长荡湖表层沉积物营养盐与重金属分布及污染评价

2019-11-28李志清吴苏舒吴沛沛徐季雄

中国农村水利水电 2019年11期

李志清，王俊，吴苏舒，吴沛沛，徐季雄，肖鹏

(江苏省水利科学研究院，南京 210017)

湖泊是一个受岩石圈、大气圈、水圈和生物圈综合影响的复杂系统，湖泊底泥的形成是湖泊及流域受物理、生物和化学等综合作用的结果。近年来，由于工业污染，养殖污染，农业和生活污染，大量外源污染物持续不断的进入湖泊，在湖泊中积累，超过湖泊天然自净能力，导致湖泊污染严重[1]。湖泊污染主要表现在两方面，一方面为湖泊富营养化严重，典型表现为蓝藻水华爆发，另外一方面表现为重金属污染，因重金属具有难降解、高毒性、易富集等特点，释放出来的重金属不仅会污染水体，还会通过生物富集和生物放大作用进入食物网，进而对生态系统健康造成危害并危及人类社会，危害巨大[2-4]。

水体中的营养盐(主要为碳氮磷)，通过沉降，扩散等形式汇入沉积物，重金属通过吸附沉降作用富集在沉积物。当水体中营养盐和重金属累积到一定程度时，在风浪扰动、底栖扰动、氧化还原环境改变等条件下，营养盐通过扩散、对流和再悬浮等形式不断向上覆水体释放，重金属通过形态改变、浓度扩散、界面特性改变、释放和溶解等作用，由间隙水进入上覆盖水，成为湖泊的内源污染[5-7]；诸多治湖经验表明，在沉积物内营养盐和重金属未有效降低前，即使没有外源污染，湖泊依然可能在数年呈现富营养化和重金属高污染化状态[8-10]。可见，研究底泥中营养盐的含量，分析重金属风险，对阐明水生态系统中营养盐的循环、转移和积累过程，以及在防止富营养化、控制“内负荷”，抑制重金属污染方面都具有重要意义。

长荡湖地跨金坛、溧阳两县市，湖型为长茄型。具有蓄洪泄涝、供水、渔业等功能，近年来，由于湖泊开发强度大，湖泊水生态出现退化趋势，沉水植物大面积消失，湖水污染严重。当前针对长荡湖水体富营养盐的研究较多，而对表层沉积物营养盐和重金属污染的研究较少。本文基于此，在2017年12月从长荡湖取底泥表层沉积物，分析碳氮磷和重金属含量，分析空间特征，并对污染特征进行评价，以期为长荡湖湖泊治理提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样点设置

根据江苏省人民政府实施的《江苏省省管湖泊保护规划》(苏政复[2006]99号)，依据该规划对长荡湖生态功能区的划分(资源保留区，渔业资源繁保区，生态养殖与景观娱乐区和生态净化与恢复区)，综合考虑不同的生态功能区、地理位置(湖心，湖边)和主要出入湖河道(丹金溧漕河、湟里河和北干河等)，共设置10个采样点(cdh-1～cdh-10)。

图1 长荡湖采样点分布Fig.1 Location of sampling sites in Lake Changdang

1.2 样品采集

用柱状取泥器采集表层0～5 cm沉积物，取样后立即用聚乙烯袋密封，经冷冻干燥机处理后，去除杂物，用玛瑙研体研磨至粉末状，过200目尼龙网网筛后储备使用。

1.3 分析方法

有机质(OM)含量测定采用重铬酸钾容量法；总氮(TN)采用凯氏定氮法；总磷(TP)采用碱溶-钼锑抗分光度法。

重金属的测定参照水利行业标准SL 394-2007进行，Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb在电热板上经过HCl-HNO3-HF-HClO4完全消解后采用电感耦合等离子体质谱仪测定， As和Hg使用荧光分光光度计测定。

1.4 评价方法

营养盐污染评价参考《全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价》进行，重金属污染评价采用地积累指数法进行评价。

1.4.1 《全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价》介绍

中国水利水电科学研究院周怀东、郝红和王雨春等人对全国水系906个监测断面的底泥营养盐进行了检测和评价，编写了《全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价》，其中其对有机质(OM)、总磷(TP)和总氮(TN)评价标准见表1。

表1 沉积物营养盐评价标准Tab.1 Assessment standards of nutrients in sediments

1.4.2 地积累指数法介绍

地积累指数法最早由德国科学家Müller提出，其计算公式为:

(1)

式中：Igeo为地积累指数;Bi为当地沉积物元素i的背景值，本研究采用江苏省重金属环境背景值(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg和Ni的背景值分别为23.4、64.8、22.0、75.6、0.085、9.4、0.025和32.8 mg/kg);Ci为元素i在待测沉积物中的实际含量；k为成岩作用引起的背景值波动参数，参考文献[11]本研究取值为1.5。地累积指数与重金属污染程度如表2所示。

表2 地积累系数与污染级别Tab.2 Igeo and pollution levels

2 结果与讨论

2.1 营养盐含量和空间分布特征

1长荡湖表层沉积物营养盐的含量如表3所示，空间分布如图2所示，结果表明，总磷和总氮变异系数较小，空间分布较均匀。各采样点底泥总磷含量介于523～883 mg/kg，平均值为695 mg/kg，西南部水域总磷含量略高；各采样点底泥总氮含量介于712～1 297 mg/kg，平均值为995 mg/kg，南部水域测点氮含量相对略大；各采样点底泥有机质含量介于0.97%～3.59%，平均值为2.47%，空间分布呈现东北部区域数值较低。总体而言，西部区域的cdh-4，cdh-7和cdh-10的营养盐数值较高。

2.2 营养盐污染评价

长荡湖表层沉积物营养盐统计结果如表3所示，有机质、总磷和总氮的平均值分别为2.47%、695和995 mg/kg，参考《全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价》，均可达到一级断面标准，总体情况良好。

2.3 重金属含量和空间分布特征

表层沉积物重金属含量统计结果如表4所示，重金属Zn的平均含量最高，其值为136.50 mg/kg，Hg的平均含量最低，其值为0.05 mg/kg。从变异系数角度来看，空间分布差异性不大，变异系数数值在0.2附近。与江苏省的土壤重金属背景值相比，8种重金属含量均超过了背景值，Cd、 Hg和Zn三者含量最高，分别达到了背景值的4.35、2.12和2.11倍；对照图3，从空间分布角度来看，西部区域的cd-4，cd-7和cd-10重金属含量较高，这可能是由于周边村镇企业排污、附近的农业污染和入湖的丹金溧漕河污染共同导致的结果，需加强治理。

2.4 重金属污染评价

采用地积累指数法对重金属污染水平和生态危害进行评价的结果如表5所示，重金属Cr、Ni、As和Pb全湖平均Igeo均低于0，处于清洁水平，Cu、Zn和Hg全湖平均Igeo小于1，处于轻度污染水平，Cd全湖平均Igeo小于2，处于偏中度污染。对照图3可以看出，监测点cdh-4和cdh-7污染最严重，该区域附近村庄密集，有王家村、李家庄和湖溪村等，人类活动较为集中，村镇企业排污和生活污水排泄入湖，造成重金属的累积，需要加强治理，减轻污染。