鄱阳湖南矶山湿地沉积物-植物体系中汞分布特征解析*

2021-06-01张小龙张湘文吴代赦王香莲王静岚赖碧海邓毓峡

环境污染与防治 2021年5期

张小龙黄庭# 张湘文吴代赦,2 王香莲王静岚赖碧海邓毓峡

(1.南昌大学资源环境与化工学院，江西南昌 330031；2.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西南昌 330031；3.江西科技师范大学化学化工学院，江西南昌 330047)

汞是全球环境污染物，具有高毒性、长距离迁移转化的特征[1]，人体过量摄入汞会对健康产生不可逆伤害[2]。区域汞污染会影响到其生态结构和功能[3]，沉积物作为汞的主要迁移扩散与富集的转换点，是汞的最终归宿，也是众多水生生物的栖息地[4]。水俣病事件后，汞在土壤、水体、沉积物等体系中蓄积与传递已有广泛的研究[5-6]，但是在沉积物-植物体系中的分布特征少有报道。芦苇(Phragmitesaustralis)不同组织对重金属吸附累积能力很强[7]，其根部和地上部分对重金属的富集系数均大于其他植物。此外，人工湿地芦苇对不同重金属吸附迁移能力也不同[8]。

鄱阳湖由于丰、枯水期水位周期性交替及自然环境变化，形成了由水域、泥滩、草滩等构成的湿地生态系统[9]。随着泥沙淤积，河床升高，水域面积缩小，周期性淹水变化促使上游及下游的水携带污染物汇集到鄱阳湖，造成重金属累积[10]。湖口县位于鄱阳湖的上游，与长江接壤，湖口段沉积物中重金属的平均含量均超过湖区背景值[11]，在抚河、信江及鄱江三角洲水底部分出现了汞污染[12]。湖体表层沉积物随着底层的扰动，重金属含量分布差异很大，污染程度较高，其中汞潜在生物毒性风险较高[13]。此外，鄱阳湖湖区农田土壤汞含量累积已达到中等生态危害程度[14-15]。南矶山湿地位于鄱阳湖南部近岸湖域中，芦苇、山类芦(Neyraudiamontana)是该区域典型植被，芦苇植株较高，根茎十分发达，茎上多节，叶片似针形；山类芦植株较矮，密生，茎上少节，叶片呈长条形。两种植物能用于湿地中有毒污染物的指示与治理[16-17],[18]80。

目前针对鄱阳湖地区沉积物剖面及植物各部位汞含量的特征性分析成果较少。因此，本研究测定了南矶山湿地沉积物和典型的植物样品中汞含量与灰分基汞含量，分析不同剖面沉积物理化性质与汞含量的关系，探讨沉积物剖面与植物样品中汞的分布累积特征，并初步探究了汞在沉积物中的垂向变化特征，为改善湿地生态环境和污染治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点布置与样品采集

综合考虑区域的土地分布、水域面积、植被环境等因素，设置7个采样点,沉积物采取钻孔取样，深度为24 cm，以2 cm分样，共获得沉积物样品84个；芦苇、山类芦样品于沉积物采样点半径1 m范围内取样,共获得植物样品14个；所有样品装袋并贴好标签于实验室存储。采样点分布见图1。

图1 湿地采样点分布Fig.1 Wetland sampling site layout

1.2 样品处理与分析方法

1.2.1 样品前处理

沉积物样品经冷冻干燥，剔去残渣，研磨，过20目筛后，分成两份，一份装瓶并贴上标签保存,用于测理化指标；另一份过100目筛后装瓶，4 ℃保存，用于后期汞含量测定。植物样品洗净，将根、茎、叶分类，自然风干并破碎，过40目筛，编号装瓶待测。

1.2.2 样品的测定

沉积物与植物样品先用微波消解仪(MARS XPRESS)消解、原子荧光光度计(AFS-8230)测定汞含量，均测定3次取平均值。沉积物pH与氧化还原电位(Eh)分别由pH计(pHB-4)和便携式Eh计(CT-8022)测定，有机质(SOM)通过重铬酸钾滴定法[19]进行测定。植物灰分采用重量法[20]进行测定，植物灰分基汞含量由植物干基汞与植物灰分换算得出[21]，其中干基汞等于植物总汞的含量。

1.3 分析方法

单因子指数法[22]用于评价汞的污染累积程度，地累积指数法用于指示沉积物中的重金属污染程度[23]112-113，吸附累积指数法[24]用于表征植物对于重金属吸收的强烈程度与重金属累积情况。

1.4 质量控制与数据统计分析

沉积物与植物中汞的测定分别使用土壤标准样品(GBW07386)、芹菜标准样品(GBW10048)进行质量控制，回收率分别为93%～113%、91%～106%。试剂均为优级纯，标准曲线R2>0.999。

2 结果与讨论

2.1 沉积物、植物汞含量分布特征

由表1可见，沉积物中汞为0.075～0.637 mg/kg，超过江西省土壤背景值(0.08 mg/kg)[25]的剖面占89.3%，说明剖面中汞存在局部累积。汞含量最大值出现于采样点7，该采样点离生产生活区较近，可能是人为活动所致。采样点2、6由于离生活区较远，可能受人为活动影响较小。各剖面汞含量的变化特征如图2所示，采样点4、7剖面汞含量出现明显峰值。标准误差与标准偏差能反映出每个采样点不同剖面汞含量的离散程度，采样点3、4、5、7波动较大，采样点1、2、6波动较小，与图2一致。植物中汞为0.005～0.394 mg/kg，芦苇与山类芦中汞含量最大值分别在采样点2、5出现，最小值分别在采样点6、3出现。芦苇在采样点2、7的标准误差和标准偏差较大，山类芦在采样点5的标准误差和标准偏差较大。总体上看，研究区沉积物和植物中汞含量较大，这可能是人为活动等因素造成。

表1 研究区汞分布特征

图2 汞随剖面深度的变化特征Fig.2 Variation characteristics of mercury content with profile depth

2.2 植物不同部位汞含量特征分析

2.2.1 植物不同部位汞含量

芦苇、山类芦不同部位汞含量存在差异，芦苇根部汞为0.034～0.144 mg/kg，茎部汞为0.010～0.107 mg/kg，叶片汞为0.029～0.253 mg/kg，总体分布特征为根部>叶片>茎部。山类芦根部汞为0.028～0.139 mg/kg，茎部汞为0.005～0.109 mg/kg，叶片汞为0.024～0.394 mg/kg，总体分布关系特征也为根部>叶片>茎部。茎部汞含量最低可能是因为茎部在整个植物体系中是传输介质；部分叶片汞含量高，可能是大气环境中存在微量的汞[26-27]，植物叶片通过气体交换吸收大气中的汞所致[28-29]；根部汞主要来自于沉积物，沉积物中汞含量增加会导致植物中汞的蓄积。相同采样点芦苇与山类芦汞含量分布规律不一致，可能是由于两种植物生理结构存在差异[18]81。

2.2.2 植物不同部位灰分基汞分析

灰分基汞变化可用于揭示植物中稳定汞的波动。表2显示，芦苇根部、茎部、叶片灰分基汞分别为0.036～0.155、0.010～0.114、0.029～0.279 mg/kg；山类芦根部、茎部、叶片灰分基汞分别为0.029～0.170、0.005～0.119、0.025～0.427 mg/kg。植物灰分基汞一般在0.003～0.030 mg/kg[23]116，两种植物根部和叶片灰分基汞含量偏高，其中采样点2芦苇叶片灰分基汞为0.279 mg/kg、采样点5山类芦叶片灰分基汞为0.427 mg/kg，远大于参考值。可见，两种植物根部与叶片均存在不同程度的汞累积。芦苇类植物具有很强的吸附重金属能力[30]。芦苇与山类芦的吸附累积系数与植物内总汞以及灰分基汞含量都呈现一定程度的正相关。植物汞吸附累积系数一般在0.038～0.380[31]。结果表明，采样点大部分植物的吸附累积系数偏高，存在吸附累积。汞在植物中的迁移系数[32]可以反映出其吸收能力，系数越大表明地下转运到地上的能力越强。芦苇的汞迁移系数为0.302～2.192，山类芦的汞迁移系数为0.148～2.511，可见，两种植物均对汞表现出一定的转运能力。

表2 植物中汞累积分布特征1)

2.3 沉积物剖面汞评价

2.3.1 汞与Eh、pH、SOM的相关性分析

由表3可看出，SOM含量与汞含量存在显著相关性(p<0.01)，汞含量伴随SOM含量升高而升高；pH与SOM含量存在显著相关性(p<0.05)，与汞含量也存在显著相关性(p<0.01)，归因于pH会影响汞在土壤介质中的迁移[33]；Eh与pH、汞含量均存在显著相关性(p<0.01)，与SOM含量也存在显著相关性(p<0.05)。可见，不同剖面的汞含量与理化因素存在一定的联系。

表3 研究区剖面各参数相关性系数1)

2.3.2 沉积物剖面汞污染评价

由表4中的单因子指数分析结果可看出，达到中度及以上污染的剖面占比为16.7%，58.3%的剖面轻度污染，7.1%的剖面无污染；地累积指数分析结果也显示16.7%的剖面达到中污染及以上水平，无污染剖面占35.7%，无污染至中污染剖面占47.6%。可见，两种评价方法所得结果比较接近，表明沉积物剖面存在汞蓄积，研究区湖泊沉积物处于亚健康状态。

表4 沉积物汞污染等级划分1)

2.3.3 汞含量随剖面深度的变化特征分析

由图2可看出，垂向汞含量的变化趋势可分为4段：第1段，剖面深度为2～6 cm处沉积物中汞为0.076～0.281 mg/kg，含量较高，可能是由于湿地表层SOM含量比较丰富，主要为腐殖酸，其带有大量的负电荷和官能团，对重金属离子的吸附能力很强[34-35]，致使该层位汞含量升高；第2段，剖面深度为6～15 cm处沉积物中汞为0.075～0.296 mg/kg，各采样点呈现锯齿状波动，但波动幅度不大；第3段，剖面深度为15～20 cm处沉积物中汞出现了峰值，最高可到0.637 mg/kg，其原因可能是沿鄱阳湖湿地周边工业的大批新起、农田大量施肥、高效农药残留、污染物大量排放、资源过度开采等，沉积物中出现了汞的明显累积；第4段，剖面深度为20～24 cm沉积物中汞呈现明显下降趋势，处于0.075～0.222 mg/kg,可能是由于湖泊过去重金属的输入与周期性的丰、枯水期变化的影响有关[36]。采样点4、5、7剖面重金属汞出现了很明显的累积情况，考虑到鄱阳湖是一个吞吐型湖泊，可能是丰、枯水期交替演变，泥沙不断沉积与地质演变导致[37-38]。可见，在自然因素和人类活动影响下，南矶山湿地沉积物中汞随深度增加表现很出的特征与余海洋[39]的研究结果相似。