巢湖表层沉积物氮、磷、有机质的分布及污染评价

苗 慧，沈 峥，蒋 豫，石惠娴，张亚雷，蔡永久*

1. 同济大学国家设施农业工程技术研究中心，上海 200092；2. 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；3. 江苏省生态环境评估中心，江苏 南京 210036；4. 中国科学院南京地理与湖泊研究所//中国科学院流域地理学重点实验室，江苏 南京 210008

巢湖表层沉积物氮、磷、有机质的分布及污染评价

苗 慧1,2，沈 峥1,2，蒋 豫3,4，石惠娴1，张亚雷2，蔡永久4*

1. 同济大学国家设施农业工程技术研究中心，上海 200092；2. 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；3. 江苏省生态环境评估中心，江苏 南京 210036；4. 中国科学院南京地理与湖泊研究所//中国科学院流域地理学重点实验室，江苏 南京 210008

巢湖是中国第五大淡水湖，近年来富营养化问题严重，氮、磷、有机质增加是导致湖泊富营养化的重要驱动因素，而沉积物是湖泊氮、磷、有机质的主要归宿地。因此，了解巢湖沉积物氮、磷、有机质的含量及分布特征，对探明巢湖沉积物营养物质的污染状况及其富营养化控制与治理具有重要参考意义。在全湖布设了33个样点，对表层（0～10 cm）沉积物进行采样，分别采用重铬酸钾-硫酸硝化法、高氯酸-硫酸酸熔-钼锑抗比色法和烧失量法（550 ℃，焙烧5 h）测定沉积物总氮（TN）、总磷（TP）以及有机质（OM）含量，分析了TN、TP和OM含量的空间分布特征及相关性，并运用综合污染指数法和有机污染指数法评价其污染程度。结果表明，表层沉积物TN、TP和OM的含量范围（以下均称为范围）分别为64～3 005 mg·kg-1、333～2 122 mg·kg-1、1.79%～10.38%，均值分别为 1 737 mg·kg-1、691 mg·kg-1、5.86%；空间上均表现为西湖区高于东湖区。Pearson相关性分析显示，表层沉积物 OM 与 TN（r=0.75，P＜0.01），OM 与 TP（r=0.63，P＜0.01），TN 与 TP（r=0.66，P＜0.01）均呈显著正相关。综合污染指数范围为0.69～4.24，全湖平均值为1.83，有机污染指数范围为0.01～1.42，全湖平均值为0.63，两种指数法均显示巢湖表层沉积物TN、TP和OM污染严重，且西湖区污染较东湖区严重。

巢湖；表层沉积物；营养物质；分布特征；污染评价

沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分（王佩等，2012），是湖泊水中污染物质（包括氮磷）沉积后的归宿地。另一方面，沉积物中的有机质在一定理化条件下会矿化释放出大量氮磷，并消耗水中溶解氧，对水体造成二次污染（Shen et al.，2013；徐进等，2014）。因此，沉积物是湖泊氮磷累积和再生的重要场所。氮磷是导致湖泊富营养化的重要驱动因素（鲍林林等，2017），因此在治理湖泊富营养化时，沉积物中 TN、TP、OM 是备受关注的重要指标。

巢湖是中国第五大淡水湖，位于安徽省中部，水域面积约769.55 km2，具有航运、渔业、灌溉、防洪、水源地等多种功能（朱喜等，2016）。近年来由于受流域内人口及工农业等发展的影响，巢湖水体和沉积物中的污染物不断累积，富营养化问题严重，蓝藻水华爆发频繁。

目前关于巢湖沉积物氮磷及有机质污染已有一些研究，但主要针对巢湖某一水域或某一种营养物质。如Chen et al.（2011）研究了巢湖西部湖心的底芯，结果表明由于工业、农业以及生活污水的大量排放，巢湖沉积物的营养负荷从19世纪70年代开始累积。王永华等（2003）对巢湖合肥区沉积物污染物分布特征的研究显示TN与OM具有同源性。石勇（2009）研究巢湖塘西河河口处的沉积物发现沿堤修建的旱厕、畜禽舍等排放的大量含氮磷污染物是导致河口沉积物氮磷含量偏高的主要原因。李峰等（2012）对巢湖十五里河水花生（Alternanthera philoxeroides）生长区的表层沉积物营养盐的研究显示，水花生生长区表层沉积物-上覆水界面营养盐源、汇关系具有很好的一致性。以上研究均针对巢湖的某个区域进行，很好地揭示了巢湖不同区域营养物质的污染情况。通过这些研究，可以在一定程度上确定巢湖不同区域的污染程度，但不能从整体上把握整个巢湖N、P、OM的污染现状。Huo et al.（2011）研究巢湖全湖磷的分布特征，发现由于不同的入湖河流和污染源导致巢湖P在不同位置有不同的浓度和空间分布。Zan et al.（2012）对巢湖全湖沉积物磷进行研究，发现巢湖西湖区TP比东湖区严重。Zhang et al.（2008）对巢湖氮动力学的研究显示巢湖西湖区沉积物TN的平均含量高于东湖区。Xu et al.（2017）采用Multiport element model（MEM）法研究巢湖沉积物OM来源，得出巢湖富营养化问题由来已久的结论。Liu et al.（2012）在研究人类活动对巢湖沉积物磷的影响时发现从 16世纪中叶开始，由于人口增长以及农业的发展，巢湖周围久经风霜的表层土大量进入湖泊，导致巢湖TP浓度升高。Ding et al.（2014）通过对巢湖沉积物中磷活动的研究，推测工业废水、生活污水以及农业含磷废水的排放导致了巢湖沉积物中TP的增长。上述研究均从巢湖全湖着手，但研究的是某一种营养物质污染状况，缺乏对导致巢湖富营养化的其他关键指标的分析探讨。

为全面了解、分析巢湖表层沉积物的污染情况，有必要进一步对整个巢湖进行研究。本研究以巢湖全湖为研究对象，研究表层沉积物TN、TP和OM的空间分布特征和污染状况，以期为巢湖富营养化的控制与治理提供科学数据支撑。

图1 巢湖表层沉积物采样点分布图Fig.1 Location of sampling sites for surface sediments in Chaohu Lake

1 材料与方法

1.1 采样点布设与样品采集

以姥山岛为界，可将巢湖划分为东、西两个湖区（昝逢宇等，2010），在全湖布设 33个采样点（图1），其中西湖区12个点（L1～L12），东湖区21个点（L13～L33）。采样时间为2013年4月，用柱状采样器采集沉积物柱状样，样品采集后用分样器取表层10 cm泥样，混匀后装入清洁的聚乙烯自封袋冷冻保存带回实验室，在-50 ℃下冷冻干燥后剔除动植物残体及石块，然后研磨过100目尼龙筛，置于干燥器中待测定。

1.2 测定指标与方法

主要测定项目为TN、TP和OM含量。

TN、TP含量的测定按照《湖泊富营养化调查规范》中TN、TP的测定方法进行（金相灿等，1990）。TN含量采用重铬酸钾-硫酸消化法测定；TP含量测定采用高氯酸-硫酸酸熔-钼锑抗比色法测定。OM含量采用烧失量法（550 ℃，焙烧5 h）（钱宝等，2011）测定。

1.3 评价方法

目前，国内外对浅水湖泊沉积物污染状况的评价尚缺乏统一的标准与方法，本研究采用综合污染指数法和有机污染指数法评价巢湖表层沉积物的污染状况，这两种方法常用于浅水湖泊沉积物污染评价研究。

1.3.1 综合污染指数法

采用综合污染指数法（杨洋等，2014）评价表层沉积物TN、TP污染程度，由单项污染指数公式计算综合污染指数（FF）。根据王佩等（2012）评价标准，进行综合污染程度分级（表1）。

表1 沉积物综合污染程度分级Table1 Classification of comprehensive pollution of surface sediments

式中，Si为单项评价指数或标准指数，Si大于1表示因子i含量超过评价标准值；Ci为评价因子i实测值；Cs为评价因子i的评价标准值，TN的Cs取 1000 mg·kg-1，TP 的 Cs取 420 mg·kg-1（张敏，2005）；F为n项污染指数平均值（STN和STP中平均值）；Fmax为最大单项污染指数（STN和STP中最大者）。

1.3.2 有机污染指数评价

综合污染指数评价法将选用的评价参数 TN、TP综合成一个指数值来表征沉积物污染程度，其相对于单一指数法而言更具优越性，是综合信息输出指标，但是忽略了OM指标。为了使评价结果更完善，同时采用有机污染指数法（李苗，2013）对沉积物污染现状进行进一步评价（表2）。

表2 巢湖沉积物有机污染指数评价标准Table2 Assessment standards of sediment Organic Pollution Index

OI=OC×ON

ON=TN×0.95

OC=OM/1.724

式中，OI为有机指数，%；OC为有机碳，%；ON为有机氮，%。

1.4 数据分析

数据统计采用Excel 2013；作图采用Arcgis 9.3和Origin 9.0；运用Spss 20.0软件计算沉积物TN、TP和OM之间的Pearson相关系数以探讨表层沉积物各营养盐的相关性。

2 结果与分析

2.1 TN、 TP和OM含量空间分布和相关性

2.1.1 空间分布特征

巢湖表层沉积物 TN、TP、OM 含量的空间分布整体上均呈现西湖区高于东湖区，且空间分布差异显著。TN 范围为 64～3005 mg·kg-1，平均值为1794 mg·kg-1，其中派河入湖口处TN含量最高，兆河入湖口处最低，TN含量高值（≥2000 mg·kg-1）主要分布在西湖区南淝河入湖口水域以及东湖区的东北面靠湖岸区（图 2a）。西湖区 TN范围为642～3005 mg·kg-1，平均值为 1934 mg·kg-1，东湖区745～2755 mg·kg-1，平均值为 1702 mg·kg-1。TP 范围为 333～2122 mg·kg-1，平均值 651 mg·kg-1，其中TP高值点位主要分布在西湖区南淝河入湖口水域和东湖区柘皋河及双桥河入湖口水域（图 2b）。西湖区 TP范围为 502～2122 mg·kg-1，平均值为 792 mg·kg-1，显著高于东湖区（范围为 333～751 mg·kg-1，平均值为 570 mg·kg-1）。OM 范围为 1.79%～10.38%，平均值为5.86%，其中OM含量最高值位于东湖区西边的湖心处，高值主要分布在西湖区以及东湖区的东面，较低值则位于兆河入湖口附近（图 2c）。西湖区OM范围为1.79%～8.8%，平均值为6.48%，东湖区为2.31%～10.38，平均值为5.52%。

2.1.2 TN、TP和OM相关性

表层沉积物 OM 与 TN（r=0.752，P＜0.01），OM 与 TP（r=0.631，P＜0.01），TN 与 TP（r=0.662，P＜0.01）均呈显著正相关（表3），OM与TN相关性最高，表明N、P的形态、来源及其在水中的迁移转化过程具有一定相似性（徐康等，2011），且沉积物中氮以有机氮为主（卢少勇等，2012）。由此可推测，湖区各种生物残体的分解是巢湖表层沉积物OM的一个重要来源，且OM在沉积物中的富集可能是全湖 N、P（尤其是 N）的主要来源（余辉等，2010）。

图2 巢湖表层沉积物TN（a），TP（b），OM（c）含量及空间分布Fig.2 Spatial patterns of contents of TN (a), TP (b), OM (c)in surface sediments of Chaohu Lake

表3 巢湖表层底泥TN、TP、OM相关性Table3 Pearson correlation coefficients between TN、TP and OM in surface sediments of Chaohu Lake

2.2 表层沉积物污染评价

2.2.1 综合污染指数评价

表层沉积物TN、TP的单项污染指数范围分别为0.06～3.01和0.79～5.05，全湖平均分别为1.74和1.65。约有35%样点TN处于中度污染，且TP的污染比 TN严重。沉积物综合污染指数范围为0.69～4.24，全湖平均为1.83，约60%样点处于中度-重度污染。

对比东西两个湖区的STN、STP及FF，发现TN、TP单项污染以及综合污染均表现为西湖区比东湖区严重（图3），这与TN、TP、OM含量的空间分布情况相一致。西湖区超过50% 样点处于TN、TP重度污染，TP污染尤甚，其重度污染样点约占西湖区样点的75%。东、西湖区综合污染指数范围分别为 0.69～2.52、1.07～4.24，均值分别为 2.64和 1.60，均处于中度-重度污染。

图3 巢湖表层沉积物STN，STP和FF评价不同污染等级点位百分比组成Fig.3 Percentage composition of the number of sites assigned to different pollution levels based on STN, STP and FF Indices

图4 巢湖表层沉积物有机指数评价不同污染等级点位百分比组成Fig.4 Percentage composition of the number of sites assigned to different pollution levels based on Organic Pollution Indice

2.2.2 有机污染指数评价

巢湖表层沉积物有机污染指数范围为 0.01～1.42，全湖平均为 0.63，其中西湖区范围为 0.06～1.32，均值0.76，约76%样点处于重度污染；东湖区有机污染指数范围为 0.01～1.42，均值 0.57，约50%样点处于重度污染。从图4可以直观地看出巢湖全湖有机污染严重，处于重度污染的样点所占比例高达60%。

3 讨论

TN、TP和OM的含量分布均表现为西湖区高于东湖区，且整体上均呈现由西向东、由北向南降低的趋势，这与温胜芳等（2012）、徐康等（2011）的研究结果相一致。一方面，西湖区主要城市为合肥市（包括合肥市区、肥东县、肥西县），拥有化工、食品、冶金、机械等34个工业行业（Shang et al.，2005），所排放的污水通过南淝河、十五里河和派河汇入巢湖西湖区。研究显示，南淝河入湖口水域TP含量高达2122 mg·kg-1，派河入湖口水域TN 含量高达 3005 mg·kg-1，分别为全湖 TN、TP含量的最高值。这2处的综合污染指数分别为4.24和2.74，均属重度污染；派河入湖口水域有机污染指数达1.32，有机污染严重。大量的污染物进入巢湖西湖区，导致西湖区污染严重（Shang et al.，2007）；另一方面，20世纪60年代巢湖建闸改变了其水文特征，使其成为水流缓慢的半封闭性水域，高营养水平及风向等因素共同导致巢湖西湖区蓝藻频发，死亡藻类长期于湖体底部累积也是导致西湖区沉积物营养物质含量偏高的一个原因（潘成荣等，2007）。相对而言，东湖区所处区域以渔牧业及食品等产业为主（Shao et al.，2016），该区的兆河、双桥河等入湖河流所处区域人口较少，城市化程度低，经济较不发达，入湖污染物总量相对较低，故东湖区的污染相对较轻。其中的兆河入湖口水域综合污染指数为0.69，有机污染指数为0.01，表明该水域处于清洁状态，受污染程度低。西湖区人口数量及人均GDP、工业生产总值均高于东湖区（截至2010年，西湖区人均GDP和工业生产总值分别约为东湖区的3倍和4倍）（任武，2010），故其接纳的工业及生活污染物较东湖区多，可以推测巢湖沉积物TN、TP和OM含量的空间分异主要与沿湖经济发展状况及人类活动排入湖泊的污染物有关，这与李国莲（2012）研究巢湖沉积物氮磷有机质污染物得出的结果一致。

派河附近TN、OM含量较高（图2），结合表3可推测派河附近沉积物中的N以有机氮为主。派河附近农业较为发达（白玉方等，2016），农田回水是其主要氮污染源，可能导致派河附近TN含量偏高。西湖区南淝河入湖口水域及东湖区的东北面靠湖岸区TN、TP含量均较高，据王书航等（2011）报道，南淝河作为合肥市工业和生活污水的主要排水沟，是巢湖9条入湖河流中污染最为严重的河流，工农业等产生的大量污染物质通过该河排入巢湖并于湖底沉积，使得该区域TN、TP和OM污染均很严重。对于巢湖东湖区而言，其附近乡村多，农业及农村地表土壤流失和面源性废水的排放是导致其OM含量偏高的重要原因（Zhao et al.，2015）。东湖区东面靠近双桥河，该处污水管网不完善（刘姝等，2012），污染物大量流入湖口，成为巢湖的一个重要污染源；北部震旦系与寒武纪砂页岩中蕴含的磷矿床不断被开采（Zan et al.，2012），则是导致该区TP含量偏高的另一个原因。

4 结论

（1）巢湖表层沉积物TN、TP和OM含量较高，空间格局均表现为西湖区高于东湖区。

（2）OM与TN（r=0.752，P＜0.01），OM与 TP（r=0.631，P＜0.01），TN 与 TP（r=0.662，P＜0.01）均呈显著正相关，表明N、P的形态、来源及其在水中的迁移转化过程具有一定相似性，且N以有机氮为主；OM 在沉积物中的富集可能是全湖 N、P（尤其是N）的主要来源。

（3）综合污染指数评价表明，巢湖表层沉积物处于中度-重度污染。有机污染指数评价表明其基本处于重度污染。西湖区各项污染均比东湖区严重。

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Distribution Characteristics and Pollution Assessment of Nitrogen, Phosphorus and Organic Matter in Surface Sediments of Chaohu Lake

MIAO Hui1,2, SHEN Zheng1,2, JIANG Yu3,4, SHI Huixian1, ZHANG Yalei2, CAI Yongjiu4*
1. National Engineering Research Center of Protected Agriculture, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China;3. Jiangsu Provincial Ecological Assessment Center, Nanjing 210036, China;4. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

Chaohu Lake, the fifth largest freshwater lake in China, has been undergoing serious eutrophication in recent years. As well known, nitrogen, phosphorus and organic matter in sediments is important sources of lake eutrophication. Hence, characterizing the contents and distribution of nitrogen, phosphorus and organic matter in sediments in Chaohu Lake is of great significance for understanding the pollution status and remediation of eutrophication. In this paper, the surface sediments (0～10 cm) were sampled at 33 sampling sites over the whole lake. Potassium dichromate sulfuric acid nitration method, Perchlorate-sulfuric acid melting-molybdenum antimony colorimetric method and Ignition loss method (550 ℃, baked for 5 h) were employed to determine the contents of TN, TP and OM, respectively. Spatial patterns of TN, TP and OM and their correlations were examined, meanwhile,comprehensive pollution index and organic pollution index were employed to evaluate pollution status. The results showed that the range of TN, TP and OM contents were 64～3 005 mg·kg-1, 333～2 122 mg·kg-1, 1.79%～10.38%, respectively, which presented similar spatial patterns with the western region had relatively higher contents than the eastern part. Pearson correlation analysis indicated that TN was significantly correlated with OM (r=0.75, P＜0.01) and TP (r=0.66, P＜0.01), similarly, OM also strongly correlated with TP(r=0.63, P＜0.01). Ranges of comprehensive pollution index and organic pollution index were 0.69～4.24 and 0.01～1.42, with the average values of 1.83 and 0.63, respectively. The two indices indicated serious pollution of TN, TP and OM in Chaohu Lake, and there was more serious pollution in the western region than that of the eastern region.

Chaohu Lake; surface sediments; nutrients; distribution characteristics; pollution assessment

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.016

X53; X824

A

1674-5906（2017）12-2120-06

苗慧, 沈峥, 蒋豫, 石惠娴, 张亚雷, 蔡永久. 2017. 巢湖表层沉积物氮、磷、有机质的分布及污染评价[J]. 生态环境学报, 26(12): 2120-2125.

MIAO Hui, SHEN Zheng, JIANG Yu, SHI Huixian, ZHANG Yalei, CAI Yongjiu. 2017. Distribution characteristics and pollution assessment of nitrogen, phosphorus and organic matter in surface sediments of Chaohu Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2120-2125.

国家自然科学基金项目（31670466）；科技部基础性工作专项（2013FY111802）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07501-002-008）

苗慧（1993年生），女，硕士研究生，主要从事水处理研究。E-mail: m1058161050@163.com

*通信作者，E-mail: caiyj@niglas.ac.cn

2017-09-05