太湖沉積物營(yíng)養(yǎng)物及重金屬污染分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

陳 玨,支鳴強(qiáng),朱德龍,李苑禾,殷 鵬,唐婉瑩,尹洪斌(.南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,江蘇 南京 0094；.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處,江蘇 蘇州 58；.江蘇省水資源服務(wù)中心,江蘇 南京 009；4.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 0008)

目前,我國(guó)長(zhǎng)江中下游大部分湖泊沉積物均存在不同程度的營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬污染.有研究表明太湖的竺山灣沉積物總磷(TP)為重度污染[1-5],沉積物有機(jī)質(zhì)以藻源性為主.另外,太湖流域的滆湖沉積物TN 幾乎均處于重度污染狀態(tài),TP 在絕大部分區(qū)域也處于重度污染狀態(tài)[6].另有研究報(bào)道,巢湖南淝河入湖河口區(qū)域沉積物TN、TP、有機(jī)質(zhì)及重金屬存在不同程度污染,具有潛在釋放的風(fēng)險(xiǎn)[7].

太湖是我國(guó)第三大淡水湖,具有防洪、供水、水產(chǎn)、旅游和改善生態(tài)環(huán)境等多種功能[1].近年來(lái),由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,太湖流域城鎮(zhèn)的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)增加大量的氮磷等污染物排入水體后,造成太湖富營(yíng)養(yǎng)化,引發(fā)藍(lán)藻水華發(fā)生.研究表明,當(dāng)湖泊外源污染輸入超過(guò)自身凈化能力,絕大部分的污染物會(huì)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)以及物化復(fù)合過(guò)程最終會(huì)蓄積于沉積物中[2-5].太湖沉積物因多年的外源輸入和污染沉積,導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽含量居高不下,已成為巨大的潛在污染源.同時(shí)對(duì)于大型淺水湖泊—太湖而言,蓄積于沉積物中的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽易在溫度、風(fēng)浪等影響下再次釋放到上覆水中,從而影響太湖水質(zhì),加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化.另外,沉積物中重金屬作為具有潛在危害性的污染物,以其高毒性、累積性、遷移性、難降解等特性而倍受關(guān)注,會(huì)通過(guò)生物富集和食物鏈放大等效應(yīng),最終會(huì)危及人類健康[6].

本文通過(guò)太湖全湖進(jìn)行大范圍、加密點(diǎn)位采樣,分析太湖沉積物柱狀樣品中TN、TP、有機(jī)質(zhì)和8 種重金屬污染的賦存狀況,及重金屬的垂向分布特征,評(píng)價(jià)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

太湖位于我國(guó)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域,30°55'40"N～31°32'58"N,119°52'32"E～120°36'10"E 之間,是我國(guó)第3 大淡水湖泊,水面面積為2338 km2,平均水深為1.9m,流域面積為36500km2.太湖流域河網(wǎng)密布,有172 條入湖河流,年均入湖水量為88億m3,平均換水周期180d,

其采樣點(diǎn)位設(shè)置如圖1 所示,共有9 個(gè)湖區(qū),53個(gè)點(diǎn)位,竺山湖區(qū)(ZS1,ZS2,ZS3,ZS4,ZS5,ZS6,ZS7,ZS8,ZS9,ZS10)、月亮灣(YL1,YL2,YL3)、梅梁灣(ML1,ML2,ML3,ML4,ML5,ML6,ML7,ML8)、貢湖灣(G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7,G8) 、 東部湖區(qū)(MS1,XH1)、湖心區(qū)(HX1,HX2,HX3,HX4)、東太湖(D1,D2,D3,D4,D5)、南沿岸區(qū)(N1,N2,N3)和西沿岸區(qū)(X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10).

圖1 太湖沉積物采樣點(diǎn)位分布Fig.1 Sediments sampling sites in sediments of Taihu Lake

1.2 樣品采集與處理

借助手持式GPS 定位儀,確定具體采樣點(diǎn)位,用柱狀采樣器(內(nèi)徑8.8cm,長(zhǎng)50cm)采約30～40cm的底泥柱狀樣品,然后將其分層切樣,將混合后的部分樣品放入聚乙烯自封袋中冷凍保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,并在自封袋上標(biāo)記上點(diǎn)位、采樣編號(hào)以及時(shí)間.沉積物用FD-1A-50 型冷凍干燥機(jī)冷凍干燥后,用研缽研磨過(guò)100 目篩后保存待測(cè).

1.3 底泥污染評(píng)價(jià)方法

目前關(guān)于重金屬污染評(píng)價(jià)的方法有沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法[15]、地累積指數(shù)法[16]、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[17]等.其中地累積指數(shù)評(píng)價(jià)法能夠定量評(píng)價(jià)沉積物中金屬的污染程度,被廣泛應(yīng)用水體沉積物重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)分析中[18].基于重金屬總量與背景值的關(guān)系評(píng)價(jià)沉積物中重金屬的污染程度[19].公式如式(1):

式中:Cn為重金屬n 在沉積物中的含量;Bn為本底值.由于我國(guó)尚無(wú)評(píng)價(jià)沉積物中重金屬含量的標(biāo)準(zhǔn)值,因此在本研究中采用太湖流域土壤中重金屬自然本底值作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行評(píng)價(jià)(表1),Igeo為重金屬地累計(jì)污染指數(shù),1.5 為考慮成巖作用引起的背景值波動(dòng)而引入的參數(shù),地累積指數(shù)法根據(jù)計(jì)算得到的Igeo大小將重金屬的污染程度劃分為7 個(gè)等級(jí),分級(jí)見(jiàn)表2.

表1 太湖底泥重金屬參比值(mg/kg) [20]Table 1 The reference value of heavy metals in sediments of Taihu Lake(mg/kg)[20]

表2 地累積指數(shù)分級(jí)[18]Table 2 Geo-accumulation index classification[18]

1.4 測(cè)定分析方法

1.4.1 營(yíng)養(yǎng)鹽分析步驟 沉積物中的總氮(TN)、總磷(TP)含量檢測(cè)用過(guò)硫酸鉀聯(lián)合消解法測(cè)定.稱取(0.02±0.005) g 左右泥樣于比色管中,加入20mL 去離子水、25mL 氧化劑(1L 水中加入20g 過(guò)硫酸鉀和3g 氫氧化鈉)放入YXQ-LS-50G 的滅菌鍋中在120℃下消解30min.降溫后,取3mL 所得溶液,加入300uL鉬銻顯色劑,用紫外可見(jiàn)分光光度及在700nm處測(cè)定總磷,在210nm 測(cè)定總氮[13].

1.4.2 有機(jī)質(zhì)的測(cè)定 稱取(0.15±0.005) g 土樣于硬質(zhì)試管中,加入5mL 的重鉻酸鉀和5mL 濃硫酸,置于油浴鍋中170℃～180℃油浴5mins,用硫酸亞鐵滴定,計(jì)算得出有機(jī)質(zhì)含量[33].

1.4.3 重金屬分析 稱取(0.1±0.005) g 土樣,利用四酸法(硝酸+高氯酸+氫氟酸+鹽酸)消解,取冷卻后得到的澄清溶液1mL 稀釋到10mL.重金屬(As、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr)的含量使用安捷倫7700X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定,Hg 的含量使用Hydra-c 型全自動(dòng)測(cè)汞儀測(cè)定[14].實(shí)驗(yàn)中所用的所有玻璃、塑料器皿均要經(jīng)2mol/L 的HNO3浸泡24h 并清洗后才可使用,實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純.

采用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制.利用ArcGIS10.2 軟件進(jìn)行反距離權(quán)重插值法繪制沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬元素的二維空間分布特征.

2 結(jié)果與討論

2.1 太湖底泥總氮、總磷以及有機(jī)物分布特征

2.1.1 平面空間分布特征 太湖表層(0～10cm)沉積物的TN 含量為561～2707mg/kg,平均1502mg/kg(圖2a),10～20cm 的TN 含量為669～2786mg/kg,平均1360mg/kg(圖2b);20～30cm 的 TN 含量為177～3131mg/kg,平均1295mg/kg(圖2c).根據(jù)美國(guó)環(huán)保署(EPA)確定的沉積物TN污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[36]:沉積物TN含量低于1000mg/kg 為清潔;1000～2000mg/kg 為中度污染;高于2000mg/kg,為重度污染.故太湖總體平均處于輕度污染,沉積物TN 含量較高的區(qū)域主要分布在竺山湖區(qū)、東太湖區(qū)和西沿岸,這3 個(gè)區(qū)的0～30cm 的TN 平均值皆高于總體TN 平均值.

圖2 太湖沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽的空間分布Fig.2 Spatial distributions of nutrients in the sediments of Taihu Lake

圖3 沉積物中總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)縱向分布特征Fig.3 Vertical distribution of TN、TP and organic matter in sediments

太湖表層沉積物TP 含量為308～1156mg/kg,平均532mg/kg(圖2d);10～20cm 的TP 含量為246～1355mg/kg,平均482mg/kg(圖2e);20～30cm 的TP 含量為148～1486mg/kg,平均443mg/kg(圖2f).根據(jù)美國(guó)環(huán)保署(EPA)確定的沉積物TP 污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[36]:沉積物TP 低于420mg/kg 為輕度污染;420～650mg/kg 為中度污染;高于650mg/kg 為重度污染.故太湖總體平均處于中度污染,其中沉積物總磷含量較高區(qū)域有竺山湖區(qū)、西沿岸湖區(qū)和梅梁湖區(qū).

太湖表層沉積物有機(jī)質(zhì)為1.27%～3.83%,平均2.35%(圖2g);10～20cm 的有機(jī)質(zhì)含量為1.03～ 3.61%,平均2.00%(圖2h);20～30cm 的有機(jī)質(zhì)為0.43%～4.31%,平均1.94%(圖2i).有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域有東太湖、竺山湖區(qū)和貢湖灣區(qū),與總氮總磷分布特征較為一致.圖2g、h、i 污染范圍隨著深度的增加而減少.

陸志華等[32]得出太湖TN 為346～ 4800mg/kg,平均 1146mg/kg,TP 為 317～2124mg/kg, 平均668.47mg/kg;2019 年方佳琪等[5]發(fā)現(xiàn)竺山灣沉積物TN 為 520～1840mg/kg, 平均 1110mg/kg,TP 為450～1700mg/kg,平均930mg/kg;2020 年鄧延慧等[1]研究表明,TN 的數(shù)據(jù)為 550～2200mg/kg,平均1010mg/kg,TP 為171～1460mg/kg,平均510mg/kg;張曼等[33]指出,太湖竺山灣和貢湖灣的 TN 為905～2617mg/kg, 平均 1570mg/kg,TP 為 272～588mg/kg,平均332mg/kg.本文調(diào)查數(shù)據(jù)基本與前人研究數(shù)據(jù)相符,且沉積物高值區(qū)域主要位于竺山湖以及太湖西沿岸,這與長(zhǎng)期的外源輸入有關(guān).

2.1.2 垂向分布特征 太湖總體(含9個(gè)湖區(qū))TN在0～10cm、10～20cm 和20～30cm 的平均值分別為1502,1360,1294mg/kg;TP 的3 層平均分別為532,482,443mg/kg;有機(jī)質(zhì)的3 層平均值2.35%,2.00%,和1.94%.從總體上看TN、TP 和有機(jī)質(zhì)均隨深度增加而減少,表現(xiàn)出較為明顯的表層富集的特征.

據(jù)EPA 確定的沉積物TN 污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[36],1000～2000mg/kg 為中度污染.絕大部分湖區(qū)TN 都在1000mg/kg,即便在20～30cm 也少有低于1000mg/kg,故在20～30cm 的深度,太湖大部分湖區(qū)也處于TN 輕度污染.根據(jù)EPA 確定的沉積物TP 污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),420～650mg/kg 為中度污染,竺山湖區(qū)0～30cm 皆處于中度污染,其余湖區(qū)大都在10cm 以下的深度的TP 含量低于400mg/kg,為輕度污染.東太湖區(qū)的有機(jī)質(zhì)濃度雖然也隨著深度的增加而減少,但總體也是處于2.0%以上,高于太湖總體平均值,可能是因?yàn)闁|太湖沉積物中有機(jī)質(zhì)含量受水生植物死亡分解影響較大.

2.2 太湖底泥重金屬分布特征

2.2.1 平面空間分布特征 由太湖0～30cm沉積物重金屬(Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As、Zn、Cu)的分布(圖4)可見(jiàn),各重金屬平均含量與江蘇省背景值比值為Cd(4.04)>Zn(1.69)>Cu(1.49)>Hg(1.41)>Ni(1.39)>Pb(1.32)>As(1.23)>Cr(1.17),各重金屬的平均含量為 Cd(0.52mg/kg)、Cr(80.13mg/kg)、Hg(0.11mg/kg)、Ni(39.26mg/kg)、Pb(32.27mg/kg)、As(10.47mg/kg)、Zn(102.99mg/kg)和Cu(33.18mg/kg).所以各重金屬都存在一定的污染,尤其以Cd 最為嚴(yán)重.

圖4 太湖沉積物重金屬的空間分布Fig.4 Spatial distributions of heavy metals in the sediments of Taihu Lake

研究發(fā)現(xiàn),我國(guó)湖泊重金屬污染也是Cd 污染最為嚴(yán)重.滆湖Cd 和As 為主要污染物,且已受到Cd 中度-偏重度污染[6];巢湖Cd 和Hg 的平均含量遠(yuǎn)超于安徽省土壤背景,且Cd 的單因子風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到較重污染等級(jí),是主要污染貢獻(xiàn)因子[7];武漢市的龍陽(yáng)湖和墨水湖,Cd 是兩湖重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要貢獻(xiàn)因子,地累積指數(shù)法表明兩湖的Cd 處于偏中度至中度的污染狀態(tài)[34];南昌市的3 個(gè)湖泊Cd 和Pb 地累積最為嚴(yán)重,3 個(gè)湖泊的Cd 的風(fēng)險(xiǎn)程度最大[35].

由圖4 可見(jiàn),Cd 不僅污染范圍大,且污染程度也大.重金屬污染湖區(qū)也較為集中,大多分布在竺山湖區(qū)、梅梁灣湖區(qū)、西沿岸湖區(qū)和貢湖灣區(qū),但As 在南沿岸區(qū)也有較大的污染范圍.東太湖區(qū)、湖心區(qū)和東部湖區(qū)重金屬污染情況較輕.今后的重金屬污染關(guān)注重點(diǎn)應(yīng)放在竺山湖區(qū)、梅梁灣、西沿岸、南沿岸和貢湖灣區(qū)這些靠近工業(yè)區(qū)的湖區(qū),通過(guò)追尋同源重金屬來(lái)判斷污染源頭.

2.2.2 垂向分布特征 垂向分布上,大部分湖區(qū)的重金屬分布與總氮、總磷分布大體一致,均表現(xiàn)為表層富集的特征,重金屬含量隨著深度加深而減少.但個(gè)別重金屬(如As、Pb)在部分湖區(qū)(除湖心區(qū)與東部湖區(qū))會(huì)出現(xiàn)20～30cm 比10～20cm 濃度要高的情況,甚至?xí)c表層達(dá)到同樣的濃度.這可能由于生物擾動(dòng)等原因?qū)е碌?表3).

2.3 太湖底泥污染評(píng)價(jià)

2.3.1 氮磷有機(jī)質(zhì) 太湖沉積物氮磷負(fù)荷較高,尤其是竺山湖區(qū).竺山湖區(qū)TP平均值遠(yuǎn)高于其他湖區(qū),為總磷重度污染湖區(qū),同時(shí)也是TN 平均值最高的湖區(qū).這是由于竺山灣位于太湖西北部,又處東南風(fēng)的下風(fēng)向,自身較容易堆積水生植物和藻類殘?bào)w堆積,同時(shí)又有多條河流匯入,使得外源輸入增加,導(dǎo)致該湖區(qū)總氮總磷含量較高,存在潛在的內(nèi)源磷釋放的風(fēng)險(xiǎn)[37],這與方佳琪等[5]研究一致.太湖表層沉積物有機(jī)質(zhì)集中在東太湖區(qū),主要受水生植物死亡分解影響較大.東太湖周圍多為出湖河流,受生活污水小,但歷史上存在大規(guī)模圍網(wǎng)養(yǎng)殖加之該區(qū)域常年水生植物死亡分解致使沉積物有機(jī)質(zhì)含量居高不下[38].

2.3.2 重金屬 由表4 可知,太湖表層沉積物中, Cd的Igeo在1～2 之間屬于偏中度污染,Zn 的Igeo值在0～1 之間屬于輕度污染,其余重金屬的Igeo值都屬無(wú)污染,由此可見(jiàn),Cd 需要針對(duì)性治理.Zn 的指數(shù)與鄧延慧等[1]在2020年的研究相當(dāng),但Cd的指數(shù)與2020年相比上升很多,需引起重視.根據(jù)祁闖等[8]的研究,Cd 在1988 年就處于極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn),遠(yuǎn)超其他重金屬,且生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極不穩(wěn)定,一直是太湖重金屬污染治理的重中之重,即便經(jīng)過(guò)治理,風(fēng)險(xiǎn)有所降低,仍需重視Cd 的污染監(jiān)測(cè).太湖沉積物鎘的污染與歷史上太湖周邊的冶煉工廠、電鍍行業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)等污水排放有關(guān)[22-26].

表4 太湖表層沉積物重金屬元素指數(shù)分布Table 4 Index distributions of heavy metals elements in the surface sediments of Taihu Lake

3 結(jié)論

3.1 太湖表層沉積物TN含量為561～2070mg/kg, TP含量為308～1156mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量為1.27%～3.83%.沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽空間分布較為一致,營(yíng)養(yǎng)鹽含量由湖中心往湖四周方向逐步增加,尤其以湖西北部的竺山湖區(qū)、東太湖區(qū)和西沿岸北部這3 個(gè)區(qū)域污染最為嚴(yán)重,縱向分布上,營(yíng)養(yǎng)鹽分布為出現(xiàn)表層富集的特征.但太湖總體TN 和TP 在0～30cm 大多處于中度污染,東太湖區(qū)0～30cm 沉積物的有機(jī)質(zhì)在2.00%以上,因其受水生植物死亡分解影響較大.

3.2 各重金屬在太湖沉積物0～30cm的平均含量為Cd(0.52mg/kg)、Cr(80.13mg/kg)、Hg(0.11mg/kg)、Ni(39.26mg/kg)、Pb(32.27mg/kg)、As(10.47mg/kg)、Zn(102.99mg/kg)和Cu(33.18mg/kg).重金屬分布在空間分布上也較為一致,大部分重金屬集中在竺山湖區(qū)、梅梁灣、西沿岸區(qū)和貢湖灣區(qū),在垂向分布上,大部分重金屬在大部分湖區(qū)均是表層富集的特征.

3.3 太湖表層沉積物有機(jī)質(zhì)集中在東太湖區(qū),其受水生植物死亡分解影響較大.根據(jù)地累積指數(shù)評(píng)價(jià)法,8 種重金屬中只有Cd 和Zn 的Igeo大于1,分別為偏中度和輕度污染,其余重金屬的Igeo值都小于零,屬于無(wú)污染范圍.但Cd 相對(duì)于其他7 種重金屬,污染面積大且污染程度深.