石臼湖表层沉积物营养盐与重金属分布及污染评价

2020-03-26李志清吴苏舒诸晓华郭刘超徐季雄

水资源保护 2020年2期

李志清，吴苏舒，诸晓华，郭刘超，肖鹏，徐季雄

(1.江苏省水利科学研究院，江苏南京 210017； 2.江苏省水利厅，江苏南京 210029；3.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098)

近年来随着经济的快速发展，农村城市化的进程加速推进，区域河网水质污染严重，湖泊流域正经历前所未有的变化，水生态问题日益凸现[1-4]，主要表现为湖泊富营养化和重金属污染。水体富营养化可导致沉水植被衰退、蓝藻水华暴发和水质恶化等危害[5-7]；重金属具有毒性大、易富集和难分解等特性，而且能通过生物放大作用进入食物链，危害巨大[8-12]。

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中，重金属通过吸附沉降作用富集在沉积物中。当水体中营养盐和重金属累积到一定程度时，在风浪扰动、底栖扰动和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[13-16]，重金属则通过形态改变、浓度扩散、界面特性改变、释放和溶解等作用，由间隙水进入上覆水，成为湖泊的内源污染[17-19]。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，即使无外源污染，湖泊依然可能在数年内呈现富营养化和重金属高污染化状态[20-22]。因而研究表层沉积物中营养盐和重金属的含量、分析空间分布特征和进行污染评价，对湖泊防止富营养化和抑制重金属污染都具有重要意义。

石臼湖为长江下游唯一的直接通江湖泊，位于长江右岸水阳江入江尾闾，地处南京市域西南部。由于受到流域人类活动以及湖区的渔业养殖的干扰，湖泊水生态出现退化趋势。当前对石臼湖水生态研究较少，特别是针对表层沉积物营养盐和重金属污染的研究鲜有报道。本文基于2018年2月从石臼湖表层沉积物采集的样品，分析表层沉积物营养盐和重金属空间分布特征，以期为石臼湖湖泊生态治理提供数据支撑。

1 材料与方法

石臼湖又名北湖，历史上曾经是古丹阳湖的一部分，湖区东北、东南及西部片区行政分属江苏省溧水区、高淳区和安徽省当涂县。石臼湖汇水区域内主要入湖河道有新桥河、天生桥河、石固河等。石臼湖属于构造型淡水湖泊，湖盆呈不规则四边形，东西向最长约22 km，南北向最宽约14 km，湖泊面积214.7 km2，正常蓄水位 5.04 m，相应库容3.4亿m3，主要功能为防洪调蓄、水资源供给、维护生态、航运、渔业养殖、旅游等。

1.1 采样点设置

只有科学合理地在湖区内布设采样点，才能使获取的数据客观反映湖泊生态环境现状，为此，采样点按以下原则布设：①重点突出原则，即主要的出入湖河口、养殖区、水源保护区等均应设置采样点；②全面覆盖原则，依据《江苏省省管湖泊保护规划》(苏政复〔2006〕99号)对石臼湖生态功能区的划分(生态养殖区、生态净化与恢复区、资源保留区和渔业资源繁保区)，保证每个生态功能区都有采样点，石臼湖安徽段没有划分功能区，考虑到采样点应分布到整个湖区，安徽段布设采样点10、11和12。全湖共设置12个采样点，如图1所示。

图1 石臼湖采样点分布Fig.1 Distribution of Shijiu Lake sampling points

1.2 样品采集与分析方法

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。

有机质(OM)、总磷(TP)和总氮(TN)质量比分别采用重铬酸钾容量法、钼锑抗分光光度法和凯式定氮法测定；重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb采用电感耦合等离子体质谱仪测定，As和Hg采用荧光分光光度计测定。

1.3 评价方法

国内尚无系统针对湖泊沉积物营养盐的生态风险评价标准，加拿大安大略省1992年制定了《水生环境沉积物污染评价与控制指南》[23]，本文营养盐污染评价参考该指南进行，重金属污染评价采用潜在生态风险指数法[24]。

1.3.1《水生环境沉积物污染评价与控制指南》

加拿大安大略省根据生态毒性效应制定了《水生环境沉积物污染评价与控制指南》，其对OM、TP和TN评价标准见表1，表中wL为低效应水平，该水平为大多数底栖生物的耐受质量比；wS为严重影响水平，在此质量比下污染物可能对底栖生物产生不利影响。当污染物质量比低于wL时，为无污染风险；当污染物质量比在wL与wS之间时，为较低污染风险；当污染物质量比高于wS时，为较高污染风险。

表1 沉积物OM、TP、TN污染评价标准Table 1 Criteria for evaluating OM, TP and TN in sediments mg/kg

1.3.2潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法综合考虑了重金属的毒性、评价区域对重金属污染的敏感性以及重金属区域背景值的差异，可用于评价沉积物中重金属的潜在生态影响。潜在生态风险指数分为单项重金属潜在风险指数和综合重金属风险指数，计算公式为

(1)

(2)

式中：Eri为重金属i的潜在生态风险指数；Tri为重金属i的毒性响应系数，反映重金属的毒性水平及生物对重金属污染的敏感程度;wi为重金属i质量比的实测值，mg/kg；wni为重金属i质量比的背景值，mg/kg；IR为综合潜在生态风险指数。重金属As、Hg、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd的Tri分别为10、40、2、5、5、5、1、30。重金属污染生态危害程度划分标准见表2。

表2 重金属污染生态危害程度划分标准Table 2 Classification standard for ecological harm degree of heavy metal pollution

2 结果分析

2.1 营养盐空间分布特征和污染评价

石臼湖表层沉积物营养盐的质量比如表3所示，空间分布如图2所示。从表3和图2可知，采样点表层沉积物OM空间分布呈现南部区域高于北部区域；TP和TN变异系数较小，空间分布较均匀，南部和东北部区域TP质量比略高，东南部区域氮质量比相对略高。总体而言，东部区域的营养盐质量比相对较高，尤其是采样点8和9附近。采样点9位于生态养殖区，靠近骆山，骆山附近有骆山村、山北史家村和小陈家村等村落，居民较多，渔业养殖过程中饵料投喂导致大量的氮、磷和有机质汇入湖泊，并不断在沉积物中累积，加上人类活动产生的生活污染侵入湖泊，从而造成该区域附近营养盐质量比较高。

表3 石臼湖表层沉积物营养盐监测结果Table 3 Nutrient monitoring results of surface sediments in Shijiu Lake

参考加拿大安大略省《水生环境沉积物污染评价与控制指南》，TP为无污染风险级别，OM和TN处于低污染风险级别，总体情况良好。采样点8、9区域营养盐质量比相对较高，建议采取生态清淤等措施，以降低表层沉积物内源污染的风险。

2.2 重金属空间分布特征和污染评价

表层沉积物重金属质量比统计结果如表4所示，重金属Zn的平均质量比最高，Hg最低。从变异系数角度来看，空间分布差异性不大，变异系数在0.2附近。与江苏省的土壤重金属背景值[25]相比，8种重金属质量比均超过了背景值，Cd、Zn、Hg、As、Cu和Pb质量比分别达到了背景值的2.01、1.92、1.88、1.75、1.64和1.63倍；对照图3，从空间分布角度来看，东部区域的重金属质量比较高，尤其是采样点5附近区域污染严重，重金属质量比都比较高，该区域附近的采样点8、9的重金属质量比也较高。采样点5区域附近污染严重可能是由于骆山附近的村镇(骆山村、山北史家村、小陈家村等)企业排污、农业污染和入湖的幸福河污染等共同导致的结果，需加强治理。

(a) OM

(b) TP

(c) TN图2 不同采样点表层沉积物中营养盐的质量比(单位：mg/kg)Fig.2 Mass ratio of nutrients in surface sediments at different sampling points (unit: mg/kg)

表4 石臼湖表层沉积物重金属监测结果
Table4ResultsofheavymetalsmonitoringinsurfacesedimentsinShijiuLake

(a) Cr

(b) Ni

(d) Zn

(e) As

(f) Cd

(g) Hg

(h) Pb图3 不同采样点表层沉积物重金属的质量比分布(单位：mg/kg)Fig.3 Mass ratio distribution of heavy metals in surface sediments from different sampling points(unit: mg/kg)

采用潜在生态风险指数法对重金属污染水平和生态危害进行评价,单项重金属潜在风险指数结果表明，Hg和Cd污染相对较重，8种重金属毒性从大到小顺序为Hg、Cd、As、Cu、Pb、N、Cr、Zn，对照表2，Hg和Cd为中等危害等级，其余重金属为轻度危害等级。综合重金属风险指数为180.01，为中等危害等级，这主要是因为Hg和Cd的污染贡献较大，需及时治理。Hg污染较重的采样点为3、5、6、7和12，采样点3附近的入湖河道为天生桥河，采样点5、6附近的入湖河道为新桥河，采样点7、12附近的入湖河道为石固河；Cd污染较重的为采样点4、8和9，采样点4、9附近的入湖河道为饮水河，采样点8附近的入湖河道为幸福河，可见控制入湖河道的污染对于湖泊的重金属污染治理具有重大意义。