典型內(nèi)陸湖泊沉積物氮、磷和重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險評價
——以武漢市武湖為例

何軍， 李福林， 陶良， 張傲， 趙永波

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

0 引言

湖泊濕地作為地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一[1]，在調(diào)蓄洪水、改善水質(zhì)、維持生態(tài)等方面起著重要作用[2]。城市內(nèi)陸湖泊是城市生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，城市湖泊數(shù)量和面積急劇減少，也會造成湖泊淤積嚴(yán)重、水質(zhì)惡化，湖泊的自然生態(tài)功能退化[3]。武漢市是我國典型的內(nèi)陸型湖泊城市，素有“百湖之市”的美譽。隨著武漢市城市的發(fā)展和擴(kuò)張，大規(guī)模的圍湖墾殖、圍湖建房和填湖造地使河湖濕地面積不斷萎縮，健康狀況不斷惡化[4]。然而，對河湖濕地生態(tài)質(zhì)量的評價多局限于水質(zhì)分析，往往忽視了沉積物的污染分析。湖泊沉積物對各種污染物具有較強的吸附能力，在一定的環(huán)境條件下釋放至水體中，形成二次污染[5-6]。因此，湖泊沉積物的污染特征可作為反映城市水體環(huán)境狀態(tài)與安全的重要指標(biāo)[7]，對湖泊沉積物進(jìn)行污染物的化學(xué)特征、來源解析以及污染狀況評價具有重要的現(xiàn)實意義。

較早公開發(fā)表湖泊沉積物與地表水之間相關(guān)關(guān)系研究的文獻(xiàn)是Mortimer于1941年發(fā)表的關(guān)于湖泊泥水間可溶性鐵磷物質(zhì)交換的研究[8]。隨著各種分析測試技術(shù)的完善，近20 a來，眾多國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的不同環(huán)境因子控制下沉積物和水之間的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化機理和營養(yǎng)元素、重金屬等的生態(tài)風(fēng)險評價研究[9-12]。近年來出現(xiàn)了環(huán)境科學(xué)與生物學(xué)的交叉學(xué)科，在湖泊沉積物重金屬污染的研究中采用空間分析、多種評價指標(biāo)、地理信息系統(tǒng)等大數(shù)據(jù)技術(shù)，探討湖泊沉積物污染特征、影響因素及其與微生物、底棲生物、浮游生物之間的關(guān)系以及湖泊魚類對污染物的蓄積性研究[13-14]。前人圍繞武漢市的湖泊生態(tài)環(huán)境開展了大量的工作，主要包括典型湖泊的水質(zhì)分析[15-17]、湖泊沉積物的氮、磷和重金屬的污染特征和風(fēng)險評價等[18-19]，取得了眾多的成果。但前人的研究多集中于中心城區(qū)，不同的城市發(fā)展階段對湖泊的影響具有較大的差異，中心城區(qū)的湖泊和城市郊區(qū)的湖泊在污染源、污染途徑和污染程度上均有不同。武湖位于武漢市城區(qū)與郊區(qū)的過渡地帶，是即將規(guī)劃建設(shè)的長江新城的核心區(qū)，負(fù)有重要的生態(tài)功能，因此對其分蓄洪作用和生態(tài)系統(tǒng)的健康方面關(guān)注較多[20-21]。由于武湖是長江的重要物質(zhì)來源之一，其周邊尚未有大規(guī)模的城市發(fā)展，以武湖為研究對象，一方面可以豐富城市不同污染類型湖泊的研究，另一方面也可以為將來城市發(fā)展前后的對比研究奠定基礎(chǔ)，因此，開展武湖沉積物中氮、磷和重金屬的污染特征分析，研究武湖周邊人類活動對水體沉積物的影響，對于長江新城的規(guī)劃和長江生態(tài)保護(hù)與修復(fù)具有重要的支撐意義和顯著的社會效益。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武湖被稱為長江綠谷，是世界自然基金會濕地自然保護(hù)區(qū)，為河流堰塞湖。20世紀(jì)50年代初，該湖面積為121.2 km2，經(jīng)多次圍墾后現(xiàn)有面積為21.2 km2； 最大水深4.2 m，平均水深2.6 m，蓄水量0.55×108m3。武湖自然保護(hù)區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量1 240 mm，夏秋季為豐水期，汛期來水量多達(dá)2.3×108m3，冬春季為枯水期，水深2 m，形成灘涂、沼澤與人工濕地相連的生態(tài)系統(tǒng)。湖水依賴北岸10余條區(qū)間溪流和湖面降水補給，集水面積562.0 km2，出流經(jīng)雙河口于陽邏附近排入長江。

1.2 采樣和測試

采用自制的抓斗式采樣器于2019年8月至10月采集武湖表層0～20 cm深度的沉積物樣品，按均勻分布式采集表層沉積物樣品65件(圖1)，野外采集的樣品風(fēng)干后充分混合，四分法留取2 kg以上，用木棍碾壓過20目篩。制備正、副2份樣品，正樣送往實驗室分析，副樣長期保存。

圖1 研究區(qū)位置(a)及采樣點分布(b)Fig.1 Location of the study area (a) and sediment sampling distribution (b)

1.3 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法(Index of Geoaccumulation,Igeo)又被稱為Muller指數(shù)，是20世紀(jì)60年代晚期由德國科學(xué)家Muller提出的一種研究沉積物中重金屬的定量評價方法[22]，是最為常見的沉積物重金屬評價模型。其計算公式為

Igeo=lbCn/(K×Bn)。

(1)

式中：Cn代表元素n在沉積物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg/kg；K是為了消除巖石巖性差異可能會引起背景值差異的轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常為1.5；Bn代表黏質(zhì)沉積巖中該元素的地球化學(xué)背景值，本文選用湖北省土壤重金屬背景值作為計算標(biāo)準(zhǔn)[19,23]，Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、As的背景值分別為0.172、86.00、30.70、0.08、37.30、26.70、83.60、12.30，單位均為mg/kg。根據(jù)計算得到地累積指數(shù)值(Igeo)，Igeo≤0表示無污染，05表示極重污染。

1.4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(Potential Ecologicalrisk Index,RI)法是由瑞典學(xué)者Hakanson根據(jù)重金屬元素的性質(zhì)及其環(huán)境行為特點，從沉積學(xué)角度對土壤或沉積物中重金屬污染進(jìn)行評價的一種方法[24]。該方法將土壤重金屬含量與重金屬的生態(tài)效應(yīng)及毒理學(xué)聯(lián)系在一起，是一種應(yīng)用較為廣泛的重金屬污染評價方法之一，計算公式為

(2)

表1 潛在生態(tài)風(fēng)險指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grading standard of potentialecological risk indicators

2 結(jié)果與討論

2.1 氮、磷的分布特征

城市污水排放、地表徑流以及湖泊水生生物的死亡殘骸,部分導(dǎo)致湖泊底泥中營養(yǎng)鹽逐步積累，容易形成內(nèi)陸湖泊營養(yǎng)鹽的內(nèi)負(fù)荷。當(dāng)入湖營養(yǎng)鹽負(fù)荷量減少或完全被截污以后, 底泥中的營養(yǎng)鹽會逐步被釋放出來, 仍然可以發(fā)生水體富營養(yǎng)化[12]。武湖表層沉積物中總氮(TN)含量多數(shù)在1 719～2 996 mg/kg之間，最大值為3 517 mg/kg，最小值為1 190 mg/kg，均值為2 394 mg/kg； 總磷(TP)含量多數(shù)在763～1 076 mg/kg之間，最大值為1 581 mg/kg，最小值為641 mg/kg，均值為935 mg/kg(圖2)。與長江中游地區(qū)的其他內(nèi)陸型湖泊相比，武湖中的氮、磷處于中低含量水平[25]。

從武湖表層沉積物總氮和總磷的含量平面分布特征來看(圖2)，西北部的含量明顯高于東南部。TP的平面分布特征大致與TN一致，總體是西北高于東南，高值在中部地區(qū)相對較為集中。土地利用對湖泊水質(zhì)具有重要的影響作用[16]，進(jìn)而影響沉積物中TN和TP的分布，農(nóng)田、建設(shè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖是主要的污染源，建設(shè)用地的增加致使城市地表徑流污染增加[15]，坑塘水面和綠地則能夠有效地滯留、吸收污染物。從武湖周邊的土地利用類型來看，西部和北部地區(qū)以農(nóng)田和村莊為主，南部和東部沿岸分布大量的養(yǎng)殖坑塘，因此城市地表徑流和農(nóng)田是武湖周邊TN和TP的主要污染源，水產(chǎn)養(yǎng)殖污染貢獻(xiàn)相對較小。其中TP在西北部和北部局部地區(qū)含量較少可能與農(nóng)業(yè)種植的方式有關(guān)。該區(qū)域以水田為主，淹水種植導(dǎo)致土壤的通氣條件較差，減弱了土壤有機質(zhì)的礦化，水田的土壤易富集有機質(zhì)[26]，而土壤中的氮素絕大部分為有機結(jié)合態(tài)，有機質(zhì)與氮元素的含量具有一定的相關(guān)性，因此水田附近的湖泊水體易受地表淋慮作用的影響而呈現(xiàn)出較高含量的氮。磷元素在土壤中的吸附也受到有機質(zhì)的影響，有機陰離子與磷酸根競爭固相表面專性吸附點位，從而減少水田土壤對磷的吸附，因此旱田附近的湖泊水體磷含量較水田的高。

圖2 武湖表層沉積物總氮(左)和總磷(右)含量分布Fig.2 Distribution of total nitrogen (left) and total phosphorus (right) in surface sedimentary of Wuhu Lake

2.2 有機質(zhì)的分布特征

沉積物中有機質(zhì)是重金屬、有機物等污染物發(fā)生吸附、分配、絡(luò)合作用的活性物質(zhì)，也是反映沉積物有機營養(yǎng)程度的重要標(biāo)志[27]。武湖表層沉積物中有機質(zhì)含量范圍主要在2.28%～3.9%，最大值為4.98%，最小值為1.36%，平均值為3.18%(圖3)，平面上同樣表現(xiàn)出西北高、東南低的特點，大部分高值區(qū)集中于西部和西北角，與總氮分布較為相似，與總磷差別較大； 這也進(jìn)一步驗證了前文中對于氮、磷的分布特征與有機質(zhì)含量有關(guān)的結(jié)論?？傮w有機質(zhì)、氮和磷受湖泊周邊農(nóng)田的地表徑流的影響，導(dǎo)致大量岸坡耕作的農(nóng)田中污染物進(jìn)入湖泊，進(jìn)而導(dǎo)致沉積物中有機質(zhì)、氮和磷的含量偏高，局部受農(nóng)田種植方式的影響，氮和磷的分布呈現(xiàn)出不同的分布特征。

圖3 武湖表層沉積物有機質(zhì)含量分布Fig.3 Distribution of organic matter in surfacesedimentary of Wuhu Lake

2.3 營養(yǎng)鹽比值

湖泊沉積物的有機質(zhì)和總氮的比值(營養(yǎng)鹽比值)在一定程度上可以體現(xiàn)沉積物中有機質(zhì)來源的差異性[28]： 營養(yǎng)鹽比值越低，表示有機質(zhì)主要來自內(nèi)源，如含有較多的蛋白質(zhì)的藻類、低等水生植物營養(yǎng)鹽比值一般小于7； 營養(yǎng)鹽比值越高，則表示有機物主要來自外源性輸入，如維管束陸生植物的營養(yǎng)鹽比值通常大于20[29]。武湖表層沉積物營養(yǎng)鹽比值為11.19～16.04，平均值為13.20，一般東南部較西北部的小，顯示武湖沉積物中有機質(zhì)為內(nèi)源水生植物和外源陸生植物的混合，且東南部偏內(nèi)源，西北部偏外源。

推論 2.4 測度Μ(B,K)是Rd上的界為A的測度緊框架, 那么對于任意可測集J?K, ?Rd,下面命題等價:

武湖表層沉積物中總氮與有機質(zhì)之間存在著良好的正相關(guān)關(guān)系(圖4)，其相關(guān)系數(shù)為0.930 8，表明沉積物中總氮和有機質(zhì)均有同源性，因為氮、碳都是生物體的有機組成元素, 在生物體內(nèi)含量比較恒定。總磷與有機質(zhì)之間相關(guān)性較差，線性相關(guān)系數(shù)為0.277 6，表明武湖表層沉積物中磷主要以無機形態(tài)存在，磷還存在人為活動的來源。

圖4 有機質(zhì)和總氮、總磷的關(guān)系Fig.4 Relationship between organic matter and totalnitrogen and total phosphorus

2.4 重金屬分布特征

武湖表層沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn8種重金屬的平均值分別為16.33、0.42、103.70、40.76、0.083、50.73、42.27、113.38mg/kg，由于目前沒有明確的河流沉積物的國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)沉積物樣品的pH(以6.5≤pH≤7.5為主)，參考土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—2018)水田農(nóng)用地風(fēng)險篩選值，僅有Cd超過了風(fēng)險篩選值，超標(biāo)率為75.38%，最大值為風(fēng)險篩選值的2倍。從表層沉積物8種重金屬含量的平面分布特征(圖5)來看，主要表現(xiàn)為4類： Cd、Hg和Pb表現(xiàn)為中間高四周低，Cr、Cu和Ni表現(xiàn)為中間低四周高，As表現(xiàn)為東北高西南低，Zn表現(xiàn)為西南高東北低。從8種重金屬的變異系數(shù)來看，僅有Cd達(dá)到26.62%，其余均接近或小于10%，表明武湖沉積物中重金屬沉積主要為湖泊周邊的地表徑流和北部河流補給的自然因素，僅Cd受少量的人類活動影響。重金屬在武湖北部受河流補給和地表徑流后在湖區(qū)北部迅速沉積，被沉積物所吸附形成重金屬，總體為北部高于南部，局部可能受人為活動的影響。8種重金屬的相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明，Cd與Pb、Cr與Ni、Cu與Zn之間具顯著正相關(guān)性。

圖5-1 武湖表層沉積物重金屬含量分布

(e) Hg地球化學(xué)分布(f) Ni地球化學(xué)分布

(g) Pb地球化學(xué)分布(h) Zn地球化學(xué)分布

表2 武湖表層沉積物重金屬相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of heavy metals in surface sedimentary of Wuhu Lake

2.5 重金屬污染評價

通過計算武湖表層沉積物8種重金屬的地累積指數(shù)，得出沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn元素的地累積指數(shù)范圍分別為-0.56～0.12、-0.23～1.24、-0.5～-0.17、-0.53～0.04、-1.21～-0.13、-0.42～0.01、-0.31～0.33和-0.53～0.06(圖6)。各種重金屬的富集程度依次為Cd>Pb>Ni>Zn>As=Cu>Cr>Hg，其中As、Cr、Cu、Hg、Ni和Zn的地累積指數(shù)平均值小于0，且僅有極少數(shù)的樣品略超過0，表明武湖表層沉積物基本上未受到這6種重金屬的污染； Cd和Pb平均地累積指數(shù)在0～1之間，表現(xiàn)出輕度污染。值得注意的是，有19件樣品Cd元素地累積指數(shù)在1～2之間，顯示出偏中度污染，主要分布于武湖的中北部。

圖6 武湖表層沉積物重金屬地累積指數(shù)箱圖Fig.6 Box plot of heavy metal geo-accumulation indexin surface sedimentary of Wuhu Lake

武湖表層沉積物的8種重金屬的單項潛在風(fēng)險指數(shù)結(jié)果顯示，潛在風(fēng)險指數(shù)的平均值大小排序依次是： Cd(73.07)>Hg(41.45)>As(13.27)>Pb(7.92)>Ni(6.80)>Cu(6.64)>Cr(2.41)>Zn(1.36)，這表明武湖表層沉積物中僅有Cd和Hg具有中等潛在風(fēng)險，其余6種重金屬為低風(fēng)險。Cd和Hg是研究區(qū)最重要的風(fēng)險因子： Hg雖然含量較低，污染程度也不高，但因其毒性較強致使其具有一定的潛在風(fēng)險，而Cd在28件樣品中都顯示具有較高潛在風(fēng)險。

武湖表層沉積物8種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為96.71～192.96，平均值為152.91，研究區(qū)表層沉積物具中等重金屬潛在生態(tài)危害區(qū)域略超過半數(shù)，約占53.85%(圖7)，無較高和高潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)。中等潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)與沉積物中Cd的分布高度一致，該區(qū)域沉積物Cd含量均超過了0.41 mg/kg，空間分布呈現(xiàn)明顯分區(qū)，西北部具中等潛在生態(tài)風(fēng)險，東南部僅有低生態(tài)風(fēng)險。

圖7 武湖表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布Fig.7 Distribution of potential ecological risk indexin surface sedimentary of Wuhu Lake

3 結(jié)論

(1)武湖西北部表層沉積物中總氮、總磷和有機質(zhì)的含量明顯高于東南部，城市地表徑流和農(nóng)田是武湖周邊營養(yǎng)元素的主要污染源，降雨徑流導(dǎo)致大量岸坡耕作的農(nóng)田中的氮、磷和有機物等污染物進(jìn)入湖泊，旱地較水田有利于沉積物中總磷的富集。武湖沉積物中有機質(zhì)為內(nèi)源水生植物和外源陸生植物的混合，總氮與有機質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，顯示總氮和有機質(zhì)均有同源性。

(2)武湖表層沉積物中重金屬含量總體較低，局部地區(qū)Cd含量較高; 平面上總體北部高于南部，主要以湖泊周邊的地表徑流和北部河流補給后自然沉積為主，僅有局部地區(qū)的Cd受人類活動影響呈現(xiàn)高值。沉積物中僅有Cd和Pb為輕微富集，表現(xiàn)出輕度污染，局部Cd為中度污染。武湖沉積物重金屬潛在風(fēng)險較低，僅有Cd和Hg具中等潛在風(fēng)險。綜合各種重金屬潛在風(fēng)險的研究成果，研究區(qū)表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險為低-中等，中等潛在生態(tài)風(fēng)險分布于武湖西北部，與沉積物中Cd的分布高度一致。