張鴻志 朱 超 崔康平 陳奕涵#

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,安徽 合肥 230031)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,水環(huán)境中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量日趨增加。氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽作為促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要元素,進(jìn)入河流、湖泊水體后能促進(jìn)藻類生長(zhǎng)和水華現(xiàn)象發(fā)生,由此所致的水體富營(yíng)養(yǎng)化問題給流域水環(huán)境生態(tài)安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。由于河流與湖泊受到人類活動(dòng)的影響較直接,氮、磷污染現(xiàn)象尤為突出。沉積物作為水環(huán)境中重要的納污場(chǎng)所,過量的氮、磷排放進(jìn)入水環(huán)境后會(huì)在沉積物中得到蓄積,伴隨著水動(dòng)力過程,富含氮、磷表層沉積物又可發(fā)生重懸浮,同時(shí)沉積物中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽可被水生微生物與植物等利用,而水生生物死亡后又以不同形態(tài)沉積固定下來(lái),從而參與到氮、磷循環(huán)過程[1],使得沉積物成為水環(huán)境中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的“源”和“匯”的轉(zhuǎn)化熱區(qū)[2]。此外,隨著近年來(lái)沉積物中氮、磷研究的細(xì)致化,研究發(fā)現(xiàn)沉積物中生物地球化學(xué)行為過程會(huì)使得氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽在不同形式間轉(zhuǎn)化,根據(jù)其存在性質(zhì)及與結(jié)合方式的差異,可劃分為不同的氮、磷存在形式[3]。沉積物中的氮、磷污染物在外界環(huán)境影響下,形態(tài)發(fā)生改變,不同氮、磷形態(tài)被環(huán)境生物利用,參與物質(zhì)循環(huán)的程度不同,氮、磷形態(tài)的分布能反映湖泊水環(huán)境的變化及影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的恢復(fù)[4-5]。鑒于沉積物具有積極調(diào)控上覆水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡的作用,同時(shí)沉積物作為內(nèi)源污染的源頭,對(duì)保持水體環(huán)境中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量穩(wěn)定具有重要的作用[6-7],因此基于不同氮、磷賦存形態(tài),積極開展沉積物中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的污染研究具有重要的意義。

值得注意的是,雖然近年來(lái)圍繞流域水環(huán)境中沉積物污染研究已取得較多進(jìn)展,但多數(shù)研究主要專注于較孤立的河流、湖泊或水庫(kù)水環(huán)境,在河湖連通背景下,從河流到湖泊過程中,整體的水文環(huán)境都發(fā)生了變化,氮、磷污染物在沉積物中生物環(huán)境行為可能也會(huì)發(fā)生變化,然而圍繞“河流-湖泊”系統(tǒng)中氮、磷賦存特征的研究依然較少。巢湖流域作為一個(gè)擁有眾多支流的大型流域,形成了典型的“河流-湖泊”系統(tǒng),但圍繞巢湖流域“河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中氮、磷污染的研究依然匱乏。因此,本研究選擇巢湖流域作為案例依托,研究巢湖流域“河流-湖泊”系統(tǒng)表層沉積物中不同形態(tài)氮、磷的賦存情況,進(jìn)而探究季節(jié)因素與水體存在形式對(duì)沉積物中氮、磷污染物造成的影響及氮、磷污染物在湖區(qū)中的潛在遷移方式,并利用綜合污染指數(shù)對(duì)研究區(qū)域沉積物進(jìn)行污染程度分析評(píng)價(jià),旨在闡明巢湖流域“河流-湖泊”系統(tǒng)表層沉積物中氮、磷污染物賦存特征,以期為“河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中氮、磷污染管控提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)的分析與布設(shè)

根據(jù)巢湖湖區(qū)和入湖河流污染狀況,共設(shè)置了40個(gè)采樣點(diǎn),其中湖區(qū)20個(gè)(L1～L20)、周圍河流20個(gè)(R1～R20),具體分布見圖1。根據(jù)巢湖的地理位置[8],以兆河為界,將巢湖分為東湖(L13～L20)與西湖(L1～L12);根據(jù)河流特征,將匯入相應(yīng)湖區(qū)的河流分為東、西河。

圖1 巢湖流域采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Chaohu Lake basin

1.2 樣品的采集與處理

分別于2021年夏季(7月)和冬季(12月)使用抓斗式采泥器采集表層沉積物樣品,采樣后及時(shí)將沉積物樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行冷凍干燥,之后取沉積物進(jìn)行研磨,過100目篩,并將過篩后沉積物樣品冷凍保存于-20 ℃下待后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.3 樣品的測(cè)定方法

1.4 沉積物中綜合污染指數(shù)評(píng)定

單項(xiàng)污染指數(shù)(Si)和綜合污染指數(shù)(F)的計(jì)算見式(1)和式(2)[11]。沉積物氮、磷污染物污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 沉積物中氮、磷污染物污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard for pollution level of nitrogen and phosphorus pollutants in sediments

Si=Ci/Cs

(1)

(2)

式中:Ci為評(píng)價(jià)因子i的實(shí)測(cè)值,mg/kg;Cs為評(píng)價(jià)因子i的標(biāo)準(zhǔn)值,mg/kg,其中總氮(TN)、總磷(TP)的標(biāo)準(zhǔn)值分別為670、440 mg/kg;Save為Si平均值;Smax為Si最大值。

2 結(jié)果與討論

2.1 巢湖流域沉積物中氮、磷污染水平

巢湖流域沉積物中氮、磷質(zhì)量濃度見表2。巢湖流域沉積物中各形態(tài)氮依次為有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)氮(321.2 mg/kg)>離子交換態(tài)氮(191.2 mg/kg)>鐵錳氧化態(tài)氮(79.6 mg/kg)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)氮(43.3 mg/kg)。離子交換態(tài)氮、有機(jī)物與硫化物結(jié)合態(tài)氮是主要形態(tài)。巢湖流域湖區(qū)沉積物中TN為275.5～1 177.2 mg/kg,L8和L11沉積物中TN偏高,主要集中于湖泊中部,且西湖沉積物中氮高于東湖,說(shuō)明來(lái)自于合肥城區(qū)的生活與工業(yè)廢水影響了西湖的氮含量。河流沉積物中TN為251.9～1 103.9 mg/kg,R12(南淝河上游)、R15(烔煬河上游)沉積物中TN偏高,鑒于南淝河上游是合肥市區(qū)工業(yè)與生活污水的點(diǎn)源排放口,烔煬河以農(nóng)業(yè)面源污染為主,這意味著巢湖流域沉積物中氮污染治理應(yīng)充分基于集水區(qū)內(nèi)點(diǎn)源與面源污染特征,進(jìn)行差異化管控。

表2 巢湖流域沉積物中氮、磷質(zhì)量濃度Table 2 Mass concentration of nitrogen and phosphorus in sediment of Chaohu Lake basin mg/kg

巢湖流域各形態(tài)磷依次為鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(331.3 mg/kg)>鈣結(jié)合態(tài)磷(220.7 mg/kg)>有機(jī)磷(186.5 mg/kg)。鐵鋁結(jié)合態(tài)磷與鈣結(jié)合態(tài)磷是主要形態(tài)。湖區(qū)沉積物中TP為307.8～949.3 mg/kg,L2和L3沉積物中TP偏高,這些區(qū)域位于南淝河和十五里河的入湖區(qū),說(shuō)明含磷污染物主要集中在城市河流入湖區(qū)附近;河流沉積物中TP為428.0～2 102.1 mg/kg,R18沉積物中TP最高,由于該區(qū)域主要污染源是農(nóng)業(yè)區(qū),可認(rèn)為農(nóng)業(yè)面源污染是影響巢湖各支流磷含量的主要影響因素[12-13]。河流輸入與面源污染是湖泊污染物的來(lái)源,考慮到人口與人類活動(dòng)主要聚集于西部,西河是巢湖氮、磷污染物的主要來(lái)源。

此外,基于對(duì)巢湖流域同一條河流的上游與河口處沉積物中氮、磷含量的研究發(fā)現(xiàn),夏冬季河流上游沉積物中氮、磷含量均明顯高于河口位置,如夏季的南淝河上游TN、TP分別為1 103.9、1 170.1 mg/kg,河口TN、TP分別為363.5、405.7 mg/kg;冬季的南淝河上游TN、TP分別為798.9、1 305.9 mg/kg,河口TN、TP分別為358.7、429.2 mg/kg。由于河流上游多處于人類活動(dòng)頻繁區(qū)域,而河口區(qū)位于巢湖生態(tài)緩沖保護(hù)區(qū),說(shuō)明從上游到下游以及河口區(qū)間內(nèi)污染控制區(qū)具有消納沉積物中氮、磷污染的潛能,同時(shí)河口區(qū)作為河流湖泊交匯區(qū),具有較大的水力沖擊和水文變化,不利于攜帶外源氮、磷污染物的懸浮顆粒物進(jìn)入沉積物,導(dǎo)致河口區(qū)表層沉積物更新?lián)Q代更頻繁,不利于表層沉積物中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的富集。

2.2 “河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中各形態(tài)氮的賦存特征

基于巢湖流域沉積物中不同形態(tài)氮的賦存現(xiàn)狀,選擇以河流和湖泊系統(tǒng)的視角,有助于探究沉積物中氮元素在河流與湖泊系統(tǒng)間遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。巢湖流域“河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中各形態(tài)氮的分布見圖2。各形態(tài)氮存在明顯的季節(jié)性變化,其中離子交換態(tài)氮差異最大,東、西湖沉積物中離子交換態(tài)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,離子交換態(tài)氮主要是微生物可利用態(tài)氮,微生物作用較好完成了氮的轉(zhuǎn)化,降低了巢湖沉積物中氮含量,反映出離子交換態(tài)氮更易受到外界環(huán)境影響。東、西湖沉積物中其他形態(tài)氮從夏季到冬季呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)且下降幅度均低于50%,相比離子交換態(tài)氮的變化并不明顯。

圖2 巢湖流域“河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中各形態(tài)氮的分布Fig.2 Distribution of various forms of nitrogen in sediments of the “river-lake” system in Chaohu Lake basin

東、西河沉積物中冬季離子交換態(tài)氮較夏季下降了30%、40%,在湖泊中明顯的不同形態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程在河流中并不明顯,甚至河流沉積物中有機(jī)氮會(huì)被高等植物死亡等事件直接輸入的有機(jī)氮影響。在夏季,湖區(qū)沉積物中各形態(tài)氮的變化幅度大于河流,西湖中含量差距更明顯,說(shuō)明湖區(qū)氮污染物不僅僅來(lái)源于河流,考慮到夏季的降雨,這部分污染物來(lái)源于湖區(qū)范圍接收的干濕沉降與湖泊集水區(qū)雨水漫流所帶來(lái)的面源污染[14]。

通過主成分和多元方差分析可知,東、西河沉積物中氮形態(tài)結(jié)構(gòu)不存在顯著差異(p>0.05),說(shuō)明東、西河的環(huán)境變化不會(huì)顯著改變含氮污染物的結(jié)構(gòu)。東、西湖沉積物中氮形態(tài)結(jié)構(gòu)同樣不存在顯著差距(p>0.05),含氮污染物呈現(xiàn)出西湖向東湖轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),這種轉(zhuǎn)移在夏季更明顯。西河與西湖沉積物中氮形態(tài)結(jié)構(gòu)不存在顯著差距(p>0.05),說(shuō)明西湖主要受到西河的輸入影響,西河的來(lái)水是巢湖中含氮污染物的主要來(lái)源,說(shuō)明河流與巢湖中不同的水文不會(huì)影響沉積物中氮形態(tài)結(jié)構(gòu),含氮污染物不會(huì)在湖區(qū)沉積物中發(fā)生明顯的形態(tài)轉(zhuǎn)化。東河與東湖沉積物中氮形態(tài)結(jié)構(gòu)在冬季呈現(xiàn)了顯著的差距(p<0.05),在夏季沒有顯著的差距(p>0.05),說(shuō)明東湖氮形態(tài)在夏季主要受到西湖的遷移與東河的輸入影響,但在冬季,枯水期河流流量降低,對(duì)湖區(qū)的影響明顯減弱,東湖的含氮污染物主要來(lái)源于西湖的遷移。

2.3 “河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中各形態(tài)磷的賦存特征

巢湖流域“河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中各形態(tài)磷的分布見圖3。巢湖流域沉積物中磷含量同樣存在明顯的季節(jié)性變化,其中鐵鋁結(jié)合態(tài)磷差異最大。東湖沉積物中冬季的鐵鋁結(jié)合態(tài)磷較夏季下降了20%,西湖沉積物中冬季的鐵鋁結(jié)合態(tài)磷較夏季高10%;東、西湖沉積物中夏季的鈣結(jié)合態(tài)磷均與冬季保持相對(duì)穩(wěn)定;東、西湖沉積物中冬季的有機(jī)磷較夏季下降了15%～20%。東、西河沉積物中的鐵鋁結(jié)合態(tài)磷分別從冬季的298.1、496.8 mg/kg下降到夏季的148.8、303.7 mg/kg,夏季的鐵鋁結(jié)合態(tài)磷分別較冬季下降了50%、39%;東河沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷由夏季的158.6 mg/kg提升到冬季的244.5 mg/kg,西河沉積物中鈣結(jié)合態(tài)磷由夏季的214.0 mg/kg下降到冬季的175.0 mg/kg,呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì),這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是西河主要受到合肥市污染排放的影響;東、西河沉積物中有機(jī)磷分別從冬季的293.6、170.2 mg/kg下降到夏季的268.4、145.7 mg/kg。東河沉積物中磷形態(tài)的季節(jié)變化呈現(xiàn)出與氮形態(tài)相反的趨勢(shì)。東河沿岸是廣大的農(nóng)業(yè)區(qū),秋季收割后的農(nóng)作物秸稈直接還田或被制成肥料釋放進(jìn)田中,其中溶解態(tài)與存留在顆粒物中的磷隨著降雨進(jìn)入到河流沉積物中,同時(shí)冬季河流中高等水生植物與藻類殘?bào)w沉降進(jìn)沉積物中也會(huì)對(duì)沉積物中有機(jī)磷的含量造成影響[15]。

圖3 巢湖流域“河流-湖泊”系統(tǒng)沉積物中各形態(tài)磷的分布Fig.3 Distribution of various forms of phosphorus in sediments of the “river-lake” system in Chaohu Lake basin

通過主成分和多元方差分析可知,東、西河的磷形態(tài)結(jié)構(gòu)不存在顯著差異(p>0.05),說(shuō)明東、西河的環(huán)境變化不會(huì)顯著改變含磷污染物的形態(tài)分布。東、西湖的磷形態(tài)結(jié)構(gòu)同樣不存在顯著差距(p>0.05),含磷污染物呈現(xiàn)出西湖向東湖轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。西河與西湖的磷形態(tài)結(jié)構(gòu)不存在顯著差距(p>0.05),說(shuō)明西湖主要受到西河的輸入影響,西河的來(lái)水是巢湖中含磷污染物的主要來(lái)源。東湖與東河的磷形態(tài)結(jié)構(gòu)同樣沒有顯著差距(p>0.05),東湖中磷形態(tài)應(yīng)該同時(shí)受到東河與西湖含磷污染物遷移的影響,但與東湖氮形態(tài)完全受西湖氮形態(tài)影響的情形相比,含磷污染物在湖區(qū)中的遷移并沒有含氮污染物那么明顯,含磷污染物更容易沉積下來(lái)。湖泊中磷元素的遷移不再是主要的影響因素,河流輸入會(huì)更多影響湖泊中磷形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.4 沉積物中氮、磷綜合影響因素評(píng)價(jià)

巢湖流域氮、磷污染水平見表3。東、西湖的TN單項(xiàng)污染指數(shù)分別為1.02、1.00,氮污染水平差距不大,且處于輕度污染水平;東湖的TP單項(xiàng)污染指數(shù)(1.46)高于西湖(1.32),東湖磷污染水平比西湖高,但兩者的磷污染均處于中度污染水平。東河的TN單項(xiàng)污染指數(shù)(1.51)高于西河(1.32),東河氮污染為中度污染水平,高于西河的輕度污染水平;西河的TP單項(xiàng)污染指數(shù)(1.12)高于東河(1.02),兩者的磷污染均處于中度污染水平。在整個(gè)巢湖流域中,沉積物中TN的污染水平輕度,TP的污染水平中度。河流沉積物中TN污染水平較高,而巢湖沉積物中TP的污染水平較高,存在一定釋放風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)綜合污染指數(shù),巢湖流域沉積物中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染處于輕度污染水平。

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

雖然巢湖流域沉積物中整體污染水平不高,但巢湖流域中氮、磷污染物含量的季節(jié)性波動(dòng)較大,會(huì)產(chǎn)生氮、磷污染物的釋放風(fēng)險(xiǎn)。其中,湖區(qū)沉積物中TN的季節(jié)性波動(dòng)較大,東、西湖TN單項(xiàng)污染指數(shù)從夏季的1.23、1.24下降到冬季的0.76、0.80;河流沉積物中TP的季節(jié)性波動(dòng)更劇烈,東、西河沉積物中TP單項(xiàng)污染指數(shù)從冬季的1.90、1.91下降到夏季的1.30、1.50,尤其是東河沉積物中TP波動(dòng)劇烈,兩個(gè)季節(jié)TP變化達(dá)到264.0 mg/kg,夏季與冬季磷含量的變動(dòng)會(huì)帶來(lái)更大的釋放風(fēng)險(xiǎn),需要給予更多關(guān)注。

3 結(jié) 論

巢湖流域中,西河是巢湖沉積物中氮、磷污染物的主要源頭。從夏季到冬季,東、西湖沉積物中各形態(tài)氮含量普遍呈下降趨勢(shì),如離子交換態(tài)氮從夏季的321.0、373.9 mg/kg下降到冬季的108.3、127.4 mg/kg;東河沉積物中磷形態(tài)的季節(jié)變化呈現(xiàn)出與氮形態(tài)相反的趨勢(shì),冬季鐵鋁結(jié)合態(tài)磷與有機(jī)磷分別為298.1、293.6 mg/kg,高于夏季的148.8、268.4 mg/kg。綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)表明,巢湖流域沉積物中TN、TP污染水平分別為輕度、中度;磷元素的季節(jié)性變化會(huì)帶來(lái)較大的釋放風(fēng)險(xiǎn),東河沉積物中磷元素釋放風(fēng)險(xiǎn)需要更關(guān)注。