湖北省洪湖沉积物物化特征空间格局及污染源解析研究

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过量氮磷营养盐向湖泊生态系统的输入是湖泊富营养化的主要原因。湖泊沉积物兼具污染物源和汇的特点。研究湖泊沉积物营养盐赋存形态及现状,进行沉积物污染源分析,对湖泊富营养化治理至关重要。本文选取湖北省洪湖为研究对象,分析洪湖沉积物理化性质,氮磷有机质的赋存形态及空间分布。针对洪湖外源营养盐输入和洪湖水生植物衰退对沉积物有机质内源贡献。通过三维荧光光谱和稳定同位素方法,分析洪湖外源营养盐输入和沉积物有机质的来源贡献。以期为洪湖后期水生态修复提供数据支撑和理论依据,本文主要研究内容和结果如下:(1)洪湖沉积物pH值整体呈中性,沉积物含水率和ORP整体上由入湖口向湖区呈上升趋势,水生植物根际泌氧对洪湖沉积物ORP产生影响。洪湖沉积物粒径由入湖口向湖区沉积物粒径整体变粗。通过不同类型沉积物粒径分析发现:入湖口沉积物受陆源碎屑沉积物输入和人类活动产生有机质影响,沉积物粘土占比较高,围垸养殖活动使沉积物粒径更细腻。(2)洪湖沉积物TN含量范围为702.88~6772.15 mg/kg,平均值为3011.34±1369.37 mg/kg。由入湖口向湖区沉积物TN含量呈上升趋势,西南区域沉积物TN污染严重。洪湖水生植物衰败进入沉积物使TN含量较高。围垸沉积物NO3--N和NO2--N含量显著高于湖区沉积物(P<0.05)。围垸养水产殖会对沉积物NO3--N和NO2--N含量产生影响。沉积物氮形态含量与沉积物pH、ORP、含水率和粒径分布有关。洪湖沉积物TP范围为438.33~1955.84 mg/kg,平均值856.53±377.46 mg/kg。四湖总干渠磷输入可能是洪湖沉积物磷主要来源,入湖口沉积物磷形态以Fe/Al-P和Ca-P为主,而湖面沉积物以OP和Ca-P为主,空间磷形态组成变化与人类活动影响和水生植物分布有关。洪湖沉积物存在较高的磷释放风险,上覆水磷浓度与沉积物Fe/Al-P和OP释放有关。沉积物各形态磷与沉积物含水率、粒径粘土显著相关(P<0.05),高含水率沉积物在风浪下易于再悬浮导致沉积物磷含量下降,粒径粘土对沉积物磷吸附效果更好。(3)洪湖沉积物有机质含量范围为2.57%~21.57%,均值为8.28±7.12%,有机质含量较高,从入湖口向湖区沉积物有机质含量呈上升趋势。洪湖围垸养殖活动对沉积物有机质含量影响不显著(P>0.05),水生植物残体是洪湖沉积物有机质重要的来源。腐殖质含量:胡敏素(HM)>富里酸(FA)>胡敏酸(HA),HM在沉积物腐殖质中占主导地位,沉积物腐殖质含量与沉积物pH、ORP和粒径等环境因素有关。入湖口沉积物腐殖质的腐殖化程度与有机碳的活性更高,污染更严重。沉积物溶解性有机质(DOM)分析利用PARAFAC法解析出4种组分,C1广泛存在于湿地生态系统中,C2属于自生源腐殖质,C3为大分子类腐殖质,C4为来自土壤有机质的胡敏酸。组分荧光强度C1>C2>C3>C4,4种荧光组分占比稳定。结合三种荧光参数指标,洪湖湖区沉积物DOM自生源特征明显,腐殖质化程度高。沉积物DOM与环境pH、ORP和粒径显著相关,并影响沉积物各形态氮的含量,沉积物NH4+-N和上覆水无机氮含量与DOM矿化分解有关。(4)不同生活型水生植物利用碳源的差异性是造成洪湖水生植物的δ13C差异的主要原因,总体上δ13C:挺水植物<浮叶植物<沉水植物。水生植物δ15N与水环境污染程度有关,从湖心向受人类活动影响较大的入湖口区域,水生植物的δ15N呈上升趋势。水生植物的δ15N反映区域受人类活动影响,四湖总干渠水生植物的δ15N高于其他区域,是外源污染进入洪湖的主要入口。分析茭草(Zizania latifolia)和菹草(Potamogeton crispus)δ15N与营养盐的关系发现:沉积物磷负荷增加,茭草和菹草的δ15N呈升高趋势。凤眼莲(Eichhornia crassipes)和水花生(Alternanthera philoxeroides)的δ15N与水体NO3--N,NH4+-N显著相关,可以指示水体NO3--N输入。不同水生植物的δ15N可以反映沉积物磷负荷和水体氮输入。利用沉积物C/N、δ13C和δ15N值对洪湖沉积物有机质来源进行定性定量的分析,入湖口沉积物陆源土壤有机质和浮游生物源输入较大,而湖区沉积物有机质水生植物源占比较大。西南区域沉积物有机质陆源输入较高,东北区域沉积物有机质水生植物源贡献较高。
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