0 引 言
沉积物作为湖泊水体的三大环境要素之一，不仅是污染物的储蓄库，而且也是湖泊内负荷的重要来源[1]。近年来，由于经济和人口的飞速增长，湖泊水体富营养化问题日益严重，已成为制约众多湖区社会经济发展的重要因素。为了解湖泊富营养化过程与机制、寻求富营养化防控措施及方案，国内外学者在湖泊水环境方面做了大量研究并取得了丰富成果，但长期以来，学者们的目光多集中在沉积物氮磷的迁移转化过程上[2-4]，对有机质的关注度还相对较低，而有机质作为湖泊沉积物中重要的组成部分，在湖泊环境质量变化和生命演替中占有重要地位。已有研究表明[5-6]：沉积物有机质矿化过程中大量耗氧，同时释放出碳、氮、磷、硫等营养盐，可造成严重的水质恶化及水体富营养化，而且有机质对重金属等污染物环境迁移行为也起着决定性的控制作用。因此，研究湖泊沉积物有机质的来源、特征、迁移等地球化学行为及其环境效应对深入理解湖泊生态系统变化、富营养化过程与机制等均具有重要意义。
东平湖(35°30′N—36°20′N, 116°00′E—116°30′E)位于山东省泰安市西部，是山东省第2大淡水湖泊，其常年蓄水面积为124 km2，蓄水总量达到40亿m3[7]。作为南水北调东线工程最后1个调蓄湖和胶东地区输水干线的起点湖泊，其水质情况十分重要。然而，20世纪90年代中期以来，由于经济、人口迅速增长，东平湖水环境状况受到了前所未有的威胁。虽然得益于21世纪以来政府主导下水环境综合治理的成效，东平湖水环境状况有所改善，但近年来却出现反弹趋势[8]。因此，制定更为合理有效的综合整治方案就显得十分迫切。目前，东平湖地区营养盐埋藏演化特征[2]、重金属污染[9]、水质监测与评价[10-11]等问题都已进行了广泛研究和探讨，但针对其沉积物中有机质含量特征的研究还鲜有报道。本研究主要依据东平湖33个表层沉积物样品测定结果，着重分析了东平湖表层沉积物有机质浓度的空间分布特征及其影响因素，并结合历史数据对20世纪90年代以来东平湖沉积物有机质浓度变化状况进行了研究。同时，对东平湖沉积物有机质地球化学行为的环境意义也进行了探讨，以期深入认识东平湖地区富营养化过程与机制，为我国南水北调和山东省西水东送工程水质安全保障提供参考。
1 材料与方法
1.1 样品采集
2010年12月利用重力采样器采集东平湖表层(水界面以下0～2 cm)沉积物样品，并利用GPS(全球卫星定位系统)对每个样点进行精确定位，共采集沉积物样品33个，采样点分布基本覆盖全湖各个区域(图1)。新鲜泥样装入洁净密封袋中，避光密封低温保存，运回实验室分析。
注：1—33为采样点。
图1 东平湖及采样点位置示意
Fig.1 Distribution of surface sampling sites in Dongping Lake
1.2 分析方法
土壤有机碳的测定采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法[12]，称取通过0.149 mm孔径的风干土样约2 g，放入50 mL普通试管中，加入5 mL已配好的0.8 mol/L的重铬酸钾溶液，然后加入5 mL浓硫酸，摇匀，将试管放入100 ℃恒温箱中，90 min后放入冷水浴中冷却并加水至50 mL，摇匀后用离心机在转速4000 r/min下离心10 min，取上清液比色。根据Van Bemmelen因数(1.724)进一步将土壤有机碳含量转换为土壤有机质含量[13]。数据处理主要运用SPSS 21软件进行，空间分布图运用ArcGIS 10.2软件绘制。
2 结果与讨论
2.1 东平湖表层沉积物有机质分布特征及其影响因素
东平湖表层沉积物中有机质浓度变化较大，介于0.74%～2.83%，平均值为1.56%，高出山东省土壤有机质背景值(1.16%)[14]，这表明东平湖表层沉积物中有机质浓度处于相对较高的水平。从有机质浓度空间分布(图2)可以看出：东平湖表层沉积物有机质浓度表现为自东南向西北方向呈舌状递减趋势，即有机质含量高值区主要分布在湖区东南、东北部，低值区则分布在湖区西南、西北部。
图2 东平湖表层沉积物有机质浓度的空间分布
Fig.2 Spatial distribution of OM concentration in surface
sediments of Dongping Lake
已有研究表明[15]，对受人类活动干扰较小的湖泊而言，沉积物有机质主要来源于湖泊内部水生植物及流域侵蚀搬运而来的陆生植物碎屑。然而，在探讨受人类活动干扰较大的富营养化水体时，往往需要更多地考虑人类活动所带来的大量外源输入，尤其是直接排放的废水以及由生态破坏造成的地表径流所携带的有机质[16]。东平湖自20世纪60年代开始受人类活动影响，20世纪90年代以来，由于流域内经济的快速发展和人口的迅速增加，以及对水资源的不合理开发和利用，污染物入湖量迅速增大，湖泊生态功能遭到严重破坏，20世纪90年代中后期东平湖水质已经由20世纪80年代的Ⅱ类水急速恶化为Ⅴ类或劣Ⅴ类[17-18]，湖泊富营养化状况也长期处于中-富营养状态[19]。
一般而言，芦苇密集区有机质浓度受大量芦苇凋落残体腐烂的影响位于较高水平[20]，但对分别位于东平湖北部及东部芦苇分布区的4号、5号以及19号采样点旁芦苇生长水域的表层沉积物有机质测定结果显示，无芦苇生长处的底泥有机质含量均高于芦苇生长处(图3)，这在一定程度上说明东平湖有机质来源的外源性。
无芦苇处； 
有芦苇处。
图3 表层沉积物中有机质浓度受芦苇影响的变化
Fig.3 Changes in organic matter concentration in surface
sediments affected by reed
在黄河未滞洪的情况下，大汶河是东平湖唯一地表水源，其输入的污水量占湖区接纳总量的82.2%，是入湖污染负荷最主要的来源[21]。同时，东平湖表层沉积物中与人类活动密切相关的NaOH-P、OP含量以及沉积物粒度在大汶河污废水及泥沙输入的控制下均表现出自东南向西北梯度递减趋势[2，22]，与有机质浓度空间分布特征具有一致性。由此可见，大汶河运载的中上游各类工业废水和生活污水是导致东平湖表层沉积物有机质水平较高及其空间分布具有区域性差异的主要原因之一。值得注意的是，来源于生活污水和工业废水的磷主要以NaOH-P的形式储存在沉积物中[23]，对人为排放污废水所携带物质的扩散范围具有一定的指示意义。为进一步了解东平湖表层沉积物有机质与人为污染之间的关系，利用Spearman法对东平湖表层沉积物有机质含量与NaOH-P、OP含量进行相关分析。结果显示：该湖表层沉积物有机质浓度与NaOH-P、OP含量均呈正相关关系，表明人为污染在一定程度上会提高有机质富集程度。其中，有机质浓度与NaOH-P含量的相关系数达到0.699，并在P=0.01水平上显著相关。这也证实了大汶河输入的外源物质是东平湖表层沉积物有机质的重要来源之一。
虽然表层沉积物有机质浓度与NaOH-P含量的相关关系及其空间分布特点较好地指示了沉积物有机质主要来自入湖水源的特点，但养殖业与旅游业的发展以及区域性污废水排放等方面的影响也不容忽视。据《东平湖志》记载[7]，为推进东平湖地区渔业发展，湖区内自20世纪80年代开始推广大面积网箱围网养殖技术，至2004年，网箱网围养殖面积已达到2.67×107 m2。然而，这一技术的应用在提高渔业产量的同时，也因大量人工投放的外源性饵料残饵、鱼类活动和排泄物等因素影响导致沉积物有机质浓度增加。同时，随着东平湖旅游业的快速发展，旅游活动带来的大量外源有机物质也对湖区有机质水平产生了一定影响。此外，东平湖周边6个乡镇的污废水通过分别位于湖泊不同区域的5个排污口汇集到湖区内，其年污废水排放总量达到1041.7万t，COD年排放量达到9920.1万t[11]。因此，区域性污废水排放也是制约沉积物中有机质分布的重要因素。从目前的情况来看，在大汶河入湖水流、养殖和旅游活动等因素的共同作用下，湖区东南部富集大量有机质，形成有机质浓度高值区。靠近老湖镇的湖区东北部较高的有机质浓度则可能还与区域性污废水排放等因素有关。然而，同为养殖区、旅游开发区和区域性污废水排污口所在处的西北部湖区却是全湖有机质含量最低的区域，这与大汶河来水带来的有机质大部分已经沉积在湖泊东部，随水流到达湖泊西北部的外源有机质较少具有密切关系，这种特征也间接反映了影响东平湖表层沉积物有机质水平的主导因素是大汶河来水所携带的外源有机质输入。但是，不同来源有机质及其对湖泊各个区域表层沉积物的贡献程度，仍有待于今后进一步利用δ13C、δ14C以及C/N比等手段进行更准确的判定。
2.2 20世纪90年代以来东平湖表层沉积物有机质浓度变化特征
目前，东平湖有机质含量仍处于相对较高的水平，但已与我国其他自然形成的浅水富营养化湖泊有机质浓度具有相近水平[24-25]，甚至已经明显低于与同处于黄河下游地区且为南水北调调蓄湖的南四湖[26]。然而，20世纪90年代的调查结果显示，东平湖有机质含量远高于其他自然形成的淡水湖泊[27-29]。为了解20世纪90年代以来东平湖表层沉积物有机质浓度的变化特征，对已公开发表的资料进行分析(表1)。不难发现，虽然受采样深度、采样月份、样品数量以及测试方法不同等因素的影响，但21世纪以来，该湖有机质浓度明显低于20世纪90年代且具有显著下降趋势。究其原因，20世纪90年代调查结果出现的极高有机质浓度可能与大量植物残体腐烂、人类活动影响增强有关。1989年东平湖由于大汶河戴村坝站连续20个月断流干涸后，湖区人民在湖底进行了大面积的小麦种植[7]，1990年复蓄时大量作物的残体在水中分解形成腐殖质层，从而引起表层沉积物有机质浓度上升。同时，20世纪90年代，受大汶河及其各支流接纳的污废水逐年增多，农业面源污染增强，网围网箱面积扩大等因素影响，汇入湖区的有机污染物不断增加[18,30]，从而导致东平湖沉积物积累较高有机质。而21世纪初以来，有机质浓度出现显著下降趋势则可能与各级政府对东平湖流域展开的水环境综合整治有密切关系，尤其是点源污染的控制取得了显著成效，大大降低了外源污染物的入湖量。据统计[31-32]，2010年大汶河城市污水和工业废水排放总量为26161.7万t，相比2000年39970.8万t的排放量得到显著削减，同期内COD排放量也由201459.67 t降低为146074.23 t。
表1 不同年份东平湖表层沉积物有机质含量
Table 1 OM content in surface sediments of
Dongping Lake in different years
采样年份月份采样深度/cm样品数量有机质/%测试方法文献来源1994——68.54*—[29]2004—200511月、6月0～15247.11重铬酸钾外加热法[33]20087月、10月0～15126.85*重铬酸钾外加热法[34]20094月0～1085.00*500 ℃干烧法[35]201112月0～2 331.56重铬酸钾外加热法本文数据201311月0～10442.24重铬酸钾外加热法[36]
注：*根据VanBemmelen因数将有机碳含量转换为有机质含量。
2.3 东平湖沉积物有机质的环境效应
大量研究表明，沉积物有机质与湖泊理化环境间具有一定关系，且是湖泊内负荷的重要来源之一[16,37-38]。Gachter等[37]对瑞士2个富营养化湖泊进行了长达10年的底层曝气，但受沉积物有机质矿化作用影响，未能降低湖泊磷的浓度。易文利等[38]对长江中下游11个浅水湖表层沉积物有机质含量及其组分特征研究时发现，对污染严重的湖泊而言，其有机质和各组分有机质的含量均高于污染较轻的湖泊。对比东平湖不同区域的水环境状况，不难发现有机质含量较高的东南部区域及东北部区域水体质量多为Ⅳ类或Ⅴ类，富营养化程度也相对较高[10]，除这些区域接受的外源污染较多外，可能还与沉积物有机质在矿化过程中大量耗氧，并释放出碳、氮、磷、硫等营养盐有一定关系[5]。这部分释放的营养盐不仅直接对湖泊富营养化产生一定的贡献，而且可以作为水生生物的营养源，提高湖泊初级生产力，从而进一步增加有机质的输入。此外，东平湖表层沉积物有机质具有一定的环境效应，有机质矿化过程中释放的营养盐增加了东平湖水质恶化及水体富营养化的风险，但沉积物中有机质对重金属的吸附、络合作用则有效降低了东平湖重金属污染的危害。20世纪90年代东平湖指示富营养型水体的蓝藻、绿藻比例的增加[40]，则可能与该时期沉积物的高有机质浓度有一定关系。
有机质可以通过吸附、络合等作用固定重金属，是影响沉积物中重金属总量及赋存形态的主要环境影响因子之一[16]。Wallschlager等[6]研究了河流沉积物中有机质对Hg地球化学行为的影响，发现沉积物有机质控制Hg的结合态、形态转化以及迁移过程。Stone等[41]对加拿大安大略省河流沉积物中重金属的分布研究时也发现，有机质结合态在各径粒范围均为Zn、Pb等重金属的主要存在形态。对东平湖表层沉积物重金属富集特征的调查结果显示[33，36，42]，Cd、Cu、Ni、Pb、Zn、As和Hg的总量与有机质含量呈正相关关系，这说明底泥中有机质的地球化学循环过程对这部分重金属的迁移及转化起到十分重要的作用。此外，有机物及硫化物结合态重金属是东平湖沉积物Cu、Ni、Pb、Zn和Hg的重要赋存形态之一。已有研究表明，被有机质固定的重金属污染物危害程度远低于游离态重金属，并且这类可氧化态重金属是相对稳定的，必须在强氧化条件下，才能形成迁移能力更高的价态进入水体，因此，在东平湖正常的弱碱性环境下不易释放[16,33]。由此可见，沉积物中有机质的存在不仅对降低重金属污染危害方面起到一定作用，而且其重金属络合物还具有稳定、不易发生“二次污染”的特点。
3 结 论
1)东平湖表层沉积物中有机质浓度为0.74%～2.83%，平均值为1.56%，在空间上具有自湖区东南向西北方向舌状递减趋势，高值区主要分布在湖泊东南、东北部，低值区分布在湖区西南、西北部。大汶河来水所携带的外源有机质输入是控制东平湖表层沉积物有机质分布特征的主要因素，但养殖业与旅游业的发展以及区域性污废水排放等方面的影响也不容忽视。对于不同来源有机质及其对湖泊各个区域表层沉积物的贡献程度仍有待于今后进一步利用δ13C、δ14C以及C/N比等手段进行更准确的判定。
2)21世纪以来东平湖有机质浓度较20世纪90年代明显下降，20世纪90年代调查结果出现的极高值可能与大量植物残体腐烂、人类活动影响增强有关，而21世纪初以来有机质浓度出现的显著下降趋势则可能与各级政府对东平湖流域展开的水环境综合整治，尤其是点源污染控制引起的外源污染物入湖量降低关系密切。
3)东平湖表层沉积物有机质具有一定的环境效应，有机质矿化过程中释放的营养盐增加了东平湖水质恶化及水体富营养化的风险，但沉积物中有机质对重金属的吸附、络合作用则有效降低了东平湖重金属污染的危害。
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