太湖流域沉積物碳氮磷含量測定及其污染評價

太湖流域沉積物碳氮磷含量測定及其污染評價

楊陽，劉志根，胡忠軍等。2014年，太湖流區(qū)沉積物碳、氮、磷的分布和污染分析[j]科學期刊，34（12）：3057-3064。YangY,LiuQG,HuZJ,etal.2014.Spatialdistributionofsedimentcarbon,nitrogenandphosphorusandpollutionevaluationofsedimentinTaihuLakeBasin[J].ActaScientiaeCircumstantiae,34(12):3057-30641區(qū)域尺度污染狀況研究沉積物不僅能反映水體區(qū)域環(huán)境的變遷和水體的類型,同時也是生源要素特別是氮、磷的重要存儲庫,對污染物的遷移轉化和湖泊中營養(yǎng)元素的循環(huán)有著重要意義.沉積物在凈化上覆水環(huán)境的同時,也在一定程度上發(fā)揮著營養(yǎng)源的作用,加速水體的富營養(yǎng)化.人類活動使過多的營養(yǎng)鹽進入河流,擴大了整個流域的污染空間,河流匯聚湖泊造成湖泊的進一步污染,導致水華現(xiàn)象頻繁發(fā)生,因此,治理湖泊污染應該著眼于整個流域.近年來,我國學者對湖泊流域的治理進行了大量的研究(范成新等,2005;潘英姿等,2005;袁淑方等,2013),有關流域尺度污染狀況的研究報道主要針對沉積物重金屬污染和微量元素含量進行(何華春等,2007;田林鋒等,2012;方明等,2013),有關太湖流域沉積物污染現(xiàn)狀的相關研究也主要集中于較為嚴重的水體或流域內部分區(qū)域的沉積物(袁旭音等,2002;盧少勇;2012a),很少有學者從整個流域的角度探討沉積物碳氮磷含量與分布.太湖流域主要包括江蘇省蘇南地區(qū),浙江省的嘉興、湖州兩區(qū)及杭州市的一部分,以及上海市的大部分,總面積達36900km2,水域面積達5550km2,占太湖流域的16.7%,是典型的平原水網(wǎng)地區(qū),河流縱橫交錯,湖泊眾多.近年來,該地區(qū)湖泊富營養(yǎng)化日益加劇,其中,太湖是富營養(yǎng)化的典型代表(楊育武等,2002),1981—1991年的10年間,太湖水層總氮和總磷含量分別增加了將近2~3倍,藻類生物量增加了38倍(蔡名銘,1998).2000年以來,太湖藍藻水華幾乎全年(3—12月)都有發(fā)生(馬榮華等,2008).流域是一個相互反饋的動態(tài)系統(tǒng),流域內的湖泊、河流、水庫之間存在著緊密的物質和能量的交換等生態(tài)聯(lián)系.基于此,本文通過對太湖流域沉積物碳氮磷進行研究,分析太湖流域沉積物分布特征,了解不同類型水體沉積物營養(yǎng)鹽之間的區(qū)別,以期為制定水體恢復和保護措施提供理論和科學依據(jù).2材料和方法材料和方法2.1采樣站位布設及河流選擇2010年5月對太湖流域29個水體進行沉積物采集,其中,湖泊14個、河流8條、水庫7座(圖1).在太湖設置5個斷面,每個斷面設置3個站點,在其他水體設置3個站點,在所選的湖泊、河流及水庫中沿著某一樣線隨機布設3個站點,站點間距至少2km.選擇采樣的水體主要為飲用水水源地及受人類活動干擾較大的湖泊和河流的典型河段;選擇點位為不同區(qū)域不同特點的不同河流上,基本兼顧到流域內多數(shù)河流,同時考慮不同營養(yǎng)類型、不同海拔高度和地域形態(tài)的湖泊、河流及水庫的上、下游地區(qū);斷面布設以交通便捷、安全及例行監(jiān)測斷面為原則進行選擇.采用彼得森采泥器采集表層沉積物樣品,裝入自封袋,用低溫保溫箱保存,運回實驗室,將樣品放在培養(yǎng)皿中自然風干,風干樣品粉粹研磨后用100目篩子過篩.在調查的過程中,記錄采泥器是否采集到水草及每個站點周圍水域是否有水草分布,同時記錄是否出現(xiàn)養(yǎng)殖活動(陳麗平等,2013).2.2數(shù)據(jù)分析方法有機碳(TOC)、總氮(TN)及總磷(TP)分別采用重鉻酸鉀容量法、半微量開氏法和HClO4-H2SO4法(鮑士旦,2000)進行分析測定.采用單因素方差分析(One-wayANOVA)分別探討沉積物碳、氮、磷含量在不同水體類型間的差異,多重比較采用Duncan檢驗.碳氮磷比值在不同水體類型間的差異采用Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗,數(shù)據(jù)經(jīng)秩變換后進行多重比較(Duncan檢驗)(陳麗平等,2013).為出現(xiàn)水草或存在水產(chǎn)養(yǎng)殖活動的站點賦值1,為未出現(xiàn)的站點賦值0,采用相關分析和T檢驗探討水產(chǎn)養(yǎng)殖活動及水草分布對沉積物碳氮磷含量的影響.2.3太湖流區(qū)沉積物污染評價標準2.3.1評價沉積物質量采用有機氮(ON)對太湖流域各站點的沉積物質量和污染等級進行評價,其中,[ON]=[TN]×95%(孫順才等,1993).有機氮評價標準列于表1.2.3.2指數(shù)ff以1960年太湖底泥中TN、TP實測值的平均值作為背景值(即評價標準值),由單項污染指數(shù)公式(1)以及公式(2)計算綜合污染指數(shù)(FF,其分級標準見表2)(岳維忠等,2007).式中,Si為單項評價指數(shù)或標準指數(shù),Si大于1表示因子i含量超過評價標準值;Ci為評價因子i的實測值;Cs為評價因子i的評價標準值,TN的Cs=0.67g·kg-1,TP的Cs=0.44g·kg-1(王蘇民等,1998);F為n項污染指數(shù)平均值(STN和STP中平均值),Fmax為最大單項污染指數(shù)(STN和STP中最大者).3結果和分析結果和分析3.1太湖流區(qū)沉積物碳、氮、磷的一般特征及相關分析3.1.1總氮、總磷指標由表3可知,太湖流域沉積物TOC含量在3.212~44.540g·kg-1之間,平均含量為14.453g·kg-1,其中,洮湖有機碳含量最高、滴水湖最低.總氮平均值為1.748g·kg-1,流域內總氮分布不均,最大值達5.365g·kg-1,最小值則為0.417g·kg-1,分別出現(xiàn)在洮湖和西界崗河.流域內各水體總磷含量在0.128~2.655g·kg-1之間,平均值為0.760g·kg-1,其中,太湖013斷面總磷平均含量最低,南湖總磷含量最高.3.1.2toc、tn、tp的相關性相關分析表明,沉積物TN與TOC含量顯著正相關(r=0.890,p<0.01,n=99),線性方程為[TOC]=7.4338×[TN]+0.146,表明TN隨著TOC的增加而增加.沉積物TOC與TP含量之間具有相關性,但相關系數(shù)較低(r=0.222,p<0.05,n=99),線性方程為[TOC]=4.1397×[TP]+11.306(圖2).沉積物TN與TP含量不相關(r=0.114,p>0.05,n=99).不同水體類型沉積物碳氮磷含量之間的相關系數(shù)均為正,但相關性不一致.水庫三者之間均顯著正相關(p<0.01),其中,TN與TOC的相關系數(shù)最高,TP與TN的相關系數(shù)最低;河流TN和TP均與TOC顯著正相關(p<0.01),TP與TN不相關;湖泊TN與TOC顯著正相關(p<0.01),但TP與TOC和TN均不相關(表4).3.2不同水體的沉積物碳、氮和磷的比較3.2.1.2.2主要河流和湖泊河流由圖3可知,沉積物TOC和TN含量在不同水體類型間均存在顯著差異(One-wayANOVA,TOC:F=6.497,p<0.01,df=98;TN:F=10.811,p<0.01,df=98),但沉積物TP含量在不同水體類型間無顯著差異(河流:(0.8350±0.0061)g·kg-1,湖泊:(0.7670±0.0070)g·kg-1,水庫:(0.6570±0.0068)g·kg-1;F=0.951,p>0.05,df=98).水庫((17.803±0.129)g·kg-1)、湖泊((15.196±0.130)g·kg-1)沉積物的TOC含量顯著高于河流((9.848±0.054)g·kg-1),TN亦如此(水庫:(2.264±0.017)g·kg-1,湖泊:(1.848±0.015)g·kg-1,河流:(1.071±0.007)g·kg-1)(Duncan檢驗,p均<0.05),沉積物TOC和TN含量在湖泊與水庫間均無顯著差異(Duncan檢驗,p均>0.05).3.2.2水庫、湖泊內沉積物cn由圖4可知,沉積物碳氮磷比值在不同水體類型間均存在顯著差異(Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗,C∶N:χ2=6.450,p=0.040;C∶P:χ2=25.764,p<0.001;N∶P:χ2=25.702,p<0.001;df均為2).沉積物C∶N比河流顯著高于水庫,湖泊與河流、水庫間均無顯著差異;沉積物C∶P和N∶P比均是水庫顯著高于湖泊和河流,湖泊顯著高于河流(Duncan檢驗).3.3沉積物養(yǎng)分含量由表5可知,有養(yǎng)殖活動湖泊的沉積物碳、氮含量分別顯著高于無養(yǎng)殖活動湖泊(p均<0.001,df均為52),但磷含量兩者間無顯著差異(p=0.675>0.05;df=52);有養(yǎng)殖活動湖泊的沉積物碳、氮含量分別顯著大于所有無養(yǎng)殖活動水體(p均<0.001,df均為97),但磷含量兩者間亦無顯著差異(p=0.708>0.05;df=97).由表6可知,有水草分布站點沉積物碳氮含量顯著高于無水草分布站點的(TOC:p=0.002<0.01,TN:p=0.015<0.05,df均為97),但磷含量兩者間無顯著差異(p=0.101>0.05,df=97).相關分析亦表明,沉積物碳和氮含量均與是否有養(yǎng)殖活動顯著正相關(TOC:r=0.533,p<0.01;TN:r=0.504,p<0.01;n均為99),但磷含量與是否存在養(yǎng)殖活動不相關(r=-0.036,p>0.05,n=99);沉積物碳氮含量與水草存在與否顯著正相關(TOC:r=0.301,p<0.01;TN:r=0.333,p<0.01;n均為99),但磷含量與水草存在與否無顯著相關性(r=-0.149,p>0.05,n=99).3.4水庫立法水體污染程度評價從整個太湖流域來看,ON和FF的評價結果較為一致,84.9%~91.9%的站點的污染水平為Ⅲ~Ⅳ級.ON指數(shù)顯示,90.5%的水庫站點污染程度屬于Ⅳ級,53.7%的湖泊站點屬于Ⅳ,70.8%的河流站點屬于Ⅲ級,說明污染等級從高到低依次為水庫、湖泊、河流.FF指數(shù)亦顯示,水庫沉積物污染程度甚于河流和湖泊,所有水庫站點污染程度高于Ⅲ級,且81.0%的站點處于Ⅳ級污染水平(表7).4水體、河流沉積物養(yǎng)分含量與碳、氮含量關系TOC是以碳的含量表示水中有機物總量的綜合指標,它能較全面地反映出水中有機物的污染程度.太湖流域沉積物TOC含量為水庫高于湖泊和河流,可能與有機質長期沉降積累、水體流動性、養(yǎng)殖活動、水草分布及航運等有關.水庫由于受到水壩的攔截,進入水庫的90%泥沙將淤積在水庫中(馮秀富等,2009),湖泊和河流的流動性都比水庫要強,特別是河流,其沉積物TOC含量最低.TOC含量的高低除了和水體本身的長期沉積積累有關外,人類活動如污染排放、養(yǎng)殖活動等對TOC也有重要影響,導致湖泊和河流沉積物的TOC含量相對較高,如人類活動導致龍感湖沉積物碳氮磷蓄積量急劇增加(吳艷宏等,2006).本研究結果顯示,水體周邊有較多人類活動的水體沉積物TOC含量明顯高于其它水體,如淀山湖、長漾湖、南湖、陽澄湖、洮湖、金匯港等水體周邊居住人口較多,南湖、滆湖周邊農(nóng)田較多及有工廠分布,京杭運河、大治河、瀏河等水體航運較為頻繁.水產(chǎn)養(yǎng)殖會對沉積物碳、氮和/或磷含量產(chǎn)生影響,但影響程度會因養(yǎng)殖種類和元素類型而異.魚類養(yǎng)殖導致沉積物氮磷、貝類養(yǎng)殖導致沉積物氮均有較大程度的增加,但貝類養(yǎng)殖水域沉積物磷略有下降(黃小平等,2010);東太湖圍欄養(yǎng)殖導致沉積物TOC和TN含量分別增加了593%、83%,但磷僅增加8.0%(楊清心等,1996).本研究中,陽澄湖、長漾湖、洮湖、滆湖等水體因從事養(yǎng)殖活動,沉積物TOC和TN含量明顯高于無養(yǎng)殖活動水體(表5).水草的分布及其生物量大小能影響湖泊沉積物元素含量,碳、氮含量均隨著水草生物量的增加而顯著增加,但水草生物量對磷含量的影響微乎其微(Squiresetal.,2003),甚至能明顯降低磷含量(Horppilaetal.,2005),本研究結果與此一致:宋劍湖、洮湖和陽澄湖的3個站點,太湖、泰山水庫的2個站點,淀山湖和泗安水庫的1個站點有水草分布,這些有水草分布站點的沉積物碳、氮平均值均顯著高于無水草分布的,但磷含量無顯著差異.另外,河流沉積物氮含量低也可能與河流作為航運通道有關,盧少勇等(2012b)曾指出河底沉積物受航運影響擾動較大,沉積物氮具有高釋放風險.本研究表明,太湖流域沉積物碳氮相關性很高,說明氮主要以有機氮形式存在(Dattaetal.,1999),這可能是導致總氮含量水庫最大、河流最低的分布格局與碳一致的原因.沉積物中有機氮是氮的主要存在形態(tài),而有機磷占總磷的比例極低(袁旭音等,2002),如環(huán)太湖河道沉積物氮以有機氮為主,江蘇西部湖泊沉積物磷以無機磷為主(盧少勇等,2012b;劉濤等,2012),故總氮與有機質顯著正相關、總磷與有機質不相關(袁旭音等,2002).但有學者通過總磷與有機碳的相關分析及磷賦存形態(tài)的研究表明,有機磷為一些湖庫沉積物總磷的主要賦存形態(tài),如貴州百花湖(王敬富等,2012)、紅楓湖(王雨春等,2004)和紅巖水庫(尹然等,2010),一些水體有機磷與無機磷含量較為接近(王新建等,2013).太湖流域沉積物碳氮顯著正相關,且兩者的相關系數(shù)高達0.890(圖2),表明該流域沉積物氮主要以有機氮的形式存在(Dattaetal.,1999);河流沉積物TOC與TN之間的相關系數(shù)僅為0.581,而湖庫的高于0.879(表4),說明水庫和湖泊沉積物中的氮主要存在于有機質中(王敬富等,2012),而河流與水庫、湖泊相比較,其沉積物中還有較多其它形態(tài)的氮存在.磷在沉積物中的賦存形態(tài)比較復雜,特別是淺水水體(朱廣偉,2003),太湖流域沉積物TP與TOC含量的相關性雖達到顯著水平,但相關系數(shù)不高(圖2),可能說明磷的賦存形態(tài)比較復雜及磷的存在形態(tài)中無機磷占了很大比例.太湖流域水庫沉積物TP與TOC之間有著極顯著的正相關關系,湖泊沉積物兩者相關系數(shù)極低且不相關(表4),說明淺水湖泊沉積物中磷存在的形態(tài)比水庫要復雜許多(朱廣偉,2003),也表明湖泊沉積物磷主要來自外源浮游動植物的沉降,水庫沉積物磷主要來自內源浮游動植物的沉降(盧少勇等,2012a).水庫沉積物TN、TP與TOC的相關性均很高,說明水庫氮、磷在沉積行為上較為相似,均來自表層沉積物有機質的礦化(盧少勇等,2012a).水體沉積物C∶N比是判識環(huán)境的一個重要要素,也是判定沉積物中有機污染來源的重要依據(jù)(錢君龍等,1997).研究表明,藻類的C∶N比一般在4~10之間,而陸生維管束植物的C∶N比一般大于20(Meyers,1994),C∶N比值愈大,說明陸源輸入的有機質成分愈大.許多研究表明,湖泊表層沉積物的C∶N在6~14之間(Talbot,1990).本研究得出,太湖流域湖泊和水庫沉積物C∶N比分別為9.7和9.4,而河流沉積物C∶N比最大,約為11.2,說明河流較湖泊和水庫有更多的陸源物質輸入,而湖泊特別是水庫相對比較封閉,與外界聯(lián)系較少,有機質主要來源于大量繁殖的藻類,這與袁和忠等(2010)的研究結果一致,因此,水庫沉積物C∶N比值最小,且顯著低于河流.一方面,河流較湖泊和水庫具有更長的沿岸帶,為陸生維管束植物提供了更多