陽澄湖沉積物中氮、磷及有機質空間分布特征與污染評價

王欣，陳欣瑤，鄒云，陳界江，李鳳彩

(蘇州工業園區環境監測站，江蘇 蘇州 215027)

近年來，湖泊富營養化問題已成為國內外重點關注的水環境問題之一[1-2]，氮(N)、磷(P)等元素的增加是湖庫富營養化的關鍵因素[1, 3]，而中國東部淺水湖泊沉積物中N、P等營養鹽含量高且差異較大[4]。沉積物能夠反映水體區域環境變遷和水體類型，是生源要素特別是N、P、碳(C)的重要蓄積庫，對污染物遷移轉化和湖泊營養元素內部循環具有重要意義，能間接體現河流受污染程度和水體區域環境變化[5-6]。因而研究淺水湖泊沉積物中營養鹽的含量及分布特征，并對其開展污染評價，有利于初步了解湖泊污染現狀，為湖泊沉積物污染控制和水生態系統健康保障及受污染水體的改善提供理論支撐[5, 7]。

陽澄湖位于蘇州市區東北方向，作為蘇州市戰略性水源地與大閘蟹養殖基地，其水質安全對周邊社會穩定和經濟發展有著十分重要的意義[1]。目前，國內外對陽澄湖浮游植物、底棲動物的研究報道較多[8-12]，對N、P、C污染狀況與分布特征的研究報道尚不多見[1]?，F對陽澄湖沉積物樣品中總磷(TP)、總氮(TN)、有機質(OM)的空間分布特征及污染現狀進行評價，以期為闡明陽澄湖內源污染提供理論支持，為污染治理提供思路。

1 研究方法

1.1 點位布設

采取網格布點法布設沉積物采樣點位，網格間距為1.2 km，綜合考慮陽澄湖湖體形態，在全湖劃定東湖南、東湖北、中湖南、中湖北、西湖南及西湖北6個分區，共布設63個沉積物采樣點位，點位分布及編號見圖1。其中1—12為東湖南樣點；13—22為東湖北樣點，23—25、35—41為中湖南樣點，26—34、63為中湖北樣點，42—53為西湖南樣點，54—62為西湖北樣點。

圖1 陽澄湖沉積物采樣點位分布

1.2 采樣時間

2020年2月。

1.3 樣品采集、制備與分析

使用Ekman-Birge采泥器采集點位垂直正下方的表層5 cm沉積物樣品1～2 kg，瀝干水分后密封于聚乙烯自封袋中，低溫保存帶回實驗室進行處理。采集的樣品經風干、去雜物、研磨后，過100目土壤篩，混勻裝入磨口瓶密閉保存，待測備用。分別采用《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》(HJ 632—2011)、堿性過硫酸鉀消解百里酚光度法[13]和《土壤檢測 第6部分：土壤有機質的測定》(NY/T 1121.6—2006)分析測定沉積物中TP、TN和OM質量比。

1.4 評價方法

1.4.1 綜合污染指數法

采用綜合污染指數(FF)評價表層沉積物TN、TP污染程度。根據相關研究[4, 14-16]的評價標準進行綜合污染程度分級，分級標準見表1。單項污染指數和FF計算公式如下：

表1 沉積物綜合污染程度分級標準

Sj=Cj/Cs

(1)

(2)

式中：Sj——因子j單項污染指數；Cj——評價因子j實測值；Cs——評價因子j評價標準值，TN、TP的Cs分別取1 000，420 mg/kg[14-17]；FF——綜合污染指數；F——n項污染指數均值；Fmax——最大單項污染指數。

1.4.2 有機污染指數法

有機污染指數(OI)通常被用來評價湖庫沉積物的營養狀況，該方法在FF指數的基礎上補充考慮OM指標，進一步完善對湖泊沉積物污染現狀的評價[16, 18-20]。OI評價標準見表2，計算公式如下：

表2 沉積物OI評價標準

OI=OC×ON

(3)

OC=OM/1.724

(4)

ON=TN×0.95

(5)

式中：OI——有機污染指數；OC——有機碳含量，%；ON——有機氮含量，%；OM——有機質含量，%；TN——總氮含量，%。

1.5 數據處理

采用Excel 2016對數據進行分析計算，用Origin 2017進行Pearson相關性分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 TN、TP、OM質量比及空間分布特征

湖區各監測點位沉積物中ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)監測結果見圖2(a)(b)(c)。由圖2可見，沉積物中ω(TN)為183～6 251 mg/kg，均值為1 102 mg/kg，變異系數為80.4%(>20%)，變異系數是反映各個樣點間的平均變異程度參數[1]，故ω(TN)在空間分布上具有高差異性。6個湖區ω(TN)均值為：東湖南(2 037 mg/kg)>西湖北(1 353 mg/kg)>西湖南(1 112 mg/kg)>東湖北(733 mg/kg)>中湖南(676 mg/kg)>中湖北(541 mg/kg)；各湖區ω(TN)的變異系數為：東湖南>東湖北>中湖南>中湖北>西湖南>西湖北，變異系數均>20%，說明各分區沉積物ω(TN)均具有一定的空間差異性。

圖2 湖區沉積物監測點位TN、TP和OM質量比

ω(TP)為587～1 494 mg/kg，均值為822 mg/kg，變異系數為20.9%，即全湖沉積物中ω(TP)在空間分布上具有一定的差異性。各湖區ω(TP)均值為：西湖南(889 mg/kg)>西湖北(882 mg/kg)>中湖北(859 mg/kg)>中湖南(810 mg/kg)>東湖北(771 mg/kg)>東湖南(725 mg/kg)，整體趨勢為自東湖向中湖、西湖逐漸增加；而ω(TP)變異系數>20%的區域僅有西湖南、西湖北，說明西湖沉積物中ω(TP)的空間分布具有一定的差異性，東湖、中湖ω(TP)的空間分布差異性不大。

ω(OM)為8.5～89.9 g/kg，均值為32.8 g/kg，變異系數為50.5%，空間分布整體上存在較高差異性。各湖區ω(OM)均值為：東湖南(50.7 g/kg)>東湖北(36.0 g/kg)>中湖南(30.5 g/kg)>西湖北(29.8 g/kg)>中湖北(27.6 g/kg)>西湖南(20.6 g/kg)，整體趨勢為自東湖向中湖、西湖減少；各湖區ω(OM)的變異系數為：中湖南>東湖北>西湖南>東湖南>西湖北>中湖北。

2.2 ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)相關性分析

對沉積物中ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)進行Pearson相關性分析，結果表明：ω(TP)和ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)的相關性不大(p>0.05)，ω(TN)和ω(OM)存在顯著性正相關(r=0.373，p<0.01)。由此可知，沉積物中OM的富集可能是湖體中N鹽的重要來源，而對P影響不大[16]。

2.3 污染指數評價

2.3.1 FF指數

各湖區沉積物STN、STP和FF指數評價結果見表3。全湖沉積物STN、STP分別為1.10，1.96，處于2級(輕度污染)、4級(重度污染)水平；全湖FF為1.22～5.19，均值為1.84，綜合污染水平為3級(中度污染)。各湖區監測點位沉積物FF評價等級占比見圖3，其中全湖所布監測點位中為中度、重度污染的點位占比分別為50.8%，25.4%。

表3 湖區沉積物STN、STP、FF指數評價結果

圖3 湖區沉積物監測點位FF等級占比分布

由表3可見，各湖區沉積物中STN差異較大，東湖南TN為4級(重度)污染，西湖南、西湖北TN分別為2級(輕度污染)、3級(中度污染)水平，其余湖區均屬1級(清潔)； STP評價結果顯示，各湖區TP均處4級(重度污染)水平，污染程度整體表現為：西湖>中湖>東湖。FF指數大小排序為：東湖南>西湖北>西湖南>中湖北>中湖南>東湖北，其中東湖南的監測點位中屬重度污染的比例最高，達到50.0%。此外，由于東湖FF指數在南北方向上差異性較大，且沉積物中TN的空間差異性最大(圖2)，間接說明了TN污染對東湖南FF指數的貢獻更大。

2.3.2 OI指數

通過OI指數法對陽澄湖沉積物有機污染現狀進行評價，結果見表4。各湖區沉積物監測點位OI等級占比見圖4。湖體沉積物OI為0.01～1.52，均值為0.23，對照表2評價標準，屬尚清潔，其中尚清潔、有機污染的監測點位比例分別為17.5%，11.1%。

表4 湖區沉積物OI指數評價結果

圖4 湖區沉積物監測點位OI等級占比分布

各湖區OI指數均值為：東湖南>西湖北>東湖北>西湖南>中湖南>中湖北，其中東湖南的OI指數均值遠高于其他區域，屬有機污染區。東湖南OI指數為0.07～1.52，均值為0.57，其中75.0%的監測點位屬Ⅲ—Ⅳ級(尚清潔—有機污染)；西湖北有機污染指數為0.15～0.35，均值為0.22，監測點位均屬Ⅱ—Ⅲ級(較清潔—尚清潔)；東湖北、中湖南、中湖北及西湖南4個湖區均屬Ⅱ級(較清潔)，監測點位中達到有機污染程度的比例均低于10%(圖4)。

3 討論

3.1 ω(TN)、ω(TP)及ω(OM)

沉積物中ω(TN)、ω(TP)及ω(OM)能在一定程度上反映湖泊污染水平。本研究的陽澄湖沉積物中ω(TN)、ω(TP)波動范圍與2015年5月蔣豫等[15]研究結果相似，但ω(TN)、ω(TP)平均值均低于該研究，這可能與近年來各級政府對陽澄湖湖體與入湖河道進行持續管控有關，2013—2020年隨著蘇州市陽澄湖生態優化行動的實施，相繼關閉了上游區域內近100家印染企業，對區域內紡織、制藥及食品加工等行業進行了清潔化技術改造，從源頭上削減污染物的產生和排放。

ω(TP)總體表現為從西湖向中湖、東湖逐漸降低的趨勢，與蔣豫等[15]研究結果一致。由于入湖河道多分布在西湖區域，且入湖河道附近城鎮化程度高，人口密度較大，農田及工業分布較多，入湖過程可能會攜帶部分城市污水和未被植物吸收利用的農田肥料至西湖而引入P鹽，而水體中的懸浮顆粒物會快速吸附并沉降P鹽至沉積物，導致西湖沉積物ω(TP)偏高[1]。東湖分布水生植被較多，在生長旺季對生物可利用P需求較大[1]，間接促使東湖沉積物ω(TP)低于西湖、中湖。

ω(TN)表現為東湖南明顯高于其他區域，ω(OM)整體表現為東湖高于中湖、西湖，這可能是由于東湖尤其是東湖南區域，圍網養殖面積較大，且主要為密集型養殖類型，圍網區未食的餌料和魚、蟹等排泄物的沉積顯著增加了底泥中ω(OM)，導致底泥理化性質改變，使得東湖尤其是東湖南區域的TN負荷量超過該水域總容量[1, 15, 21]。此外，研究結果顯示，ω(TN)與ω(OM)顯著正相關，進一步印證了TN和OM的沉積具有很高的協同性，二者均主要通過水生植物殘體的沉積過程進入底泥并協同富集[19, 22-24]。

3.2 FF及OI指數

本研究的沉積物FF指數評價結果低于蔣豫等[15]研究，其中東湖南綜合污染程度最高；OI指數雖低于郭西亞等[1]研究(OI為0.17～8.20)，但OI指數最高值都出現在東湖南區。景明等[8]從浮游植物群落結構的角度說明了東湖南與其他點位具有較大差異性。6個湖區中，東湖南的FF指數與OI指數評價等級均為最高，該區FF指數最高的主要原因是其STN、STP均較高且STN遠高于其他湖區，而底泥TN最大釋放量與湖泊污染程度呈正相關[25]，因此東湖南綜合污染程度遠高于其他湖區；而對于OI指數，東湖南有75.0%的監測點位屬Ⅲ—Ⅳ級(尚清潔—有機污染)，該比例遠高于其他湖區，其有機污染等級較高與該區TN負荷過大、ω(OM)偏高緊密相關。

4 結論與建議

(1)ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)均值分別為1 102，822 mg/kg和32.8 g/kg，全湖STN、STP、FF和OI評價結果分別為2級(輕度污染)、4級(重度污染)、3級(中度污染)和Ⅲ級(尚清潔)。

(2)ω(TP)的空間分布總體為從西湖向中湖、東湖逐漸降低的趨勢，ω(TN)、ω(OM)的空間分布與ω(TP)相反，其中東湖南沉積物中ω(TN)、ω(OM)均明顯高于其他湖區。

(3)相關性分析表明，ω(TN)與ω(OM)顯著正相關(r=0.373，p<0.01)，沉積物中OM的富集可能是湖體中N鹽的重要來源，而對P影響不大。

(4)FF和OI指數評價結果表明，全湖6個湖區的沉積物中TP均為重度污染，而TN僅在東湖南為重度污染；因東湖南水生植物生長茂盛，且存在密集型養殖區域，是該區域TN高于其他湖區的主要原因，促使東湖南沉積物的綜合污染等級(重度污染)、有機污染等級(有機污染)均高于其他湖區。

(5) 陽澄湖全湖沉積物TP處于重度污染水平，東湖南的TN富集、OM含量過?，F象顯著，因此，建議加強陽澄湖周邊工業企業整治，嚴格控制入湖河道工農業廢水和生活污水的排放，集中對入湖河流、排污口進行疏浚治理，從而削減陽澄湖沉積物的N、P、C等營養鹽負荷，從源頭減輕陽澄湖的內源污染水平。