杞麓湖表层底质营养盐的时空分布特征及评价

吴献花，秦洁，吴斌，赵斌，王泉，郭红

玉溪师范学院玉溪高原湖泊生态环境研究中心，云南 玉溪 653100

氮磷是生命体的重要组成元素，也是引起水体污染、水体富营养化的主要因素［1］。湖泊水体氮磷的来源包括外源输入及内源释放。对于浅水湖泊来说，当外源输入得到控制后，内源释放对水环境的影响显得尤为重要［2-3］。湖泊底质与上覆水体之间不断进行着物理、化学和生物的交换，因此底质作为湖泊水环境中营养盐的重要源与汇，在其生物地球化学循环中具有非常重要的意义［4］。湖泊底质的性质不仅可以在一定程度上反映湖泊生物的生产力水平，而且可以间接地反映该水域水体的污染状况［5］。

2009年开始云南发生了罕见的秋冬春连旱现象［6］，干旱使湖泊流域内入湖河流干涸，流域内降水量少。干旱持续时间较长，直至2010年雨季才得以缓解。据彭贵芬等［7］研究，随着全球的不断变暖，云南干旱发生频率将会呈增多、增强、增长的趋势。而云南的湖泊大多数分布在高原山岭地带，湖面海拔达1500 m以上，降雨及入湖河流是湖泊的重要补给源。旱灾期间云南高原湖泊失去了重要的补给来源，在湖体营养物质循环过程中，内源释放成为湖体内营养物质的主要来源。杞麓湖是云南省九大高原湖泊之一，目前对于杞麓湖底质方面的研究报道较少［8-9］。笔者以杞麓湖为研究对象，研究旱灾前后杞麓湖表层底质及水体营养盐各形态分布及差异性，一方面了解高原湖泊内源释放对湖泊水体的影响，另一方面了解旱灾前后湖泊污染状况的变化，以期为杞麓湖及其他高原湖泊的富营养化治理和合理开发提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

杞麓湖(102°33'48″E ～102°52'36″E，24°4'36″N～24°14'2″N)属珠江流域西江水系，是上新世末以后的新构造运动中断块差异升降运动中形成的湖泊，湖盆呈现一定程度的悬湖状态。湖泊无明显出流口，为一天然封闭型高原湖泊，水源主要靠大气降水补给。湖体东西长约10.4 km，南北平均宽约3.5 km，岸线长32 km。在正常蓄水位1797.25 m时，湖面面积37.26 km2，最大水深6.8 m，平均水深4 m，湖泊容积1.676亿m3。杞麓湖流域属中亚热带湿润凉冬高原季风气候，年平均降水量为887 mm，有雨旱两季之分［10］。周围有红旗河、大新河、者湾河等十多条季节性入湖河流。杞麓湖具有工农业用水、调蓄、防洪、航运、旅游、水产养殖等功能，是通海县的母亲湖。

1.2 样品采集

于2009年11月(冬季)及2010年7月(夏季)先后两次对杞麓湖实施现场观测和样品采集。全湖共设置六个采样点:西部湖湾(Q1)、六街村(Q2)、东部湖湾(Q3)、湖心(Q4)、王家营(Q5)、湖管站(Q6)。杞麓湖流域主要入湖河流及采样点设置见图1。

图1 杞麓湖采样点设置Fig.1 Distribution of sampling sites in Qiluhu Lake

上覆水体采集:用分层采样器于水面下0.5 m处采集水样。水温、透明度(SD)、pH等参数现场测定。水样采集后放入保温箱中低温避光保存，运回实验室后，立即进行处理。

底质采集:用彼得森采样器在各采样点采集10 cm的表层底质，为确保所取样品具有代表性，各采样点均取3个平行样品，并混合均匀。样品采集后冷藏保存带回实验室处理。

1.3 监测方法

水体中总氮、总磷的形态分析参照《水和废水监测分析方法》第4版［11］，总氮浓度采用过硫酸钾消解分光光度法测定，总磷浓度采用碱性过硫酸钾消解-钼锑钪光度法测定。

底质全氮浓度采用凯氏定氮法测定，有机质浓度采用重铬酸钾容量法测定，底质中的磷浓度用欧洲标准测量和测试方法(SMT法)测定［12-13］，弱吸附态磷(NH4Cl-P)参照文献［14］中的方法提取。

1.4 数据统计和分析

数据处理采用Excel2003和SPSS软件处理。

2 结果与讨论

2.1 杞麓湖上覆水体的环境因子

湖泊污染物的内源释放与环境因子有着密切的关系。从表1可以看出，冬季水体温度较低，平均为16.3℃，而夏季水温较高，平均为23.9℃，整体趋势呈边缘区低，湖心高的特征。透明度冬季与夏季相比较高，最高达到55 cm。杞麓湖pH较高，整体呈碱性，时空差异性较小，平均为9.7左右。DO浓度时空差异性较大，冬季约为夏季的3倍。

表1 杞麓湖环境因子变化Table 1 Variation of environmental factors in Qiluhu Lake

2.2 表层底质营养盐的分布特征

2.2.1 总氮

对杞麓湖表层底质全氮浓度分布进行分析(图2)，结果表明，杞麓湖冬季底质中全氮浓度为3308.59～6309.41 mg/kg，最大值位于西部湖湾，呈现从西南向东北逐渐递减的趋势;夏季底质中全氮浓度为2412.05～4376.23 mg/kg，最大值位于六街村，呈现从湖周向湖心递减的趋势。上覆水体中总氮浓度显示，杞麓湖在冬季与夏季均处于劣Ⅴ类水质(GB 3838—2002)，冬季表现出由湖周向湖心递减的趋势，而夏季表现出从西南向东北递减的趋势。

综合冬季和夏季上覆水体和底质总氮的分布可知，杞麓湖底质和上覆水体总氮浓度表现出湖周高，湖心低，且西南比东北高的分布特征。这是由于杞麓湖流域农业和养殖业非常发达，在湖四周分布有密集的农田、村落，且在湖泊西南区域，分布有红旗河、者湾河、中河等比较大的入湖河流，入湖河流携带大量由面源污染产生的污染物进入湖体中，同时，在杞麓湖西南岸自云龙村至二街村有15 km堤岸被修建为硬质人工堤岸，使该区域湖滨带遭到破坏，降低了其对污染物的降解，致使各种污染物直接进入湖体，并在底质中长期积累，这就造成了杞麓湖周边尤其是西南区域的全氮浓度高于其他区域。

冬季大部分区域底质及水体中的总氮浓度高于夏季。这是由于冬季正值云南旱灾比较严重的时期，湖泊基本无外来水源补给，使得总氮平均浓度增加。夏季由于水温的升高，湖体内物理、化学和生物的交换加速，导致底质中氮向上覆水体释放;此外，7月为水生植物的生长期，在杞麓湖内沉水植物尤其是篦齿眼子菜占绝对优势，沉水植物生长所需要的营养物质主要从底泥中获得，但是当水体中的氮浓度超过0.1 mg/L时，沉水植物会优先利用水体中的氮［15］，杞麓湖水体中总氮浓度达到了劣Ⅴ类水标准，因此，夏季沉水植物对底质及水体中氮的吸收以及7月云南降雨的正常化对水体氮的稀释，造成了夏季底质及水体中的总氮浓度低于冬季的现象。但是杞麓湖整体总氮浓度仍处于较高水平。

图2 杞麓湖水体及表层底质总氮时空分布Fig.2 Spatiotemporal variations of TN in water and the wurface sediments of Qiluhu Lake

2.2.2 总磷

杞麓湖表层底质中总磷浓度很高，冬季为920.79～1313.43 mg/kg，平均值为1099.92 mg/kg;夏季为860.00～1120.00 mg/kg，平均值为1029.80 mg/kg(图3)。冬季和夏季总磷浓度的分布趋势大致相同，总体呈现由西南向东北递增的趋势。这样的分布特征可能与湖体内不同时期水生植物及浮游植物的生物量及其分布有关。而在上覆水体中，冬季总磷浓度远低于夏季，且总磷浓度空间变化较小。这是由于夏季水温升高，一定范围的高温有利于表层底质氮磷向上覆水体释放。此外，夏季沉水植物处于生长期，大量吸收底泥中的磷，但是对于水体中磷的吸收却有一定的条件限制，只有当水体中的磷浓度与底泥中的磷浓度之比达到一定数值时，沉水植物才会吸收水体中的磷［16-17］。因此沉水植物对底质磷的吸收以及底质磷的释放，造成了杞麓湖夏季底质中磷浓度低于冬季，但是由于沉水植物对水体中磷吸收的限制条件以及底质磷向上覆水体的释放，致使夏季上覆水体中总磷浓度远高于冬季。杞麓湖为浅水湖泊，水动力条件差，水体混合均匀，因此上覆水体中总磷浓度的空间差异性较小。

不同形态的磷在湖泊底质中具有不同的意义。对各形态的磷进行调查可知，冬季总磷中无机磷浓度稍高于有机磷，无机磷浓度为457.29～673.27 mg/kg，在总磷中所占比例为49.66%～64.53%;有机磷浓度为335.27～640.17 mg/kg，在总磷中所占比例为35.47%～50.34%。夏季无机磷在总磷中所占比例较大，无机磷浓度为545.00～835.00 mg/kg，在总磷中所占比例为63.37%～74.63%;而有机磷浓度为283.81～345 mg/kg，在总磷中所占比例为30.10%～36.63%。

图3 杞麓湖水体和底质总磷浓度的时空分布Fig.3 Spatiotemporal variations of TP in Qiluhu Lake

杞麓湖内无机磷和有机磷浓度的变化趋势均与总磷保持一致，总体呈现由西南向东北递增的趋势。冬季无机磷的浓度低于夏季，而有机磷与之相反。有机磷主要来源于陆源输入和食物链等生物过程，不易直接被藻类等水生植物吸收，只能通过微生物矿化降解后，分解为活性可溶性磷进入到水体参与生物循环［18-19］。因此，沉积的活性有机磷组分是富营养化湖泊磷释放的主要原因［20-21］。夏季水温升高，使底栖生物的活性增强，加大了生物的干扰程度，使表层底质中有机磷大量转化为无机磷并释放，致使夏季表层底质中有机磷浓度低于冬季，而上覆水体中总磷浓度却远高于冬季。

无机磷中各形态磷的浓度由高到低依次是Ca-P＞Fe/Al-P＞NH4Cl-P(图4)。

图4 表层底质各形态无机磷时空分布Fig.4 Spatiotemporal distribution of phosphorus fractions

由图4可见，三种无机磷中Ca-P浓度最高，冬季Ca-P的浓度为95.24～497.62 mg/kg，在总磷中所占比例为8.00%～52.37%。夏季Ca-P浓度为364.29～537.50 mg/kg，在总磷中所占比例为40.60%～49.31%，最大值出现在东部湖湾(Q3)。Ca-P易受pH的影响［22］，在弱酸性条件下，Ca-P会有少量的释放［23］。杞麓湖水体偏碱性，冬夏季pH均值为9.69。碱性的水环境使底质中的Ca-P很难向上覆水体中释放，导致Ca-P成为杞麓湖底质中无机磷的主要形态。

杞麓湖底质中Fe/Al-P浓度低于Ca-P，冬季Fe/Al-P浓度为66.50～192.50 mg/kg，在总磷中所占比例为7.22%～16.31%，最大值出现在王家营(Q5)。夏季Fe/Al-P浓度为106.67～250.00 mg/kg，在总磷中所占比例为12.40%～22.35%，最大值出现在湖管站(Q6)。Fe/Al-P浓度易随水体中氧化还原条件的变化而变化，当水环境的氧化还原电位降低时，底质中的Fe/Al-P就可能由于铁的还原溶解而释放到上覆水中，提高了上覆水中磷的负荷［14］。

NH4Cl-P是松散吸附的磷，在环境条件发生变化时，NH4Cl-P能够迅速地向上覆水中释放，并被生物吸收利用［24-25］。在杞麓湖水体中，冬季NH4Cl-P浓度为7.35～23.04 mg/kg，在总磷中所占比例为0.62%～1.38%，最大值出现在湖管站。夏季NH4Cl-P浓度为2.00～19.50 mg/kg，在总磷中所占比例为0.18%～1.89%，最大值出现在六街村。冬季与夏季相比，底质中松散结合态磷浓度较高，这与其弱吸附性有很大关系，夏季水温升高，水体环境发生变化，使NH4Cl-P向上覆水体中释放并被生物吸收利用。

2.2.3 有机质

有机质在底质中具有重要作用，它可以通过矿化作用大量耗氧，同时释放碳、氨、磷等，造成水体富营养化［26-27］。有机质是底质中极为重要的自然胶体之一，可以通过吸附、分配、络合作用对重金属、有机物的生态毒性和环境迁移起决定作用［28］。杞麓湖表层底质有机质非常丰富，在冬季有机质浓度为69.77～102.68 g/kg，平均值为87.91 g/kg;夏季有机质浓度为68.35～105.53 g/kg，平均值为93.5 g/kg，呈现出由湖周向湖心逐渐降低的趋势(图5)。

2.2.4 杞麓湖与云南其他湖泊差异性比较

将杞麓湖表层底质中总氮、总磷和有机质浓度与云南其他高原湖泊相比较，结果见图6。由图6可知，杞麓湖总氮和有机质浓度在云南省其他湖泊中处于较高的水平，而总磷浓度偏高则是云南省所有湖泊共同的特点。因此杞麓湖底质营养盐浓度的控制刻不容缓。

2.3 底质污染状况评价

2.3.1 评价方法及标准

采用有机指数法和有机氮评价方法，对杞麓湖表层底质污染状况进行评价。有机指数通常用作水体底质环境状况的指标，有机氮常用来衡量湖泊表层底质有否遭受氮污染的重要指标［29-30］，计算方法:Iorg=OC×ON。式中，Iorg为有机指数;ON为有机氮浓度，%;OC为有机碳浓度，%，OC=OM/1.724，OM为有机质浓度。评价标准见表2。

2.3.2 评价结果

根据有机指数和有机氮评价标准，杞麓湖各采样点的表层底质评价结果见表3。由表3可以看出，杞麓湖各采样点有机指数较高，冬季平均值为2.247，夏季平均值为1.900，全湖都处于严重污染状态。有机氮的评价结果显示，杞麓湖整个湖体有机氮污染严重，冬季平均值为0.430，夏季平均值为0.341。冬季污染较夏季严重。整个湖区内西部湖湾污染最严重。

底质中的C/N在某种程度上可以反映出营养盐主要来源，不同来源的有机质中C/N具有明显的差异。高等植物的 C/N为14～23，水生生物为218～314，浮游动物与浮游植物为6～13，藻类为5～14［7］。杞麓湖冬季底质中 C/N 为9～13.76，平均值为11.52，表明冬季杞麓湖有机质主要来自于浮游动物和浮游植物;夏季底质中C/N为13.73～16.44，平均值为15.26，表明夏季杞麓湖有机质部分来源于藻类，其余主要来自于高等植物;这与现场调查结果一致。冬季杞麓湖内高等植物分布较少，而到夏季水生植物大量生长，主要分布在杞麓湖西部及南部湖区，其他区域呈块状分布。

表2 底质有机指数及有机氮评价标准Table 2 Sediment evaluation standards by organic index and organic nitrogen index

表3 杞麓湖底质营养程度评价结果Table 3 Evaluation results of surface sediments in Qiluhu Lake by the sediment evaluation standards

底质中氮磷浓度及比值通常为水中氮磷聚积、沉积及底质溶出、释放两种动态过程的综合反映，从某种程度上反映了湖泊的富营养状态［31］。杞麓湖冬季表层底质中 N/P平均值为4.24，最高值为6.67，位于西部湖湾，其次为湖管站;夏季表层底质中N/P平均值为3.54，最高值为4.37，位于西部湖湾。这说明杞麓湖西南区域水体富营养化程度较其他区域严重。

3 结论

(1)杞麓湖底质和上覆水体总氮浓度表现出湖周高，湖心低，且西南比东北高的分布特征。冬季大部分区域底质及水体中的总氮浓度高于夏季，这与杞麓湖内沉水植物的生物量及其分布有密切关系。

(2)杞麓湖表层底质中总磷浓度很高，冬季和夏季总磷的分布趋势大致相同，总体呈现出由西南向东北递增的趋势。冬季杞麓湖底质中总磷浓度高于夏季，而水体中总磷浓度远低于夏季。这与底质向水体的释放以及沉水植物和浮游植物的生物量及其分布有关。底质中无机磷浓度稍高于有机磷，无机磷及有机磷的变化趋势与总磷保持一致。冬季无机磷浓度低于夏季，而有机磷与之相反。无机磷中各形态磷浓度由高到低依次是Ca-P＞Fe/Al-P＞NH4Cl-P。

(3)杞麓湖表层底质有机质非常丰富，呈现出由湖周向湖心逐渐降低的趋势。

(4)与云南其他高原湖泊相比较，杞麓湖总氮和有机质浓度在云南省其他湖泊中处于较高的水平，杞麓湖底质营养盐浓度的控制刻不容缓。

(5)有机指数和有机氮评价结果显示，杞麓湖各采样点有机指数较高，全湖都处于严重污染状态，且整个湖体有机氮污染严重，西部湖湾为污染最严重的区域。

(6)底质中的C/N表明，冬季杞麓湖有机质主要来自于浮游动物和浮游植物，夏季有机质部分来源于藻类，其余主要来自于高等植物。N/P表明，杞麓湖西南区域水体富营养化程度较其他区域严重。

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