān)(r=0.373，p<0.01)。由此可知，沉積物中OM的富集可能是湖體中N鹽的重要來(lái)源，而對(duì)P影響不大[16]。

2.3 污染指數(shù)評(píng)價(jià)

2.3.1 FF指數(shù)

各湖區(qū)沉積物STN、STP和FF指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。全湖沉積物STN、STP分別為1.10，1.96，處于2級(jí)(輕度污染)、4級(jí)(重度污染)水平；全湖FF為1.22～5.19，均值為1.84，綜合污染水平為3級(jí)(中度污染)。各湖區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉積物FF評(píng)價(jià)等級(jí)占比見圖3，其中全湖所布監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中為中度、重度污染的點(diǎn)位占比分別為50.8%，25.4%。

表3 湖區(qū)沉積物STN、STP、FF指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 湖區(qū)沉積物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位FF等級(jí)占比分布

由表3可見，各湖區(qū)沉積物中STN差異較大，東湖南TN為4級(jí)(重度)污染，西湖南、西湖北TN分別為2級(jí)(輕度污染)、3級(jí)(中度污染)水平，其余湖區(qū)均屬1級(jí)(清潔)； STP評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，各湖區(qū)TP均處4級(jí)(重度污染)水平，污染程度整體表現(xiàn)為：西湖>中湖>東湖。FF指數(shù)大小排序?yàn)椋簴|湖南>西湖北>西湖南>中湖北>中湖南>東湖北，其中東湖南的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中屬重度污染的比例最高，達(dá)到50.0%。此外，由于東湖FF指數(shù)在南北方向上差異性較大，且沉積物中TN的空間差異性最大(圖2)，間接說明了TN污染對(duì)東湖南FF指數(shù)的貢獻(xiàn)更大。

2.3.2 OI指數(shù)

通過OI指數(shù)法對(duì)陽(yáng)澄湖沉積物有機(jī)污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。各湖區(qū)沉積物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位OI等級(jí)占比見圖4。湖體沉積物OI為0.01～1.52，均值為0.23，對(duì)照表2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，屬尚清潔，其中尚清潔、有機(jī)污染的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位比例分別為17.5%，11.1%。

表4 湖區(qū)沉積物OI指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖4 湖區(qū)沉積物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位OI等級(jí)占比分布

各湖區(qū)OI指數(shù)均值為：東湖南>西湖北>東湖北>西湖南>中湖南>中湖北，其中東湖南的OI指數(shù)均值遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，屬有機(jī)污染區(qū)。東湖南OI指數(shù)為0.07～1.52，均值為0.57，其中75.0%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位屬Ⅲ—Ⅳ級(jí)(尚清潔—有機(jī)污染)；西湖北有機(jī)污染指數(shù)為0.15～0.35，均值為0.22，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均屬Ⅱ—Ⅲ級(jí)(較清潔—尚清潔)；東湖北、中湖南、中湖北及西湖南4個(gè)湖區(qū)均屬Ⅱ級(jí)(較清潔)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中達(dá)到有機(jī)污染程度的比例均低于10%(圖4)。

3 討論

3.1 ω(TN)、ω(TP)及ω(OM)

沉積物中ω(TN)、ω(TP)及ω(OM)能在一定程度上反映湖泊污染水平。本研究的陽(yáng)澄湖沉積物中ω(TN)、ω(TP)波動(dòng)范圍與2015年5月蔣豫等[15]研究結(jié)果相似，但ω(TN)、ω(TP)平均值均低于該研究，這可能與近年來(lái)各級(jí)政府對(duì)陽(yáng)澄湖湖體與入湖河道進(jìn)行持續(xù)管控有關(guān)，2013—2020年隨著蘇州市陽(yáng)澄湖生態(tài)優(yōu)化行動(dòng)的實(shí)施，相繼關(guān)閉了上游區(qū)域內(nèi)近100家印染企業(yè)，對(duì)區(qū)域內(nèi)紡織、制藥及食品加工等行業(yè)進(jìn)行了清潔化技術(shù)改造，從源頭上削減污染物的產(chǎn)生和排放。

ω(TP)總體表現(xiàn)為從西湖向中湖、東湖逐漸降低的趨勢(shì)，與蔣豫等[15]研究結(jié)果一致。由于入湖河道多分布在西湖區(qū)域，且入湖河道附近城鎮(zhèn)化程度高，人口密度較大，農(nóng)田及工業(yè)分布較多，入湖過程可能會(huì)攜帶部分城市污水和未被植物吸收利用的農(nóng)田肥料至西湖而引入P鹽，而水體中的懸浮顆粒物會(huì)快速吸附并沉降P鹽至沉積物，導(dǎo)致西湖沉積物ω(TP)偏高[1]。東湖分布水生植被較多，在生長(zhǎng)旺季對(duì)生物可利用P需求較大[1]，間接促使東湖沉積物ω(TP)低于西湖、中湖。

ω(TN)表現(xiàn)為東湖南明顯高于其他區(qū)域，ω(OM)整體表現(xiàn)為東湖高于中湖、西湖，這可能是由于東湖尤其是東湖南區(qū)域，圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積較大，且主要為密集型養(yǎng)殖類型，圍網(wǎng)區(qū)未食的餌料和魚、蟹等排泄物的沉積顯著增加了底泥中ω(OM)，導(dǎo)致底泥理化性質(zhì)改變，使得東湖尤其是東湖南區(qū)域的TN負(fù)荷量超過該水域總?cè)萘縖1, 15, 21]。此外，研究結(jié)果顯示，ω(TN)與ω(OM)顯著正相關(guān)，進(jìn)一步印證了TN和OM的沉積具有很高的協(xié)同性，二者均主要通過水生植物殘?bào)w的沉積過程進(jìn)入底泥并協(xié)同富集[19, 22-24]。

3.2 FF及OI指數(shù)

本研究的沉積物FF指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果低于蔣豫等[15]研究，其中東湖南綜合污染程度最高；OI指數(shù)雖低于郭西亞等[1]研究(OI為0.17～8.20)，但OI指數(shù)最高值都出現(xiàn)在東湖南區(qū)。景明等[8]從浮游植物群落結(jié)構(gòu)的角度說明了東湖南與其他點(diǎn)位具有較大差異性。6個(gè)湖區(qū)中，東湖南的FF指數(shù)與OI指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)均為最高，該區(qū)FF指數(shù)最高的主要原因是其STN、STP均較高且STN遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)，而底泥TN最大釋放量與湖泊污染程度呈正相關(guān)[25]，因此東湖南綜合污染程度遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)；而對(duì)于OI指數(shù)，東湖南有75.0%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位屬Ⅲ—Ⅳ級(jí)(尚清潔—有機(jī)污染)，該比例遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)，其有機(jī)污染等級(jí)較高與該區(qū)TN負(fù)荷過大、ω(OM)偏高緊密相關(guān)。

4 結(jié)論與建議

(1)ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)均值分別為1 102，822 mg/kg和32.8 g/kg，全湖STN、STP、FF和OI評(píng)價(jià)結(jié)果分別為2級(jí)(輕度污染)、4級(jí)(重度污染)、3級(jí)(中度污染)和Ⅲ級(jí)(尚清潔)。

(2)ω(TP)的空間分布總體為從西湖向中湖、東湖逐漸降低的趨勢(shì)，ω(TN)、ω(OM)的空間分布與ω(TP)相反，其中東湖南沉積物中ω(TN)、ω(OM)均明顯高于其他湖區(qū)。

(3)相關(guān)性分析表明，ω(TN)與ω(OM)顯著正相關(guān)(r=0.373，p<0.01)，沉積物中OM的富集可能是湖體中N鹽的重要來(lái)源，而對(duì)P影響不大。

(4)FF和OI指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，全湖6個(gè)湖區(qū)的沉積物中TP均為重度污染，而TN僅在東湖南為重度污染；因東湖南水生植物生長(zhǎng)茂盛，且存在密集型養(yǎng)殖區(qū)域，是該區(qū)域TN高于其他湖區(qū)的主要原因，促使東湖南沉積物的綜合污染等級(jí)(重度污染)、有機(jī)污染等級(jí)(有機(jī)污染)均高于其他湖區(qū)。

(5) 陽(yáng)澄湖全湖沉積物TP處于重度污染水平，東湖南的TN富集、OM含量過?，F(xiàn)象顯著，因此，建議加強(qiáng)陽(yáng)澄湖周邊工業(yè)企業(yè)整治，嚴(yán)格控制入湖河道工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排放，集中對(duì)入湖河流、排污口進(jìn)行疏浚治理，從而削減陽(yáng)澄湖沉積物的N、P、C等營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷，從源頭減輕陽(yáng)澄湖的內(nèi)源污染水平。