安徽沱湖表層沉積物營養(yǎng)鹽及重金屬分布特征

管 蓓，晁建穎，吳 超，吳曉東，林曉雯，李 建

(1.南京市生態(tài)環(huán)境保護科學研究院，江蘇 南京 210013；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042；3.湖北師范大學城市與環(huán)境學院，湖北 黃石 435002)

湖泊沉積物是指由于土壤沖刷、大氣沉降、地表徑流匯入、湖岸或湖底侵蝕等因素在水體底部沉積而形成的微粒物質(zhì)，既是污染物的蓄積庫，又是湖泊潛在的污染源。營養(yǎng)鹽、有機質(zhì)、重金屬在沉積物中的分布往往受到多種環(huán)境因素的影響，為了定量評價營養(yǎng)鹽和重金屬對沉積物的污染程度，經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，國內(nèi)外學者已經(jīng)提出了多種評價方法，主要有有機氮評價方法、有機指數(shù)法以及沉積物環(huán)境質(zhì)量標準評價法等[1-5]。對于重金屬污染評價主要有沉積物富集系數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、尼梅羅綜合指數(shù)法等[6-12]。其中潛在生態(tài)風險指數(shù)法由于簡單易行，使用較為廣泛。而對于重金屬來源，則主要使用主成分分析法和相關(guān)分析等方法進行解析[13-14]。由于評價模型本身的局限性，在實際應用的過程中單一方法往往難以滿足需要，通常需要綜合多個方法進行評價，這或許是未來沉積物污染評價發(fā)展的一個趨勢。

沱湖位于淮河流域懷洪新河水系，是安徽省沱湖省級自然保護區(qū)的主要載體，具有供水、調(diào)節(jié)河川徑流、灌溉、魚鳥生息繁衍等多重社會服務功能與生態(tài)功能。隨著人類活動強度的增大，沱湖水質(zhì)嚴重惡化，湖泊功能受到損害，在2015和2018年相繼出現(xiàn)了大面積的水污染事件，造成水產(chǎn)品大量死亡。近年來，對沱湖的研究主要集中在水質(zhì)富營養(yǎng)化評價以及浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征等方面，而對于沉積物的研究較少。因此，筆者選取沱湖為研究對象，通過實地采樣監(jiān)測，以揭示沱湖表層沉積物污染狀況，加深對淮河流域過水性湖泊沉積物特征的了解，為湖泊富營養(yǎng)化治理以及內(nèi)源污染控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

沱湖位于安徽省蚌埠市五河縣城西北，地處淮北平原，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，冬季多偏北風，夏季多偏南風。沱湖入湖河流主要有西北部的沱河、唐河和西部的馬拉溝，東部經(jīng)新開沱河閘排入懷洪新河。沱湖為典型的平原淺水湖泊，湖底較平坦，最深處約為3 m，總流域面積3 073 km2，正常水位時湖面約60 km2。

1.2 沉積物樣品采集與測試方法

于2018年8月對沱湖主要湖區(qū)開展底質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查。結(jié)合沱湖的面積和形態(tài)，此次調(diào)查共設(shè)置了8個采樣點(圖1、表1)。

圖1 沱湖表層沉積物采樣點設(shè)置

表1 沉積物采樣點地理信息

采用彼得森采泥器采集表層0～10 cm沉積物樣品，新鮮樣品裝入預先準備好的干凈自封袋中，并用防水記號筆注明日期及樣品編號，之后將樣品裝入4 ℃恒溫箱中運回實驗室分析。樣品冷凍干燥至恒重，去除雜物，研磨后過0.15 mm孔徑篩，備用。

用堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度計法測定表層沉積物中的總氮(TN)含量，過硫酸鉀氧化分光光度計法測定沉積物總磷(TP)含量。重鉻酸鉀容量法測定表層沉積物中的有機質(zhì)(OM)含量。鎘(Cd)含量的測定方法參考石墨爐原子吸收分光光度法。銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)含量的測定方法參考火焰原子吸收分光光度法。

1.3 評價方法

1.3.1環(huán)境質(zhì)量評價標準

以沉積物質(zhì)量評價標準[15]為基準對沱湖沉積物營養(yǎng)鹽、有機質(zhì)和重金屬污染狀況進行生態(tài)風險評價。沉積物質(zhì)量評價標準中各項指標的生態(tài)風險評價標準見表2。當污染物含量低于最低效應水平(LEL)時，多數(shù)底棲生物不會出現(xiàn)不良反應，可認為無生態(tài)風險；當污染物含量大于LEL低于嚴重效應水平(SEL)時，具有較低生態(tài)風險；當污染物含量大于SEL時，沉積物已被污染，多數(shù)生物會出現(xiàn)不良反應，具有較高生態(tài)風險。

表2 沉積物質(zhì)量評價標準

1.3.2有機指數(shù)評價法

有機指數(shù)通常可以反映沉積物受有機物污染狀況，有機氮是衡量沉積物是否受氮污染的一個指標[2]。計算方法如下：

Oi=Oc×On，

(1)

Oc=COM/1.724，

(2)

On=CTN×0.95。

(3)

式(1)～(3)中，Oi為有機指數(shù)，無量綱；Oc為有機碳含量，%；On為有機氮含量，%；COM為有機質(zhì)含量，%；CTN為總氮含量，%。

Oi和On的污染程度分級標準見表3。在判斷沉積物的污染程度時，先結(jié)合Oi判斷沉積物受有機污染的程度，然后再結(jié)合On判斷沉積物中受氮污染的程度，從而綜合判斷沉積物中的有機污染程度及類型。

表3 沉積物Oi和On評價方法

1.3.3潛在生態(tài)風險指數(shù)法

運用潛在生態(tài)風險指數(shù)法評估沉積物重金屬污染可能造成的生態(tài)風險[8]，計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)與污染程度的分級標準見表4。

表4 重金屬潛在生態(tài)風險評價方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Arcmap 10.7軟件繪制沱湖表層沉積物采樣點分布圖，并進行空間插值分析，Origin 2019軟件繪制柱狀圖，SPSS 21.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)含量

沱湖表層沉積物中，不同采樣點營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)的含量差別較明顯(圖2)。各采樣點w(TN)平均值為(2 535.00±987.97)mg·kg-1，變化范圍為1 060.00～3 710.00 mg·kg-1，最大值約是最小值的3.50倍，w(TN)高值區(qū)出現(xiàn)在湖泊開闊區(qū)和黑魚溝入湖湖灣附近，此處的3個采樣點T6、T7、T8的w(TN)均超過了3 000 mg·kg-1。相比于TN，表層沉積物w(TP)較小，最低含量出現(xiàn)在西南部馬拉溝入湖湖灣處的T5，最高含量出現(xiàn)在湖泊北部上游過水通道附近的T2，全湖平均值為(672.99±159.09) mg·kg-1，最大值約是最小值的1.89倍。OM可以有效反映湖泊的有機營養(yǎng)狀況，沱湖表層沉積物w(OM)較高，全湖平均值為(47.90±19.89) g·kg-1，最大值出現(xiàn)在T6，約是最小值T1的3.58倍，整體呈現(xiàn)出北部湖區(qū)低于南部的空間分布規(guī)律。

2.2 重金屬含量

沱湖表層沉積物重金屬元素的平均含量差別較大(圖3)，各元素平均含量的大小順序為Cr>Cu>Pb>Cd。表層沉積物w(Cd)波動范圍較小，全湖變化范圍為0.60～1.30 mg·kg-1，平均值為(0.95±0.26) mg·kg-1，最大值出現(xiàn)在黑魚溝入湖湖灣(T7)，最小值出現(xiàn)在T1(關(guān)咀大橋，沱河、唐河入湖口)和T2(湖泊北部上游過水通道)。相比于Cd，Cu含量較高，全湖平均值為(25.16±4.00) mg·kg-1，變化范圍為19.60～30.40 mg·kg-1，低值區(qū)主要出現(xiàn)在T1和T2附近。Cr平均含量顯著大于Pb，2種元素的平均值分別為(86.65±17.76)和(23.03±5.60) mg·kg-1，最大含量均出現(xiàn)在T7(黑魚溝入湖湖灣)，最小值分別出現(xiàn)在T1(關(guān)咀大橋，沱河、唐河入湖口)和T2(湖泊上游過水通道)。

圖3 沱湖表層沉積物重金屬的空間分布

2.3 評價結(jié)果

2.3.1營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)

根據(jù)加拿大制定的沉積物環(huán)境質(zhì)量評價標準(表2)，沱湖表層沉積物各采樣點TN和OM含量均處于LEL和SEL之間，具有較低的生態(tài)風險(表5)。雖然有4個采樣點的TP含量低于LEL，評價結(jié)果為無風險，但沱湖表層沉積物的TP平均含量仍舊超過了LEL，全湖評價結(jié)果為具有較低的生態(tài)風險(表5)。結(jié)果表明，沱湖表層沉積物的TN、TP和OM含量具有較低的生態(tài)風險，對環(huán)境有一定的潛在危害，需要削減湖泊中營養(yǎng)元素的含量，以降低沱湖水體發(fā)生富營養(yǎng)化的風險。

表5 污染物生態(tài)風險等級

沱湖表層沉積物的On和Oi均較大，其變化范圍分別為0.101%～0.352%和0.11～1.30。在On評價結(jié)果(表6)中，僅有2個采樣點處于尚清潔狀態(tài)，達到Ⅲ級，其他各采樣點的On均超過了0.133，達到Ⅳ級，處于有機氮污染狀態(tài)，On全湖平均值為0.241，整體上也處于有機氮污染狀態(tài)。有機氮污染較嚴重的區(qū)域主要分布在湖泊開闊區(qū)(T8、T6)和黑魚溝入湖湖灣(T7)附近，尚清潔的區(qū)域僅分布在關(guān)咀大橋沱河、唐河入湖口(T1)和湖泊北部上游過水通道(T2)附近。Oi評價結(jié)果(表6)中，有6個采樣點處于有機污染狀態(tài)，所占比例高達75.00%，僅有剩下的2個采樣點(T1、T2)處于較清潔狀態(tài)，全湖Oi平均值為0.76，沱湖整體上也處于有機污染狀態(tài)。Oi的空間分布特征和On相似(圖4)，沱湖表層沉積物受有機污染較嚴重的區(qū)域集中在湖泊開闊區(qū)和黑魚溝入湖湖灣，污染較輕的區(qū)域則分布在關(guān)咀大橋沱河、唐河入湖口和湖泊北部上游過水通道附近，并且在有機污染中以有機氮污染為主要部分。

表6 沱湖表層沉積物有機氮含量和有機指數(shù)評價結(jié)果

2種方法的評價結(jié)果較為一致，表明沱湖表層沉積物均受到一定程度的有機污染。沱湖作為五河縣飲用水源地，在今后的治理工作中，要進一步削減內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)負荷，以防止可能發(fā)生的水體富營養(yǎng)化危機。

2.3.2重金屬含量分析

根據(jù)加拿大沉積物環(huán)境質(zhì)量評價標準(表2)。沱湖表層沉積物受Cd、Cu、Cr污染較嚴重，受Pb污染最輕(表5)。各采樣點的Cd和Cu含量均處于LEL和SEL之間，具有較低的生態(tài)風險。T7采樣點的Cr含量超過了SEL，評價結(jié)果為具有較高生態(tài)風險，其他各采樣點的Cr污染均處于較低生態(tài)風險，全湖w(Cr)平均值為86.65 mg·kg-1，整體上也處于較低生態(tài)風險狀態(tài)。Pb含量的最高值出現(xiàn)在T7，該采樣點的評價結(jié)果為較低生態(tài)風險，其他各采樣點的Pb含量均低于LEL，評價結(jié)果為無風險，沱湖整體上也處于無風險狀態(tài)。

潛在生態(tài)風險指數(shù)評價結(jié)果(表7)顯示，沱湖表層沉積物中4種重金屬元素的Eri均值順序為Cd>Cu>Pb>Cr。T3(湖泊上游過水通道)、T5(馬拉溝入湖湖灣)、T7(黑魚溝入湖湖灣)受Cd污染較嚴重，評價結(jié)果為具有極強的生態(tài)風險，其他各采樣點的評價結(jié)果均為具有很強的生態(tài)風險，全湖整體上也處于很強生態(tài)風險狀態(tài)。Cu、Pb、Cr的Eri較低，各采樣點均為輕微風險。Cu、Pb、Cr的Eri最高值均出現(xiàn)在T7(黑魚溝入湖湖灣)。此外，T5(馬拉溝入湖湖灣)的Eri(Cu、Pb、Cr)值也均接近最大值，說明黑魚溝入湖湖灣和馬拉溝入湖湖灣附近是Cu、Pb、Cr污染嚴重的區(qū)域。T1、T2、T4的IR值低于300，處于中等生態(tài)風險狀態(tài)，其他各采樣的IR值均處于300～600之間，具有強生態(tài)風險，全湖IR平均值為306.92，整體上也為強生態(tài)風險。其中Cd對IR的平均貢獻率最高，達95.73%。IR高值區(qū)(圖5)主要分布于馬拉溝入湖湖灣和黑魚溝入湖湖灣附近，這和前面描述的Eri空間分布特征相似，說明這些區(qū)域受重金屬污染較為嚴重。

表7 沱湖表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風險等級

綜合分析表明，沱湖表層沉積物重金屬污染具有強生態(tài)風險，以Cd最為嚴重，污染較嚴重的區(qū)域主要分布于馬拉溝入湖湖灣和黑魚溝入湖湖灣附近。在今后的工作中，需要重點控制湖泊中Cd的含量，否則將會對上覆水體造成威脅，引發(fā)用水危機。

3 討論

3.1 不同研究區(qū)域表層沉積物營養(yǎng)鹽、重金屬含量對比

不同研究區(qū)域的對比結(jié)果見表8～9。沱湖表層沉積物的TN、TP、OM含量均明顯高于太湖、鄱陽湖和洞庭湖，也高于丹江口水庫和淮河流域的洪澤湖，其TN含量顯著低于太湖流域的陽澄湖和北方地區(qū)的白洋淀，TP含量顯著低于北方地區(qū)的烏梁素海和白洋淀，OM含量僅低于同屬安徽的巢湖。因此，沱湖表層沉積物中的營養(yǎng)鹽和OM含量在國內(nèi)湖泊中處于較高水平，其內(nèi)源污染負荷不容忽視。重金屬污染方面，與國內(nèi)其它湖泊相比，沱湖表層沉積物中，Cd、Cr含量處于較高水平，Cu、Pb含量處于中等水平。沱湖Cd含量僅次于洪澤湖和洞庭湖，顯著高于其他7個代表性湖泊，是烏梁素海的7.31倍，Cu和Pb的污染程度較低，其含量處于中等水平，Cr的含量僅次于巢湖和洞庭湖，明顯高于太湖、洪澤湖、鄱陽湖、陽澄湖、烏梁素海、白洋淀和丹江口水庫。由此可見，需要重點削減沱湖沉積物中的重金屬負荷，以防止發(fā)生重金屬污染事件。

表8 不同研究區(qū)域表層沉積物營養(yǎng)鹽含量對比

表9 不同研究區(qū)域表層沉積物重金屬含量對比

3.2 污染物來源分析

目前，沱湖的主要污染物來自于西北角唐河、沱河及其上游下泄的污水，其次為沿湖的馬拉溝等穿堤閘站管涵入湖的污水。調(diào)查發(fā)現(xiàn)沱河、唐河是沱湖主要的入湖河流，輸入水量占湖泊總來水量的70%以上，其所流經(jīng)的埇橋區(qū)和靈璧縣境內(nèi)廣泛的分散式畜禽養(yǎng)殖、種植、工業(yè)生產(chǎn)、旅游、居民生活等行為產(chǎn)生的污水增加了沱湖入湖污染負荷，是總氮和總磷的主要來源。由于目前污水處理廠管網(wǎng)覆蓋率較低，跑冒滴漏嚴重，極大限制了污水處理廠的處理效率。水產(chǎn)養(yǎng)殖投餌也對湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境影響巨大，保護區(qū)內(nèi)雖然于2018年拆除了圍網(wǎng)養(yǎng)殖，但是沱湖歷史上曾經(jīng)進行大面積螃蟹養(yǎng)殖，沱湖省級自然保護區(qū)核心區(qū)內(nèi)也沒有禁止養(yǎng)殖和捕撈。現(xiàn)場調(diào)查也顯示，湖邊現(xiàn)有餐飲企業(yè)未見污水收集處置設(shè)施，污水存在直接排入沱湖的可能，進一步增加了湖泊污染負荷。雖然沱湖水生植物種類較多，但沱湖的水位調(diào)控運行往往是枯水期蓄水、豐水期排水。在早春濕地植物萌發(fā)生長時，不少灘地處于淹水狀態(tài)，濕地植物萌發(fā)生長面臨壓力，而豐水期上游來水迅速下泄，水位仍長期保持在13.8 m的調(diào)控水位附近，又加速了沉水植物死亡。目前，沱湖的水生植被年際變化較大，尤其是在春季水位較高的年份，沉水植物種類單一，菹草為絕對優(yōu)勢種，5—6月死亡腐爛分解，不僅造成水體有機質(zhì)含量大幅升高，還限制了其他沉水植物的生長，降低了水體自凈能力。

湖泊重金屬元素主要來源于流域母質(zhì)和人為排放，其中人為排放為主要來源。Cd可來源于電鍍、合金制造和冶煉工業(yè)等，Pb可來源于礦石和含鉛汽油的燃燒、化工企業(yè)的排放等，Cu和Cr可來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的商品有機肥、化肥、農(nóng)藥等。人類活動會改變土壤Cd遷移活性，進而加劇重金屬的溶出；另外，沱湖歷史上有大面積螃蟹養(yǎng)殖，水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料含有一定量的Cd，也可能造成其在沉積物中累積富集。近年來，沱湖流域鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展，由于污水收集處理設(shè)施不夠完善，可能存在部分未經(jīng)處理的污水直排入河流后進入湖泊，導致沱湖表層沉積物部分重金屬含量處于較高水平。

沉積物中營養(yǎng)鹽和重金屬的分布受到人類活動、水動力過程和水文特征的影響。沱湖表層沉積物營養(yǎng)鹽、有機質(zhì)和重金屬含量的空間分布差異可能與沱湖的過水性湖泊特征有關(guān)。西北角的唐河、沱河雖然在入湖時攜帶有大量的污染物，但關(guān)咀大橋沱河、唐河入湖口和湖泊北部上游過水通道附近水域水面較窄、水流速較快，受水流的沖刷作用污染物不易沉淀[20]。此外，湖泊北部的蔡咀、下朱莊、小莫灘等灘涂分布有蘆葦、菖蒲等水生植物，增強了岸線的污染攔截能力，從而形成了TN、OM、Cd、Cu、Pb、Cr含量的低值區(qū)。水流經(jīng)過鳳凰咀之后進入湖泊開闊區(qū)，再加上新開沱河閘對沱湖水體流動性的影響，水流相對停滯，大部分污染物隨水流移動到此處且易于沉淀，形成了TN和OM含量的高值區(qū)[20]。相比于上游，沱湖下游城鎮(zhèn)化程度較高，鎮(zhèn)區(qū)未經(jīng)處理的部分生活污水直接入湖以及下游開闊水面散落的圍網(wǎng)養(yǎng)殖、河道運輸生產(chǎn)也加重了沱湖南部水域的污染負荷。飲用水水源地既是Cd、Cu、Pb、Cr含量的最高值所在水域，也是TN和OM含量的高值區(qū)，這可能是因為該處是湖灣，水體交換性較弱，湖水滯留時間長，易于污染物沉淀。除了飲用水水源地，馬拉溝入湖湖灣也是重金屬污染較嚴重的區(qū)域。相比于沱河和唐河，馬拉溝入湖流速較小，沖刷作用較弱，其沿岸的生活和農(nóng)業(yè)污水經(jīng)馬拉溝閘進入湖泊后，受湖灣地形的影響，水流相對停滯，易于重金屬元素沉淀，從而成為重金屬污染較嚴重的水域。TP的最高值出現(xiàn)在湖泊北部上游過水通道，可能是由于沉積物中TP含量大小不僅和湖泊水文特征有關(guān)，還和浮游生物以及其他水土界面交換過程有關(guān)，其機制還有待進一步分析[26]。

4 結(jié)論

(1)表層沉積物總氮和有機質(zhì)的高值區(qū)出現(xiàn)在湖泊開闊區(qū)和黑魚溝入湖湖灣，總磷含量的最高值出現(xiàn)在湖泊北部上游過水通道。

(2)鎘、銅、鉛、鉻含量的最高值均出現(xiàn)在黑魚溝入湖湖灣附近，低值區(qū)則出現(xiàn)在沱河、唐河入湖口和湖泊北部上游過水通道。

(3)沱湖表層沉積物受到一定程度的有機污染，以有機氮污染為主要。

(4)沱湖表層沉積物重金屬污染具有強生態(tài)風險，以Cd污染最為嚴重。