洋澜湖沉积物中磷的分布及污染评价

张 为，胡 园，陶晶祥，黄华伟，吴 敏

(1.长江科学院 流域水环境研究所, 武汉 430010；2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室， 武汉 430010)

1 研究背景

随着社会经济的不断发展，我国城市化进程不断加快，城市湖泊作为城市滨水空间的重要组成部分，具有调节水文气候、改善生态环境、美化城市景观等多种功能，对市民生活和城市发展具有重要意义[1]。但是在城市持续发展的同时，不合理的开发利用和人为干扰也造成城市湖泊的生态系统功能日趋下降，并且导致城市湖泊面临严峻的生态危机，伴随而来的水环境问题也引起了人们的广泛关注[2]。

相比于天然湖泊，城市湖泊由于受人工控制的设施更多，且基本没有上游天然来水，主要通过人为的引水来满足湖泊的生态环境需求，水生生物数量和生物多样性明显少于天然湖泊。水体富营养化也是目前城市湖泊面临的主要水环境问题之一，其中磷通常被认为是湖泊富营养化的制约性因子[3-4]。沉积物是湖泊中磷重要的源与汇，在外源磷得到有效控制的条件下，很多学者认为浅水性湖泊中沉积物中磷的释放是引起湖泊富营养化的主要原因[5-6]，尤其是在风浪扰动以及人为干扰时，沉积物中的磷极易与水体发生物质交换，影响湖泊水体中磷的含量水平，造成水体二次污染[7-9]。沉积物可以间接地反映水体污染情况，也是湖泊生态系统中十分重要的部分[10]。目前我国许多城市湖泊均存在水环境问题，虽然各地采取了一系列的治理措施改善城市湖泊的水环境[11-13]，但目前相关研究主要针对一些大型湖泊，如巢湖[14-15]、太湖[16]、洱海[17]、滇池[18-20]、鄱阳湖[21]等，针对城市湖泊的研究相对较少，对其污染特性及规律也缺乏系统性的研究。

洋澜湖位于湖北省鄂州市中心城区，洋澜湖风景区面积5.833 km2，其中水面约占2/3，为内陆潜水湖泊。岸线内面积3.697 km2，现有水面1.813 km2，洋澜湖的水位一般为15.0～16.5 m，历史上最高水位曾达到18.69 m(1954年)。洋澜湖湖底高程13.48 m，平均水深2.5～3 m。洋澜湖岸线曲折，总长29.53 km。该湖周边未能彻底截污，存在生活污水直接入湖的现象，导致水体过量纳污，湖底沉积物淤积。虽然目前通过一系列的治理措施，该湖的外源污染得到控制，但由于之前的污染积累，湖区的内源污染严重，由此引发的环境问题值得重视。为了能全面了解和分析我国城市湖泊的水环境现状，选取典型城市湖泊洋澜湖作为研究对象，通过在湖区布设64个采样点，对洋澜湖表层沉积物中磷含量和分布情况进行调查分析和污染评价，并选取3个典型区域采集柱状沉积物样品分析磷的形态，该研究有助于掌握洋澜湖沉积物中磷的浓度分布、形态分布和污染状况，进而了解湖区的磷污染现状，从而为湖泊的污染调查和评价分析提供参考，并为类似城市湖泊的保护提供科学依据。

2 材料和方法

2.1 采样点布设

根据现场调查，本研究共设置64个采样点(S1—S64)，具体分布如图1所示。洋澜湖被分为东湖、中湖和西湖3个湖区，其中S1—S25位于东湖区域，S26—S42位于中湖区域，S43—S64位于西湖区域。所有采样点通过便携式GPS定位采样，具体采样过程参照《水质 采样技术指导》(HJ 494—2009)。

图1 洋澜湖沉积物采样点布设Fig.1 Layout of sediment sampling points in Yanglan Lake

2.2 样品采集与保存

本研究主要采集表层沉积物样品和柱状沉积物样品，分别利用抓斗式采泥器和柱状采样器来采集湖泊表层沉积物样品和柱状沉积物样品。表层沉积物样品直接装入聚乙烯自封袋冷冻保存，柱状沉积物样品经分层处理后装入自封袋冷冻保存，沉积物样品带回实验室后经风干、研磨过100目尼龙筛，装入自封袋中密封，置于干燥器中待测。

2.3 测定指标和方法

2.3.1 测定指标

本研究测试的指标包括沉积物中总磷(TP)浓度和不同形态的磷浓度，沉积物中的磷可分为有机磷和无机磷，其中无机磷包括可交换态磷、铁铝结合态磷、钙结合态磷和闭蓄态磷[22-23]。

2.3.2 测定方法

TP浓度采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定(HJ 632—2011)，试验材料的制备、标准曲线的绘制均按照规范标准进行，分析过程中加入国家标准土壤样品标样GBW07427(GSS-13)和标样GBW07428(GSS-14)为质控标样来进行质量控制，保证测量结果的相对误差<5%。

采用欧洲标准测试委员会框架下发展的SMT法[24-25]，利用连续提取分离法提取出沉积物中不同形态的磷。其中可交换态磷的提取剂为MgCl2(1 mol/L)，铁铝结合态磷的提取剂为NaOH(1 mol/L)，钙结合态磷的提取剂为HCl(1 mol/L)。不同形态磷浓度的测定采用钼酸铵分光光度法(GB/T 11893—1989)，残渣态磷的含量即为总磷浓度与3种不同形态磷浓度的差值，具体试验流程如图2所示。

图2 沉积物中不同形态磷的连续提取流程Fig.2 Sequential extraction procedures for different forms of phosphorus in sediments

2.4 评价方法

采用单因子指数法对洋澜湖表层沉积物中磷的污染状况进行分析评价[26]，计算公式为

STP=C/Cs。

式中:STP为总磷的评价指数;C为TP实测浓度;Cs为TP的评价标准值，参照加拿大安大略省环境和能源部发布的指南，沉积物中能引起最低级别生态风险的TP浓度为600 mg/kg[27]，本研究中TP的评价标准值为600 mg/kg。表层沉积物中TP污染程度分级标准如表1所示。

表1 表层沉积物TP污染程度分级Table 1 Rating standard of surface sediment pollution

3 结果与分析

3.1 TP浓度的空间分布特征

洋澜湖表层沉积物TP浓度的空间分布如图3所示。沉积物中TP浓度为528～3 568 mg/kg，平均值为1 096 mg/kg，TP浓度最高区域为西湖湖区的S53采样点所在区域。从湖区分布来看，不同湖区表层沉积物中TP分布有一定的差异。西湖湖区表层沉积物中TP浓度范围在531～3 568 mg/kg之间，平均值为1 362 mg/kg；中湖湖区表面沉积物中TP浓度在528～1 449 mg/kg之间，平均值为951 mg/kg；东湖湖区表面沉积物中TP浓度在550～1 536 mg/kg之间，平均值为960 mg/kg。西湖湖区表层沉积物中TP浓度明显高于中湖湖区和东湖湖区。

图3 洋澜湖表层沉积物中TP的浓度及空间分布Fig.3 Spatial patterns of contents of total phosphorus in surface sediments of Yanglan Lake

3.2 表层沉积物中TP的污染评价

洋澜湖表层沉积物中TP的污染评价指数如图4所示。湖区沉积物中STP的范围为0.88～5.95，表明整个洋澜湖均呈现出一定程度的磷污染，其中轻度污染区域所占比例为9.38%，中度污染区域所占比例为32.81%，重度污染区域所占比例为57.81%。污染程度最严重的为采样点S53所在区域，该采样点位于西湖湖区，其STP高达5.95。结合现场调查情况，该区域附近存在污水排污口，并且靠近居民生活区，这是导致该区域沉积物中磷污染严重的主要原因。

图4 洋澜湖表层沉积物中TP污染评价指数Fig.4 Assessment index of TP pollution in surface sediments of Yanlan Lake

参照相关学者的研究结果，太湖流域湖泊、白洋淀、巢湖和鄱阳湖沉积物中TP浓度的平均值分别为760、608、651、689 mg/kg[15,21,28-29]。此外，中国湖泊沉积物中的TP平均值一般<750 mg/kg[30]，而洋澜湖表层沉积物平均TP浓度为1 096 mg/kg，远超出该值，这说明洋澜湖表层沉积物中TP存在较大的磷污染风险。中国部分湖泊沉积物中TP浓度如表2所示。

表2 中国部分湖泊沉积物中TP浓度Table 2 Concentrations of TP in surface sediments of lakes in China

3.3 沉积物中磷的形态及垂向分布

基于表层沉积物中TP的污染评价结果，在洋澜湖3个湖区(东湖湖区、中湖湖区和西湖湖区)各选取一个区域(S7、S31和S53)采集柱状沉积物样品，研究洋澜湖沉积物中磷的形态及垂向分布情况。每个柱状沉积物样品的厚度为100 cm，样品被分为6层，其中表层样品和第二层样品厚度为30 cm，其余样品的厚度均为10 cm。柱状沉积物样品S7、S31和S53各层样品中TP浓度的分布如图5所示。由图5可知，柱状沉积物样品中表层样品中TP的浓度最大，随着沉积物样品深度的增大，各层沉积物中TP浓度逐渐变小并趋于稳定，沉积物样品中TP浓度呈现自表层往下逐渐降低的趋势。

图5 柱状沉积物S7、S31和S53中TP浓度的垂向分布Fig.5 Concentrations of TP at various depths in columnar sediment S7, S31 and S53

柱状样品S7、S31和S53中可交换态磷、铁铝结合态磷、钙结合态磷和残渣态磷浓度的垂向分布如图6所示。由图6可知，S7、S31和S53中各层样品中的可交换态磷所占比例较小，沉积物中的磷主要是以铁铝结合态磷、钙结合态磷和残渣态磷这3种形态存在。

图6 柱状沉积物S7、S31和S53中不同形态 磷浓度的垂向分布Fig.6 Concentrations of different forms of phosphorus at various depths in columnar sediment S7, S31 and S53

柱状样品S7中可交换态磷占总磷比例为0.16%～0.64%，柱状样品S31中可交换态磷占总磷比例为0.14%～0.51%，柱状样品S53中可交换态磷占总磷比例为0.11%～0.75%。除柱状样品S53表层样品中可交换态磷浓度较高外，其余柱状样品中均较低，可交换态磷在柱状样品的垂向分布上无明显差异。

柱状样品中残渣态磷均在表层中浓度相对较高，这是由于残渣态磷中有机磷来自沉积物中各种动植物残体、腐殖质类有机物，这部分物质容易在沉积物的表层累积。由于钙结合态磷为生物作用沉积、固结的颗粒态磷，该形态的磷主要以沉积形式存在且难溶于水，不易被释放进入水体。残渣态磷和钙结合态磷在一般情况下不易从沉积物中进入水体，相对比较稳定。

铁铝结合态磷在沉积物中所占的比例最高，其中柱状样品S7中铁铝结合态磷占总磷比例为27.69%～84.18%，柱状样品S31中铁铝结合态磷占总磷比例为45.48%～63.67%，柱状样品S53中铁铝结合态磷占TP比例为47.97%～63.67%。铁铝结合态磷是可被生物利用的部分，在适当条件下容易从沉积物中释放进入水体，活性相对较高，是水体内源污染中TP的主要来源。这部分磷主要来源于生活污染和工业废水，与人类的活动相关，也是洋澜湖中沉积物中磷的释放风险主要来源。

4 结 论

(1)洋澜湖表层沉积物中TP浓度为528～3 568 mg/kg，平均值为1 096 mg/kg。不同湖区表层沉积物中TP分布具有明显的差异性。西湖湖区表层沉积物中TP浓度为531～3 568 mg/kg，平均值为1 362 mg/kg；中湖湖区表面沉积物中TP浓度为528～1 449 mg/kg，平均值为951 mg/kg；东湖湖区表面沉积物中TP浓度为550～1 536 mg/kg之间，平均值为960 mg/kg。西湖湖区表层沉积物中TP浓度明显高于中湖湖区和东湖湖区。

(2)根据单因子评价法，洋澜湖表层沉积物中STP的范围为0.88～5.95，整个湖区均呈现一定程度的磷污染，其中轻度污染区域所占比例为9.38%，中度污染区域所占比例为32.81%，重度污染区域所占比例为57.81%。

(3)洋澜湖沉积物样品的TP浓度呈现自表层往下逐渐降低的趋势，随着沉积物样品深度的增大，各层沉积物中TP逐渐变小并趋于稳定。此外，沉积物中磷主要以铁铝结合态磷的形态存在，其在适当条件下容易从沉积物中释放进入水体，活性相对较高，是水体内源污染中磷的主要来源。