摘要
湖泊沉积物参与水体元素循环重要环节，是目前水体富营养化的治理难点之一。为揭示城市内湖沉积物总氮（TN）、总磷（TP）和有机质（OM）污染特征及来源，并为水环境综合治理的环境效应评估提供新溯源视角，采集并测定了长江中下游典型沿江城市黄冈市遗爱湖25个点位沉积物柱状样中的TN、TP和OM含量，监测湖泊9个点位与排口溢流污水水质，解析湖泊水质与沉积物N、P和OM的空间分布特征，采用综合污染指数法定量评估沉积物TN、TP和OM污染风险，利用聚类分析和化学计量特征相结合的手段对湖泊沉积物N、P和OM来源进行定性识别和定量解析。结果表明：水平分布上，沉积物TN、TP和OM含量范围分别为940~3677 mg/kg、323~1667 mg/kg和1.03%~7.44%，空间分布差异大，且TN、TP和OM高值区集中在湖泊沿岸及排口附近。垂向上总体表现为表层＞中、底层，表层沉积物中TN、TP和OM含量范围分别为920~4450 mg/kg、208~1970 mg/kg和2.05%~7.48%，表层TP含量高于中国东部浅水湖泊平均值，与国内沉积物污染严重的湖泊水平相近。综合污染指数法显示，表层沉积物TP污染严重，76%的湖区TP处于中度及重度污染状态，TN污染和综合污染程度较低。聚类分析-化学计量特征结果表明，溢流污染累积处沉积物C/N为11，遗爱湖表层沉积物C/N值为10.67，C/P值在20.16~190.97之间，约44%的OM来自藻类死亡后的分解释放，同时受20%溢流排放和36%面源污染的共同影响，TP主要来自面源污染，其次为溢流污水，TN的来源与OM相似。
Abstract
Lake sediments play a crucial role in the elemental cycling of water bodies and represent one of the current challenges in managing eutrophication. To uncover the pollution characteristics and sources of total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and organic matter (OM) in the sediments of urban lakes and provide a new traceability perspective for assessing the environmental effects of comprehensive water environment management, this study collected and measured TN, TP, and OM contents in sediment points from 25 sites in Lake Yiai, Huanggang City. Water quality at nine lake sampling sites and at CSO (combined sewer overflow) outlet was monitored. Analyze the spatial distribution characteristics of TN, TP, and OM in lake water and sediment. The comprehensive pollution index method was employed to quantitatively assess the pollution risks of TN, TP, and OM in the sediments. Cluster analysis combined with stoichiometric characteristics was used to qualitatively identify and quantitatively analyze the sources of N, P, and OM in lake sediments. The results indicate that: There were spatial differences in the distribution of TN, TP and OM in sediments. The horizontal distribution of TN, TP and OM contents ranged from 940-3677 mg/kg, 323-1667 mg/kg and 1.03%-7.44%, the high-concentration sites of TN, TP, and OM were concentrated along the lake shores and near the discharge outlets. Vertically, the overall trend showed that the surface layer had higher concentrations than the middle and bottom layers. Specifically, the content ranges of TN, TP, and OM in the surface sediments were 920-4450 mg/kg, 208-1970 mg/kg and 2.05%-7.48%, respectively. The TP content of surface sediments was higher than the average value of shallow lakes in eastern China, and was similar to the level of lakes with serious sediment pollution in China. The comprehensive pollution index method revealed severe TP pollution in the surface sediments, with 76% of the lake area experiencing moderate to severe TP pollution, while TN pollution and overall pollution levels were relatively low. Cluster analysis combined with stoichiometric characteristics showed that the C/N ratio in sediments at locations with CSO pollution was 11, and the C/N ratio in the surface sediments of Lake Yiai was 10.67, with C/P values ranging from 20.16 to 190.97. Approximately 44% of OM originated from the decomposition of dead algae, while 20% was influenced by overflow discharges and 36% by diffuse pollution. TP primarily came from diffuse pollution, followed by overflow sewage, while the sources of TN were similar to those of OM.
沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，不仅是湖泊水体中氮（N）、磷（P）和有机质（OM）等经沉积、吸附等作用后的汇，也是在一定条件下矿化释放大量污染物的源，此过程会不断消耗水中的溶解氧（DO），对水体造成二次污染[1-3]。湖泊沉积物中的N、P作为重要营养元素，是水生生态系统初级生产的限制因素[4]，也是水体富营养化的关键限制因子。沉积物N、P主要来源于水体中颗粒有机物的沉降累积，沉积物中累积的N和P易受物理化学因素变化和水动力扰动的影响，二次释放并导致水体富营养化，且在外源污染已被控制时，水体依旧存在富营养化现象[5]。湖泊沉积物中OM受其自身组分影响可矿化为CO2、CH4或埋藏在湖泊沉积物中，参与湖泊碳循环的重要环节[6]。同时沉积物OM消耗大量DO，并释放大量的N、P、S等营养盐[7]，影响水体富营养化的发生[8]。可见，沉积物中N、P和OM累积危害湖泊生态系统，追溯沉积物中TN、TP和OM的来源可以为湖泊富营养化的源头管控提供科学依据。
现有关于沉积物中TN、TP和OM的溯源研究多集中在多学科交叉下新溯源技术的研发和利用，如利用稳定同位素（δ13C和δ15N）和生物标记物解析污染物来源。王从锋等[9]在长江中游浅水湖泊采用稳定同位素探究TOC和氮素的来源，张永东等[10]利用脂肪烃生物标记物定位长江下游浅水湖泊表层沉积物OM的来源和成分，袁和中等[11]利用碱性磷酸酶活性（APA）识别高富营养化湖泊沉积物有机磷来源。实际分析中，利用化学计量特征（C/N值和C/P值）溯源是目前广泛使用的方法，但仅用C/N值和C/P值判断缺乏数理统计结果作为支撑。
遗爱湖水域面积较小，湖泊完全位于湖北省黄冈市建成区内，其湖泊岸线被密集且高度城镇化的建筑群落环绕，集城市景观、休闲娱乐和生态保护作用于一体，是长江中游典型城市内湖[12-13]。遗爱湖相对封闭，湖区无其他河道汇入，污染物入湖方式较为单一，受人类活动干扰较大。近年来遗爱湖区域内生活污水、工业废水总量迅速增加，长期渔业养殖等不合理的开发利用以及环湖多处排口污水的汇入导致遗爱湖富营养化严重。现有关于长江中下游城市内湖沉积物中TN、TP和OM分布和溯源的研究，大多仅针对表层沉积物现状进行分析。如刘海等[14]测定了霍邱县城城东湖与城西湖表层沉积物中营养盐含量，利用C/N和C/P分析其污染水平和来源，但对湖泊沉积物纵向含量分布并未展开研究。周峰等[15]测定了武汉市龙阳湖和墨水湖两个城市湖泊多点位表层沉积物的TN、TP和重金属含量，并对其生态风险进行评价，但未深入展开污染溯源。
为全面解析典型城市内湖沉积物TN、TP和OM的分布规律和污染程度，量化城市内湖沉积物污染来源，本文以遗爱湖为研究区域，开展全湖沉积物TP、TN和OM空间分布特征研究，对比评价TN、TP和OM污染水平，结合常规水质监测数据，通过聚类分析与化学计量特征相结合的方法定量探讨沉积物TN、TP和OM来源，以期为城市内湖富营养化的污染源头控制与治理提供科学数据支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
遗爱湖（30°25′47″~30°27′39″N，114°53′7″~114°55′18″E）地处长江中游湖北省黄冈市，居长江经济带中游北岸，为长江中下游沿江平原湖泊。遗爱湖地区多为低山丘陵、湖泊、沼泽地，属亚热带大陆性季风气候，年平均气温为15.8~17.1℃，年平均降雨量为1316.9 mm，年平均风速为7.8 m/s。遗爱湖常年水位为18.01 m，平均水深为2.5 m，平均湖容量为430万立方米，水域面积为3.16 km2[16]。
遗爱湖是黄冈市城市内湖，划分为东、西湖两个湖区，由于湖岸曲折，湖水表层流速仅为5~l0 cm/s，两个湖区仅通过宽为6 m的渠道连通。遗爱湖无河道汇入，沿湖共6个在用排口，湖泊整体相对封闭，湖泊主要水源为自然降雨、地表径流、城市截流式合流制污水和地下水补给等，湖水的主要输出途径为蒸发、城市和渔业用水。
遗爱湖部分水域水体呈现淡绿色，根据常规水质监测数据，湖泊大部分水体N、P浓度均超过浅水富营养化湖泊水华暴发阈值（TN为0.8 mg/L，TP为0.05 mg/L）[17]，也高于太湖蓝藻水华暴发的TN和TP控制阈值（TN为1.71~1.72 mg/L，TP为0.05~0.06 mg/L）[18]和典型城市内湖武汉南湖水华暴发的临界条件（TN＞0.725 mg/L，TP＞0.146 mg/L）[19]，同时湖泊综合营养状态指数（TLI（Σ））[20-21]频繁超过富营养阈值（TLI（Σ）=50），存在水华暴发风险。
1.2 样品采集及处理分析
鉴于遗爱湖周边地形地貌基本一致，综合考虑遗爱湖空间分区、沿湖排污口分布和水体流向等因素，在遗爱湖湖区内共布设26个采样点（图1），其中点位C1和C2分别位于西湖和东湖湖心，点位ZY、BHY、HGYS、DPWT、YL分别位于对应排口下游约35 m处、LXQ-1和LXQ-2分别为LXQ排口上游和下游点位，P1~P17是根据空间关系布设的加密采样点位。
图1采样点位分布
Fig.1Distribution of the sampling sites in the study area
野外沉积物采样时间在2023年4月，共布设25个点位（C1、C2、ZY、BHY、HGYS、DPWT、LXQ-1、LXQ-2和P1~P17），使用柱状底泥采样器采集分层泥样，采集时沉积物柱状样保持垂直，采集的柱状样每柱深度约为2 m，用配套塞子按照柱状泥样厚度0~20 cm（表层）、20~170 cm（中层）和170~190 cm（底层）的分层将沉积物从底部缓缓推出并切割，用聚乙烯塑封袋包装泥样，使用双层袋子加固，避光冷藏并及时送回实验室检测。0~20 cm沉积物不仅包含当地土壤母质中的化学元素背景含量，也包含近年人类活动带来的外源化学物质；而170~190 cm沉积物较少受到人类活动的影响，其化学元素含量与当地土壤母质的化学元素背景含量相近[22]。主要测定指标为TN、TP和OM含量，分别采用凯氏法（HJ 717—2014）[23]、碱熔-钼锑抗分光光度法（HJ 632—2011）[24]和重铬酸钾容量法[25]测定。
湖泊水质野外采样频率为2022年12月-2023年12月期间每月一次，采样点位包括7个溢流排口附近点位YL、ZY、BHY、DPWT、HGYS、LXQ-1、LXQ-2，位于西湖湖心点位C1和位于东湖湖心点位C2。利用采水器在每个采样点采集表层30~50 cm的水样并保存于500 mL采样瓶中，避光冷藏并于当天运回实验室。
选取2023年某次降雨量为12 mm的降雨事件数据，此次降雨事件下6个排口均存在溢流现象，使用带刻度的桶采集湖泊与溢流期间各排口水样，并用500 mL采样瓶收集水样，水样收集后立即冷藏保存，次日进行水质分析。
现场使用多参数水质分析仪（EXO2，YSI）测定pH、DO、浊度（Turb）和电导率（EC）），使用流量计监测溢流期间污水量。水质指标中总氮（TN）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、化学需氧量（CODCr）的测定均参考《水和废水监测分析方法》（第四版）[26]，TP的测定采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）[27]，叶绿素a（Chl.a）的测定采用分光光度法（HJ 897—2017），悬浮物（SS）的测定采用重量法（GB 11901—1989）。
1.3 沉积物污染水平评价方法
对于沉积物中的营养盐污染，国内外尚未建立统一的沉积物营养盐污染评价的标准和方法，目前常用的沉积物状况评价方法有富集系数法、有机指数法和污染指数法[14-15]等，其中富集系数法常用于沉积物中重金属的评价，有机指数法仅计算沉积物中的有机物污染情况，而综合污染指数法能够用TP和TN两个指标较为全面且简便地计算、对比和综合评价沉积物污染情况，因此本研究采用综合污染指数法对沉积物中N、P的污染状况进行评价。
表1沉积物污染指数评价标准
Tab.1Standard of comprehensive pollution index in sediments
污染指数计算公式为：
(1)
(2)
式中，Si为单项评价指数；Ci为评价因子i的实测含量；Cs为评价因子i的标准含量，目前国家尚未针对沉积物制定TN和TP的评价标准，本文以遗爱湖2023年底层沉积物中TN和TP的均值作为基准值，TN的Cs取1500 mg/kg，TP的Cs取630 mg/kg；FF为综合污染指数；F为2项评价因子的评价指数平均值（STN和STP的平均值）；Fmax为最大单项评价指数（STN和STP的最大值）。
1.4 数据处理
用Excel 2021软件完成沉积物营养盐和水质数据的基础处理，如计算平均值、最小值、最大值等描述性数据；采用SPSS 21软件对遗爱湖全湖沉积物之间、排口处沉积物-排口下游湖泊水质-溢流污水之间的TN、TP和OM含量进行Pearson相关性分析；使用Origin软件绘制水体和沉积物指标的柱状图、箱型图、散点图和基于欧几里得（Euclidean）距离的系统聚类分析图。对沉积物指标进行系统聚类分析前，需要标准化处理，然后对标准化后的数据进行系统聚类分析；利用ArcGIS 10.5软件中地统计分析功能，对全湖表层沉积物的C/N值和C/P值进行反距离加权插值计算并绘图。
2 结果与讨论
2.1 湖泊水质与溢流排口水质分布规律
遗爱湖水质监测结果见图2和图3。遗爱湖水体TP浓度范围为0.04~0.12 mg/L，TN浓度范围为1.00~2.15 mg/L，CODMn范围为3.75~5.92 mg/L。水质监测结果显示，遗爱湖整体上水体TN、TP、NH3-N和CODMn超标严重，而位于合流制溢流（CSO）排口上游的LXQ-1点位的TN、TP、NH3-N和CODMn等均处于较低水平。汛期在降雨的稀释作用下，湖泊水体TN、NH3-N等指标优于非汛期。汛期遗爱湖Chl.a浓度显著升高（P＜0.05），DO浓度显著降低（P＜0.01），湖泊富营养化风险升高。
图2遗爱湖水质指标的空间分布（灰色为未达到地表水Ⅲ类标准的范围）
Fig.2Spatial distribution of water quality in Lake Yiai (The gray areas represent the scope where the water quality does not meet the Grade III standards for surface water)
遗爱湖流域的排水体制为截流式合流制，排污口前设置分流井以减少溢流污染带来的冲击。在降雨量为12 mm的中雨事件下，沿湖排口均出现溢流现象。降雨溢流期间6个排口水质差异较大（表2），TP浓度在0.52~1.04 mg/L之间波动，TN浓度在7.14~13.54 mg/L之间波动，CODCr浓度在33.55~46.78 mg/L之间波动，NH3-N浓度在6.13~10.76 mg/L之间波动，SS浓度在21.00~87.75 mg/L之间波动，其中BHY排口的TP浓度可达1.04 mg/L，HGYS排口的TN浓度可达13.54 mg/L。BHY和HGYS排口溢流期间水体N、P浓度最高，ZY和LXQ排口最低。计算该场次降雨下排污口溢流的TP和TN负荷分别为30.83和364.08 kg。
2.2 湖泊沉积物TN、TP和OM的空间分布特征
遗爱湖沉积物中TN、TP和OM含量分布如图4所示。从空间分布上看，遗爱湖沉积物TN、TP和OM均处于较高水平，其均值分别为1939 mg/kg、821 mg/kg和3.46%。沉积物TN含量在940~3677 mg/kg之间，变异系数为33%；TP含量在323~1667 mg/kg之间，变异系数为35%；OM含量在1.03%~7.44%之间，变异系数为38%。东、西湖沉积物TN、TP和OM分布不均，西湖TN（1948 mg/kg）和OM（3.58%）含量均值高于东湖的TN（1928 mg/kg）和OM（3.31%）含量，东湖TP（897 mg/kg）含量高于西湖（762 mg/kg）。
图3遗爱湖水质指标的时间分布（**: P＜0.1; *: P＜0.05; NS: P＞0.05）
Fig.3Temporal distribution of water quality in Lake Yiai
表2遗爱湖及沿湖排口溢流污水水量水质特征
Tab.2Characteristics of water quantity and quality in overflow sewage from Lake Yiai and its surrounding discharge outlets
全湖沉积物N、P和OM含量最大值均在BHY点位，最小值均在HGYS点位。位于排口上游的LXQ-1表层沉积物TN、TP和OM含量明显低于下游，排口下游LXQ-2、P10和P11表层沉积物TN、TP和OM含量呈沿程降低的趋势，即LXQ-2＞P10＞P11＞LXQ-1，说明污水排放影响下游沉积物TN、TP和OM分布，且主要水源为降雨的水体在干旱天气中流速较慢，营养物质在聚集和沉淀过程中会逐渐累积；湖心区远离边岸，受面源影响较小，西湖湖心C1点位的TN、TP和OM水平始终高于东湖湖心C2点位，遗爱湖西湖排口分布密集，东湖排口分布较少，表明排口排污带来的扰动能够持续向下游影响；HGYS点位附近种植大量水生植物以建设湖滨生态缓冲带，其沉积物中TN、TP和OM的含量在全湖沉积物柱状样中处于较低水平，且在12 mm降雨事件中HGYS排口溢流浓度较其他排口低。对于溢流浓度较高的BHY排口，其下游的P7、P9处已建设生态缓冲带，但沉积物含量仍处于中等水平，说明生态缓冲带的污染削减能力有限，无法彻底去除溢流污水带来的影响。
从垂向空间分布上看，沉积物中N、P营养盐浓度从湖泊水-沉积物交界处自上而下均呈下降趋势，即沉积物中TN、TP和OM主要集中在表层，表层沉积物中TN、TP和OM的含量范围分别在920~4450 mg/kg、208~1970 mg/kg和2.05%~7.48%。与国内多个湖泊沉积物的垂向分布特征相似，均为表层含量高于中层和底层。遗爱湖底层沉积物较少受人类活动影响，其化学元素含量与黄冈当地土壤母质接近。与遗爱湖底层沉积物TP（629.0 mg/kg）和TN（1511.3 mg/kg）含量相比，表层沉积物TP和TN含量约为底层沉积物的1.55和1.49倍，说明近年来遗爱湖流域城市发展迅速，居住人口密集，污水排污和城市面源污染导致湖泊表层沉积物N、P累积严重。与武汉南湖、东湖子湖（郭郑湖、庙湖）[28]、广州天河湖[29]和九江市某典型城市内湖[30]沉积物TN、TP和OM呈现一致的垂向富集特征，这可能是因为外源营养盐的输入和藻类增殖为表层沉积物带来大量不易被生物利用的自生钙磷Ca-P，导致表层沉积物P富集[29]，另一方面沉积物中的P会受地球化学作用而向表层迁移[28]。郝文超等[31]在室内实验中观察到，表层沉积物在氧化过程中形成不溶于水的氧化层，这种氧化层在阻止沉积物中的P向水体释放的同时也会吸附水体中的可溶性磷结合阴离子，进一步增加沉积物表层的TP含量[32]。随着沉积物深度的增加，底层环境趋向于还原，促进了反硝化作用的进行，沉积物中的N元素转化为N2等气体逸散在大气中。
图4各点位沉积物中TN、TP和OM含量的空间分布
Fig.4Spatial distribution of TN， TP and OM content of the sediments
2.3 湖泊表层沉积物TN、TP和OM污染评价
根据2.2节可知，遗爱湖各层沉积物的TN、TP和OM在沉积物表层富集，故对遗爱湖表层沉积物进行污染评价。与国内不同湖泊的表层沉积物TP、TN和OM含量相比（表3），遗爱湖表层沉积物TP含量普遍较高，均值与同市湖泊龙感湖相近，略低于污染严重的武汉龙阳湖、墨水湖、南湖，但明显高于其他大型湖泊，同时显著高于中国东部浅水湖泊平均水平（TP含量为454.51~459.03 mg/kg）[33]；TN和OM含量与其他地区相当，处于中等水平。遗爱湖受城市建设和闸控作用影响，水动力条件较弱，与水域面积较大的湖泊相比，水体冲刷[34-35]对沉积物影响较小，表层沉积物中污染物较少通过沉积物-水界面释放至水体，因此相对于太湖、洞庭湖等大型湖泊，水动力条件较弱的城市内湖沉积物污染情况更严重。同时，大型湖泊行船频率更高，船行波对沉积物产生了较大扰动，表层沉积物具有更高的释放风险[36]。
对比我国城市土壤基准值，遗爱湖表层沉积物TN和TP含量远高于武汉市土壤基准值[22]，TN和TP含量分别达到1.08和1.71倍；与全国土壤N和P基准值[22]相比，遗爱湖表层沉积物TN和TP含量也处于较高水平，分别为2.10和1.16倍。对比结果表明，遗爱湖表层沉积物具有P富集的特点。总体上，TP污染是遗爱湖区域的典型环境问题，也是湖北省以及长江经济带水环境的主要隐患，目前生态环境部已明确将TP确认为长江流域的首要污染物。
表3国内不同湖泊表层沉积物TN、TP和OM平均含量对比
Tab.3Comparison of average TN, TP and OM contents in surface sediments of different lakes in China
从图5可以看出，遗爱湖表层各点位的综合污染程度与TN污染程度均较低，综合污染指数FF在0.49~2.40之间，其中60%的点位处于清洁和轻度污染状态，TN污染指数STN在0.56~2.38之间，与综合污染指数的结果相似；TP污染程度较高，STP在0.68~2.57之间，有76%的点位处于中度污染和重度污染状态，且部分点位虽处于较轻污染状态，但污染水平较高。总而言之，TP的污染相对严重。
图5表层沉积物污染程度分布
Fig.5Distribution of pollution levels in surface sediments
2.4 湖泊表层沉积物TN、TP和OM溯源分析
2.4.1 相关性分析
通过沉积物与水体TN、TP和OM间的相关性分析可以推测其来源，元素含量之间相关性越高，其来源越相近。表4显示全湖沉积物的TN、TP和OM两两之间在P＜0.01水平上呈显著正相关关系，说明整体上遗爱湖TP、TN和OM之间具有相似的污染来源，或者其在湖体中的迁移转化过程具有一定相似性[41]。
表4遗爱湖水体、沉积物及溢流污水间的相关性
Tab.4Correlation between water bodies, sediments and overflow sewage in Lake Yiai
**表示在0.01级别（双尾）相关性显著；*表示在0.05级别（双尾）相关性显著；表中仅全湖沉积物之间做相关系分析时，行标题表示全湖沉积物，其他分析情况均表示排口处表层沉积物。
2.4.2 聚类分析
为进一步探究人类活动对表层沉积物TN、TP和OM分布的影响，对遗爱湖25个沉积物柱状样的表层TN、TP和OM含量进行Q型聚类分析。25个点位进行系统聚类后可分成3个组别（图6），其中组1包括BHY排口、DPWT排口和排口下游的P5、P6点位。BHY和DPWT点位长期受到排口溢流污水输入的影响，污染累积严重，而P5、P6点位分别位于排口下游的湖心区和湖湾区，水动力较弱，水体流动性不强，污染物易聚积，表明该组表层沉积物TN、TP和OM污染主要来源于溢流污染输入影响下污染的累积；组2包括ZY排口及其下游点位、LXQ排口及其下游点位、湖心C1和C2点位以及P8、P16和P17点位。ZY与LXQ排口、湖心C1和C2等点位均未在排口周围布设生态缓冲带或种植沉水植物，且整体上距离排口较远，说明该组代表受人类活动影响较小的情况；组3包括YL排口下游点位、HGYS、LXQ-1和P1、P7、P9点位。HGYS、P7、P9、P14和P15点位均布设了生态缓冲带，P1和LXQ-1点位虽上游无排污口，但采样点位靠近岸边，污染来源以城市面源污染入湖或水生植物残体为主。
图6基于表层沉积物TN、TP和OM含量的遗爱湖聚类分析
Fig.6The hierarchical cluster analysis of Lake Yiai based on the TN, TP and OM content in surface sediment
2.4.3 C、N、P化学计量特征分析
沉积物具有相对稳定的生态化学计量比[44]，但水文过程、植物群落类型和环境变化等多种因素密切影响着C、N、P元素的平衡关系[45]。从生物沉积角度来看，湖泊沉积物不同来源通常具有不同的C/N值，一般有纤维束植物碎屑的C/N值大于20，无纤维束植物的C/N值为4~12，浮游动物的C/N值小于7，浮游植物的C/N值为6~14，沉水植物的C/N值为13.2~18.6，藻类的C/N值为4~10。沉积物的C/N值＞10时认为其中有机物主要来自陆源输入，C/N值＜10时有机物主要来自内源释放，C/N值=10时内、外源有机物基本达到平衡状态[46-47]。因此，C/N可以用来区分湖泊沉积物中OM的来源。遗爱湖表层沉积物中C/N在4.80~16.41之间（图7），平均值为10.67，全湖约56%的湖区沉积物C/N值大于10，说明遗爱湖内源释放与外源输入对表层沉积物的OM累积贡献相近。
表层沉积物C/N值高值区主要分布在遗爱湖沿岸与湖汊区（图7），受湖体水动力特征和人类影响较大。湖泊主要水源为降雨，晴天水动力滞缓，污染入湖后易累积。雨天溢流排口释放大量高浓度污水，这些污染物主要源自管道内部长期积累的沉积物[48]，排放后CODCr与SS等污染物受自身重力作用快速沉降[49]，易累积在沿岸排口附近。南昌城市内湖象湖和前湖[50]受纳大量市政污水、工业废水且湖泊水源不足，沉积物C/N值同样均处于较高水平，平均值分别为15.94和15.96。霍邱县城西湖和城东湖[14]C/N高值区位于湖泊水动力条件差、换水周期长的城西湖西北部。城东湖西南部陆源OM进入湖区后无法迅速分解且难以迁移，造成局部C/N值较高，对于相对封闭的城市湖泊，点源或局部排污对沉积物TP含量的影响非常显著[29]。从图7可以看出，遗爱湖表层沉积物C/N值低值区位于西湖湖心C1（4.8）、东湖湖心C2（7.55）等点位，且沉积物C/N低值均处于湖泊藻类C/N值范围（4~10）内，说明C/N值低值区OM更多源于藻类分解后的内源释放[47]。
C/P值是反映沉积物中TOC和磷化合物分解速率的重要指标[51]，前人研究表明沉积物C/P值较高的区域可能存在严重的排污问题或水生生物死亡、分解现象[14，43]，植物凋亡会导致生物中的P快速分解释放，尤其是活性较高的Fe/Al-P和OP[42-43]。遗爱湖表层沉积物C/P值在20.16~190.97之间（图7），平均值为62.12，西湖C/P均值（71.77）高于东湖C/P均值（47.65），变异系数达58%。P7点位种植大量水生植物以构建生态缓存带，其C/P为全湖最高值（190.97），与前人在挺水区沉积物[52]采样测得的C/P值（222.19）相近。与中国表层土壤[53]C/P值（136.0）相比，遗爱湖C/P值（62.12）仅为全国表层土壤水平的46%，C/N值（10.67）也小于中国表层土壤（14.4），表明和中国表层土壤相比，遗爱湖表层沉积物具有富P、N而少C的特点。
图7表层沉积物C/N和C/P的空间分布特征
Fig.7Spatial distribution characteristics of C/N ratio and C/P ratio of surface sediment
根据聚类结果所划分的组1、组2和组3，其C/N值分别为11.01、9.41和12.55，C/P值分别为60.28、49.41和83.70。代表溢流污染的组1 的C/N 值（11.01）和沿湖排口平均C/N值（12.03）大于全湖平均C/N值（10.67），说明溢流污染导致排口及其下游弱水动力区OM累积。组1的C/P值（60.28）处于较高水平，且与沿湖排口下游C/P值（61.35）相近，表明TP累积同样受溢流污染影响；代表内源释放的组2的C/N值为9.41，且大部分点位C/N值与湖泊藻类C/N值（4~10）一致，说明组2的表层沉积物OM主要来源于藻类分解后的内源释放；组3受城市面源入湖污染和水生植物残体影响（C/N值=12.55，C/P值=83.70），其C、N、P化学计量特征值在3组间均最高。组3点位主要分布在遗爱湖沿岸，C/N和C/P值远高于西湖湖心C1（C/N值=4.8）和东湖湖心C2（C/N值=7.55），说明大量面源污染进入水体后无法迅速分解和生态缓冲带中的水生植物残体共同累积在湖泊沿岸。组3的C/P值高于组1，说明面源污染对沉积物TP累积的影响大于溢流污染。
聚类分析结果与化学计量特征的定性识别结果一致，由分析结果可知，溢流污染、面源污染和内源释放是遗爱湖表层沉积物中TN、TP和OM的主要来源。TP主要来自面源污染，其次是溢流污水；TN的来源与OM相似，根据遗爱湖沿岸排口分布与生态建设区划定量分析，OM约有36%源自面源污染和沿岸生态缓冲带植物残体，20%源自溢流污染，44%源自藻类死亡后的分解释放，内源释放是沉积物OM污染的主要来源。
遗爱湖不同区域污染产生的原因各异，其中溢流污染累积区主要集中在排口下游，结合遗爱湖流域排水体制，可结合水质、液位、降雨量等指标提高分流井的溢流闸开启阈值，进一步降低溢流入河污染负荷。同时在BHY等沉积物重度和中度污染点采取生态清淤措施；城市面源污染与水生植物残体区主要分布在湖岸，建议选取再力花（Thalia dealbata Link）、梭鱼草（Pontederia cordata L.）、鸢尾（Iris tectorum Maxim.）等本土耐污植物，构建生态缓冲带；沉积物内源释放问题主要发生在远离边岸的湖泊敞水区，需采取有效措施缩短遗爱湖换水周期，并通过种植密刺苦草（Vallisneria denseserrulata（Makino）Makino）、轮叶黑藻（Hydrilla verticillata（L.f.）Royle）等本土沉水植物，构建沉水植物群落。在敞水区沉水植物群落构建工程实施中，建议采用生态分区方式，即在植被生长初期设置生态网膜，拦截鱼类并将底栖鱼类转移至其他湖区。后期根据植物生长状况定期养护，清除植物残体与生长过剩的植物。对于遗爱湖等封闭型城市内湖而言，湖泊水动力条件差，水环境容量较小，大量生活、生产污染物通过排口点源和城市面源输入湖泊，污染物易累积。因此，对于城市内湖的沉积物污染削减需要综合采取控源截污、内源治理、生态修复、活水保质和长效管控措施，以实现水生态系统健康。
3 结论
1）沉积物TN、TP和OM的分布规律具有空间差异性。水平分布上TN、TP、OM高含量区多位于排口分布密集的西湖区，溢流排放与水生植物死亡等变化造成了沉积物TN、TP和OM的富集。垂向上受水体扰动、城市化进程与氧化还原的影响，沉积物TN、TP和OM含量总体表现为表层＞中、底层。
2）与长江中下游湖泊相比，遗爱湖表层沉积物TN和OM含量处于中等水平；TP含量较高，与其他城市内湖TP水平相近，且高于大型浅水湖泊。综合污染指数法结果显示，表层沉积物TP污染严重，76%的湖区TP处于中度及重度污染状态，部分清洁或轻度污染湖区的评估指标也处于较高水平。
3）表层沉积物TN、TP和OM分布受溢流排放、面源污染和内源释放影响。TP主要来自面源污染，其次是溢流污水；TN的来源与OM相似，OM中约36%源自面源污染和沿岸生态缓冲带植物残体，20%源自溢流污染，44%源自藻类死亡后的分解释放，内源释放是沉积物OM污染的主要来源。基于聚类分析识别，溢流污染累积下沉积物的C/N值为11.01。
4）遗爱湖表层沉积物污染成因多样，建议提高沿湖排口溢流阈值以减少入湖污染负荷；针对沉积物污染严重区域实施生态清淤工程；结合本土耐污植物，在湖岸和敞水区构建生态缓冲带与沉水植物群落，并定期清除植物残体与生长过剩植物，通过综合施策，逐步恢复流域生态环境健康。
致谢：本实验野外采集泥样的工作由江苏省智能环境治理实验基地无锡子基地协助完成，在此表示感谢。
