洞庭湖表层沉积物营养物质污染特征与生态风险评价

张光贵

湖南省洞庭湖生态环境监测中心, 湖南, 岳阳 414000

洞庭湖表层沉积物营养物质污染特征与生态风险评价

张光贵

湖南省洞庭湖生态环境监测中心, 湖南, 岳阳 414000

为揭示洞庭湖表层沉积物营养物质的空间分布特征与生态风险, 分别于2012年2月和2013年4月采集了该湖具有代表性的9个点位的表层沉积物, 测定了其OM、TN和TP的含量, 分析了营养物质的空间分布特征, 并采用沉积物质量基准法对其潜在生态风险进行了评价。结果表明, 洞庭湖表层沉积物中OM含量在1.48%—4.22%之间, 平均值为2.06%, TN含量在382—2217 mg·kg-1之间, 平均值为1340 mg·kg-1, TP含量在142—716 mg·kg-1之间, 平均值为294 mg·kg-1, 与国内其它湖泊(水库)相比, 洞庭湖表层沉积物中OM和TN含量处于中等水平, 其内源负荷不容忽视; OM和TN含量的空间分布相似, 总体表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区, TP含量总体表现为东洞庭湖区＞西洞庭湖区＞南洞庭湖区; 初步评价结果表明, 洞庭湖表层沉积物营养物质存在较低程度的生态风险, 主要来自TN和OM。

营养物质; 空间分布; 生态风险评价; 洞庭湖; 表层沉积物

1 前言

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分布和潜在生态风险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中营养物质开展了相关研究, 但主要集中在有机质及其组分的赋存特征、氮、磷含量的时空分布以及不同形态氮赋存特征与释放风险等方面[12-15],对洞庭湖沉积物中营养物质的生态风险研究还较少。目前, 沉积物中污染物质生态风险评价研究以重金属较多, 营养物质相对较少, 生态风险评价方法主要有地累积指数法、潜在生态危害指数法、沉积物质量基准法等[16], 与其它方法相比, 沉积物质量基准法更加直观、可靠[17], 已成为常用且具代表性的生态风险评价方法之一[16]。本研究通过对洞庭湖表层沉积物中有机质(OM)、总氮(TN)、总磷(TP)含量的测定, 分析营养物质的空间分布特征, 并采用沉积物质量基准法对其潜在生态风险进行评价,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。

2 材料与方法

2.1 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2625 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[18], 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[19]。

2.2 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, 采样深度约0--10 cm, 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。

2.3 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后过 100目尼龙筛, 分装于塑料袋中密封以待测。

OM含量采用经典的重铬酸钾法测定, TN含量采用半微量开氏法测定, TP含量采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗分光光度法测定。为保证分析的准确性, 实验每个样品设置2个平行样, 平行分析误差＜5%, 取平均值为结果。

2.4 沉积物质量基准法

沉积物质量基准是指特定化学物质在沉积物中实际允许数值, 是底栖生物免受特定化学物质致害的保护性临时水平, 是底栖生物剂量-效应关系的反映[20]。沉积物质量基准法即以沉积物中污染物质的含量与沉积物质量基准作比较, 从而判定风险程度高低的评价方法。

水体沉积物中污染物质重新释放进入水体会形成二次污染, 对环境具有潜在和持久的危害, 其含量水平决定了对水生生物的危害程度和性质[21]。目前国内尚无系统的针对湖泊沉积物中营养物质生态风险的质量基准。本研究以加拿大安大略省为保护和管理淡水水生环境沉积物质量指导值[22]为基准进行潜在生态风险评价, 其基准值具体见表 1, 其中LEL为最低效应水平, 该水平是大多数底栖生物的耐受含量, SEL为严重影响水平, 在此含量下, 污染物可能对底栖生物产生不利影响。当污染物含量低于 LEL时, 则认为其无生态风险; 当污染物含量高于 SEL时, 则认为其具有较高生态风险; 当污染物含量在LEL与SEL之间时, 则认为其具有较低生态风险。

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

表1 沉积物中营养物质生态风险评价基准Tab. 1 Ecological risk evaluation criterion of nutrients in sediments

3 结果与分析

3.1 沉积物中营养物质的含量

洞庭湖表层沉积物中OM、TN、TP的监测结果见表2。由表2可知, 洞庭湖表层沉积物中OM含量在 1.48%—4.22%之间, 平均值为 2.06%, 标准差为0.64%; TN含量在382--2217 mg·kg-1之间, 平均值为1340 mg·kg-1, 与王雯雯等[14]的研究结果相近, 标准差为472 mg·kg-1; TP含量在142—716 mg·kg-1之间, 平均值为294 mg·kg-1, 标准差为143 mg·kg-1。

表2 洞庭湖表层沉积物中营养物质监测结果统计(n=18)Tab. 2 Statistics of nutrients monitoring results of surface sediment in Dongting Lake(n=18)

3.2 沉积物中营养物质的空间分布

洞庭湖表层沉积物中OM含量的空间分布见图2, 由图2可知, OM含量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含量的平均值分别为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含量的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of OM contents in surface sediment of Dongting Lake

洞庭湖表层沉积物中TN、TP含量的空间分布见图3。由图3可知, TN含量以南洞庭湖区的万子湖(S4)最高(1818 mg·kg-1), 西洞庭湖区的南嘴(S1)最低(868 mg·kg-1), 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含量的平均值分别为1264 mg·kg-1、1458 mg·kg-1和1297 mg·kg-1, 总体表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区, 与OM含量的空间分布相似, 但与王伟等的研究结果刚好相反[13]; TP含量以东洞庭湖区的东洞庭湖(S8)最高(488 mg·kg-1),南洞庭湖区的横岭湖(S5)最低(204 mg·kg-1), 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含量的平均值分别为295 mg·kg-1、262 mg·kg-1和326 mg·kg-1, 总体表现为东洞庭湖区＞西洞庭湖区＞南洞庭湖区。

3.3 沉积物中营养物质的生态风险

洞庭湖表层沉积物中营养物质生态风险评价结果见表3。由表3可知, 全湖100%的点位TN含量在LEL—SEL之间, 为较低生态风险; 77.8%的点位OM含量在LEL—SEL之间, 为较低生态风险, 22.2%的点位OM含量小于LEL, 为无生态风险; 100%的点位TP含量小于LEL, 为无生态风险; 各湖区生态风险程度相当。可见, 洞庭湖表层沉积物中营养物质存在一定的生态风险, 但风险较低, 营养物质生态风险主要来自TN和OM。

4 讨论

表3 洞庭湖表层沉积物中营养物质生态风险评价结果Tab. 3 Ecological risk evaluation results of surface sediment nutrients in Dongting Lake

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

表4 不同湖库表层沉积物营养物质含量对比Tab. 4 Comparison of nutrients contents in surface sediment of different lakes (reservoirs)

与国内其它湖泊(水库)相比(表 4), 洞庭湖表层沉积物中OM 的平均含量高于鄱阳湖、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的平均含量高于太湖、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的平均含量较低, 与天目湖接近。由此可见, 洞庭湖表层沉积物中OM和TN含量在国内湖泊(水库)中处于中等水平, 位居我国五大淡水湖泊之首, 其内源负荷不容忽视。

与1985年的研究结果[30]相比, OM和TN含量分别上升了63.5%和21.6%, TP含量下降了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。有研究结果表明, 每年入湖的大量泥沙是洞庭湖水体 TP的重要来源[31], 洞庭湖表层沉积物中 TP含量的下降可能与三峡工程截流后入湖泥沙的大量减少有关, 三峡工程运行期(2003—2011年)洞庭湖年均入湖泥沙量为1911.2 万t,比三峡蓄水前(1999—2002年)减少了72 %[32]。

洞庭湖沉积物中营养物质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含量相对较高; 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[33], 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含量相对较高。此外, 万子湖(S4)沉积物中OM和TN含量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含量较高可能与其上游蒋家嘴镇工业与生活污水排放有关[34],蒋家嘴(S2)沉积物中TP含量较高可能源于其上游来水沅江水体TP含量较高[35]。

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。有研究结果表明, 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[36], 因此, 洞庭湖沉积物中营养物质的控制应以入湖河道与生活污染为主。

在洞庭湖表层沉积物营养物质生态风险评价过程中, 以加拿大安大略省为保护和管理淡水水生环境沉积物质量指导值为基准, 没有考虑地域及生物种类的不同可能造成的评价结果差异[37], 这本身就存在一些不确定性, 因此本研究所得生态风险评价结论仅仅是初步结果。

5 结论

(1) 洞庭湖表层沉积物中 OM 含量在 1.48%—4.22%之间, 平均值为 2.06%, TN含量在 382—2217 mg·kg-1之间, 平均值为1340 mg·kg-1, TP含量在142—716 mg·kg-1之间, 平均值为294 mg·kg-1。与国内其它湖泊(水库)相比, 洞庭湖表层沉积物中OM和TN含量处于中等水平, 近30年来洞庭湖表层沉积物中OM和TN含量呈增加趋势, 其内源负荷不容忽视。

(2) 洞庭湖沉积物中营养物质的空间分布与其水文特征有关。OM和TN含量的空间分布相似, 总体表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区, TP含量总体表现为东洞庭湖区＞西洞庭湖区＞南洞庭湖区。

(3) 沉积物质量基准法评价结果表明, 洞庭湖表层沉积物营养物质存在较低程度的生态风险, 主要来自TN和OM。

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Pollution characteristics and ecological risk assessment of surface sediment nutrients in Dongting Lake

ZHANG Guanggui
Dongting Lake Eco-Environmental Monitoring Center of Hunan Province, Yueyang 414000, China

In order to explore the spatial distribution characteristics and ecological risk of surface sediment nutrients in Dongting Lake, sediment samples at nine representative sampling stations were collected in February of 2012 and April of 2013, and contents of OM, TN and TP in sediment of each station were measured, the spatial distribution characteristics of nutrients were analyzed, and ecological risk of nutrients was evaluated using the sediment quality criteria method. The results showed that the OM was 1.48%-4.22%, with the average value of 2.06%, the TN was 382-2217 mg·kg-1, with the average value of 1340 mg·kg-1, and the TP was 142-716 mg·kg-1, with the average value of 294 mg·kg-1. Compare with other lakes or reservoirs in China, the contents of OM and TN in Dongting Lake were in the middle level, its endogenous load should not be ignored. The spatial distribution of OM content was similar to that of TN, generally in the order of South Dongting Lake ＞ East Dongting Lake ＞ West Dongting Lake, while TP content was generally in the order of East Dongting Lake ＞ West Dongting Lake ＞ South Dongting Lake. The preliminary analysis results showed that there was lower level ecological risk of surface sediment nutrients in Dongting Lake, mainly from TN and OM.

nutrient; spatial distribution; ecological risk assessment; Dongting Lake; surface sediment

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.025

524

A

1008-8873(2016)01-161-06

2014-08-01;

2014-12-01

张光贵(1964—), 男, 湖南南县人, 学士, 高级工程师, 主要从事水环境监测与生态研究, E-mail： zhangguanggui64@163.com

张光贵. 洞庭湖表层沉积物营养物质污染特征与生态风险评价[J]. 生态科学, 2016, 35(1)： 161-166.

ZHANG Guanggui. Pollution characteristics and ecological risk assessment of surface sediment nutrients in Dongting Lake[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 161-166.