巢湖流域“河流-湖泊”系统沉积物中氮、磷赋存特征的研究*

张鸿志 朱 超 崔康平 陈奕涵#

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽省生态环境监测中心,安徽 合肥 230031)

随着经济社会快速发展,水环境中氮、磷等营养物质含量日趋增加。氮、磷营养盐作为促进植物生长发育的重要元素,进入河流、湖泊水体后能促进藻类生长和水华现象发生,由此所致的水体富营养化问题给流域水环境生态安全带来巨大挑战。由于河流与湖泊受到人类活动的影响较直接,氮、磷污染现象尤为突出。沉积物作为水环境中重要的纳污场所,过量的氮、磷排放进入水环境后会在沉积物中得到蓄积,伴随着水动力过程,富含氮、磷表层沉积物又可发生重悬浮,同时沉积物中的氮、磷营养盐可被水生微生物与植物等利用,而水生生物死亡后又以不同形态沉积固定下来,从而参与到氮、磷循环过程[1],使得沉积物成为水环境中氮、磷营养盐的“源”和“汇”的转化热区[2]。此外,随着近年来沉积物中氮、磷研究的细致化,研究发现沉积物中生物地球化学行为过程会使得氮、磷营养盐在不同形式间转化,根据其存在性质及与结合方式的差异,可划分为不同的氮、磷存在形式[3]。沉积物中的氮、磷污染物在外界环境影响下,形态发生改变,不同氮、磷形态被环境生物利用,参与物质循环的程度不同,氮、磷形态的分布能反映湖泊水环境的变化及影响湖泊富营养化的恢复[4-5]。鉴于沉积物具有积极调控上覆水体氮、磷营养物质平衡的作用,同时沉积物作为内源污染的源头,对保持水体环境中氮、磷营养盐含量稳定具有重要的作用[6-7],因此基于不同氮、磷赋存形态,积极开展沉积物中氮、磷营养盐的污染研究具有重要的意义。

值得注意的是,虽然近年来围绕流域水环境中沉积物污染研究已取得较多进展,但多数研究主要专注于较孤立的河流、湖泊或水库水环境,在河湖连通背景下,从河流到湖泊过程中,整体的水文环境都发生了变化,氮、磷污染物在沉积物中生物环境行为可能也会发生变化,然而围绕“河流-湖泊”系统中氮、磷赋存特征的研究依然较少。巢湖流域作为一个拥有众多支流的大型流域,形成了典型的“河流-湖泊”系统,但围绕巢湖流域“河流-湖泊”系统沉积物中氮、磷污染的研究依然匮乏。因此,本研究选择巢湖流域作为案例依托,研究巢湖流域“河流-湖泊”系统表层沉积物中不同形态氮、磷的赋存情况,进而探究季节因素与水体存在形式对沉积物中氮、磷污染物造成的影响及氮、磷污染物在湖区中的潜在迁移方式,并利用综合污染指数对研究区域沉积物进行污染程度分析评价,旨在阐明巢湖流域“河流-湖泊”系统表层沉积物中氮、磷污染物赋存特征,以期为“河流-湖泊”系统沉积物中氮、磷污染管控提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 采样点的分析与布设

根据巢湖湖区和入湖河流污染状况,共设置了40个采样点,其中湖区20个(L1～L20)、周围河流20个(R1～R20),具体分布见图1。根据巢湖的地理位置[8],以兆河为界,将巢湖分为东湖(L13～L20)与西湖(L1～L12);根据河流特征,将汇入相应湖区的河流分为东、西河。

图1 巢湖流域采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Chaohu Lake basin

1.2 样品的采集与处理

分别于2021年夏季(7月)和冬季(12月)使用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品,采样后及时将沉积物样品运回实验室进行冷冻干燥,之后取沉积物进行研磨,过100目筛,并将过筛后沉积物样品冷冻保存于-20 ℃下待后续实验。

1.3 样品的测定方法

1.4 沉积物中综合污染指数评定

单项污染指数(Si)和综合污染指数(F)的计算见式(1)和式(2)[11]。沉积物氮、磷污染物污染程度分级标准见表1。

表1 沉积物中氮、磷污染物污染程度分级标准Table 1 Classification standard for pollution level of nitrogen and phosphorus pollutants in sediments

Si=Ci/Cs

(1)

(2)

式中:Ci为评价因子i的实测值,mg/kg;Cs为评价因子i的标准值,mg/kg,其中总氮(TN)、总磷(TP)的标准值分别为670、440 mg/kg;Save为Si平均值;Smax为Si最大值。

2 结果与讨论

2.1 巢湖流域沉积物中氮、磷污染水平

巢湖流域沉积物中氮、磷质量浓度见表2。巢湖流域沉积物中各形态氮依次为有机物与硫化物结合态氮(321.2 mg/kg)>离子交换态氮(191.2 mg/kg)>铁锰氧化态氮(79.6 mg/kg)>碳酸盐结合态氮(43.3 mg/kg)。离子交换态氮、有机物与硫化物结合态氮是主要形态。巢湖流域湖区沉积物中TN为275.5～1 177.2 mg/kg,L8和L11沉积物中TN偏高,主要集中于湖泊中部,且西湖沉积物中氮高于东湖,说明来自于合肥城区的生活与工业废水影响了西湖的氮含量。河流沉积物中TN为251.9～1 103.9 mg/kg,R12(南淝河上游)、R15(烔炀河上游)沉积物中TN偏高,鉴于南淝河上游是合肥市区工业与生活污水的点源排放口,烔炀河以农业面源污染为主,这意味着巢湖流域沉积物中氮污染治理应充分基于集水区内点源与面源污染特征,进行差异化管控。

表2 巢湖流域沉积物中氮、磷质量浓度Table 2 Mass concentration of nitrogen and phosphorus in sediment of Chaohu Lake basin mg/kg

巢湖流域各形态磷依次为铁铝结合态磷(331.3 mg/kg)>钙结合态磷(220.7 mg/kg)>有机磷(186.5 mg/kg)。铁铝结合态磷与钙结合态磷是主要形态。湖区沉积物中TP为307.8～949.3 mg/kg,L2和L3沉积物中TP偏高,这些区域位于南淝河和十五里河的入湖区,说明含磷污染物主要集中在城市河流入湖区附近;河流沉积物中TP为428.0～2 102.1 mg/kg,R18沉积物中TP最高,由于该区域主要污染源是农业区,可认为农业面源污染是影响巢湖各支流磷含量的主要影响因素[12-13]。河流输入与面源污染是湖泊污染物的来源,考虑到人口与人类活动主要聚集于西部,西河是巢湖氮、磷污染物的主要来源。

此外,基于对巢湖流域同一条河流的上游与河口处沉积物中氮、磷含量的研究发现,夏冬季河流上游沉积物中氮、磷含量均明显高于河口位置,如夏季的南淝河上游TN、TP分别为1 103.9、1 170.1 mg/kg,河口TN、TP分别为363.5、405.7 mg/kg;冬季的南淝河上游TN、TP分别为798.9、1 305.9 mg/kg,河口TN、TP分别为358.7、429.2 mg/kg。由于河流上游多处于人类活动频繁区域,而河口区位于巢湖生态缓冲保护区,说明从上游到下游以及河口区间内污染控制区具有消纳沉积物中氮、磷污染的潜能,同时河口区作为河流湖泊交汇区,具有较大的水力冲击和水文变化,不利于携带外源氮、磷污染物的悬浮颗粒物进入沉积物,导致河口区表层沉积物更新换代更频繁,不利于表层沉积物中氮、磷营养盐的富集。

2.2 “河流-湖泊”系统沉积物中各形态氮的赋存特征

基于巢湖流域沉积物中不同形态氮的赋存现状,选择以河流和湖泊系统的视角,有助于探究沉积物中氮元素在河流与湖泊系统间迁移转化规律。巢湖流域“河流-湖泊”系统沉积物中各形态氮的分布见图2。各形态氮存在明显的季节性变化,其中离子交换态氮差异最大,东、西湖沉积物中离子交换态氮均值由夏季的321.0、373.9 mg/kg下降到冬季的108.3、127.4 mg/kg,离子交换态氮主要是微生物可利用态氮,微生物作用较好完成了氮的转化,降低了巢湖沉积物中氮含量,反映出离子交换态氮更易受到外界环境影响。东、西湖沉积物中其他形态氮从夏季到冬季呈现下降的趋势且下降幅度均低于50%,相比离子交换态氮的变化并不明显。

图2 巢湖流域“河流-湖泊”系统沉积物中各形态氮的分布Fig.2 Distribution of various forms of nitrogen in sediments of the “river-lake” system in Chaohu Lake basin

东、西河沉积物中冬季离子交换态氮较夏季下降了30%、40%,在湖泊中明显的不同形态氮的转化过程在河流中并不明显,甚至河流沉积物中有机氮会被高等植物死亡等事件直接输入的有机氮影响。在夏季,湖区沉积物中各形态氮的变化幅度大于河流,西湖中含量差距更明显,说明湖区氮污染物不仅仅来源于河流,考虑到夏季的降雨,这部分污染物来源于湖区范围接收的干湿沉降与湖泊集水区雨水漫流所带来的面源污染[14]。

通过主成分和多元方差分析可知,东、西河沉积物中氮形态结构不存在显著差异(p>0.05),说明东、西河的环境变化不会显著改变含氮污染物的结构。东、西湖沉积物中氮形态结构同样不存在显著差距(p>0.05),含氮污染物呈现出西湖向东湖转移的趋势,这种转移在夏季更明显。西河与西湖沉积物中氮形态结构不存在显著差距(p>0.05),说明西湖主要受到西河的输入影响,西河的来水是巢湖中含氮污染物的主要来源,说明河流与巢湖中不同的水文不会影响沉积物中氮形态结构,含氮污染物不会在湖区沉积物中发生明显的形态转化。东河与东湖沉积物中氮形态结构在冬季呈现了显著的差距(p<0.05),在夏季没有显著的差距(p>0.05),说明东湖氮形态在夏季主要受到西湖的迁移与东河的输入影响,但在冬季,枯水期河流流量降低,对湖区的影响明显减弱,东湖的含氮污染物主要来源于西湖的迁移。

2.3 “河流-湖泊”系统沉积物中各形态磷的赋存特征

巢湖流域“河流-湖泊”系统沉积物中各形态磷的分布见图3。巢湖流域沉积物中磷含量同样存在明显的季节性变化,其中铁铝结合态磷差异最大。东湖沉积物中冬季的铁铝结合态磷较夏季下降了20%,西湖沉积物中冬季的铁铝结合态磷较夏季高10%;东、西湖沉积物中夏季的钙结合态磷均与冬季保持相对稳定;东、西湖沉积物中冬季的有机磷较夏季下降了15%～20%。东、西河沉积物中的铁铝结合态磷分别从冬季的298.1、496.8 mg/kg下降到夏季的148.8、303.7 mg/kg,夏季的铁铝结合态磷分别较冬季下降了50%、39%;东河沉积物中钙结合态磷由夏季的158.6 mg/kg提升到冬季的244.5 mg/kg,西河沉积物中钙结合态磷由夏季的214.0 mg/kg下降到冬季的175.0 mg/kg,呈现相反的变化趋势,这一现象的出现是西河主要受到合肥市污染排放的影响;东、西河沉积物中有机磷分别从冬季的293.6、170.2 mg/kg下降到夏季的268.4、145.7 mg/kg。东河沉积物中磷形态的季节变化呈现出与氮形态相反的趋势。东河沿岸是广大的农业区,秋季收割后的农作物秸秆直接还田或被制成肥料释放进田中,其中溶解态与存留在颗粒物中的磷随着降雨进入到河流沉积物中,同时冬季河流中高等水生植物与藻类残体沉降进沉积物中也会对沉积物中有机磷的含量造成影响[15]。

图3 巢湖流域“河流-湖泊”系统沉积物中各形态磷的分布Fig.3 Distribution of various forms of phosphorus in sediments of the “river-lake” system in Chaohu Lake basin

通过主成分和多元方差分析可知,东、西河的磷形态结构不存在显著差异(p>0.05),说明东、西河的环境变化不会显著改变含磷污染物的形态分布。东、西湖的磷形态结构同样不存在显著差距(p>0.05),含磷污染物呈现出西湖向东湖转移的趋势。西河与西湖的磷形态结构不存在显著差距(p>0.05),说明西湖主要受到西河的输入影响,西河的来水是巢湖中含磷污染物的主要来源。东湖与东河的磷形态结构同样没有显著差距(p>0.05),东湖中磷形态应该同时受到东河与西湖含磷污染物迁移的影响,但与东湖氮形态完全受西湖氮形态影响的情形相比,含磷污染物在湖区中的迁移并没有含氮污染物那么明显,含磷污染物更容易沉积下来。湖泊中磷元素的迁移不再是主要的影响因素,河流输入会更多影响湖泊中磷形态结构。

2.4 沉积物中氮、磷综合影响因素评价

巢湖流域氮、磷污染水平见表3。东、西湖的TN单项污染指数分别为1.02、1.00,氮污染水平差距不大,且处于轻度污染水平;东湖的TP单项污染指数(1.46)高于西湖(1.32),东湖磷污染水平比西湖高,但两者的磷污染均处于中度污染水平。东河的TN单项污染指数(1.51)高于西河(1.32),东河氮污染为中度污染水平,高于西河的轻度污染水平;西河的TP单项污染指数(1.12)高于东河(1.02),两者的磷污染均处于中度污染水平。在整个巢湖流域中,沉积物中TN的污染水平轻度,TP的污染水平中度。河流沉积物中TN污染水平较高,而巢湖沉积物中TP的污染水平较高,存在一定释放风险。根据综合污染指数,巢湖流域沉积物中氮、磷营养盐污染处于轻度污染水平。

表3 巢湖流域氮、磷污染水平Table 3 Nitrogen and phosphorus pollution levels in Chaohu Lake basin

虽然巢湖流域沉积物中整体污染水平不高,但巢湖流域中氮、磷污染物含量的季节性波动较大,会产生氮、磷污染物的释放风险。其中,湖区沉积物中TN的季节性波动较大,东、西湖TN单项污染指数从夏季的1.23、1.24下降到冬季的0.76、0.80;河流沉积物中TP的季节性波动更剧烈,东、西河沉积物中TP单项污染指数从冬季的1.90、1.91下降到夏季的1.30、1.50,尤其是东河沉积物中TP波动剧烈,两个季节TP变化达到264.0 mg/kg,夏季与冬季磷含量的变动会带来更大的释放风险,需要给予更多关注。

3 结 论

巢湖流域中,西河是巢湖沉积物中氮、磷污染物的主要源头。从夏季到冬季,东、西湖沉积物中各形态氮含量普遍呈下降趋势,如离子交换态氮从夏季的321.0、373.9 mg/kg下降到冬季的108.3、127.4 mg/kg;东河沉积物中磷形态的季节变化呈现出与氮形态相反的趋势,冬季铁铝结合态磷与有机磷分别为298.1、293.6 mg/kg,高于夏季的148.8、268.4 mg/kg。综合污染指数评价表明,巢湖流域沉积物中TN、TP污染水平分别为轻度、中度;磷元素的季节性变化会带来较大的释放风险,东河沉积物中磷元素释放风险需要更关注。