太湖流域上游河网沉积物中铜的空间分布与污染特征

摘 要：在太湖流域上游的河网中设置35个沉积物采样点，采集表层沉积物样品后，用Tessier法对不同形态的铜（Cu）进行提取分析，应用地积累指数法、次生相-原生相比值法评价河网中沉积物中Cu的潜在生态风险。结果表明：太湖流域上游河网表层沉积物Cu浓度在14～252mg/kg，在空间上存在较大的差异，其中下游河段沉积物中铜的污染较为严重，Cu浓度最高出现在常州下游的入湖区域附近。

关键词：太湖流域;平原河网;沉积物;铜;生态风险

中图分类号 X524  文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）17-0145-04

Spatial Distribution and Pollution Characteristics of Copper in Upper River Network Sediments of Taihu Lake Basin

WANG Conghui

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract：Thirty-five sediment sampling points were set up in the river network in the upper reaches of Taihu Basin.After the surface sediment samples were collected， different forms of Copper （Cu） were extracted and analyzed by Tessier method， Then the potential ecological risk of Cu in the sediments in the river network was evaluated by the geocentesis index method and the secondary facies-primary comparison value method.The results show that the concentration range of Cu in the surface sediments of the upper reaches of taihu Basin is 14～252 mg/kg， and there is a great difference in space， among which the copper pollution in the sediments of the lower reaches is relatively serious， and the concentration of Cu is highest near the lake-entering area in the lower reaches of Changzhou.

Key words：Taihu Basin; Plain river network; Sediments; Copper; Ecological risk

重金屬作为一种典型的环境污染物，其环境污染和生态环境效应倍受关注。受到人类活动的影响，大部分受纳水体，如河流、湖泊、水库、海洋中的沉积物中都观察到了一定浓度的金属累积，对水生态系统和人类健康产生了潜在威胁。流域是金属物质的来源所在，金属污染的有效控制要求在给定的流域范围内对它们的来源和运输过程有较清晰的认识和理解，其受流域地质特征、土地利用类型、水系复杂性及金属自身性质的影响[1-4]。作为连接流域和储蓄水体的通道，河网中金属的沉积信息对与揭示它们的来源，运输过程及对下游水域生态系统潜在危险具有重要作用[5]。铜（Cu）是生物所必需的微量元素，但是过量的Cu元素进入到生物体内会影响生物的新陈代谢活动和造成组织损伤，其一直是金属研究的重要课题。

太湖流域位于我国经济最为发达的长三角地区，工农业污染较为严重，其中金属元素一直是研究关注的重点领域。但由于河网密布，水文水动力条件较为复杂，对其空间分布特征有助于理解金属污染的来源及其在河网中的输运过程[6-9]。为此，本研究着重探究太湖流域上游河网中沉积物金属Cu污染的空间分布、赋存形态及生态风险，为流域金属污染的治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域和布点 太湖流域占地面积36895km2，拥有6千万人口，并且GDP占中国的10%以上。其中，太湖面积2338km2，是中国第3大淡水湖，包括金属污染在内的各种生态环境问题倍受关注。研究区域位于上游平原河网区，主要由城市间运河构成，东西贯通、南北交汇。研究中设置的35个采样点位于太湖流域西部和北部的主干河网中（宜溧-洮滆水系）。采样点依次设置为东西流向的河流包括京杭运河（J1～J3），太滆运河（T1～T3），北溪河支流（B1～B5）和南溪河（N1～N5）以及它们的汇合段（Y1～Y3）。南北流向采样河流包括丹金溧漕河（D1～D4），孟津河（M1～M4），武宜运河（W1～W2），锡溧漕河（X1、X2，X4）以及横塘河（H）。同时，在邻近湖区的入流河流设置2个采样点，分别命名为TH1和TH2（见图1）。

利用彼得森重力取样器，在设定的各采样点随机采集2份表层沉积物样品，现场去除贝类、枯枝落叶等杂物后混合均匀并装入聚乙烯袋密封，于2014年1月完成沉积物的采集工作，然后低温保存，在自然条件下风干、研磨、过筛、保存后进行进一步分析。

1.2 河网沉积物Cu的含量及相关理化指标

1.2.1 Cu的形态提取 研究使用Tessier法进行Cu形态的提取。准确称取（2.0±0.0002）g样品，加入1.0M的氯化镁，1.0M的乙酸钠，0.04M的盐酸羟胺溶液（25%的乙酸作底液），0.02M的硝酸然后加入30%过氧化氢，冷却后加入3.2M的醋酸铵溶液，最后用氢氟酸、高氯酸、浓硝酸消解。提取的Cu形态分别是可交换态（F1）、碳酸盐结合态（F2）、铁锰氧化物结合态（F3）、有机结合态（F4）及残渣态（F5）。提取后的溶液经0.45μm针孔醋酸纤维素膜过滤器过滤，用原子吸收分光光度法（TAS-990，北京普析通用）测定Cu的浓度。

1.3 评价方法 采用地积累指数法（Igeo）和次生相与原生相比值法（RSP）作为Cu潜在生态风险评价方法在，主要评价标准划分见表1。

[Igeo]是一种定量指标，主要是对于水环境沉积物中重金属污染的评价，具体公式如下：

Igeo=log2（[Cn1.5Bn]）

式中：[Cn]是被测元素重金属n在粒径小于100目沉积物中的浓度;[Bn]被测元素n的平均地球化学背景值，1.5是作为校正风化引起的背景值差异的系数。

[RSP]法是一种基于形态学研究的方法，主要计算公式如下：

[RSP=Msec/Mprim]

式中：[RSP]表示重金属污染的程度;[Msec]表示在次生相中所含重金属的浓度;[Mprim]表示在原生相中的重金属浓度。

3 结果与分析

3.1 沉积物Cu的空间分布及形态 研究区域河网沉积物Cu的浓度在14～252mg/kg，平均值为64.6mg/kg（见表2）。

河网沉积物Cu的浓度呈现出较大的空间变化（见图2），流域最上游的丹金溧漕河呈现出很低的Cu浓度，平均值为28mg/kg，而中游河流采样点沉积物Cu的浓度适中。Cu浓度最高的区域是城市化程度较高的下游河流，其中京杭运河、常州的锡溧漕河浓度高，T2采样点Cu浓度达到252mg/kg。

沉积物Cu的形态分析结果表明：河网沉积物中Cu主要集中在残渣态和有机结合态，平均占总Cu浓度的37%和32%，其次是碳酸盐结合态和离子交换态，分别占15%和12%。除各河流Cu的形态组成相似外，上下游河流沉积物铜的形态组分间百分比组成无明显差异。

3.2 河网沉积物Cu的污染特征 和沉积物Cu浓度的空间分布一致，Cu的污染程度在空间上大致呈现出北高南低、东高西低的分布特征（见图2）。Cu的Igeo值在-1.0～3.2，平均值为0.9，表明大多数采样点处于未受污染至中度污染的状态。沉积物中铜的RSP值在0.38～3.1，平均值为1.5，也表明污染程度较低（见图3）。

4 讨论

除流域土壤母质因素外，人为活动是导致金属在环境中累积的重要原因，流域农业活动、城镇化和工业化都会导致沉积物中金属污染的增加[10]。一般来说，农业用地营养负荷占主要成分，城市用地金属负荷占主要成分[11]。太湖上游流域平原河网的研究结果也反映了在流域范围内混合土地利用的沉积物中金属有这种趋势。上游区域农业用地为主，占总用地的70.7%，丹金溧漕河采样点D1～D4中Cu的Igeo值为-0.1（图2），Cu的污染最低。而沉积物中Cu的污染在中下游呈现出明显增加的趋势，在下游河流所在区域城镇建设用地比率约70%，体现了城镇化和工业化对Cu浓度增加的贡献[12]。

此外，Cu的分布和迁移还受到航运扰动活动的影响较大。河网沉积物在不断扰动的情况下，波浪导致沉积物悬浮在上覆水体中，从而易于造成较小颗粒沉积物的迁移，下游的沉积物重金属的污染也相应随之增加，而和太湖中沉积物的Cu污染相比，河网沉积物的铜污染较为严重。

尽管太湖流域上游平原河网Cu的濃度随城镇化增加明显，但评价结果显示其生态风险相对较小，主要是由于其结合形态造成的。形态分析表明，Cu在沉积物中的主要结合形态为残渣态和有机质结合态，其在环境中的释放风险相对较小，但下游城镇区域的风险也不容忽视，需要在流域金属防控中予以重点关注[13-15]。

5 结论

太湖流域的上游河网表层沉积物Cu的浓度在14～252mg/kg，在空间上分布呈现从上游区域到下游区域逐渐增加的趋势，京杭运河下游段浓度最高，这与区域城镇比率一致。由于Cu的结合形态主要以残渣态和铁锰结合态为主，流域沉积物Cu的生态风险总体较小;但下游区域部分站点表现出重度甚至中度污染的状态，在流域Cu污染防控中需要予以关注。

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（責编：张宏民）