太湖沉積物營養物及重金屬污染分布特征及風險評估

陳 玨,支鳴強,朱德龍,李苑禾,殷 鵬,唐婉瑩,尹洪斌(.南京理工大學化學與化工學院,江蘇 南京 0094；.江蘇省太湖地區水利工程管理處,江蘇 蘇州 58；.江蘇省水資源服務中心,江蘇 南京 009；4.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環境國家重點實驗室,江蘇 南京 0008)

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

太湖是我國第三大淡水湖,具有防洪、供水、水產、旅游和改善生態環境等多種功能[1].近年來,由于社會經濟迅速發展,太湖流域城鎮的工業生產活動增加大量的氮磷等污染物排入水體后,造成太湖富營養化,引發藍藻水華發生.研究表明,當湖泊外源污染輸入超過自身凈化能力,絕大部分的污染物會經過一系列復雜的物理、化學以及物化復合過程最終會蓄積于沉積物中[2-5].太湖沉積物因多年的外源輸入和污染沉積,導致有機質和營養鹽含量居高不下,已成為巨大的潛在污染源.同時對于大型淺水湖泊—太湖而言,蓄積于沉積物中的有機物和營養鹽易在溫度、風浪等影響下再次釋放到上覆水中,從而影響太湖水質,加劇水體富營養化.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注,會通過生物富集和食物鏈放大等效應,最終會危及人類健康[6].

本文通過太湖全湖進行大范圍、加密點位采樣,分析太湖沉積物柱狀樣品中TN、TP、有機質和8 種重金屬污染的賦存狀況,及重金屬的垂向分布特征,評價其生態風險.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

太湖位于我國經濟較發達的長三角經濟帶區域,30°55'40"N～31°32'58"N,119°52'32"E～120°36'10"E 之間,是我國第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,

其采樣點位設置如圖1 所示,共有9 個湖區,53個點位,竺山湖區(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(MS1,XH1)、湖心區(HX1,HX2,HX3,HX4)、東太湖(D1,D2,D3,D4,D5)、南沿岸區(N1,N2,N3)和西沿岸區(X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10).

圖1 太湖沉積物采樣點位分布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,確定具體采樣點位,用柱狀采樣器(內徑8.8cm,長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回實驗室,并在自封袋上標記上點位、采樣編號以及時間.沉積物用FD-1A-50 型冷凍干燥機冷凍干燥后,用研缽研磨過100 目篩后保存待測.

1.3 底泥污染評價方法

目前關于重金屬污染評價的方法有沉積物質量基準法[15]、地累積指數法[16]、潛在生態風險指數法[17]等.其中地累積指數評價法能夠定量評價沉積物中金屬的污染程度,被廣泛應用水體沉積物重金屬污染風險分析中[18].基于重金屬總量與背景值的關系評價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.由于我國尚無評價沉積物中重金屬含量的標準值,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準值進行評價(表1),Igeo為重金屬地累計污染指數,1.5 為考慮成巖作用引起的背景值波動而引入的參數,地累積指數法根據計算得到的Igeo大小將重金屬的污染程度劃分為7 個等級,分級見表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 地累積指數分級[18]Table 2 Geo-accumulation index classification[18]

1.4 測定分析方法

1.4.1 營養鹽分析步驟 沉積物中的總氮(TN)、總磷(TP)含量檢測用過硫酸鉀聯合消解法測定.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,用紫外可見分光光度及在700nm處測定總磷,在210nm 測定總氮[13].

1.4.2 有機質的測定 稱取(0.15±0.005) g 土樣于硬質試管中,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,計算得出有機質含量[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譜儀(ICP-MS)測定,Hg 的含量使用Hydra-c 型全自動測汞儀測定[14].實驗中所用的所有玻璃、塑料器皿均要經2mol/L 的HNO3浸泡24h 并清洗后才可使用,實驗所用試劑均為分析純.

采用Excel 軟件進行數據處理和圖表繪制.利用ArcGIS10.2 軟件進行反距離權重插值法繪制沉積物營養鹽和重金屬元素的二維空間分布特征.

2 結果與討論

2.1 太湖底泥總氮、總磷以及有機物分布特征

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).根據美國環保署(EPA)確定的沉積物TN污染評價標準[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 含量較高的區域主要分布在竺山湖區、東太湖區和西沿岸,這3 個區的0～30cm 的TN 平均值皆高于總體TN 平均值.

圖2 太湖沉積物營養鹽的空間分布Fig.2 Spatial distributions of nutrients in the sediments of Taihu Lake

圖3 沉積物中總氮、總磷和有機質縱向分布特征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).根據美國環保署(EPA)確定的沉積物TP 污染物評價標準[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域有竺山湖區、西沿岸湖區和梅梁湖區.

太湖表層沉積物有機質為1.27%～3.83%,平均2.35%(圖2g);10～20cm 的有機質含量為1.03～ 3.61%,平均2.00%(圖2h);20～30cm 的有機質為0.43%～4.31%,平均1.94%(圖2i).有機質含量較高的區域有東太湖、竺山湖區和貢湖灣區,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]發現竺山灣沉積物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 的數據為 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.本文調查數據基本與前人研究數據相符,且沉積物高值區域主要位于竺山湖以及太湖西沿岸,這與長期的外源輸入有關.

2.1.2 垂向分布特征 太湖總體(含9個湖區)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;有機質的3 層平均值2.35%,2.00%,和1.94%.從總體上看TN、TP 和有機質均隨深度增加而減少,表現出較為明顯的表層富集的特征.

據EPA 確定的沉積物TN 污染評價標準[36],1000～2000mg/kg 為中度污染.絕大部分湖區TN 都在1000mg/kg,即便在20～30cm 也少有低于1000mg/kg,故在20～30cm 的深度,太湖大部分湖區也處于TN 輕度污染.根據EPA 確定的沉積物TP 污染物評價標準,420～650mg/kg 為中度污染,竺山湖區0～30cm 皆處于中度污染,其余湖區大都在10cm 以下的深度的TP 含量低于400mg/kg,為輕度污染.東太湖區的有機質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,可能是因為東太湖沉積物中有機質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,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

研究發現,我國湖泊重金屬污染也是Cd 污染最為嚴重.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 的平均含量遠超于安徽省土壤背景,且Cd 的單因子風險等級達到較重污染等級,是主要污染貢獻因子[7];武漢市的龍陽湖和墨水湖,Cd 是兩湖重金屬污染和生態風險的主要貢獻因子,地累積指數法表明兩湖的Cd 處于偏中度至中度的污染狀態[34];南昌市的3 個湖泊Cd 和Pb 地累積最為嚴重,3 個湖泊的Cd 的風險程度最大[35].

由圖4 可見,Cd 不僅污染范圍大,且污染程度也大.重金屬污染湖區也較為集中,大多分布在竺山湖區、梅梁灣湖區、西沿岸湖區和貢湖灣區,但As 在南沿岸區也有較大的污染范圍.東太湖區、湖心區和東部湖區重金屬污染情況較輕.今后的重金屬污染關注重點應放在竺山湖區、梅梁灣、西沿岸、南沿岸和貢湖灣區這些靠近工業區的湖區,通過追尋同源重金屬來判斷污染源頭.

2.2.2 垂向分布特征 垂向分布上,大部分湖區的重金屬分布與總氮、總磷分布大體一致,均表現為表層富集的特征,重金屬含量隨著深度加深而減少.但個別重金屬(如As、Pb)在部分湖區(除湖心區與東部湖區)會出現20～30cm 比10～20cm 濃度要高的情況,甚至會與表層達到同樣的濃度.這可能由于生物擾動等原因導致的(表3).

2.3 太湖底泥污染評價

2.3.1 氮磷有機質 太湖沉積物氮磷負荷較高,尤其是竺山湖區.竺山湖區TP平均值遠高于其他湖區,為總磷重度污染湖區,同時也是TN 平均值最高的湖區.這是由于竺山灣位于太湖西北部,又處東南風的下風向,自身較容易堆積水生植物和藻類殘體堆積,同時又有多條河流匯入,使得外源輸入增加,導致該湖區總氮總磷含量較高,存在潛在的內源磷釋放的風險[37],這與方佳琪等[5]研究一致.太湖表層沉積物有機質集中在東太湖區,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,但歷史上存在大規模圍網養殖加之該區域常年水生植物死亡分解致使沉積物有機質含量居高不下[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值都屬無污染,由此可見,Cd 需要針對性治理.Zn 的指數與鄧延慧等[1]在2020年的研究相當,但Cd的指數與2020年相比上升很多,需引起重視.根據祁闖等[8]的研究,Cd 在1988 年就處于極強風險,遠超其他重金屬,且生態風險極不穩定,一直是太湖重金屬污染治理的重中之重,即便經過治理,風險有所降低,仍需重視Cd 的污染監測.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、機械制造行業等污水排放有關[22-26].

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

3 結論

3.1 太湖表層沉積物TN含量為561～2070mg/kg, TP含量為308～1156mg/kg,有機質含量為1.27%～3.83%.沉積物營養鹽空間分布較為一致,營養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、東太湖區和西沿岸北部這3 個區域污染最為嚴重,縱向分布上,營養鹽分布為出現表層富集的特征.但太湖總體TN 和TP 在0～30cm 大多處于中度污染,東太湖區0～30cm 沉積物的有機質在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、梅梁灣、西沿岸區和貢湖灣區,在垂向分布上,大部分重金屬在大部分湖區均是表層富集的特征.

3.3 太湖表層沉積物有機質集中在東太湖區,其受水生植物死亡分解影響較大.根據地累積指數評價法,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,屬于無污染范圍.但Cd 相對于其他7 種重金屬,污染面積大且污染程度深.