鄱陽(yáng)湖南磯山濕地沉積物-植物體系中汞分布特征解析*

張小龍 黃 庭# 張湘文 吳代赦,2 王香蓮 王靜嵐 賴碧海 鄧毓峽

(1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031；2.鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031；3.江西科技師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江西 南昌 330047)

汞是全球環(huán)境污染物，具有高毒性、長(zhǎng)距離遷移轉(zhuǎn)化的特征[1]，人體過(guò)量攝入汞會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不可逆?zhèn)2]。區(qū)域汞污染會(huì)影響到其生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能[3]，沉積物作為汞的主要遷移擴(kuò)散與富集的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，是汞的最終歸宿，也是眾多水生生物的棲息地[4]。水俁病事件后，汞在土壤、水體、沉積物等體系中蓄積與傳遞已有廣泛的研究[5-6]，但是在沉積物-植物體系中的分布特征少有報(bào)道。蘆葦(Phragmitesaustralis)不同組織對(duì)重金屬吸附累積能力很強(qiáng)[7]，其根部和地上部分對(duì)重金屬的富集系數(shù)均大于其他植物。此外，人工濕地蘆葦對(duì)不同重金屬吸附遷移能力也不同[8]。

鄱陽(yáng)湖由于豐、枯水期水位周期性交替及自然環(huán)境變化，形成了由水域、泥灘、草灘等構(gòu)成的濕地生態(tài)系統(tǒng)[9]。隨著泥沙淤積，河床升高，水域面積縮小，周期性淹水變化促使上游及下游的水?dāng)y帶污染物匯集到鄱陽(yáng)湖，造成重金屬累積[10]。湖口縣位于鄱陽(yáng)湖的上游，與長(zhǎng)江接壤，湖口段沉積物中重金屬的平均含量均超過(guò)湖區(qū)背景值[11]，在撫河、信江及鄱江三角洲水底部分出現(xiàn)了汞污染[12]。湖體表層沉積物隨著底層的擾動(dòng)，重金屬含量分布差異很大，污染程度較高，其中汞潛在生物毒性風(fēng)險(xiǎn)較高[13]。此外，鄱陽(yáng)湖湖區(qū)農(nóng)田土壤汞含量累積已達(dá)到中等生態(tài)危害程度[14-15]。南磯山濕地位于鄱陽(yáng)湖南部近岸湖域中，蘆葦、山類蘆(Neyraudiamontana)是該區(qū)域典型植被，蘆葦植株較高，根莖十分發(fā)達(dá)，莖上多節(jié)，葉片似針形；山類蘆植株較矮，密生，莖上少節(jié)，葉片呈長(zhǎng)條形。兩種植物能用于濕地中有毒污染物的指示與治理[16-17],[18]80。

目前針對(duì)鄱陽(yáng)湖地區(qū)沉積物剖面及植物各部位汞含量的特征性分析成果較少。因此，本研究測(cè)定了南磯山濕地沉積物和典型的植物樣品中汞含量與灰分基汞含量，分析不同剖面沉積物理化性質(zhì)與汞含量的關(guān)系，探討沉積物剖面與植物樣品中汞的分布累積特征，并初步探究了汞在沉積物中的垂向變化特征，為改善濕地生態(tài)環(huán)境和污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布置與樣品采集

綜合考慮區(qū)域的土地分布、水域面積、植被環(huán)境等因素，設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn),沉積物采取鉆孔取樣，深度為24 cm，以2 cm分樣，共獲得沉積物樣品84個(gè)；蘆葦、山類蘆樣品于沉積物采樣點(diǎn)半徑1 m范圍內(nèi)取樣,共獲得植物樣品14個(gè)；所有樣品裝袋并貼好標(biāo)簽于實(shí)驗(yàn)室存儲(chǔ)。采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 濕地采樣點(diǎn)分布Fig.1 Wetland sampling site layout

1.2 樣品處理與分析方法

1.2.1 樣品前處理

沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥，剔去殘?jiān)心?，過(guò)20目篩后，分成兩份，一份裝瓶并貼上標(biāo)簽保存,用于測(cè)理化指標(biāo)；另一份過(guò)100目篩后裝瓶，4 ℃保存，用于后期汞含量測(cè)定。植物樣品洗凈，將根、莖、葉分類，自然風(fēng)干并破碎，過(guò)40目篩，編號(hào)裝瓶待測(cè)。

1.2.2 樣品的測(cè)定

沉積物與植物樣品先用微波消解儀(MARS XPRESS)消解、原子熒光光度計(jì)(AFS-8230)測(cè)定汞含量，均測(cè)定3次取平均值。沉積物pH與氧化還原電位(Eh)分別由pH計(jì)(pHB-4)和便攜式Eh計(jì)(CT-8022)測(cè)定，有機(jī)質(zhì)(SOM)通過(guò)重鉻酸鉀滴定法[19]進(jìn)行測(cè)定。植物灰分采用重量法[20]進(jìn)行測(cè)定，植物灰分基汞含量由植物干基汞與植物灰分換算得出[21]，其中干基汞等于植物總汞的含量。

1.3 分析方法

單因子指數(shù)法[22]用于評(píng)價(jià)汞的污染累積程度，地累積指數(shù)法用于指示沉積物中的重金屬污染程度[23]112-113，吸附累積指數(shù)法[24]用于表征植物對(duì)于重金屬吸收的強(qiáng)烈程度與重金屬累積情況。

1.4 質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

沉積物與植物中汞的測(cè)定分別使用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07386)、芹菜標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW10048)進(jìn)行質(zhì)量控制，回收率分別為93%～113%、91%～106%。試劑均為優(yōu)級(jí)純，標(biāo)準(zhǔn)曲線R2>0.999。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物、植物汞含量分布特征

由表1可見(jiàn)，沉積物中汞為0.075～0.637 mg/kg，超過(guò)江西省土壤背景值(0.08 mg/kg)[25]的剖面占89.3%，說(shuō)明剖面中汞存在局部累積。汞含量最大值出現(xiàn)于采樣點(diǎn)7，該采樣點(diǎn)離生產(chǎn)生活區(qū)較近，可能是人為活動(dòng)所致。采樣點(diǎn)2、6由于離生活區(qū)較遠(yuǎn)，可能受人為活動(dòng)影響較小。各剖面汞含量的變化特征如圖2所示，采樣點(diǎn)4、7剖面汞含量出現(xiàn)明顯峰值。標(biāo)準(zhǔn)誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差能反映出每個(gè)采樣點(diǎn)不同剖面汞含量的離散程度，采樣點(diǎn)3、4、5、7波動(dòng)較大，采樣點(diǎn)1、2、6波動(dòng)較小，與圖2一致。植物中汞為0.005～0.394 mg/kg，蘆葦與山類蘆中汞含量最大值分別在采樣點(diǎn)2、5出現(xiàn)，最小值分別在采樣點(diǎn)6、3出現(xiàn)。蘆葦在采樣點(diǎn)2、7的標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，山類蘆在采樣點(diǎn)5的標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差較大?？傮w上看，研究區(qū)沉積物和植物中汞含量較大，這可能是人為活動(dòng)等因素造成。

表1 研究區(qū)汞分布特征

圖2 汞隨剖面深度的變化特征Fig.2 Variation characteristics of mercury content with profile depth

2.2 植物不同部位汞含量特征分析

2.2.1 植物不同部位汞含量

蘆葦、山類蘆不同部位汞含量存在差異，蘆葦根部汞為0.034～0.144 mg/kg，莖部汞為0.010～0.107 mg/kg，葉片汞為0.029～0.253 mg/kg，總體分布特征為根部>葉片>莖部。山類蘆根部汞為0.028～0.139 mg/kg，莖部汞為0.005～0.109 mg/kg，葉片汞為0.024～0.394 mg/kg，總體分布關(guān)系特征也為根部>葉片>莖部。莖部汞含量最低可能是因?yàn)榍o部在整個(gè)植物體系中是傳輸介質(zhì)；部分葉片汞含量高，可能是大氣環(huán)境中存在微量的汞[26-27]，植物葉片通過(guò)氣體交換吸收大氣中的汞所致[28-29]；根部汞主要來(lái)自于沉積物，沉積物中汞含量增加會(huì)導(dǎo)致植物中汞的蓄積。相同采樣點(diǎn)蘆葦與山類蘆汞含量分布規(guī)律不一致，可能是由于兩種植物生理結(jié)構(gòu)存在差異[18]81。

2.2.2 植物不同部位灰分基汞分析

灰分基汞變化可用于揭示植物中穩(wěn)定汞的波動(dòng)。表2顯示，蘆葦根部、莖部、葉片灰分基汞分別為0.036～0.155、0.010～0.114、0.029～0.279 mg/kg；山類蘆根部、莖部、葉片灰分基汞分別為0.029～0.170、0.005～0.119、0.025～0.427 mg/kg。植物灰分基汞一般在0.003～0.030 mg/kg[23]116，兩種植物根部和葉片灰分基汞含量偏高，其中采樣點(diǎn)2蘆葦葉片灰分基汞為0.279 mg/kg、采樣點(diǎn)5山類蘆葉片灰分基汞為0.427 mg/kg，遠(yuǎn)大于參考值?？梢?jiàn)，兩種植物根部與葉片均存在不同程度的汞累積。蘆葦類植物具有很強(qiáng)的吸附重金屬能力[30]。蘆葦與山類蘆的吸附累積系數(shù)與植物內(nèi)總汞以及灰分基汞含量都呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)。植物汞吸附累積系數(shù)一般在0.038～0.380[31]。結(jié)果表明，采樣點(diǎn)大部分植物的吸附累積系數(shù)偏高，存在吸附累積。汞在植物中的遷移系數(shù)[32]可以反映出其吸收能力，系數(shù)越大表明地下轉(zhuǎn)運(yùn)到地上的能力越強(qiáng)。蘆葦?shù)墓w移系數(shù)為0.302～2.192，山類蘆的汞遷移系數(shù)為0.148～2.511，可見(jiàn)，兩種植物均對(duì)汞表現(xiàn)出一定的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

表2 植物中汞累積分布特征1)

2.3 沉積物剖面汞評(píng)價(jià)

2.3.1 汞與Eh、pH、SOM的相關(guān)性分析

由表3可看出，SOM含量與汞含量存在顯著相關(guān)性(p<0.01)，汞含量伴隨SOM含量升高而升高；pH與SOM含量存在顯著相關(guān)性(p<0.05)，與汞含量也存在顯著相關(guān)性(p<0.01)，歸因于pH會(huì)影響汞在土壤介質(zhì)中的遷移[33]；Eh與pH、汞含量均存在顯著相關(guān)性(p<0.01)，與SOM含量也存在顯著相關(guān)性(p<0.05)。可見(jiàn)，不同剖面的汞含量與理化因素存在一定的聯(lián)系。

表3 研究區(qū)剖面各參數(shù)相關(guān)性系數(shù)1)

2.3.2 沉積物剖面汞污染評(píng)價(jià)

由表4中的單因子指數(shù)分析結(jié)果可看出，達(dá)到中度及以上污染的剖面占比為16.7%，58.3%的剖面輕度污染，7.1%的剖面無(wú)污染；地累積指數(shù)分析結(jié)果也顯示16.7%的剖面達(dá)到中污染及以上水平，無(wú)污染剖面占35.7%，無(wú)污染至中污染剖面占47.6%?？梢?jiàn)，兩種評(píng)價(jià)方法所得結(jié)果比較接近，表明沉積物剖面存在汞蓄積，研究區(qū)湖泊沉積物處于亞健康狀態(tài)。

表4 沉積物汞污染等級(jí)劃分1)

2.3.3 汞含量隨剖面深度的變化特征分析

由圖2可看出，垂向汞含量的變化趨勢(shì)可分為4段：第1段，剖面深度為2～6 cm處沉積物中汞為0.076～0.281 mg/kg，含量較高，可能是由于濕地表層SOM含量比較豐富，主要為腐殖酸，其帶有大量的負(fù)電荷和官能團(tuán)，對(duì)重金屬離子的吸附能力很強(qiáng)[34-35]，致使該層位汞含量升高；第2段，剖面深度為6～15 cm處沉積物中汞為0.075～0.296 mg/kg，各采樣點(diǎn)呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，但波動(dòng)幅度不大；第3段，剖面深度為15～20 cm處沉積物中汞出現(xiàn)了峰值，最高可到0.637 mg/kg，其原因可能是沿鄱陽(yáng)湖濕地周邊工業(yè)的大批新起、農(nóng)田大量施肥、高效農(nóng)藥殘留、污染物大量排放、資源過(guò)度開(kāi)采等，沉積物中出現(xiàn)了汞的明顯累積；第4段，剖面深度為20～24 cm沉積物中汞呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，處于0.075～0.222 mg/kg,可能是由于湖泊過(guò)去重金屬的輸入與周期性的豐、枯水期變化的影響有關(guān)[36]。采樣點(diǎn)4、5、7剖面重金屬汞出現(xiàn)了很明顯的累積情況，考慮到鄱陽(yáng)湖是一個(gè)吞吐型湖泊，可能是豐、枯水期交替演變，泥沙不斷沉積與地質(zhì)演變導(dǎo)致[37-38]?？梢?jiàn)，在自然因素和人類活動(dòng)影響下，南磯山濕地沉積物中汞隨深度增加表現(xiàn)很出的特征與余海洋[39]的研究結(jié)果相似。

3 結(jié) 論

(1) 所有沉積物剖面中，16.7%的剖面達(dá)到了中度及以上污染。濕地沉積物剖面中汞為0.075～0.637 mg/kg，大部分剖面汞含量超江西省土壤背景值，說(shuō)明存在汞累積。

(2) 不同沉積物剖面汞含量與pH、Eh、SOM存在相關(guān)性(p<0.01)。

(3) 汞在蘆葦和山類蘆中的分布特征總體一致，總體表現(xiàn)為根部>葉片>莖部。

(4) 沉積物在2～6 cm剖面深度，汞含量稍高；在6～15 cm剖面深度，大部分沉積物汞含量呈現(xiàn)鋸齒波動(dòng)狀態(tài)；在15～20 cm剖面深度處，出現(xiàn)汞含量的峰值；剖面深度超過(guò)20 cm，汞含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。