南海湖水質(zhì)特征及沉積物重金屬季節(jié)性分布特征研究

張 曄

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

南海湖水質(zhì)特征及沉積物重金屬季節(jié)性分布特征研究

張 曄

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

南海湖；沉積物；重金屬；水質(zhì)

【研究意義】重金屬是難降解、累積性元素，通過生物化學(xué)循環(huán)或食物鏈在生態(tài)系統(tǒng)中積累，導(dǎo)致水體凈化效能降低或水體富營養(yǎng)化，對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成直接或潛在的危害[1-2]。沉積物是污染物的重要載體，影響著生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和多樣性，通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶、沖刷等多種途徑沉積到底泥中并逐漸富集[3]；當(dāng)沉積物-水界面的理化條件發(fā)生改變時(shí)，沉積物中的重金屬會再次釋放，成為“二次污染源”，影響上覆水體的水質(zhì)，從而成為重金屬污染的源[4]。由于重金屬污染具有長期性、不可逆性、隱蔽性、循環(huán)性以及難降解性等特點(diǎn)，重金屬污染的調(diào)控是仍是一個(gè)長期而艱巨的任務(wù)[2,5]。因此，研究沉積物中重金屬的遷移-轉(zhuǎn)化行為是重金屬污染評價(jià)和調(diào)控的重要基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】湖泊具有排水、氣候調(diào)節(jié)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和休閑等多種生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其水體沉積物反應(yīng)了湖泊水體受重金屬污染的情況，也記錄了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人為活動對環(huán)境的影響，能夠作為水體污染的敏感指標(biāo)[6]。我國湖泊重金屬污染情況十分令人擔(dān)憂，湖泊作為重金屬污染物的有效匯集庫，當(dāng)重金屬超過湖泊承受閾值，通過食物鏈威脅人類的生存和生態(tài)系統(tǒng)的健康[7]。近年來，湖泊水體污染與富營養(yǎng)化以及全球氣候變化等環(huán)境問題日益尖銳，湖泊在大氣調(diào)節(jié)以及對附近水域中污染物的凈化(包括營養(yǎng)鹽的吸收與匯聚)方面的功能開始引起環(huán)境學(xué)家的高度關(guān)注，研究湖泊沉積物重金屬分布是生態(tài)系統(tǒng)地球化學(xué)循環(huán)研究的重要基礎(chǔ)，科學(xué)、妥善處理湖泊沉積物重金屬帶來的生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)迫在眉睫[8]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展和城市經(jīng)濟(jì)快速增長，南海湖水體污染物已嚴(yán)重超標(biāo)，沉積物重金屬污染程度呈加劇趨勢；部分學(xué)者對南海湖重金屬污染特征進(jìn)行了系列研究，主要集中在水體和沉積物重金屬空間分布規(guī)律、影響因素等方面，但關(guān)于南海湖重金屬污染程度，尤其不同季節(jié)重金屬污染特征及其影響因子研究尚鮮見報(bào)道[9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】因此，本文采用連續(xù)多級提取法(BCR)，對比分析了不同季節(jié)南海湖沉積物重金屬分布特征及其影響因子。【擬解決的關(guān)鍵問題】有利于深入剖析重金屬的生物地球化學(xué)過程，為南海湖水體沉積物重金屬的污染防治和水環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南海湖(109°59′2″～110°2′26″E，40°30′08″～40°33′32″N)位于包頭市東河區(qū)南海自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，是黃河河道南移后留下的牛軛湖，也是包頭市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，面積約3.33 km2，南海湖東西長約3.5 km，南北寬約1.2 km，湖深0.8～3.0 m，是只有進(jìn)水沒有流出的封閉性淺水湖泊。在未封閉前，南海湖水自西南流入，向東北經(jīng)弧形轉(zhuǎn)彎后由東南向流出。在黃河向南改道的過程中，南海湖西南入口逐漸淤死，并于1958年在東部出口人工筑壩，從而形成現(xiàn)有的湖面形狀。南海湖年蒸發(fā)量為2342.2 mm，年均降水量僅為307.4 mm，湖內(nèi)需要大量補(bǔ)水，補(bǔ)水口仍設(shè)在原有入口的西南部[10]。

1.2 采樣方法

對包頭市南海湖進(jìn)行了系統(tǒng)的樣品采集。樣點(diǎn)布設(shè)充分考慮了湖的補(bǔ)水流向、污染來源、湖岸線、湖中挺水植物及湖心島等因素的影響，在上游西北岸布設(shè)15個(gè)采樣點(diǎn)，2012-2015連續(xù)3年不同季節(jié)(春季2月、夏季5月、秋季8月、冬季11月)定期(月中)采集樣品，現(xiàn)場測定水溫、透明度，pH和采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(HI9828)測定，定性、定量采集樣品測定浮游植物多樣性及水質(zhì)狀況。浮游植物(定性測量樣品)以國際標(biāo)準(zhǔn)的25號浮游生物網(wǎng)在水面表層呈“∞”字形緩慢來回拖取3～5 min撈取浮游植物樣品，濃縮生物網(wǎng)中的水到100 mL后1～2 mL魯哥試液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室以備鏡檢，另取表層水樣1 L，搖勻后帶回實(shí)驗(yàn)室用于測定水質(zhì)狀況；浮游植物(定量測量樣品)使用有機(jī)玻璃采水器在表層采取水樣1 L，10～15 mL魯哥試劑固定，帶回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)24 h沉淀濃縮至30 mL，加入4 %甲醛溶液保存以備鏡檢[11]。

水質(zhì)取樣為表層和深層水質(zhì)混合，冷藏保存待分析用；沉積物采樣點(diǎn)在距離湖邊5 m以內(nèi)(水面1 m左右)，采用直徑為5 cm 的PVC管進(jìn)行取樣(5點(diǎn)混合法)，預(yù)先用鐵桿測出水深和上層沉積物的厚度，然后在PVC管的相應(yīng)位置打上若干小孔，將PVC管扎入湖中，直至無法繼續(xù)往下深入，拔出PVC管封住底部，截下含有沉積物的一段，現(xiàn)場用干冰覆蓋低溫密閉保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后沉積物經(jīng)超低溫冷凍干燥后研磨過100目篩，一部分自然風(fēng)干后測定其養(yǎng)分含量；另一部分用HCl-HNO3-HClO4混酸消解后，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測定[12]。

1.3 樣品測定

1.3.1 浮游植物測定 將定量水質(zhì)樣品搖勻后，在顯微鏡(400×)下進(jìn)行，采用特定的浮游生物計(jì)數(shù)框(Palmer Counting Cell)計(jì)數(shù)，選取20～40個(gè)視野，每個(gè)樣本重復(fù)計(jì)數(shù)3次，有效統(tǒng)計(jì)數(shù)值。計(jì)算結(jié)果為藻類細(xì)胞密度，即單位體積內(nèi)藻類細(xì)胞個(gè)體數(shù)表示，對于比較難判斷的藻類，則任選20個(gè)個(gè)體在高倍鏡下觀察，測出細(xì)胞數(shù)取均值，依據(jù)《中國淡水藻類志》鑒定藻類組成。

選用Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)分析浮游植物物種多樣性[11]：

Margalef豐富度指數(shù)(S)：S=(N-1)/lnN

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H)：H=-∑(PilnPi)

Pielou 均勻度指數(shù)(JP)：JP=H/lnS

式中，S為總物種數(shù)，ni為第i種的個(gè)體數(shù)量，N為樣品中生物總個(gè)體數(shù)量，Pi為第i種的個(gè)體數(shù)量(ni)在總個(gè)體數(shù)量(N)中的比例。Shannon-Wiener指數(shù)值為0～1時(shí)，水體為重污染；其值為1～2時(shí)，水體為α-中污染，其值為2～3時(shí)，水體為β-中污染；其值>3時(shí)，水體為輕污染或無污染[11]。

1.3.3 養(yǎng)分含量測定 沉積物全碳和全氮含量采用元素分析儀測定；沉積物全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；沉積物全鉀采用火焰分光光度計(jì)法[14]。

1.3.4 重金屬測定 (1)儀器和試劑。儀器：電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS，Agilent 7500，USA)；微波消解儀(美國CEM公司)；消解罐；聚四氟乙烯坩堝；恒溫電熱板；亞沸蒸餾器(Berghof BSB-939-IR，German)；電子天平(German，精確至0.01 g)；100 mL容量瓶；玻璃漏斗；定量濾紙。試劑：去離子水；濃硝酸(Q=1.42 g/mL，優(yōu)級純)；超純水儀(Milli-Q，F(xiàn)rance)；硝酸(經(jīng)亞沸蒸餾器二次蒸餾酸)；氫氟酸(超純，上海試劑一廠)；高氯酸(優(yōu)級純，天津東方化工試劑廠)。

(2)沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定。樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，碾磨并過60目篩，稱取約0.5000 g加工好的樣品(精確到0.0001g)經(jīng)HClO4-HNO3-HF消化處理，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)內(nèi)標(biāo)法測定土壤Zn、Cd、Pb、Cu含量，采用冷原子吸收微分測儀、為ICP配置氫化物發(fā)生器，確保所需儀器的靈敏度。同時(shí)取土壤樣品0.2500 g(精確到0.0001g)于25 mL比色管中，加入新配(1+1)王水10 mL，于沸水浴中加熱2 h，其間要充分振搖2次，冷卻至室溫后加入10 mL保存液，用稀釋液定容，搖勻，該消解液用來測定Hg。取靜置后的消解溶液5.00 mL于另一25 mL比色管中，加入50 g/L的硫脲溶液2.5 mL，鹽酸2.5 mL，定容至25 mL，該溶液用來測定As。ICP-MS的精確度在2 %以下，回收率為95 %以上，測定偏差控制在9 %內(nèi)，每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行樣(測定數(shù)據(jù)為3次的平均值)。沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式[12]：

式中，w為沉積物中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(干基)，mg·kg-1；M為所測定的某種重金屬；c為ICP-MS測定預(yù)處理樣品得到的重金屬質(zhì)量濃度，mg·L-1；n為ICP-MS測定時(shí)預(yù)處理樣品的稀釋倍數(shù)；m為沉積物樣品質(zhì)量，kg；v為定容體積，L。

(3)沉積物中重金屬化學(xué)浸提試驗(yàn)。采用修正的BCR法分析沉積物中重金屬形態(tài)及對應(yīng)組分含量，此方法將沉積物中的重金屬分為5種化學(xué)形態(tài)，分別為水溶態(tài)(T1)、酸溶/可交換態(tài)(T2)、可還原態(tài)(T3)、可氧化態(tài)(T4)和殘?jiān)鼞B(tài)(T5)。準(zhǔn)確稱取0.5000 g過篩沉積物，放入50 mL聚丙烯離心管中，按表1中的浸提條件和步驟進(jìn)行浸提，使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定上清液中重金屬濃度。每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行樣(測定數(shù)據(jù)為3次的平均值)，每個(gè)批次實(shí)驗(yàn)設(shè)置空白樣品[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Excel 2003.0和SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差檢驗(yàn)，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示(mean±SE)，單因素方差分析(One-way ANOVA)，顯著性用LSD法，所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換；變量的顯著性經(jīng)過的蒙特卡洛(Monte Carlo)檢驗(yàn)(499次)，CANOCO 5.0對浮游植物多樣性與環(huán)境因子進(jìn)行RDA冗余分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 南海湖浮游植物多樣性季節(jié)特征

浮游植物群落的多樣性多樣性指數(shù)具有生態(tài)學(xué)指示作用，為避免采用單一的多樣性指數(shù)來解釋浮游植物群落的多樣性出現(xiàn)偏差，本研究采用以浮游植物數(shù)量進(jìn)行計(jì)算的Shannon- Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(JP)、Margalef種類豐富度指數(shù)(S)以及Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)，從不同水期對南海湖浮游植物多樣性進(jìn)行分析。各指數(shù)顯示(圖1)，南海湖浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)變化范圍在0.68～2.35，隨季節(jié)呈“V”字型變化規(guī)律，在夏季最低，冬季最高，大小依次表現(xiàn)為：冬季>春季>秋季>夏季；Pielou均勻度指數(shù)(JP)變化范圍在0.43～0.89，隨季節(jié)呈“V”字型變化規(guī)律，在秋季最低，春季最高，大小依次表現(xiàn)為：春季>夏季>冬季>秋季；Margalef種類豐富度指數(shù)(S)變化范圍在16.8～23.4，隨季節(jié)呈“N”字型變化規(guī)律，在夏季和冬季較高，春季和秋季較低，大小依次表現(xiàn)為：夏季>冬季>秋季>春季；Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)，隨季節(jié)呈倒“V”字型變化規(guī)律，在春季最低，夏季最高，大小依次表現(xiàn)為：夏季>秋季>冬季>春季。

2.2 南海湖水質(zhì)狀況季節(jié)特征

圖1 南海湖浮游植物多樣性季節(jié)特征Fig.1 Seasonal phytoplankton diversity of Nanhai lake

圖2 南海湖水質(zhì)季節(jié)變化特征Fig.2 Seasonal water quality of Nanhai lake

2.3 南海湖沉積物重金屬季節(jié)分布特征

由圖3可知，As含量變化范圍在1.6～2.6 mg·kg-1，隨季節(jié)呈倒“V”字型變化規(guī)律，在冬季最低，夏季最高，大小依次表現(xiàn)為：夏季>秋季>冬季>春季；Cd含量變化范圍在23.6～56.9 mg·kg-1，隨季節(jié)呈倒“V”字型變化規(guī)律，在春季最低，秋季最高，大小依次表現(xiàn)為：秋季>夏季>冬季>春季；Cu含量變化范圍在96.3～123.5 mg·kg-1，隨季節(jié)呈倒“V”字型變化規(guī)律，在春季最低，夏季最高，大小依次表現(xiàn)為：夏季>秋季>冬季>春季；Zn含量變化范圍在96.3～265.3 mg·kg-1，隨季節(jié)呈倒“V”字型變化規(guī)律，在冬季最低，夏季最高，大小依次表現(xiàn)為：夏季>春季>秋季>冬季；Ni含量變化范圍在25.6～35.4 mg·kg-1，隨季節(jié)呈倒“V”字型變化規(guī)律，在春季最低，秋季最高，大小依次表現(xiàn)為：秋季>夏季>冬季>春季；Pb含量變化范圍在93.6～126.8 mg·kg-1，隨季節(jié)呈倒“V”字型變化規(guī)律，在冬季最低，夏季最高，大小依次表現(xiàn)為：夏季>春季>秋季>冬季。

圖3 南海湖沉積物重金屬季節(jié)分布特征Fig.3 Seasonal heavy metals in bottom sediment of Nanhai lake

2.4 南海湖沉積物中重金屬形態(tài)分布特征

重金屬的生物毒性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上由其形態(tài)分布所決定，不同的形態(tài)產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)，直接影響到重金屬的毒性、遷移及在自然界的循環(huán)。因此，研究重金屬的形態(tài)分布可提供更為詳細(xì)的重金屬元素遷移性和生物可利用性的信息。根據(jù)三態(tài)連續(xù)提取法，可將重金屬劃分為酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘余態(tài)[12]。其中，酸可提取態(tài)相當(dāng)于交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)的總和，這些組分與土壤結(jié)合較弱，最易被釋放，具最大的可移動性和生物有效性，在酸性條件下易釋放?？蛇€原態(tài)重金屬一般以較強(qiáng)的結(jié)合力吸附在土壤中的鐵錳氧化物上，在還原條件下較易釋放?？裳趸瘧B(tài)重金屬主要是有機(jī)物和硫化物結(jié)合的重金屬，這部分重金屬在有機(jī)物被氧化時(shí)有被溶出的風(fēng)險(xiǎn)。殘余態(tài)一般稱為非有效態(tài)，因?yàn)檫@部分重金屬在自然條件下，不易釋放出來。本研究采用修正的BCR連續(xù)提取法提取6種沉積物中重金屬的形態(tài)，包括水溶態(tài)(T1)、酸溶可交換態(tài)(T2)、可還原態(tài)(T3)、可氧化態(tài)(T4)和殘?jiān)鼞B(tài)(T5)，其中，T1與T2之和用于評估沉積物中重金屬的遷移性，T1、T2、T3之和用于評估沉積物中重金屬的生物有效性，由于沉積物進(jìn)入土壤環(huán)境后，沉積物中有機(jī)物會隨環(huán)境條件變化而轉(zhuǎn)化，與有機(jī)物相結(jié)合的重金屬會被釋放出來，因此，在評估沉積物中重金屬在環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)除前3種形態(tài)含量外還需考慮T4的含量，T5只有在極端環(huán)境條件下才會被釋放出來，在自然條件下，T5被認(rèn)為是對環(huán)境無污染風(fēng)險(xiǎn)。

本研究中BCR順序提取法對積物中重金屬的平均提取效率均高于90 %以上，回收率較好，各沉積物中重金屬5種形態(tài)百分含量如圖4所示，沉積物Pb和Cd以水溶態(tài)形式存在，表明Pb和Cd主要以與沉積物中水溶性有機(jī)物結(jié)合形式存在；As和Zn則主要是以酸溶態(tài)和可還原態(tài)2種不穩(wěn)定形態(tài)存在，表現(xiàn)很高的潛在的移動性和生物可利用性，極大地威脅著環(huán)境的生態(tài)安全，應(yīng)進(jìn)一步評估其對生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)級別；Ni較均勻地分布于5種形態(tài)中，表明沉積物中Ni的富集受到了沉積物吸附、吸收、有機(jī)物螯合和結(jié)晶化合物固定等物理化學(xué)作用，由于各沉積物中Ni前4種形態(tài)含量比例均低于80 %，且其總量略與土壤背景值相當(dāng)，因此，Ni在土壤環(huán)境中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較Cu、Cr、Zn低。沉積物中水溶態(tài)(自由離子態(tài)、水溶性有機(jī)物結(jié)合態(tài))重金屬離子被認(rèn)為對土壤環(huán)境中植物危害性最大且易污染地表水。圖4中還顯示，Zn和Ni的水溶態(tài)差異較大，表明各沉積物對Zn和Ni吸附吸收作用差異較大；Cd有部分殘余態(tài)，但其酸可提取態(tài)占有一定的比例，因此要注意在其在酸性條件下的釋放。此外，重金屬可還原態(tài)作為弱酸浸提重金屬的另一個(gè)重要的組成部分，是指被包裹在鐵錳氧化物內(nèi)或者本身就是氫氧化物沉淀的這部分金屬，由于具有較強(qiáng)的離子鍵結(jié)合能力，所以這部分金屬不容易釋放出來，這種結(jié)合態(tài)的重金屬會被還原成為生物可利用態(tài)從而對水體造成二次污染，南海湖沉積物中重金屬弱酸浸提和可還原態(tài)含量較高，表明人類活動帶來污染源的可能性較大。

圖4 不同形態(tài)重金屬所占百分比Fig.4 Percentage of different forms of heavy metals in bottom sediment of Nanhai lake

圖5南海湖沉積物養(yǎng)分季節(jié)分布特征Fig.5 Seasonal nutrients in bottom sediment of Nanhai lake

2.5 南海湖沉積物養(yǎng)分季節(jié)分布特征

由圖5可知，南海湖沉積物中全碳含量變化范圍在15.9～19.7 g·kg-1，隨季節(jié)逐漸增加趨勢，在春季最低，冬季最高，大小依次表現(xiàn)為：冬季>夏季>秋季>春季；全氮含量變化范圍在1.23～1.98 g·kg-1，隨季節(jié)逐漸增加趨勢，在春季最低，冬季最高，大小依次表現(xiàn)為：冬季>秋季>夏季>春季；全磷含量變化范圍在0.85～1.24 g·kg-1，隨季節(jié)呈“N”字型變化規(guī)律，在秋季最低，夏季最高，大小依次表現(xiàn)為：夏季>冬季>春季>秋季；全鉀含量變化范圍在17.3～25.9 g·kg-1，隨季節(jié)逐漸增加趨勢，在春季最低，冬季最高，大小依次表現(xiàn)為：冬季>秋季>夏季>春季。

2.6 南海湖浮游植物多樣性與環(huán)境因子的RDA冗余分析

冗余分析(RDA)能夠客觀反映浮游植物與環(huán)境因子的相互關(guān)系，近些年被廣泛應(yīng)用于湖泊等水體藻類群落與水環(huán)境因子復(fù)雜關(guān)系的研究，環(huán)境因子是引起浮游植物植物分布差異的主要原因，為了盡可能多的把南海湖植物多樣性與環(huán)境因子結(jié)合在一起，更好地揭示浮游植物多樣性與環(huán)境之間的相互關(guān)系，將不同季節(jié)浮游植物多樣性作為物種指標(biāo)，9項(xiàng)水質(zhì)因子、4項(xiàng)土壤養(yǎng)分因子和6項(xiàng)重金屬因子作為環(huán)境因素進(jìn)行冗余分析(表2和圖6)。由表2可知，前2個(gè)排序軸特征值分別為0.715和0.159，第一排序軸可反映浮游植物環(huán)境因子的梯度變化特征，浮游植物多樣性與環(huán)境因子2個(gè)排序軸的相關(guān)性均為1.000，前2個(gè)排序軸特征值占總特征值的99.15 %，蒙特卡羅檢驗(yàn)分析環(huán)境因子對植物的影響達(dá)到顯著性(第一軸P<0.000，F(xiàn)=19.56；第二軸P<0.000，F(xiàn)=18.37)，能夠很好的解釋環(huán)境因子對浮游植物多樣性的影響。由圖可知，南海湖浮游植物多樣性與沉積物養(yǎng)分含量、重金屬含量及水質(zhì)狀況均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，沿RDA第1排序軸，南海湖浮游植物多樣性與養(yǎng)分含量、重金屬含量和水質(zhì)狀況變化規(guī)律相一致。

表2 RDA排序結(jié)果

S，Margalef 豐富度指數(shù)；H，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)；JP，Pielou 均勻度指數(shù)；D，浮游植物密度；a，水溫；b，透明度；c，pH值；d，TP濃度；e，TN濃度；濃度；g，BOD5濃度；h，CODcr濃度；i，高錳酸鉀指數(shù)；TC，全碳；TN，全氮；TP，全磷；TK，全鉀圖6 南海湖浮游植物多樣性與環(huán)境因子的RDA排序Fig.6 RDA sequence diagram of diversity of phytoplankton and environmental factors

3 討 論

本研究中沉積物重金屬As、Cd、Cu、Zn、Ni和Pb含量與水質(zhì)各指標(biāo)變化規(guī)律相一致，說明了南海湖水質(zhì)狀況和土壤重金屬含量可以很好的反映出植物變化情況，這與前人對于其他流域的研究結(jié)果一致[10,12]。秋季和冬季是枯水期，沉積物的懸浮泥沙及污染物快速富集，造成其重金屬含量最高，重金屬最低值出現(xiàn)在春季和冬季。從冬季至夏季期間，水溫逐漸升高，根據(jù)分子熱運(yùn)動理論，溫度升高有利于底泥中重金屬向水相的遷移以及釋放，pH的逐漸降低也促進(jìn)了碳酸鹽和氫氧化物結(jié)合態(tài)重金屬的溶解與釋放，沉積物養(yǎng)分含量的減少降低了重金屬在沉積物的吸附作用，從而使一部分重金屬發(fā)生解吸轉(zhuǎn)移到間隙水或者上覆水中，導(dǎo)致春季和冬季沉積物重金屬含量較低，夏季和秋季積物重金屬含量較高。根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，南海湖土壤As、Cd、Cu、Zn和Pb的分別超標(biāo)準(zhǔn)，重金屬及水質(zhì)的污染與地方性產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，由于各種工業(yè)的污染，導(dǎo)致南海湖環(huán)境污染問題較嚴(yán)峻，并且污染治理難度也加大，因此，重金屬及水質(zhì)污染的治理已成為南海湖可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。南海湖沉積物中不同形態(tài)重金屬含量所占比例表明不同形態(tài)重金屬來源可能具有一致性并且分布類型比較相似，當(dāng)沉積物-水界面的環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，不同形態(tài)重金屬之間可能會發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化。而碳、氮、磷等的輸入是影響沉積物中重金屬含量的關(guān)鍵因素，它們的環(huán)境行為決定著沉積物中重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化和遷移過程，養(yǎng)分含量是影響重金屬元素分布特征的重要因素，但養(yǎng)分含量的這種特性并非適用于所有的重金屬，主要是因?yàn)椴煌闹亟饘俚幕瘜W(xué)性質(zhì)有差異，往往對其所結(jié)合的位點(diǎn)具有一定的選擇性，即只與其化學(xué)性質(zhì)相匹配的位點(diǎn)相結(jié)合；受此影響，某些重金屬元素與養(yǎng)分含量在分布特征上并不一定有必然的聯(lián)系[10, 12]。

冗余分析(RDA)作為一種直接梯度分析方法，不僅維持了良好的景觀，而且環(huán)境各因子對植物也表現(xiàn)出明顯的反饋?zhàn)饔肹16]。由圖5可知，沿RDA第1排序軸，南海湖浮游植物多樣性與土壤重金屬含量和水質(zhì)狀況變化規(guī)律相一致，在某種程度上反映了其指示作用，能夠表征南海湖植物的敏感性，但不同水期浮游植物多樣性與環(huán)境因子之間的內(nèi)在聯(lián)系還需要深入研究。另外，本研究利用RDA分析手段初步探討了不同水期環(huán)境因子與浮游植物多樣性之間的關(guān)系，但研究區(qū)域僅僅只是小尺度范圍，大尺度下環(huán)境因子與濕地植物多樣性的關(guān)系有待于進(jìn)一步探討。大量研究表明[10,12,17]，淡水水體中N、P元素長期以來被認(rèn)為是與浮游植物生長密切相關(guān)，其中P被廣泛認(rèn)為是淡水浮游植物演替的重要影響因，但冗余分析的結(jié)果顯示南海湖TP并非影響浮游植物群落分布的主要驅(qū)動力，而更多受BOD5、CODcr等濃度的影響，需注意控制加強(qiáng)面源污染。依據(jù)目前旅游開發(fā)的態(tài)勢，南海湖資源利用強(qiáng)度將進(jìn)一步擴(kuò)大，其強(qiáng)度和影響的空間范圍也將隨之增加，勢必會造成生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化。從本試驗(yàn)的結(jié)果來看，需要采取有效的方法和措施來緩解南海湖水域生態(tài)環(huán)境及重金屬污染問題，建議盡量減少對于南海湖水體污染和進(jìn)一步惡化，將南海湖工業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)有效地結(jié)合起來，積極探索流域綜合污染整治和保護(hù)機(jī)制的新模式，從生態(tài)補(bǔ)償、排污權(quán)交易、環(huán)境稅費(fèi)改革和污染責(zé)任險(xiǎn)等環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策方面入手，積極開展南海湖生態(tài)環(huán)境綜合治理等工作。

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DistributionofWaterQualityandHeavyMetalsinBottomSedimentofNanhaiLakeduringSeasons

ZHANG Ye

(Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering，Inner Mongolia Hohhot 010070,China)

Nanhai lake; Bottom sediment; Heavy metals; Water quality

1001-4829(2017)5-1205-09

10.16213/j.cnki.scjas.2017.5.038

2016-05-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(39860062)；內(nèi)蒙古科技廳項(xiàng)目(NE-2015174)

張 曄(1984-)女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，講師，研究方向：環(huán)境工程，Email:Zhang_ye1984@126.com。

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(責(zé)任編輯 陳 虹)