太湖流域上游河網沉積物中銅的空間分布與污染特征

摘 要：在太湖流域上游的河網中設置35個沉積物采樣點，采集表層沉積物樣品后，用Tessier法對不同形態(tài)的銅（Cu）進行提取分析，應用地積累指數(shù)法、次生相-原生相比值法評價河網中沉積物中Cu的潛在生態(tài)風險。結果表明：太湖流域上游河網表層沉積物Cu濃度在14～252mg/kg，在空間上存在較大的差異，其中下游河段沉積物中銅的污染較為嚴重，Cu濃度最高出現(xiàn)在常州下游的入湖區(qū)域附近。

關鍵詞：太湖流域;平原河網;沉積物;銅;生態(tài)風險

中圖分類號 X524? 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）17-0145-04

Spatial Distribution and Pollution Characteristics of Copper in Upper River Network Sediments of Taihu Lake Basin

WANG Conghui

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract：Thirty-five sediment sampling points were set up in the river network in the upper reaches of Taihu Basin.After the surface sediment samples were collected， different forms of Copper （Cu） were extracted and analyzed by Tessier method， Then the potential ecological risk of Cu in the sediments in the river network was evaluated by the geocentesis index method and the secondary facies-primary comparison value method.The results show that the concentration range of Cu in the surface sediments of the upper reaches of taihu Basin is 14～252 mg/kg， and there is a great difference in space， among which the copper pollution in the sediments of the lower reaches is relatively serious， and the concentration of Cu is highest near the lake-entering area in the lower reaches of Changzhou.

Key words：Taihu Basin; Plain river network; Sediments; Copper; Ecological risk

重金屬作為一種典型的環(huán)境污染物，其環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境效應倍受關注。受到人類活動的影響，大部分受納水體，如河流、湖泊、水庫、海洋中的沉積物中都觀察到了一定濃度的金屬累積，對水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產生了潛在威脅。流域是金屬物質的來源所在，金屬污染的有效控制要求在給定的流域范圍內對它們的來源和運輸過程有較清晰的認識和理解，其受流域地質特征、土地利用類型、水系復雜性及金屬自身性質的影響[1-4]。作為連接流域和儲蓄水體的通道，河網中金屬的沉積信息對與揭示它們的來源，運輸過程及對下游水域生態(tài)系統(tǒng)潛在危險具有重要作用[5]。銅（Cu）是生物所必需的微量元素，但是過量的Cu元素進入到生物體內會影響生物的新陳代謝活動和造成組織損傷，其一直是金屬研究的重要課題。

太湖流域位于我國經濟最為發(fā)達的長三角地區(qū)，工農業(yè)污染較為嚴重，其中金屬元素一直是研究關注的重點領域。但由于河網密布，水文水動力條件較為復雜，對其空間分布特征有助于理解金屬污染的來源及其在河網中的輸運過程[6-9]。為此，本研究著重探究太湖流域上游河網中沉積物金屬Cu污染的空間分布、賦存形態(tài)及生態(tài)風險，為流域金屬污染的治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和布點 太湖流域占地面積36895km2，擁有6千萬人口，并且GDP占中國的10%以上。其中，太湖面積2338km2，是中國第3大淡水湖，包括金屬污染在內的各種生態(tài)環(huán)境問題倍受關注。研究區(qū)域位于上游平原河網區(qū)，主要由城市間運河構成，東西貫通、南北交匯。研究中設置的35個采樣點位于太湖流域西部和北部的主干河網中（宜溧-洮滆水系）。采樣點依次設置為東西流向的河流包括京杭運河（J1～J3），太滆運河（T1～T3），北溪河支流（B1～B5）和南溪河（N1～N5）以及它們的匯合段（Y1～Y3）。南北流向采樣河流包括丹金溧漕河（D1～D4），孟津河（M1～M4），武宜運河（W1～W2），錫溧漕河（X1、X2，X4）以及橫塘河（H）。同時，在鄰近湖區(qū)的入流河流設置2個采樣點，分別命名為TH1和TH2（見圖1）。

利用彼得森重力取樣器，在設定的各采樣點隨機采集2份表層沉積物樣品，現(xiàn)場去除貝類、枯枝落葉等雜物后混合均勻并裝入聚乙烯袋密封，于2014年1月完成沉積物的采集工作，然后低溫保存，在自然條件下風干、研磨、過篩、保存后進行進一步分析。

1.2 河網沉積物Cu的含量及相關理化指標

1.2.1 Cu的形態(tài)提取 研究使用Tessier法進行Cu形態(tài)的提取。準確稱取（2.0±0.0002）g樣品，加入1.0M的氯化鎂，1.0M的乙酸鈉，0.04M的鹽酸羥胺溶液（25%的乙酸作底液），0.02M的硝酸然后加入30%過氧化氫，冷卻后加入3.2M的醋酸銨溶液，最后用氫氟酸、高氯酸、濃硝酸消解。提取的Cu形態(tài)分別是可交換態(tài)（F1）、碳酸鹽結合態(tài)（F2）、鐵錳氧化物結合態(tài)（F3）、有機結合態(tài)（F4）及殘渣態(tài)（F5）。提取后的溶液經0.45μm針孔醋酸纖維素膜過濾器過濾，用原子吸收分光光度法（TAS-990，北京普析通用）測定Cu的濃度。

1.3 評價方法 采用地積累指數(shù)法（Igeo）和次生相與原生相比值法（RSP）作為Cu潛在生態(tài)風險評價方法在，主要評價標準劃分見表1。

[Igeo]是一種定量指標，主要是對于水環(huán)境沉積物中重金屬污染的評價，具體公式如下：

Igeo=log2（[Cn1.5Bn]）

式中：[Cn]是被測元素重金屬n在粒徑小于100目沉積物中的濃度;[Bn]被測元素n的平均地球化學背景值，1.5是作為校正風化引起的背景值差異的系數(shù)。

[RSP]法是一種基于形態(tài)學研究的方法，主要計算公式如下：

[RSP=Msec/Mprim]

式中：[RSP]表示重金屬污染的程度;[Msec]表示在次生相中所含重金屬的濃度;[Mprim]表示在原生相中的重金屬濃度。

3 結果與分析

3.1 沉積物Cu的空間分布及形態(tài) 研究區(qū)域河網沉積物Cu的濃度在14～252mg/kg，平均值為64.6mg/kg（見表2）。

河網沉積物Cu的濃度呈現(xiàn)出較大的空間變化（見圖2），流域最上游的丹金溧漕河呈現(xiàn)出很低的Cu濃度，平均值為28mg/kg，而中游河流采樣點沉積物Cu的濃度適中。Cu濃度最高的區(qū)域是城市化程度較高的下游河流，其中京杭運河、常州的錫溧漕河濃度高，T2采樣點Cu濃度達到252mg/kg。

沉積物Cu的形態(tài)分析結果表明：河網沉積物中Cu主要集中在殘渣態(tài)和有機結合態(tài)，平均占總Cu濃度的37%和32%，其次是碳酸鹽結合態(tài)和離子交換態(tài)，分別占15%和12%。除各河流Cu的形態(tài)組成相似外，上下游河流沉積物銅的形態(tài)組分間百分比組成無明顯差異。

3.2 河網沉積物Cu的污染特征 和沉積物Cu濃度的空間分布一致，Cu的污染程度在空間上大致呈現(xiàn)出北高南低、東高西低的分布特征（見圖2）。Cu的Igeo值在-1.0～3.2，平均值為0.9，表明大多數(shù)采樣點處于未受污染至中度污染的狀態(tài)。沉積物中銅的RSP值在0.38～3.1，平均值為1.5，也表明污染程度較低（見圖3）。

4 討論

除流域土壤母質因素外，人為活動是導致金屬在環(huán)境中累積的重要原因，流域農業(yè)活動、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化都會導致沉積物中金屬污染的增加[10]。一般來說，農業(yè)用地營養(yǎng)負荷占主要成分，城市用地金屬負荷占主要成分[11]。太湖上游流域平原河網的研究結果也反映了在流域范圍內混合土地利用的沉積物中金屬有這種趨勢。上游區(qū)域農業(yè)用地為主，占總用地的70.7%，丹金溧漕河采樣點D1～D4中Cu的Igeo值為-0.1（圖2），Cu的污染最低。而沉積物中Cu的污染在中下游呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢，在下游河流所在區(qū)域城鎮(zhèn)建設用地比率約70%，體現(xiàn)了城鎮(zhèn)化和工業(yè)化對Cu濃度增加的貢獻[12]。

此外，Cu的分布和遷移還受到航運擾動活動的影響較大。河網沉積物在不斷擾動的情況下，波浪導致沉積物懸浮在上覆水體中，從而易于造成較小顆粒沉積物的遷移，下游的沉積物重金屬的污染也相應隨之增加，而和太湖中沉積物的Cu污染相比，河網沉積物的銅污染較為嚴重。

盡管太湖流域上游平原河網Cu的濃度隨城鎮(zhèn)化增加明顯，但評價結果顯示其生態(tài)風險相對較小，主要是由于其結合形態(tài)造成的。形態(tài)分析表明，Cu在沉積物中的主要結合形態(tài)為殘渣態(tài)和有機質結合態(tài)，其在環(huán)境中的釋放風險相對較小，但下游城鎮(zhèn)區(qū)域的風險也不容忽視，需要在流域金屬防控中予以重點關注[13-15]。

5 結論

太湖流域的上游河網表層沉積物Cu的濃度在14～252mg/kg，在空間上分布呈現(xiàn)從上游區(qū)域到下游區(qū)域逐漸增加的趨勢，京杭運河下游段濃度最高，這與區(qū)域城鎮(zhèn)比率一致。由于Cu的結合形態(tài)主要以殘渣態(tài)和鐵錳結合態(tài)為主，流域沉積物Cu的生態(tài)風險總體較小;但下游區(qū)域部分站點表現(xiàn)出重度甚至中度污染的狀態(tài)，在流域Cu污染防控中需要予以關注。

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（責編：張宏民）