沉积物不仅能反映水体区域环境的变迁和水体的类型，同时也是生源要素特别是氮、磷的重要存储库，对污染物的迁移转化和湖泊中营养元素的循环有着重要意义.沉积物在净化上覆水环境的同时，也在一定程度上发挥着营养源的作用，加速水体的富营养化.人类活动使过多的营养盐进入河流，扩大了整个流域的污染空间，河流汇聚湖泊造成湖泊的进一步污染，导致水华现象频繁发生，因此，治理湖泊污染应该着眼于整个流域.近年来，我国学者对湖泊流域的治理进行了大量的研究(范成新等，2005；潘英姿等，2005；袁淑方等，2013)，有关流域尺度污染状况的研究报道主要针对沉积物重金属污染和微量元素含量进行(何华春等，2007；田林锋等，2012；方明等，2013)，有关太湖流域沉积物污染现状的相关研究也主要集中于较为严重的水体或流域内部分区域的沉积物(袁旭音等，2002；卢少勇等(2012a))，很少有学者从整个流域的角度探讨沉积物碳氮磷含量与分布.

太湖流域主要包括江苏省苏南地区，浙江省的嘉兴、湖州两区及杭州市的一部分，以及上海市的大部分，总面积达36900 km²，水域面积达5550 km²，占太湖流域的16.7%，是典型的平原水网地区，河流纵横交错，湖泊众多.近年来，该地区湖泊富营养化日益加剧，其中，太湖是富营养化的典型代表(杨育武等，2002)，1981—1991年的10年间，太湖水层总氮和总磷含量分别增加了将近2~3倍，藻类生物量增加了38倍(蔡名铭，1998).2000年以来，太湖蓝藻水华几乎全年(3—12月)都有发生(马荣华等，2008).流域是一个相互反馈的动态系统，流域内的湖泊、河流、水库之间存在着紧密的物质和能量的交换等生态联系.基于此，本文通过对太湖流域沉积物碳氮磷进行研究，分析太湖流域沉积物分布特征，了解不同类型水体沉积物营养盐之间的区别，以期为制定水体恢复和保护措施提供理论和科学依据.

2010年5月对太湖流域29个水体进行沉积物采集，其中，湖泊14个、河流8条、水库7座(图 1).在太湖设置5个断面，每个断面设置3个站点，在其他水体设置3个站点，在所选的湖泊、河流及水库中沿着某一样线随机布设3个站点，站点间距至少2 km.选择采样的水体主要为饮用水水源地及受人类活动干扰较大的湖泊和河流的典型河段；选择点位 为不同区域不同特点的不同河流上，基本兼顾到流域内多数河流，同时考虑不同营养类型、不同海拔高度和地域形态的湖泊、河流及水库的上、下游地区；断面布设以交通便捷、安全及例行监测断面为原则进行选择.采用彼得森采泥器采集表层沉积物样品，装入自封袋，用低温保温箱保存，运回实验室，将样品放在培养皿中自然风干，风干样品粉粹研磨后用100目筛子过筛.在调查的过程中，记录采泥器是否采集到水草及每个站点周围水域是否有水草分布，同时记录是否出现养殖活动(陈丽平等，2013).

图 1(Fig. 1)

图 1 太湖流域采样站点分布(水体代号第一个数字0代表湖泊，1代表河流，2代表水库；01：滴水湖，02：南湖，03：淀山湖，04：澄湖，05：阳澄湖，06：昆承湖，07：漕湖，08：塘南白荡，09：宋剑湖，010：滆湖，011：洮湖，012：团汣，013~017为太湖5个断面；018：长漾湖；11：大冶河，12：金汇港，13：川杨河，14：蕴藻浜，15：浏河，16：西界岗河，17：西苕溪，18：京杭运河；21：青山水库，22：对河口水库，23：赋石水库，24：泗安水库，25：衡山水库，26：大溪水库，27：泰山水库) Fig. 1 Distribution of sampling stations in Taihu Basin

有机碳(TOC)、总氮(TN)及总磷(TP)分别采用重铬酸钾容量法、半微量开氏法和HClO₄-H₂SO₄法(鲍士旦，2000)进行分析测定.采用单因素方差分析(One-way ANOVA)分别探讨沉积物碳、氮、磷含量在不同水体类型间的差异，多重比较采用Duncan检验.碳氮磷比值在不同水体类型间的差异采用Kruskal-Wallis非参数检验，数据经秩变换后进行多重比较(Duncan检验)(陈丽平等，2013).为出现水草或存在水产养殖活动的站点赋值1，为未出现的站点赋值0，采用相关分析和T检验探讨水产养殖活动及水草分布对沉积物碳氮磷含量的影响.

采用有机氮(ON)对太湖流域各站点的沉积物质量和污染等级进行评价，其中，[ON]=[TN]×95%(孙顺才等，1993).有机氮评价标准列于表 1.

表 1(Table 1)

表 1 空气源等级划分 Table 1 Airresourcelevelsclassification

表 1 空气源等级划分 Table 1 Airresourcelevelsclassification 有机氮 污染程度 等级 <0.00033% 清洁 Ⅰ 0.0033%~0.066% 较清洁 Ⅱ 0.066%~0.133% 尚清洁 Ⅲ >0.133% 有机氮污染 Ⅳ

以1960年太湖底泥中TN、TP 实测值的平均值作为背景值(即评价标准值)，由单项污染指数公式(1)以及公式(2)计算综合污染指数(FF，其分级标准见表 2)(岳维忠等，2007).

表 2(Table 2)

表 2 太湖流域沉积物综合污染程度分级 Table 2 Standard and level of comprehensive pollution in sediment of Taihu Basin

表 2 太湖流域沉积物综合污染程度分级 Table 2 Standard and level of comprehensive pollution in sediment of Taihu Basin 等级划分 FF 等级 注: 评价标准参照资料(王佩等，2012). 1 FF<1.0 清洁 2 1.0≤FF≤1.5 轻度污染 3 1.5<FF≤2.0 中度污染 4 FF>2.0 重度污染

式中，S_i为单项评价指数或标准指数，S_i大于1表示因子i含量超过评价标准值；C_i为评价因子i的实测值；C_s为评价因子i的评价标准值，TN的C_s=0.67 g · kg^-1，TP的C_s=0.44 g · kg^-1(王苏民等，1998);F为n项污染指数平均值(S_TN和S_TP中平均值)，F_max为最大单项污染指数(S_TN和S_TP中最大者).

由表 3可知，太湖流域沉积物TOC含量在3.212~44.540 g · kg^-1之间，平均含量为14.453 g · kg^-1，其中，洮湖有机碳含量最高、滴水湖最低.总氮平均值为1.748 g · kg^-1，流域内总氮分布不均，最大值达5.365 g · kg^-1，最小值则为0.417 g · kg^-1，分别出现在洮湖和西界岗河.流域内各水体总磷含量在0.128~2.655 g · kg^-1之间，平均值为0.760 g · kg^-1，其中，太湖013断面总磷平均含量最低，南湖总磷含量最高.

表 3(Table 3)

表 3 太湖流域各水体沉积物有机碳、总氮、总磷含量 Table 3 Concentration of TOC，TN and TP in sediments for each water body in Taihu Lake Basin

表 3 太湖流域各水体沉积物有机碳、总氮、总磷含量 Table 3 Concentration of TOC，TN and TP in sediments for each water body in Taihu Lake Basin g · kg-1 水体类型 有机碳 总氮 总磷 湖泊 漕湖 14.267±2.296 1.911±0.181 0.524±0.181 澄湖 7.687±0.355 1.176±0.028 0.643±0.294 滴水湖 4.106±0.870 0.533±0.038 0.584±0.049 淀山湖 11.426±0.881 1.205±0.071 0.919±0.089 滆湖 18.523±4.554 2.362±0.395 0.581±0.029 昆承湖 7.759±0.904 1.153±0.228 0.752±0.229 南湖 21.006±0.900 2.057±0.220 2.608±0.041 宋剑湖 11.773±0.356 0.895±0.170 0.831±0.016 太湖 10.467±1.602 1.349±0.134 0.486±0.046 塘南白荡 16.860±1.315 2.971±0.720 1.113±0.172 洮湖 38.139±4.664 4.451±0.497 0.638±0.073 团汣 12.283±1.114 1.760±0.346 0.815±0.101 阳澄湖 30.224±1.084 3.534±0.206 0.643±0.025 长漾湖 27.120±1.851 2.505±0.053 0.732±0.097 河流 川杨河 6.993±0.257 0.789±0.035 0.767±0.016 大治河 9.326±0.511 1.121±0.123 0.925±0.150 金汇港 10.450±0.616 0.984±0.028 1.265±0.056 京杭运河 11.964±1.309 0.922±0.125 1.001±0.049 浏河 12.920±1.498 1.616±0.083 0.949±0.145 西界岗河 8.190±2.566 1.054±0.363 0.599±0.153 西苕溪 8.265±0.753 1.174±0.082 0.411±0.078 薀藻浜 10.676±0.675 0.907±0.144 0.761±0.172 水库 大溪水库 11.950±2.131 1.656±0.174 0.324±0.103 对河口水库 22.135±1.764 2.752±0.313 0.991±0.145 赋石水库 24.872±2.160 3.316±0.337 0.923±0.131 横山水库 23.476±2.307 2.747±0.410 0.828±0.085 青山水库 16.897±1.399 2.011±0.109 0.742±0.047 泗安水库 12.548±1.396 1.871±0.198 0.285±0.017 泰山水库 12.746±0.351 1.499±0.322 0.505±0.140 平均值 14.453(3.212~44.540) 1.748(0.417~5.365) 0.760(0.128~2.655)

相关分析表明，沉积物TN与TOC含量显著正相关(r=0.890，p<0.01，n=99)，线性方程为[TOC]=7.4338×[TN]+0.146，表明TN随着TOC的增加而增加.沉积物TOC与TP含量之间具有相关性，但相关系数较低(r=0.222，p<0.05，n=99)，线性方程为[TOC]=4.1397×[TP]+11.306(图 2).沉积物TN与TP含量不相关(r=0.114，p>0.05，n=99).

图 2(Fig. 2)

图 2 太湖流域沉积物有机碳与总氮、总磷的关系 Fig. 2 Correlation between sediment TOC and TN and TP in Taihu Lake Basin

不同水体类型沉积物碳氮磷含量之间的相关系数均为正，但相关性不一致.水库三者之间均显著正相关(p<0.01)，其中，TN与TOC的相关系数最高，TP与TN的相关系数最低；河流TN和TP均与TOC显著正相关(p<0.01)，TP与TN不相关；湖泊TN与TOC显著正相关(p<0.01)，但TP与TOC和TN均不相关(表 4).

表 4(Table 4)

表 4 湖泊、河流和水库TOC、TN及TP相关性分析 Table 4 Relationships between sediment C，N and P for lakes，reservoirs and rivers，respectively

表 4 湖泊、河流和水库TOC、TN及TP相关性分析 Table 4 Relationships between sediment C，N and P for lakes，reservoirs and rivers，respectively 水体类型 TN TP 注：*p<0.05，** p<0.01. 湖泊 TOC 0.880** 0.195 TN 1 0.104 河流 TOC 0.581** 0.558** TN 1 0.279 水库 TOC 0.921** 0.839** TN 1 0.701**

由图 3可知，沉积物TOC和TN含量在不同水体类型间均存在显著差异(One-way ANOVA，TOC：F=6.497，p<0.01，df=98；TN：F=10.811，p<0.01，df=98)，但沉积物TP含量在不同水体类型间无显著差异(河流：(0.8350±0.0061)g · kg^-1，湖泊：(0.7670±0.0070)g · kg^-1，水库：(0.6570±0.0068)g · kg^-1；F=0.951，p>0.05，df=98).水库((17.803±0.129)g · kg^-1)、湖泊((15.196 ±0.130)g · kg^-1)沉积物的TOC含量显著高于河流((9.848±0.054)g · kg^-1)，TN亦如此(水库：(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检验，p均<0.05)，沉积物TOC和TN含量在湖泊与水库间均无显著差异(Duncan检验，p均>0.05).

图 3(Fig. 3)

图 3 太湖流域不同水体类型沉积物碳氮磷含量比较 Fig. 3 Comparison of sediment TOC，TN and TP among different types of water body in Taihu Lake Basin

由图 4可知，沉积物碳氮磷比值在不同水体类型间均存在显著差异(Kruskal-Wallis非参数检验，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均为2).沉积物C ∶N比河流显著高于水库，湖泊与河流、水库间均无显著差异；沉积物C∶P和N∶ P比均是水库显著高于湖泊和河流，湖泊显著高于河流(Duncan检验).

图 4(Fig. 4)

图 4 太湖流域水体类型间沉积物碳氮磷比值比较 Fig. 4 Comparison of sediment C∶N，C∶P and N∶P ratios among different types of water body in Taihu Lake Basin

由表 5可知，有养殖活动湖泊的沉积物碳、氮含量分别显著高于无养殖活动湖泊(p均<0.001，df均为52)，但磷含量两者间无显著差异(p=0.675> 0.05；df=52)；有养殖活动湖泊的沉积物碳、氮含 量分别显著大于所有无养殖活动水体(p均<0.001，df均为97)，但磷含量两者间亦无显著差异(p=0.708>0.05；df =97).由表 6可知，有水草分布站点沉积物碳氮含量显著高于无水草分布站点的(TOC：p=0.002<0.01，TN：p=0.015<0.05，df均为97)，但磷含量两者间无显著差异(p=0.101>0.05，df=97).相关分析亦表明，沉积物碳和氮含量均与是否有养殖活动显著正相关(TOC：r=0.533，p<0.01；TN：r=0.504，p<0.01；n均为99)，但磷含量与是否存在养殖活动不相关(r=-0.036，p>0.05，n=99)；沉积物碳氮含量与水草存在与否显著正相关(TOC：r=0.301，p<0.01；TN：r=0.333，p<0.01；n均为99)，但磷含量与水草存在与否无显著相关性(r=-0.149，p>0.05，n=99).

表 5(Table 5)

表 5 养殖活动对沉积物碳氮磷含量的影响 Table 5 Effect of aquaculture activity on sediment TOC，TN and TP

表 5 养殖活动对沉积物碳氮磷含量的影响 Table 5 Effect of aquaculture activity on sediment TOC，TN and TP g · kg-1 养殖活动情况 TOC TN TP 注：a.斜线前为无养殖活动湖泊的数据，后面为所有无养殖活动水体的数据；b. 斜线前为有养殖活动湖泊与无养殖活动湖泊相应数据的t检验统计值，后面为有养殖活动湖泊与所有无养殖活动水体相应数据的t检验统计值; * * *p<0.001. 存在养殖活动 23.095 2.833 0.725 不存在养殖活动a 11.246/12.532 1.355/1.507 0.788/0.768 t值b 5.249***/5.731*** 6.181***/6.111*** 0.421/0.375

表 6(Table 6)

表 6 水草分布对沉积物碳氮磷含量的影响 Table 6 Effect of macrophyte distribution on sediment TOC，TN and TP

表 6 水草分布对沉积物碳氮磷含量的影响 Table 6 Effect of macrophyte distribution on sediment TOC，TN and TP g · kg-1 水草分布情况 TOC TN TP 注：*p<0.05，**p<0.01. 存在水草 20.036±3.028 2.289±0.356 0.596±0.056 无水草分布 13.376±0.737 1.643±0.092 0.792±0.050 t值 3.127** 2.489* 1.657

从整个太湖流域来看，ON和FF的评价结果较为一致，84.9%~91.9%的站点的污染水平为Ⅲ~Ⅳ级.ON指数显示，90.5%的水库站点污染程度属于Ⅳ级，53.7%的湖泊站点属于Ⅳ，70.8%的河流站点属于Ⅲ级，说明污染等级从高到低依次为水库、湖泊、河流.FF指数亦显示，水库沉积物污染程度甚于河流和湖泊，所有水库站点污染程度高于Ⅲ级，且81.0%的站点处于Ⅳ级污染水平(表 7).

表 7(Table 7)

表 7 太湖流域沉积物污染评价 Table 7 Contamination assessment for the sediments in Taihu Basin

表 7 太湖流域沉积物污染评价 Table 7 Contamination assessment for the sediments in Taihu Basin 评价指数 污染等级 站点数(百分比) 湖泊 河流 水库 整体 注：括号外数据为站点数，括号内数据为百分比. ON Ⅰ 0(0) 0(0%) 0(0) 0(0) Ⅱ 5(9.3%) 3(12.5%) 0(0) 8(8.1%) Ⅲ 20(37.0%) 17(70.8%) 2(9.5%) 39(39.4%) Ⅳ 29(53.7%) 4(16.7%) 19(90.5%) 52(52.5%) FF Ⅰ 0(0) 2(8.3%) 0(0) 2(2.0) Ⅱ 11(20.4%) 2(8.3%) 0(0) 13(13.1%) Ⅲ 13(24.1%) 8(33.3%) 4(19.0%) 25(25.3%) Ⅳ 30(55.6%) 12(50.0%) 17(81.0%) 59(59.6%)

TOC是以碳的含量表示水中有机物总量的综合指标，它能较全面地反映出水中有机物的污染程度.太湖流域沉积物TOC含量为水库高于湖泊和河流，可能与有机质长期沉降积累、水体流动性、养殖活动、水草分布及航运等有关.水库由于受到水坝的拦截，进入水库的90%泥沙将淤积在水库中(冯秀富等，2009)，湖泊和河流的流动性都比水库要强，特别是河流，其沉积物TOC含量最低.TOC含量的高低除了和水体本身的长期沉积积累有关外，人类活动如污染排放、养殖活动等对TOC也有重要影响，导致湖泊和河流沉积物的TOC含量相对较高，如人类活动导致龙感湖沉积物碳氮磷蓄积量急剧增加(吴艳宏等，2006).本研究结果显示，水体周边有较多人类活动的水体沉积物TOC含量明显高于其它水体，如淀山湖、长漾湖、南湖、阳澄湖、洮湖、金汇港等水体周边居住人口较多，南湖、滆湖周边农田较多及有工厂分布，京杭运河、大治河、浏河等水体航运较为频繁.水产养殖会对沉积物碳、氮和/或磷含量产生影响，但影响程度会因养殖种类和元素类型而异.鱼类养殖导致沉积物氮磷、贝类养殖导致沉积物氮均有较大程度的增加，但贝类养殖水域沉积物磷略有下降(黄小平等，2010)；东太湖围栏养殖导致沉积物TOC和TN含量分别增加了593%、83%，但磷仅增加8.0%(杨清心等，1996).本研究中，阳澄湖、长漾湖、洮湖、滆湖等水体因从事养殖活动，沉积物TOC和TN含量明显高于无养殖活动水体(表 5).水草的分布及其生物量大小能影响湖泊沉积物元素含量，碳、氮含量均随着水草生物量的增加而显著增加，但水草生物量对磷含量的影响微乎其微(Squires et al., 2003)，甚至能明显降低磷含量(Horppila et al., 2005)，本研究结果与此一致：宋剑湖、洮湖和阳澄湖的3个站点，太湖、泰山水库的2个站点，淀山湖和泗安水库的1个站点有水草分布，这些有水草分布站点的沉积物碳、氮平均值均显著高于无水草分布的，但磷含量无显著差异.另外，河流沉积物氮含量低也可能与河流作为航运通道有关，卢少勇等(2012b)曾指出河底沉积物受航运影响扰动较大，沉积物氮具有高释放风险.本研究表明，太湖流域沉积物碳氮相关性很高，说明氮主要以有机氮形式存在(Datta et al., 1999)，这可能是导致总氮含量水库最大、河流最低的分布格局与碳一致的原因.

沉积物中有机氮是氮的主要存在形态，而有机磷占总磷的比例极低(袁旭音等，2002)，如环太湖河道沉积物氮以有机氮为主，江苏西部湖泊沉积物磷以无机磷为主(卢少勇等，2012b；刘涛等，2012)，故总氮与有机质显著正相关、总磷与有机质不相关(袁旭音等，2002).但有学者通过总磷与有机碳的相关分析及磷赋存形态的研究表明，有机磷为一些湖库沉积物总磷的主要赋存形态，如贵州百花湖(王敬富等，2012)、红枫湖(王雨春等，2004)和红岩水库(尹然等，2010)，一些水体有机磷与无机磷含量较为接近(王新建等，2013).太湖流域沉积物碳氮显著正相关，且两者的相关系数高达0.890(图 2)，表明该流域沉积物氮主要以有机氮的形式存在(Datta et al., 1999)；河流沉积物TOC与TN之间的相关系数仅为0.581，而湖库的高于0.879(表 4)，说明水库和湖泊沉积物中的氮主要存在于有机质中(王敬富等，2012)，而河流与水库、湖泊相比较，其沉积物中还有较多其它形态的氮存在.磷在沉积物中的赋存形态比较复杂，特别是浅水水体(朱广伟，2003)，太湖流域沉积物TP与TOC含量的相关性虽达到显著水平，但相关系数不高(图 2)，可能说明磷的赋存形态比较复杂及磷的存在形态中无机磷占了很大比例.太湖流域水库沉积物TP与TOC之间有着极显著的正相关关系，湖泊沉积物两者相关系数极低且不相关(表 4)，说明浅水湖泊沉积物中磷存在的形态比水库要复杂许多(朱广伟，2003)，也表明湖泊沉积物磷主要来自外源浮游动植物的沉降，水库沉积物磷主要来自内源浮游动植物的沉降(卢少勇等，2012a ).水库沉积物TN、TP与TOC的相关性均很高，说明水库氮、磷在沉积行为上较为相似，均来自表层沉积物有机质的矿化(卢少勇等，2012a ).

水体沉积物C∶N比是判识环境的一个重要要素，也是判定沉积物中有机污染来源的重要依据(钱君龙等，1997).研究表明，藻类的C∶N比一般在4~10之间，而陆生维管束植物的C∶N比一般大于20(Meyers，1994)，C∶N比值愈大，说明陆源输入的有机质成分愈大.许多研究表明，湖泊表层沉积物的C∶N在6~14之间(Talbot，1990).本研究得出，太湖流域湖泊和水库沉积物C∶N比分别为9.7和9.4，而河流沉积物C∶N比最大，约为11.2，说明河流较湖泊和水库有更多的陆源物质输入，而湖泊特别是水库相对比较封闭，与外界联系较少，有机质主要来源于大量繁殖的藻类，这与袁和忠等(2010)的研究结果一致，因此，水库沉积物C∶N比值最小，且显著低于河流.一方面，河流较湖泊和水库具有更长的沿岸带，为陆生维管束植物提供了更多的生长空间；另一方面，本研究调查的8条河流周边居民较多，有更多的农业及航运活动，同时周边会有更多的外源营养物输入，因此，河流沉积物的C∶N比较大.沉积物磷含量高、C∶P比和N∶P比低，说明存在较高的农业磷污染和无机磷污染(Viner，1989；Noe et al., 2005).本研究中河流、湖泊沉积物磷含量相对水库较高，但前两者的C∶P、N∶P比显著低于后者，表明湖泊和河流主要受到无机磷污染及它们受到的高农业污染较水库严重，这与对江苏西部10个湖泊沉积物中磷以无机磷为主的研究结果一致(刘涛等，2012).

ON和FF指数评价结果表明，太湖流域84.9%~91.9%的站点的沉积物污染水平为Ⅲ~Ⅳ级(表 7)，与基于底栖动物的污染评价结果较为一致(陈丽平等，2013)，也与太湖流域的整体污染状况较为符合，2009年的水质监测结果显示，太湖流域属于Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ类水的河流长度分别占总评价长度的18.6%、20.1%和54.4%，因此，采用ON和FF指数对太湖流域水体沉积物质量及污染程度进行评价较为合适.

水库和湖泊沉积物的有机碳和总氮含量显著高于河流，总磷含量在各水体沉积物间无显著差异，且水库沉积物氮、磷和湖泊沉积物氮主要以有机态存在，湖泊沉积物磷中存在更多的无机磷.河流较湖泊和水库有更多的陆源物质输入，湖泊沉积物磷主要来自外源输入，而水库沉积物磷主要来自内源浮游生物的沉降.养殖活动和水草分布均导致沉积物有机碳和总氮显著增加，而对磷的影响不显著.有机氮指数和综合污染指数适合对太湖流域沉积物质量进行评价，两者均显示太湖流域沉积物污染程度较为严重，处于Ⅲ~Ⅳ级，且水库沉积物的污染程度高于湖泊和河流.