云南高原湖泊表层沉积物环境评估

隶书, SimLi;">陈毅良 徐赵红

(1.云南高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室,云南省环境科学研究院,云南 昆明 650034；

2.华南农业大学，广东 广州 510642)

摘　要

   对泸沽湖近岸的8个沉积物样品进行分析，分析指标包括TN、TP、TOC、pH等。采用氮磷污染指数和有机污染指数相结合的评价标准评价近岸沉积物环境质量。评价结果显示：近岸沉积物环境质量总体处于尚清洁水平，但某些区域已出现氮磷污染和有机污染，有机污染综合排序为走婚桥>里格>小落水>三家村>里务比岛>赵家湾>大落水>大嘴。进一步分析推断，沉积物营养状态很大程度受到地形条件、水动力以及人类活动的影响。相关关系分析发现， TN与TOC存在显著正相关，pH与TN存在显著负相关。C/N范围指示了湖泊有机质的来源，反映了湖泊初级生产力的发展水平和内源贡献的大小。

关键词：湖泊表层沉积物；总氮；有机碳；C/N；相关关系；环境质量；泸沽湖

TN、TP、TOC、pH等环境因子直接反映了沉积物的环境质量，其空间结构及浓度变化形成了不同类型的沉积层环境，进而决定了底栖生物构成及其生命活动。在一定条件下，沉积物可通过沉积层-水界面与上层水体发生营养物质交换。有机质的分解，N、P等元素的迁移转换使湖泊水质产生变化，从而影响湖泊生态系统演化。本文主要研究了泸沽湖近岸500m范围内，表层沉积物中TN、TP、TOC、pH等环境理化指标的浓度水平及其相互关系。

泸沽湖是云南省九大高原湖泊之一，地处滇川交界(N100°39′～27°45′、E100°45′～100°55′)，属雅砻江(金沙江支流)水系，由亮海和草海组成(见图1)。湖区面积55.9km2，湖面海拔2695m，最大水深93.5m，平均水深40.3m，蓄水量19.53×108m3[1]。属中亚热带高原季风气候，年平均气温12.8℃。湖水补给系数3.54，换水周期达18.5a，为半封闭湖泊[2]。2013—2014年度水质常规监测显示，泸沽湖水质全年总体保持Ⅰ类，受季节变化影响，个别月份水质在Ⅰ类和Ⅱ类之间波动。表1水质数据为沉积物—水同步采样监测结果。

2.1　样品采集

本次实验共采集样品8个，采样时间为2015年7月4日，采样点分布见图2。8个样点沿湖岸由北至南顺时针分别为里格、小落水、大嘴、赵家湾、里务比岛、走婚桥、三家村和大落水，水深分布范围为10～50m(走婚桥为0.5m)，离岸距离为50～450m。采样工具为箱式采泥器，样品带回实验室用恒温干燥箱在105°C下烘干24h，冷却后取出用研钵研磨至实验要求。

2.2　分析方法[3]

总氮：凯氏定氮法(海能K9860全自动凯氏定氮仪)。取过100目筛沉积物干样1g放入定氮仪消煮装置，按仪器操作步骤进行消解、蒸馏和滴定，根据仪器预设参数得出测定结果。

总磷：过硫酸钾氧化分光光度计法。取过200目筛沉积物干样0.7g放入50mL具塞比色管中，加入10mL 5%过硫酸钾、5mL 30%硫酸，于120°C压力锅内加热30min，冷却后稀释至标线。静置后取上清液5mL于50mL比色管定容至刻线，先后加入1mL10%抗坏血酸溶液和2mL钼酸盐溶液充分混匀，于700nm波长比色，根据预先绘制的标准曲线计算出总磷含量。

有机碳：重铬酸钾-硫酸溶液油浴法。在加热的条件下，用过量的重铬酸钾-硫酸(K2Cr2O7-H2SO4)溶液，来氧化土壤有机质中的碳，等被还原成Cr+3，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁(FeSO4)标准溶液滴定，根据消耗的重铬酸钾量计算出有机碳含量。

表1　采样点水质评价　(mg/L)

3.1　沉积物指标描述性统计

8个沉积物样品中，除走婚桥位于草海内，其余7个均位于亮海。由于草海湿地内部沉积物理化性质与亮海区沉积物有较大差别，不宜进行类比分析，因此对其余7个近岸沉积物理化指标数据进行Pearson统计分析，结果见表2。

表2　沉积物理化指标统计分析

3.2　沉积物营养状态评价

目前针对湖泊沉积物环境质量评价尚无统一的评价方法和标准，多采用有机指数及有机氮含量作为评价标准，但此方法没有将磷纳入到评价范围内，因此把海洋沉积物中的单因子指数评价法引入以作为综合评价方法[4]。

3.2.1　单因子评价法[5]

采用单因子标准指数法进行评价，计算公式为：

Si=Ci/Cs

式中：Si为单项评价指数或标准指数，Si>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。Cs取评价指标平均值，CTN=1.69，CTP=4.29。

表3　沉积物氮磷污染指数分级标准

由沉积物氮磷污染指数评价结果可知：TN方面，除大嘴、里务比岛和大落水外，其余几个区域的沉积物都不同程度受到氮的污染；TP方面，所有点位普遍受到磷污染，其中大嘴、赵家湾、三家村为轻度污染，里格、小落水、里务比岛、走婚桥为中度污染，大落水则为重度污染。氮磷综合污染水平排序为走婚桥>小落水>里格>大落水>里务比岛>赵家湾>三家村>大嘴。

表4　泸沽湖沉积物氮磷污染评价

3.2.2　有机指数评价法

有机质含量通常反映了湖泊沉积物的营养水平，是评价沉积物环境质量的重要特征指标。根据泸沽湖自身情况，结合其他湖泊评价经验[6]，采用如下评价标准：

有机指数=有机碳(%)×有机氮(%)

式中：有机碳=有机质(%)/1.724；有机氮(%)=总氮(%)×0.5。

表5　沉积物有机指数评价标准

表6　泸沽湖沉积物有机指数评价结果

分析结果显示，8个采样点沉积物有机指数总体保持在Ⅱ～Ⅲ区间(表5)，营养评级为清洁水平。其中，位于里格的沉积物有机指数为0.53(Ⅳ级)，表示此区域沉积物受到一定程度的有机污染。位于草海湿地内的走婚桥有机指数达14.08，有机氮含量达0.667%，严重超过清洁标准，反映了湿地环境中沉积物受栖息生物生命活动影响，新陈代谢和物质交换为有机质积淀创造了条件。有机污染水平排序为走婚桥>里格>小落水>三家村>里务比岛>赵家湾>大落水>大嘴。

4.1　沉积物C/N(www.chuimin.cn)

一般情况下,沉积物C/N能够有效指示有机质来源情况[7]。湖泊水生生物产生的有机质中蛋白质含量丰富，纤维素含量低，当有机质以内源为主时，C/N常常小于10；陆生高等植物的有机质中纤维素含量高而蛋白含量低，当有机质以外源为主时，C/N在20甚至以上[8]，随着外源有机质增加，C/N也随之增大[9]。

表7　各采样点C/N

通过沉积物C/N分析可知，里格、大嘴、里务比岛、三家村、大落水C/N均高于20(表6)，表明这一带有机质多为外源输入。最高值位于大落水，C/N值达40，表明其有机质外源输入占绝对比例，并且很大程度上受到人类活动干扰。最小值出现在小落水，说明其有机质以内源物质为主，受外源有机质干扰较小。其余各点C/N在10～20，说明该区域有机质受到内源和外源的综合影响。

另外，地形条件、水动力、外源输入影响沉积物污染特征及空间分布。位于北岸狮子山脚下的里格和小落水，地处湖湾带，周围地势陡峭，受气流及内湖水流扰动较弱，水流交换机会较小，形成相对适宜的沉积环境。从数据上看，两点的总氮和总磷含量分别为1.84mg/g、4.41mg/g及3.13mg/g、4.83mg/g，其含量明显高于其他检测区域。再看C/N值发现，里格31.0大幅高于小落水9.8，可见里格景区有机质几乎全部为外源输入，也就是旅游污染，而小落水则以内源产生为主。与之相反的情况出现在北岸的大嘴，这一带地势开阔，受气流影响较强，水体交换频繁，氮、磷等元素较难被吸附沉降，所以沉积物污染物含量较低。但某些指标可能由多方因素综合作用，如大落水的TP达到6.58mg/g，里务比岛TP达4.73 mg/g，高于平均浓度。C/N值分别为40.0和38.5，表明这些区域外源有机质输入对该区域有机质积累造成绝对影响，与霍等[10]对泸沽湖TP主要来自陆源输入的推断一致，且有机质绝大部分由人类活动产生(旅游业)。

4.2　沉积物各指标相关关系分析

沉积物各环境指标存在显著相关性。TN和TOC表现出极显著正相关关系(见图3)，这说明两者具有相同或相近的物质来源和输入渠道，且TN多以有机氮的形态赋存于有机质中，两者在物质循环过程中具有协同作用[11]。pH和TN表现出显著负相关关系(见图4)，TN含量随pH的增大而减小。这是由于pH是沉积层中底栖生物类型以及氮磷释放机制的重要影响因素，不同的酸碱环境控制了氮磷等营养元素在沉积物和上覆水中吸附或释放的方式及其通量，并显示出一定的变化规律和特性，这种规律作为引起湖泊富营养化的重要途径，是目前湖泊沉积物-水界面过程研究领域的热点[12]。

表8　泸沽湖沉积物各指标相关关系

4.2.1　总氮与总有机碳相关关系

TN浓度在0.73～3.20 mg/g，TOC浓度在2.38%～6.06%。TN(或TOC)的增大使TOC(或TN)随之增大，两者之间表现出良好的线性拟合，相关关系显著(相关系数为0.969，显著水平为0.00<0.01)。这说明TN和TOC在沉积过程中有较高的协同性，且有机质是有机氮的重要载体。

4.2.2　pH与总氮相关关系

pH在6.56～7.16，TN浓度在0.73～3.20 mg/g。pH(或TN)的增大使TN(或pH)随之减小，两者之间表现出良好的线性拟合，相关关系显著(相关系数为-0.862，显著水平为0.006<0.01)。

近年来，随着泸沽湖景区旅游开发的持续升温，每年数以百万游客涌入，由此产生的环境污染给泸沽湖的生态环境保护带来极大挑战。现阶段环保设施的投入远远跟不上旅游开发的节奏，这种影响已直接反映在水环境质量的响应上，甚至进一步影响沉积物环境质量。

泸沽湖近岸沉积物环境质量按氮磷指数和有机指数的综合评价方法，有机污染总体评定为尚清洁状态，但应当引起注意的是，沿岸一些热门景点区域近岸沉积物已经出现氮磷污染和有机污染的状况，其中里格有机指数达0.53，为轻度有机污染；小落水出现中度氮污染，TN含量达3.13mg/g；大落水出现重度磷污染，TP含量达6.59mg/g。

草海湿地沉积物与湖区水下沉积物在营养水平上存在差异。值得注意的是，位于草海湿地的走婚桥，总氮含量13.33mg/g，总磷含量4.59mg/g，总有机碳21.13%，各项指标均超过平均水平。客观分析，该区域拥有整个湖泊水域最丰富的生物多样性结构，自由的光、水、气、能源形成了活跃的初级生产力系统，生物的生命活动实现了物质在食物链间的转移，物质的输入输出、生命的周期循环都促进了营养物质的沉积，这让沉积层拥有较高的营养水平，体现了湿地沉积物和湖体沉积物在有机质结构和化学组成上的差异。但15.9的C/N指示了有机质来源受到内源与外源的相互作用，且有机质以内源产生为主。

参考文献：

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CHEN Yi-liang1,XU Zhao-hong2

(1.Yunmam Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake-watershedYunnan Institute of Environmental Science, Kunming Yunnan 650034 ,China)

Abstract： Eight sediment samples from the near shore of Lugu Lake were analyzed. The indices covered total nitrogen(TN), total phosphorus(TP)，total organic carbon(TOC),pH and so on. Nitrogen and phosphorus pollution index combined with organic pollution index were adopted to assess the sediment environment. The results indicated that the near shore sediment has kept a clean status as a whole, but nitrogen, phosphorus pollution and organic pollution were found in several areas. The rank of organic pollution degree as follows: Zouhun Qiao>Lige>Xiao Luoshui>Sanjia Cun>Liwubi Dao>Zhaojia Wan>Da Luoshui>Dazui. It was assumed that landform, hydrodynamic, and human activities could significantly influence the nutrition state of the sediment. The correlation analysis revealed that the content of physicochemical indices in sediment have significantly positively correlated to TN. A significant negative correlation between pH and TN was found. This relationship explained that lacustrine deposit was a complex process of synergistic reaction and inter-reaction controlled by many factors. Meanwhile, the ratio of C and N indicated that the organic matter was the original source, which reflected the evolution standard of primary productivity and the size of internal source contribution of the lake.

Key words： surface sediment; TN; TOC; C/N ratio; correlation; environmental quality; Lugu Lake

收稿日期： 2015-09-21

基金项目：省应用基础研究计划青年项目(2013FD076)。

作者简介：陈毅良(1990-)，男，本科，工程师。

中图分类号：X82

文献标志码： A

文章编号： 1673-9655(2016)02-0055-06