梁 東 鐘艷霞 楊麗芳 李小宇 田 欣

(寧夏大學資源環(huán)境學院，寧夏 銀川 750021)

湖泊富營養(yǎng)化是一個極為復雜的生態(tài)過程，導致湖泊富營養(yǎng)化的因素很多，從根本上講是由于水體中氮、磷等營養(yǎng)元素的過度增加。沉積物-水界面的地球化學行為對湖泊生態(tài)系統(tǒng)有著極為重要的影響[1]。即便外源污染物得到有效控制，當湖泊生態(tài)系統(tǒng)的某些條件發(fā)生變化時，湖泊沉積物就會變?yōu)閮?nèi)源，以間隙水為介質(zhì)，通過擴散、對流以及再懸浮等過程向上覆水釋放營養(yǎng)元素[2-3]，造成湖泊二次污染[4]，降低湖泊水質(zhì)[5]。目前，國內(nèi)外對湖泊間隙水和上覆水中氮、磷等營養(yǎng)元素的研究主要集中在東部地區(qū)，如太湖[6-7]、鄱陽湖[8-9]、洞庭湖[10-11]、南四湖[12-13]等湖泊，西部地區(qū)的湖泊在此方面的研究相對缺乏；但隨著西部地區(qū)經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，再加上全球氣候變化的疊加影響，脆弱生態(tài)環(huán)境背景下的湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴重威脅[14]，湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴重，直接影響該地區(qū)水資源的可持續(xù)利用和水生態(tài)系統(tǒng)健康[15]。本研究以銀川平原典型湖泊濕地——鳴翠湖為研究對象，分析其間隙水和上覆水中氮、磷等營養(yǎng)元素的濃度和空間分布，探討其內(nèi)源污染特征。本研究為鳴翠湖水資源管理和保護提供科學、可靠的依據(jù)，并為河套地區(qū)乃至西部地區(qū)湖泊富營養(yǎng)化的治理提供借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鳴翠湖位于寧夏回族自治區(qū)銀川市興慶區(qū)掌政鎮(zhèn)，距黃河3 km，東邊是惠農(nóng)渠，西邊是紅旗排水溝，南邊是永寧縣中心排水溝，北邊是銀橫公路。鳴翠湖是歷史上黃河古道改道而成的自然湖泊，為七十二連湖中長湖的核心部分，是銀川市東部最重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)。湖區(qū)面積為666.7 hm2，其中濕地面積為548.0 hm2，年平均氣溫8～9 ℃，年平均水深1.6 m，屬黃河水系。湖區(qū)水源較穩(wěn)定，主要以黃河水、農(nóng)田退水補給為主。湖區(qū)是典型的中溫帶半干旱荒漠氣候區(qū)，冬春少雨，夏秋多雨，年降水量120～150 mm，年蒸發(fā)量1 500～1 800 mm，年平均相對濕度58.7%。

1.2 樣品采集

依據(jù)鳴翠湖湖面功能區(qū)劃分及補水入口分布等情況，于2015年4月底分別在蘆葦迷宮中心(1#)、蘆葦迷宮沿岸(2#)、開闊水域(3#)、荷花池(4#)和景區(qū)大門東邊(5#)，利用抓斗式采樣器采集沉積物混合樣5個。采樣點分布見圖1。同時采集上覆水水樣，帶回實驗室分析測定?，F(xiàn)場測試指標包括溫度、水深、電導率、透明度(SD)和pH等，并根據(jù)觀測記錄沉積物性狀，同時記錄采樣點環(huán)境。采樣點的基本特征見表1。

1.3 樣品處理與測定方法

上覆水水樣：樣品取回后測定TP、TN、氨氮、葉綠素a(Chla)、懸浮物和COD。TP采用堿性過硫酸鉀消解/鉬酸銨分光光度法測定；TN采用過硫酸鉀氧化/紫外分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；Chla采用分光光度法測定；懸浮物采用重量法測定；COD采用重鉻酸鹽法測定。

間隙水水樣：將沉積物樣品在4 000 r/min下離心20 min，取上清液，用0.45 μm的濾膜過濾，得到間隙水水樣，測定TP、TN、氨氮、COD濃度。測定方法同上覆水水樣。

圖1 鳴翠湖采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Mingcui Lake

2 結(jié)果與分析

2.1 氮、磷分布特征

2.1.1 TN的分布特征

表1 鳴翠湖采樣點基本特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中TN的分布見圖2。從圖2可以看出，間隙水中TN質(zhì)量濃度為2.55～5.70 mg/L，平均值為3.83 mg/L。上覆水中TN質(zhì)量濃度為0.81～2.53 mg/L，平均值為2.17 mg/L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，2#、3#、4#和5#的上覆水中TN質(zhì)量濃度超過2.0 mg/L，均屬于Ⅴ類水；1#的上覆水中TN質(zhì)量濃度符合0.5～1.0 mg/L，屬于Ⅲ類水。TN濃度呈現(xiàn)出從間隙水到上覆水遞減的趨勢，濃度梯度顯著，具備了氮從沉積物通過間隙水向上覆水中釋放的條件。

圖2 鳴翠湖間隙水與上覆水中TN的分布Fig.2 Distribution of TN concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，各個采樣點的間隙水和上覆水中TN變化趨勢存在差異。從間隙水看，3#的TN濃度最低，可能與該采樣點位于開闊水域，且經(jīng)過清淤，沉積物中的TN濃度較低有關(guān)；4#的TN濃度最高，可能與該采樣點處于補水口位置有關(guān)。從上覆水看，TN濃度在1#最低；其他采樣點的TN濃度差異不明顯，但TN濃度總體上較低，其原因可能是由于采樣期間鳴翠湖平均溫度較低，沉積物中的氮分解緩慢，向水體釋放的氮也較少[16]。

2.1.2 氨氮的分布特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中氨氮的分布見圖3。由圖3可以看出，間隙水中氨氮質(zhì)量濃度為1.22～2.99 mg/L，平均值為2.23 mg/L。上覆水中氨氮質(zhì)量濃度為0.19～0.31 mg/L，平均值為0.24 mg/L。根據(jù)GB 3838—2002，各采樣點上覆水中氨氮符合0.15～0.50 mg/L，均屬于Ⅱ類水。鳴翠湖間隙水和上覆水中的氨氮濃度均較低，相比之下間隙水中的氨氮濃度遠高于上覆水。這可能是由于湖泊通過農(nóng)田進行補水的過程還未開始，外源污染物未進入湖泊，沉積物的氨氮濃度成為影響鳴翠湖水質(zhì)的主要因素；另一方面，采樣期間鳴翠湖平均溫度較低，沉積物中有機氮的氨化作用緩慢，導致蓄積在間隙水中的氨氮濃度較低，通過擴散作用釋放到上覆水中的氨氮濃度更低[17]。

圖3 鳴翠湖間隙水與上覆水中氨氮的分布Fig.3 Distribution of ammonium nitrogen concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，間隙水中的氨氮濃度表現(xiàn)為3#最低，4#最高。上覆水各采樣點的氨氮濃度均較低，且不同采樣點的差異不大。其可能原因如下：一方面，經(jīng)過冬、春季節(jié)的氨氮沉積，各采樣點上覆水中的氨氮轉(zhuǎn)移到沉積物或間隙水中；另一方面，采樣期間鳴翠湖溫度較低，微生物活動較少，導致有機物的礦化分解量少，進而降低了間隙水中氨氮向上覆水的擴散[18]；此外，風浪、水流等因素導致上覆水中氨氮充分混合，降低了各采樣點上覆水中氨氮濃度的差異。

2.1.3 TP的分布特征

鳴翠湖間隙水和上覆水中TP的分布見圖4。由圖4可以看出，間隙水中TP質(zhì)量濃度為0.10～0.18 mg/L，平均值為0.15 mg/L。上覆水中TP質(zhì)量濃度為0.04～0.11 mg/L，平均值為0.07 mg/L。根據(jù) GB 3838—2002，5#上覆水中的TP質(zhì)量濃度超過0.1 mg/L，屬于Ⅴ類水；2#、3#、4#上覆水中的TP質(zhì)量濃度符合0.05～0.10 mg/L，均屬于Ⅳ類水；1#上覆水中的TP質(zhì)量低于0.05 mg/L，屬于Ⅲ類水。從整體上看，鳴翠湖水體的TP濃度表現(xiàn)為間隙水大于上覆水。

圖4 鳴翠湖間隙水和上覆水中TP的分布Fig.4 Distribution of TP concentrations in pore water and overlying water in Mingcui Lake

在空間分布上，間隙水中的TP濃度在1#最低，其原因可能是采樣期間蘆葦?shù)却罅克参镩_始生長，對于磷的吸附作用逐漸增強，一定程度延緩了磷的釋放[19]。3#間隙水中的TP濃度也較低，可能是由于3#無蘆葦?shù)却笮椭参锏纳L，植物殘體分解帶來的磷較少，僅靠水體懸浮物的沉積蓄積部分磷，但3#經(jīng)過清淤，沉積的磷被部分清除，現(xiàn)有的沉積物沉積時間較短，沉積層薄，TP濃度不高，因而導致間隙水中TP濃度較低[20]。上覆水中TP濃度表現(xiàn)為從1#到5#逐漸遞增。

2.2 相關(guān)性比較

為分析鳴翠湖間隙水和上覆水中氮、磷的相關(guān)性，用SPSS 17.0軟件，分別計算間隙水和上覆水中TP、TN、氨氮、有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性，結(jié)果分別見表2和表3。

表2 鳴翠湖間隙水中營養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)性分析1)

注：1)*表示在α=0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在α=0.01水平上極顯著相關(guān)。

表3 鳴翠湖上覆水中營養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)性分析

從表2可以看出，間隙水中TN與氨氮的相關(guān)系數(shù)達到0.899，具有顯著相關(guān)性，說明間隙水中的氨氮是TN的重要組成部分，TN的變化會受到氨氮的影響[21]。間隙水中的有機質(zhì)與TN的相關(guān)系數(shù)為0.983，呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，說明間隙水中有機質(zhì)與TN可能存在密切的關(guān)系。相關(guān)研究表明，有機質(zhì)在礦化過程中會釋放出大量的無機營養(yǎng)物質(zhì)，一定程度上造成TN濃度升高[22]。從表3可以看出，上覆水中營養(yǎng)物質(zhì)之間無顯著相關(guān)性。

從總體上看，間隙水中營養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性較高，而上覆水中營養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性較低，但并不能因此說明間隙水和上覆水中的營養(yǎng)物質(zhì)沒有相互影響[23]。結(jié)合間隙水和上覆水中氮、磷的分布特征及相關(guān)性分析得出，在間隙水中的氮、磷濃度遠高于上覆水的情況下，間隙水中的氮、磷濃度并不是上覆水中氮、磷濃度的決定因素。這是因為沉積物-水界面的氮、磷遷移會受到諸多因素的影響，如外源輸入、吸附/解吸、溶解，底棲生物活動，風浪造成的紊流擴散及沉積物表面的直接釋放等，并不是單純受濃度梯度控制[24]。

2.3 富營養(yǎng)化評價

在湖泊富營養(yǎng)化的評價方法中營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[25]是目前應用最多的一種方法，主要包括卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法。本研究依據(jù)鳴翠湖四季水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法，選取Chla作為基準參數(shù)，綜合TP、TN、SD、COD等參數(shù)，對鳴翠湖進行富營養(yǎng)化評價。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法的計算公式如下：

TLI=∑LIj×Wj

(1)

(2)

式中：TLI為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；LIj為參數(shù)j的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為參數(shù)j的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重，WChla、WTP、WTN、WSD和WCOD分別為0.266 3、0.187 9、0.179 0、0.183 4、0.183 4；rj為參數(shù)j與Chla的相關(guān)系數(shù)，rChla、rTP、rTN、rSD和rCOD分別為1.00、0.84、0.82、-0.83、0.83；j為參數(shù)，包括Chla、TP、TN、SD和COD；m為參數(shù)總數(shù)，m=5。

LIChla、LITP、LITN、LISD和LICOD的計算公式如下：

LIChla=10×(2.500+1.086lncChla)

(3)

LITP=10×(9.436+1.624lncTP)

(4)

LITN=10×(5.453+1.694lncTN)

(5)

LISD=10×(5.118-1.94lnd)

(6)

LICOD=10×(0.109+2.661lncCOD)

(7)

式中：cChla為Chla質(zhì)量濃度，mg/m3；cTP、cTN和cCOD分別為TP、TN和COD質(zhì)量濃度，mg/L；d為SD，m。

根據(jù)綜合營養(yǎng)指數(shù)法進行計算，再對照湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級(見表4)，得出鳴翠湖富營養(yǎng)化評價結(jié)果，如表5所示。

由表5可以看出，富營養(yǎng)狀態(tài)嚴重程度排序為5#>2#>1#>4#>3#。富營養(yǎng)化程度最低的為3#，營養(yǎng)級別為中營養(yǎng)，主要是由于3#處于開闊水域，無蘆葦?shù)雀叩戎参锏纳L，且經(jīng)過清淤，水體中氮、磷濃度低。其他采樣點的營養(yǎng)級別均為輕度富營養(yǎng)。5#富營養(yǎng)化程度最高，主要是由于5#水體中TN、TP濃度均較高(見圖2和圖4)，水體透明度明顯偏低，且靠近公路，受外源污染物影響較大。1#、2#的大型水生植物為蘆葦，蘆葦?shù)纳L對氮、磷具有一定的吸收和吸附作用，使水體得到一定的凈化；但由于蘆葦?shù)拿芗植际乖搮^(qū)域相對封閉，水體流動性差，加之蘆葦殘體的長期積累，可能會使TN和Chla濃度增大[26]。

表4 湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級標準

表5 鳴翠湖營養(yǎng)狀況評價結(jié)果

3 結(jié) 論

鳴翠湖間隙水中TP、TN、氨氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.15、3.83、2.23 mg/L；上覆水中TP、TN、氨氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.07、2.17、0.24 mg/L。間隙水中氮、磷濃度明顯高于上覆水，濃度梯度顯著，富營養(yǎng)化的內(nèi)源污染作用已經(jīng)非常明顯。間隙水中氮、磷的濃度受沉積物的影響較大。上覆水中氮、磷的空間分布規(guī)律不明顯，說明上覆水中的氮、磷在受到外界復雜環(huán)境因素的影響下吸附與釋放過程緩慢，同時上覆水氮、磷濃度受外源污染的多元化影響。相關(guān)性分析表明，間隙水中TN與氨氮的相關(guān)系數(shù)為0.899，具有顯著相關(guān)性，有機質(zhì)與TN的相關(guān)系數(shù)為0.983，具有極顯著相關(guān)性；而上覆水中營養(yǎng)物質(zhì)之間的相關(guān)性較弱。鳴翠湖水體已呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，在控制外源污染物進入的同時要考慮到沉積物中的氮、磷通過間隙水向上覆水中的釋放。

[1] KIM L H, CHOI E, STENSTROM M K.Sediment characteristics, phosphorus types and phosphorus release rates between river and lake sediments[J].Chemosphere,2003,50(1):53-61.

[2] ZHANG Xiufeng, MEI Xueying.Effects of benthic algae on release of soluble reactive phosphorus from sediments:a radioisotope tracing study[J].Water Science and Engineering,2015,8(2):127-131.

[3] MOSS B, KOSTEN S, MEERHOFF M, et al.Allied attack:climate change and eutrophication[J].Inland Waters,2011,1(2):101-105.

[4] 李劍超,朱光燦,劉偉生,等.沉積時間和溫度對底泥間隙水有機污染物的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2004,23(4):723-726.

[5] 秦伯強,張運林,高光,等.湖泊生態(tài)恢復的關(guān)鍵因子分析[J].地理科學進展,2014,33(7):918-924.

[6] 王瑩,胡維平.太湖湖濱濕地沉積物營養(yǎng)元素分布特征及其環(huán)境意義[J].中國環(huán)境科學,2015,35(1):204-210.

[7] 王秋娟,李永峰,姜霞,等.太湖北部三個湖區(qū)各形態(tài)氮的空間分布特征[J].中國環(huán)境科學,2010,30(11):1537-1542.

[8] 張媛,望志方,張琍,等.鄱陽湖豐水期不同底質(zhì)類型下氮、磷含量分析[J].長江流域資源與環(huán)境,2015,24(1):135-142.

[9] 沈洪艷,張綿綿,倪兆奎,等.鄱陽湖沉積物可轉(zhuǎn)化態(tài)氮分布特征及其對江湖關(guān)系變化的響應[J].環(huán)境科學,2015,36(1):87-94.

[10] 王巖,姜霞,李永峰,等.洞庭湖氮磷時空分布與水體營養(yǎng)狀態(tài)特征[J].環(huán)境科學研究,2014,27(5):484-491.

[11] 王雯雯,王書航,姜霞,等.洞庭湖沉積物不同形態(tài)氮賦存特征及其釋放風險[J].環(huán)境科學研究,2013,26(6):598-605.

[12] 王志齊,李寶,梁仁君,等.南四湖沉積物磷形態(tài)及其與間隙水磷的相關(guān)性分析[J].環(huán)境科學學報,2013,33(1):139-146.

[13] 李爽,張祖陸,孫媛媛.南四湖沉積物對上覆水氮磷負荷的時空響應[J].環(huán)境科學學報,2013,33(1):133-138.

[14] 李靜,孫虎,邢東興,等.西北干旱半干旱區(qū)濕地特征與保護[J].中國沙漠,2003,23(6):670-674.

[15] 緱倩倩,屈建軍,王國華,等.中國干旱半干旱地區(qū)濕地研究進展[J].干旱區(qū)研究,2015,32(2):213-220.

[16] 朱永青.淀山湖底泥氮磷營養(yǎng)鹽釋放及其影響因素研究[J].環(huán)境污染與防治,2014,36(5):70-77.

[17] CONLEY D J, PAERL H W, HOWARTH R W,et al.Controlling eutrophication:nitrogen and phosphorus[J].Science,2009,323(5917):1014-1015.

[18] 陳朱虹,陳能汪,吳殷琪,等.河流庫區(qū)沉積物-水界面營養(yǎng)鹽及氣態(tài)氮的釋放過程和通量[J].環(huán)境科學,2014,35(9):3325-3335.

[19] GAO Li,ZHANG Luhua,HOU Jinzhi,et al.Decomposition of macroalgal blooms influences phosphorus release from the sediments and implications for coastal restoration in Swan Lake, Shandong, China[J].Ecological Engineering,2013,60:19-28.

[20] SKORDAS K, KELEPERTZIS E, KOSMIDIS D,et al.Assessment of nutrients and heavy metals in the surface sediments of the artificially lake water reservoir Karla, Thessaly, Greece[J].2015,73(8):4483-4493.

[21] 張彥,張遠,于濤,等.太湖沉積物及孔隙水中氮的時空分布特征[J].環(huán)境科學研究,2010,23(11):1333-1342.

[22] 秦伯強,范成新.大型淺水湖泊內(nèi)源營養(yǎng)鹽釋放的概念性模式探討[J].中國環(huán)境科學,2002,22(2):150-153.

[23] WETZEL M A,WAHRENDORF D S,VONDEROHE P C.Sediment pollution in the Elbe estuary and its potential toxicity at different trophic levels[J].Science of the Total Environment,2013,449(1):199-207.

[24] 劉碧波,豐民義,劉劍彤.東湖典型區(qū)域間隙水中營養(yǎng)鹽的時空分布[J].長江流域資源與環(huán)境,2012,21(8):979-986.

[25] 孫順才,黃漪平.太湖[M].北京:海洋出版社,1993:224-228.

[26] 楊楠,于會彬,宋永會,等.白塔堡河上覆水與沉積物間隙水N、P分布特征[J].環(huán)境科學研究,2013,26(7):728-735.