南京玄武湖营养盐现状分析与评价

薛智杰 张风菊 桂智凡

摘要  为揭示玄武湖营养盐现状及空间分布，于2016年11月采集了玄武湖东南湖区、北部湖区及西南湖区21个点的水体和表层沉积物样品，分析不同湖区水体和沉积物理化参数及营养盐分布，并结合综合营养状态指数法、有机指数和有机氮含量评价了玄武湖水体营养水平及沉积物污染状况。结果表明，综合营养状态指数显示玄武湖东南湖区和北部湖区水体为中营养水平，西南湖区为轻度富营养水平;沉积物污染方面，玄武湖3个湖区有机指数和有机氮含量均较高，表明全湖有机污染及氮污染严重，且东南湖区和西南湖区污染程度较北部湖区高。

关键词 玄武湖;水体;表层沉积物;营养盐;污染评价

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）01-022-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.01.010

Analysis and Evaluation of Nutrients of Xuanwu Lake in Nanjing

XUE Zhi-jie  et al（Nanjing Jiangning Senior High School， Nanjing， Jiangsu 210008）

Abstract In order to investigate the current state and spatial distribution of nutrients of Xuanwu Lake， water and surface sediment samples were collected at twenty？鄄one stations in three different lake zones（the southeastern lake area， the northern lake area and the southwestern lake area） of Xuanwu Lake in November 2016. The physical and chemical parameters of water bodies and surface sediment in different lake areas were analyzed. The nutrient level and sediment pollution of Xuanwu Lake were evaluated based on the comprehensive trophic level index， organic index and organic nitrogen index. The results showed that lake water in the southeastern lake area and the northern lake area was mesotrophic， while lake water in the southwest lake area was at light eutrophication level. In addition， both the organic index and organic nitrogen index of Xuanwu Lake were very high， indicating that the organic pollution and nitrogen pollution were serious， especially in the southeastern lake area and the southwestern lake area.

Key words   Xuanwu Lake; Lake water; Surface sediment; Nutrient; Pollution assessment

湖泊、水庫等封闭型水体的富营养化已日益成为全球性的水环境污染问题。据统计，目前全球约有75%以上的封闭型水体存在富营养化问题[1]。我国幅员辽阔，湖泊众多，近年来，随着人口增加，工业化、城市化及现代农业的快速推进，大量营养元素（氮磷）及有机物排入湖泊中，导致湖泊富营养化形势十分严峻。富营养化问题已成为中国湖泊水质的严重威胁，是水体环境保护中非常重要的问题。因此，研究湖泊水体的富营养化现状及其变化规律，揭示湖泊沉积物中氮磷有机质的含量及其分布特征，不仅有助于了解湖泊内外源污染状况，同时对湖泊流域生态环境整治也有重要指导意义。

玄武湖（32°04′ N，118°48′ E）位于南京市玄武区，是南京市一处重要的水体景观、国家4A级风景区，属于典型的城市浅水湖泊。湖面面积为3.7 km2，平均水深为1.2 m，其水面被梁洲、翠洲、环洲等分割成北部湖区、东南湖区、西南湖区3部分，彼此通过桥、涵相连[2]。湖泊汇水主要来自紫金山北麓雨水以及流域内工业废水和生活污水[3]。富营养化一直是玄武湖面临的主要生态与环境问题。自20世纪50年代开始，玄武湖受局部清淤、筑堤修闸和投饵养鱼等影响，原有的水生生态系统逐渐崩溃，大型水生植物消失，形成了以浮游植物为唯一初级生产者的生态系统[4]。20世纪80年代起，玄武湖已呈现重度富营养状态，90年代死鱼现象频频发生[2]。2005年夏季更是首次发生大面积以微囊藻属为主要优势类群的蓝藻水华，造成湖水水质恶化，局部区域散发恶臭气味，严重破坏了玄武湖的景观功能，并危及水产养殖和水上运动等[5]。在此之后，南京市相关部门高度重视玄武湖蓝藻水华问题，通过截污、清淤、引水、湖内环境整治和生物修复等多种方法综合防治蓝藻水化暴发，尽管已取得一定成效，但形势仍不容乐观[3，6-7]。

笔者通过玄武湖不同湖区水体和表层沉积物营养盐含量及空间分布，探讨玄武湖水体和沉积物营养水平及分布特征，分析其相关关系及污染现状，以期为制定其水体恢复和保护措施提供基础数据，也为玄武湖环境质量综合评价提供科学依据。

1 采样与指标测定方法

1.1 样品采集

为全面了解玄武湖水环境现状，于2016年11月在玄武湖三大湖区设置21个采样点（图1），采集水体及表层沉积物样品。现场利用透明度盘和声呐测深仪获取透明度（SD）和水深（WD）;使用YSI 6600 V2型多参数水质监测仪测定水体的水温（WT）、pH、电导率（Cond）、总溶解性悬浮物（TDS）、溶解氧（DO）等参数。用5 L的采水器采集表层、中层和底层水样，并现场混匀后取5 L混匀水样冷藏带回实验室分析水质指标。利用彼得森采泥器获取表层沉积物样品，于当天带回实验室冷藏保存，用于后续分析。

1.2 常规理化指标测定方法

湖水总氮（TN）和溶解态总氮（TDN）采用过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;硝态氮（NO3-？鄄N）采用酚二磺酸分光光度法测定;亚硝态氮（NO2-？鄄N）采用对氨基苯环酰胺-萘乙二胺分光光度法测定;铵态氮（NH4+？鄄N）采用纳氏试剂比色法测定;总磷（TP）和溶解态总磷（TDP）采用钼酸铵分光光度法测定;高锰酸盐指数（CODMn）采用测定高锰酸盐滴定法测定;正磷酸盐（PO43-？鄄P）采用磷钼蓝分光光度法测定;叶绿素a（Chl？鄄a）采用丙酮萃取分光光度法进行测定[8]。沉积物总氮（TNs）及总磷（TPs）采用过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;沉积物中值粒径（Φ50）采用英国MALVERN公司生产的Mastersiezr 2000激光粒度仪测定;沉积物烧失量（LOI）采用煅烧法测定，并根据其与有机碳（TOC）之间的线性关系计算沉积物TOC含量[9]。

1.3 湖泊富营养化评价方法

湖泊富营养化评价，就是通过与湖泊营养状态有关的一系列指标及指标间的相互关系，对湖泊的营养状态做出准确的判断[10]。目前我国湖泊富营养化评价的基本方法主要有营养状态指数法[卡尔森营养状态指数（TSI）]、修正的营养状态指数（TSIM）、综合营养状态指数（TLI）、营养度指数法（AHP？鄄PCA）和评分法。目前对于湖泊水体富营养化的研究，通常采取综合营养状态指数法。该文对玄武湖的富营养化评价也采取综合营养状态指数法。该指数的计算公式如下：

TLI（∑）=∑  TLI（j）×Wj（1）

式中，TLI（∑）为综合营养状态指数;TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数;Wj为第j种参数的营养状态指数的权重。根据中国环境监测总站制定的《湖泊（水库）富营养化评价方法及分级技术规定》，此次的营养状态参数包括TN、TP、Chl？鄄a、SD、CODMn，其相应的权重分别为0.179、0.188、0.266、0.183、0.184[10]。各参数的营养状态指数计算公式及分级标准参照文献[10]。为评估营养状态的空间变化特征，用不同湖区各指标的点位平均值计算各湖区的TLI指数。

1.4 湖泊表层沉积物污染状况评价方法

目前国内外对湖泊沉积物环境尚缺乏统一的评价方法和标准，针对玄武湖表层沉积物的特点及分布特征，采用有机指数（OI）和有机氮（ON）评价玄武湖沉积物污染状况[11]。有机指数常用来评价水域沉积物的环境状况，有机氮则是衡量湖泊表层沉积物是否遭受氮污染的重要指标[11-12]。沉积物中有机指数的计算方法如下：

OI=TOC（%）×ON（%）（2）

ON（%）=95%×TN（%）（3）

沉积物有机指数及有机氮评价分级标准参照文献[11]。为评估表层沉积物污染状况的空间变化特征，用不同湖区各点位有机指数及有机氮的平均值分别计算各湖区的有机指数及有机氮值。

1.5 数据分析

数据处理主要采用数理统计学方法。鉴于各水质理化参数间不完全独立，部分指标存在相互影响，应用双因素多元方差分析法（MANOVA）分析各采样点对水质整体状况的影响，在达到显著水平时，进一步用单因素方差分析法（one？鄄way ANOVA）分析各样点间的差异。MANOVA及ANOVA采用SPSS 20.0软件进行分析，其余图件应用Arcgis 9.3、Origin 8.5和Excel 2010软件进行相关分析和绘制。

2 结果与分析

2.1 水体理化指标空间变化特征

玄武湖2016年11月水体理化指标统计结果见表1。水体物理参数方面，玄武湖各湖区间的Cond、TDS、pH、DO、WD方差分析结果显著（P<0.01）。多重比较结果表明，Cond、TDS在玄武湖各湖区间均差异显著（P<0.05），高低顺序为东南湖区>西南湖区>北部湖区;西南湖区的pH、DO显著低于东南湖区和北部湖区（P<0.01），但东南湖区和北部湖区间差异不显著;西南湖区的WD显著高于东南湖区和北部湖区（P<0.01），东南湖區和北部湖区间差异不显著。其他水环境物理参数在3个湖区间无显著差异。

水质营养盐参数方面，玄武湖各湖区的TN、TP、TDN、TDP、PO43-、Chl？鄄a、COD方差分析结果显著（P<0.05），多重比较结果表明，北部湖区的TN、TP、TDP、Chl？鄄a、COD显著低于西南湖区和东南湖区（P<0.05），但西南湖区和东南湖区差异不显著。其他水质营养盐参数也有类似趋势。

2.2 沉积物理化指标空间变化特征

湖泊表层沉积物中TN、TP和TOC的含量，可直接反映其污染状况[11]。由表1可知，玄武湖表层沉积物TN、TP和TOC平均值分别为0.26%、0.06%和4.3%。各湖区沉积物的TOC和TNs差异显著（P<0.05），东南湖区、北部湖区及西南湖区TOC平均值分别为5.1%、3.2%和4.6%，相应的TNs平均值分别为0.29%、0.25%和0.24%。东南湖区、北部湖区和西南湖区间TPs差异不明显，其平均值分别为0.07%、0.06%和0.05%。同时，TOC与TN及TP间的相关性表明，TOC与TN间高度正相关（r=0.918，P<0.01），而与TP间的相关性不明显（r=-0.027，P>0.05），这表明玄武湖表层沉积物中TN与TOC间关系紧密，氮主要以有机氮形式存在，而表层沉积物中的TP则可能主要以无机磷形态存在。同时也可推断，TOC在沉积物中的富集可能按一定方式成为整个湖体氮的重要来源，而对磷的影响较小。

2.3 沉积物氮磷含量与湖水氮磷含量关系

氮磷等营养元素在沉积物中的累积受湖水总氮、总磷浓度及湖水理化性质、沉积环境等多因素的制约。当湖水总氮、总磷浓度较高时，除了满足水生生物的摄取需求外，氮、磷等元素在底泥中就有较多的沉积和积累[13]。玄武湖各采样点表层沉积物中TN、TP的含量与其上覆层湖水中TN、TP浓度的相互关系如图2所示。由图2可知，玄武湖沉积物中TN及TP与湖水中的TN及TP相关性并不明显，这与先前其他研究的结果存在一定差异[13-14]。究其原因，这可能和玄武湖自身特点有关。玄武湖湖水中的总氮是由流域内工农业及生活污水排放带来的，无机氮含量较高，而沉积物中的总氮则是由湖水中水生植物残体及流域内随径流进入湖体的腐殖质沉积造成的，主要是有机氮，因此导致沉积物TN与湖水中TN相关性不明显。尽管湖水TP也主要来自流域内工农业及生活污水排放，但磷在沉积过程中发生剧烈的生物化学作用，导致沉积物TP与湖水TP相关性也较差。

2.4 玄武湖水体营养状态评价

玄武湖各采样点TLI指数变化范围在42.5～58.0，均值为48.2。东南湖区、北部湖区及西南湖区TLI指数分别为49.7、45.2和52.0，且各湖区间的TLI指数得分方差分析结果显著（P<0.01）。多重比较结果表明，北部湖区的营养水平显著低于西南湖区和东南湖区（P<0.01），西南湖区和东南湖区的营养水平差异不显著。根据综合营养状态指数评估标准，玄武湖东南湖区和北部湖区为中营养水平，西南湖区为轻度富营养水平。

值得注意的是，此次各样点TLI指数的评估结果只能代表玄武湖低温时节的营养水平。采样时间为秋末冬初，该季节的低温会抑制藻类生长，从而造成玄武湖的TLI指数总得分偏低。若基于TN和TP浓度评估玄武湖的营养水平[15]，则玄武湖总体处于中度富营养水平。

2.5 玄武湖表层沉积物质量评价

根据有机指数和有机氮评价方法和标准，玄武湖表层沉积物的污染状况评价见表2。由表2可知，玄武湖全湖有机指数范围介于0.22～2.59，变幅较大，平均为1.06，有机污染属于Ⅳ级;从有机氮指标来看，全湖区有机氮变化范围为0.11%～0.38%，平均约为0.23%，达Ⅳ级，属于有机氮污染程度，说明全湖氮污染严重，与有机指数结果相一致。总体来说，东南湖区和西南湖区较北部湖区污染严重，这可能主要与其各种营养盐及生物残留沉积有关。此外，各水域环境功能不同可能也是影响不同湖区污染程度的重要原因。东南湖区和西南湖区周围都设置了多家游船停泊码头，游客旅游观光带来大量外源污染物，导致沉积物有机污染相对较严重。

3 讨论

3.1 玄武湖水体污染分析

尽管此次研究根据综合营养状态指数法得出玄武湖水体富营养化程度相对较低，但该值仅代表了湖泊2016年秋末冬初时的营养水平，考虑到湖泊富营养化程度通常随季节变化明显，且富营养化程度在夏秋季节较冬春季节高的特点[16]，玄武湖整体富营养化水平仍处于较高状态。此外，此次研究显示玄武湖各样点水体TN质量浓度变化范围为2.30～4.35 mg/L（平均值约为2.99 mg/L），TP质量浓度变化范围为0.10～0.30 mg/L（平均值约为0.16 mg/L），从氮磷质量浓度的角度来看，玄武湖总体处于中度富营养水平。梅卓华等[2]曾研究了2006年4月至2007年3月玄武湖水体水质变化，结果表明一年中湖水TN的质量浓度变化范围为1.34～2.88 mg/L（平均值为1.69 mg /L），TP 的质量浓度变化范围为0.04～0.33 mg/L（平均值为0.10 mg/L），其中2006年11月TN及TP质量浓度分别为1.95和0.07 mg/L;赵大勇等[17]对2010年4月玄武湖不同样点水体营养盐的研究表明，玄武湖TN的质量浓度变化范围为1.43～2.94 mg/L（平均值为1.91 mg/L），TP的质量浓度变化范围为0.01～0.26 mg/L（平均值为0.11 mg/L），这些值均低于该研究中各采样点TN及TP的质量浓度平均值。

为了改变玄武湖的富营养化状态，近十几年来，玄武湖进行过2次大规模的清淤活动。1998年曾采取抽干后回水清淤的方法清除湖底淤泥平均深度30 cm[18]，2008年又开始对北湖、东南湖和西南湖3个湖区进行清淤。尽管清淤后玄武湖富营养化程度有所改善，但对比研究显示，玄武湖经过清淤修复后，水体中营养鹽浓度下降并不十分明显。朱敏等[3]曾指出，玄武湖1998年清淤后沉积物中氮磷的质量分数略有下降，但其后又呈现上升趋势，特别是TN在清淤后上升趋势明显;肖琼等[7]研究也认为清淤引水工程可短时间内缓解水体富营养化程度，但从长期效果分析，水体中的营养盐含量并未显著改善。此外，先前研究也表明，清淤对去除沉积物中重金属的含量效果也并不明显[3]。因此，对于玄武湖的污染治理方面，除了要考虑工业污染源和城市生活污水的影响，尽量减少点源污染外，还可以考虑通过种植大型水生植物（如菹草）来吸收水体和沉积物中的营养盐、减少沉积物及其中的营养盐再悬浮释放，再通过逐步收割水生植物的方式缓慢从水体携带营养盐，以达到长期改善玄武湖水质的目的。

3.2 玄武湖沉积物污染分析

不同生态系统类型的湖泊沉积物中营养盐往往存在较大的差异。由该研究结果可知，玄武湖表层沉积物营养盐的含量相对较高，其中TN和TP含量和长江中下游地区的滆湖[19]、东湖[20]差异不大，高于该地区的太湖[21]、巢湖[22]和洞庭湖[23]，同时低于该地区的阳澄湖和长荡湖[21]，因此玄武湖表层沉积物中TN和TP含量与其他湖泊相比处于相对较高的水平。有机指数和有机氮评价方法结果均表明滆湖沉积物有机污染较为严重，与基于大型底栖动物的污染评价结果一致[24]，也进一步说明此方法用于评价玄武湖沉积物营养盐的污染较为合适。

先前研究表明，沉积物的氮磷一部分来源于水生生物的残体，另一部分来源于外源性输入[25]。玄武湖周边分布有工厂、生活社区以及火车站，在日常生产生活中大量含营养盐的污水汇入到湖泊中，随后在沉积物中富集，导致沉积物中营养盐含量偏高。一方面，湖泊中大量氮磷营养盐的流入，会导致水质急剧恶化、鱼类多样性锐减以及水生植物覆盖率的急剧下降;另一方面，大量水生动植物死亡分解后的营养物质经长时间的沉降积累进入湖泊沉积物中，又进一步增加了沉积物中氮磷营养盐的含量，造成玄武湖沉积物营养盐内源和外源性的双重污染。

另外，玄武湖不同湖区间沉积物有机质及营养盐的含量也不尽相同。尽管各湖区间沉积物TP含量差异不明显，但东南湖区沉积物TOC及TN含量明显高于西南及北部湖区。一方面，这可能与各湖区沉积物粒径有关，不同粒度的沉积物具有不同的比表面积、质量、有机质含量等，对于沉积物吸附的能力有重要的影响[26]。李强等[27]对巢湖及其入湖河流的研究发现，随着沉积物粒径的增大，沉积物粒径与TOC、TN及TP的相关性变差;李青芹等[28]对我国不同地区6个不同特征湖泊的研究发现，沉积物氮磷与细颗粒物质（<4 μm）呈正相关;王小雷等[29]对抚仙湖、熊春晖等[19]对滆湖的研究均表明沉积物TN与各级粒径间无显著相关，而TP与黏土显著相关。以上研究均表明沉积物TOC、TN和TP主要集中在粒径较小的黏土中。而该研究表明沉积物中值粒径与TOC（r=-0.698，P<0.01）及TN（r=-0.743，P<0.01）显著负相关，与TP相关性不显著（r=-0.076，P>0.05），这可能与沉积物磷形态有关。不同湖泊沉积物粒度分布不同，导致其沉积物有机质及营养盐的生物地球化学循环产生差异。另一方面，玄武湖来自长江的补水量达28×104 t/d，补水入湖口在玄武湖东北角，补水主流线自北湖向南湖[30]，在此过程中北湖湖水可能将部分有机质及营养盐通过湖水流动携带至东南湖区，并沉积于底泥中，导致东南湖区较高的TOC及营养盐含量。

4 结论

（1）综合营养状态指数评估结果表明，秋末初冬季节玄武湖东南湖区和北部湖区为中营养水平，西南湖区为轻度富营养水平;而基于TN和TP浓度评估结果表明玄武湖处于中度富营养水平。玄武湖清淤后可在短期内降低水体营养水平，但長期效果并不明显。

（2）玄武湖各湖区表层沉积物TOC、TN及TP含量均较高，TOC及TN含量在各湖区间差异显著，而TP含量在各湖区间差异不明显。有机指数和有机氮评价结果表明玄武湖表层沉积物有机污染和有机氮污染均较严重，后续防治工作中应引起高度重视。

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