洞庭湖表层沉积物营养盐污染特征与评价

张光贵，黄博

1.湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000

2.岳阳市环境监测中心，湖南 岳阳 414000

近年来湖泊富营养化问题日益严重，成为国内外十分关注的环境问题之一。一般情况下，湖泊沉积物充当营养物质的“汇”，但其吸附和接纳能力是有限度的，当超过其负荷时，累积在其中的营养物质则在一定条件下释放到上覆水中，沉积物转成水体污染的“源”［1］，严重影响湖泊上覆水体的质量［2-5］。因此，沉积物能间接反映出水体污染情况［6-9］，研究沉积物中营养物质的含量及其分布特征对控制湖泊水体富营养化和生态系统状况有重要指导意义。

洞庭湖是目前长江中游荆江段唯一与长江干流直接相通的湖泊，具有调蓄、饮用、渔业、灌溉、航运、调节湖区气候、旅游和生物多样性保护等重要生态功能。随着洞庭湖流域社会经济的迅速发展，氮、磷整体超标，水体富营养化日益严重，水质呈总体下降趋势［10-11］。尽管近年来有学者针对洞庭湖沉积物营养盐开展了相关研究，如王伟等［12］对洞庭湖沉积物及上覆水体氮的空间分布进行了研究;王雯雯等［13］对洞庭湖沉积物不同形态氮赋存特征及其释放风险进行了研究;王岩等［14］对洞庭湖沉积物及其上覆水体氮磷的时空分布与水体营养状态特征进行了研究，但对洞庭湖沉积物中有机质含量以及营养物质污染状况评价研究尚不多见。笔者通过对洞庭湖表层沉积物中有机质(OM)、总氮(TN)和总磷(TP)浓度的测定，分析营养盐的空间分布特征，利用有机指数和有机氮对洞庭湖沉积物污染状况进行评价，以期为了解和掌握洞庭湖富营养化内源污染状况、防治洞庭湖水体富营养化提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洞庭湖位于湖南省北部、长江中游荆江南岸，北接长江松滋、太平、藕池三口，南纳湘、资、沅、澧四水，经城陵矶汇入长江，湖体呈近似“U”字形，总流域面积25.72 万km2，集水面积104 万km2，水位33.50 m 时(岳阳站，黄海基面)，湖长143.00 km，最大湖宽30.00 km，平均湖宽17.01 km，湖泊面积2 625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相应蓄水量167 亿m3，是我国第二大淡水湖。受泥沙淤积、筑堤建垸等自然和人类活动的影响，洞庭湖现已明显地分化为西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖3个不同的湖泊水域。洞庭湖为一典型的过水性洪道型湖泊［15］，兼具河流与湖泊双重属性，其水流方向大致为西洞庭湖→南洞庭湖→东洞庭湖→长江［16］。

1.2 样品采集

分别于2012年2月和2013年4月，采用抓斗式采泥器采集洞庭湖表层沉积物样品，每个采样点采集3 个平行样品现场混匀，装入封口袋，4 ℃保存。采样点的布设参考了洞庭湖水质常规监测断面，共设置9 个采样点，其中西洞庭湖区3 个，分别是南嘴(S1)、蒋家嘴(S2)和小河嘴(S3);南洞庭湖区3 个，分别是万子湖(S4)、横岭湖(S5)和虞公庙(S6);东洞庭湖区3 个，分别是鹿角(S7)、东洞庭湖(S8)和洞庭湖出口(S9)。所有采样点采用便携式GPS 定位，采样点位置见图1。

图1 洞庭湖采样点分布Fig.1 Sampling sites in Dongting Lake

1.3 样品处理及分析

所采沉积物样品经冷冻干燥后去除各种杂质，再经玛瑙研钵研磨处理，过100 目尼龙筛，分装于塑料袋中密封以待测。

OM 浓度的测定方法:用定量的标准重铬酸钾-硫酸溶液，在加热的条件下，使沉积物样品中的有机碳氧化，多余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准溶液滴定，根据消耗的重铬酸钾量计算有机碳量，再乘以系数1.724，即为沉积物样品中OM 浓度［17］。TN 浓度采用半微量开氏法测定。TP 浓度采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗分光光度法测定。为保证分析的准确性，每个样品设置2 个平行样，平行分析误差＜5%，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 沉积物营养盐浓度

洞庭湖表层沉积物中OM、TN、TP 浓度的监测结果见表1。由表1 可知，洞庭湖表层沉积物中OM浓度为1.48% ～4.22%，平均值为2.06%，变异系数为0.31;TN 浓度为382 ～2 217 mg/kg，平均值为1 340 mg/kg，与王雯雯等［13］的研究结果相近，变异系数为0.35;TP 浓度为142 ～716 mg/kg，平均值为294 mg/kg，变异系数为0.49。

表1 洞庭湖表层沉积物营养盐监测结果统计Table 1 Statistics of nutrients monitoring results of surface sediments in Dongting Lake

与国内其他湖泊(水库)相比(表2)，洞庭湖表层沉积物中OM 的平均浓度高于鄱阳湖、太湖、洪泽湖和天鹅湖，低于乌梁素海、长寿湖、青海湖和程海，与巢湖相当;TN 浓度的平均值高于太湖、巢湖、洪泽湖和天鹅湖，低于乌梁素海、长寿湖、天目湖、青海湖和程海，与鄱阳湖相等;TP 平均浓度较低，与天目湖接近。由此可见，洞庭湖表层沉积物中OM 和TN浓度处于中等水平，位居我国五大淡水湖泊之首，其内源负荷不容忽视。

表2 不同湖库表层沉积物营养盐浓度对比Table 2 Comparison of nutrients contents in surface sediments of different lakes(reservoirs)

与1985年的研究结果［25］相比，OM 和TN 浓度分别上升了63.5% 和21.6%，TP 浓度下降了65.1%，表明近30年来洞庭湖表层沉积物中OM 和TN 等内源负荷呈增加趋势。研究［26］表明，每年入湖的大量泥沙是洞庭湖水体TP 的重要来源。洞庭湖表层沉积物中TP 浓度的下降可能与三峡工程运行后入湖泥沙的大量减少有关，三峡运行期(2003—2011年)洞庭湖年均入湖泥沙量为1 911.2 万t，比三峡蓄水前(1999—2002年)减少了72%［27］。

2.2 沉积物中营养盐的空间分布

洞庭湖表层沉积物中OM 浓度的空间分布见图2。由图2 可知，以南洞庭湖区的万子湖(S4)最高，为2.87%;东洞庭湖区的东洞庭湖(S8)最低，为1.53%。最大值与最小值的比值为1.88，空间分布差异较小，西洞庭湖区、南洞庭湖区和东洞庭湖区沉积物中OM 浓度平均值分别为1.79%、2.43% 和1.96%，总体表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区。

图2 洞庭湖表层沉积物中OM 的空间分布Fig.2 Spatial distribution of OM contents in the surface sediments of Dongting Lake

洞庭湖表层沉积物中TN、TP 浓度的空间分布见图3。由图3 可知，TN 浓度以南洞庭湖区的万子湖(S4)最高(1 818 mg/kg)，西洞庭湖区的南嘴(S1)最低(868 mg/kg)，最大值与最小值的比值为2.09，空间分布差异较小，西洞庭湖区、南洞庭湖区和东洞庭湖区沉积物中TN 浓度的平均值分别为1 264、1 458 和1 297 mg/kg，总体表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区，与OM 浓度的空间分布相似，但与王伟等［12］的研究结果刚好相反。TP浓度以东洞庭湖区的东洞庭湖(S8)最高(488 mg/kg)，南洞庭湖区的横岭湖(S5)最低(204 mg/kg)，最大值与最小值的比值为2.39，空间分布差异较大，西洞庭湖区、南洞庭湖区和东洞庭湖区沉积物中TP 浓度的平均值分别为295、262 和326 mg/kg，总体表现为东洞庭湖区＞西洞庭湖区＞南洞庭湖区。

图3 洞庭湖表层沉积物中TN、TP 浓度的空间分布Fig.3 Spatial distribution of TN and TP contents in the surface sediments of Dongting Lake

洞庭湖沉积物中营养盐的空间分布与其水文特征有关。从总体上看，由于西洞庭湖区离出湖口较远，受出湖口长江水流顶托的影响小，营养物质相对不易沉积，而东、南洞庭湖区离出湖口较近，受出湖口长江水流顶托的影响较大，营养物质相对容易沉积，因而沉积物中营养物质含量较高。万子湖(S4)所在水域水面开阔，水流相对缓慢，以湖泊性质为主，营养物质易于沉积，且沉积物粒径偏细，因而OM 和TN 浓度相对较高;相反，南嘴(S1)所在水域属淞澧洪道，河道平直，水流较快，以河流性质为主，主要接纳含沙量较高的长江三口和澧水来水，营养物质不易沉积，且沉积物粒径偏粗，因而营养物质含量相对较低。东洞庭湖(S8)所在水域地处东洞庭湖区西部，受藕池东支河泥沙淤积和湘江洪道水流顶托的影响［28］，相对封闭，水动力学条件较弱，从而有利于水体中营养物质特别是磷的沉积，致使沉积物中TP 相对较高。此外，万子湖(S4)沉积物中OM和TN 浓度较高可能受到其上游沅江市区城镇生活污染和沅江纸业有限责任公司等企业长期排污的影响，小河嘴(S3)沉积物中TN 浓度较高可能与其上游蒋家嘴镇工业与生活污水排放有关［29］，蒋家嘴(S2)沉积物中TP 浓度较高可能与其上游来水沅江水体TP 浓度较高有关［30］。

2.3 沉积物中的C/N

洞庭湖属过水性吞吐型湖泊，其沉积物以碎屑沉积为主，其次是生物沉积，碎屑沉积主要源于洞庭湖流域水土流失以及工业、农业和生活污水的排放。研究［31］表明，洞庭湖氮、磷主要来源于入湖河道与生活污染，二者占总量的95%以上。从生物沉积而言，湖泊沉积物中C/N 在一定程度上可以反映OM的来源，因为生物种类不同，C/N 不同。高等植物的C/N 为14 ～23，水生生物为2.8 ～3.4，浮游动物与浮游植物为6 ～13，藻类为5 ～14［32］。相关资料［33-35］表明，许多湖泊表层沉积物中的C/N 为6 ～14。洞庭湖表层沉积物C/N 空间分布见图4。由图4 可见，洞庭湖表层沉积物中C/N 变化范围为6.1 ～14.8，平均为10.2，78%的C/N 介于6 ～13，表明洞庭湖表层沉积物OM 主要来源于浮游动物与浮游植物。

图4 洞庭湖表层沉积物中C/N 的空间分布Fig.4 Spatial distribution of C/N ratio in the surface sediments of Dongting Lake

3 沉积物污染状况评价

3.1 评价方法与标准

目前国内外对湖泊沉积物环境的评价尚缺乏统一的评价方法和标准，针对洞庭湖表层沉积物的实际，利用有机指数和有机氮评价洞庭湖沉积物污染状况。有机指数常用来评价水域沉积物的环境状况，有机氮则是衡量湖泊表层沉积物是否遭受氮污染的重要指标，其计算方法［25］如下:

有机指数= 有机碳浓度(%)× 有机氮浓度(%)

有机碳浓度(%)=有机质浓度(%)÷1.724

有机氮浓度(%)=总氮浓度(%)×K

式中，K 为有机氮浓度在总氮中所占比例，该研究K取0.60［12］。

沉积物有机指数和有机氮评价标准分别见表3和表4。

表3 沉积物有机指数评价标准［25，36-37］Table 3 Sediment evaluation standards by organic index

表4 沉积物有机氮评价标准［25，36-37］Table 4 Sediment evaluation standards by organic nitrogen

3.2 评价结果

用3.1节的方法和标准，洞庭湖各监测点表层沉积物污染状况评价结果见表5。从表5 可见，洞庭湖各监测点沉积物有机指数为0.06 ～0.20，全湖平均为0.10，达到Ⅱ级标准，湖体沉积物环境状况属较清洁。南洞庭湖区的万子湖(S4)污染程度相对较重，达到Ⅲ级标准，水体沉积物环境状况属尚清洁。

洞庭湖各监测点沉积物有机氮浓度为0.052%～0.109%，全湖平均值为0.080%，达到Ⅲ级标准，氮污染程度属尚清洁。西洞庭湖区南嘴(S1)污染程度相对较轻，属较清洁。有机指数和有机氮均表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区，但污染程度差异较小，3 个湖区沉积物污染类型和程度相同。

表5 洞庭湖表层沉积物污染状况评价结果Table 5 Evaluation results of surface sediments in Dongting Lake by the sediment evaluation standards

4 结论

(1)洞庭湖表层沉积物中OM 浓度为1.48% ～4.22%，平均值为2.06%;TN 浓度为382 ～2 217 mg/kg，平均值为1 340 mg/kg;TP 浓度为142 ～716 mg/kg，平均值为294 mg/kg。与国内其他湖泊(水库)相比，洞庭湖表层沉积物中OM 和TN 浓度处于中等水平，近30年来洞庭湖表层沉积物中OM 和TN 浓度呈增加趋势，其内源负荷不容忽视。

(2)洞庭湖表层沉积物中OM 和TN 浓度的空间分布相似，总体表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区，TP 浓度总体表现为东洞庭湖区＞西洞庭湖区＞南洞庭湖区。

(3)从生物沉积角度而言，洞庭湖表层沉积物中C/N 介于6.1 ～14.8，平均为10.2，有78%的C/N介于6 ～13，表明洞庭湖表层沉积物OM 主要来源于浮游动物与浮游植物。

(4)洞庭湖表层沉积物有机指数平均为0.10，达到Ⅱ级标准，湖体沉积物环境状况属较清洁;有机氮平均为0.080%，达到Ⅲ级标准，氮污染程度属尚清洁。洞庭湖表层沉积物污染程度总体表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区，但污染程度差异较小。

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