邛海表层沉积物营养盐分布特征及污染评价

郜志云 赵翠平 孙运海 刘伟江 孙宏亮

(环境保护部环境规划院，北京 100012)

湖泊生态系统中，湖泊沉积物成为湖泊营养盐的重要蓄积库。20世纪80年代，国外已开展对河流、湿地[1-2]、湖泊[3-4]、海域、水库等沉积物中TN和TP的含量、分布特征、释放机制等方面的研究。研究表明，在外源逐步得到控制的情况下，蓄积在沉积物中的碳、氮、磷在一定条件下仍可通过形态变化、界面特征改变而释放，严重影响上覆水体的环境质量。因此，本研究通过研究湖泊沉积物中氮、磷、碳的空间分布及污染特征，为控制水体富营养化提供支撑。

邛海位于四川省西昌市境内，属于高原半开放淡水湖泊，是四川第二大天然湖泊，被誉为西昌市“母亲湖”。邛海流域属金沙江水系，邛海湖泊面积27.87 km2(以高程水位1 510.3 m计)，邛海湖盆南高北低，湖体水流由南向西北流动，平均水深10.32 m，蓄水量3.2×108m3，湖水换水周期为834 d。邛海有官坝河、鹅掌河、小清河3条主要入湖支流，西北部的海河是湖泊的唯一出水通道。

邛海是一个具有生态价值、饮用水源地、风景旅游等功能的水体，随着湖泊周边社会经济迅速发展、生活和农业污水排放、湖滨带开发利用等，邛海出现面积萎缩、湖泊生态系统生产力下降以及富营养化加重等问题。本研究采用野外采样和实验室分析相结合的方法，通过对邛海沉积物总有机碳(TOC)、TN、TP的测定，基于地理信息系统(GIS)地统计分析，分析邛海营养盐空间分布特征，并将分布特征可视化；采用有机指数和有机氮污染评价法，评价邛海表层沉积物营养盐的污染状况；采用加拿大安大略省环境和能源部按生态毒性效应制定的“沉积物质量评价指南”以及邛海深层沉积物中的营养盐均值为背景参照值，评价邛海表层沉积物中营养盐的污染水平和富集特征。旨在系统揭示邛海沉积物污染现状，为邛海湖泊环境保护提供理论指导和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2013年9月，根据邛海流域水系特点、水功能区情况，采用麦哲伦315型定位仪导航定位，分别在邛海主要入湖口、湖心、水源地、出湖口等布设9个采样点，其中湖心点位分别采集表层和深层沉积物样品，其他点位仅采集表层沉积物，具体点位分布见图1。用彼得森采泥器采集表层沉积物(0～10 cm)和深层沉积物样品，采集现场表层样和深层样分别混匀后装入洁净的聚乙烯自封袋中密封，运回实验室低温保存并处理分析。

图1 邛海表层沉积物采样点分布示意图Fig.1 Surface sediment sampling site of Qionghai Lake

1.2 样品处理与分析

所采集沉积物样经冷冻干燥机干燥后取出各种杂质，再经玛瑙研钵研磨处理后过100目尼龙筛，分装于磨口玻璃瓶中密封以备用。

针对邛海富营养化特征，主要分析项目：TN(半微量凯氏定氮法)、TP(欧洲标准测试委员会的SMT法)、TOC(重铬酸钾容量法)[5]。

2 表层沉积物营养盐空间分布特征

湖泊沉积物中TN、TP和TOC含量是反映湖泊沉积物营养程度的重要标志。邛海表层沉积物中TN、TP和TOC的统计分析结果见表1。邛海9个采样点表层沉积物TOC为1 479～15 197 mg/kg，平均为8 725 mg/kg；TN为270～2 030 mg/kg，平均为1 200 mg/kg；TP为380～630 mg/kg，平均为528 mg/kg。邛海表层沉积物中TOC、TN、TP变异系数分别为49.8%、48.0%、17.7%，TOC和TN属于中等强度变异，TP数据分布离散程度相对集中，各采样点TP含量接近。

湖泊表层沉积物中TOC、TN、TP含量可以用来直接反应湖泊底泥的污染状况。由表2可见，与其他具有相同水体功能的湖泊相比，邛海TOC仅高于巢湖和洪泽湖；TN高于巢湖、洪泽湖、太湖；TP高于鄱阳湖，总体上几个湖泊TP含量相差不大。由此可见，邛海表层沉积物中TOC和TN含量呈中下水平。

表1 邛海表层沉积物营养盐统计分析结果

表2 邛海表层沉积物中营养盐平均质量浓度与其他湖泊比较

图2 邛海表层沉积物营养盐空间分布Fig.2 Spatial distribution of nutrients content in surface sediment of Qionghai Lake

由图2可见，邛海表层沉积物中营养盐水平分布存在一定差异。邛海湖心、南部(核桃村)和西南部(海南乡)水域TOC最高，介于12 877～15 197 mg/kg，是整个湖泊最小值(1 479 mg/kg)的8.7～10.3倍；TN的空间分布与TOC分布特征相似；磷含量是影响湖泊富营养化的关键因素，邛海TP最高的区域分布在邛海中南部(核桃村、鹅掌河河口和湖心)，TP达到610～630 mg/kg，是整个湖泊最小值(380 mg/kg)的1.6～1.7倍，北岸的TP相对湖泊其他区域较低。

综上所述，邛海表层沉积物中营养盐的分布格局为南部高于北部，湖心区域高于东部和西部。其主要原因：(1)受外来源的影响，邛海流域周边主要人口及主要农业区分布在邛海南岸以及西北部海河河口等区域，生活污水、农业面源径流等带来的污染物直接或间接排入造成；(2)受邛海湖盆地形影响，南高北低，邛海水体主要由南向西北流动，带动污染物由南向北扩散。

3 表层沉积物营养盐污染评价

3.1 有机指数和有机氮污染评价

国内外对湖泊、河流沉积物环境质量和污染状况尚缺乏统一的评价方法和标准。为了解掌握邛海表层沉积物中营养盐的污染水平和富集特征，参考文献[13～15]，本研究采用有机指数(见式(1))和有机氮(见式(2))污染评价邛海表层沉积物污染状况。有机指数常用来评价水域沉积物的环境状况，有机氮污染则是用来衡量湖泊表层沉积物是否受到氮污染的重要指标。评价标准见表3。

有机指数=TOC质量分数×有机氮质量分数

(1)

有机氮质量分数=TN质量分数×0.95

(2)

邛海表层沉积物污染状况结果见表4。邛海表层沉积物有机指数分布介于0.004～0.293，变动范围相对较大，平均为0.120，达到Ⅱ级，属于较清洁范畴，优于太湖、洪泽湖和长寿湖表层沉积物；邛海表层沉积物有机氮质量分数为0.026%～0.193%，平均为0.114%，达到Ⅲ级，属于尚清洁范畴。邛海南部的海南乡和核桃村、北岸的大渔湾东以及湖心采样点均为有机氮污染范畴，氮污染较重的区域周边人口密集，农业广泛分布，因此可以判断，农业面源和生活污染是海南乡、核桃村、大渔湾东等采样点产生有机氮污染的重要原因。

表3 水体沉积物有机指数和有机氮污染评价标准

表4 邛海表层沉积物有机指数及有机氮质量分数

表5 邛海表层沉积物中营养盐评价标准和背景参照值

注：1)安全级-沉积物中污染物浓度低于此水平，在水生生物中未发现中毒效应；最低级-沉积物已受污染，但多数底栖生物可以承受；严重级-底栖生物群落已遭受明显损害。

3.2 基于生态毒性的沉积物质量评价

本研究参照1992年加拿大安大略省环境和能源部按生态毒性效应制定的“沉积物质量评价指南”[16]开展生态毒性效应评价。按该评价指南及邛海湖心深层沉积物中营养盐均值为背景参照值(见表5)，分别计算沉积物中营养盐的污染指数和富集系数，其计算公式如下：

(3)

(4)

式中：Pi为第i种营养盐的污染指数；ci为第i种营养盐实测值，mg/kg；c0i为第i种营养盐评价标准，mg/kg；CFi为第i种营养盐的富集系数；cvi为第i种营养盐的背景参照值，mg/kg。

根据式(3)、式(4)和表5，邛海表层沉积物中营养盐的污染指数和富集系数见表6。邛海表层沉积物中TOC、TN和TP的污染指数分别为0.15～1.52、0.49～3.69和0.63～1.05，平均值分别为0.87、2.18、0.88。经所有采样点数据评价，邛海表层沉积物污染以安全级和最低级为主；TOC、TN和TP分别有30%、90%、30%的采样点评价为最低级，无严重级。由此可知，邛海表层沉积物整体已受污染，且邛海表层沉积物以氮污染为主，但多数底栖生物可以承受，具有造成较小生态风险的可能性。邛海表层沉积物中TOC、TN和TP的富集系数最大值分别为3.90、3.48、1.19，最小值分别为0.38、0.46和0.72，平均值分别为2.24、2.05和0.99，TOC和TN表现出显著的富集效应，邛海表层沉积物中营养盐富集程度顺序为TOC>TN>TP。

4 沉积物碳-氮-磷耦合研究

通过以往相关研究表明，湖泊沉积物中营养元素比值的不同可反映营养来源的不同特点，TOC/TN可以反映出有机质来源，有机质来源不同，TOC/TN有明显的差异。一般，细菌等微生物的TOC/TN为2～4，高等植物为14～23，水生生物为2.8～3.4，浮游植物与浮游动物为6～13，藻类为5～14[17-20]。邛海表层沉积物中TOC/TN在5.5～8.5变化，均值为7.2，样本数据集中分布在5～9，反映了邛海表层沉积物中有机质来源可能以浮游植物为主。

表6 邛海表层沉积物中营养盐的污染指数和富集系数1)

注：1)c0i取值“沉积物中营养盐的环境质量评价标准”中最低级；cvi取值邛海湖心深层沉积物中营养盐均值。

图3 邛海表层沉积物TOC与TN、TP相关性拟合Fig.3 Relation between TOC and TN and TP content in surface sediment of Qionghai Lake

邛海表层沉积物TOC与TN、TP相关性拟合结果见图3，其中图3(b)剔除了海南乡和鹅掌河河口表层沉积物的数据。邛海表层沉积物中TOC与TN具有极显著的正相关关系(r2=0.98，P<0.01)。这表明，邛海表层沉积物中TOC与TN之间关系紧密，TN主要以有机氮形式存在，TOC和TN具有显著同源性。剔除海南乡和鹅掌河河口表层沉积物的数据后，TOC和TP呈现了显著的正相关关系(r2=0.94，P<0.025)，TOC和TP具有显著同源性；反之，保留海南乡和鹅掌河河口表层沉积物数据时，TOC和TP整体相关性关系不显著。分析可知，邛海大部分水域表层沉积物TP主要受有机磷的影响，其与TOC有直接关系。根据叶华香等[21]研究分析，在邛海南岸的海南乡和鹅掌河河口两处水域表层沉积物TOC和TP相关性不显著，这两处水域存在无机磷形态，TP含量受无机磷和有机磷共同作用；分析原因，由于邛海南岸为主要的农业区，农业面源径流排入水体对表层沉积物中无机磷含量贡献较多。因此，对于邛海的保护应注重控制外源性氮、磷对表层沉积物的影响。

5 结 论

(1) 邛海表层沉积物中TOC、TN和TP平均分别为8 725、1 200、528 mg/kg。邛海表层沉积物空间分布存在一定的差异性。从总体上看，营养盐含量空间分布格局为南部高于北部，中心湖区高于东部和西部。其中，TOC和TN的空间分布规律相似。

(2) 邛海表层沉积物已受到一定程度污染，表层沉积物中TOC、TN、TP的污染指数均值分别为0.87、2.18、0.88，表层沉积物主要受氮污染。表层沉积物的营养盐污染属于多数底栖生物可承受的污染水平，具有造成较小生态风险的可能性。各营养盐的富集系数平均值为2.24、2.05和0.99，TOC和TN表现出显著的富集效应，邛海表层沉积物营养盐富集程度顺序为TOC>TN>TP。

(3) 邛海表层沉积物TOC和TN具有显著同源性；除邛海南岸海南乡和鹅掌河河口外其他区域TOC和TP具有显著同源性。对于邛海的保护应注重控制外源性氮、磷对表层沉积物的影响。

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