太湖沉积物营养物及重金属污染分布特征及风险评估

陈 珏,支鸣强,朱德龙,李苑禾,殷 鹏,唐婉莹,尹洪斌(.南京理工大学化学与化工学院,江苏 南京 0094；.江苏省太湖地区水利工程管理处,江苏 苏州 58；.江苏省水资源服务中心,江苏 南京 009；4.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 0008)

目前,我国长江中下游大部分湖泊沉积物均存在不同程度的营养盐和重金属污染.有研究表明太湖的竺山湾沉积物总磷(TP)为重度污染[1-5],沉积物有机质以藻源性为主.另外,太湖流域的滆湖沉积物TN 几乎均处于重度污染状态,TP 在绝大部分区域也处于重度污染状态[6].另有研究报道,巢湖南淝河入湖河口区域沉积物TN、TP、有机质及重金属存在不同程度污染,具有潜在释放的风险[7].

太湖是我国第三大淡水湖,具有防洪、供水、水产、旅游和改善生态环境等多种功能[1].近年来,由于社会经济迅速发展,太湖流域城镇的工业生产活动增加大量的氮磷等污染物排入水体后,造成太湖富营养化,引发蓝藻水华发生.研究表明,当湖泊外源污染输入超过自身净化能力,绝大部分的污染物会经过一系列复杂的物理、化学以及物化复合过程最终会蓄积于沉积物中[2-5].太湖沉积物因多年的外源输入和污染沉积,导致有机质和营养盐含量居高不下,已成为巨大的潜在污染源.同时对于大型浅水湖泊—太湖而言,蓄积于沉积物中的有机物和营养盐易在温度、风浪等影响下再次释放到上覆水中,从而影响太湖水质,加剧水体富营养化.另外,沉积物中重金属作为具有潜在危害性的污染物,以其高毒性、累积性、迁移性、难降解等特性而倍受关注,会通过生物富集和食物链放大等效应,最终会危及人类健康[6].

本文通过太湖全湖进行大范围、加密点位采样,分析太湖沉积物柱状样品中TN、TP、有机质和8 种重金属污染的赋存状况,及重金属的垂向分布特征,评价其生态风险.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

太湖位于我国经济较发达的长三角经济带区域,30°55'40"N～31°32'58"N,119°52'32"E～120°36'10"E 之间,是我国第3 大淡水湖泊,水面面积为2338 km2,平均水深为1.9m,流域面积为36500km2.太湖流域河网密布,有172 条入湖河流,年均入湖水量为88亿m3,平均换水周期180d,

其采样点位设置如图1 所示,共有9 个湖区,53个点位,竺山湖区(ZS1,ZS2,ZS3,ZS4,ZS5,ZS6,ZS7,ZS8,ZS9,ZS10)、月亮湾(YL1,YL2,YL3)、梅梁湾(ML1,ML2,ML3,ML4,ML5,ML6,ML7,ML8)、贡湖湾(G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7,G8) 、 东部湖区(MS1,XH1)、湖心区(HX1,HX2,HX3,HX4)、东太湖(D1,D2,D3,D4,D5)、南沿岸区(N1,N2,N3)和西沿岸区(X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8,X9,X10).

图1 太湖沉积物采样点位分布Fig.1 Sediments sampling sites in sediments of Taihu Lake

1.2 样品采集与处理

借助手持式GPS 定位仪,确定具体采样点位,用柱状采样器(内径8.8cm,长50cm)采约30～40cm的底泥柱状样品,然后将其分层切样,将混合后的部分样品放入聚乙烯自封袋中冷冻保存运回实验室,并在自封袋上标记上点位、采样编号以及时间.沉积物用FD-1A-50 型冷冻干燥机冷冻干燥后,用研钵研磨过100 目筛后保存待测.

1.3 底泥污染评价方法

目前关于重金属污染评价的方法有沉积物质量基准法[15]、地累积指数法[16]、潜在生态风险指数法[17]等.其中地累积指数评价法能够定量评价沉积物中金属的污染程度,被广泛应用水体沉积物重金属污染风险分析中[18].基于重金属总量与背景值的关系评价沉积物中重金属的污染程度[19].公式如式(1):

式中:Cn为重金属n 在沉积物中的含量;Bn为本底值.由于我国尚无评价沉积物中重金属含量的标准值,因此在本研究中采用太湖流域土壤中重金属自然本底值作为标准值进行评价(表1),Igeo为重金属地累计污染指数,1.5 为考虑成岩作用引起的背景值波动而引入的参数,地累积指数法根据计算得到的Igeo大小将重金属的污染程度划分为7 个等级,分级见表2.

表1 太湖底泥重金属参比值(mg/kg) [20]Table 1 The reference value of heavy metals in sediments of Taihu Lake(mg/kg)[20]

表2 地累积指数分级[18]Table 2 Geo-accumulation index classification[18]

1.4 测定分析方法

1.4.1 营养盐分析步骤 沉积物中的总氮(TN)、总磷(TP)含量检测用过硫酸钾联合消解法测定.称取(0.02±0.005) g 左右泥样于比色管中,加入20mL 去离子水、25mL 氧化剂(1L 水中加入20g 过硫酸钾和3g 氢氧化钠)放入YXQ-LS-50G 的灭菌锅中在120℃下消解30min.降温后,取3mL 所得溶液,加入300uL钼锑显色剂,用紫外可见分光光度及在700nm处测定总磷,在210nm 测定总氮[13].

1.4.2 有机质的测定 称取(0.15±0.005) g 土样于硬质试管中,加入5mL 的重铬酸钾和5mL 浓硫酸,置于油浴锅中170℃～180℃油浴5mins,用硫酸亚铁滴定,计算得出有机质含量[33].

1.4.3 重金属分析 称取(0.1±0.005) g 土样,利用四酸法(硝酸+高氯酸+氢氟酸+盐酸)消解,取冷却后得到的澄清溶液1mL 稀释到10mL.重金属(As、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr)的含量使用安捷伦7700X型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定,Hg 的含量使用Hydra-c 型全自动测汞仪测定[14].实验中所用的所有玻璃、塑料器皿均要经2mol/L 的HNO3浸泡24h 并清洗后才可使用,实验所用试剂均为分析纯.

采用Excel 软件进行数据处理和图表绘制.利用ArcGIS10.2 软件进行反距离权重插值法绘制沉积物营养盐和重金属元素的二维空间分布特征.

2 结果与讨论

2.1 太湖底泥总氮、总磷以及有机物分布特征

2.1.1 平面空间分布特征 太湖表层(0～10cm)沉积物的TN 含量为561～2707mg/kg,平均1502mg/kg(图2a),10～20cm 的TN 含量为669～2786mg/kg,平均1360mg/kg(图2b);20～30cm 的 TN 含量为177～3131mg/kg,平均1295mg/kg(图2c).根据美国环保署(EPA)确定的沉积物TN污染评价标准[36]:沉积物TN含量低于1000mg/kg 为清洁;1000～2000mg/kg 为中度污染;高于2000mg/kg,为重度污染.故太湖总体平均处于轻度污染,沉积物TN 含量较高的区域主要分布在竺山湖区、东太湖区和西沿岸,这3 个区的0～30cm 的TN 平均值皆高于总体TN 平均值.

图2 太湖沉积物营养盐的空间分布Fig.2 Spatial distributions of nutrients in the sediments of Taihu Lake

图3 沉积物中总氮、总磷和有机质纵向分布特征Fig.3 Vertical distribution of TN、TP and organic matter in sediments

太湖表层沉积物TP 含量为308～1156mg/kg,平均532mg/kg(图2d);10～20cm 的TP 含量为246～1355mg/kg,平均482mg/kg(图2e);20～30cm 的TP 含量为148～1486mg/kg,平均443mg/kg(图2f).根据美国环保署(EPA)确定的沉积物TP 污染物评价标准[36]:沉积物TP 低于420mg/kg 为轻度污染;420～650mg/kg 为中度污染;高于650mg/kg 为重度污染.故太湖总体平均处于中度污染,其中沉积物总磷含量较高区域有竺山湖区、西沿岸湖区和梅梁湖区.

太湖表层沉积物有机质为1.27%～3.83%,平均2.35%(图2g);10～20cm 的有机质含量为1.03～ 3.61%,平均2.00%(图2h);20～30cm 的有机质为0.43%～4.31%,平均1.94%(图2i).有机质含量较高的区域有东太湖、竺山湖区和贡湖湾区,与总氮总磷分布特征较为一致.图2g、h、i 污染范围随着深度的增加而减少.

陆志华等[32]得出太湖TN 为346～ 4800mg/kg,平均 1146mg/kg,TP 为 317～2124mg/kg, 平均668.47mg/kg;2019 年方佳琪等[5]发现竺山湾沉积物TN 为 520～1840mg/kg, 平均 1110mg/kg,TP 为450～1700mg/kg,平均930mg/kg;2020 年邓延慧等[1]研究表明,TN 的数据为 550～2200mg/kg,平均1010mg/kg,TP 为171～1460mg/kg,平均510mg/kg;张曼等[33]指出,太湖竺山湾和贡湖湾的 TN 为905～2617mg/kg, 平均 1570mg/kg,TP 为 272～588mg/kg,平均332mg/kg.本文调查数据基本与前人研究数据相符,且沉积物高值区域主要位于竺山湖以及太湖西沿岸,这与长期的外源输入有关.

2.1.2 垂向分布特征 太湖总体(含9个湖区)TN在0～10cm、10～20cm 和20～30cm 的平均值分别为1502,1360,1294mg/kg;TP 的3 层平均分别为532,482,443mg/kg;有机质的3 层平均值2.35%,2.00%,和1.94%.从总体上看TN、TP 和有机质均随深度增加而减少,表现出较为明显的表层富集的特征.

据EPA 确定的沉积物TN 污染评价标准[36],1000～2000mg/kg 为中度污染.绝大部分湖区TN 都在1000mg/kg,即便在20～30cm 也少有低于1000mg/kg,故在20～30cm 的深度,太湖大部分湖区也处于TN 轻度污染.根据EPA 确定的沉积物TP 污染物评价标准,420～650mg/kg 为中度污染,竺山湖区0～30cm 皆处于中度污染,其余湖区大都在10cm 以下的深度的TP 含量低于400mg/kg,为轻度污染.东太湖区的有机质浓度虽然也随着深度的增加而减少,但总体也是处于2.0%以上,高于太湖总体平均值,可能是因为东太湖沉积物中有机质含量受水生植物死亡分解影响较大.

2.2 太湖底泥重金属分布特征

2.2.1 平面空间分布特征 由太湖0～30cm沉积物重金属(Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、As、Zn、Cu)的分布(图4)可见,各重金属平均含量与江苏省背景值比值为Cd(4.04)>Zn(1.69)>Cu(1.49)>Hg(1.41)>Ni(1.39)>Pb(1.32)>As(1.23)>Cr(1.17),各重金属的平均含量为 Cd(0.52mg/kg)、Cr(80.13mg/kg)、Hg(0.11mg/kg)、Ni(39.26mg/kg)、Pb(32.27mg/kg)、As(10.47mg/kg)、Zn(102.99mg/kg)和Cu(33.18mg/kg).所以各重金属都存在一定的污染,尤其以Cd 最为严重.

图4 太湖沉积物重金属的空间分布Fig.4 Spatial distributions of heavy metals in the sediments of Taihu Lake

研究发现,我国湖泊重金属污染也是Cd 污染最为严重.滆湖Cd 和As 为主要污染物,且已受到Cd 中度-偏重度污染[6];巢湖Cd 和Hg 的平均含量远超于安徽省土壤背景,且Cd 的单因子风险等级达到较重污染等级,是主要污染贡献因子[7];武汉市的龙阳湖和墨水湖,Cd 是两湖重金属污染和生态风险的主要贡献因子,地累积指数法表明两湖的Cd 处于偏中度至中度的污染状态[34];南昌市的3 个湖泊Cd 和Pb 地累积最为严重,3 个湖泊的Cd 的风险程度最大[35].

由图4 可见,Cd 不仅污染范围大,且污染程度也大.重金属污染湖区也较为集中,大多分布在竺山湖区、梅梁湾湖区、西沿岸湖区和贡湖湾区,但As 在南沿岸区也有较大的污染范围.东太湖区、湖心区和东部湖区重金属污染情况较轻.今后的重金属污染关注重点应放在竺山湖区、梅梁湾、西沿岸、南沿岸和贡湖湾区这些靠近工业区的湖区,通过追寻同源重金属来判断污染源头.

2.2.2 垂向分布特征 垂向分布上,大部分湖区的重金属分布与总氮、总磷分布大体一致,均表现为表层富集的特征,重金属含量随着深度加深而减少.但个别重金属(如As、Pb)在部分湖区(除湖心区与东部湖区)会出现20～30cm 比10～20cm 浓度要高的情况,甚至会与表层达到同样的浓度.这可能由于生物扰动等原因导致的(表3).

2.3 太湖底泥污染评价

2.3.1 氮磷有机质 太湖沉积物氮磷负荷较高,尤其是竺山湖区.竺山湖区TP平均值远高于其他湖区,为总磷重度污染湖区,同时也是TN 平均值最高的湖区.这是由于竺山湾位于太湖西北部,又处东南风的下风向,自身较容易堆积水生植物和藻类残体堆积,同时又有多条河流汇入,使得外源输入增加,导致该湖区总氮总磷含量较高,存在潜在的内源磷释放的风险[37],这与方佳琪等[5]研究一致.太湖表层沉积物有机质集中在东太湖区,主要受水生植物死亡分解影响较大.东太湖周围多为出湖河流,受生活污水小,但历史上存在大规模围网养殖加之该区域常年水生植物死亡分解致使沉积物有机质含量居高不下[38].

2.3.2 重金属 由表4 可知,太湖表层沉积物中, Cd的Igeo在1～2 之间属于偏中度污染,Zn 的Igeo值在0～1 之间属于轻度污染,其余重金属的Igeo值都属无污染,由此可见,Cd 需要针对性治理.Zn 的指数与邓延慧等[1]在2020年的研究相当,但Cd的指数与2020年相比上升很多,需引起重视.根据祁闯等[8]的研究,Cd 在1988 年就处于极强风险,远超其他重金属,且生态风险极不稳定,一直是太湖重金属污染治理的重中之重,即便经过治理,风险有所降低,仍需重视Cd 的污染监测.太湖沉积物镉的污染与历史上太湖周边的冶炼工厂、电镀行业、机械制造行业等污水排放有关[22-26].

表4 太湖表层沉积物重金属元素指数分布Table 4 Index distributions of heavy metals elements in the surface sediments of Taihu Lake

3 结论

3.1 太湖表层沉积物TN含量为561～2070mg/kg, TP含量为308～1156mg/kg,有机质含量为1.27%～3.83%.沉积物营养盐空间分布较为一致,营养盐含量由湖中心往湖四周方向逐步增加,尤其以湖西北部的竺山湖区、东太湖区和西沿岸北部这3 个区域污染最为严重,纵向分布上,营养盐分布为出现表层富集的特征.但太湖总体TN 和TP 在0～30cm 大多处于中度污染,东太湖区0～30cm 沉积物的有机质在2.00%以上,因其受水生植物死亡分解影响较大.

3.2 各重金属在太湖沉积物0～30cm的平均含量为Cd(0.52mg/kg)、Cr(80.13mg/kg)、Hg(0.11mg/kg)、Ni(39.26mg/kg)、Pb(32.27mg/kg)、As(10.47mg/kg)、Zn(102.99mg/kg)和Cu(33.18mg/kg).重金属分布在空间分布上也较为一致,大部分重金属集中在竺山湖区、梅梁湾、西沿岸区和贡湖湾区,在垂向分布上,大部分重金属在大部分湖区均是表层富集的特征.

3.3 太湖表层沉积物有机质集中在东太湖区,其受水生植物死亡分解影响较大.根据地累积指数评价法,8 种重金属中只有Cd 和Zn 的Igeo大于1,分别为偏中度和轻度污染,其余重金属的Igeo值都小于零,属于无污染范围.但Cd 相对于其他7 种重金属,污染面积大且污染程度深.