洞庭湖及其入湖口表层沉积物氮、磷、有机质的分布及污染评价

李芬芳，黄代中，连花，郭晶，欧阳美凤，尹宇莹

湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000

沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，可以间接地反映水体污染情况（余辉等，2010）。沉积物是营养盐及其他污染物的主要蓄积库，当环境条件发生改变时，沉积物中的有机质会矿化释放出大量氮磷，并消耗水中的溶解氧，对水体造成二次污染（Shen et al.，2013；Wang et al.，2009；徐进等，2014）。因此，研究沉积物中TN、TP和OM的含量及其分布特征对控制水体富营养化和改善生态系统状况具有重要意义（卢少勇等，2012）。

洞庭湖是中国第二大淡水湖，是承纳湘、资、沅、澧四水和吞吐长江的过水性湖泊。近年来，洞庭湖氮、磷整体超标，水体富营养化日益严重，水质总体呈下降趋势（黄代中等，2013）。目前关于洞庭湖沉积物中氮、磷及有机质污染已有一些研究，但主要针对洞庭湖部分监测断面或某一种营养物质。如张光贵等（2014）针对洞庭湖的湖泊水域表层沉积物营养物质污染特征与生态风险评价进行了分析，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；王伟等（2010）研究了洞庭湖沉积物及上覆水氮的空间分布，结果表明洞庭湖各分区沉积物氮形态分布比例相差不大，主要形态为有机氮，而上覆水体氮形态分布不一，硝氮所占比例最大；王雯雯等（2013）对洞庭湖沉积物不同形态氮赋存特征及其释放风险的研究显示，沉积物中各形态氮含量空间差异较大，酸解态氮含量比例最高，生物可利用态氮主要受可交换态氮和酸解态氮的影响；王岩等（2014）研究了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，结果表明氮、磷含量总体表现为入湖河口大于湖体和出湖口，并且入湖河流中以湘江支流较高，湖体以东洞庭湖区较高。以上这些研究主要针对2009—2012年期间洞庭湖部分监测断面或某一两种营养物质进行分析，很好地揭示了洞庭湖不同区域营养物质的污染情况。通过以上这些研究，可以在一定程度上了解洞庭湖早期不同区域营养盐的污染程度，但不能从整体上把握近期整个洞庭湖及其入湖口氮、磷、有机质的污染现状和综合污染情况，为全面了解、分析洞庭湖及其入湖口表层沉积物的营养盐污染情况，有必要进一步对整个洞庭湖及其入湖口进行研究。本研究以洞庭湖及其入湖口为研究对象，研究表层沉积物TN、TP和OM的空间分布特征，利用有机污染指数和综合污染指数对洞庭湖沉积物污染状况进行评价，以期为洞庭湖富营养化的控制与治理提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 采样点布设与样品采集

于2016年9月份对洞庭湖及其入湖口共19个断面进行了表层沉积物样品的采集（图1），其中入湖口采样断面7个（湘江入湖口S1-樟树港、资江入湖口S2-万家嘴、沅江入湖口S3-坡头、澧水入湖口S4-沙河口、松滋河东支入湖口S5-马坡湖、汨罗江入湖口 S6-南渡和新墙河入湖口S7-八仙桥）；湖体采样断面12个，分别为西洞庭湖3个（S8-南嘴、S9-蒋家嘴、S10-小河嘴）；南洞庭湖4个（S11-万子湖、S12-横岭湖、S13-虞公庙、S14-团林湖）；东洞庭湖5个（S15-鹿角、S16-扁山、S17-东洞庭湖、S18-岳阳楼、S19-洞庭湖出口）。所有采样点通过便携式GPS定位采样（参照《HJ494—2009采样技术规范》），使用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品，每个断面同时采集3个样品混匀后装袋，样品经风干、磨细后过100目尼龙筛，装入塑料袋中密封，待测。

1.2 测定指标与方法

主要测定TN、TP和OM的含量。测定方法（张光贵，2016）如下：OM 采用经典的重铬酸钾法，TN采用凯氏定氮法（HJ717—2014），TP采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗分光光度法。为保证分析结果的准确性，以国家一级标准物质GSS-2、GSS-8和GSS-11为质控标样，每个样品加做平行样，同时保证平行样分析误差<5%，取平均值进行分析评价。

1.3 评价方法

目前，国内外对湖泊沉积物污染状况的评价尚缺乏统一的评价方法和标准，本研究采用综合污染指数法和有机污染指数法评价洞庭湖表层沉积物的污染状况，这两种方法常被用于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（岳维忠等，2007）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）。

图1 沉积物采样点示意图Fig. 1 Geographical map of the sampling sections of sediments中国地图的出处为国家测绘地理信息局、审图号为GS（2016）1569号 The source of the map of China is the National Bureau of Surveying and Mapping Geographic Information, and the review number is GS (2016) No. 1569.

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

式中，Si为TN或TP的评价指数，Si>1表示因子i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，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相对单一指数法而言更具代表性，其将选用的评价参数TN、TP综合成一个指数值来表征沉积物污染程度，是一种综合信息的输出指标，但是忽略了OM指标。为了使评价结果更能反映污染情况，本研究同时采用有机污染指数法（隋桂荣，1996；王永华等，2004）对沉积物的污染状况进行评价（表2）。

表2 沉积物有机污染指数评价标准Table 2 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SigmaPlot 12.5；运用SPSS 19.0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含量的空间分布

图2 洞庭湖及其入湖口表层沉积物中TN、TP、OM含量的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of TN, TP and OM contents in the surface sediments of Dongting Lake and its inlets

洞庭湖及其入湖口表层沉积物中TN、TP、OM的监测结果见图2，由图2可知，TN质量分数范围为 402~2410 mg·kg-1，平均值为 1054 m·kg-1，其中东洞庭湖区岳阳楼（S18）处TN含量最高，松滋河东支入湖口（S5）处最低，空间分布差异性不显著（P>0.05），各个区域TN平均含量呈现南洞庭湖（1320 mg·kg-1）>西洞庭湖（1048 mg·kg-1）>东洞庭湖（988 mg·kg-1）>入湖口（973 mg·kg-1），各个入湖口中湘江入湖口处TN含量最高，达1668 mg·kg-1。TP 质量分数范围为 457~935 mg·kg-1，平均值为 624 mg·kg-1，其中东洞庭湖湖区岳阳楼（S18）处TP含量最高，东洞庭湖（S17）处TP含量最低，空间分布差异性不显著（P>0.05），各个区域 TP平均含量呈现南洞庭湖（699 mg·kg-1）>入湖口（617 mg·kg-1）>西洞庭湖（615 mg·kg-1）>东洞庭湖（584 mg·kg-1），各个入湖口中湘江入湖口处TP含量最高，达736 mg·kg-1。OM质量分数范围在1.02%~7.23%之间，平均值为2.24%，其中南洞庭湖湖区万子湖（S11）处OM含量最高，新墙河入湖口（S7）处OM含量最低，空间分布差异性不显著（P>0.05），各个区域OM平均含量呈现南洞庭湖（3.37%）>西洞庭湖（2.25%）>东洞庭湖（2.13%）>入湖口（1.83%），各个入湖口中湘江入湖口处OM含量最高，达4.2%。从空间上看，TN、TP和 OM 的含量分布均表现为南洞庭湖>西洞庭湖>东洞庭湖，各个入湖口中湘江入湖口处TN、TP和OM的含量均属最高。

2.2 TN、TP和OM相关性

洞庭湖及入湖口表层沉积物OM与TN呈显著正相关（r=0.574，P<0.05）（表3），相关研究表明水体沉积物总氮中的 70%~90%是以有机氮的形式存在的（李辉等，2011），洞庭湖沉积物TN与OM 的相关关系从侧面验证了该研究结果。TN与TP相关性不大（r=0.433，P>0.05），表明 TN与TP可能具有不同的来源。OM 与 TP相关性较小（r=0.073，P>0.05），表明TP可能并非主要由沉积物中OM的富集造成。由此可推测，湖区各种生物残体的分解是洞庭湖表层沉积物OM的一个重要来源，且OM在沉积物中的富集可能是全湖中N的主要来源，而对P影响不大（余辉等，2010）。

表3 洞庭湖及入湖口表层沉积物TN、TP、OM相关性Table 3 Pearson correlation coefficients between TN, TP and OM in surface sediments of Dongting Lake and its inlets

2.3 表层沉积物污染评价

2.3.1 综合污染指数评价

洞庭湖及其入湖口表层沉积物的污染状况见图3，TN的单项污染指数范围分别为0.40~2.41，全湖及其入湖口的平均值为 1.05，属于轻度污染，约有21%样点TN处于中度-重度污染；TP的单项污染指数范围分别为1.09~2.23，全湖及其入湖口的平均值为1.49，100%样点的TP都处于中度-重度污染，TP的污染要比 TN严重。全湖及其入湖口的沉积物综合污染指数范围为1.00~2.23，平均值为1.42，属于轻度污染，其中约37%样点处于中度-重度污染。

对比东南西3个湖区和入湖口的STN、STP及FF，发现TN、TP单项污染以及综合污染均表现为南洞庭湖区比其他两个湖区及入湖口严重，这与 TN、TP的含量空间分布情况相一致。南洞庭湖区综合污染指数范围为1.42~1.92，均值1.73，25%样点处于TN重度污染，75%样点处于TP重度污染，75%样点综合污染指数达到中度污染；东洞庭湖区综合污染指数范围为1.00~2.23，均值1.35，20%样点均处于TN、TP及综合污染指数重度污染；西洞庭湖区综合污染指数范围为1.25~1.52，均值1.29，100%样点处于TN轻度污染，67%样点处于TP重度污染，33%样点综合污染指数达到中度污染；入湖口综合污染指数范围为1.22~1.73，均值1.38，约29%样点处于TN中度污染，约43%样点处于TP重度污染，其中湘江入湖口处综合污染指数值最高，达1.73，沅江入湖口次之，达1.62，均呈中度污染，其余入湖口均为轻度污染。

2.3.2 有机污染指数评价

洞庭湖及其入湖口表层沉积物有机污染指数范围为0.04~0.84，平均为0.13，属于轻度污染。对比3个湖区及入湖口的OI，发现南洞庭湖的有机污染比其他两个湖区及入湖口严重。南洞庭湖区范围为0.13~0.84，均值0.24，25%样点处于重度污染，25%样点处于中度污染；东洞庭湖区范围为0.06~0.44，均值为 0.11，20%样点处于中度污染；西洞庭湖区范围为0.09~0.19，均值为0.13，100%样点处于轻度污染；入湖口有机污染指数范围为0.04~0.38，均值为0.10，约29%样点处于中度污染，其中湘江入湖口处有机污染指数值最高，达 0.38，沅江入湖口次之，达 0.28，均呈中度污染，其余入湖口均为轻度污染或清洁。由图3可知，洞庭湖及其入湖口有机污染处于轻度污染水平，重度污染的样点所占比例为5%，中度污染的样点所占比例约为32%。

3 讨论

图3 洞庭湖表层沉积物STN、STP、FF和OI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, FF and OI indices

洞庭湖是长江出三峡后进入中下游平原的第一个通江大湖，也是典型的过水吞吐型湖泊。湖泊表层沉积物中TN、TP和OM的含量，可直接反映其污染状况（隋桂荣，1996）。近年来，洞庭湖水质整体N、P超标，TN、TP含量总体呈上升趋势，成为湖泊水质恶化和水体富营养化程度加剧的重要因子（黄代中等，2013），然而洞庭湖属于过水性湖泊，湖泊水循环周期（约20 d）短，湖水更新、交换频繁（赵运林等，2007），营养物质滞留能力较低，与流域内相邻的其他湖泊，如大通湖、东湖和南湖（林素梅等，2009）相比，沉积物中TN含量水平较低，与国内其他湖泊相比，如长寿湖（卢少勇等，2012）、巢湖（苗慧等，2017）、山口湖（刘丽娜等，2018）和太湖（甘树等，2012），洞庭湖表层沉积物TN、TP和OM的含量均处于中等水平，营养化程度属于中等程度，其内源负荷不容忽视。另外，本研究与王岩等（2014）研究洞庭湖沉积物氮磷的总体含量水平结果变化不大。

TN、TP和OM的含量水平空间分布总体表现均为南洞庭湖>西洞庭湖>东洞庭湖，与张光贵等（2014）研究的结果不一致，可能受周边面源污染、来水泥沙等外源变化的影响。卢少勇等（2017）研究表明洞庭湖区各区域农业面源污染排放 TN、TP年输出负荷量存在差异，在空间上TN、TP污染分布基本一致，TN、TP污染排放总量总体上呈中、西部高，东部低的特征。南洞庭湖比其他两个湖区污染较为严重，其综合污染指数和有机污染指数分别是1.74和0.29，均属于中度污染，东、西两个湖区均属于轻度污染。在南洞庭湖区域中万子湖（S11）处OM的含量最高，达7.23%，TN含量较高，达2129 mg·kg-1，有机污染指数为0.84，达重度污染，这与张光贵等（2014）的研究结果相一致，其原因可能与所在水域水面开阔，水流相对缓慢，以湖泊性质为主，营养物质易于沉积，且沉积物粒径偏细有关（张光贵等，2014）；也可能受到其上游沅江市区城镇生活污染和工业企业长期排污的影响（郭建平等，2007；张光贵等，2014）。另外，在各个入湖口处，南洞庭湖来水湘江入湖口处TN、TP和OM含量均属最高，综合污染和有机污染比较严重，原因可能在于：一方面，湘江流域内人口密集，人口总数约占全省的60%，经济、农业较发达，工业废水、城镇生活污水、农药化肥、畜禽粪便等污染不断上升，致使流域内大量氮、磷等污染物直接或间接排入湘江，最终流入南洞庭湖区（陈咏淑等，2004；田琪等，2016）；另一方面，湘江水体泥沙含量较高，且磷元素对泥沙有很强的亲和力，因而携磷量相对多（黄代中等，2013；王岩等，2014）。陈凌霄等（2014）研究结果表明，湖泊TN、TP主要受入湖河流污染物通量及周边污染源汇入的影响。何介南等（2009）研究显示，洞庭湖N、P等营养物质主要来源长江三口和湘、资、沅、澧四水等入湖河流，其中河道输入量最大，分别占62.48%和 49.65%。田泽斌等（2014）研究显示，洞庭湖污染物主要来源于四水水系（占总入湖污染负荷的82.82%~87.54%），湘江和沅江贡献较大。本研究7条河流均为入湖河流，接纳了来自流域内的工业、生活、农业灌溉及地表径流等来水，这些来水的污染特征及排放量的不同导致各个入湖口的TN、TP和OM的含量水平也不同，因此可以推测，洞庭湖沉积物TN、TP和OM含量的空间分布差异主要与入湖河道污染物的输入有关。除入湖河流输入外，湖区污染物的来源仍有很多，如企业直排废水等点源污染，湖区农村围垸生活污水、畜禽粪尿、农药化肥等面源污染（申锐莉等，2007），这些污染也可能会影响洞庭湖沉积物 TN、TP和OM含量的空间分布差异。

总体上，洞庭湖及入湖口表层沉积物综合污染指数和有机污染指数均呈轻度污染，但局部点位（如岳阳楼）已处于重度污染，该点位的 TN、TP含量在全湖中均属最高，分别为 2410 mg·kg-1和935 mg·kg-1，其综合污染指数为2.23，已达到重度污染，有机污染指数为0.44，属于中度污染。究其原因可能与作为湖南北部政治、经济、文化中心的岳阳市坐落于此有关，其人类活动频繁，土地垦殖率高，周边水土流失、水产养殖、农药化肥、畜禽粪便、生活污水等污染的影响可能会对周边水质造成较大影响（王伟等，2010），其中在 2014年岳阳市排放的城镇生活污水源TN、TP的排放量在洞庭湖区周边地市中占比最大，分别高达10457 t和737 t，畜禽养殖业污染物TN、TP的排放量也较大，分别为2.5万吨和3.22千吨（数据来源于《2014年湖南省环境统计数据和湖南省统计年鉴》），故其高排放量势必对岳阳市周边水域处沉积物污染造成较大的影响。从单项污染指数来看，洞庭湖及入湖口表层沉积物TN呈轻度污染、TP呈中度-重度污染，这与王岩等（2014）的研究洞庭湖沉积物氮磷污染程度得出的结论基本一致。TN、TP污染程度不同，一方面是由于洞庭湖沉积物本身就是一个极其复杂的体系，各个污染因子都有其特性，规律并不相同（邱祖凯等，2016），另一方面可能与氮磷的污染来源不同有关，TN和TP较小的相关性也从侧面说明了这一点。洞庭湖氮污染主要来源于畜禽养殖、城镇生活、工业和农田径流污染，尤其是畜禽养殖污染居首位（秦迪岚等，2011）；而磷污染除上述污染来源外，研究发现洞庭湖水体中悬浮颗粒态磷含量比例较高（李利强等，2014；田琪等，2016），而水体中颗粒态磷易沉降并贮存于沉积物中，因此每年入湖的大量泥沙也可能是洞庭湖沉积物中TP的重要来源之一（杨汉等，1999；王岩等，2014），这与沉积物中的TP含量在入湖河流尤其是湘江入湖口处较高相互印证。尽管洞庭湖表层沉积物整体上呈轻度污染，但TP污染已达中度-重度污染，其生态风险不容忽视，因此，洞庭湖污染治理应重点控制磷污染。

4 结论

（1）与国内其他湖泊相比，洞庭湖及其入湖口表层沉积物TN、TP和OM的含量均处于中间水平。空间格局均表现为南洞庭湖>西洞庭湖>东洞庭湖，各个入湖口中湘江入湖口处TN、TP和OM的含量均属最高。

（2）Pearson相关性分析表明，OM与TN呈显著正相关（r=0.574，P<0.05），TN与TP（r=0.433，P>0.05）和 OM 与 TP（r=0.073，P>0.05）相关性均不显著。

（3）综合污染指数和有机污染指数评价表明，洞庭湖及其入湖口表层沉积物整体上呈轻度污染，南洞庭湖污染比东、西洞庭湖及入湖口严重，各个入湖口中以湘江入湖口污染最高。