义乌市岩口水库底泥特征、营养盐含量及污染现状分析

原居林，李　明，杨元杰，辛建美，顾志敏

（1.浙江省淡水水产研究所，农业部淡水渔业健康养殖重点实验室，浙江生淡水水产遗传育种重点实验室，浙江湖州　313001；2.金华市水产技术推广站，浙江金华　321000）

义乌市岩口水库底泥特征、营养盐含量及污染现状分析

原居林1，李明2，杨元杰1，辛建美1，顾志敏1

（1.浙江省淡水水产研究所，农业部淡水渔业健康养殖重点实验室，浙江生淡水水产遗传育种重点实验室，浙江湖州313001；2.金华市水产技术推广站，浙江金华321000）

2014年2月至11月每季度一次对浙江省义乌市岩口水库底泥孔隙率、含水率、总氮（TN）、总磷（TN）、总有机质（TOM）含量进行了调查，分析了底泥的特性、营养盐的来源、相互关系及影响其分布的因素，合理评价了底泥的肥力和污染现状。结果表明：岩口水库底泥孔隙率、含水率、TN、TP和TOM的平均值分别为（73.54±7.87）%、（87.84±7.01）%、（3 898±1 315.83）mg/kg、（900±632.19）mg/kg和（136±28.47）g/kg。通过比较碳/氮（C/N）比值发现，底泥中TOM主要来源于陆源污染物；各站间不同季节底泥TN、TP、TOM的含量受陆源污染物输入、水动力条件等影响；相关性分析表明，底泥中TN和TOM显著相关；有机指数评价底泥肥力结果表明底泥肥力处于肥污染状态；生源要素法评价结果显示底泥总氮污染较为严重，总磷污染程度较低。

岩口水库；底泥；营养盐；污染现状

岩口水库位于浙江省义乌市上溪镇岩口村（119°54'11"-119°55'13"E，29°17'25"-29°18'49"N），地处钱塘江流域东阳江支流航慈溪上游，总库容为3 590万m3，坝址以上集雨面积5 715 km2，是一座以供水、灌溉、防洪为主，结合发电等综合利用的中型丘陵水库［1］。岩口水库自1960年蓄水以来，至今未开展底泥清淤。作为义乌地区最大的饮用水源地，近年来由于受到库区周边生活用水、农业退水和自身污染的影响，造成水体富营养化程度日趋严重，2011年9-11月发生大面积的蓝藻水华，严重威胁到周边居民的饮用水安全。

底泥作为水生态系统的三大环境要素（水质、水生生物和底泥）之一，承担着接纳外源污染物和向水体中释放营养盐的双重功效［2］，在水生态系统的物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用［3］。底泥由大量的营养物质（氮、磷、有机质等）组成，随着其不断的积累，不仅会对生存在其中的底栖生物产生重要影响［4］，同时其所固有的营养物质也会随着水体运动进入上层水体，使水体中氮、磷等营养盐浓度增加，加剧水体的富营养化程度和藻类水华暴发的机率［5］。以往国内外针对江河湖库海洋底泥的研究已十分广泛［6-9］，关于水库底泥研究主要集中在一些深水峡谷型饮用水源水库［10-12］，而针对丘陵型的水库底泥中营养物质的研究较少。因丘陵型水库更易受周边工农业发展和居民生活污水影响，其底泥营养盐沉积与释放对于有效确保库区水质良好和水生态系统稳定更加重要。因此本文通过对岩口水库底泥特性、营养盐含量及其污染现状开展相关研究，以期为控制此类水库富营养化程度、改善水库水环境质量、保证城乡供水等提供基础资料。

1　材料与方法

1.1采样点设立

根据《内陆水域渔业自然资源调查手册》，结合水库水体汇入和流动情况，共设置9个采样点，具体位置及分布如图1所示。

1.2样品的采集与处理

1.2.1样品的采集

分别于2014年2月、5月、8月和11月采用改良的1/16 m2彼得生采泥器采集底泥样品，每个采样点每次采样3次，分别将采集的底泥样品装入贴有标签的聚乙烯塑料袋封口冷藏保存。同时，测定各采样点的水深。

图1　岩口水库底泥采样点分布示意图Fig.1　The locations of the sampling stations in Yankou reservoir

1.2.2样品的测定

在实验室中，将采集到的表层底泥样品从聚乙烯塑料袋中取出后迅速称量（湿重），并将样品一分为二。其中一份样品自然风干，另一份样品经105℃烘干6 h、冷却后称量（干重），计算含水率和孔隙率［13-14］。将自然风干的样品采用四分法缩分，碾碎过100目筛，装入保鲜袋备用。底泥中总有机碳（TOC）采用重铬酸钾氧化-分光光度法分析［15］，将获得的总有机碳含量乘以1.724倍后得到总有机质（TOM）的含量。总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［16］测定，总磷（TP）采用钼锑抗比色法测定［16］。

2　结果与分析

2.1水深测定

根据水库管理局提供的资料，岩口水库平均水深26.4 m。经现场测定，9个采样点的水深数据如图2所示。从图2中可知，各采样点中以毗邻大坝的9#采样点最深，周年平均为48.2 m；8#采样点水深最低，周年平均为7.8 m。

2.2底泥孔隙率的变化

岩口水库底泥孔隙率变化如图3所示。由图3可知，岩口水库底泥孔隙率变化范围为（75.12～97.49）%，平均为（87.84±7.01）%。从空间分布上看，以9#最大，周年平均孔隙率为（95.87±1.36）%，其次为5#（93.78±0.57）%，最小的为4#（76.53±11.72）%；从时间分布上看，以11月份最高，平均为（89.25±4.62）%，5月份最低，平均为（86.28± 10.51）%。

2.3底泥含水率的变化

岩口水库底泥含水率变化如图3所示由图4可知，岩口水库底泥含水率变化范围为（58.11～87.43）%，平均为（73.54±7.87）%。从空间分布上看，以9#最大，周年平均含水率为（84.70±2.56）%，其次为5#（81.12±1.19）%，最小的为4#（61.74±2.91）%；从时间分布上看，以8月份最高，平均为（74.23±8.33）%，2月份最低，平均为（72.60±7.41）%。分析原因，主要是9#采样点位于大坝前，底质较为疏松，孔隙率较大；而4#采样点底质较硬，因而造成含水量有一定差异。同时8月份因受降雨和发电的影响，水体的交换率较大，表层底泥受到扰动程度较2月份强度大，因此其底泥含水率较高。

2.4底泥营养盐的变化

2.4.1TN含量的变化

岩口水库底泥TN的变化如图5所示。从图5中可知，底泥中TN的变化范围为2 270～6 340 mg/kg，平均为（3 898±1 315.83）mg/kg。从空间分布上看，以9#采样点最高，平均为（6 198±189.45）mg/kg，其次为2#采样点（5 455±619.06）mg/kg和3#采样点（4 860±75.28）mg/kg，最低的为8#采样点（2 405±95.74）mg/kg，分析原因主要是因为9#采样点因大坝的拦截作用致使各种营养物质沉积于此，因而总氮含量较高，而1#和2#采样点因来水携带大量营养物质沉积于此区域造成底泥TN含量较高，8#采样点处于一紧似封闭的库湾中，因无营养盐输入和沉积，故TN含量较低。从时间分布上看，各采样点TN含量以11月份最高，平均为（4 120±1 480.98）mg/kg，5月份最低（3 642±1 289.12）mg/kg，呈现秋季＞夏季＞冬季＞春季的季节变化趋势，究其原因主要与营养盐的输入有关［17］。岩口水库历年来水记录显示，每年水库来水自8月份开始，在10-11月份降水量达到峰值，周边生活污水、农业退水等随着入库径流汇入库区，从而使水体和底泥中TN含量增加。

图2　岩口水库各采样点水深分布图Fig.2　Water depth of sampling sites in Yankou reservoir

图3　岩口水库底泥孔隙率变化图Fig.3　Change of the porosity in sediment in Yankou reservoir

图4　岩口水库底泥含水率含量变化图Fig.4　Change of the moisture content in sediment in Yankou reservoir

图5　岩口水库底泥TN含量变化图Fig.5　Change of the total nitrogen content in sediment in Yankou reservoir

图6　岩口水库底泥TP含量变化图Fig.6　Change of the total phosphorus content in sediment in Yankou reservoir

2.4.2TP含量变化

岩口水库底泥TP的变化如图6所示。由图6可知，TP的变化范围为501～2 695 mg/kg，平均为（900± 632.19）mg/kg，各采样点底泥样品TP含量差异较大。从空间分布上看，以1#采样点最高，平均为（2490± 165.53）mg/kg，其次为9#采样点（1 325±88.10 mg/kg）和2#采样点（745±19.48 mg/kg），最低的为8#采样点（平均为498±28.87 mg/kg），分析原因主要是因为1#和2#采样点上游分布有居民生活区，因生活污水影响，底泥中TP含量较高；而8#采样点因无任何外源物质输入，故TP含量低。从时间分布上看，岩口水库各采样点TP含量以11月份最高，平均为（947±647.32）mg/kg，其次是2月份（901±663.32）mg/kg和5月份（897±605.18）mg/kg，最低为8月份（857±720.15）mg/kg，呈现秋季＞冬季＞春季＞夏季的变化趋势。分析原因，可能主要与底栖生物和藻类生长代谢有关［18］，一般底栖生物与藻类在春季开始繁衍生长，夏季生物量达到峰值，这一过程中大量消耗水体中的磷元素，从而促使底泥中TP的大量释放，而秋季随着气温的降低底栖生物和藻类逐渐死亡、沉积，其体内的磷元素又被重新释放到底泥中，致使底泥中TP浓度增加。

2.5总有机质（TOM）含量的变化

图7　岩口水库底泥TOM含量变化图Fig.7　Change of the total organic matter content in sediment in Yankou reservoir

由图7可知，岩口水库各采样点底泥样本中TOM含量有一定的差异，变化范围在108.9～192.41 g/kg，平均为（136± 28.47）g/kg。从空间分布上看，以2#采样点最高，平均为（184±5.20）g/kg，其次为9#采样点（161±4.74）g/kg和7#采样点（147±2.35）g/kg，最低的为8#采样点，平均为（89.0± 3.13）g/kg。分析原因，主要是因为2#采样点有来水汇入，且周边植被茂盛，因而该区域TOM含量较高，而7#和9#采样点位于大坝前，各种有机物质沉积于此，因而TOM含量较高，而8#采样点因无有机质汇入且植被稀疏，故TOM含量低。但值得注意的是1#虽有来水汇入，但其TOM含量却低于位于库中央的5#、7#采样点，分析原因可能是由于1#采样点溪流虽有生活污水汇入，但周边植被较少，故此处TOM含量低于库中有机物沉积区。从时间分布上看，岩口水库各采样点TOM含量以11月份最高，平均为（137.8±29.62）g/kg，其次是2月份（136.3±26.27）g/kg和8月份（136.1±31.38）g/kg，最低为5月份（134.5±29.63）g/kg，这主要与水库来水时空分布及水体中所含的颗粒物质含量有关，且因有机物沉积需要一定时间，因而有机质含量的季节分布相对于来水季节分布有一定的滞后性［19］。

图8　岩口水库底泥有机质和总氮相关性分析图Fig.8　The correlation between TOM and TN in sediment in Yankou reservoir

2.6底泥TN、TP和TOM间的相关性分析

岩口水库底泥中TN和TOM含量相关性研究表明，TN和TOM存在显著相关性（如图8），回归方程为TN=29.68×TOM-142.8（r=0.934，N=36），而TP与TOM、TN之间相关性较差。这主要与两方面因素有关：1）TOM中的有机氮是底泥中TN的重要组成成分之一；2）TOM中的碳和底泥中的氮都是生物体重要的有机组成元素，二者在生物体内含量比较恒定［20］，而磷元素在生物体内的变化较大［21］，且主要以无机磷形式存在，因此决定了TN和TOM相关性较高，而TP与与TOM、TN之间相关性较差。

图9　岩口水库底泥总有机碳/总氮变化图Fig.9　Change of the ratio of total organic carbon and total nirogen in sediment in Yankou reservoir

2.7底泥TOM来源分析

底泥中C/N比值能够在一定程度上反映有机质的来源［22］，一般水生植物的C/N为14～30、高等陆生植物20～160、水生生物为2.8，3.4、藻类为5～14，浮游动物和浮游植物为6～13。如图9所示，岩口水库各采样点底泥总有机碳/总氮（TOC/TN）比值均大于14，说明岩口水库底泥中有机质主要来源于陆源的污染物。

2.8岩口水库底泥肥力评价

采用有机指数法［23］对岩口水库底泥的肥力状况进行评价，根据岩口水库底泥的实际情况，参照相似水体制定底泥肥力评价标准［24-25］（表1）。评价结果见表2。由表2可知岩口水库各采样点底泥平均有机指数高达4.19，远远超出了0.05，处于肥污染等级，表明岩口水库底泥肥力处于较高水平。

表1　岩口水库底泥肥力评价分级标准Tab.1　Classification standard of fertility evaluation for sediment in Waidu reservoir，Fujian Province

表2　岩口水库底泥肥力评价Tab.2　Fertility evaluation for sediment in Yankou reservoir

2.9底泥中生源要素污染评价

本研究拟采用单一因子标准指数法［26］对岩口水库底泥进行评价。

单一污染因子i的一般标准指数有如下关系式：Si=Ci Cs

式中，Si为单项评价指数或标准指数，Si大于1表示含量超过评价标准值；Ci为评价因子i的实测值；Cs为评价因子i的评价标准值。

因目前划分湖泊（水库）底泥生态毒性效应的标准较少，本研究参照加拿大安大略省环境和能源部［26］制定的沉积物中能引起最低级别生态风险效应的TN和TP的浓度（550 mg/kg，600 mg/kg）、严重级别生态风险效应的TN浓度（4 800 mg/kg）来评价岩口水库底泥潜在生态危害。由表3可知，岩口水库底泥TP的标准指数除1#、2#、3#和9#外，其余各采样点TP基本没有对底栖生物构成威胁。而TN的标准指数变化范围为4.81～12.40，全部大于1，说明底泥中TN会对底栖生物生存造成一定影响。且岩口水库2#、3#和9#采样点处于严重级别生态风险，其余各采样点处于最低级别生态风险效应和严重级别之间。

3　讨论

3.1孔隙率的变化

底泥的孔隙率与含水率密切相关，孔隙率越大，含水量越高。同时孔隙率大小还会影响底泥间隙水中营养物质的上下迁移，孔隙率越大，越有利于营养物质的扩散与迁移［24］。通过与国内外湖泊（水库）比较发现，岩口水库底泥孔隙率高于太湖梅梁湾（75.4%）［26］、巢湖（67.2%）［27］和北京官厅水库（23.8%）［24］，说明岩口水库底泥不稳定性较强，有利于营养物质的迁移。

表3　岩口水库底泥潜在生态危害评估Tab.3　The assessment of potential ecological risk for nitrogen and phosphorus in sediment of Yanko reservoir

3.2含水率的变化

含水率可以反映底泥的疏松情况，其大小可直接影响底泥的再悬浮程度。而底泥的再悬浮过程是营养盐在底泥与上覆水之间重新分配的重要途径［29］。通过比较发现，岩口水库底泥含水率高于滇池（45.7%）［30］、三峡水库［31］（42.3%）和晋阳湖（65.0%）［32］，说明岩口水库底泥相对而言更易外力扰动而发生再悬浮［33］。

3.3底泥营养盐的变化

氮、磷含量是底泥中氮、磷的沉积与释放两个过程动态平衡的结果，一定的程度上反映了水库生物生产力的水平。掌握底泥氮、磷含量及变化规律在防治水体富营养化过程中有重要意义［34-35］。同时，底泥中T N和TP的含量可一定程度上反映湖泊（水库）水体的富营养化程度，一般而言，富营养化程度越高的湖泊（水库），其沉积物中TN和TP含量也高。表4展示了岩口水库与国内不同区域9座水库和7个湖泊的底泥TN、TP及水体富营养化情况的对照表。从表4中可以看出，岩口水库底泥TN和TP含量处于较高水平，甚至比多数湖泊都高。但从营养化程度来看，岩口水库正处于中-富营养化状态，原因在于岩口水库平均水深较大，库区水体有温跃层，当水体表面温度升高时，对底泥的TN和TP释放影响较小，因而不会对水体富营养化程度造成巨大影响。

底泥氮/磷比值（N/P）在一定程度上可揭示造成水体富营养化的主要因子。岩口水库底泥N/P的平均值为4.42，除低于杭州西湖和广东石榴潭水库外，均高于其他湖泊（水库），结合水质监测结果分析造成水体富营养化主要超标因子为总氮，由此推断底泥可能是造成岩口水库水体总氮偏高的原因之一。

表4　岩口水库与国内其他湖泊（水库）底泥中总氮、总磷含量的比较Tab.4　Comparison of TN and TP contents among Yankou reservoir and other domestic lakes and reservoirs

3.4底泥TOM来源分析

目前关于沉积物中有机质的来源研究主要集中在海洋、江河入海口和湖泊［39-41］，对水库底泥中有机质的来源研究较少［25］。研究方法包括C/N比值法［42］、脂肪烃构成［43］及碳稳定同位素法［44］等。本研究采用C/N比值法判断结果表明岩口水库底泥中有机质主要来源于陆源污染物，这与太湖各入湖口［45］、珠江入海口［44］等受陆源输入影响水域沉积物中有机质来源的研究结果相一致。

3.5底泥污染程度分析

底泥中营养盐污染最常用的评价方法有内梅罗指数法、有机指数法（肥力指数）、生物要素法、相对背景值法等。弥艳等［46］采用内梅罗指数法对新疆艾比湖流域底泥现状进行了评价，发现各断面上底泥综合污染指数均达到Ⅳ级标准，表明底泥严重污染。王平［47］等运用有机指数法评价了宁夏沙湖底泥的污染情况，结果表明其底泥有机指数相当高，除主航道外，其他湖区都处于III级，属于严重肥污染状态。本研究采用有机指数法评价了岩口水库底泥的肥力，发现其处于肥污染等级。通过与其他水体底泥肥力的比较发现，岩口水库底泥有机指数远大于福建莆田水库（0.435）［25］、巢湖东区（0.166）［20］、四川自贡釜溪河城区段（0.588）［48］、松花江哈尔滨段（0.357）［49］，说明岩口水库底泥污染程度较高。

生源要素指的是生物体所需或与生物过程相关的元素，目前海洋环境研究的生源要素主要指硅、碳、氮、磷等［50］，而内陆水域的生源要素研究则主要集中在指碳、氮、磷三种元素。当底泥中TN和TP达到一定的量时会造成底层水体中溶解氧降低、H2S等有害气体浓度升高，从而引发对底栖生物的毒害作用，造成其大量死亡［38］。本研究采用单一因子标准指数法对岩口水库底泥进行评价表明，岩口水库底泥总磷污染风险较轻，而总氮处于最低级别生态风险效应和严重级别之间。国内一些水库生源要素分析显示，我国水库大多均为总氮污染风险较大，而总磷污染风险较低，需通过加强生活污水控制、降低农业污染源污染（如控制库区周边化肥农药的施用量）、采用生态修复等措施来有效降低底泥对水生生物造成威胁。

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Analysis of Characterization，Nutrient Content and Pollution Status of Sediment in Yankou Reservoir，Yiwu City

YUAN Ju-lin1，LI Ming2，YANG Yuan-jie1，et al
（1.Zhejiang Institute of Freshwater Fisheries，Agriculture Ministry Key Laboratory of Healthy Freshwater Aquaculture，Key Laboratory of Freshwater Aquatic Animal Genetic and Breeding of Zhejiang Province，Huzhou313001；2.Jinhua Fishery Technical Extension Station，Jinhua321001，China）

The porosity，moisture，total nitrogen（TN），total phosphorus（TP）and total organic matter（TOM）content in sediment of Yankou reservoir were investigated from February to November 2014，which aimed to analyze the characterization of sediment and source，correlation，affecting factors of nutrients in sediment.The results showed that the average of porosity，moisture，TN，TP and TOM content in sediment was（73.54±7.87）%，（87.84±7.01）%，（3 898±1 315.83）mg/kg，（900±632.19）mg/kg and（136±28.47）g/kg，respectively.The contents of TN，TP and TOM in different sites and different seasons were mainly influenced by terrigenous inputs and hydrodynamics.The TOM mainly came from terrigenous pollutants through analyzing the C/N ratio of different organisms.There were significant correlation between TN and TOM.The sediment was at serious pollution sta-tus according to the fertility index.55.6%single standard indexes of total phosphorus were below 1，which indicated that the content of the total phosphorus was relatively low.However，the content of total nitrogen was high，the standard indexes ranged from 4.81 to 12.40，which indicated that the nitrogen pollution was relatively serious.

Yankou reservoir；sediment；nutrients；pollution status

X14

A

1008-830X（2015）03-0255-08

2015-01-10

国家公益性行业（农业）科研专项（201303056-4）

原居林（1982-），男，山东烟台人，博士研究生，研究方向：水域生态学.E-mail：yuanjulin1982@163.com

李明，高级工程师.E-mail：jhfish@163.com