异龙湖表层沉积物有机质含量空间分布初步研究

和向东，陈枳颖，丁德鼎，周跃光，孔德平

(1.云南省生态环境科学研究院，云南 昆明 650034； 2.云南大学生态学与环境学院，云南 昆明 650091)

0 引言

湖泊是地球表层系统中各个圈层相互作用的联结点，在流域尺度上的各类物质通过地表径流最终汇集到湖泊中，而湖泊沉积物是湖泊三大环境要素之一(水体、水生生物和沉积物)，是湖泊中营养物质的重要蓄积库[1]。以滇池草海为例[2]，1995—1996年进入草海的TN、TP、COD约有90%储存于沉积物中，水体中所占比例微乎其微，因此，沉积物可能成为水体污染物的汇或源[3]。

沉积物-水界面是水生态系统中最重要的界面之一[4]，是物质参与地球化学循环和生物耦合的“热区”。在微生物参与下，沉积物-水界面附近物质发生一系列的物理化学及生物反应(如迁移、转化、吸附/解吸、扩散、掩埋以及生物扰动等)，是调节和控制沉积物与水体之间物质交换和输送的重要途径。Russell等的研究表明[5]，沉积物在水体污染物的传输过程中起到重要的作用。沉积物中大量溶解性物质主要以孔隙水作为媒介通过扩散向上覆水体迁移，从而影响上覆水水质。其中，有机质总体上反应出表层沉积物中所存在的有机污染物的含量。研究结果表明[6-8]，表层沉积物中的有机质是表征湖泊富营养化程度的重要指标，尤其对于湖泊表层沉积物中营养盐的释放研究具有重要的意义。

异龙湖为云南省九大高原湖泊中的富营养化浅水湖泊，湖泊水位为1414.20m时，异龙湖最大水深3.7m，平均水深2.9m，湖泊需水量1.16亿m3。异龙湖在20世纪80年代开始网箱养鱼，至1996年湖区网箱达万个[9]，渔产量达39.5kg/m2，大量饵料的投入直接导致湖体有机质的剧增，水质迅速恶化。20世纪80年代异龙湖的水生植物种类丰富，覆盖率达到95%以上[10]，2008年以前，覆盖率也在60%以上[11]，然而到了2011年，由于富营养化程度的加剧，水体透明度下降，再加上受气候等因素的影响，水位下降，不合理的鱼种投放等原因，导致了沉水植物大量消亡，由原来的11种锐减至5种[12]，植物残体沉积于湖底，导致异龙湖表层沉积物中富含大量的有机质。本文初步分析了异龙湖表层沉积物中有机质含量的空间分布特征，以期为更进一步了解不同湖区沉积物营养盐释放的风险，同时如何进行湖泊生态系统的修复提供基础资料。

1 研究方法

1.1 采样点位设置

根据异龙湖的湖泊形状、湖区面积、出入河口位置等因素，将全湖分为异龙湖西、异龙湖中和异龙湖东三个区，每个区设置4个点位，共12个点位：在异龙湖西设置湖西(1#)、毛木咀(2#)、湖西中(3#)、狮子湾(4#)等4个点位；在异龙湖中设置湖中(5#)、白浪(6#)、湖西中(7#)和湖东中(8#)等4个点位；在异龙湖东设置龙井(9#)、陆来(10#)、沙咀(11#)和湖东(12#)等4个点位，表层沉积物采样点位设置见图1。

1.2 采样时间

采样时间为2019年3月。

1.3 采样方法

应用彼得逊氏采泥器，在选定的点位进行表层沉积物的采集，对采集上来的沉积物进行拍照之后，将样品装入透明自封塑料袋并用记号笔在袋外记录采样信息，包括采样时间和采样点位。

1.4 样品保存

所采的沉积物样品剔除植物根系、沙石、动植物残骸等杂质后，采用风干方式进行保存。

1.5 样品分析

湖泊沉积物有机质的测定方法主要有油浴加热法、消化炉加热法和完全湿烧法[13]，综合考虑实验条件以及方法的精确性，本研究采用油浴加热法进行样品分析。此方法的原理是用一定浓度的重铬酸钾硫酸溶液氧化沉积物有机质，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定，从所消耗的重铬酸钾量来计算有机质的含量。

(1)每个风干沉积物样分别称取0.5g放入玻璃试管中，加入Ag2SO4粉末0.1g，再加入0.4mol/L K2CrO7硫酸溶液10.0mL，之后放入水浴锅进行加热；

(2)将试液转入250mL锥形瓶中，洗涤试管2～3次，保持试液体积为40～50mL；

(3)向试液中加入邻菲罗啉指示剂2～3滴，用FeSO4标准溶液滴定至棕红色，记录FeSO4溶液消耗量V(mL)；

(4)用经过灼烧的土样进行空白试验，记录FeSO4溶液消耗量V0(mL)；

(5)根据每个样品的测定情况，将对应值代入以下公式，求出有机质含量：

有机质(%)=

式中：V0—空白试验消耗的FeSO4体积；V—样品消耗的FeSO4体积；0.03—碳的毫克摩尔；1.724—有机碳换算为有机质的经验系数；1.08—氧化校正系数；W—风干样品重。

为了保证数据的可靠性，对每个点位的有机质含量进行相对偏差分析。相对偏差是用来表征单项测定结果对平均值的偏离程度，允许偏差为±5%以内，在±5%以内都认为数据是可靠的，若相对偏差超过±5%，应加测一次。相对偏差的计算方法：

式中：A—土样测定结果；B—平行样测定结果。

2 结果分析与讨论

2.1 有机质测定结果

沉积物有机质的测定受样品氧化程度的影响，为了排除实验系统对实验结果产生干扰，使结果更具准确性，实验采用平行双样法，测定结果如图2。同一点位的样品测定结果差值在0.3%～0.7%，4#、9#、10#、12#差值都为0.7%，11#点位的差值最小，为0.3%。

12个点位的相对偏差结果如表1。相对偏差均未超过允许偏差范围，表明有机质的测定数据可靠。

表1 各点位样品相对偏差分析 (%)

2.2 有机质空间分布特征

异龙湖表层沉积物有机质含量如图3。有机质含量在6.0%～19.8%，多分布在12.00%～15.00%范围内，占样本总数的50%,全湖区平均值为13.16%，最高值位于湖区最东部12#点位的19.8%。湖东部的沙咀(11#)、湖东(12#)分别为19.7%和19.8%，这两个高值均位于湖区的东部，推测的原因是：1971年异龙湖南岸青鱼湾隧道凿通后，异龙湖的出水从原有湖东北部坝心镇的新街海河流向珠江水系的泸江，改为由湖中部的青鱼湾隧洞流向红河水系。至此，湖区东部水体水动力完全被改变，几乎静止不流动，导致沉积物淤积严重，虽然在2007年青鱼湾隧道已被封堵，但异龙湖常年盛行西南风，水流方向为由西向东，由于水深较浅，风浪对表层沉积物的搅动较大，大量的悬浮物仍然不断在东部沉积，再加上东部湖区挺水植物繁茂，植物残体也会淤积较多，东南部的渔村河与龙港河的陆源输入也增加了该湖区的沉积物有机质含量。最低值为湖西中(3#)的6.0%，该湖区沉水植物生长较好，水体透明度较高，是全湖水生生态恢复较好的区域，且外源输入对其的干扰较小。

为了进一步了解有机质含量在湖区的分布状况，分别计算了异龙湖西部、中部和东部三个区域有机质含量的平均值，计算结果如表2。异龙湖西部与异龙湖中部有机质含量相差不大，异龙湖东部最高，为16.7%。湖区最西部的两个点位均高于平均值，这与湖区西部紧挨城区，城北河、城河、城南河三条河流的外源输入密不可分(三条河流入湖水量占河流入湖水量的85%，城河入湖水量最大，占59%[14])。

表2 不同湖区有机质含量分布表 (%)

2.3 讨论

从分析检验结果来看，异龙湖表层沉积物有机质含量与滇池、抚仙湖等高原湖泊相比[15-16]，含量明显较高。一般来说，湖泊沉积物有机质主要来源于两部分，一部分来源于工业污水、农田退水以及生活污水直排所携带的有机质，另一部分来源于动植物残骸的降解及转化[17]。结合异龙湖的历史变迁及其水文条件现状，对表层沉积物有机质的来源途径做初步的分析：

(1)1971年，由于青鱼湾隧道开通，加上持续大旱，水位明显下降，围湖造田兴起：种植水稻、甘蔗等农作物；大量化肥及农药施用，异龙湖流域年均施用氮肥6482.3t、磷肥4066.8t、有效钾546t、农药65.4.t，平均有效利用率30%，其中氮肥利用率为40%～50%，磷肥利用率为10%～20%[18]，未被利用的农药化肥通过雨水冲刷和农田退水等过程进入异龙湖。围湖造田也造成湿地面积的削减，削弱了湖滨带对入湖径流携带污染物的净化能力。

(2)1985年，异龙湖开始大规模网箱养鱼，为了追求经济利益，向湖中投入大量有机饲料，年均投入2000t[9]，致使湖体纳污自净能力降低，水质恶化加剧。

(3)水体透明度降低，水位的下降，以及富营养化程度的加剧，2011年沉水植物衰减，且群落单一，大量的植物残体留在湖中。植物腐烂后堆积，形成大量沉积物，经过一系列降解、转化，蓄积了大量有机质。

(4)异龙湖有7条主要入湖河流，包括城河、城南河、城北河、大水河、渔村河、龙港河、大沙河，COD首要污染源为城河，占入湖总量的34%[19]，城河COD主要来源于豆制品加工企业以及农村生活污染，COD的大量汇入不仅加剧了水质恶化，也使污染物颗粒沉积于湖底。

(5)异龙湖土地利用方式以耕地和林地为主，由于湖周经济的发展，土地开发强度不断加大，周边山上拥有32个采石、采沙、采土厂以及6家采矿企业，森林植被遭到破坏，陆地生态系统脆弱，水土流失严重，异龙湖流域包含坝心、宝秀、异龙三个乡镇，水土流失率达到72.24%[20]，夹杂有机质的泥沙汇入异龙湖，淤积在湖底，使沉积物越积越厚。

3 结论

现阶段异龙湖处于草藻混合的中度富营养化状态，水质稳定达到V类还有待进一步的系统治理工作。异龙湖沉积物有机质含量在整个湖区呈现东高西低的特征。根据沉积物有机质的初步溯源分析，因势利导，采取相应的工程措施，控制外源有机质的输入和内源有机质的释放，通过构建结构完整，功能完善的健康水生态系统，促进沉积物有机质含量不断下降，进一步防控沉积物营养盐释放的风险，对于异龙湖水质改善以及湖周的社会经济发展都具有重要意义。