作为一种重要的资源和环境载体，城市湖泊不仅具有防汛排涝、缓解城市热岛效应等功能，还具有提供水源、旅游休闲、生态景观等作用^[1-2]。然而，伴随入湖污染负荷增加，污染物不断积累，水体富营养化加重，湖库环境问题已成为制约城市生存与发展的重要因素^[1-2]。沉积物能汇集和蓄存水体中的有机污染物和营养元素(氮、磷)^[3]，达到净化水质的目的；同时，这些污染物质能通过再悬浮、扩散等作用被重新释放到水体中^[4]，影响上覆水体质量，威胁湖泊生态系统安全^[5-6]。因此，沉积物对污染物的转移和水体中营养物质的循环有着非常重要的意义，可作为监测湖泊受污染程度和水体区域环境变化的重要指标^[4-5]。

昆承湖作为江苏省常熟市境内最大的城市湖泊和重要水体，兼具蓄洪和航运功能。目前，昆承湖水质为Ⅳ类，主要超标因子为总磷(TP)，且处于轻度富营养状态，与前几年相比综合营养状态指数有所上升^[7]。这主要是由于昆承湖的生态系统结构较为单一，各项水质指标也仍处于一种波动、不够稳定的状态中。当前，已有研究对昆承湖水体状况和生态环境进行了一定的探索^[8-11]，但针对昆承湖表层沉积物氮、磷及有机质的空间分布及其污染评价方面的研究还存在空缺。因此，本研究以昆承湖表层沉积物为研究对象，分析了不同时期沉积物总氮(TN)、TP和有机质(OM)的空间分布及其污染特征，以期为昆承湖的环境治理与生态保护提供理论和科学依据。

1 研究方法 1.1 研究区域和采样点位

昆承湖(120°43.23′~120°45.95′E，31°33.73′~31°37.00′N)又名东湖，位于江苏省常熟市区南郊，隶属于太湖流域水系阳澄湖湖群^[12]。该地区属亚热带季风气候，四季分明，气候温润，降水多集中于夏秋两季^[13]。昆承湖北侧主要为城区，南侧主要为农田和绿地^[14]。

本研究于2022年3月和8月在昆承湖共布设8个采样点(D1—D8)，采样点位分布示意见图 1。其中，D1和D8点位属于北部湖区，D2、D3和D7点位属于中部湖区，D4、D5和D6点位属于南部湖区。

1.2 样品采集与处理分析

水体中TN、氨氮(NH₄⁺-N)、TP均采用紫外可见分光光度计检测。其中，TN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH₄⁺-N的测定采用纳氏试剂分光光度法，TP的测定采用钼酸铵分光光度法。

表层沉积物样品(0~10 cm)使用彼得森采泥器收集，样品混均后装入干净的聚乙烯自封袋中，冷冻保存运送回实验室后，使用冷冻干燥机进行干燥，样品至恒重，去除杂物，经压碎、研磨后过100目(0.165 mm)尼龙筛，存放于牛皮纸袋中。TN、TP含量采用过硫酸钾联合消解法测定^[15]；OM含量采用烧失量法，取大约0.5 g干样于已知质量的坩埚中，放入105 ℃烘箱中烘干12 h后立即放入干燥器中冷却后称量，记录质量；然后再将坩埚转移到马弗炉中升温至550 ℃，灼烧5 h，在干燥器中冷却后称量计算^[16]。

1.3 评价方法

采用改进的内梅罗污染指数法和有机污染指数法评价昆承湖表层沉积物的污染状况。

1.3.1 改进的内梅罗污染指数法

传统内梅罗污染指数法容易突出最大污染因子且未考虑各污染因子权重问题^[17]，相较而言，改进的内梅罗指数法可以更好地消除污染极大值的影响，具有一定的优越性^[18]。因此，采用改进的内梅罗综合污染指数法^[17]评价表层沉积物TN、TP污染程度。

(1) 确定污染因子的权重

$ {\omega _i} = \frac{{{r_i}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{r_i}} }} $

(1)

$ r_i=\frac{C_{\mathrm{smax}}}{C_{\mathrm{si}}} $

(2)

式中：ω_i——第i个评价因子的权重值；n——评价因子的个数；C_si——第i个评价因子的计算标准，mg/kg；C_smax——n个评价因子计算标准的最大值，mg/kg。

(2) 评价等级划分

$ S_i=\frac{C_i}{C_s} $

(3)

$ F_{\max }^{\prime}=\frac{F_{\max }+F_\omega}{2} $

(4)

$ \mathrm{FF}^{\prime}=\sqrt{\frac{F^2+{F_{\max }^{\prime}}^2}{2}} $

(5)

式中：S_i——单项评价指数或标准指数，S_i>1，表示因子i质量分数超过评价标准值；C_i——评价因子i实测值，mg/kg；C_s——评价因子i的评价标准值，TN的C_s取1 000 mg/kg，TP的C_s取420 mg/kg^[19]；F——n项污染指数的平均值[TN单项评价指数(S_TN)和TP单项评价指数(S_TP)的平均值，无量纲]；F_max——最大单项污染指数(S_TN和S_TP中最大者)；F_ω——权重值最大的评价因子单项污染指数；FF′——改进的内梅罗污染指数。昆承湖各采样点位沉积物氮磷综合污染程度等级划分标准见表 1。

(3) 计算评价对象改进的内梅罗指数

根据式(3)—(5)计算各评价对象的改进的内梅罗指数，对照评价等级，进行昆承湖氮磷综合污染程度评价。

1.3.2 有机污染指数法

改进的内梅罗污染指数评价法将TN、TP综合成一个指数值来表征沉积物的污染程度，其相较单一污染指数法而言更具代表性，是综合信息的输出，但忽略了有机物指标。为使评价结果更加完善，故而引入有机指数(OI)^[20-21]对沉积物中有机碳(OC)和有机氮(ON)的复合影响进行评价。其计算公式如下：

$ \mathrm{OI}=\mathrm{OC} \times \mathrm{ON} $

(6)

$ \mathrm{ON}=\mathrm{TN} \times 0.95 $

(7)

$ \mathrm{OC}=\mathrm{OM} / 1.724 $

(8)

式中：OI——有机指数；ON——有机氮污染指数；OC——有机碳指数。根据OI值的大小，将昆承湖沉积物有机指数评价等级划分为4级，具体见表 2。

1.4 数据处理

采用Excel 2021进行数据统计；采用ArcGIS 10.7、Orgin 2023、SPSS 22.2和R 4.1.1及R Studio v1.1.463作图和进行TN、TP、OM之间的相关性分析。

2 结果与分析 2.1 水体污染状况时空分布

不同时期昆承湖水体ρ(TN)、ρ(NH₄⁺-N)和ρ(TP)变化见图 2(a)—(c)。由克鲁斯卡尔-沃利斯(Kruskal-Wallis)检验可知，ρ(TN)和ρ(TP)在汛期和非汛期均存在显著差异(p＜0.05)，不同时期ρ(NH₄⁺-N)差异性不显著(p＞0.05)。斯皮尔曼(Spearman)相关性检验结果表明，ρ(TN)和ρ(TP)分布呈显著负相关(r=-0.742，p＜0.01)。由图 2可见，汛期ρ(TN)低于非汛期，汛期ρ(TP)高于非汛期。各时期ρ(NH₄⁺-N)均达到Ⅰ类水水质标准，对湖体影响较小；汛期和非汛期ρ(TN)全湖平均值分别为0.364，1.024 mg/L，分别达到Ⅱ类水和Ⅳ类水水质要求；ρ(TP)在汛期和非汛期全湖平均值分别为0.119，0.058 mg/L，水质评价等级分别为Ⅴ类和Ⅳ类。

不同时期昆承湖水体ρ(TN)、ρ(NH₄⁺-N)和ρ(TP)空间分布见图 3(a)—(f)。

由图 3可见，汛期各湖区监测点位水质因子质量浓度平均值大致相当；非汛期ρ(TN)和ρ(TP)在北部和中部湖区均符合地表水Ⅲ类水水质标准，但在南部湖区其质量浓度远高于其他两湖区。非汛期D6监测点位的ρ(TN)高达2.12 mg/L，超过Ⅴ类水水质标准，且该时期ρ(TP)在南部湖区均处于地表水Ⅳ类标准。

2.2 表层沉积物营养盐质量分数及其时空分布 2.2.1 TN质量分数及时空分布特征

不同时期昆承湖表层沉积物ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)见图 4(a)—(c)。不同时期昆承湖表层沉积物ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)空间分布见图 5(a)—(f)。

由图 4可见，汛期和非汛期全湖沉积物中ω(TN)平均值分别为1 099.7，893.9 mg/kg，变异系数分别为44.86%和44.05%(均＞20%)，表明这2个时期ω(TN) 在空间分布上存在显著差异^[22]。由图 5可见，汛期北部湖区ω(TN) 远高于中部和南部，中部和南部湖区的ω(TN)大致相当，ω(TN)自北向南分别为1 900，866和800 mg/kg；非汛期北部湖区的ω(TN)略高于中部和南部湖区，ω(TN)自北向南分别为1 051，869和813 mg/kg。采用变异系数对各湖区内部监测点位的ω(TN)进行分析，汛期内部变异系数自北向南分别为14.42%，14.27%和13.68%，非汛期为31.30%，39.08%和55.29%。汛期各湖区内部监测点位ω(TN)分布均匀，非汛期各湖区内部监测点位ω(TN)呈现西高东低特点，南部湖区东西两侧监测点的ω(TN)差异显著。

总体而言，汛期与非汛期各湖区ω(TN)平均值相似，但湖区内部各点位ω(TN)存在差异。相较汛期，非汛期北部湖区ω(TN)明显下降，中部和南部湖区监测点位ω(TN)呈现西侧上升、东侧下降，湖心D3监测点位ω(TN)变化不大。

2.2.2 TP质量分数及时空分布特征

由图 4可见，汛期和非汛期全湖沉积物中ω(TP)平均值分别为584.3，529.3 mg/kg，其质量分数变异系数分别为21.07%和63.45%(均＞20%)，表明两个时期ω(TP)在空间分布上均存在一定的差异性，且非汛期ω(TP)空间分布差异较大(图 5)。两时期湖区ω(TP)均呈现自北向南逐渐降低的趋势；相较而言，汛期北部湖区ω(TP)低于非汛期，中部和南部湖区的ω(TP)均值略高于非汛期。

汛期各湖区的TP变异系数大小依次为：中部湖区(27.76%)＞南部湖区(11.27%)＞北部湖区(4.91%)。说明汛期中部湖区ω(TP)空间分布具有一定的差异性，该湖区两侧监测点位的ω(TP)显著高于湖区中心。非汛期北部、中部和南部湖区内部TP变异系数分别为63.06%，54.99%和20.06%，各湖区内部均呈现西高东低的分布趋势。相较于汛期，非汛期北部湖区的西、东两侧ω(TP)分别表现出显著的升高和降低，中部和南部湖区ω(TP)均有所降低，湖心D3监测点位ω(TP)则显著上升。

2.2.3 OM质量分数及时空分布特征

由图 4可见，汛期和非汛期全湖沉积物ω(OM)分别为15.45，23.05 g/kg，其质量分数变异系数分别为31.11%和62.47%(均＞20%)，表明两时期ω(OM)在空间分布上均存在一定的差异性，且非汛期ω(OM)空间分布差异较大(图 5)。汛期北部湖区的ω(OM)平均值最高(19.5 g/kg)，中部湖区次之(14.8 g/kg)，南部湖区最低(13.4 g/kg)；非汛期北部、中部和南部湖区的ω(OM)平均值分别为27.55，17.38，25.73 g/kg，北部最高，中部最低。

汛期各湖区OM变异系数大小依次为：中部湖区(39.03%)＞北部湖区(22.37%)＞南部湖区(3.71%)，说明北部和中部湖区内部ω(OM)空间分布具有一定的差异性，北部湖区西侧ω(OM)较高，而中部湖区的东侧含量较高，南部湖区ω(OM)分布较为均匀；非汛期北部、中部和南部湖区内部OM变异系数分别为41.20%、48.88%和71.88%，各湖区内部ω(OM)均存在较大差异，且均呈现西高东低的趋势；此外，不同时期D3点位的ω(OM)变化不大且均低于其他监测点位。相较汛期而言，非汛期各湖区西侧ω(OM)均显著上升，北部和南部两湖区内部东侧ω(OM)变化较小，中部湖区东侧ω(OM)显著降低。

2.3 TN、TP和OM相关性分析

不同时期昆承湖表层沉积物TN、TP和OM的Pearson相关性分析结果见图 6(a)(b)。

由图 6可见，汛期TP和OM之间呈现显著正相关(r=0.757，p ＜0.05)，而TN和TP、TN和OM相关性均不显著(p > 0.05)；非汛期TN和OM呈显著正相关(r=0.928，p＜0.05)，而TN和TP、TP和OM相关性均不显著(p> 0.05)。这表明汛期沉积物TP与OM具有同源性，而在非汛期，TN与OM可能具有相似的物质来源；沉积物中OM的富集与OM的矿化与分解相关^[23]，在汛期和非汛期OM分别成为磷和氮的重要载体^[24]，这与上覆水体中TN和TP质量分数的变化相一致。

2.4 污染指数评价 2.4.1 FF′指数

采用改进的内梅罗综合污染指数法评价沉积物富营养状况，各时期昆承湖各监测点位沉积物S_TN、S_TP和FF′指数评价结果见表 3。

不同时期各湖区FF′指数不同污染等级占比见图 7(a)(b)。

由表 3可见，汛期和非汛期全湖FF′指数分别为1.32和1.17，分别属于中度污染和轻度污染，汛期综合污染状况较非汛期严重。全湖综合污染状况均表现为由北向南依次递减。由图 7可见，汛期所设监测点位中FF′评价等级为清洁、轻度、中度和重度污染等级占比分别为0，37.5%，50.0%和12.5%；非汛期FF′评价等级为清洁、轻度、中度和重度污染等级占比分别为37.5%，12.5%，37.5%和12.5%。各时期重度污染状况均发生在北部湖区，北部湖区污染治理状况需重点关注。

汛期北部湖区内部西侧FF′指数略低于东侧，中部和南部则相反，此外湖心D3点位FF′指数低于其他监测点位，属于轻度污染。非汛期各湖区西侧监测点位普遍高于东侧，其中，D1点位污染状况最为严重，达到重度污染；各湖区东侧监测点(D5，D6，D7，D8)综合污染状况良好，均为清洁等级；此外，非汛期湖心D3点位较汛期而言，其FF′指数明显上升，为中度污染。

S_TN、S_TP与FF′指数的Pearson相关性计算结果见表 4。由表 4可见，汛期TN和TP污染程度均与FF′指数在p＜0.01时相关性显著，表明此时沉积物中N和P超标程度均对沉积物污染程度产生较大贡献^[25]。非汛期TP污染程度与FF′指数相关性显著，表明此时沉积物污染状况受TP超标程度影响较大。

2.4.2 有机指数(OI)

污期和非汛期昆承湖沉积物OI评价结果见表 5。由表 5可见，汛期和非汛期全湖OI平均值分别为0.10和0.14，均属于较清洁等级。总体而言，各时期昆承湖有机污染程度均相对较低。

不同时期各湖区沉积物OI等级占比见图 8(a)(b)。由图 8可见，汛期所设监测点位中OI评价等级为清洁、较清洁、尚清洁和有机污染的占比分别为12.5%，75%，12.5%和0；北部湖区有机污染等级相对较高，OI值最大为D1点位，属于尚清洁等级；非汛期各监测点位OI评价四等级占比分别为25%，37.5%，37.5%和0。

全湖西侧有机污染水平相对东侧较高，D1、D3和D6监测点位均属于尚清洁等级。相较汛期，非汛期各湖区西侧有机污染水平上升，而东侧污染水平下降，使得非汛期“清洁”和“尚清洁”等级占比均有所增加，“较清洁”污染等级相应下降；湖心D3点位在两时期OI值大致相当，且均属于“清洁”等级。

3 讨论 3.1 表层沉积物营养盐含量时空分布特征分析

湖泊表层沉积物中的TN、TP和OM质量分数在一定程度上能够反映湖泊的水质状况。时间上，汛期沉积物中TN和TP质量分数高于非汛期，OM质量分数低于非汛期。汛期水温升高，藻类大量繁殖，沉积物中的磷通过“泵吸作用”被释放到水体中，使得上覆水体中TP质量分数较非汛期显著上升^[26]，该时期沉积物中以藻类、水生生物残骸为主的有机质分解速率加快，使得OM质量分数较汛期有所减少，此外，沉积物中氮、磷元素也更易释放到上覆水体^[27]。但由于昆承湖周边存在生活及工农业污染源，汛期大量氮磷等污染物质伴随地表径流汇入湖体，使得该时期沉积物中TN和TP质量分数高于非汛期。

空间上，不同时期昆承湖表层沉积物TN、TP和OM质量分数整体上呈现由北向南降低的趋势，这与曹昀等^[32]研究结果一致，且非汛期湖区西侧TN、TP和OM的质量分数均高于湖区东侧。由于昆承湖北部工业化和城镇化程度较高，大量氮磷等污染物质随着城镇地表径流汇入湖体，造成北部湖区污染因子质量分数较高；同时，北部湖区航道穿插，养殖废弃物沉积物淤积严重，均加重了北部湖区水体质量的污染负荷^[26-27]。昆承湖湖中浅水区域有芦苇等水生植物覆盖，且湖中心区域底栖生物密度较大^[28]，对污染富集和水质的净化有重要作用^[29-30]。

与太湖流域其他湖泊相比，阳澄湖^[23]沉积物的TP、OM和滆湖^[28]沉积物的TN、TP质量分数均显著高于昆承湖，并且相较2005年7月调查结果，目前昆承湖表层沉积物TN、TP和OM的平均质量分数显著降低^[31-32]。这得益于2006—2012年间常熟市政府进行的持续管控工作，针对昆承湖开展了截污治污、清除湖区围网养殖、构建湿地等生态景观恢复措施，同时还进行了清淤和航道隔离(入湖口门封闭)等工作。

3.2 表层沉积物污染来源解析

汛期和非汛期昆承湖沉积物中TN和TP质量分数相关性均不显著(p > 0.05)，表明昆承湖沉积物中氮磷的污染来源或其在沉积物中的沉积变化过程存在差异。通常，OM与生活和农业污染、水生植物以及陆源植物碎屑密切相关。汛期昆承湖表层沉积物中TP与OM相关性显著，此时OM可能主要来源于城镇地表径流和工业污水排放，而TP可能来源于携有农业废弃物的地表径流或由OM的矿化分解产生。非汛期，TN和OM相关性显著，二者关系密切，此时，OM成为氮的主要载体，OM和TN主要来源于湖内生长茂盛的水生植被，以及水生生物残体和凋落物的腐烂分解。

3.3 表层沉积物营养盐污染及风险评价

综合污染评价方法定量分析结果显示，汛期和非汛期各湖区表层沉积物FF′指数均呈现由北向南依次降低的趋势，这与TN、TP和OM质量分数的空间分布相一致。汛期昆承湖表层沉积物综合污染程度为轻度污染，此时沉积物污染程度由内源污染和外源污染综合作用决定；非汛期TN污染程度较低，总体表现为清洁等级，综合污染程度与底泥TP释放量呈现正相关，可能受生活及工农业污染等外部影响较大。

不同时期ON、OC与OI的Pearson相关性计算结果见表 6。由表 6可见，汛期和非汛期昆承湖有机污染水平均相对较低，其中汛期OI值呈现自北向南递减的趋势，这与ON和OC分布一致，此时ON和OC相关性不显著，证明此时昆承湖有机污染具有2种不同来源，湖体内部有机质生成和外部污染源汇入均对昆承湖有机污染状况产生了较大的贡献；非汛期OI与ON和OC均呈现显著相关性，同时ON和OC相关性显著，推测昆承湖有机污染主要来源可能为湖区内部动植物腐烂残骸分解。

已有研究表明，我国东部湖泊沉积物TN和TP的参考阈值范围分别为1 106~1 115 mg/L和454~459 mg/L^[33]，当前昆承湖表层沉积物ρ(TN)和ρ(TP)范围分别为406~2 174 mg/L和120~1 280 mg/L，已超出我国东部浅水湖泊沉积物氮磷营养物参考阈值范围，对湖泊整体状况构成了一定的风险，应加大对于周边工业企业以及城镇生活污染入河量的控制，并关注水生生物死亡分解造成的内源污染。

4 结论

(1) 汛期和非汛期昆承湖各监测点位ρ(TN)平均值分别为0.364，1.024 mg/L；ρ(TP)平均值分别为0.119，0.058 mg/L；汛期TN水质评价等级优于非汛期，汛期TP水质评价等级较非汛期较差。

(2) 汛期昆承湖表层沉积物ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)的平均值分别为1 099.7，584.3 mg/kg和15.45 g/kg；非汛期ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)的平均值分别为893.9，529.3 mg/kg和23.05 g/kg。时间上，汛期沉积物中ω(TN)和ω(TP)高于非汛期，汛期ω(OM)低于非汛期；空间上，两时期昆承湖表层沉积物ω(TN)、ω(TP)和ω(OM)整体均呈现由北向南逐渐减少的趋势。

(3) 汛期和非汛期TN和TP相关性均不显著，二者的污染来源和迁移转化规律在两时期均存在差异；汛期和非汛期OM分别与TP和TN呈显著正相关，OM在两时期分别成为氮和磷的主要载体。

(4) 汛期和非汛期全湖表层沉积物FF′指数分别为1.32和1.17，分别属于中度污染和轻度污染水平。两时期昆承湖各湖区综合污染程度均表现为由北向南递减；汛期和非汛期全湖OI值分别为0.10和0.14，均属于较清洁等级，昆承湖有机污染程度相对较低。