太湖流域沉積物營養(yǎng)鹽和重金屬污染特征研究

于佳佳,尹洪斌,高永年,唐婉瑩(.南京理工大學(xué),江蘇 南京 0094；中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 0008)

太湖流域沉積物營養(yǎng)鹽和重金屬污染特征研究

于佳佳1,尹洪斌2*,高永年2,唐婉瑩1(1.南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094；2中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008)

以太湖流域不同分區(qū)水體表層沉積物為研究對象,通過對流域表層沉積物103個點(diǎn)位的氮、磷(TN、TP)和8種重金屬(Hg、As、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr)的分析,對氮、磷和重金屬空間分布特征和生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價.結(jié)果表明,表層沉積物TN含量呈現(xiàn)：Ⅱ11區(qū)(湖西丘陵區(qū))＞Ⅱ21區(qū)(無錫虞農(nóng)田區(qū))＞Ⅱ12區(qū)(浙西山區(qū))＞Ⅱ23區(qū)(滬蘇嘉農(nóng)田區(qū))＞Ⅱ22區(qū)(太湖濕地區(qū)),其值介于550～3453mg/kg之間.TP含量分布為Ⅱ23區(qū)＞Ⅱ21區(qū)＞Ⅱ22區(qū)＞Ⅱ11區(qū)＞Ⅱ12區(qū),其值介于320～2481mg/kg之間.太湖流域水體表層沉積物重金屬的含量分布特征為Ⅱ23區(qū)、Ⅱ21區(qū)較高,Ⅱ12區(qū)、Ⅱ11區(qū)、Ⅱ22區(qū)較低.綜合污染指數(shù)評價(FF)對營養(yǎng)鹽評價結(jié)果表明,太湖流域水體表層沉積物氮磷污染情況嚴(yán)重,整個太湖流域水體表層沉積物營養(yǎng)鹽污染等級呈現(xiàn)：Ⅱ12區(qū)＞整體＞Ⅱ21區(qū)＞Ⅱ11區(qū)＞Ⅱ23區(qū)＞Ⅱ22區(qū)的分布.重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)表明,太湖流域水體表層沉積物重金屬污染呈現(xiàn)Ⅱ21區(qū)最高,其次是Ⅱ23區(qū)、Ⅱ12區(qū)、Ⅱ22區(qū),最低為Ⅱ11區(qū).進(jìn)一步運(yùn)用地積累指數(shù)法(Igeo)表明,太湖流域表層沉積物重金屬As、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr污染狀況較輕,而潛在生態(tài)危害指數(shù)法(Er)表明Hg、Cd的風(fēng)險等級高,是造成太湖流域水體表層沉積物生態(tài)風(fēng)險的主要因素.

太湖流域；表層沉積物；氮；磷；重金屬；風(fēng)險評價

外源污染物排入水體后,經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)以及物化復(fù)合過程最終會蓄積于沉積物中.沉積物因此也被稱為污染物的“源和匯”.

源-匯關(guān)系的轉(zhuǎn)變主要取決于外界環(huán)境的改變,如再懸浮過程、溶解氧以及有機(jī)質(zhì)的礦化過程等均可以影響到沉積物-水界面污染物的生物地球化學(xué)過程.雖然沉積物中污染物的生物有效態(tài)是決定污染物毒性的最重要形態(tài),而與污染物總量關(guān)系較弱,但是國際上開展的大量研究表明,沉積物污染物的總量超過某一閾值時會對水體生物產(chǎn)生危害.因此,污染物總量或其加權(quán)值仍可以作為評價沉積物質(zhì)量和污染程度的一個重要指標(biāo)[1].氮、磷等是水生生物生長的必要營養(yǎng)元素,影響著水體中浮游植物和藻類的生長.磷和氮濃度升高會導(dǎo)致藍(lán)藻暴發(fā),甚至形成“水華”.沉積物是湖泊營養(yǎng)鹽的重要蓄積庫.當(dāng)入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷量減少,湖泊沉積物中的營養(yǎng)鹽會釋放到湖水中,湖泊仍然可能發(fā)生富營養(yǎng)化.太湖流域營養(yǎng)鹽等污染物主要通過城鎮(zhèn)降雨徑流、農(nóng)田徑流、農(nóng)村居民、水產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖等途徑進(jìn)入.概括為城鎮(zhèn)降雨徑流、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè))、農(nóng)村居民生活3個途徑,這3個途徑成為太湖流域湖泊富營養(yǎng)化、湖泊水質(zhì)不斷惡化的直接原因.

目前,對于沉積物營養(yǎng)鹽和重金屬的污染狀況評價方法較多.對于沉積物營養(yǎng)鹽,主要采用有機(jī)指數(shù)法、有機(jī)氮評價方法、有機(jī)碳評價方法、綜合污染指數(shù)評價方法等,如利用有機(jī)指數(shù)和有機(jī)氮評價太湖西岸湖濱帶沉積物的環(huán)境質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)總體上屬于尚清潔范疇,遠(yuǎn)岸端沉積物有機(jī)指數(shù)及有機(jī)氮含量較高,存在轉(zhuǎn)為有機(jī)污染的風(fēng)險[2].對于沉積物重金屬的評價主要有地積累指數(shù)法與生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法,例如：利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究太湖濕地生境水生態(tài)亞區(qū)表層沉積物中金屬的污染情況,發(fā)現(xiàn)四種元素中 Cd為太湖表層沉積物中最主要的污染元素,且具有較強(qiáng)的生態(tài)危害,4種重金屬潛在生態(tài)危害由大到小排序?yàn)椋?Cd＞Pb＞Cu＞Zn[3].

近幾年來,對太湖流域的研究有很多[4],研究內(nèi)容種類多,研究對象區(qū)域化.已做研究主要關(guān)注太湖流域的局部區(qū)域或者不同位點(diǎn)污染物質(zhì),而沒有把研究區(qū)域拓展到整個太湖流域.實(shí)際上太湖流域由于各個區(qū)域自然社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不平衡,也導(dǎo)致了人類活動對各個區(qū)域的影響具有顯著差異.了解各個區(qū)域沉積物中污染物的分布特征和生態(tài)風(fēng)險,對于整個太湖流域的水環(huán)境管理具有重要的作用.與前期研究不同,本文主要通過對太湖流域的河流和湖泊沉積物進(jìn)行大范圍、多位點(diǎn)采樣,通過對沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬的同步分析,來闡明這些污染物在太湖流域中的大范圍空間中的分布特征,并借助綜合污染指數(shù)、地積累指數(shù)法以及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對沉積物中污染物生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價.研究結(jié)果可更好地對太湖流域水體污染狀況進(jìn)行分區(qū)域、重點(diǎn)突出地進(jìn)行管理.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

圖1 太湖流域采樣點(diǎn)位分布Fig.1 Location of sampling sites in Taihu Lake Basin

依據(jù)太湖流域土地利用特點(diǎn)和自然地貌等特點(diǎn),將整個太湖流域分為5個二級分區(qū)：即湖西丘陵森林農(nóng)田交錯河源生境水生態(tài)亞區(qū)(Ⅱ11)、浙西山區(qū)森林河源生境水生態(tài)亞區(qū)(Ⅱ12)、武錫虞農(nóng)田河網(wǎng)生境水生態(tài)亞區(qū)(Ⅱ21)、太湖濕地生境水生態(tài)亞區(qū)(Ⅱ22)和滬蘇嘉農(nóng)田河網(wǎng)生境水生態(tài)亞區(qū)(Ⅱ23)(圖1).分區(qū)表述均采用標(biāo)號表示.Ⅱ11區(qū)的土地利用類型以林業(yè)和農(nóng)業(yè)為主,Ⅱ12區(qū)以林業(yè)和農(nóng)業(yè)為主,Ⅱ21區(qū)以建筑用地、灌溉農(nóng)業(yè)用地為主,Ⅱ23區(qū)以建筑用地和灌溉用地為主;人口密度和城市發(fā)展?fàn)顩r為Ⅱ23＞Ⅱ21＞Ⅱ12＞Ⅱ11[5],從人口數(shù)量,工農(nóng)業(yè)發(fā)展情況來看,Ⅱ23區(qū)、Ⅱ21區(qū)較高,Ⅱ11區(qū)、Ⅱ12區(qū)、Ⅱ22區(qū)較低.本次采樣共計103個點(diǎn)位,分別分布在上述的不同區(qū)域中.

借助GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),用彼得森采泥器采取一定質(zhì)量(5kg)的底泥樣品,將混合后的部分樣品放入聚乙烯自封袋中冷凍保存送回實(shí)驗(yàn)室,記錄下水體名稱、位置、采樣編號以及時間.沉積物樣品用 FD-1A-50型冷凍干燥機(jī)冷凍干燥,研磨過200目篩后保存待測.

1.2 樣品預(yù)處理與分析

1.2.1 營養(yǎng)鹽分析步驟 沉積物中的總氮(TN)、總磷(TP)含量以過硫酸鉀聯(lián)合消解法測定.稱取小于0.02g泥樣,加入25mL去離子水、25mL氧化劑(20g過硫酸鉀、3g氫氧化鈉溶于1L去離子水中)放入121℃的YXQ-LS-50G滅菌鍋中消解30min.取3mL消解所得溶液加入0.3mL鉬-銻顯色劑,用紫外可見分光光度計在700nm處測定總磷、在210nm處測定總氮[6].

1.2.2 重金屬分析步驟 稱取 0.1g土樣,加入2mLHF、1mLH2O2、1mLHNO3的混合液,放入Mars6的微波消解爐中消解4h,取冷卻后得到的澄清溶液1mL稀釋到10mL.重金屬(As、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr)的含量使用安捷倫7700X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定,Hg的含量使用 Hydra-c型全自動測汞儀測定[7].實(shí)驗(yàn)中所用的所有玻璃、塑料器皿均要經(jīng) 2mol/L的HNO3浸泡 24h并清洗后才可使用,實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Origin 8.0、SPSS 16.0和Arc GIS 9.3進(jìn)行分析.所有樣品分析均重復(fù)進(jìn)行3次.

1.3 評價方法

目前有關(guān)沉積物中氮磷的污染評價有很多種.本研究用有機(jī)氮評價方法和綜合污染指數(shù)評價方法對太湖流域表層沉積物的氮磷污染進(jìn)行評價.

1.3.1 有機(jī)氮評價方法 有機(jī)氮評價是湖泊表層沉積物是否受到氮污染的重要指標(biāo).計算方法及評價標(biāo)準(zhǔn)如下[8]：

表1 沉積物有機(jī)氮評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standards of organic nitrogen in sediments

1.3.2 營養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)評價 綜合污染指數(shù)評價綜合考慮氮和磷共同對表層沉積物的污染程度.計算方法如下：

式中：S為單項(xiàng)評價指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)指數(shù),S大于1表示因子含量超過評價標(biāo)準(zhǔn)值;C為評價因子的實(shí)測值(g/kg);Cs為評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)值,TN 的Cs=0.67g/kg,TP的Cs=0.44g/kg[9];F為n項(xiàng)污染指數(shù)平均值,FMAX為最大單項(xiàng)污染指數(shù).FF的大小與污染等級關(guān)系如表2.關(guān)于沉積物重金屬對環(huán)境的污染和生態(tài)危害程度,人們研究了多種評價方法,其中,地積累指數(shù)法與生態(tài)危害指數(shù)法因簡單易行被廣泛地用于沉積物中重金屬的污染評價[10].

表2 沉積物綜合污染程度分級Table 2 Standard and level of comprehensive pollution in sediment

1.3.3 重金屬地積累指數(shù)法 在考慮人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值的同時,還特別考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素,給出直觀的重金屬污染級別.計算方法：

式中：Igeo為重金屬的地積累指數(shù);C為重金屬在沉積物中的含量,mg/kg;B為沉積巖中所測該重金屬的地球化學(xué)背景值,采用江蘇省土壤重金屬環(huán)境背景值;k為考慮到成巖作用可能會引起的背景值的變動而設(shè)定的常數(shù),一般k=1.5, Igeo大小與污染等級如表3.

表3 重金屬污染程度與Igeo的關(guān)系Table 3 The relationship between heavy metal pollution and Igeo

1.3.4 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 綜合考慮了重金屬的毒性在沉積物中普遍的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?以及重金屬區(qū)域背景值的差異,可以綜合反映沉積物中重金屬的潛在生態(tài)影響.計算方法[11]：

式中：Cf為重金屬的污染指數(shù);Ci為重金屬的實(shí)測濃度,mg/kg;Cn為重金屬的評價參比值.Er為單項(xiàng)金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Tr為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),反應(yīng)重金屬的毒性水平及生物對重金屬污染的敏感程度;重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)(Tr)分別為：Hg=40,Cd=30,As=10,Cu=Pb=Ni=5,Cr=2,Zn=1;RI為多項(xiàng)金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù).

重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Er,綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI和潛在生態(tài)風(fēng)險等級,如表4所示.

表4 單項(xiàng)及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)與分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Individual indice and grades of potential ecological risk assessment

2 結(jié)果與討論

2.1 表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)分布特征

2.1.1 表層沉積物總氮(TN)分布特征 通過對表層沉積物中總氮(TN)含量進(jìn)行統(tǒng)計分析,可以看出,平均總氮含量Ⅱ11(1787mg/kg)＞Ⅱ21 (1652mg/kg)＞Ⅱ12(1556mg/kg)＞Ⅱ23(1537mg/kg)＞Ⅱ22(1425mg/kg).從太湖流域整體看,Ⅱ11區(qū)的TN含量最高,主要原因在于Ⅱ11區(qū)是幾個區(qū)域中農(nóng)業(yè)面積最大的區(qū)域,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)達(dá)使污染物排放量較大,農(nóng)藥和化肥的使用會導(dǎo)致 TN的含量升高,農(nóng)田多建在河道以及湖蕩邊,排水分散,消減路徑較短,濕地屏障作用薄弱.這與李志宏[12]的結(jié)果一致.

圖2 太湖流域水體表層沉積物營養(yǎng)物質(zhì)含量分布Fig.2 Distribution of nutrient content in Lake Taihu Basin

2.1.2 表層沉積物總磷(TP)分布特征 通過對表層沉積物(0～5cm)中TP含量進(jìn)行統(tǒng)計分析,可以看出,TP的分布與 TN相反,平均分布為Ⅱ23(1147mg/kg)＞Ⅱ21(1072mg/kg)＞Ⅱ12(874mg/ kg)＞Ⅱ11(668mg/kg)＞Ⅱ22(615mg/kg),從整體看,太湖流域表層沉積物東部總磷含量較高.總磷較高原因是Ⅱ23區(qū)除農(nóng)田外存在嘉興、蘇州、上海等城市,人口密度大、工業(yè)企業(yè)多,GDP高,生活污水和工業(yè)廢水混合排放量大,這與吳攀[13]的結(jié)果一致.太湖流域表層沉積物TN、TP的分布特征如圖2.

2.2 表層沉積物重金屬分布特征

太湖流域表層沉積物8種重金屬Hg、As、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr的含量統(tǒng)計分析結(jié)果表明,As、Cd、Ni的變異系數(shù)超過了130%,說明這些元素在某些點(diǎn)位的含量明顯偏高;同時其它重金屬元素的變異系數(shù)也在 10%～100%之間,反應(yīng)了空間分布上的差異性.8種重金屬在太湖水體流域表層沉積物中的平均含量順序?yàn)閆n(192mg/kg)＞Cr(97mg/kg)＞Cu(53mg/kg)＞Ni(48 mg/kg)＞Pb(40mg/kg)＞As(13mg/kg)＞Cd(1.61mg/k g)＞Hg(0.12mg/kg).

太湖流域水體表層沉積物重金屬在不同區(qū)域的含量分布為,Ⅱ23區(qū)、Ⅱ21區(qū)較高,Ⅱ12區(qū)、Ⅱ11區(qū)、Ⅱ22區(qū)較低,整體呈由東向西、由北向南降低的趨勢,這與戰(zhàn)玉柱的結(jié)果相同.重金屬的分布與土地利用類型有關(guān),由于工業(yè)排放、城市垃圾場、汽油燃燒和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作用,重金屬在城市的含量高于農(nóng)田和林區(qū)含量.空間上分布差異較大的重金屬中,Cd的平均含量分布：Ⅱ23 (2.85mg/kg)＞II 21(0.83mg/kg)＞II 12(0.62mg/ kg)＞II 22(0.51mg/kg)＞II 11(0.38mg/kg),最大值(108mg/kg)位于Ⅱ23區(qū)京杭運(yùn)河.Ni的平均含量分布：Ⅱ23(59mg/kg)＞Ⅱ21(50mg/kg)＞Ⅱ22 (41mg/kg)＞Ⅱ11(29mg/kg)＞Ⅱ12(27mg/kg),最大值(715mg/kg)位于Ⅱ23區(qū)京杭運(yùn)河.Hg的平均含量分布：Ⅱ21(0.13mg/kg)含量最大,其他區(qū)域間差異小、區(qū)域內(nèi)差異較大,最大值(0.89mg/kg)位于Ⅱ23區(qū)京杭運(yùn)河.As的平均含量分布：Ⅱ22 (19mg/kg)＞Ⅱ23(15mg/kg)＞Ⅱ12(13mg/kg)＞Ⅱ11(9.2mg/kg)＞Ⅱ21(8.9mg/kg),最大值(235mg/kg)位于Ⅱ23區(qū)京杭運(yùn)河.這8種重金屬元素在太湖流域表層沉積物中分布情況如圖3.

圖3 太湖流域重金屬含量分布Fig.3 Spatial distribution of heavy metals in Lake Taihu basin

2.3 表層沉積物氮磷污染評價

針對太湖流域水體表層沉積物的所有點(diǎn)位數(shù)據(jù),經(jīng)有機(jī)氮污染評價得出,整個太湖流域表層沉積物有機(jī)氮污染Ⅳ級約占所有位點(diǎn)的66.02%,Ⅲ級污染約占所有位點(diǎn)的30.10%,說明在太湖流域表層沉積物氮污染是個嚴(yán)重的問題.太湖流域表層沉積物有機(jī)氮污染情況為Ⅱ12區(qū)最高,其次是Ⅱ21區(qū)、Ⅱ11區(qū)、Ⅱ23區(qū),最低為Ⅱ22區(qū),其中Ⅱ11區(qū)尚清潔比例33.33%,有機(jī)污染66.67%;Ⅱ12區(qū)較清潔 9.09%,尚清潔 9.09%,有機(jī)污染81.82%,Ⅱ21區(qū)較清潔4%,尚清潔24%,有機(jī)污染72%;Ⅱ22區(qū)尚清潔38.46%,有機(jī)污染61.54%,Ⅱ23區(qū)較清潔 4.44%,尚清潔 35.56%,有機(jī)污染60%.

經(jīng)綜合污染等級計算得出FF值為16.87,說明太湖流域表層沉積物的氮磷綜合污染情況依舊比較嚴(yán)重.針對5個二級分區(qū)進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)：整個太湖流域表層沉積物營養(yǎng)鹽污染等級呈現(xiàn)出Ⅱ12(17.07)＞Ⅱ21(4.04)＞Ⅱ11(3.93)＞Ⅱ23(3.39)＞Ⅱ22(2.60)的趨勢,這與楊洋[9]的研究結(jié)果一致.

表5 5個區(qū)域綜合污染程度分級Table 5 Standard and level of comprehensive pollution in sediment

2.4 表層沉積物重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險評價

2.4.1 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價法結(jié)果 太湖沉積物的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)表明,太湖表層沉積物中Ⅱ11區(qū)和Ⅱ22區(qū)所有元素的風(fēng)險等級為低,Ⅱ21區(qū)、Ⅱ23區(qū)和Ⅱ12區(qū)的Hg和Cd的風(fēng)險等級較高,是太湖整體的Hg和Cd的風(fēng)險等級高的原因.從整體來看,Cd的風(fēng)險等級為重,Hg的風(fēng)險等級為中等,其余重金屬風(fēng)險等級較低,說明Hg和Cd是太湖流域表層沉積物主要生態(tài)風(fēng)險貢獻(xiàn)因子.太湖流域水體表層沉積物綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(RI)分布結(jié)果如圖4所示.表明太湖流域表層沉積物重金屬污染呈現(xiàn)Ⅱ21區(qū)最高,其次是Ⅱ23區(qū)、Ⅱ12區(qū)、Ⅱ22區(qū),最低為Ⅱ11區(qū),RI值分別為118、108、102、90、66,對比單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù),表明Ⅱ21區(qū)、Ⅱ23區(qū)的風(fēng)險高的原因在于Hg和Cd,其中Cd的貢獻(xiàn)更明顯;Ⅱ23區(qū)的風(fēng)險原因在于Hg和Cd的共同作用.重金屬污染水平與土地利用類型以及污染源排放均密切相關(guān),如Ⅱ23區(qū)處于工業(yè)現(xiàn)代化程度較高的區(qū)域,大量未經(jīng)過處理的工業(yè)廢水直接排入河道是導(dǎo)致底泥重金屬較高的原因.而Ⅱ11區(qū)域,主要以農(nóng)業(yè)和種植也為主,污染程度相對較輕.

圖4 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險分布Fig.4 Grades of potential ecological risk assessment

2.4.2 地積累指數(shù)評價方法結(jié)果 地積累指數(shù)計算結(jié)果表明,二級分區(qū)的污染等級由大到小順序?yàn)椋孩?1區(qū)、Ⅱ22區(qū)、Ⅱ23區(qū)、Ⅱ12區(qū)、Ⅱ11區(qū).其中,Ⅱ21區(qū) Cu、Zn的污染等級為偏中度,Pb、Cd、Ni為輕度,其余元素為清潔.Ⅱ22區(qū)As、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni的污染等級為輕度.Ⅱ11區(qū)的Zn、Pb為輕度,其余均為清潔.整體太湖流域中As、Cr處于清潔狀態(tài)對環(huán)境無明顯污染;Cu、Zn、Pb、Cd、Ni處于輕度污染狀態(tài).

2.5 太湖流域水體表層沉積物的污染物來源

多元統(tǒng)計分析方法如主成分分析方法(PCA)可以很好的識別重金屬在自然環(huán)境中的污染源和相關(guān)性.大量的數(shù)據(jù)可以通過PCA方法減少到幾個變量,這有助于我們明確地和簡單地確定重金屬的性質(zhì),同時保留原始信息的很大一部分[14].太湖流域水體表層沉積物重金屬的PCA分析結(jié)果如圖5,可知在提取的8個重金屬元素中,可以用主成分 1(特征值=4.426)和主成分 2(特征值=3.276)來解釋8種元素82.016%的變異.主成分1更能解釋Cu、Ni、Cd、As和Pb的變異,主成分2更能解釋Hg、Cr和Zn的變異.

圖5 主成分1和2解釋重金屬的載荷Fig.5 Loading plot of heavy metals in the space defined by component 1and componen

由 Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣(表 6)可知：Cu、Ni、Cd、As和Pb之間存在較高程度的相關(guān)性(P＜0.01),表明這 5種重金屬具有相似的污染來源,Hg、Cr和Zn 3種重金屬元素之間存在較高程度的相關(guān)性(P＜0.01),Ni、Cd和Zn之間相關(guān)性不高,這說明元素Ni、Cd和Zn在沉積物中富集不僅與污染來源有關(guān),還受到其他因素的影響,如元素自身的物理化學(xué)特性、有機(jī)質(zhì)的含量、沉積物的粒度及與其它元素間存在競爭吸附等.

表6 Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣(n=103)Table 6 Pearson’s correlation matrix for heavy metals (n=103)

3 結(jié)論

3.1 太湖流域水體表層沉積物總氮和總磷的污染情況嚴(yán)重.氮含量總體呈現(xiàn)由西向東降低的趨勢,Ⅱ11區(qū)的總氮含量最高,相比之下,磷含量分布趨勢與氮相反,呈現(xiàn)出流域東部地區(qū)高西部地區(qū)低的趨勢.

3.2 運(yùn)用營養(yǎng)鹽綜合污染指數(shù)評價,發(fā)現(xiàn)太湖流域水體表層沉積物氮磷污染空間差異性較大,主要表現(xiàn)為Ⅱ12區(qū)＞Ⅱ21區(qū)＞Ⅱ11區(qū)＞Ⅱ23區(qū)＞Ⅱ22區(qū).

3.3 重金屬的含量分布大致呈現(xiàn)北高南低、東高西低的趨勢.

3.4 營養(yǎng)鹽和氮磷污染物的分布與土地利用類型有關(guān),污染物在城市的含量高于農(nóng)田區(qū)和林區(qū)含量.

3.5 地積累指數(shù)法(Igeo)表明,太湖流域表層沉積物重金屬As、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr污染狀況較輕,而潛在生態(tài)危害指數(shù)法(Er)表明Hg、Cd的風(fēng)險等級高,是造成太湖流域水體表層沉積物生態(tài)風(fēng)險的主要因素.

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Characteristics of nutrient and heavy metals pollution in sediments of Taihu watershed.

YU Jia-jia1, YIN Hong-bin2*,GAO Yong-nian2, TANG Wan-ying1(1.Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2287～2294

In this study, a total of 103-surface sediments were collected from lakes and rivers in Taihu watershed on the basis of different ecological zones. A total of 103 surface sediments were collected from lakes and rivers of Taihu watershed. The nutrients and heavy metals in sediments were analysed and the assessment of the ecological risk were carried out. The results showed that the concentration of total nitrogen descended as Ⅱ11 zone ( hill zone of west lake)＞Ⅱ21 zone (agricultural zone of Wuxiyu) ＞Ⅱ12 zone (mountain zone of Zhexi)＞Ⅱ23 zone (agricultural zone of Husujia)＞Ⅱ12 zone (wetland zone of Taihu Lake) with the value in the range of 550 to 3450mg/kg. The concentration of total phosphorus descended as Ⅱ23 zone＞Ⅱ21 zone＞Ⅱ22 zone＞Ⅱ11 zone＞Ⅱ12 zone with the value ranging from 320 to 2481mg/kg. The results of heavy metals in surface sediment of Taihu watershed indicated that the value of heavy metal concentrations were highest in zones of Ⅱ23 and Ⅱ21. While it was the lowest in zones of Ⅱ12, Ⅱ11 and Ⅱ22. The results of comprehensive pollution index (FF) indicated that the contamination of nutrients in sediment of Taihu watershed were very serious and a grading of pollution has been formed. The value of RI indicated that metals in Ⅱ21 zone rank the highest and then was zones of Ⅱ23,Ⅱ12 and Ⅱ22 and Ⅱ11 zone rank the lowest. The results of Igeoindicated that metals including As、Cu、Zn、Pb、Ni、Cr were not polluted while the value of Er indicated that Hg and Cd were the most polluted elements and which contribute a lot to the pollution status of metal in sediments of Taihu watershed.

the Taihu Lake watershed；sediment；nitrogen；phosphorus；heavy metal；risk assessment

X171,X524

A

1000-6923(2017)06-2287-08

于佳佳(1991-),女,吉林四平人,南京理工大學(xué)碩士研究生,主要從事湖泊底泥污染監(jiān)測研究.

2016-11-01

國家水體污染治理重大專項(xiàng)(2012ZX07501-001-03);國家自然科學(xué)基金(41371479);江蘇省社會發(fā)展項(xiàng)目(BE2016811)

* 責(zé)任作者, 副研究員, hbyin@niglas.ac.cn