安徽沱湖表层沉积物营养盐及重金属分布特征

2023-01-05晁建颖吴晓东林晓雯

生态与农村环境学报 2022年12期

管蓓，晁建颖，吴超，吴晓东，林晓雯，李建

(1.南京市生态环境保护科学研究院，江苏南京 210013；2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏南京 210042；3.湖北师范大学城市与环境学院，湖北黄石 435002)

湖泊沉积物是指由于土壤冲刷、大气沉降、地表径流汇入、湖岸或湖底侵蚀等因素在水体底部沉积而形成的微粒物质，既是污染物的蓄积库，又是湖泊潜在的污染源。营养盐、有机质、重金属在沉积物中的分布往往受到多种环境因素的影响，为了定量评价营养盐和重金属对沉积物的污染程度，经过多年的发展和完善，国内外学者已经提出了多种评价方法，主要有有机氮评价方法、有机指数法以及沉积物环境质量标准评价法等[1-5]。对于重金属污染评价主要有沉积物富集系数法、潜在生态风险指数法、污染负荷指数法、尼梅罗综合指数法等[6-12]。其中潜在生态风险指数法由于简单易行，使用较为广泛。而对于重金属来源，则主要使用主成分分析法和相关分析等方法进行解析[13-14]。由于评价模型本身的局限性，在实际应用的过程中单一方法往往难以满足需要，通常需要综合多个方法进行评价，这或许是未来沉积物污染评价发展的一个趋势。

沱湖位于淮河流域怀洪新河水系，是安徽省沱湖省级自然保护区的主要载体，具有供水、调节河川径流、灌溉、鱼鸟生息繁衍等多重社会服务功能与生态功能。随着人类活动强度的增大，沱湖水质严重恶化，湖泊功能受到损害，在2015和2018年相继出现了大面积的水污染事件，造成水产品大量死亡。近年来，对沱湖的研究主要集中在水质富营养化评价以及浮游植物群落结构特征等方面，而对于沉积物的研究较少。因此，笔者选取沱湖为研究对象，通过实地采样监测，以揭示沱湖表层沉积物污染状况，加深对淮河流域过水性湖泊沉积物特征的了解，为湖泊富营养化治理以及内源污染控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

沱湖位于安徽省蚌埠市五河县城西北，地处淮北平原，属暖温带半湿润季风气候区，冬季多偏北风，夏季多偏南风。沱湖入湖河流主要有西北部的沱河、唐河和西部的马拉沟，东部经新开沱河闸排入怀洪新河。沱湖为典型的平原浅水湖泊，湖底较平坦，最深处约为3 m，总流域面积3 073 km2，正常水位时湖面约60 km2。

1.2 沉积物样品采集与测试方法

于2018年8月对沱湖主要湖区开展底质现状调查。结合沱湖的面积和形态，此次调查共设置了8个采样点(图1、表1)。

图1 沱湖表层沉积物采样点设置

表1 沉积物采样点地理信息

采用彼得森采泥器采集表层0～10 cm沉积物样品，新鲜样品装入预先准备好的干净自封袋中，并用防水记号笔注明日期及样品编号，之后将样品装入4 ℃恒温箱中运回实验室分析。样品冷冻干燥至恒重，去除杂物，研磨后过0.15 mm孔径筛，备用。

用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度计法测定表层沉积物中的总氮(TN)含量，过硫酸钾氧化分光光度计法测定沉积物总磷(TP)含量。重铬酸钾容量法测定表层沉积物中的有机质(OM)含量。镉(Cd)含量的测定方法参考石墨炉原子吸收分光光度法。铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)含量的测定方法参考火焰原子吸收分光光度法。

1.3 评价方法

1.3.1环境质量评价标准

以沉积物质量评价标准[15]为基准对沱湖沉积物营养盐、有机质和重金属污染状况进行生态风险评价。沉积物质量评价标准中各项指标的生态风险评价标准见表2。当污染物含量低于最低效应水平(LEL)时，多数底栖生物不会出现不良反应，可认为无生态风险；当污染物含量大于LEL低于严重效应水平(SEL)时，具有较低生态风险；当污染物含量大于SEL时，沉积物已被污染，多数生物会出现不良反应，具有较高生态风险。

表2 沉积物质量评价标准

1.3.2有机指数评价法

有机指数通常可以反映沉积物受有机物污染状况，有机氮是衡量沉积物是否受氮污染的一个指标[2]。计算方法如下：

Oi=Oc×On，

(1)

Oc=COM/1.724，

(2)

On=CTN×0.95。

(3)

式(1)～(3)中，Oi为有机指数，无量纲；Oc为有机碳含量，%；On为有机氮含量，%；COM为有机质含量，%；CTN为总氮含量，%。

Oi和On的污染程度分级标准见表3。在判断沉积物的污染程度时，先结合Oi判断沉积物受有机污染的程度，然后再结合On判断沉积物中受氮污染的程度，从而综合判断沉积物中的有机污染程度及类型。

表3 沉积物Oi和On评价方法

1.3.3潜在生态风险指数法

运用潜在生态风险指数法评估沉积物重金属污染可能造成的生态风险[8]，计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

重金属潜在生态风险指数与污染程度的分级标准见表4。

表4 重金属潜在生态风险评价方法

1.4 数据处理

运用Arcmap 10.7软件绘制沱湖表层沉积物采样点分布图，并进行空间插值分析，Origin 2019软件绘制柱状图，SPSS 21.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 营养盐和有机质含量

沱湖表层沉积物中，不同采样点营养盐和有机质的含量差别较明显(图2)。各采样点w(TN)平均值为(2 535.00±987.97)mg·kg-1，变化范围为1 060.00～3 710.00 mg·kg-1，最大值约是最小值的3.50倍，w(TN)高值区出现在湖泊开阔区和黑鱼沟入湖湖湾附近，此处的3个采样点T6、T7、T8的w(TN)均超过了3 000 mg·kg-1。相比于TN，表层沉积物w(TP)较小，最低含量出现在西南部马拉沟入湖湖湾处的T5，最高含量出现在湖泊北部上游过水通道附近的T2，全湖平均值为(672.99±159.09) mg·kg-1，最大值约是最小值的1.89倍。OM可以有效反映湖泊的有机营养状况，沱湖表层沉积物w(OM)较高，全湖平均值为(47.90±19.89) g·kg-1，最大值出现在T6，约是最小值T1的3.58倍，整体呈现出北部湖区低于南部的空间分布规律。

2.2 重金属含量

沱湖表层沉积物重金属元素的平均含量差别较大(图3)，各元素平均含量的大小顺序为Cr>Cu>Pb>Cd。表层沉积物w(Cd)波动范围较小，全湖变化范围为0.60～1.30 mg·kg-1，平均值为(0.95±0.26) mg·kg-1，最大值出现在黑鱼沟入湖湖湾(T7)，最小值出现在T1(关咀大桥，沱河、唐河入湖口)和T2(湖泊北部上游过水通道)。相比于Cd，Cu含量较高，全湖平均值为(25.16±4.00) mg·kg-1，变化范围为19.60～30.40 mg·kg-1，低值区主要出现在T1和T2附近。Cr平均含量显著大于Pb，2种元素的平均值分别为(86.65±17.76)和(23.03±5.60) mg·kg-1，最大含量均出现在T7(黑鱼沟入湖湖湾)，最小值分别出现在T1(关咀大桥，沱河、唐河入湖口)和T2(湖泊上游过水通道)。

图3 沱湖表层沉积物重金属的空间分布

2.3 评价结果

2.3.1营养盐和有机质

根据加拿大制定的沉积物环境质量评价标准(表2)，沱湖表层沉积物各采样点TN和OM含量均处于LEL和SEL之间，具有较低的生态风险(表5)。虽然有4个采样点的TP含量低于LEL，评价结果为无风险，但沱湖表层沉积物的TP平均含量仍旧超过了LEL，全湖评价结果为具有较低的生态风险(表5)。结果表明，沱湖表层沉积物的TN、TP和OM含量具有较低的生态风险，对环境有一定的潜在危害，需要削减湖泊中营养元素的含量，以降低沱湖水体发生富营养化的风险。

表5 污染物生态风险等级

沱湖表层沉积物的On和Oi均较大，其变化范围分别为0.101%～0.352%和0.11～1.30。在On评价结果(表6)中，仅有2个采样点处于尚清洁状态，达到Ⅲ级，其他各采样点的On均超过了0.133，达到Ⅳ级，处于有机氮污染状态，On全湖平均值为0.241，整体上也处于有机氮污染状态。有机氮污染较严重的区域主要分布在湖泊开阔区(T8、T6)和黑鱼沟入湖湖湾(T7)附近，尚清洁的区域仅分布在关咀大桥沱河、唐河入湖口(T1)和湖泊北部上游过水通道(T2)附近。Oi评价结果(表6)中，有6个采样点处于有机污染状态，所占比例高达75.00%，仅有剩下的2个采样点(T1、T2)处于较清洁状态，全湖Oi平均值为0.76，沱湖整体上也处于有机污染状态。Oi的空间分布特征和On相似(图4)，沱湖表层沉积物受有机污染较严重的区域集中在湖泊开阔区和黑鱼沟入湖湖湾，污染较轻的区域则分布在关咀大桥沱河、唐河入湖口和湖泊北部上游过水通道附近，并且在有机污染中以有机氮污染为主要部分。

表6 沱湖表层沉积物有机氮含量和有机指数评价结果

2种方法的评价结果较为一致，表明沱湖表层沉积物均受到一定程度的有机污染。沱湖作为五河县饮用水源地，在今后的治理工作中，要进一步削减内源营养物质负荷，以防止可能发生的水体富营养化危机。

2.3.2重金属含量分析

根据加拿大沉积物环境质量评价标准(表2)。沱湖表层沉积物受Cd、Cu、Cr污染较严重，受Pb污染最轻(表5)。各采样点的Cd和Cu含量均处于LEL和SEL之间，具有较低的生态风险。T7采样点的Cr含量超过了SEL，评价结果为具有较高生态风险，其他各采样点的Cr污染均处于较低生态风险，全湖w(Cr)平均值为86.65 mg·kg-1，整体上也处于较低生态风险状态。Pb含量的最高值出现在T7，该采样点的评价结果为较低生态风险，其他各采样点的Pb含量均低于LEL，评价结果为无风险，沱湖整体上也处于无风险状态。

潜在生态风险指数评价结果(表7)显示，沱湖表层沉积物中4种重金属元素的Eri均值顺序为Cd>Cu>Pb>Cr。T3(湖泊上游过水通道)、T5(马拉沟入湖湖湾)、T7(黑鱼沟入湖湖湾)受Cd污染较严重，评价结果为具有极强的生态风险，其他各采样点的评价结果均为具有很强的生态风险，全湖整体上也处于很强生态风险状态。Cu、Pb、Cr的Eri较低，各采样点均为轻微风险。Cu、Pb、Cr的Eri最高值均出现在T7(黑鱼沟入湖湖湾)。此外，T5(马拉沟入湖湖湾)的Eri(Cu、Pb、Cr)值也均接近最大值，说明黑鱼沟入湖湖湾和马拉沟入湖湖湾附近是Cu、Pb、Cr污染严重的区域。T1、T2、T4的IR值低于300，处于中等生态风险状态，其他各采样的IR值均处于300～600之间，具有强生态风险，全湖IR平均值为306.92，整体上也为强生态风险。其中Cd对IR的平均贡献率最高，达95.73%。IR高值区(图5)主要分布于马拉沟入湖湖湾和黑鱼沟入湖湖湾附近，这和前面描述的Eri空间分布特征相似，说明这些区域受重金属污染较为严重。

表7 沱湖表层沉积物重金属潜在生态风险等级

综合分析表明，沱湖表层沉积物重金属污染具有强生态风险，以Cd最为严重，污染较严重的区域主要分布于马拉沟入湖湖湾和黑鱼沟入湖湖湾附近。在今后的工作中，需要重点控制湖泊中Cd的含量，否则将会对上覆水体造成威胁，引发用水危机。

3 讨论

3.1 不同研究区域表层沉积物营养盐、重金属含量对比

不同研究区域的对比结果见表8～9。沱湖表层沉积物的TN、TP、OM含量均明显高于太湖、鄱阳湖和洞庭湖，也高于丹江口水库和淮河流域的洪泽湖，其TN含量显著低于太湖流域的阳澄湖和北方地区的白洋淀，TP含量显著低于北方地区的乌梁素海和白洋淀，OM含量仅低于同属安徽的巢湖。因此，沱湖表层沉积物中的营养盐和OM含量在国内湖泊中处于较高水平，其内源污染负荷不容忽视。重金属污染方面，与国内其它湖泊相比，沱湖表层沉积物中，Cd、Cr含量处于较高水平，Cu、Pb含量处于中等水平。沱湖Cd含量仅次于洪泽湖和洞庭湖，显著高于其他7个代表性湖泊，是乌梁素海的7.31倍，Cu和Pb的污染程度较低，其含量处于中等水平，Cr的含量仅次于巢湖和洞庭湖，明显高于太湖、洪泽湖、鄱阳湖、阳澄湖、乌梁素海、白洋淀和丹江口水库。由此可见，需要重点削减沱湖沉积物中的重金属负荷，以防止发生重金属污染事件。

表8 不同研究区域表层沉积物营养盐含量对比

表9 不同研究区域表层沉积物重金属含量对比

3.2 污染物来源分析

目前，沱湖的主要污染物来自于西北角唐河、沱河及其上游下泄的污水，其次为沿湖的马拉沟等穿堤闸站管涵入湖的污水。调查发现沱河、唐河是沱湖主要的入湖河流，输入水量占湖泊总来水量的70%以上，其所流经的埇桥区和灵璧县境内广泛的分散式畜禽养殖、种植、工业生产、旅游、居民生活等行为产生的污水增加了沱湖入湖污染负荷，是总氮和总磷的主要来源。由于目前污水处理厂管网覆盖率较低，跑冒滴漏严重，极大限制了污水处理厂的处理效率。水产养殖投饵也对湖区水生态环境影响巨大，保护区内虽然于2018年拆除了围网养殖，但是沱湖历史上曾经进行大面积螃蟹养殖，沱湖省级自然保护区核心区内也没有禁止养殖和捕捞。现场调查也显示，湖边现有餐饮企业未见污水收集处置设施，污水存在直接排入沱湖的可能，进一步增加了湖泊污染负荷。虽然沱湖水生植物种类较多，但沱湖的水位调控运行往往是枯水期蓄水、丰水期排水。在早春湿地植物萌发生长时，不少滩地处于淹水状态，湿地植物萌发生长面临压力，而丰水期上游来水迅速下泄，水位仍长期保持在13.8 m的调控水位附近，又加速了沉水植物死亡。目前，沱湖的水生植被年际变化较大，尤其是在春季水位较高的年份，沉水植物种类单一，菹草为绝对优势种，5—6月死亡腐烂分解，不仅造成水体有机质含量大幅升高，还限制了其他沉水植物的生长，降低了水体自净能力。

湖泊重金属元素主要来源于流域母质和人为排放，其中人为排放为主要来源。Cd可来源于电镀、合金制造和冶炼工业等，Pb可来源于矿石和含铅汽油的燃烧、化工企业的排放等，Cu和Cr可来源于农业生产过程中使用的商品有机肥、化肥、农药等。人类活动会改变土壤Cd迁移活性，进而加剧重金属的溶出；另外，沱湖历史上有大面积螃蟹养殖，水产养殖饲料含有一定量的Cd，也可能造成其在沉积物中累积富集。近年来，沱湖流域乡镇企业经济快速发展，由于污水收集处理设施不够完善，可能存在部分未经处理的污水直排入河流后进入湖泊，导致沱湖表层沉积物部分重金属含量处于较高水平。

沉积物中营养盐和重金属的分布受到人类活动、水动力过程和水文特征的影响。沱湖表层沉积物营养盐、有机质和重金属含量的空间分布差异可能与沱湖的过水性湖泊特征有关。西北角的唐河、沱河虽然在入湖时携带有大量的污染物，但关咀大桥沱河、唐河入湖口和湖泊北部上游过水通道附近水域水面较窄、水流速较快，受水流的冲刷作用污染物不易沉淀[20]。此外，湖泊北部的蔡咀、下朱庄、小莫滩等滩涂分布有芦苇、菖蒲等水生植物，增强了岸线的污染拦截能力，从而形成了TN、OM、Cd、Cu、Pb、Cr含量的低值区。水流经过凤凰咀之后进入湖泊开阔区，再加上新开沱河闸对沱湖水体流动性的影响，水流相对停滞，大部分污染物随水流移动到此处且易于沉淀，形成了TN和OM含量的高值区[20]。相比于上游，沱湖下游城镇化程度较高，镇区未经处理的部分生活污水直接入湖以及下游开阔水面散落的围网养殖、河道运输生产也加重了沱湖南部水域的污染负荷。饮用水水源地既是Cd、Cu、Pb、Cr含量的最高值所在水域，也是TN和OM含量的高值区，这可能是因为该处是湖湾，水体交换性较弱，湖水滞留时间长，易于污染物沉淀。除了饮用水水源地，马拉沟入湖湖湾也是重金属污染较严重的区域。相比于沱河和唐河，马拉沟入湖流速较小，冲刷作用较弱，其沿岸的生活和农业污水经马拉沟闸进入湖泊后，受湖湾地形的影响，水流相对停滞，易于重金属元素沉淀，从而成为重金属污染较严重的水域。TP的最高值出现在湖泊北部上游过水通道，可能是由于沉积物中TP含量大小不仅和湖泊水文特征有关，还和浮游生物以及其他水土界面交换过程有关，其机制还有待进一步分析[26]。