武汉市渣子湖沉积物中重金属、氮、磷和有机质的分布特征及污染评价

杨 俊，卢明明，程婉芸，李 晔*

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430056；2.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070)

水体沉积物又称底泥，可作为检测水体污染的重要指标。输入水体的氮、磷等营养物质一部分被水生植物吸收利用，另一部分以不同形式存在于水体中，剩余部分以沉降的形式积累到沉积物中[1]；输入水体的重金属约85%会最终积累沉降在沉积物中[2]。重金属元素在环境中的毒性、持久性、不可降解性和生物积累性已引起了广泛关注[3]。重金属污染是导致水生生物大量死亡、水体生态功能退化的重要原因[4-5]。此外，重金属会通过食物链的生物富集作用传递到人体，严重危害人类健康[6-7]。底泥沉积物作为湖泊生态系统的重要组成部分,既是汇也是源[8-10],其污染状况和污染物的存在形式与水体污染情况和浮游动植物的生存关系密切[11]。当pH值、温度、氧化还原电位、溶解氧(DO)和各种污染物浓度等条件发生一定变化时，沉积物中的重金属可能会释放到上覆水体中，从而对上覆水体造成 “二次污染”[12-13]。

许多学者采用不同方法对沉积物中重金属、氮、磷和有机质的污染程度进行了评价。如陈雯等[14]采用综合污染指数法对福州市城区0～20 cm表层土壤中5种典型重金属的污染程度进行了评价，结果表明福州市各功能城区综合污染指数为工业区>交通区>居住区>公园区；李家兵等[15]采用地累积指数法和潜在生态风险指数法对闽江河口潮间带沉积物中钴(Co)和钒(V)的污染状态和生态危害进行了评估，结果显示两者均属于轻度污染，潜在生态风险较低；白冬锐等[16]对苏州古城区河道底泥沉积物中氮、磷类污染物进行了分析，根据单因子指数法和内梅罗污染指数法显示底泥处于中度污染状态，底泥中总磷(TP)超标达90%；Liu等[17]对大武水源地沉积物中重金属污染特征进行了分析，结果显示该水源地沉积物中重金属污染程度表现为Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cr，部分水源区沉积物中存在Ni、Cd、Hg、Pb轻度污染和Hg重度污染，内梅罗综合污染指数为2.41；吉芬芬等[18]对小微水体青山湖湖泊沉积物中重金属进行了污染特征分析，结果发现工业污染是青山湖主要的污染来源，且沉积物中Cd污染严重，需对其严格管控；刘祺等[19]对张家港市3个小微水体进行了监测，从DO、透明度、氧化还原电位、氨氮浓度等指标评价其水质，结果显示其中一个小微水体为重度黑臭污染水平，另外两个小微水体为中度黑臭污染水平；刘昭等[20]采用地质累积矢量模型分析了鄂西地区典型锰矿河流表层沉积物中重金属的分布特征，结果显示丹水、沿头溪两河流表层沉积物中重金属的主要贡献因子为Mn、Cd、As。

为了研究武汉市经济与技术开发区(汉南区)(以下简称为“武汉经开区(汉南区)”)小微水体底泥沉积物的污染情况，通过对渣子湖底泥现场布点采样，分析了底泥沉积物中重金属、氮、磷和有机质的含量及其分布特征，并采用地累积指数法、潜在生态危害指数法对渣子湖沉积物中重金属综合污染程度和生态风险水平进行了评价，采用综合污染指数法、有机污染指数法对渣子湖沉积物中氮、磷和有机物的污染等级进行了评估，以期对渣子湖水体质量进行多方位评估，为武汉小微水体沉积物污染评价与分析提供理论参考。

1 研究区概况与样品采集

1.1 研究区概况

武汉市素有“百湖之城”的美誉，境内不仅有166个湖泊，还有许多小微水体。以武汉经开区(汉南区)为例，近年来部分水质明显提升，但仍有过半水体水质不达标。

武汉经开区(汉南区)位于武汉市西南部，地处武汉三环线和武汉外环线之间，紧邻长江黄金水道，东经113°35′～114°9′、北纬30°11′～30°29′。2016年环保部门的监测数据显示：武汉经开区(汉南区)2条重点河流水质监测断面水质均未达到水质管理目标；26个重点湖泊中水质劣于IV类水质标准的湖泊有16个，水质达到水质管理目标的湖泊仅8个，不到湖泊总数的30%。部分湖泊水体仍有恶化趋势，氮、磷超标较突出，水体生态结构被破坏，生态功能退化[21]。2021年5月武汉市生态环境局发布的《地表水环境质量状况报告》显示：在实际监测的109个湖泊中，Ⅱ类水质湖泊3个，占2.8%；Ⅲ类水质湖泊23个，占21.1%；Ⅳ类水质湖泊50个，占45.9%；Ⅴ类水质湖泊32个，占29.3%；劣Ⅴ类水质湖泊1个，占0.9%。其中，隶属于武汉经开区(汉南区)的三角湖、南太子湖、万家湖、西边湖、硃山湖水质均为Ⅴ类水质，未达到规定的Ⅳ类水质标准；后官湖水质为Ⅳ类水质，未达到规定的Ⅲ类水质标准；未进行功能区划分的坛子湖、状元湖水质也为Ⅴ类水质且有轻度营养化。即在武汉经开区(汉南区)监测的15个湖泊中，仅有7个湖泊达到水质管理目标，达标率为46.67%，随着武汉经开区(汉南区)发展规模的进一步扩大，带来的湖泊水质污染也会随之加重，湖泊水质的污染防治与治理任务将会更加严峻。

为了研究武汉水微水体沉积物中重金属、氮、磷和有机质的污染状况，本文以渣子湖为研究区进行分析。渣子湖位于武汉经开区(汉南区)，东径114°6′30″～114°6′50″、北纬30°24′50″～30°25′30″， 其与篙草湖、土地湖、陈朗湖、下乌丘四湖相连，属于郊野湖泊，是武汉市根据水污染防治要求最新提出的一批小微水体名录中收录的小微水体之一。

1.2 沉积物样品采集

研究区域和沉积物采样点位置如图1所示。

图1 渣子湖沉积物采样点位置图

根据渣子湖底泥受污染的感官程度和自然沉降特征，将其由上而下划分为污染层、过渡层和正常层。其中，污染层底泥有臭味，颜色黑—灰黑色，呈现稀浆、流塑状；过渡层底泥呈黑—灰色、软塑、密实；正常层底泥层呈黄、灰黄颜色，质地密实。使用采泥器采集每层底泥中间三分之一左右的底泥样品，去除石块、塑料、杂草等，将剩余底泥迅速装入密封袋中，迅速运回实验室，在避光、干燥条件下保存。渣子湖沉积物各取样点及其分层状况，见表1。

表1 渣子湖沉积物各取样点及其分层状况

将取样得到的渣子湖沉积物在避光条件下风干、研磨、过筛后，按照《农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)中用于污染评价的监测进行检测，所有操作严格按照相关技术要求执行，并采用原子吸收分光光度法、原子荧光分光光度法、紫外分光光度法和人工滴定法等方法对沉积物样品进行检测分析。

2 研究方法

本研究从重金属和有机质两个方面对渣子湖沉积物的污染状况进行分析。采用地累积指数法和潜在生态风险指数法主要评价渣子湖沉积物中重金属的污染毒性；采用综合污染指数法和有机指数法主要评价渣子湖表层沉积物中氮、磷和有机物污染等级。

2.1 地累积指数法

地累积指数法(Geoaccumulation Index)是一种综合考虑了人为污染因素、自然成岩作用和地球化学背景值的研究方法，地累积指数常用作水环境中沉积物重金属污染的衡量指标[22]。其计算公式如下：

Igeoi=log2[Ci/kBi]

(1)

式中：Igeoi为沉积物中重金属元素i的地累积指数；Ci为沉积物中重金属元素i的实测浓度(mg/kg)；Bi为沉积物中重金属元素i的环境背景值(mg/kg)；k为考虑各地岩石差异可能引起环境背景值变动而取的常数，取k=1.5。

根据Igeo值的大小，可将沉积物中重金属污染划分为7个等级，见表2。

表2 地累积指数法沉积物中重金属污染等级划分标准

2.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法(Potential Ecological Risk Index )是一种用于水生(湖泊)环境污染控制的生态风险指数模型，能对湖泊或淡水系统中给定污染情况的潜在生态风险提供快速、准确的定量值，常用于水源污染控制的诊断[23]。潜在生态风险指数RI的计算公式如下：

(2)

表3 湖北省A层土壤中部分重金属元素含量的算术平均值(mg/kg)

表4 沉积物中重金属的潜在生态风险等级划分标准

2.3 综合污染指数法

采用综合污染指数法评价表层沉积物中总氮(TN)、总磷(TP)的污染程度，先由单项污染因子公式[25]计算综合污染指数(FF)[26]，再进行综合污染程度分级。具体计算公式如下：

(3)

(4)

根据FF值的大小，将沉积物中TN和TP的综合污染程度划分为4级，见表5。

表5 综合污染指数法沉积物中TN和TP污染等级划分标准

2.4 有机污染指数法

综合污染指数法将TN、TP综合成一个指标来表征表层沉积物的污染状况，相较单一污染指数法更具代表性，但忽略了有机物指标[27]，故而引入有机污染指数(OI)[28]对沉积物的有机污染状况进行评价。其计算公式如下：

(5)

式中:OI为有机污染指数(%)；TN为总氮含量测定值(%)；OM为有机质含量测定值(%)。

根据OI值的大小，将沉积物中有机污染等级划分为4级，见表6。

表6 有机污染指数法沉积物中有机污染等级划分标准

3 研究结果与分析

3.1 渣子湖沉积物中重金属污染程度评价

渣子湖沉积物中各重金属残留量均值ω测定结果如下：ω(Cr)=107.39 mg/kg>ω(Zn)=95.5 mg/kg>ω(Cu)=37.5 mg/kg>ω(Pb)=37.40 mg/kg>ω(Ni)=36.90 mg/kg>ω(As)=14.00 mg/kg>ω(Hg)=0.104 mg/kg。根据《中国土壤环境背景值》[28]中湖北省A层土壤中重金属元素含量的算术平均值(见表3)判断，除了未检出的Cd外，只有Ni未超标，其中Cr、Zn、As、Hg、Cu、Pb较湖北省土壤环境元素背景值分别超标1.25倍、1.14倍、1.13倍、1.3倍、1.22倍、1.4倍。

参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准试行》(GB 15618—2018)(见表7)，其执行标准为：当土壤中污染物含量低于筛选值时，农用地土壤污染风险低，一般情况下可忽略；当土壤中污染物含量高于筛选值时，可能存在农用地土壤污染风险，应加强土壤环境监测和农产品协同监测；当土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量高于筛选值、等于或者低于管制值时，可能存在食用农产品不符合食品质量安全标准等土壤污染风险，原则上应当采取农艺调控、替代种植等安全管控措施；当土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量高于管制值时，食用农产品不符合食品质量安全标准，原则上应采取禁止种植食用农产品、退耕还林等严格管控措施。《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中规定的农用地土壤中重金属含量标准，见表7。渣子湖沉积物中除未检出重金属元素Cd外，其余重金属元素含量均低于筛选值，表明渣子湖沉积物中重金属污染风险低。

表7 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中规定的农用地土壤中重金属含量标准(mg/kg)

3.1.1 地累积指数(Igeo)法评价结果与分析

将渣子湖沉积物中各重金属元素在各取样点的平均残留量实测值与湖北省A层土壤中重金属元素环境背景值(见表3)代入公式(1)，可计算得到渣子湖沉积物中重金属污染的Igeo值，再根据表2确定污染等级，其结果见表8。

表8 渣子湖沉积物中重金属污染地累积指数(Igeo)和污染等级评价结果

由表8可知：渣子湖沉积物中除Cd未检出外，其他重金属Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn污染的Igeo值范围分别为-0.28～-0.02、-0.11～-0.06、-0.53～0.31、-0.64～--0.21、-0.64～-0.58、-0.33～-0.27、-0.42～-0.38；整体来看沉积物中8种重金属污染的地累积指数值均较低，表明渣子湖沉积物无重金属污染。

3.1.2 潜在生态风险指数法评价结果与分析

将渣子湖沉积物中各重金属元素在各取样点的平均残留量实测值与湖北省A层土壤中重金属元素环境背景值(表3)代入公式(2)，可计算得到渣子湖沉积物中重金属污染的Er、RI值，再根据表4确定重金属污染的潜在生态风险等级，其结果见表9。

表9 渣子湖沉积物中重金属污染的潜在生态风险指数(RI)和风险水平评价结果

由表9可知:渣子湖沉积物中除未检出的Cd外，其他重金属Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn风险的潜在生态危害指数Er值的范围分别为2.5～2.5、7.0～7.2、10.4～12.1、36.6～41.9、4.8～5.0、6.0～6.2、1.1～1.6；根据RI值显示，各取样点位处沉积物中重金属的潜在生态风险水平均为低风险，不会对环境造成影响；而取样点位2、3处沉积物中Hg的Er值高于40，其潜在生态风险等级为中风险，这是因为淡水污泥中的无机汞在厌氧细菌的作用下会转化为毒性更高的有机汞，应引起密切关注。

综合上述两种评价方法可知，渣子湖沉积物中重金属含量均不高，接近土壤环境背景值。分析其原因为渣子湖所在的武汉经开区(汉南区)成立不久，尚未大力建设与发展重工业等污染严重的项目，故沉积物中重金属污染并不明显。

3.2 渣子湖沉积物中重金属分布特征

3.2.1 沉积物中重金属含量的水平分布特征

本文采用渣子湖沉积物中8种重金属元素在各取样点位三层底泥中的平均浓度来探讨沉积物中重金属元素含量在水平方向上的分布特征，其结果见图2至图5。

图2 渣子湖沉积物中重金属元素Pb、Ni、Cu含量的水平分布特征

图3 渣子湖沉积物中重金属元素Cr、Zn含量的水平分布特征

图4 渣子湖沉积物中重金属元素Hg含量的水平分布特征

图5 渣子湖沉积物中重金属元素As含量的水平分布特征

由图2至图5可知：渣子湖沉积物中Cu、Cr、Zn、Hg均在取样点2处含量最高， Ni、As在取样点4处含量最高，但仍在清洁水平范围内，并未对水生环境造成污染。

3.2.2 沉积物中重金属含量的垂直分布特征

本文采用渣子湖沉积物中8种重金属元素在各取样点各层底泥中的含量来分析沉积物中重金属元素含量在垂直方向上的分布特征，其结果见图6至图12。

图6 渣子湖沉积物中重金属元素As含量的垂直分布特征

图7 渣子湖沉积物中重金属元素Cr含量的垂直分布特征

图8 渣子湖沉积物中重金属元素Cu含量的垂直分布特征

图9 渣子湖沉积物中重金属元素Hg含量的垂直分布特征

图10 渣子湖沉积物中重金属元素Ni含量的垂直分布特征

图11 渣子湖沉积物中重金属元素Pb含量的垂直分布特征

图12 渣子湖沉积物中重金属元素Zn含量的垂直分布特征

水体中的沉积物记载了历史变迁，沉积物中重金属元素含量的垂直分布特征反映了湖泊的污染历史[30]。根据渣子湖沉积物中重金属残留量(见图6至图12)可知：沉积物中Pb、Ni、Cu 3种重金属元素含量呈递减趋势，但变化较缓慢，其余重金属元素并无明显的变化，说明渣子湖受城市经济活动和人类活动的影响并不大，基本上保持了洁净的自身环境。

3.3 渣子湖沉积物中氮、磷和有机物污染评价

3.3.1 综合污染指数法评价结果与分析

将渣子湖沉积物中TN、TP含量实测值代入公式(3)和(4)，可计算得到渣子湖沉积物中氮、磷污染的FF值，再根据表5确定综合污染等级，见表10。

表10 渣子湖沉积物中氮、磷的污染指数和综合评价结果

由表10可知：渣子湖沉积物中的磷污染处于轻度水平，39%点位达到清洁状态，61%点位为轻度污染，其中污染最严重的是编号1的取样点位1-1处，超出STP轻度污染指标40%；沉积物中的氮污染达到重度水平，其中污染最严重的是编号4的取样点位2-1处，超出STN重度污染指标347%，污染层和正常层均被严重污染，急需治理；沉积物中氮、磷的综合污染程度均为重度污染水平。

3.3.2 有机污染指数法评价结果与分析

将渣子湖沉积物中TN、OM实测值代入公式(5)，计算得到渣子湖沉积物中有机污染的OI值，再根据表6确定有机污染等级，见表11。

表11 渣子湖沉积物中有机污染评价结果

由表11可知：渣子湖沉积物中有机污染指数OI值均大于0.5，表明各取样点各层均达到重度污染等级，其中污染最严重的是编号1、4和7的点位，这与综合污染指数法的评价结果基本一致，可见渣子湖已遭受严重的有机污染，应予以高度重视。

4 结 论

(1) 渣子湖沉积物中除未检出重金属元素Cd外，其他7种重金属元素Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn的含量测定值均与背景值相近，说明沉积物中重金属对水体没有明显的影响，不会危害人类健康。

(2) 渣子湖沉积物中重金属元素Cu、Cr、Zn、Hg均在取样点2处含量最高，Ni、As在取样点4处含量最高，但均在背景值范围内，未对渣子湖生态环境造成严重的影响，其原因可能是在自然成岩过程中因地势不均导致各取样点重金属含量的累积不均。

(3) 渣子湖沉积物中TP含量较低，基本未对渣子湖生态环境造成污染，而TN、OM含量极高，对渣子湖生态环境造成了严重的污染。沉积物中OM与TN呈显著相关性，而沉积物中OM与TP、TP与TN均无显著相关性。综合污染指数法评价结果与有机污染指数法评价结果基本一致，表明该渣子湖水体沉积物已遭受严重的氮、磷污染。

(4) 整体来看，渣子湖沉积物中氮、磷污染程度在垂直方向上呈递减态，说明近年来外源氮、磷排入对渣子湖造成了一定的污染。渣子湖属于郊野湖泊，周边没有工业区，导致沉积物中氮、磷污染严重的原因可能是历史上水产养殖过程中遗留的污染物未能及时处理，以及多年来雨水形成的径流将周边农业面源中残留的氮肥等物质带入湖中所致。