梅溪湖表层沉积物营养盐和有机质分布特征及污染评价

张小春　代丹　秦成　王瑞　王竹　韩增辉　吕克强　王辉　胡菊香　胡俊

摘要：探究梅溪湖沉积物营养物的空间分布特征及污染程度，为梅溪湖等城市景观湖泊富营养化防治提供科学依据和理论支持。2020年11月至2021年7月，分季节采集了梅溪湖表层沉积物（0～10 cm），分析其氮磷和有机质等指标的时空分布特征和污染程度。结果表明：沉积物（0～10 cm）总氮、氨氮、硝氮、总磷、有效磷和有机质的平均含量分别为（1 654.68±754.22）、（24.66±20.02）、（13.60±2.33）、（512.60±281.39）、（8.58±6.81） mg/kg和（2.84±1.43）%。湖区东部受人类活动影响较大，营养物和有机质含量最高。沉积物总磷和硝氮含量在春季最高（4月），冬季（1月）最低；有效磷含量在春季（4月）最高，夏季（7月）最低；沉积物总氮、氨氮和有机质含量没有明显的季节差异。梅溪湖沉积物总氮和总磷的含量变幅分别为667～4 000 mg/kg和184～1 475 mg/kg，均已超出我国东部浅水湖泊沉积物营养物参考阈值范围；总氮和总磷的标准指数变幅分别为1.21～7.27和0.31～2.46，总氮全部超标，梅溪湖生态环境质量受氮元素污染较为严重。相关分析表明，沉积物有机质与各形态氮磷营养盐均显著正相关，说明沉积物有机质的降解和释放对梅溪湖氮磷营养盐具有重要影响。

关键词：表层沉积物；有机质；营养盐；污染风险；梅溪湖

中图分类号：Q142        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2023）05-0107-07

与深水湖泊受人为干扰较小不同，浅水湖泊极易受到风浪扰动和人类活动的影响，从而引发物质在沉积物-水界面频繁而复杂的交换过程（王新建等， 2013; 林建宇等， 2021）。沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，记录着湖泊自身的生物-物理和地球化学过程，能直观反映湖泊污染现状及演变过程。另外，沉积物也是湖泊养分循环的重要环节（高泽晋等， 2016），是湖泊外源污染负荷的汇。在一定的地球化学条件下，沉积物中的一部分营养物会通过孔隙水向上覆水释放，成为湖泊营养盐的内源污染负荷（Singh et al， 2005）。近年来，随着外源污染物输入得到有效控制，长期累积的内源污染物的释放已成为我国东部一些湖泊富营养化及蓝藻水华暴发的重要原因之一（孙洪波等， 2019；张嘉雯等， 2020）。已有研究表明，在湖泊外源氮、磷输入得到有效控制的情况下，湖泊内源氮、磷的释放依旧会使水体富营养化状态维持数年甚至数十年之久（Jeppesen et al， 2007）。因此，湖泊沉积物氮磷形态及内源负荷的研究对于防止湖泊富营养化具有重要意义（杜奕衡等， 2018）。研究浅水湖泊沉积物中氮、磷和有机质的含量及其形态分布空间特征，评价湖泊沉积物污染状况，可以间接反映出湖泊水体污染情况（李运奔等， 2020），有助于深入探究浅水湖泊富营养化形成机制，对控制湖泊水体富营养化和建立水生态系统健康评价体系具有重要意义。

长沙市梅溪湖属于城市人工湖泊，于2012年修建完成，并投入运行。梅溪湖所在位置属于岳麓山桃花岭景区，原以农田荒地为主。梅溪湖的功能定位是国家级新区湘江新区的城市“海绵体”，兼顾雨水调蓄、景观观赏等功能，对湘江新区的环境改善以及经济发展具有极其重要的作用（张小春等， 2021）。目前，尚未有学者对梅溪湖沉积物开展调查研究，本文以典型的城市浅水湖泊梅溪湖为研究区域，以该区域表层沉积物为研究对象，探究其沉积物营养物的空间分布特征并对其污染程度进行评价，以期为梅溪湖富营养化形成机制的科学研究提供第一手资料，从而更好地控制和调控梅溪湖的富营养化进程，为城市景观湖泊水生态环境保护提供一定的理论依据。

1   材料与方法

1.1   研究区域概况

梅溪湖位于湘江一级支流龙王港的右岸，水域面积约170 hm2，正常蓄水位35.00 m，最高运行水位35.40 m，正常蓄水位以下库容434.10万m3，集雨面积12.31 km2，最大水深5 m，平均水深2.6 m （张小春等， 2021）。

1.2   样品采集

梅溪湖表层沉积物调查于2020年11月和2021年1、4和7月进行，按照东区、西区和中部区域分7个点位进行样品采集。利用北京新地标土壤设备有限公司的杆持重力两用柱状采泥器XDB0211和抓斗采样器采集梅溪湖表层（0～10 cm）沉积物样品28个。采样点的分布见图1，样点按照湖区西南部（S1、S2、S3）、中部（S4、S5）和东北部（S6、S7）进行编号。所有沉积物样品均以聚乙烯薄膜封装，于-20℃下低温保存，运回实验室处理并分析。

1.3   沉积物样品分析

表层沉积物样品经冷冻干燥、去杂质、研磨过筛后备用。沉积物总磷（TP）含量的测定采用HNO3--HF-HClO4法（Presley et al， 1992）。有效磷（AP）含量采用SMTS（Standard Measurements Testing Program of European Union）连续提取法测定（张文强等， 2016），有机质（OM）采用重铬酸钾外加热法测定，总氮（TN）浓度采用H2SO4-CuSO4-Se催化消煮后，用KDY-9820型凯氏定氮仪测定。各形态氮元素的测定首先需用KCl溶液经定容、振荡、静置后制备沉积物浸提液。样品浸提液经碱性过硫酸钾硝煮、0.45 μm滤膜过滤后直接上机用于氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）的测量。测定过程中所用试剂均为优级纯，所用的水均取自超纯水仪（Milli-Q Advantage A10，Millipore，USA）。试验所用器皿用稀酸浸泡过夜。

1.4   沉积物氮、磷风险评价

针对沉积物环境污染风险评价，目前我国尚未形成统一的评价方法和标准体系。部分学者采用有机质指数和有机氮指数来衡量沉积物环境质量（华江环等， 2021; 邱祖凯等，2016）。沉积物污染指数法是当前普遍采用的一种评价方法，常常被用于评价各个污染因子的污染状况（邱祖凯等， 2016; 王佩等， 2012）。对梅溪湖表层沉积物氮、磷的风险评价采用单一因子标准指数法（岳维忠等， 2007; 卢少勇等， 2012）。单一污染因子i的一般标准计算关系为：[Pi=Ci/Cs]。式中，[Pi]为污染指数，[ Ci]为污染因子的实测值，[Cs]为污染因子在环境中的评价标准值，[Si]>1表示含量超过评价标准值，存在污染风险。本研究采用的沉积物总氮和总磷的评价标准值与加拿大安大略省环境和能源部1992年发布的指南（Leivuori & Niemistoe， 1995）中能引起最低级别生态风险效应的总氮、总磷含量相一致。另外，参考我国学者对东部浅水湖泊沉积物总氮、总磷的阈值范围（1 106～1 115 mg/kg和455～459 mg/kg）研究结果 （王健等， 2014; 高泽晋等， 2016），对梅溪湖表层沉积物营养盐风险状况做进一步评价。

1.5 数据处理

数据处理主要采用数理统计学方法，并在SPSS Statistics 23中进行。采样点和沉积物空间分布图用ArcGIS 10.3制作，数据制图在Origin 2021上完成。

2   结果与讨论

2.1   表层沉积物氮磷营养盐和有机质空间分布

2.1.1   空间分布特征   梅溪湖表层沉积物（0～10 cm）营养盐和有机质的空间分布特征如图 2。监测期间梅溪湖表层沉积物TN、NH4+-N、NO3--N、TP和AP的平均含量依次为（1 654.68±754.22）、（24.66±20.02）、（13.60±2.33）、（512.60±281.39）、（8.58±6.81）mg/kg，OM的平均含量为（2.84±1.43）%。表明梅溪湖沉积物中有机质和营养盐浓度已经处于相对较高的水平，其表层沉积物TN和TP含量已高于我国洞庭湖和鄱阳湖表层沉积物（王圣瑞等， 2012; 刘俊等， 2019）。整体来看，湖区东部（S6、S7）营养物和有机质含量最高（P<0.05），湖区西部（S1、S2、S3）TN和NO3--N和OM高于湖区中部（S4、S5），但TP、AP和NO3--N却低于湖区中部。

梅溪湖西南部湖区水生植物生长茂盛，水中氧含量较高，促进沉积物中NH4+-N向NO3--N转化。此外，水生植物对磷的吸收较多，因此湖区西南部沉积物磷含量最低，但水生植物腐烂死亡过程可能会产生大量的有机质和氮污染物，导致湖区西南部TN和NO3--N和OM高于湖区中部。梅溪湖东北部是人类活动较为频繁的区域，该区域建有白沙滩，是居民休闲娱乐活动的场所，人类活动产生的污染物可直接进入湖体，导致表层沉积物各营养盐指标和有机质在此处均呈现最高的含量。湖区中部建有浮桥，水深较小，沉积物受水流和风浪扰动较大，可能会对和营养盐和有机质含量产生一定的影响。由此可见，对城市景观型浅水湖泊来讲，人类活动产生的污染物输入和湖区水生植物分布对梅溪表层沉积物营养盐的空间分布有着较大的影响。

2.1.2   季节变化   梅溪湖表层沉积物中TP、AP和NO3--N含量季节变化如图3。营养盐和OM在不同季节存在明显差异（P<0.05）。梅溪湖区沉积物TP和NO3--N含量在在春季（4月）最高，冬季（1月）最低。AP含量在春季（4月）最高，在夏季（7月）最低。这可能是因为冬季梅溪湖来水较少，入湖河流携带的外源输入的磷污染物较少，加之冬天温度最低，沉积物中硝化细菌的硝化作用减弱，导致沉积物NO3--N含量较低。春季开始，气温升高降水增多，入湖磷污染物增加，导致TP和AP含量升高，而夏季水生植物大量增长，对AP的需求不断加大，使得AP含量在夏季出现最低值。因此，梅溪湖水生植物生长和外源磷营养盐输入对沉积物营养盐含量具有重要的调节作用。

表层沉积物不仅是氮、磷等营养物质在水-沉积物界面交换的重要场所，还是湖泊生态系统中水生植物、底栖生物和各类微生物的重要栖息地，也是水生植物重要的营养盐来源（姚程等， 2021）。水生植物在生长过程中受到TN、NH4+-N浓度的影响，但是在形成成熟稳定的群落后可以有效固氮，减少了外源型氮在湖泊生境中的积累（姚程等， 2021），但其周期性的衰亡也给水环境带来不容忽视的负效应（戚美侠等， 2017; Yu et al， 2018）。梅溪湖水生生物生长茂盛，水生植物的残体和腐烂的枝叶的沉积，以及大量的浮游动物、鱼类和底栖动物的代谢产物的长期持续累积，导致部分同化的氮磷和有机质重新返回到沉积物中，为表层沉积物贡献了大量的TN、NH4+-N和有机质，这可能是梅溪湖表层沉积物TN、NH4+-N和OM含量没有明显的季节差异的重要原因。这也再次说明，在梅溪湖生态修复过程中，水生植物、浮游动物、鱼类和底栖动物的生长代谢与水生态系统稳态的保持和水环境质量的提升之间的关系需要更深入地研究。

2.2   表层沉积物营养盐污染风险评价

湖区沉积物表层（0～10 cm）TN和TP的标准指数见图4。梅溪湖沉积物总氮和总磷的标准指数变化范围分别为1.21～7.27和0.31～2.46，均值分别为3.01和0.85。梅溪湖表层沉积物总氮标准指数均大于1，可见表层沉积物TN含量全部超标。而TP大部分并未超标，只有湖区东北部表层沉积物TP的标准指数大于1。说明梅溪湖流域的环境质量受到氮素的影响更为严重。

学者们对我国东部湖泊沉积物TN和TP的基准阈值进行了大量的研究，确定我国东部典型湖泊沉积物TN和TP的参考阈值范围分别为1 106～1 115和455～459 mg/kg （王健等， 2014；高泽晋等， 2016）。当前梅溪湖表层沉积物总氮和总磷含量分别为667～4 000 mg/kg（均值1 654.68 mg/kg）和184～1 475 mg/kg（均值512.60 mg/kg），已超出我国东部浅水湖泊沉积物的氮磷营养物参考阈值范围（图5），对湖泊生态系统构成了一定的威胁。虽然目前梅溪湖尚未观测到大面积的藻华暴发，但存在富营养化潜在风险。

2.3   表层沉积物营养盐和有机质相关性分析

对梅溪湖表层沉积物氮磷形态和有机质进行Pearson相关性分析（表1）。可以看出，梅溪湖沉积物中TN与TP、AP、NH4+-N、NO3--N和OM均呈显著正相关。这说明梅溪湖沉积物氮磷和OM可能具有相同的来源（张杰等， 2019; 张嘉雯等， 2020）。沉积物各形态氮中NH4+-N与TN、TP、AP、和OM呈显著正相关，而NO3--N只与TN和OM呈显著正相关，这说明与NO3--N相比，NH4+的来源可能更为复杂，而NO3--N大多来源于沉积物有机质中氮素的转化。沉积物AP只与TN、NH4+-N和OM显著相关，这说明沉积物有机质的分解可释放AP。沉积物OM与TN、TP、AP、NH4+-N、NO3--N均显著正相关，这再次说明沉积物有机质的降解和释放对梅溪湖氮磷营养盐具有重要影响。

通常，环境介质中OM来自生活和农业污染、水生植物以及陆源植物碎屑（余辉与张文斌等， 2010）。梅溪湖表层沉积物中的有机质（OM）和总氮（TN）具有很强的相关性（r=0.958，P<0.01），这表明沉积物中的 OM 和 TN 主要来源于湖内生长茂盛的水生植被，以及水生生物残体和凋落物的腐烂分解。就梅溪湖而言，应该加强湖内水生植物结构调整，依据水生植物生长特征，定期对生长过于茂盛的水生植物进行收割，消除因水生植物凋落、死亡以及腐烂分解造成的二次污染，从而降低表层沉积物中TN和OM含量。考虑到梅溪湖属于城市浅水湖泊，湖泊水域面积小，沉积物极容易受风浪扰动，引起沉积物的再悬浮以及营养盐和有机质中污染物的释放。因此，梅溪湖沉积物中有机质和营养盐内源释放风险应引起足够关注。

3   结论

（1）   梅溪湖表层沉积物（0～10 cm）TN、NH4+-N、NO3--N、TP、AP和OM的平均含量依次为（1 654.68±754.22）、（24.66±20.02）、（13.60±2.33）、（512.60±281.39）、（8.58±6.81） mg/kg和2.84%±1.43%。湖区东部营养物和有机质含量最高，湖区西部TN和NO3--N和OM高于湖区中部。人类活动对梅溪湖表层沉积物营养盐的空间分布有着较大的影响。

（2）   梅溪湖沉积物TP和NO3--N含量在在春季最高（4月），冬季（1月）最低。AP含量在春季（4月）最高，在夏季最低（7月份）。沉积物TN、NH4+-N和OM含量没有明显的季节差异。梅溪湖水生植物生长和外源磷营养盐输入对沉积物营养盐含量具有重要的调节作用。

（3）   梅溪湖沉积物总氮和总磷的标准指数变化范围分别为1.2～7.27和0.31～2.46，湖区表层沉积物总氮含量全部超标，而梅溪湖大部分湖区磷的标准指数均值仅为0.85。梅溪湖的环境质量受到氮素的影响更为严重。湖区表层沉积物总氮和总磷含量分别为667～4 000 mg/kg（均值1 654.68 mg/kg）和184～1 475 mg/kg（均值512.60 mg/kg），均已超出我国东部浅水湖泊沉积物的营养物参考阈值范围，对湖泊生态系统安全构成了一定的威胁。

（4） 梅溪湖表层沉积物TN与TP、AP、NH4+-N、NO3--N和OM均呈显著正相关。沉积物各形态氮中NH4+-N与TN、TP、AP、和OM呈显著正相关；而NO3--N只与TN和OM呈显著正相关；OM与TN、TP、AP、NH4+-N、NO3--N均显著正相关，说明沉积物有机质的降解和释放对梅溪湖氮磷营养盐具有重要影响。梅溪湖沉积物中有机质和营养盐释放风险应引起足够关注。

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（责任编辑   郑金秀）

Distribution and Pollution Assessment of Nutrients and Organic Matter

in Surface Sediments of Meixi Lake

ZHANG Xiao‐chun1， DAI Dan2， QIN Cheng1， WANG Rui2， WANG Zhu1， HAN Zeng‐hui1，

LV Ke‐qiang2， WANG Hui1， HU Ju‐xiang2，HU Jun2

（1. Hunan Xiangxin Water Environmental Protection Investment and

Construction Co.， Ltd.， Changsha   410006， P.R. China;

2. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic Projects and Restoration of Aquatic Ecosystems

of Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology of MWR and CAS， Wuhan   430079，P.R. China）

Abstract：Meixi Lake is a shallow urban lake， and its sediments reflect the aquatic ecology of the lake and greatly influence lake eutrophication. In this study， we explored the temporal and spatial distribution and nutrient levels in the surface sediment of Meixi Lake， aiming to provide basic data and theoretical evidence for preventing eutrophication of Meixi Lake and protecting water quality in urban lakes. From November 2020 to July 2021， surface sediments （0-10 cm） of Meixi Lake were sampled seasonally at seven sites （S1-S3 in the southwest area， S4-S5 in the central area， and S6-S7 in the northeast area） for the determination of TN， NH[+4]-N， NO[-3]-N， TP， available phosphorus （AP）， and organic matter （OM）. Sediment （0-10 cm） concentrations （mean±SD） of TN， NH[+4]-N， NO[-3]-N， TP， AP and OM were， respectively， （1 654.68±754.22）， （24.66±20.02）， （13.60±2.33）， （512.60±281.39）， （8.58±6.81） mg/kg and （2.84±1.43）%. Human activities greatly influence the spatial distribution of nutrients in Meixi Lake sediments. Spatially， the highest nutrient and organic matter concentrations occurred in the eastern area of the lake. Seasonally， sediment concentrations of TP and NO[-3]-N were highest in spring （April） and lowest in winter （January）， while AP was highest in spring （April） and lowest in summer （July）. There were no obvious seasonal differences in sediment levels of TN， NH[+4]-N or OM. Sediment TN and TP in Meixi Lake ranged from 667 mg/kg to 4 000 mg/kg and 184 mg/kg to 1 475 mg/kg， respectively， exceeding the reference threshold range for nutrients in the sediments of shallow lakes in eastern China， with TN and TP standard index ranges of 1.21-7.27 and 0.31-2.46， respectively. TN levels in surface sediments at all sites exceeded the standard， and excess nitrogen seriously affects the ecological environment quality of Meixi Lake， threatening the lake ecosystem. Correlation analysis shows a significant positive correlation between sediment OM and TN， TP， AP， NH[+4]-N， and NO[-3]-N， indicating that degradation of organic matter and subsequent release of nutrients in Meixi Lake sediments has a large impact on nitrogen and phosphorus levels.

Key words： surface sediment; organic matters; nutrients; pollution risk; Meixi Lake

收稿日期：2021-11-22      修回日期：2023-08-25

基金项目：国家自然科学基金（42007433）；长沙市科技计划项目（kh2201040）；湖南省投资项目《梅溪湖水质保障工程》（2020-430101-46-01-017317）。

作者简介：张小春，男，高级工程师，研究方向为河湖流域治理技术、城镇生活污水处理技术等。E-mail：2987967176@qq.com

通信作者：胡俊，男，研究员，研究方向为环境生态学。E-mail：jhu@ihe.ac.cn