滇西北劍湖沉積物釩空間分布特征和生態風險

李 波,喻慶國*,危 鋒,張銀烽,張 奇,王勝龍,李麗萍

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滇西北劍湖沉積物釩空間分布特征和生態風險

李 波1,2,喻慶國1,2*,危 鋒3,張銀烽1,2,張 奇4,王勝龍1,2,李麗萍1,2

(1.西南林業大學濕地學院,云南 昆明 650224；2.國家高原濕地研究中心,云南 昆明 650224；3.西南林業大學生態與水土保持學院,云南 昆明 650224；4.貴州民族大學生態環境工程學院,貴州 貴陽 550025)

用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定劍湖表層及柱狀沉積物釩(V)含量,采用改進BCR連續提取法提取V各形態,并對V空間分布特征和生態風險進行了分析,揭示了粒度對劍湖沉積物V及形態含量的影響.結果表明,劍湖表層沉積物和柱狀沉積物顆粒均以粉砂粒和細砂為主,細顆粒V含量更高.表層沉積物V含量為(117.82±63.31)mg/kg,其水平空間分布差異較大.V可交換態、可還原態、可氧化態和殘渣態含量分別為(8.91±8.91), (18.36±10.53), (7.67±7.67), (80.22±58.71)mg/kg,主要以殘渣態形式存在,且黏粒和粉砂粒對V可還原態和殘渣態影響較大.V垂直分布差異大,底層V含量高于表層,少部分區域受黏粒和粉砂粒影響.劍湖沉積物V污染程度小,大部分地區潛在生態風險較低,底層沉積物污染程度和潛在生態風險都高于表層.

釩；沉積物；粒度；空間分布；賦存形態；生態風險

沉積物作為湖泊生態系統的重要組成部分,顯著影響著湖泊生物地球化學循環過程,既是重金屬污染物的匯,同時又是對水質有潛在影響的次生污染源[1-2].目前云貴高原湖泊沉積物重金屬研究主要針對銅(Cu)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鉛(Pb)、鋅(Zn)等常規重金屬元素[3-5],對非常規重金屬元素釩(V)研究較少.V是人體健康必需的微量元素,它在人體中的含量過多或缺乏時,都會嚴重威脅人體健康[6].環境中V主要來源于巖石風化、化石燃燒、礦業開采等[7],隨著采礦業、鋼鐵、化學工業不斷發展和人為排放等原因,造成V中毒的人數也在不斷增加[8],同時V污染的水體對生態環境的毒性作用也十分明顯[8-9].水環境中V主要富集在沉積物和懸浮物中[10],但近年來對云貴高原湖泊沉積物中V研究較少,而我國云貴高原地區土壤V含量明顯偏高[11],湖泊沉積物V受區域地質背景、入出河流和人為活動等因素影響,其空間分布規律和生態風險都值得進一步研究.

滇西北地處青藏高原與云貴高原的過渡地帶,是全球25個生物多樣性“熱點地區”之一及中國17個生物多樣性重點保護“關鍵地區”的第1個[12-13],劍湖作為滇西北湖群組成之一,在該區域生物多樣性保育和水生態安全維持中發揮著極其重要的作用.近年來對劍湖的研究主要關注植物群落分布格局[14]、沉積物營養元素污染[15]、湖泊演變過程及生態效應[16]等方面,對沉積物中V的研究尚未見公開報道.劍湖是云南高原湖泊重要濕地類型,水生動植物資源極為豐富[17],水生動植物死亡后會通過一系列物理和化學等方式使V進入水體[11],從而加劇天然水體中V含量,水體中大部分V會進入沉積物中[18].此外,劍湖周邊分布有采石廠、煤礦廠、水泥加工廠等中小型企業,存在V污染的可能性.因此,本研究選取滇西北典型高原湖泊——劍湖為研究區,分析沉積物中V及形態含量空間分布特征,揭示沉積物粒徑對V及形態含量的影響規律,同時采用地累積指數法和潛在生態風險指數法對沉積物中V污染程度和生態風險進行評價,以期為劍湖及類似湖泊沉積物V污染防治提供科學參考依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

劍湖位于云南省大理白族自治州劍川縣境內,湖區水域面積6.4km2,湖水以降水、河流和湖內地下泉涌補給為主,入湖河流有永豐河、金龍河、格美江等河流,湖水從海尾河流出后注入漾濞江再匯入瀾滄江,是瀾滄江上游重要支流之一.2006年劍湖被云南省人民政府列為省級濕地自然保護區,2016年被云南省人民政府列為第一批省級重要濕地,屬于濕地生態類型自然保護區.劍湖周邊有大面積居民聚居地和農耕區,沒有污水收集和處理設施,且入湖河流上游分布有礦產開發、木雕生產、水泥加工、汽車維修、磚瓦廠等中小型企業.

1.2 采樣點布設與樣品采集

圖1 劍湖沉積物采樣點分布

為了恢復劍湖濕地,擴大劍湖面積,2016年上半年云南劍湖濕地省級自然保護區管理局在金龍河入湖三角洲實施了疏挖工程.除掌握金龍河入湖三角洲疏挖前劍湖V分布特征外,疏挖湖區V分布特征也值得關注.根據劍湖湖泊形狀、入出湖河流狀況、人為干擾、工農業分布等因素,在前人研究基礎上[15]按照典型選樣方式,使用ArcGIS 10.2軟件布設了劍湖表層沉積物和柱狀沉積物采樣點(圖1),并于2017年5月前往研究區采樣,共采集38個表層沉積物和12個柱狀沉積物樣品.沉積物樣品使用定深泥炭鉆(Eijkelkamp 0423SA,荷蘭)采集,表層沉積物采集深度為湖底沉積物表層10cm,為避免一個采樣點僅采一個樣品可能產生的隨機誤差,每個采樣點都隨機采集5個重復樣,當場在塑料盆中用不銹鋼勺充分混合均勻后重新取一個混合樣品.柱狀沉積物每個采樣點采集一個75cm的柱狀沉積物,由上至下分為15層,每5cm分為一層.

1.3 實驗方法

沉積物V元素含量測定參照文獻[19],采用HNO3-HCl-HF消解后用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICPE-9820,日本)測定其含量.V形態提取方法采用改進的BCR連續提取法進行分級提取[20-21],提取的4種形態分別為可交換態、可還原態、可氧化態和殘渣態,殘渣態含量為重金屬元素總含量減去可交換態、可還原態和可氧化態3種形態含量之和的差值.本研究中,隨機選取10%樣品做3次平行實驗,每批消解樣品均做一個空白,并插入一個標準物質(GBW07309)用于質量控制,所有樣品和標準物質變異系數均小于15%.樣品測試時隨機選取5%樣品溶液進行3次重復測定,重復測定結果顯示變異系數均小于5%,表明儀器穩定性較好,結果符合要求.

沉積物粒度測定過程中有機質和碳酸鹽對結果影響大[22],為了消除有機質和碳酸鹽對沉積物粒度測定的影響,先用過氧化氫和稀鹽酸去除有機質和碳酸鹽,再離心洗鹽,加入六偏磷酸鈉作為分散劑,最后經超聲震蕩后用全自動激光粒度儀(HORIBA LA-960S,日本)測定其粒度分布.

1.4 生態風險評價方法

地累積指數可以評估沉積物是否被重金屬污染,有效地解釋沉積物環境質量[23],而且該方法不僅考慮了人為干擾因素,還考慮了地球化學背景值的影響,能夠客觀地評價其污染程度.其計算公式為:

式中:geo為地累積指數;C為元素在待測沉積物中的實際含量;B為當地沉積物元素的背景值,本文采用云南省A層土壤V算術平均值含量作為評價計算過程中的背景值[24];為成巖作用引起的背景值波動參數,本文取1.5[25].根據地累積指數大小,可對沉積物重金屬污染程度進行分級,其分級標準見表1.

表1 地累積指數與污染程度分級

潛在生態風險指數法是Hakanson從沉積學角度提出來對沉積物中重金屬生態風險進行評價的方法[29],該方法考慮了重金屬毒性、污染對評價區域的敏感度和區域背景值差異.其計算公式為:

表2 潛在生態風險評價分級標準

1.5 數據處理方法

采用Excel 2016進行數據初步處理與分析,結合Surfer 11繪制劍湖表層沉積物V水平空間分布圖,采用Origin 8.0繪制粒度、柱狀沉積物V空間分布圖和生態風險評價圖,使用SPSS 19.0進行相關性分析,采樣點分布圖使用Arc GIS 10.2制作.

2 結果與討論

2.1 粒度水平空間分布

劍湖表層沉積物粒度分布特征如圖2,其粒度標準參照國際制土壤粒度分級[29].劍湖表層沉積物有黏粒、粉砂粒、細砂、粗砂、礫石五種類型,其所占比例平均值分別為5.86%、58.97%、27.60%、7.21%、0.38%,平均徑和中值徑平均值分別為67.22, 27.24mm,主要以粉砂粒和細砂為主,整體顆粒偏細,少部分地區有礫石.結合圖1和圖2來看,劍湖表層沉積物粒度在金龍河入湖口處附近中值粒徑變化范圍為25.86~358.54μm,平均徑變化范圍為45.73~ 711.07μm,其粒徑明顯偏大,這是因為金龍河上游有大量采石和采礦現象,水土流失嚴重[30],再加上金龍河是劍湖最大的入湖河流,水量較大,泥沙在河水的攜帶作用下進入劍湖,在湖口處由于湖泊水體對河流水體的阻擋作用,水動力條件減弱,使得大量礫石在此處沉積.此外,該區域為疏挖湖區,沉積物粒度也同時會受到其磁化率、古氣候、粘土礦物和人為干擾等因素影響[31],其具體原因有待于進一步研究.其余湖區粒度分布相對均勻,這與其他入湖河流大顆粒泥沙輸入少和水量小有關.同時,劍湖其余湖區水生植物分布較均勻[14],水生植物對沉積物顆粒的分選和攔截作用也會相對均勻.

圖2 劍湖表層沉積物粒度水平空間分布

2.2 釩及形態含量水平空間分布

劍湖表層沉積物V含量水平空間分布如圖3,V含量為(117.82±63.31)mg/kg.劍湖表層沉積物V水平空間變異系數為27.34%,其分布差異較大,這是因為劍湖是一個淺水湖泊,淺水湖泊沉積物-水界面是一個相對不穩定的區域,水動力和底棲生物擾動是造成該界面不穩定的主要因素[32],再加上河流攜帶污染源的位置和強度不同也會影響表層沉積物中V水平空間分布特征.V在金龍河入湖口處附近含量偏低,這主要是由于該地區是新增疏挖湖區,沉積物疏挖能有效降低重金屬污染物含量[33].同時,水體中的重金屬大部分會富集在懸浮物中隨水流走[34],金龍河入湖口處沉積物疏挖工程結束距離采樣時間只有1年,時間短,沉積量少.V在黃龍河入湖口東部地區含量較高,這與黃龍河流經了大面積居民區有關,該地區居民生活燃料以煤炭為主,再加上河流上游分布有以煤炭為主要燃料的磚瓦廠,煤炭等化石燃料的燃燒會造成V元素釋放[35],通過大氣沉降、河流輸送等方式進入湖泊.結合圖1和圖3來看,在采樣點21處附近V含量也偏高,這是因為該處位于湖泊疏挖之前金龍河入湖口處,金龍河上游采石、采煤現象嚴重,礦產開發導致V污染增加[6],河流攜帶泥沙進入湖泊,所以此處V含量較高.

沉積物粒徑對其表面物理化學性質、比表面積和表面自由能等均有重要影響,進而影響其對污染物的吸附、解吸和遷移,是影響沉積物中污染物含量的重要控制參數[36].通過劍湖表層沉積物V含量和粒度的相關性分析可知(表3),V含量主要受黏粒、粉砂粒、細砂和礫石影響,較細顆粒(黏粒、粉砂粒、細砂)含量與V含量呈顯著正相關,礫石含量與V含量呈顯著負相關.較細顆粒因其具有較大的比表面積,對重金屬元素吸附能力更強[37],劍湖表層沉積物細顆粒V含量更高,這也進一步驗證了該結論,且該結果跟王云等[11]和吳俊峰等[38]的研究結果也具有一致性.

圖3 劍湖表層沉積物V含量水平空間分布

水體重金屬污染物主要富集在沉積物中,通過水-沉積物界面的交換反應在固液兩相間相互遷移轉化[39],而表層沉積物是水和沉積物間物質和能量交換最頻繁、最迅速的區域[40].劍湖表層沉積物V形態含量水平空間分布如圖4,V可交換態、可還原態、可氧化態和殘渣態含量分別為(8.91±8.91), (18.36±10.53), (7.67±7.67), (80.22± 58.71)mg/kg.可交換態和可氧化態水平空間分布差異較大,且兩者有顯著相關性(=-0.481,<0.01),水平空間分布規律相反,說明劍湖表層沉積物V可交換態和可氧化態存在競爭吸附關系.結合圖1和圖4來看,可交換態含量在金龍河和永豐河入湖口處較高,這是因為永豐河和金龍河匯集了大量工農業廢水和生活污水,而廢水中有機垃圾在自熱分解過程中產生的有機酸會降低水體的pH值[41],可交換態在pH值發生改變或酸性條件下容易釋放[42].可交換態、可還原態和可氧化態合稱為生物有效態,自然條件下,重金屬遷移轉化能力取決于生物有效態含量[43].V在新增疏挖湖區除可交換態之外,其余形態含量都比較低,說明疏挖湖區生物有效態含量低,這與毛志剛等[33]的研究結果一致.總體來說,劍湖表層沉積物V生物有效態含量低,殘渣態所占比例平均值高達70.15%,主要以殘渣態形式存在,這與王蕾等[10]的研究結果一致.殘渣態主要來源于土壤母質,且不參與水-沉積物系統的再分配[44],所以劍湖表層沉積物V主要受區域地質背景影響,遷移轉化能力弱.

由表3可知,劍湖表層沉積物V可交換態和可氧化態不受粒度影響,是因為可交換態和可氧化態主要受pH值和氧化還原條件影響[42,45].V可還原態和殘渣態受粒度影響大,這兩者都與黏粒和粉砂粒含量呈顯著正相關,與礫石含量呈負相關,說明V可還原態和殘渣態主要吸附在黏粒和粉砂粒上.V的4種形態與中值粒徑和平均粒徑均無相關性,不受這兩者影響.

表3 劍湖表層沉積物V及形態含量和粒度的相關系數

注:表中“*”表示在0.05水平(雙側)上顯著相關,“**”表示在0.01水平(雙側)上顯著相關.

2.3 釩含量與粒度垂直空間分布

平均徑和中值粒徑是常用的粒度參數,也是評價沉積物顆粒大小的重要指標[22,44].劍湖柱狀沉積物V和粒度垂直空間分布特征如圖5,其V含量為(319.32±255.07)mg/kg,平均變異系數為34.08%.結合圖1和圖5來看,永豐河、新水河、獅河和格美江入湖口處附近沉積物表層(第1層:0~5cm)V平均含量為106.02mg/kg,底層(第15層:70~75cm)V平均含量為299.37mg/kg,除在局部地區有波動外,都呈現出底層高于表層的特征.同時,各入湖口柱狀沉積物垂直分布差異都較大,表明各入湖河流污染源輸入差異大,且入湖河流水動力擾動會影響沉積物V垂直空間分布.采樣點C3處V垂直空間分布差異大,這可能與湖周淺水區分布有大量水生植物有關,劍湖水生植物對水質有凈化作用[46],水質好的區域底棲生物豐富[47],對沉積物擾動大.采樣點C4處V垂直空間變異系數為40.64%,分布差異明顯,這是因為該處有地下河涌出,地下河流水涌出對沉積物擾動大.采樣點C5、C7處V垂直空間變異系數分別為15.11%、10.12%,分布均勻,這是因為該地區水深較深,湖水擾動相對于淺水區干擾較小[36].采樣點C9、C11處V垂直空間變異系數分別為40.03%、49.34%,分布差異大,這可能是受到疏挖湖區的影響,疏挖湖區沉積物受人為疏浚影響,干擾大.劍湖柱狀沉積物V含量垂直分布特征各異,這跟劍湖是一個淺水湖泊有關,沉積物受入出湖河流水動力、水生動植物、人為活動等因素擾動大.

劍湖柱狀沉積物中值粒徑和平均徑之間存在顯著正相關(=0.845,<0.01),且所有柱狀沉積物都以粉砂粒和細砂為主.沉積物粒度特征反映了水動力條件[48],劍湖是一個半封閉的淺水湖泊,處于相對封閉的地理環境[14],入湖河流水量小,更容易沉積細顆粒.采樣點C2、C8和C10粒度垂直分布波動性較大,中值粒徑和平均徑變異系數均超過50%,其余采樣點粒度垂直分布相對均勻.從劍湖柱狀沉積物V含量和粒度的相關分析(表4)可知,永豐河和新水河入湖口處柱狀沉積物V受黏粒和粉砂粒影響,主要吸附在較細的顆粒上,V含量與中值粒徑呈顯著負相關,格美江入湖口處柱狀沉積物V含量與粉砂粒呈顯著正相關,與平均徑呈顯著負相關.采樣點C4和C5柱狀沉積物顆粒偏大,有少部分礫石出現,其余柱狀沉積物粒度相對較小.劍湖柱狀沉積物粒度垂直分布波動較大,表明粒度不僅受水動力和人為活動影響,也可能受其他生物過程干擾[49].

a~l分別代表1~12號柱狀沉積物采樣點

2.4 生態風險評價

劍湖表層沉積物V地累積指數平均值為-1.09,且地累積指數均小于零,表明劍湖V污染程度屬于清潔,沒有出現較大的污染現象.結合圖5來看,劍湖表層沉積物V有向底層富集的趨勢,所以表層的污染程度低.劍湖表層沉積物單元素潛在生態風險指數如圖6,其平均值為1.49.劍湖表層沉積物38個采樣點中僅有10.53%的V潛在生態風險指數超過2,屬于中等風險程度,其余部分潛在生態風險都屬于輕微程度.結合圖1和圖6來看,黃龍河和獅河入湖口處附近V潛在生態風險指數較高,對該處的水生動植物危害較大,而劍湖水生動植物具有很高的保護價值[17],沉積物V較高的生態風險將會影響當地生態環境,降低生物多樣性.

表4 劍湖柱狀沉積物V含量和粒度的相關系數

注:“*”表示在0.05水平(雙側)上顯著相關,“**”表示在0.01水平(雙側)上顯著相關,“-”表示沒有相關數據.

劍湖柱狀沉積物V地累積指數和潛在生態風險評價結果見圖7.劍湖柱狀沉積物V地累積指數為(-0.27±1.58),12個柱狀沉積物采樣點中V地累積指數平均值有16.67%超過零,屬于輕度污染,其余部分污染程度均屬于清潔,表層沉積物(第1層:0~5cm)地累積指數平均值(-0.99)小于底層(第15層:70~75cm)沉積物(-0.29).劍湖柱狀沉積物V潛在生態風險指數為(4.13±3.30),底層(第15層:70~75cm)沉積物潛在生態風險高出表層(第1層:0~5cm)0.87倍.永豐河、獅河和格美江入湖口處潛在生態風險指數均偏高,說明河流通過輸送污染物,加劇了各入湖口處沉積物生態風險.同時,柱狀沉積物在原金龍河入湖口處附近地累積指數和潛在生態風險指數均偏高,這與金龍河上游采石和采礦等工業活動有關,人為活動增加了V潛在生態風險.總體來說,劍湖柱狀沉積物V大部分地區處于清潔程度,少部分區域有輕度污染,但局部地區潛在生態風險較高.沉積物能夠穩定地記錄人為和自然生態過程對于環境的影響歷史[50],劍湖底層V污染程度和潛在生態風險都高于表層,說明劍湖沉積物V污染排放正在逐年減少,這與當地管理部門采取了保護和防治措施有關,如底泥疏挖、植物收割、減少礦產開發等.

圖6 劍湖表層沉積物V潛在生態風險指數

a~l分別代表1~12號柱狀沉積物采樣點

3 結論

3.1 劍湖表層沉積物平均徑和中值粒徑平均值分別為67.22,27.24μm,主要以粉砂粒和細砂為主.V水平空間變異系數為27.34%,較細的沉積物顆粒V含量更高.

3.2 劍湖表層沉積物V可交換態、可還原態、可氧化態和殘渣態水平空間分布規律各異,主要以殘渣態形式存在,V可還原態和殘渣態主要吸附在黏粒和粉砂粒上.

3.3 劍湖柱狀沉積物V垂直空間平均變異系數為34.08%,其分布特征差異大,主要以粉砂粒和細砂為主,少部分區域V含量受黏粒和粉砂粒影響較大.

3.4 劍湖表層沉積物V污染程度小,目前未出現嚴重的污染現象.從垂直空間上看,底層沉積物潛在生態風險高出表層0.87倍.

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致謝：非常感謝西南林業大學國家高原濕地研究中心王行研究員對論文英文部分的修改！

Spatial distribution characteristics and ecological risks of vanadium in sediments from Jianhu Lake, Northwest Yunnan Province, China.

LI Bo1,2, YU Qing-guo1,2*, WEI Feng3, ZHANG Yin-feng1,2, ZHANG Qi4, WANG Sheng-long1,2, LI Li-ping1,2

(1.College of Wetlands, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China；2.National Plateau Wetlands Research Center, Kunming 650224, China；3.College of Ecology and Soil and Water Conservation, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China；4.College of Eco-Environmental Engineering, Guizhou Minzu University, Guiyang 550025, China)., 2019,39(5)：2219~2229

The inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP-OES) was used to determine the concentrations of vanadium in surface and columnar sediments from Jianhu Lake. The modified BCR sequential extraction method was used to extract the different fractions of vanadium, and then the characteristics of spatial distribution and ecological risks of vanadium were assessed, the effects of sediment particle size on the concentrations of vanadium and its fractions were also studied. The results showed that the sediment particles in surface and columnar sediments in Jianhu Lake were mainly composed of silt and fine sand, and the concentrations of vanadium in fine particles were higher. The concentration of vanadium in surface sediments from Jianhu Lake was (117.82±63.31)mg/kg, and its horizontal distribution varied substantially. The concentrations of vanadium in exchangeable, reducible, oxidizable, and residual fraction were (8.91±8.91), (18.36±10.53), (7.67±7.67), (80.22±58.71) mg/kg, respectively. This indicated that vanadium mainly presented in the form of residual fraction. Furthermore, the clay and silt in sediments had a great influence on the reducible and residual fractions of vanadium. The vertical distribution of vanadium also varied greatly, and the concentration of vanadium in bottom sediments was higher than that in surface layer. In addition, the concentrations of vanadium were affected by clay and silt in some areas of Jianhu Lake. The degree of vanadium pollution was mild in sediments from Jianhu Lake, and the potential ecological risks of vanadium were low in most areas. The contamination levels and the potential ecological risks of vanadium in the bottom sediments were higher than those in surface layer.

vanadium；sediment；granularity；spatial distribution；fraction；ecological risk

X131

A

1000-6923(2019)05-2219-11

李 波(1992-),男,重慶長壽人,西南林業大學碩士研究生,主要從事濕地沉積物和水體重金屬污染研究.發表論文1篇.

2018-10-23

*責任作者, 教授, 1170548030@qq.com