中國(guó)北方某湖泊底泥污染分析及重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

韓繼博，張晟瑀，周昊，田宇，馮立民

1.吉林大學(xué) 新能源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130021；2.吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021；3.吉林大學(xué) 水資源與環(huán)境研究所，長(zhǎng)春 130021;4.白山市水旱災(zāi)害防御中心，吉林 白山 134300

0 引言

底泥作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，能夠在日積月累的沉積活動(dòng)中不斷接納水體中的各項(xiàng)物質(zhì)，與此同時(shí)也會(huì)向上覆水體源源不斷地釋放這些物質(zhì)，從而完成生物地球化學(xué)循環(huán)。正因如此，污染物質(zhì)會(huì)通過底泥的“源”、“匯”特性發(fā)生遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化，對(duì)水體造成二次污染，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成一定的威脅[1]。底泥中豐富的氮磷元素向上覆水體擴(kuò)散，極易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[2]。通過對(duì)湖泊底泥中各項(xiàng)污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，明確其污染水平，分析其污染物來源，對(duì)強(qiáng)化湖泊的管理具有重要意義。

以中國(guó)北方A湖為研究對(duì)象，筆者選取10個(gè)底泥監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(圖1)，研究測(cè)定了底泥中總氮、總磷及5種重金屬(Pb、Cr、As、Cd、Ni)含量，分析其空間分布與污染程度，并通過測(cè)定間隙水中對(duì)應(yīng)污染物含量，分析底泥中污染物向上覆水體中擴(kuò)散的可能性，對(duì)于控制和應(yīng)對(duì)水體污染問題具有重要的參考意義。

圖1 底泥監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of sediment monitoring points

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

使用抓泥斗采集表層底泥樣品，并將采集到的底泥樣品迅速置于1 L廣口瓶中密封，返回實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行樣品前處理。

首先，于厭氧環(huán)境下取1份重量為1.000 0 g底泥密封在100.00 mL錐形瓶?jī)?nèi)，待測(cè)AVS(酸性揮發(fā)硫)含量；其次，取2份適量底泥置于鋁箔中，1份待測(cè)含水率，1份自然風(fēng)干制備風(fēng)干樣；再次，取適量底泥置于50.00 mL離心管內(nèi)，在10 000 r/min條件下離心30 min，用0.45 μm微孔濾膜過濾，得到間隙水樣品低溫(4℃)保存，待測(cè)各污染物含量。

1.2 研究方法

檢測(cè)指標(biāo)包括底泥樣品揮發(fā)性硫化物、同期提取重金屬含量及含水率，底泥間隙水中總氮、總磷及重金屬含量，風(fēng)干底泥樣中總氮、總磷含量。檢測(cè)方法及使用儀器如表1所示。

表1 研究方法及儀器匯總

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 總磷污染評(píng)價(jià)方法

總磷采用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)，通過磷污染指數(shù)(Pi)進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。計(jì)算公式為:

Pi=Ci/Coi

(1)

式中：Ci為總磷實(shí)際檢測(cè)濃度，mg/kg；Coi為環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg，取 440 mg/kg[4]。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 總磷污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 總氮污染評(píng)價(jià)方法

總氮污染情況采用有機(jī)污染指數(shù)法，通過有機(jī)指數(shù)與有機(jī)氮指數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[5]。有機(jī)指數(shù)用于評(píng)價(jià)底泥污染情況[6]，是水體底泥環(huán)境受有機(jī)物污染程度的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)；有機(jī)氮指數(shù)則主要用作評(píng)定氮污染的程度大小。計(jì)算公式為:

OI=OC×ON

(2)

OC=OM/1.724

(3)

ON=TN×0.95

(4)

式中：OI為有機(jī)指數(shù)；ON為有機(jī)氮指數(shù), %；OC為有機(jī)碳, %；OM為有機(jī)質(zhì), %；TN為總氮, %。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表 3所示。

表3 總氮污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

研究采用SEM/AVS比值法、地累積指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)A湖表層底泥中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

(1)SEM/AVS比值法是通過SEM/AVS的摩爾濃度比來評(píng)價(jià)重金屬污染程度，其數(shù)值<1時(shí)，表明沉積環(huán)境中的AVS(酸性揮發(fā)硫)過量，底泥中二價(jià)重金屬離子(Me2+)均會(huì)與底泥中的S2-發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定沉積物；反應(yīng)過程如式(5)所示。

Me2++S2-→MeS

(5)

此間隙水及上覆水體中的重金屬自由離子含量相對(duì)較低，對(duì)底棲生物沒有毒害作用，可認(rèn)為其無生物毒性；反之，則有生物毒性。

(2)地累積指數(shù)法(Muller指數(shù))同時(shí)兼顧自然過程與人為活動(dòng)造成的重金屬污染，主要用于評(píng)價(jià)沉積物中重金屬的污染程度[7-8]。計(jì)算公式為：

Igeo=log2[Ci/(k×Bi)]

(6)

式中：Ci為底泥中重金屬元素的含量， mg/kg；Bi為重金屬元素含量的背景值，mg/kg，以《中國(guó)土壤元素背景值》作為參考[9]；因?qū)嶋H環(huán)境中的巖石差異可能致使背景值發(fā)生變化，因而取一參數(shù)k進(jìn)行調(diào)整，k=1.5。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示[10]。

表4 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(3)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家L.Hakanson于1980年提出的[11]，在眾多沉積物重金屬評(píng)價(jià)方法中尤為全面，不但可以評(píng)價(jià)單個(gè)重金屬的污染程度及毒性響應(yīng)情況，而且能夠?qū)Φ啄喽喾N重金屬的生態(tài)危害潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]。計(jì)算公式為：

(7)

(8)

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷污染及富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)

由研究區(qū)表層底泥中總氮、總磷含量測(cè)定結(jié)果(表6,圖2)可知，總氮含量除A9點(diǎn)極低外(38.80 mg/kg)，其余采樣點(diǎn)的總氮含量范圍在447.71～1 174.65 mg/kg之間，平均值為708.96 mg/kg，含量最高的3個(gè)點(diǎn)位均超過1 000.00 mg/kg，分別為A4、A6、A7，其位置處于研究區(qū)域的中部?？偭缀糠秶?78.08～721.88 mg/kg之間，平均值為544.08 mg/kg， 含量最高的3個(gè)點(diǎn)位均超過700.00 mg/kg，分別為A1、A3、A8，其位置處于研究區(qū)域的西側(cè)。

總氮含量區(qū)域特征較為明顯(圖3)，研究區(qū)南部區(qū)域污染程度較低，東北及中部區(qū)域污染最為嚴(yán)重，西北區(qū)域污染則相對(duì)較低，但仍然高于南部區(qū)域；總磷污染呈整體偏高的特點(diǎn)(圖4)，其西北及西部區(qū)域?yàn)橹囟任廴緟^(qū)，東部區(qū)域污染程度相對(duì)較低，整體來看從西向東污染程度逐漸降低。

圖2 各采樣點(diǎn)總氮、總磷含量Fig.2 Contents of total nitrogen and total phosphorus at each sampling point

表6 各采樣點(diǎn)總氮、總磷含量

圖3 總氮污染空間分布Fig.3 Spatial distribution of total nitrogen pollution

圖4 總磷污染空間分布Fig.4 Spatial distribution of total phosphorus pollution

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，A湖湖水在研究區(qū)域內(nèi)流速緩慢且水深較深，底泥受湖水?dāng)_動(dòng)較小，營(yíng)養(yǎng)鹽沉積后不易釋放，這是導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)氮磷污染較高的主要原因。對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位底泥粒徑分析后，發(fā)現(xiàn)粒徑大小與總氮含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)，說明總氮含量的空間分布受到底泥粒徑的影響較大。研究區(qū)水體的透明度較高、濁度較低，有利于藻類生長(zhǎng)繁殖，藻類死亡后導(dǎo)致底泥中總磷含量整體較高，而研究區(qū)的西北與西部區(qū)域更靠近岸邊，水體透明度更高、濁度更低，導(dǎo)致總磷含量高于其他區(qū)域。

圖5 各采樣點(diǎn)粒徑與總氮含量關(guān)系Fig.5 Relationship between particle size and total nitrogen content of each sampling point

由單因子指數(shù)法及有機(jī)污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果(表7)可知，在10個(gè)采樣點(diǎn)中，總氮污染情況為無重度污染點(diǎn)位，中度污染點(diǎn)位占50%，輕度污染點(diǎn)位占40%，無污染點(diǎn)位占10%；總磷污染情況為：重度污染點(diǎn)位占30%，中度污染點(diǎn)位占40%，輕度污染點(diǎn)位占30%。A湖底泥整體氮磷污染情況均為中度污染。

氮磷含量是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因子，其中磷元素可以促進(jìn)藻類大量繁殖，是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的決定因子[14]。目前A湖營(yíng)養(yǎng)級(jí)別處于中等營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，上覆水體總氮、總磷濃度分別為1.42 mg/L、0.09 mg/L。當(dāng)水體受到擾動(dòng)時(shí)，A湖表層底泥內(nèi)沉積的大量氮磷元素向上覆水體遷移，勢(shì)必會(huì)增加其富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。

表7 總氮、總磷污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

由研究區(qū)表層底泥中重金屬含量測(cè)定結(jié)果(表8，圖6)可知，含量最高的重金屬為Cr(24.011 4～61.466 4 mg/kg)；含量最低的重金屬為Cd(0～0.136 3mg/kg)；Pb、As、Ni 3種重金屬的含量分別為8.027 9～14.246 6 mg/kg、1.958 6～4.842 2 mg/kg、7.467 4～24.221 2 mg/kg。

由SEM/AVS比值法結(jié)果(表9)表明，研究區(qū)內(nèi)10個(gè)采樣點(diǎn)的SEM/AVS值均<1，說明A湖表層底泥中有過量的 AVS存在，重金屬幾乎不會(huì)由底泥向間隙水釋放，可以認(rèn)為A湖底泥中重金屬對(duì)底棲生物沒有毒性。

圖6 各采樣點(diǎn)重金屬含量Fig.6 Heavy metal content of each sampling point

表8 各采樣點(diǎn)重金屬含量

表9 SEM/AVS比值法評(píng)價(jià)結(jié)果

地累積指數(shù)法結(jié)果(表10)顯示，所有采樣點(diǎn)5種重金屬元素的地累積指數(shù)均<0，說明A湖表層底泥中不存在重金屬富集情況，人類活動(dòng)沒有對(duì)底泥造成重金屬污染。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法結(jié)果(表11)表明，單一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)以Cd為最高，多數(shù)采樣點(diǎn)值在30附近，其余4種重金屬的值均<6，處于輕微危害區(qū)間(<40)。5種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值均遠(yuǎn)<150，處于輕微風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，說明A湖底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極小。

表10 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 間隙水污染分析

間隙水常作為介質(zhì)將底泥中的溶解性物質(zhì)經(jīng)由表層擴(kuò)散遷移至上覆水體之中[15]，由底泥間隙水中總氮、總磷及重金屬(Pb、Cr、As、Cd、Ni)含量結(jié)果(表12，圖7)可知，間隙水中總氮、總磷平均含量分別為47.44 mg/L和20.29 mg/L，明顯高于上覆水(1.42 mg/L、0.09 mg/L)，說明底泥通過間隙水促進(jìn)了氮磷由底泥向上覆水的擴(kuò)散，同時(shí)增加了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)；5種重金屬離子平均含量均滿足地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)(表13)，進(jìn)一步說明重金屬均以硫化物形式存在于底泥中，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。

表11 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

表12 各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)間隙水總氮、總磷含量

圖7 各采樣點(diǎn)間隙水中氮、磷含量Fig.7 Contents of nitrogen, phosphorus in interstitial water of each sampling point

3 結(jié)論

(1)底泥10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的有機(jī)氮指數(shù)介于0.003 7～0.111 6之間，平均值為0.067 4；總磷污染指數(shù)介于0.86～1.64之間，平均值為1.24；氮磷污染程度均為中度污染。研究區(qū)內(nèi)藻類堆積是氮磷污染較重的主要原因。底泥間隙水中總氮平均含量為47.44 mg/L，遠(yuǎn)高于上覆水1.42 mg/L；總磷含量為20.29 mg/L，同樣遠(yuǎn)高于上覆水0.09 mg/L。底泥中氮磷元素通過間隙水向上覆水體遷移擴(kuò)散，對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化具有一定潛在風(fēng)險(xiǎn)。

表13 間隙水重金屬含量與地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

(2)重金屬評(píng)價(jià)因子SEM/AVS值均<1，地累積指數(shù)值均<0，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值均<150，SEM/AVS比值法與地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示底泥無重金屬污染，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為最低級(jí)，3種評(píng)價(jià)方法相關(guān)性較好，一致表明底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極低。底泥間隙水中未檢測(cè)到Pb元素，Cr、As、Cd、Ni的含量極低，不存在重金屬污染。