第四纪研究  2019, Vol.40 Issue (5): 1251-1263   PDF    
云南剑湖水体及表层沉积物氮、磷空间分布特征及对湖泊环境的影响
冯仡哲1, 张虎才1,2, 常凤琴2, 张扬1, 陈杨1, 田洋洋1, 贺柳青1, 刘柏妤1     
(1 云南师范大学旅游与地理科学学院, 高原湖泊生态与全球变化实验室, 云南 昆明, 650504;
2 云南大学生态学与环境学院, 高原湖泊生态与治理研究院, 云南 昆明, 650504)
摘要:基于2019年5月在云南剑湖进行50个点位的野外调查和采样,分析了其水体与沉积物总氮(TN)、总磷(TP)、总有机碳(TOC)、有机质(OM)含量及C/N等指标的空间分布特征及其污染状况。结果表明:剑湖水体TN、TP平均含量分别为0.64 mg/L、78.65 μg/L,在空间分布特征上均表现为西部>中部≥东部。利用内梅罗污染指数法分析表明,水污染评价指数均大于1,水体处于Ⅳ类。沉积物TN含量介于2148~9550 mg/kg,平均值为4609 mg/kg,其空间分布特征表现为西部>东部≥中部。沉积物中TP含量变化范围在757~1744 mg/kg,平均值为1223 mg/kg,其空间分布特征与TN类似。相关性分析结果表明,沉积物TN与TOC(r=0.929,p < 0.01)、OM(r=0.945,p < 0.01)之间显著正相关。综合污染指数表明,剑湖不同湖区沉积物富营养物质含量均达到重度污染程度,是潜在的N、P释放源,剑湖水体存在较大污染和富营养化风险。
关键词剑湖    水体    沉积物            
中图分类号     P941.78;P592                     文献标识码    A

0 引言

水体富营养化是湖泊发展过程中面临的主要生态灾害之一,水体中超负荷的氮、磷等生源要素会直接引起湖泊水生态系统初级生产力的异常增加,进而导致湖泊富营养化的发生[1~3]。湖泊沉积物亦是氮、磷等生源要素的重要储存库[4~8],而上覆水体中营养盐的不断积累,可以通过沉降、扩散等形式汇入沉积物中。同时,当沉积物中氮、磷累积至一定程度时,可在风浪扰动、底栖扰动、理化作用等条件下,通过扩散、对流、再悬浮等形式再次释放至上覆水体中[9~10]。由此可见,营养元素的内循环过程又可间接影响湖泊水质乃至整个湖泊水生态系统,从而形成重要的内源污染[11]。因此,对于水体及沉积物氮、磷营养盐的研究显得尤为重要。

当前,我国学者对湖泊、水库水体及沉积物氮、磷污染进行了大量研究[12~13],如赵丽等[14]对岱海的研究中发现,湖滨水生植物有机体的死亡、湖水浓缩与内源营养盐释放均是水体富营养化的重要因素;杜奕衡等[12]对白洋淀水体及沉积物氮、磷负荷进行分析,结果显示,在浅水区域,水生植物残体的长期积累和降解导致沉积物处于严重的厌氧状态,沉积物中的氮、磷极易溶解至间隙水并释放至上覆水体中;孙洪波等[15]对扬州瘦西湖水体氮、磷污染特征及内源释放潜力进行分析,发现沉积物是其上覆水体氮、磷污染负荷的重要潜在来源;孙小静等[16]通过对浅水湖泊沉积物磷释放的波浪水槽实验中指出,持续的波浪扰动使得水体TP含量显著增高。同时,诸多富营养化湖泊治理经验表明,沉积物内源氮、磷负荷未得到有效削减之前,即使切断了外源污染负荷,湖泊依然可能在后期呈现富营养化趋势。

剑湖地处滇西北生物多样性保护重点地区[17],对区域生态环境功能与生物多样性的维持具有重要作用。近年来,随着周边地区经济社会迅速发展[18],持续的人为干扰活动引起剑湖水体中营养盐含量不断增加[19~21],导致不同程度的水体富营养化,造成流域生态环境功能的降低甚至丧失,湖泊面积缩小,沼泽化趋势增强[22]。自20世纪50年代以来,随着剑湖流域河道疏浚、围湖造田、植被退化、水土流失、湖底淤积等流域开发与水文改造,湖泊面积不断缩小,剑湖水域面积由1974年的5.04 km2降低到2000年的4.59 km2,其降幅为8.91 % [23]。受出水口海尾河建造人工水闸影响,2000~2005年剑湖湖泊面积由4.59 km2增加到4.60 km2,但2005~2015年间剑湖面积持续减少[24]。剑湖湿地省级自然保护区的建立(2006年),虽减缓了湖泊面积缩小的趋势,但目前剑湖流域的生态环境问题依然严峻[25~26]。然而,已有对剑湖生态系统评价的研究主要集中在生物代用指标及湿地景观方面,缺乏系统、全面的水体及沉积物氮、磷研究。鉴于此,本研究通过对湖泊水体及沉积物氮、磷,沉积物总有机碳,有机质及C/N等指标测试,探讨其有机质来源及沉积物与水体营养水平,对于认识浅水湖泊营养盐空间分布特征,控制周围的污染源,改善湖泊水质和提高湖泊水体功能具有重要的意义。

1 研究区概况

云南剑湖(26°28′42.66″~26°30′16.83″N,99°54′46.51″~99°56′42.21″E)地处滇西北横断山脉中南段,大理白族自治州剑川县城东南部。剑湖流域受北亚热带湿润气候控制,年均气温12.3 ℃,年降水量776.7 mm,降水集中于6~9月份,占全年降水总量的77 % [18]。湖面海拔2186 m,平均水深2.3 m,湖泊面积4.52 km2 (2015年)[24],流域总面积920 km2,属澜沧江支流——漾濞江小型高原浅水湖泊。剑湖湖滨带茭草是占有绝对优势的挺水植物,金鱼藻是剑湖主要的沉水植物,两种水生植物分布较为广泛[27]。主要入湖河流分别为永丰河、金龙河、格美江,出水河流为海尾河[22]。永丰河流经剑川县城,是生活污水的主要纳污河流,金龙河流经剑湖周围的农业密集区,是农业面源污染的主要纳污河流[23],流域周围分布大量居民聚居地和农耕区,入湖河流上游分布矿产开发、木雕生产、水泥加工等中小企业。

2 研究方法 2.1 样品采集

2019年5月,根据剑湖的地形地貌特征,考虑湖泊水深等深线,在谷歌地球上选择均匀分布在湖泊东部、中部、西部三区的50个采样点(图 1),在野外同时采集表、底层水样,自距离入湖口约2 km处采集河流水样。样品采集后立即低温保存带回实验室进行TN、TP等水化学指标分析,实验方法参考《水与废水监测分析方法》(第四版)[28]进行,水体TN实验参照GB11894-89国家标准,使用碱性过硫酸钾消解——紫外分光光度法测定;水体TP实验参照GB11893-89国家标准,使用过硫酸钾消解——钼锑抗显色分光光度法,为保证数据可靠性,样品做3支平行样进行测定,取其平均值,误差小于1 %。同时,利用重力采样器(瑞典HTH公司)在相同布点提取沉积物柱状样品,取其表层1~2 cm样品充分混合后作为表层沉积物,共获取50个表层沉积物样品。随即将样品封装于聚乙烯自封袋中,避光低温保存待测。本研究中,对沉积物样品进行了总氮(TN)、总磷(TP)、总有机碳(TOC)、有机质(OM)及C/N指标的测定和分析。

图 1 剑湖水深及采样点分布图 Fig. 1 The water depth of Lake Jianhu and sampling sites

沉积物TN实验参照GB7173-87国家标准,使用硫酸(H2SO4)消煮-凯式定氮法测定。主要实验步骤为:称取过100目筛土样1 g,置于凯式瓶底部,加入少量纯水(约0.7 ml)润湿土样,之后加入2 g加速剂和5 ml浓硫酸,摇晃均匀后放置于消煮锅中,之后将消煮锅由室温加热至50 ℃,保持15 min后将设定温度调升至100 ℃,继续保持15 min,重复此操作至300 ℃,然后每隔15 min将设定温度提升20 ℃,温度升至400 ℃后保持1 h后结束高温消煮阶段,取出样品冷却至室温待测。此过程约需要3.5 h左右,测试阶段将NaOH溶液、硼酸-混合指示剂、纯水3种试剂插入凯式定氮仪的对应管口处,打开自来水开关清洗仪器,将处理好的样品置于凯式定氮仪中,用0.01 mol/L盐酸溶液滴定定氮仪流出的液体,液体由蓝绿色变为砖红色停止,记录所用盐酸溶液体积后计算沉积物TN含量。沉积物TP实验参照GB7852-87国家标准,使用钼锑抗比色法测定,主要实验步骤如下:称取0.2 g土样,置于银坩埚底部,用数滴无水酒精湿润,之后加2 g固体NaOH平铺于样品表层,暂时放置于干燥皿中以防止吸水潮解,将坩埚放入马弗炉中,由室温加热至300 ℃,保温30 min,上升至750 ℃,保温15 min,取出冷却至室温,在坩埚内加入10 ml水,放置于加热板加热至80 ℃左右,待样品溶解后再煮沸5 min,之后将坩埚内的溶液转入50 ml试管中,加入14.5 mol/L硫酸多次洗涤坩埚并倒入试管中,使总体积至约40 ml,最后向试管中加5滴1 ︰ 1盐酸溶液及5 ml硫酸溶液,摇晃均匀后冷却至室温,用纯水定容,静置澄清液用无磷滤纸过滤,过滤后的澄清液使用分光光度计测定沉积物TP含量。为减小误差,做两只平行样品,取其平均值,误差小于5 %。

剑湖表层沉积物TOC测定具体实验步骤如下:将沉积物冻干样品研磨至100目,称取0.5 g样品置于100 ml烧杯中,加入浓度为10 %的稀盐酸50 ml,静置48 h,期间对样品进行不连续搅拌使其充分反应,直至烧杯中的试剂完全除去碳酸盐类。将充分反应的样品放置于加热板,温度控制在45 ℃左右,将烧杯中的上清液蒸发至10 ml左右,之后冷却至室温。将烧杯中的液体转移至15 ml的离心管,将离心管置于设定转速为4500 r/min的离心机中离心15 min,期间用去离子水反复重复清洗样品使pH达到中性为止,最后将离心管中样品用蒸馏水冲洗干净倒入烧杯中。将处理后的样品与烧杯一同放入设定温度为60 ℃的电热鼓风干燥器内,直至样品完全干燥取出冷却至室温,使用Vario TOC总有机碳分析仪上机测定,通过燃烧法产生CO2气体计算TOC的比重,测定误差小于0.1 %。

沉积物有机质(OM)测定采用烧失量法,在特定的高温条件下,样品损失的质量占总质量的百分比,其含量的测定是基于在马弗炉中样品被连续加热灼烧所损失的重量计算而得[29]。主要实验步骤包括:称取5 g左右干样放于坩埚中,置入马弗炉内,在550 ℃高温条件下使样品充分灼烧5 h,待冷却至室温后取出,称量剩余样品重量并计算样品烧失量含量。

沉积物C/N值测定主要有以下步骤:取少量冻干全样样品充分研磨后,称取约4 mg研磨样装入锡箔杯并包裹成球状,将包裹好的样品送入仪器反应炉中,在960 ℃高温条件下燃烧,产生的气体通过FLASH2000装置与ThermoMAT-253质谱仪进行C/N测定。

上述指标测定均在云南师范大学旅游与地理科学学院高原地理过程与环境变化云南省重点实验室完成。

本文采用Excel 2016对实验测试数据进行初步处理与分析,采用Suffer 12.0软件,基于克里金空间插值功能,得到剑湖表层沉积物及水体TN、TP含量空间分布图。利用ArcGIS 10.5进行剑湖水深图与采样点的绘制,水深数据为采样过程中使用美国YIS公司生产的YSI6600型多参数水质监测仪测得。沉积物TN、TP与TOC、OM之间的相关性计算采用Grapher 10软件,基于皮尔逊(Pearson)相关系数法得到各指标之间的相关系数及显著性。采用Spss 22.0软件单因子方差分析对湖区差异的显著性进行检验。

2.2 评价方法 2.2.1 水质评价

本研究利用单项评价法与内梅罗污染指数法对剑湖东部、中部、西部三湖区(图 1)进行水质评价。单项评价法以水质最差的单项指标所属类别来确定水体综合水质类别[30];内梅罗水污染指数(Nemerow Pollution Index)是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数[31~32]。其计算公式为:

(1)
(2)
(3)

公式(1)、(2)和(3)中:Ci表示某监测指数的实测浓度;Csi表示对应监测指标的标准限值;Ii为单项污染指数;Iave为参与评价的单项污染指数的均值;n为监测指标总个数;Iimax为参与评价的最大单因子指数,I为内梅罗指数。一般来说,若I≤1,说明环境质量较好,水体较清洁;I>1,则说明环境质量较差,水体受到了污染[33]

根据我国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[34],对应于地表水环境质量标准基本项目标准值分为五类,见表 1。通常将污染程度超过Ⅴ类水质标准的等级划分为劣Ⅴ类。

表 1 地表水环境质量标准[34] Table 1 The environmental quality standard of surface water[34]
2.2.2 沉积物评价

目前,针对湖泊生态系统各项健康评价的方法很多,应用较广泛[35~36],但缺乏统一的评价方法和标准。本文采取单项污染评价法、综合污染指数法对剑湖表层沉积物进行了对比评价。

剑湖沉积物综合污染指数可由单项污染指数公式(4)及公式(5)计算得到[37]

(4)
(5)

公式(4)和(5)中,Si为单项评价指数或标准指数,比如TN和TP的评价指数分别是STNSTPSi大于1表示含量超过评价标准值;Ci为评价因子i的实测值;Cs为评价因子i的评价标准值。FF为综合污染指数,F为n项评价因子的评价指数平均值,Fmax为最大单项评价指数。沉积物综合污染程度分级标准[38]表 2

表 2 沉积物综合污染程度分级标准 Table 2 Standard of comprehensive pollution level in sediments

参照加拿大安大略省环境和能源部(1992年)制定的沉积物环境质量评价指南(Guidelines for Identifying,Assessing and Managing Contaminated Sediments in Ontario[39])(表 3),根据沉积物中的污染物对底栖生物的生态毒性效应将沉积物分为3个等级:安全级,该级别下水生生物未出现生态毒性效应;最低级,该级别下沉积物已受污染,但大多数底栖生物仍能承受;严重级,该级别下底栖生物群落受到严重损害。按照该指南,沉积物中引起最低级别生态毒性效应的TN、TP含量分别为550 mg/kg、600 mg/kg;具有严重级别生态毒性效应的TN、TP含量分别为4800 mg/kg、2000 mg/kg。

表 3 加拿大安大略省环境和能源部(1992年)沉积物环境质量评价指南[39] Table 3 Environment quality evaluation criterion of nutrition made by Ontario[39]
3 结果与分析 3.1 水体氮、磷含量及污染分析 3.1.1 水体氮、磷含量的空间分布特征

依据剑湖形态特征,可以将湖泊分为东、中、西这3个部分。

剑湖表层水体中的TN、TP的空间分布如图 2a2b所示,表层水体TN、TP空间分布具有明显空间变化特征。表层水体TN均值含量分布特征表现为:西部(0.78 mg/L)>中部(0.45 mg/L)≥东部(0.44 mg/L);表层水体TP均值含量分布特征表现为:西部(99.07 μg/L)>中部(54.30 μg/L)≥东部(54.07 μg/L)。其中TN变化范围介于0.29~2.29 mg/L,平均值为0.57 mg/L,最大值(2.29 mg/L)出现在西部湖区永丰河入湖口处附近(1号采样点),最小值(0.29 mg/L)出现在中部湖区靠岸处(11号采样点);表层水体TP变化范围介于44.18~387.89 μg/L,平均值为70.37 μg/L,最大值(387.89 μg/L)同样出现在1号采样点,最小值(44.18 μg/L)出现在东部湖区(30号采样点)。

图 2 剑湖表、底层水体及沉积物TN、TP含量分布图 Fig. 2 Distribution of TN and TP contents in water bodies and sediments of Lake Jianhu

剑湖底层水体中的TN、TP的空间分布如图 2c2d所示。底层水体TN、TP空间分布同样具有明显的空间变化特征,底层水体TN均值含量分布特征表现为:西部(0.90 mg/L)>中部(0.63 mg/ L)≥东部(0.59 mg/L);底层水体TP均值含量分布特征表现为:西部(109.06 μg/L)>中部(74.88 μg/L)≥东部(73.71 μg/L)。其中底层水体TN变化范围介于0.38~1.87 mg/L,平均值为0.72 mg/L,最大值(1.87 mg/L)出现在西部湖区永丰河入湖口处附近(1号采样点),最小值(0.38 mg/L)出现在中部湖区靠岸处(11号采样点);底层水体TP变化范围介于61.63~285.46 μg/L,平均值为86.93 μg/L,最大值(285.46 μg/L)同样出现在1号采样点,最小值(61.63 μg/L)出现在东部湖区(30号采样点)。

剑湖4条入湖河流水质TN、TP含量差异较大(图 3),其中永丰河TN、TP分别高达2.81 mg/L、168.25 μg/L,显著高于其他3条入湖河流。4条河流中TN含量表现为永丰河>金龙河>格美江≥回龙河,TP含量表现为永丰河>格美江>金龙河≥回龙河。

图 3 河流水体TN、TP含量 Fig. 3 TN and TP contents in water column of tributaries
3.1.2 水体氮、磷含量分析及水质评价

表 4为水质单项及内梅罗指数评价结果。单项评价显示东部、中部湖区水质相对西部湖区较好,东、中部湖区水质属Ⅲ类水,而西部湖区水质较差,属Ⅴ类水。内梅罗指数表明,整个湖区数值均大于1,整体水质较差,尤其表现在西部湖区TN、TP含量分别是全湖TN、TP含量均值的1.30、1.32倍。西部湖区表底TN、TP最高值均出现在1号点位处,正处于永丰河入湖口中心位置。河口中心区域20、1、2、3点位的TN、TP平均值分别高达1.26 mg/L、184.31 μg/L,TN、TP分别为标准限值的1.27倍和3.67倍,说明永丰河是剑湖营养元素的主要输入河流,导致剑湖西部湖区TN、TP含量都显著高于东部与中部湖区。基于SPSS 22.0中单因素方差分析检验,TN、TP显著性P均小于0.05,表明水体TN、TP在空间分布上差异显著。

表 4 单项、内梅罗指数结果 Table 4 The evaluation results of water quality based on the Nemerow Index
3.2 沉积物氮、磷含量及污染分析 3.2.1 沉积物氮、磷含量的空间分布特征

剑湖表层沉积物中TN含量的空间分布如图 2e所示。沉积物TN含量分布具有明显的空间变化特征,具体表现为:西部(5869 mg/kg)>东部(4029 mg/kg)≥中部(3833 mg/kg),沉积物TN含量介于2148~9550 mg/kg,平均值为4609 mg/kg,最大值(9550 mg/kg)出现在永丰河口处(2号采样点),其次出现在格美江入湖口处,最小值(2148 mg/kg)出现在中部湖区水深较深处(36号采样点)。沉积物TP空间分布如图 2f所示,沉积物TP含量分布同样具有明显的空间变化特征,具体表现为:西部(1331 mg/kg)>中部(1162 mg/kg)≥东部(1161 mg/kg),沉积物TP含量介于757~1744 mg/kg,平均值为1223 mg/kg,最大值(1744 mg/kg)出现在永丰河口处(1号采样点),最小值(757 mg/kg)出现在东北部湖区靠岸处(12号采样点)。

3.2.2 沉积物氮、磷含量分析及污染评价

本研究中剑湖表层沉积物TN含量平均值为4609 mg/kg。与其他湖泊相比,如那什那泡沉积物TN平均含量为2891 mg/kg[40],太湖西岸表层沉积物TN平均含量仅为819 mg/kg[41],剑湖表层沉积物中营养盐含量普遍较高,其中2号采样点永丰河口处高达9550 mg/kg,超出严重级别标准值近两倍。总体而言,42 %的点位均超出严重污染级别标准。表 5显示,西部湖区(5869 mg/kg)处于严重污染级别,东部(4029 mg/kg)与中部(3833 mg/kg)湖区处于最低级别范围内但均处于较高值水平,极有可能向严重级别发展趋势;TP含量平均值为1223 mg/kg,所有点位均处于最低级别与严重级别之间,其中1号采样点为最高值1744 mg/kg,同样接近严重污染级别标准,西部(1331 mg/kg)湖区处于污染较高水平,中部(1162 mg/kg)、东部(1161 mg/kg)湖区TP含量差别较小。

表 5 剑湖沉积物TN、TP污染程度评价 Table 5 Pollution assessment of TN and TP in sediments of Jianhu Lake

在沉积物质量评价中综合污染指数法已经得到了广泛的应用。唐永杰等[30]利用单项评价指数法对独河流域表层沉积物进行了评价,结果表明该流域沉积物中重金属类、有机质、TN、TP的标准指数均未超过1,底质环境质量现状良好。罗昭林等[42]对流沙湾沉积物中TOC、TN、TP进行了研究,TOC年平均有机碳污染指数为1.29,TN污染指数为2.98,TP污染指数为0.92,结果表明该海域已受到氮污染与有机碳污染。叶华香等[43]选取扎龙湿地南山湖沉积物作为研究对象,对15个表层沉积物中TP含量进行测定,结果表明,南山湖表层沉积物TP处于中度污染水平。参考沉积物综合污染程度分级标准[38](表 2),得出剑湖研究区域内沉积物TN、TP的单项评价指数及综合污染指数(表 6)。

表 6 剑湖表层沉积物综合污染程度评价 Table 6 Comprehensive pollution assessment of surface sediments in Jianhu Lake

在本研究中剑湖表层沉积物50个采样点TN单项评价指数介于3.91~17.36,平均值为8.38。其中东部、中部、西部湖区表层沉积物平均单项评价指数分别为7.32、6.97、10.67,表现为西部>东部≥中部,整个研究区域内表层沉积物TN值均达到第4级别严重污染水平;TP单项评价指数介于1.26~2.91,平均值为2.04。东部、中部、西部湖区表层沉积物平均单项评价指数分别为1.94、1.94、2.22,表现为西部>中部≥东部(表 6中东部与中部数值为保留小数后所得,实际中部较东部略大,可参考表 5),整个研究区域表层沉积物TP值均达到第4级别严重污染程度。东、中、西湖区FF值分别为6.12、5.85、8.81,均超过2.0,剑湖湖区表层沉积物综合污染程度均达到严重污染。

从以上分析对比可知,2种评价方法的结果较为一致,均表明剑湖50个采样点沉积物受到了不同程度的污染,尤其是西部湖区,沉积物TN、TP污染通量都显著高于东部、中部湖区。应用软件Spss22.0中单因素方差分析检验,计算沉积物TN、TP显著性P均小于0.05,表明沉积物TN、TP空间差异显著。若对外源污染物输入不加以控制,剑湖沉积物污染程度势必会逐渐加剧,并对上覆水造成威胁,水体也将面临富营养化风险。

4 讨论 4.1 水体、沉积物总氮(TN)、总磷(TP)分析

在空间分布上,表、底层水体氮、磷含量均表现出西部湖区处于较高水平,该结果与刘云根[44]的研究结果一致。本文永丰河水体氮、磷实测数据也显示其为最大的外源氮、磷输入河流。表 7为剑湖及永丰河口的水质状况,从表 7可得出,TN、TP、NH4-N个别年份出现下降,但大致呈上升趋势,指示剑湖水体富营养化趋势逐年增强。永丰河流经剑川县城,成为剑川县城市生活污水的主要承接河流,大量城镇生产、生活污水经永丰河道排入剑湖,导致河道内汇集大量氮、磷营养盐[45]。自20世纪50年代以来,剑湖流域人口快速增加,围湖造田、畜牧业及农业化肥的使用导致入湖营养盐不断增加。同时,湖泊建闸也加速了营养盐的积累,加剧湖泊富营养化程度。因此,剑湖外源输入、流域开发强度增大和水文改造可能是导致湖泊营养水平上升、初级生产力提高的主要原因,这与同区域洱海和大理西湖等湖泊的研究结果具有可比性[46~48]

表 7 剑湖及永丰河口的水质状况* Table 7 Water quality of Lake Jianhu and Yongfeng Estuary

剑湖表、底层水体TN(r=0.907,p<0.01),TP(r=0.933,p<0.01)相关性较为显著。从图 4可以看出,剑湖水体中底层水TN、TP含量均高于表层水,底层水TN、TP含量均值分别为表层水TN、TP含量均值的1.26、1.24倍。对浅水湖泊沉积物氮、磷释放的研究中发现,持续的波浪扰动会加速沉积物氮、磷的释放,使得水体TN、TP含量显著增高。考虑到剑湖平均水深仅为2.3 m,受风力扰动影响较大[16, 49],沉积物氮、磷释放对水体TN、TP有较大影响。同时,有研究表明[12],在水生植物生长繁茂区域,植物残体的长期积累和降解导致沉积物处于厌氧状态,沉积物中的氮、磷极易溶解至间隙水并释放至上覆水体中。对湖滨茭草及其他水生植物茂密的19个点位沉积物与水体氮、磷相关性分析表明,沉积物与底层水体TP(r=0.849,p<0.01)、TN(r=0.794,p<0.01)显著相关,反映出沉积物氮、磷释放对水体产生较大的影响。

图 4 水体及沉积物TN、TP含量 Fig. 4 TN and TP content in water and sediment
4.2 沉积物总有机碳(TOC)、有机质(OM)与TN、TP的相关性及C/N分析

水生生物为满足自然生长的需要,按一定比例吸收营养元素,其排泄物及生物残体最终在沉积物中积累,而沉积物中的营养元素在矿化的过程中会相互影响,因此,碳和氮、磷在沉积物中的分布存在着一定的相关性[50]。对剑湖50个采样点沉积物的TOC、OM与TN、TP相关性分析显示(图 5),剑湖表层沉积物TOC与TN之间呈显著正相关(r=0.929,p<0.01),TOC与TP之间相关性较弱(r=0.333,p<0.05),OM与TN之间显著正相关(r=0.945,p<0.01),OM与TP之间相关性较弱(r=0.352,p<0.05),该结果表明,沉积物中有机质的矿化过程与沉积物中TN的物质来源和沉积变化过程有着密切的关系[51]。据Wang等[36]的研究结果,水生植物残体在沉积过程中进入底泥,导致沉积物中TN与OM具有较高的协同性。剑湖作为云贵高原地区的浅水湖,水生植物分布广泛,因此,判断沉积物TN主要来源于内源。同时,“Redfield比率”[52~53]认为藻类生长在水体N ︰ P>20 ︰ 1时受磷限制,当N ︰ P<10 ︰ 1时受到氮限制,剑湖水体N ︰ P约为9:1(摩尔比)从水体氮磷比看,目前剑湖处于氮限制状态,TOC可以间接指示初级生产力,在氮限制状态下,氮含量升高会促进水体初级生产力提高,对应TOC含量增大,表现为两者正相关。由图 5b5d可知,剑湖表层沉积物TP与TOC、OM之间相关性较弱,表明沉积物中TP并非底泥中OM的富集造成。张奇等[38]对剑湖的研究中发现,无机磷是剑湖沉积物中磷的主要存在形式,外源输入是无机磷的主要来源,本文实测数据显示永丰河水体TP含量达168.31 μg/L,属劣Ⅴ类水质,对沉积物TP含量必然产生较大影响。

图 5 TOC与TN相关性(a),TOC与TP相关性(b),OM与TN相关性(c),OM与TP相关性(d) Fig. 5 Correlation results between TOC and TN (a), correlation results between TOC and TP (b), correlation results between OM and TN (c), correlation results between OM and TP (d)

沉积物中的C/N(质量比)在一定程度上反映了有机质来源的差异性[54~55],有纤维束植物碎屑的C/N值一般大于20,无纤维束植物的C/N值为4~12,浮游动物的C/N值一般小于7,浮游植物C/N值为6~14,藻类的C/N值为5~14[56~57]。当湖泊中有大型水生植物时,C/N值往往较高,一般在10~20之间,但并不能视为外源输入的增加。因此,C/N值可以被用来判断海洋、湖泊、水库等水体中的沉积物有机质来源[58]。上节已述,剑湖茭草与金鱼藻两种水生植湖面分布较为广泛,由图 6可知,剑湖表层沉积物C/N值介于10.76~16.53之间,平均值为12.59,表明沉积物中OM大多来源于水生植物及浮游植物。潘慧云等[59]在对水生植物残体降解过程的研究中发现,植物有机体衰亡后,随着气温回暖,会加速其降解过程并向水体释放氮、磷营养盐,且部分营养盐物质会进入底泥并累积;李文朝等[60]对东太湖水生植物衰败分解模拟实验中也证实了该观点,水生植物经自然腐烂分解后,所含氮、磷的70 %以上会在短期内被释放进入水体,参与水体的营养再循环,约30 %的氮、磷将会伴随着生物沉积进入沉积物中。因此,湖滨区域水生植物残体对剑湖水体及沉积物营养盐势必产生较大影响。剑湖东部(12.87)、西部(12.97)湖区C/N值均高于中部湖区(12.12),主要原因是湖滨大型水生植物分布广泛且陆源有机质进入水体后不能迅速分解氧化而在河口区域沉积,东部、西部湖区河流入湖口点位的C/N平均值分别为13.45、14.18,高于全湖平均水平(12.65),从侧面反映出陆源输入对C/N比值有较大影响。中部湖区水深较深大部分处于湖心区域,远离湖岸和入湖河流,陆源有机质输入影响较小且无大型挺水植物分布导致该区域C/N比值低于全湖平均水平。

图 6 剑湖沉积物C/N分布趋势图 Fig. 6 Distribution trend of C/N in Lake Jianhu
5 结论

从以上分析可得出如下几点主要结论:

(1) 剑湖水体总氮(TN)、总磷(TP)平均含量分别为0.64 mg/L、78.65 μg/L,表明湖泊水体处于Ⅳ类水状态,水质较差,水体趋于富营养化。TN、TP在空间变化趋势均表现为西部>中部≥东部,其中TN、TP高值对应河流入湖口,对外源河流输入的控制是改善湖泊生态环境的主要任务。

(2) 剑湖表层沉积物总氮(TN)含量介于2148~9550 mg/kg,平均值为4609 mg/kg,处严重污染级别,空间分布特征表现为西部>东部≥中部;沉积物总磷(TP)含量介于757~1744 mg/kg,平均值为1223 mg/kg,处严重污染级别,空间分布特征表现为西部>中部≥东部。

(3) 剑湖表层沉积物TN与TOC、OM之间显著正相关,反映了OM在湖泊底泥沉积中可能成为TN的重要来源。C/N平均值为12.65,表明沉积物中OM大多来源于大型水生植物及浮游植物。用综合污染指数法对剑湖表层沉积物的分析表明,剑湖沉积物环境质量均处于第4级别,N、P污染均处于严重污染级别,存在较大安全风险。

(4) 水质与沉积物分析结果均表明,TN、TP在空间上差异显著(p<0.05),剑湖西部湖区为严重污染区,永丰河对剑湖水体及沉积物氮、磷影响较大。同时,其他入湖河流均表现出永丰河类似特征,即入湖口处出现明显高值,说明外源输入对水体及沉积物影响较大,因此,在剑湖流域生态环境治理中,切断外源输入、消除水体中营养成分含量是最关键而有效的环节。

致谢: 感谢段立曾、赵海亮老师野外工作给予的帮助,吴汉、胡京九、张晓楠对本文提出修改意见,同时感谢审稿专家和编辑部赵淑君、杨美芳老师的宝贵建议,在此一并致谢!

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Spatial distribution of nitrogen and phosphorus and pollution assessment in Lake Jianhu, Yunnan Province
Feng Yizhe1, Zhang Hucai1,2, Chang Fengqin2, Chen Yang1, Zhang Yang1, Tian Yangyang1, He Liuqing1, Liu Baiyu1     
(1 Key Laboratory of Plateau Lake Ecology and Global Change, College of Tourism and Geography Science, Yunnan Normal University, Kunming 650504, Yunnan;
2 Institute for Ecological Research and Pollution Control of Plateau Lakes, School of Ecology and Environmental Science, Yunnan University, Kunming 650504, Yunnan)

Abstract

Eutrophication is one of the main ecological disasters faced by lakes. The overloading of nitrogen and phosphorus in water body directly increased the primary productivity of lake which caused eutrophication. Meanwhile, the nutrients cycling process in sediment indirectly affected the whole lake water ecosystem which formed important internal pollution. Therefore, it is very important to study the material circulation of nitrogen and phosphorus nutrients in water and sediment.Lake Jianhu (26°28'42.66"~26°30'16.83"N, 99°54'46.51"~99°56'42.21"E) is the state-level ecological protection zone which located in Northwest of Yunnan Province, China. Furthermore, it is important for maintaining the regional ecological environmental function and biological biodiversity. In recent years, with the rapidly economic and social development of the catchment, Lake Jianhu has become the one of the most eutrophication lake in Yunnan which is the main factor for the decline of the ecological function and the reduction of the lake area and the enhancement of swampiness.Based on the sampling of 50 sites and field investigation of Lake Jianhu in May 2019, the pollution condition and distribution which reflected by the environmental parameters including total nitrogen (TN), total phosphorous, total organic carbon (TOC), organic matter (OM) and C/N ratios of water and sediment were analyzed with the technical method of ultraviolet spectrophotometer, azotometer, TOC tester, the ecological environmental hazards and pollution status were estimated, the pollution sources and influencing factors were investigated, the circulation and migration of nitrogen were discussed.The results showed that the average contents of TN and TP of water were 0.64 mg/L and 78.65 μg/L, respectively. Meanwhile, the spatial distribution was showed as follows:western base > eastern base > middle canter of the lake. Furthermore, the analyzing results of Nemerow Pollution Index method showed that pollution levels of water body were all higher than 1, and the water quality of Lake Jianhu was classed to level IV. The contents of TN in the sediments were ranged from 2148 mg/kg to 9550 mg/kg (with the average of 4609 mg/kg), and spatial distribution was still showed as follows:west > east > middle. The TP contents were ranged from 757 mg/kg to 1744 mg/kg (with the average of 1223 mg/kg) which were similar to spatial distribution of TN. The correlation analysis results showed a significant positive correlation between TN and TOC (r=0.929, p < 0.01). Moreover, there was a significant positive correlation between TN and OM (r=0.945, p < 0.01). The comprehensive pollution index calculated by the eutrophic content were all reached the serious levels which means the sediments materials of different lake areas were the potential releasing source of N and P. All of these results indicated that there was a greater risk of pollution and eutrophication in Lake Jianhu.
Key words: Lake Jianhu    water body    sediments    TN and TP