1 引言(Introduction)

受污染河湖的沉积物中通常富含氮、磷营养盐, 且沉积物与上覆水体的氮、磷含量保持着一定的动态平衡.但当上覆水体中营养盐含量或环境条件(如pH、溶解氧、氧化还原电位)发生改变时, 沉积物向水体中释放氮、磷营养盐的能力也会产生变化(高丽等, 2005;陶玉炎等, 2013), 从而影响藻类的生长及水华爆发(Moore et al., 1994).水华爆发不仅破坏了水生生态系统的平衡, 而且藻类细胞破裂释放出的多种藻毒素也会危害人和动物的饮用水安全(闫海等, 2002).同时, 水华爆发会在湖面形成厚厚的湖靛, 在藻类消耗和湖靛的隔绝作用下, 水体的溶解氧逐渐减少, 从而加剧厌氧状态, 进一步促进沉积物氮、磷营养盐的释放(张丽萍等, 2003), 最终形成沉积物向上覆水释放营养盐含量逐渐增加且上覆水溶解氧逐渐减少的恶性循环.

湖泊氮、磷污染主要包括外源污染和内源污染(李辉等, 2011).近些年随着政府的管控及治理, 外源污染得到相应控制, 因此, 内源污染逐渐成为湖泊污染治理研究的热点.目前, 国内外学者对内源污染的研究主要集中在溶解氧、温度、pH值等对沉积物吸附和释放营养盐的响应关系上(Holdren et al., 1980;Atkinson et al., 2007), 采用的方法包括实时监测、现场采样或短期室内培养等, 通过分析内源污染物的空间分布、界面运移、吸附释放等特性(Rydin et al., 2000;Grucarokosz et al., 2015;Fairbairn et al., 2015), 并提出相应的底泥疏浚、原位覆盖、扬水曝气等(Qian et al., 2012;Hong et al., 2012)治理方法.

瘦西湖是扬州市重要的景观湖泊, 其水质问题一直受到社会各界的广泛关注.在全国“水污染防治行动计划”、“关于在湖泊实施河长制的意见”和江苏省“生态河湖行动计划”等一系列生态环保工作的推动下, 瘦西湖周边点源及农业面源污染已得到了较好的排查和控制, 但瘦西湖的整体水质状况仍不乐观, 水质恶化事件仍时有发生.因此, 本研究以扬州瘦西湖为研究对象, 通过实地采样、室内模拟培养的方法, 主要探讨瘦西湖沉积物氮、磷营养盐污染负荷及释放通量, 以期完善瘦西湖污染来源研究, 为瘦西湖下一步水质提升工作提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况及采样点布设

瘦西湖为国家4A级风景区, 位于江苏省扬州市城西北郊, 南北长约3 km, 水域面积0.30~0.35 km².根据江苏省扬州水文水资源勘测局对瘦西湖水系的水文状况实测结果显示, 湖泊水深1.5~2.5 m, 水位5.0 m, 水面宽窄相间, 为8.4~102 m, 断面基本呈“U”型, 进出水量小, 属于典型的小型封闭浅水湖泊(周建东, 2009).水源主要由活水工程抽提邵伯湖水经保障湖泄入瘦西湖, 含沙量较高, 少量由天然降水补给.扬州市2015年环境质量年报显示, 瘦西湖水质劣于地表水Ⅴ类, 水质为重度污染, 主要污染物为总磷、氨氮, 平均超标倍数分别为2.5和0.6倍(扬州市生态环境局, 2016).同时, 瘦西湖景区毗邻古运河, 其内部水文条件会受到古运河的影响, 通过黄金坝与景区内部水体进行水力联系.瘦西湖两岸实施了硬质驳岸并略高于水面, 自净能力很弱, 水质逐步恶化, 富营养化日趋严重, 经过多次清淤, 效果仍不明显, 严重制约了景区旅游经济的发展(叶振国等, 2009).

样品采集及室内培养时间为2017年12月, 采样点分布如图 1所示, 框内为瘦西湖景区, 结合瘦西湖水域范围和已开展的水质提升活水工程概况, 以扬州闸-黄金坝线路作为入湖通道, 以二十四桥作为出湖通道, 尽量选择河流交汇点和闸前后作为代表性点位, 景区外采样点分别为：扬州闸下(119°27′59″E、32°25′22″N)、黄金坝上(119°26′56″E、32°25′7″N)、黄金坝下(119°26′35″E、32°25′7″N); 景区内采样点分别为：玉带河(119°26′2″E、32°25′6″N)、相别路桥(119°25′28″E、32°25′27″N)、漕河(119°25′33″E、32°24′51″N)、长春桥北(119°25′12″E、32°24′39″N)、长堤春柳(119°25′16″E、32°24′14″N)、二十四桥(119°24′43″E、32°24′33″N)、角楼(119°25′1″E、32°25′15″N).角楼处经过多次采集均未采集到淤积层, 可能原因为该处进行过清淤, 因此除该点外, 其余点位均采集了柱状沉积物样及水样.

2.2 样品采集

利用GPS精确定位预设的9个采样点位, 选取1 m×1 m的采样区域, 为避免沉积物采集破坏水体原位条件, 先进行上覆水样采集, 而后进行沉积物采集.上覆水使用有机玻璃采水器进行采集, 每个采样点取3个平行样.沉积物样品的采集采用口径为90 mm的柱状沉积物采样器(Rigo Co., φ90 mm×600 mm), 于预设的点位采集6根沉积物柱状样, 利用顶托法将其中3根按1 cm间隔进行分取, 总共分成10层, 装入聚乙烯密封袋中.所有样品均在4 ℃条件下进行保存.将获取的泥样用冷冻干燥机进行风干处理, 并研磨过100目筛用于分析氮、磷含量, 剩下3根用于室内静态培养实验.

2.3 氮、磷释放潜力模拟

在实验室内将采回的柱状泥样的上覆水用虹吸法抽出, 并将柱状样高度控制在20~35 cm左右, 随后再将过滤后的采样点水样沿内壁缓慢的注入柱状沉积物上方, 将液面高度控制在距沉积物上方10 cm高度处(此时水柱体积为568 mL), 标注刻度, 随后将所有柱状样置于恒温培养箱中避光培养, 温度取采样时瘦西湖原位温度(20 ℃).此后, 分别于0、12、24、36、48、72 h时用移液管于沉积物表层5 cm处取样, 每次取50 mL.采集过后将过滤后的原采样点的水样沿内壁缓慢注入, 将水位控制在标注的刻度线处以保持水量平衡.每次取出的样品及时分析其营养盐含量.沉积物-水界面营养盐交换速率(F)按下式计算(范成新等, 2002)：

(1)

式中, F为平均交换通量(mg·m^-2·d^-1); V为柱状样中上覆水的体积(L); C_n、C₀、C_j-1为第n次、0次(即初始)和j-1次采样时某物质的质量浓度(mg·L^-1); C_a为添加水样中物质的质量浓度(mg·L^-1); V_j-1为第j-1次采样体积(L); S为柱状样中水-沉积物接触面积(m²); t为释放时间(d).

2.4 样品分析与数据处理

水样总氮、总磷浓度采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度计法进行分析; 水样氨氮、硝态氮、亚硝态氮和磷酸盐测定时水样先用0.45 μm的醋酸纤维滤膜抽滤后采用流动注射分析仪(Skalar-SA1000)测定.沉积物中总氮测定采用K₂Cr₂O₇-H₂SO₄消化-凯氏定氮法, 总磷分析采用SMT法(李雪芹等, 2010).沉积物粒径用激光光透式粒度仪(Mastersize 2000, Malvern Instruments Ltd, UK)进行测定.实验数据使用Excel 2007进行整理, 绘图则使用Origin pro 9.1(USA)和ArcGIS 10.2软件, 数据分析使用SPSS Statistics 22.0软件.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 上覆水氮、磷形态及含量

瘦西湖上覆水总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、亚硝态氮(NO₂^--N)、磷酸盐(PO₄^3--P)的浓度变化如图 2所示.从扬州闸下至黄金坝下为进入瘦西湖景区的河道, 因此, 入湖处上覆水营养盐浓度显著较低(p < 0.05);从玉带河处进入瘦西湖景区内后, 氮、磷营养盐浓度均明显增加; 瘦西湖景区内部TN分布并不具有明显的趋势, 浓度范围为1.5~2.9 mg·L^-1, NH₄⁺-N、PO₄^3--P及TP的分布整体呈现从瘦西湖景区入口至景区内部逐渐增加的趋势, 分别为0.2~1.7、0.05~0.10、0.05~0.11 mg·L^-1.

扬州闸下至黄金坝下为进入景区的河道, 入湖的上覆水中营养盐含量较低, 这可能是由抽调来水本底较低和该处水动力较强共同造成的.从玉带河处开始逐渐进入瘦西湖景区内部, 上覆水营养盐含量明显增加; 瘦西湖内部主要为河道型湖泊, 且呈环状分布, 造成了景区内部上覆水营养盐含量高于入湖上覆水中营养盐含量.

根据中华人民共和国地表水环境质量标准(GB3838—2015), 可知上覆水中氨氮平均浓度达到了Ⅱ、Ⅲ类水标准, 其中, 在漕河及相别路桥点位达到了Ⅳ、Ⅴ类水标准; TP浓度普遍达到Ⅳ类水标准, 而TN浓度却普遍达到Ⅴ类和劣Ⅴ类水标准, 因此, TN是水体污染的主要因子.

3.2 沉积物理化性质

通过对采集的沉积物样品进行有机碳、粒径及含水率的分析可知(表 1)：整个瘦西湖有机碳分布差异性不显著, 其中, 黄金坝下有机碳含量最高, 为2.69%;入湖处沉积物粒径以沙砾为主, 扬州闸下沙砾含量最高, 为39.72%;进入瘦西湖景区内部后, 沉积物粒径也较入湖处变小, 但景区内部沉积物有机碳含量及粒径整体均呈现逐渐递增的趋势.景区内部玉带河处有机质和沙砾含量最低, 分别为0.81%和3.66%, 最高为长春桥北, 有机质和沙砾含量分别为2.17%和30.44%.

3.3 沉积物氮、磷含量变化

取沉积物表层分析氮、磷营养盐含量的时空分布特征, 结果显示, 沉积物TN、TP含量从扬州闸开始均呈逐渐增加的趋势, 其中, 扬州闸下TN、TP含量最低, 分别为69、460 mg·kg^-1; 漕河处TN含量最高, 为2376 mg·kg^-1, 玉带河处TP含量最高, 为2287 mg·kg^-1.

扬州闸下的TN、TP含量相对较小, 主要由于该采样点处于扬州闸旁, 水利调度等工程造成该处水流交互相对频繁, 不仅上覆水氮、磷含量较少, 扬州闸下至黄金坝下段是京杭运河补给瘦西湖的主要通道, 来水中含沙量大, 其中, 粒径较大的颗粒会先沉降, 并且沉降的颗粒物不仅会将水体中氮、磷营养盐携带至沉积物中, 造成扬州闸下、黄金坝上、黄金坝下上覆水氮、磷营养盐含量较低; 同时, 颗粒物沉降也会对原有沉积物进行覆盖, 抑制沉积物向上覆水释放营养盐的速率.其次, 由于水流的携带作用, 将沉积物表层较易释放的细颗粒冲走, 使得该处沉积物营养盐含量也相对较低.黄金坝上及黄金坝下采样点是相邻的两个采样点, 有相应的水流交换, 但二者所处的水利条件不同, 当黄金坝处闸门关闭时, 位于邗沟处的黄金坝下点位的水流基本处于静止状态, 而黄金坝上处河道较宽, 更好的水利条件使得黄金坝上的水质及沉积物氮、磷含量相对黄金坝下较低.其余点位按照沿着邗沟进入瘦西湖景区的布局分布, 除玉带河处之外, 剩余点位随着逐渐进入瘦西湖景区, 沉积物氮、磷含量呈现逐渐增加的趋势.

从沉积物的垂向氮、磷营养盐含量分析可知(图 3), 二十四桥点处6~10 cm沉积物TN含量均值约为2800 mg·kg^-1; 玉带河处0~5 cm沉积物TP含量均值最高, 为2490 mg·kg^-1, 黄金坝下、相别路桥6~10 cm处沉积物TP含量较高, 均值达到了2500 mg·kg^-1, 其余点位处TP垂向分布较为均匀.这主要是由于瘦西湖属于河道型湖泊, 并且整体流速缓慢(实测在0~0.5 m·s^-1之间), 常年累积造成水中营养盐逐渐富集于沉积物中; 中表层的沉积物中营养盐含量越高, 向水体中释放营养盐的可能性就越大, 就越容易成为内源污染(Zhong et al., 2008).

3.4 内源氮、磷释放潜力估算

通过对9个采样点表层沉积物样进行模拟研究, 结果如图 4所示.沉积物中硝态氮的释放速率为30.2~80.6 mg·m^-2·d^-1, 亚硝态氮的释放速率为0.95~5.1 mg·m^-2·d^-1, 氨氮释放速率35.3~90.1 mg·m^-2·d^-1, 其中, 玉带河处监测点的释放速率显著较高(p < 0.05).

扬州闸下至黄金坝下段磷酸盐释放速率显著较低(p < 0.05), 可能原因为磷主要以吸附态形式存在, 而该段水体含沙量较高, 沙粒的覆盖限制了沉积物中依靠吸附作用传输的磷酸盐的释放速率.同时从粒径分级上进行分析, 该处粉质沙土含量占到将近80%, 既不同于黏土的隔绝营养盐释放作用, 也不同于沙砾较弱的吸附营养盐的能力, 使得该点具有较高的营养盐吸附及释放潜力.从玉带河入湖口至二十四桥出湖口, 氨氮、硝态氮、亚硝态氮的释放速率均呈逐渐降低的趋势, 主要原因是景区内湖水流缓慢、上覆水更新速度较低, 从而导致营养盐的积累, 进而抑制沉积物营养盐的释放.同时, 这些监测点处湖底较高的有机碳及厌氧环境会伴随着厌氧氨氧化和反硝化等脱氮过程, 这些过程会消耗大量的无机氮, 进一步降低了沉积物的释放潜力.

磷酸盐的释放速率为7.2~58.8 mg·m^-2·d^-1, 除了玉带河监测点处为最大值点外, 整体呈现逐渐递增的趋势.沉积物磷酸盐释放速率较高的主要原因之一是沉积物总磷含量较高, 二者相关系数达到了0.875(p < 0.01), 表明沉积物中高磷酸盐含量将会增强其向上覆水的释放风险.

表 2为国内外其他湖泊沉积物氮、磷营养盐释放速率的研究结果.比较发现, 氨氮释放速率普遍在-55.74~163 mg·m^-2·d^-1之间, 而瘦西湖的氨氮释放速率为35.3~90.1 mg·m^-2·d^-1; 磷酸盐释放速率普遍在0.1~26.39 mg·m^-2·d^-1之间, 而瘦西湖的磷酸盐释放速率为7.2~58.8 mg·m^-2·d^-1, 氮、磷释放速率均处于较高水平.鉴于其他研究所选取湖泊均存在不同程度的富营养化问题, 因此, 瘦西湖较高的氮、磷释放速率可能是其水质经历了长期治理却始终收效甚微的主要原因之一.

通过对沉积物营养盐释放速率及上覆水营养盐的含量进行比较后发现, 两者在空间上的分布并不完全一致, 主要原因是瘦西湖实施了活水工程, 抽提邵伯湖水经保障湖注入瘦西湖, 其来水中含沙量较大, 因而使得沉积物的空间分布差异性较为明显.同时, 沉积物在不同条件下还存在着矿化、硝化等生物化学反应, 这些反应所参与的氮、磷循环过程会改变沉积物和水体中相应的氮、磷营养盐含量.因此, 总体来说, 湖水营养盐含量的空间变化主要受到沉积物运移、沉积、有机质分解速率, 微生物转化等影响(刘峰等, 2011).

综上所述, 瘦西湖沉积物中营养盐含量较高, 且沉积物中氮、磷营养盐的释放速率也影响着上覆水的营养盐负荷.虽然近些年周边的外源污染已得到有效整治, 并且瘦西湖也实施了活水工程, 增加了上覆水体的流动性, 但水质的持续不达标现象及沉积物中高氮、磷含量说明沉积物是水体营养盐的重要来源, 短期的水质优化会促使沉积物向上覆水释放更多的氮、磷.因此, 通过底泥清淤及活水工程相结合等多种治理措施, 对内源与外源、水体与沉积物进行综合治理, 才能达到削减湖泊营养负荷及营养积累, 从根本上解决瘦西湖水质恶化的问题.

4 结论(Conclusions)

1) 瘦西湖的上覆水中, 除扬州闸下、玉带河及二十四桥点位TN浓度显著较高以外, 其余点位TN浓度差距不大, 均在1.5~2.2 mg·L^-1之间; 硝态氮和亚硝态氮的浓度分布与TN浓度分布一致性较高; TP浓度则在0.05~0.11 mg·L^-1范围内逐渐增加; 上覆水整体上处于Ⅴ类或劣Ⅴ类水, 其中, TN是瘦西湖水质优先控制的指标.

2) 沉积物的TN含量范围为500~4500 mg·kg^-1, TP含量范围为100~3700 mg·kg^-1, 沉积物氮、磷释放速率与国内外类似湖泊相比处于较高水平.玉带河处的氨氮、亚硝态氮、磷酸盐的释放速率均最高, 硝态氮释放速率次之, 是污染治理时需要重点关注的区域.沉积物TP含量与沉积物磷释放关系密切, 相关系数达到0.875(p < 0.01).因此, 在瘦西湖水质提升工程及生态修复过程中, 沉积物内源污染应引起足够重视.